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VCSEL外延生长及关键制造工艺
2020-01-25 15:25:20   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

VCSEL是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)工艺在衬底上沉积复杂的多层膜结构而形成的。外延层主要由产生光子的有源层和分布布拉格反射镜(DBR)组成,有源层夹在上、下两个分布布拉格反射镜之间,形成类三明治型结构,它对外延生长质量要求很高。

据麦姆斯咨询介绍,垂直腔面发射激光器(VCSEL)已经在数据通信领域应用了二十多年,但有许多新兴的应用需求正在推动着VCSEL的批量生产和性能提升。这些应用包括但不限于人脸识别、手势识别、接近传感、高分辨率视频显示、汽车激光雷达、红外照明、红外加热、原子钟……

与边缘发射激光器(EEL)和发光二极管(LED)等技术相比,VCSEL的总体优点是光束质量好、成本低、体积小、工艺集成容易。此外,VCSEL还具有在工作温度范围内波长稳定性高的优势,并且可定向聚焦以最大程度地提高输出效率。由于VCSEL是顶部发光(LED也是顶部发光),可以在晶圆上进行测试,能够与光学器件集成,并作为裸芯片贴装在印刷电路板(PCB)上,或者与激光器、驱动器和控制逻辑电路封装在一起。VCSEL功率输出虽然小于EEL,但可以通过创建VCSEL阵列进行扩展。

应用驱动需求

目前,来自不同智能手机厂商(如苹果、三星、华为、小米、OPPO、vivo)的高端手机都增加了3D传感与成像应用,前置和/或后置摄像头模组中集成了VCSEL。这种消费类应用是VCSEL大批量生产的最大市场驱动力,汽车和工业市场的需求相对较小,但是也在不断发展。市场调研机构普遍预测,未来五年,全球VCSEL市场的复合年增长率(CAGR)将达到17%至31%。

当前正在推动VCSEL研究和产品开发的另一项应用是激光雷达(LiDAR)。激光雷达是一种用于测量相对距离和物体运动的光学传感技术,对于自动驾驶汽车而言是非常重要的。激光雷达的工作原理与雷达有相似之处,但是它发射的探测信号是激光,而不是无线电波。遇到物体反射的激光回到激光雷达中的光电探测器,通过飞行时间方法计算物体的相对距离。与雷达的无线电波波长(~1mm)相比,紫外/可见/红外光波长更短(100nm~100µm),因此,激光雷达可以探测较小的物体,提供更清晰的图像。

VCSEL在短距离测量领域表现良好,例如智能手机中的3D人脸识别或汽车车舱内的驾驶员注意力监控。然而,由于与其它红外光源相比,VCSEL功率输出较低,因此在自动驾驶应用的远距离测量方面,给VCSEL带来了挑战。当使用短波长、高功率的VCSEL来获得远距离测量能力时,会产生人眼安全的问题。眼睛的安全性涉及功率、发散角、脉冲持续时间、曝光方向和波长等因素的复杂组合。通过使用短脉冲调整VCSEL的波长,并优化光学探测,使用低功率VCSEL阵列实现眼睛安全的长距离测量是可行的。

VCSEL外延生长

VCSEL是通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)或分子束外延(MBE)工艺在衬底上沉积复杂的多层膜结构而形成的。外延层主要由产生光子的有源层和分布布拉格反射镜(DBR)组成,有源层夹在上、下两个分布布拉格反射镜之间,形成类三明治型结构,它对外延生长质量要求很高。有源层产生的光子在上、下两个分布布拉格反射镜中来回反射产生谐振效应,最终放大并形成激光。每个分布布拉格反射镜由许多外延层构成,每个外延层的折射率和厚度经过定制化,可引起相长干涉,从而产生所需波长的光波。

VCSEL结构示意图

VCSEL结构示意图

VCSEL制造商可以通过选择离子注入或氧化某些外延层来形成绝缘层以限制电流流入有源层区域。例如,在基于GaAs衬底的VCSEL的情况下,AlGaAs层被部分氧化以在孔径周围形成非导电区域。这种限制电流流动的方法能够降低阈值电流,以产生激光发射,并控制光束宽度。

VCSEL外延生长层示意图

VCSEL外延生长层示意图

大批量生产VCSEL的关键晶圆制造工艺

电感耦合等离子体(ICP)用于刻蚀形成VCSEL中的垂直或锥形台面结构。下一代VCSEL的关键要求是侧壁表面平滑的刻蚀效果,没有侧壁损伤或任何层的择优刻蚀。侧壁不均匀会导致VCSEL侧面的光学损耗。采用湿法刻蚀很难获得最佳的平滑轮廓,因为这种刻蚀本质上是各向同性的,并且会导致外延层产生缺口。干法ICP刻蚀更具方向性,可以根据需要进行调整,以获得更平滑的轮廓。精确控制刻蚀深度对VCSEL性能至关重要,在大批量生产应用中,通过激光干涉条纹计数或光学发射光谱(OES)可实现精确的端点检测。

VCSEL制造商使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)来沉积最高质量的氮化硅(SiN)层。最关键的应用是抗反射涂层,该涂层可通过最大化腔体的光输出来提高激光器性能。在此,厚度和折射率的非均匀性要求最低。SiN也可用于提供牺牲应力的补偿层,以最大限度地减少薄衬底的弯曲和翘曲;SiN还可用于钝化和硬掩模层。

物理气相沉积(PVD)技术用于沉积TiW/Au晶种层,以及用于为器件提供电流输入或帮助散热的触点Au。该项技术还可以沉积具有定制应力特性的PVD层来补偿晶圆应力,否则一旦晶圆变薄并从载体上剥离下来,就会产生翘曲。

自2016年下半年以来,VCSEL领域对SPTS制造工艺设备的需求激增。VCSEL制造商之所以选择SPTS的Omega蚀刻、Delta PECVD和Sigma PVD解决方案,是因为它们具有精确的工艺能力、广泛的工艺库,以及SPTS多年来在相关技术和产品(如GaAs射频器件和LED)大批量生产方面为客户提供服务的经验。如果您希望了解更多信息,请访问:www.spts.com。

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