VCSEL机遇和挑战并存
2018年12月20日

 

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据麦姆斯咨询报道,自2017年Apple(苹果)公司的旗舰手机整合以来,VCSEL(垂直腔面发射激光器)已成为智能手机3D传感应用的核心元件。不仅苹果的竞争对手——安卓阵营智能手机厂商在大力发展基于VCSEL的创新应用,来自汽车领域的新增长动力,也有望进一步推动VCSEL的大规模量产,VCSEL的增长序幕才刚刚拉开。根据Yole近日发布的《VCSEL技术、产业和市场趋势》报告,2017年VCSEL市场营收达到了约3.3亿美元,预计未来5年的复合年增长率将高达48%以上。

VCSEL应用从数据通信时代向3D传感时代的转变,可能会对与VCSEL相关的专业制造产生重大影响。在此背景下,Yole固态照明技术与市场分析师Pierrick Boulay于近期采访了Oxford Instruments(牛津仪器公司)技术写作负责人Stephanie Baclet,与其探讨了当前与VCSEL制造相关的挑战。


Pierrick Boulay(以下简称PB):您好,请您先做一下自我介绍,您的工作内容,以及牛津仪器的主要业务?
Stephanie Baclet(以下简称Stephanie):我是Stephanie Baclet,目前负责牛津仪器公司的技术写作。我与光电子器件制造商紧密合作,将它们对器件的要求,转化为等离子处理产品的纳米制造要求。我曾作为高级应用工程师专注于新产品的推出以及各种技术的处理开发,如LED、激光二极管和衍射光学元件等。

牛津仪器等离子技术,是纳米级特征、纳米层和纳米结构可控生长应用的蚀刻和沉积等离子工艺解决方案的供应商。这些解决方案是基于等离子体、离子束和原子层沉积和蚀刻核心技术。我们的产品范围覆盖了从用于高通量生产加工的批量盒式处理平台,到用于研发的紧凑型独立系统。

牛津仪器PlasmaPro100 Polaris MMX

 

PB:与VCSEL制造工艺相关的主要挑战有哪些?牛津仪器如何攻克?
Stephanie:器件的性能和特性,始终是其设计和制造中多种元素影响的综合结果。因此,建立正确的工艺流程并在控制容差内执行每个工艺步骤,对于可靠的制造非常重要。对于VCSEL,我会说光孔径是其设计的一个关键因素,因为它直接定义了激光器的关键参数,例如阈值电压。

目前,光孔径的大小一部分由mesa diameter(台面直径)以及Al(铝)含量和氧暴露决定,因此需要很好地控制每一个因素以获得期望的孔径。总的来说,这3个因素正是VCSEL制造的主要挑战所在,亦即VCSEL技术要求堆叠层内Al含量良好控制的外延结构,台面结构的可靠制造,以及具有严密流动控制的氧化炉。

3D传感等应用推动了市场对VCSEL的大规模需求,因此行业关注VCSEL良率的最大化,以及将VCSEL制造技术推向150mm平台。牛津仪器提供处理VCSEL台面以及其他几种激光元件的解决方案。我们已经与VCSEL制造商合作多年,牛津仪器在设计III-V族材料等离子处理解决方案方面的专业积累,使我们能够在100mm和150mm晶圆平台实现最高良率的制造解决方案。

此外,纳米加工领域正在不断发展。诸如原子层沉积和原子层蚀刻等技术实现了新的器件架构,并使器件性能最大化。我们一直在不断改进我们的解决方案组合,提高客户的器件性能。

制造过程中具有挑战的工艺步骤

 

PB:蚀刻工艺似乎是VCSEL制造过程中的关键步骤之一,你能解释一下其原因吗?

Stephanie:台面蚀刻工艺在几个方面对VCSEL的性能至关重要。首先是侧壁的质量,台面侧壁是氧化工艺开始的地方。需要有一个平滑而干净的表面,以使孔径均匀地形成。由于还需要控制台面的剖面角,而这会根据加工策略产生一定的粗糙度,因此,这是一个挑战。另外,对于标准GaAs/AlGaAs(砷化镓/砷化铝镓)DBR(分布布拉格反射镜)结构,AlGaAs中存在的Al也会在每对层之间引入选择性蚀刻。

蚀刻步骤的另一个关键是如何定义截止层。如果不能在外延叠层内的目标截止层停止蚀刻,则在形成出光孔时会导致不需要的层的氧化。控制蚀刻工艺停止的位置,不仅取决于终点控制技术的准确性,还取决于整个晶圆上蚀刻速率的均匀性。显然,所有这些因素在大晶圆尺寸下将变得更加难以控制。


PB:可以使用哪类工具来控制不同的制造工艺?您能介绍一下吗?
Stephanie:对于等离子工艺解决方案步骤,有控制工艺本身的工具,例如自动终点控制技术,然后还有控制设备的工具。随着化合物制造的日趋成熟,硅行业使用多年的许多方法将开始出现在VCSEL制造领域,例如 SECS/GEM(半导体通信协议)和工厂自动化。这些将推动良率的提高,并降低VCSEL主流应用所需要的拥有成本。牛津仪器等离子技术已经在多个客户的产线实施了SECS/GEM,并为VCSEL制造的下一阶段做好了充分准备。

RIE反应离子蚀刻系统

 

PB:为什么从晶圆到晶圆保持相同的生产一致性如此困难?
Stephanie:VCSEL的一大优势是能够制造阵列以扩大功率。然而,为了用单个电输入驱动VCSEL阵列,理想情况下阵列中的每个VCSEL需要具有相同的光电特性。例如,您需要阵列中的所有VCSEL具有相同的阈值电压,这样它们可以同时开启。当在脉冲条件下运行时,这将变得更加重要。因此,总体而言,对生产一致性的要求非常严格。目前,良率很大程度上取决于外延片的良率。外延结构的复杂性和厚度对外延片制造商来说是一个挑战。DBR结构需要非常厚才能获得所需要的反射率,因此,50多层的堆叠层以及整个晶圆区域的Al含量都需要精确控制。

PB:数据通信和消费类、汽车领域3D传感应用的VCSEL有哪些主要区别?
Stephanie:数据通信是VCSEL初始的应用。如今,光学互连和光学HDMI(高清多媒体接口)电缆等应用仍然具有吸引力。对于这些应用,激光器波长通常为850nm多模发射,在大芯片上以mW(毫瓦)范围的低功率运行。由于这类激光器是在高频下调制的,因此通常专为低电寄生而设计。在手势识别等3D传感应用中,激光波长通常在940nm量级,并且通常是为更高功率运行而设计的阵列。根据应用的不同,LiDAR(激光雷达)应用的VCSEL功率约为10~50W,手势识别的功率约为0.5W。阵列密度和孔径大小可根据功率要求进行调整。

PB:您对未来五年的VCSEL应用有何期待?
Stephanie:随着良率的提高和成本的降低,我们应该会看到越来越多的应用选择VCSEL作为光源。红外光源是物联网、智能家居或手势识别等非常激动人心的应用核心。这些应用将逐渐成为我们日常生活中的常规应用,也是VCSEL的应用领域。不过,这并不是说VCSEL将成为红外光源的唯一解决方案,而是VCSEL将成为那些要求紧凑尺寸、高光束稳定性和低功耗应用的优选技术。

 

*本文转载自MEMS麦姆斯咨询(MEMS Consulting)

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