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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