VSCEL光芯片能否國(guó)產(chǎn)化 關(guān)鍵在這兩大核心工藝

  對(duì)于VSCEL這種高精密光芯片來(lái)說(shuō)，在外延片的量產(chǎn)過(guò)程中，如何確保激射時(shí)所需的波長(zhǎng)，并獲得高反射率的DBR也是國(guó)產(chǎn)廠商亟待突破的另一大瓶頸。據(jù)記者了解，作為外延工藝中的關(guān)鍵組成部分，激射過(guò)程主要是為了在有源區(qū)部分將電子空穴對(duì)轉(zhuǎn)化為光子，然后將其在諧振腔中不斷放大，最后在DBR反射率較低的一面激射出激光，而個(gè)中關(guān)鍵在于諧振腔中將電子空穴對(duì)轉(zhuǎn)化為光子的有源區(qū)，這與VCSEL晶片量子阱的材料組分和構(gòu)成有很大關(guān)系。

  為了保證激射的效果，目前常規(guī)獲得940nm波段輸出的VCSEL主要采用的是InGaAs/AlGaAs量子阱體系作為主流方案，但深圳順盈科光電股份有限公司產(chǎn)品經(jīng)理曲力行認(rèn)為：“這種方案在阱內(nèi)系統(tǒng)應(yīng)力以及器件的可靠性表現(xiàn)方面效果不是太好，而這些表現(xiàn)與芯片的壽命以及穩(wěn)定性息息相關(guān)，大多采用這種方案的廠商一般都難以做到長(zhǎng)壽命且性能比較穩(wěn)定的VSCEL器件。因此，我們比較偏向于采用另一種方案，主要是利用InGaAs/GaAsP應(yīng)變補(bǔ)償量子阱體系來(lái)作為有源區(qū)材料，來(lái)進(jìn)行940nm波段的激射和輸出，這樣能夠在獲得系統(tǒng)高增益以及內(nèi)部低閾值電流密度的同時(shí)，還能夠降低量子阱內(nèi)系統(tǒng)應(yīng)力，大幅提升器件的壽命和可靠性。”

  不過(guò)，該方案也有其缺陷，曲力行進(jìn)一步補(bǔ)充道：“由于外延片量子阱體系的組分發(fā)生了變化，因此晶片的晶格結(jié)構(gòu)以及摻雜分布也會(huì)產(chǎn)生一定程度上的異變。這種異變需要廠商在外延生長(zhǎng)工藝階段就開始針對(duì)這些變化做出非常多參數(shù)的校準(zhǔn)和調(diào)試，由于沒(méi)有前期的經(jīng)驗(yàn)，所以整個(gè)校準(zhǔn)的過(guò)程也會(huì)很復(fù)雜，對(duì)整體工藝的難度有了不小的提升，目前我們也只是在嘗試階段。今年6月，我們做了少量的940nm VSCEL外延片試產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)該方案會(huì)在良率上做出一些犧牲，整體來(lái)說(shuō)還不夠成熟，對(duì)于目前急于布局940nm VSCEL外延產(chǎn)線的大多數(shù)廠商來(lái)說(shuō)可能還不太適合?！?

  此外，能否獲得高反射率的DBR，也決定著芯片最終的光電轉(zhuǎn)換效率以及串聯(lián)電阻等諸多關(guān)鍵性能參數(shù)。因?yàn)樵诒姸?A href="http://getprofitprime.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=VSCEL&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">VSCEL外延層中，發(fā)光層上、下兩邊分別是由四分之一發(fā)光波長(zhǎng)厚度的高、低折射率交替的外延層形成p-DBR與n-DBR，只有上下DBR的反射率足夠大，才能夠使得有源區(qū)所產(chǎn)生的光子能夠在諧振腔內(nèi)持續(xù)振蕩并不斷放大，提升最終發(fā)出的光斑質(zhì)量以及光電轉(zhuǎn)化率。

  對(duì)此，某業(yè)內(nèi)人士對(duì)記者表示：“因?yàn)?40 nm VCSEL的DBR是由兩種不同Al組分的AlxGa1-xAs材料組成的高反射率膜系，而獲得低串聯(lián)電阻DBR是獲得高光電轉(zhuǎn)換效率VCSEL的關(guān)鍵所在。目前，用于3D感測(cè)的940nm VCSEL基本上都要求芯片的光電轉(zhuǎn)換效率在35%以上，如果折射率差異越大越可以減少反射鏡生長(zhǎng)的層數(shù)，提升芯片的光電轉(zhuǎn)換效率，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)還能夠有效降低串聯(lián)電阻，這幾點(diǎn)是相輔相成的?！?

  那么，如何才能設(shè)計(jì)出高反射率的DBR呢?曲力行認(rèn)為，“一般來(lái)講，高反射率的獲得有兩個(gè)條件，第一是高低折射率材料對(duì)數(shù)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(duì)所發(fā)出的激光是否透明，由于砷化鎵襯底不吸收940納米的激光，所以只有讓940nm的VSCEL設(shè)計(jì)成襯底面發(fā)光才能獲得高反射率的DBR，這對(duì)廠商的設(shè)計(jì)能力有相當(dāng)高的要求，對(duì)很多企業(yè)來(lái)說(shuō)仍然是一大短板。而目前，我們通過(guò)對(duì)襯底的光柵透光性以及材料的折射率等方面進(jìn)行了一些改進(jìn)，已經(jīng)能夠讓DBR反射率做到比較高的水平，雖然這會(huì)在功耗和發(fā)熱方面做出一些犧牲，但對(duì)VSCEL器件最終生成高質(zhì)量的光斑和提升光電轉(zhuǎn)換率還是大有裨益的?！?

  總之，3D傳感的市場(chǎng)紅利即將到來(lái)，業(yè)內(nèi)預(yù)測(cè)未來(lái)幾年3D Sensing市場(chǎng)規(guī)模將呈幾何式增長(zhǎng)，2020年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到108.49億美元，這必將成為本土940nm VSCEL產(chǎn)業(yè)崛起的絕佳契機(jī)。但對(duì)于絕大多數(shù)本土廠商尤其是蜂擁而至的創(chuàng)業(yè)公司來(lái)說(shuō)，外延片的量產(chǎn)工藝能力仍存諸多不足，能否真正趕上這波紅利期，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)級(jí)VSCEL外延片的大規(guī)?！皣?guó)產(chǎn)化”還有待觀察。畢竟，半導(dǎo)體外延工藝并不是短期內(nèi)能夠一蹴而就的，更何況在當(dāng)前VCSEL外延片被英美實(shí)施出口管制的大背景下，未來(lái)越來(lái)越多的VSCEL外延片初創(chuàng)企業(yè)的生存可能都會(huì)是大問(wèn)題，這對(duì)于當(dāng)下發(fā)展如烈火烹油一般火熱的國(guó)內(nèi)VSCEL產(chǎn)業(yè)可謂是“當(dāng)頭一棒”。不過(guò)，這也將倒逼越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)廠商加大VSCEL外延片工藝方面的自主研發(fā)力度，在市場(chǎng)紅利以及政府資金的雙向驅(qū)動(dòng)下，記者相信越來(lái)越多的本土廠商定能在VSCEL光芯片市場(chǎng)大放異彩。