突破6英寸外延片两大工艺难点 消费级VSCEL“中国芯”迎难而上

来源:华强微电子    关键词:VSCEL,, 3D传感,, 激光芯片,    发布时间:2018-11-30

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今年以来,随着安卓阵营的小米、Oppo、Vivo以及华为等手机大厂陆续推出搭载3D人脸识别功能的多款机型,3D Sensing俨然已成为高端智能手机的标配。受益于此,作为3D Sensing系统关键组件的VSCEL芯片市场也备受全球半导体厂商及资本的热捧,在芯片“自主国产化”热潮的催动下,越来越多的本土半导体厂商也相继踏上了VSCEL芯片国产化的征程。但实现VSCEL芯片国产化仍需跨过多道门槛,尤其是在关键的VSCEL外延技术被国外巨头近乎垄断的局势下,如何突破940nm外延片的量产工艺,赶上这波即将到来的3D Sensing应用热潮,已成为本土VSCEL厂商亟待攻克的难题。


940nm VSCEL外延片步入国产化 “均匀生长”是首道工艺难题

得益于940nm技术的发展,如今在光通讯市场已“遍地开花”的VCSEL技术正加速向消费电子领域延伸。尤其是智能手机领域,随着3D Sensing应用在高端机市场逐步开放普及,全球产业链各方对VSCEL技术的布局和投资热情也被彻底点燃。


常州纵慧芯光半导体科技有限公司联合创始人陈晓迟表示:“每年全世界消费10多亿部智能手机,2017年全球手机的出货量更是超过14亿部。若以每部手机至少嵌入2-3颗瓦级VCSEL激光器件来计算,每年将有二三十亿颗的市场需求,市场规模更是能从十亿级人民币扩展到百亿级人民币。随着后续越来越多大大小小的安卓智能手机厂商相继采用VCSEL来实现3D人脸识别,我们认为未来几年市场对6英寸VCSEL外延片的需求也将呈现高速增长趋势。”


虽说应用前景巨大,但真正能做到量产高质量6英寸VSCEL外延片的厂商全球范围内也是屈指可数。西安唐晶量子科技有限公司总经理龚平告诉《华强电子》记者:“目前全球该领域真正能够大规模量产6英寸VSCEL外延片的只有美国IntelliEPI、美国EpiWorks、日本住友化学以及英国IQE这几家厂商,而且他们占据着整个产业界绝大多数的VSCEL外延设备及核心技术资源。”典型的比如苹果VSCEL外延片独家供应商英国IQE,2017年中旬仅IQE一家就占据了全球VSCEL外延片市场份额的60%,近期其法人代表更是向相关媒体透露公司在VCSEL晶圆市场已占有约80%的份额,且产线仍在继续扩张。不过,今年以来,国内以全新光电、晶元光电以及华芯半导体为代表的越来越多本土企业都相继踏上了6英寸VSCEL外延片的量产征程,除此之外还有诸如长光华芯、睿熙科技以及唐晶量子等众多创业公司也开始投入该领域,国内940nm VSCEL外延产线的布局正全面加速。


尽管本土厂商推进940nm VSCEL外延片“国产化”的气势如虹,但由于外延工艺技术实力不足,目前国内绝大多数厂商的940nm VSCEL产品的外延工艺基本上都是外包给国外大厂来做。因此,要真正实现消费级VSCEL外延片的“国产自主”,大规模打入全球智能手机供应链,国内企业还需要突破外延工艺上的重重难关,其中首道难题就是外延片的均匀性生长技术。


与广泛应用于光通讯领域的850nm VSCEL不同,940nm VSCEL在半导体元素组分上与前者有较大差异,而这种差异体现在外延片的量产工艺上,也就是难度系数的成倍提升。深圳顺盈科光电股份有限公司产品经理曲力行表示:“VCSEL的结构以銦镓砷InGaAs阱(well)和铝镓砷AlGaAs垒(barrier)的多量子阱(MQW)做发光层是最合适的,就如同LED用銦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(比如850nm的VSCEL),而銦In的组分越高,外延工艺难度会成倍增加。虽然很多厂商可能在850nm的技术上颇有建树,但想要将850nm VSCEL的技术能力成功转移到940nm领域,实际上并不是那么容易。”


其中,最大的难点就在于如何能够保证VSCEL外延片每层结构能够保持均匀生长。陈晓迟表示:“从结构上来讲,一颗VSCEL器件的外延生长一般要达到300层,在工艺层面上包括中间质量在内的每一层都需要做得很均匀,对比EEL仅30-40层的难度,VCSEL外延生长的难度与其根本不在同一个数量级。”而为了保证每个外延层的质量,外延生长工艺过程需要在精准的细化到每层外延层厚度的基础上,于数十倍常规LED工作电流密度条件下充分调制掺杂分布和组分的均匀性,令其生长出高质量低缺陷密度的晶体,才能获得高性能、长寿命的VCSEL外延片。


调制掺杂的分布和组分的均匀性,在决定器件的最终性能方面至关重要,曲力行也告诉记者:“VCSEL外延片的结构中,不同的掺杂分布会对器件性能产生不同程度的影响,正如銦In用来调变波长,GaAs用来做底面的反光衬底一样。作为化合物半导体的一种,VSCEL晶片中不同的掺杂会直接决定晶片晶格结构的稳定性和规律性,进而决定最终器件的各种性能参数,比如光电转换效率以及内部寄生电阻等。而不同的组分均匀性则会决定VSCEL器件最终的应用领域及功能,就如我们所生产的850nm VSCEL中銦In的组分为零因而被用于光通讯领域,而应用于消费电子领域的940nm产品中的銦In组分则需要精准控制在20%左右才行。”


但要对VSCEL外延片几百层中每一层结构的掺杂分布和组分均匀性做到精准控制是极其困难的,绝大多数国内厂商基本不具备这方面的技术能力,良率是目前最大的问题,即使现在通过传统850nm设备的改造也比较难达到预期的量产效果。“VSCEL最薄的外延层仅为几纳米,而几百层结构中每层都去充分考量其表面的均匀性、掺杂分布的规律性及组分的正确性会十分考验厂商工艺的设计和把控能力,且对外延设备结构件以及设备腔体内的很多传感器组件会有非常高的精度要求。由于850nm的设备与940nm的相比精度根本不在一个数量级,精度哪怕是低了几纳米,都可能会使得当前正在生长的外延层出现不均匀结构或翘曲或者掺杂层紊乱等情况,从而影响后续更多层的外延生长均匀性,并最终破坏晶片的良率。”曲力行进一步补充到。


不过,在这方面顺盈科光电目前也有了解决方案,曲力行告诉记者:“实际上,早在苹果iPhoneX搭载3D传感技术之前,我们就已经开始尝试940nm VSCEL外延片的试制。由于外延设备非常稀缺且交货期长,所以我们也是通过对原有850nm设备进行改造的方式用来试制和量产940nm外延片,由于外延精度存在很大差异,我们也更换了设备腔体中的很多传感器组件和结构件,这些模块一般都需要做不同程度上的定制,在成本上也会有不小的开支。除此之外,还对一些工艺段进行了重新设计和调整,为了配合硬件的更新,设备控制系统上我们也对很多参数和数据组进行了重新评估和系统性的调校,并通过不断评估小批量产品试制的良率来调校设备的精度,整个过程也花了大约一年半的时间,目前产品的良率相比之前已经有了大约20%的提升。如今,我们的6英寸VSCEL外延片产线已经实现了规模化量产,并已经成功打入了两家主流安卓手机厂商的供应链,明年年初就会有相关设备上市。”


激射方案与DBR设计决定器件性能 本土厂商正“行在路上”

除上述外延片“均匀生长”技术挑战以外,如何确保激射时所需的波长,并获得高反射率的DBR也是国产厂商亟待突破的另一大外延片量产瓶颈。据记者了解,作为外延工艺中的关键组成部分,激射过程主要是为了在有源区部分将电子空穴对转化为光子,然后将其在谐振腔中不断放大,最后在DBR反射率较低的一面激射出激光,而个中关键在于谐振腔中将电子空穴对转化为光子的有源区,这与VCSEL晶片量子阱的材料组分和构成有很大关系。


为了保证激射的效果,目前常规获得940nm波段输出的VCSEL主要采用的是InGaAs/AlGaAs量子阱体系作为主流方案,但曲力行认为:“这种方案在阱内系统应力以及器件的可靠性表现方面效果不是太好,而这些表现与芯片的寿命以及稳定性息息相关,大多采用这种方案的厂商一般都难以做到长寿命且性能比较稳定的VSCEL器件。因此,我们比较偏向于采用另一种方案,主要是利用InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱体系来作为有源区材料,来进行940nm波段的激射和输出,这样能够在获得系统高增益以及内部低阈值电流密度的同时,还能够降低量子阱内系统应力,大幅提升器件的寿命和可靠性。”


不过,该方案也有其缺陷,曲力行进一步补充道:“由于外延片量子阱体系的组分发生了变化,因此晶片的晶格结构以及掺杂分布也会产生一定程度上的异变。这种异变需要厂商在外延生长工艺阶段就开始针对这些变化做出非常多参数的校准和调试,由于没有前期的经验,所以整个校准的过程也会很复杂,对整体工艺的难度有了不小的提升,目前我们也只是在尝试阶段。今年6月,我们做了少量的940nm VSCEL外延片试产,发现该方案会在良率上做出一些牺牲,整体来说还不够成熟,对于目前急于布局940nm VSCEL外延产线的大多数厂商来说可能还不太适合。”


此外,能否获得高反射率的DBR,也决定着芯片最终的光电转换效率以及串联电阻等诸多关键性能参数。因为在众多VSCEL外延层中,发光层上、下两边分别是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,只有上下DBR的反射率足够大,才能够使得有源区所产生的光子能够在谐振腔内持续振荡并不断放大,提升最终发出的光斑质量以及光电转化率。


对此,某业内人士对记者表示:“因为940 nm VCSEL的DBR是由两种不同Al组分的AlxGa1-xAs材料组成的高反射率膜系,而获得低串联电阻DBR是获得高光电转换效率VCSEL的关键所在。目前,用于3D感测的940nm VCSEL基本上都要求芯片的光电转换效率在35%以上,如果折射率差异越大越可以减少反射镜生长的层数,提升芯片的光电转换效率,简化结构的同时还能够有效降低串联电阻,这几点是相辅相成的。”


那么,如何才能设计出高反射率的DBR呢?曲力行认为,“一般来讲,高反射率的获得有两个条件,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,由于砷化镓衬底不吸收940纳米的激光,所以只有让940nm的VSCEL设计成衬底面发光才能获得高反射率的DBR,这对厂商的设计能力有相当高的要求,对很多企业来说仍然是一大短板。而目前,我们通过对衬底的光栅透光性以及材料的折射率等方面进行了一些改进,已经能够让DBR反射率做到比较高的水平,虽然这会在功耗和发热方面做出一些牺牲,但对VSCEL器件最终生成高质量的光斑和提升光电转换率还是大有裨益的。”


总之,3D传感的市场红利即将到来,业内预测未来几年3D Sensing市场规模将呈几何式增长,2020年市场规模有望达到108.49亿美元,这必将成为本土940nm VSCEL产业崛起的绝佳契机。但对于绝大多数本土厂商尤其是蜂拥而至的创业公司来说,外延片的量产工艺能力仍存诸多不足,能否真正赶上这波红利期,实现消费级VSCEL外延片的大规模“国产化”还有待观察。毕竟,半导体外延工艺并不是短期内能够一蹴而就的,更何况在当前VCSEL外延片被英美实施出口管制的大背景下,未来越来越多的VSCEL外延片初创企业的生存可能都会是大问题,这对于当下发展如烈火烹油一般火热的国内VSCEL产业可谓是“当头一棒”。不过,这也将倒逼越来越多的国内厂商加大VSCEL外延片工艺方面的自主研发力度,在市场红利以及政府资金的双向驱动下,记者相信越来越多的本土厂商定能在VSCEL光芯片市场大放异彩。