vcsel的关键制程决定了器件的特性与可靠性-凯时棋牌

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、下两边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，出射光方向可以是顶部或衬底，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。

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。

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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