VCSEL的關(guān)鍵制程決定了器件的特性與可靠性

發(fā)布日期：2017-10-09 作者：admin 點(diǎn)擊：

關(guān)鍵技術(shù)一：VCSEL外延

圖一是VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖，以銦鎵砷InGaAs井（well）鋁鎵砷AlGaAs壘（barrier）的多量子阱（MQW）發(fā)光層是最合適的，跟LED用In來調(diào)變波長一樣，3D感測技術(shù)使用的940納米波長VCSEL的銦In組分大約是20%，當(dāng)銦In組分是零的時(shí)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(dòng)元件。

圖五 VCSEL的外延與芯片結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)光層上、下兩邊分別由四分之一發(fā)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(gè)條件，第一是高低折射率材料對數(shù)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(fā)出的激光是否透明例如940納米激光由于砷化鎵襯底不吸收940納米的光，所以設(shè)計(jì)成襯底面發(fā)光，850納米設(shè)計(jì)成正面發(fā)光，一般不發(fā)射光的一面的反射率在99.9%以上，發(fā)射光一面的反射率為99%，目前的AlGaAs鋁鎵砷結(jié)構(gòu)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(dá)99.9%反射率），出光面至少要24~25對DBR（99%反射率），由于后續(xù)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(fā)光層的p-DBR膜層的高鋁層需要使用全鋁的砷化鋁AlAs材料，這樣后面的氧化制程可以比較快完成。

圖二外延與氧化制程是VCSEL良率與光電特性好壞的關(guān)鍵

關(guān)鍵技術(shù)二：氧化制程

這個(gè)技術(shù)是LED完全沒有的工藝，也是LED紅光發(fā)明人奧隆尼亞克（Nick Holonyak Jr.）發(fā)明的技術(shù)，如圖六所示，主要利用氧化制程縮小諧振腔體積與發(fā)光面積，但是過去在做氧化制程的時(shí)候，很難控制氧化的面積，只能先用樣品做氧化制程，算出氧化速率，利用樣品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化制程時(shí)間，這樣的生產(chǎn)非常不穩(wěn)定，良率與一致性都很難控制！精確控制氧化速度讓每個(gè)VCSEL芯片的諧振腔體積可以有良好的一致性，沒有過氧化或少氧化的問題，這樣在做陣列VCSEL模組的時(shí)候才會有精確的光電特性。即時(shí)監(jiān)控氧化面積是最好的方法，如圖七所示，法國的AET Technology公司設(shè)計(jì)了一臺可以利用砷化鋁（AlAs）氧化成氧化鋁（AlOx）之后材料折射率改變的反射光譜變化精確監(jiān)控氧化面積，這種精密控制氧化速率的設(shè)備，可以省去過去工程師用試錯(cuò)修正來調(diào)試參數(shù)，對大量穩(wěn)定生產(chǎn)VCSEL芯片提供了最好的工具。

圖三法國AET的VCSEL即時(shí)監(jiān)控的氧化制程設(shè)備

關(guān)鍵技術(shù)三：保護(hù)絕緣制程

跟LED一樣，最后只能保留焊線電極上沒有絕緣保護(hù)層在上面，由于激光二極管的功率密度更大，所以VCSEL更需要這樣的保護(hù)層，更重要的是為了不讓氧化制程的AlAs層繼續(xù)向內(nèi)氧化影響諧振腔體積，造成激光特性突變，保護(hù)層的膜層質(zhì)量非常重要，尤其是側(cè)面覆蓋的致密性更為重要，過去都是用等離子加強(qiáng)氣相化學(xué)沉積機(jī)PECVD來鍍這層膜，但是為了要保持致密性需要較厚的膜層，但是膜層太厚會造成應(yīng)力過大影響器件可靠度！于是原子層沉積ALD技術(shù)開始取代PECVD成為最好的鍍膜制程，如圖八所示，ALD可以沉積跟VCSEL氧化層特性接近的氧化鋁（Al2O3）薄膜，而且側(cè)面鍍膜均勻，致密性高，最重要的是厚度很薄就可以完全絕緣保護(hù)芯片，除了VCSEL制程以外，LED的倒裝芯片flip chip與IC的Fin-FET制程都需要這樣的膜層，跟氧化技術(shù)一樣，國內(nèi)還無法提供這樣的設(shè)備，目前芬蘭的Picosun派克森公司與Apply Material美國應(yīng)用材料公司提供這樣的設(shè)備與制程。

圖四芬蘭Picosun派克森公司的ALD原子層沉積技術(shù)的設(shè)備

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