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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,以銦鎵砷InGaAs井(well)鋁鎵砷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。



 
                                                                     圖五 VCSEL的外延與芯片結構示意圖

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納米激光由于砷化鎵襯底不吸收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為99%,目前的AlGaAs鋁鎵砷結構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),由于后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鍵

關鍵技術二:氧化制程

       這個技術是LED完全沒有的工藝,也是LED紅光發明人奧隆尼亞克(Nick Holonyak Jr.)發明的技術,如圖六所示,主要利用氧化制程縮小諧振腔體積與發光面積,但是過去在做氧化制程的時候,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間,這樣的生產非常不穩定,良率與一致性都很難控制!精確控制氧化速度讓每個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模組的時候才會有精確的光電特性。即時監控氧化面積是最好的方法,如圖七所示,法國的AET Technology公司設計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控氧化面積,這種精密控制氧化速率的設備,可以省去過去工程師用試錯修正來調試參數,對大量穩定生產VCSEL芯片提供了最好的工具。



 
                                                         圖三 法國AET的VCSEL即時監控的氧化制程設備

關鍵技術三:保護絕緣制程

       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更需要這樣的保護層,更重要的是為了不讓氧化制程的AlAs層繼續向內氧化影響諧振腔體積,造成激光特性突變,保護層的膜層質量非常重要,尤其是側面覆蓋的致密性更為重要,過去都是用等離子加強氣相化學沉積機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力過大影響器件可靠度!于是原子層沉積ALD技術開始取代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,跟氧化技術一樣,國內還無法提供這樣的設備,目前芬蘭的Picosun派克森公司與Apply Material美國應用材料公司提供這樣的設備與制程。



 
                                                   圖四 芬蘭Picosun派克森公司的ALD原子層沉積技術的設備 
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