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VCSEL的關鍵制程決定了器件的特性與可靠性

發布日期:2017-10-09 作者:admin 點擊:

關鍵技術一:VCSEL外延

圖一是VCSEL的結構示意圖,以銦镓砷InGaAs井(well)鋁镓砷AlGaAs壘(barrier)的多量子阱(MQW)發光層是最合適的,跟LED用In來調變波長一樣,3D感測技術使用的940納米波長VCSEL的銦In組分大約是20%,當銦In組分是零的時候,外延工藝比較簡單,所以最成熟的VCSEL激光器是850納米波長,普遍使用于光通信的末端主動元件。


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                                                                     图五 VCSEL的外延与芯片结构示意图

發光層上、下兩邊分別由四分之一發光波長厚度的高、低折射率交替的外延層形成p-DBR與n-DBR,一般要形成高反射率有兩個條件,第一是高低折射率材料對數夠多,第二是高低折射率材料的折射率差別越大,出射光方向可以是頂部或襯底,這主要取決于襯底材料對所發出的激光是否透明例如940納米激光由于砷化镓襯底不吸收940納米的光,所以設計成襯底面發光,850納米設計成正面發光,一般不發射光的一面的反射率在99.9%以上,發射光一面的反射率爲99%,目前的AlGaAs鋁镓砷結構VCSEL大部分是用高鋁(90%)的Al0.9GaAs層與低鋁(10%)Al0.1GaAs層交替的DBR,反射面需要30對以上的DBR(一般是30~35對才能到達99.9%反射率),出光面至少要24~25對DBR(99%反射率),由于後續需要氧化制程來縮小諧振腔體積與出光面積,所以在接近發光層的p-DBR膜層的高鋁層需要使用全鋁的砷化鋁AlAs材料,這樣後面的氧化制程可以比較快完成。
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                                                             图二 外延与氧化制程是VCSEL良率与光电特性好坏的关键

關鍵技術二:氧化制程

       这个技术是LED完全没有的工艺,也是LED红光发明人奥隆尼亚克(Nick Holonyak Jr.)发明的技术,如图六所示,主要利用氧化制程缩小谐振腔体积与发光面积,但是过去在做氧化制程的时候,很难控制氧化的面积,只能先用样品做氧化制程,算出氧化速率,利用样品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化制程时间,这样的生产非常不稳定,良率与一致性都很难控制!精确控制氧化速度让每个VCSEL芯片的谐振腔体积可以有良好的一致性,没有过氧化或少氧化的问题,这样在做阵列VCSEL模组的时候才会有精确的光电特性。即时监控氧化面积是最好的方法,如图七所示,法国的AET Technology公司设计了一台可以利用砷化铝(AlAs)氧化成氧化铝(AlOx)之后材料折射率改变的反射光谱变化精确监控氧化面积,这种精密控制氧化速率的设备,可以省去过去工程师用试错修正来调试参数,对大量稳定生产VCSEL芯片提供了最好的工具。


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                                                         图三 法国AET的VCSEL即时监控的氧化制程设备

關鍵技術三:保護絕緣制程

       跟LED一样,最后只能保留焊线电极上没有绝缘保护层在上面,由于激光二极管的功率密度更大,所以VCSEL更需要这样的保护层,更重要的是为了不让氧化制程的AlAs层继续向内氧化影响谐振腔体积,造成激光特性突变,保护层的膜层质量非常重要,尤其是侧面覆盖的致密性更为重要,过去都是用等离子加强气相化学沉积机PECVD来镀这层膜,但是为了要保持致密性需要较厚的膜层,但是膜层太厚会造成应力过大影响器件可靠度!于是原子层沉积ALD技术开始取代PECVD成为最好的镀膜制程,如图八所示,ALD可以沉积跟VCSEL氧化层特性接近的氧化铝(Al2O3)薄膜,而且侧面镀膜均匀,致密性高,最重要的是厚度很薄就可以完全绝缘保护芯片,除了VCSEL制程以外,LED的倒装芯片flip chip与IC的Fin-FET制程都需要这样的膜层,跟氧化技术一样,国内还无法提供这样的设备,目前芬兰的Picosun派克森公司与Apply Material美国应用材料公司提供这样的设备与制程。


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                                                   图四 芬兰Picosun派克森公司的ALD原子层沉积技术的设备 
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