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VCSEL的关键制程决定了器件的特性与可靠性

发布日期:2017-10-09 作者:admin 点击:

关键技术一:VCSEL外延

图一是VCSEL的结构示意图,以銦镓砷InGaAs井(well)铝镓砷AlGaAs垒(barrier)的多量子阱(MQW)发光层是最合适的,跟LED用In来调变波长一样,3D感测技术使用的940纳米波长VCSEL的銦In组分大约是20%,当銦In组分是零的时候,外延工艺比较简单,所以最成熟的VCSEL激光器是850纳米波长,普遍使用于光通信的末端主动元件。



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

发光层上、?#38109;?#36793;分别由四分之一发光波长厚度的高、低折射率交替的外延层形成p-DBR与n-DBR,一般要形成高反射率有两个条件,第一是高低折射率材料对数够多,第二是高低折射率材料的折射率差别越大,出射光?#36739;?#21487;以是顶部或衬底,这主要取决于衬底材料对所发出的激光是否透明例如940纳米激光由于砷化镓衬底不吸收940纳米的光,所以设计成衬底面发光,850纳米设计成正面发光,一般不发射光的一面的反射率在99.9%以上,发射光一面的反射率为99%,目前的AlGaAs铝镓砷结构VCSEL大部分是用高铝(90%)的Al0.9GaAs层与低铝(10%)Al0.1GaAs层交替的DBR,反射面需要30对以上的DBR(一般是30~35对才能到达99.9%反射率),出光面至少要24~25对DBR(99%反射率),由于后续需要氧化制程来缩小谐振腔体积与出光面积,所以在接近发光层的p-DBR膜层的高铝层需要使用全铝的砷化铝AlAs材料,这样后面的氧化制程可以比较快完成。

 
                                                             图二 外延与氧化制程是VCSEL良率与光电特性好坏的关键

关键技术二: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?#33455;?#30830;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。



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

关键技术三:保护绝缘制程

       跟LED一样,最后只能保留焊线电极上没?#33455;当?#25252;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?#31185;?#30456;化学沉积机PECVD来?#26222;?#23618;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?#20063;?#38754;镀膜均匀,致密性高,最重要的是厚度很薄就可以完全绝?#24403;?#25252;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。



 
                                                   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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