VSCEL光芯片能否國產(chǎn)化 關(guān)鍵在這兩大核心工藝

  對于VSCEL這種高精密光芯片來說，在外延片的量產(chǎn)過程中，如何確保激射時所需的波長，并獲得高反射率的DBR也是國產(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，激射過程主要是為了在有源區(qū)部分將電子空穴對轉(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，而個中關(guān)鍵在于諧振腔中將電子空穴對轉(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)理曲力行認為：“這種方案在阱內(nèi)系統(tǒng)應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應變補償量子阱體系來作為有源區(qū)材料，來進行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，還能夠降低量子阱內(nèi)系統(tǒng)應力，大幅提升器件的壽命和可靠性。”

  不過，該方案也有其缺陷，曲力行進一步補充道：“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)以及摻雜分布也會產(chǎn)生一定程度上的異變。這種異變需要廠商在外延生長工藝階段就開始針對這些變化做出非常多參數(shù)的校準和調(diào)試，由于沒有前期的經(jīng)驗，所以整個校準的過程也會很復雜，對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)該方案會在良率上做出一些犧牲，整體來說還不夠成熟，對于目前急于布局940nm VSCEL外延產(chǎn)線的大多數(shù)廠商來說可能還不太適合。”

  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)。因為在眾多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。

  對此，某業(yè)內(nèi)人士對記者表示：“因為940 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的層數(shù)，提升芯片的光電轉(zhuǎn)換效率，簡化結(jié)構(gòu)的同時還能夠有效降低串聯(lián)電阻，這幾點是相輔相成的?！?

  那么，如何才能設計出高反射率的DBR呢?曲力行認為，“一般來講，高反射率的獲得有兩個條件，第一是高低折射率材料對數(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設計成襯底面發(fā)光才能獲得高反射率的DBR，這對廠商的設計能力有相當高的要求，對很多企業(yè)來說仍然是一大短板。而目前，我們通過對襯底的光柵透光性以及材料的折射率等方面進行了一些改進，已經(jīng)能夠讓DBR反射率做到比較高的水平，雖然這會在功耗和發(fā)熱方面做出一些犧牲，但對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傳感的市場紅利即將到來，業(yè)內(nèi)預測未來幾年3D Sensing市場規(guī)模將呈幾何式增長，2020年市場規(guī)模有望達到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。但對于絕大多數(shù)本土廠商尤其是蜂擁而至的創(chuàng)業(yè)公司來說，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，實現(xiàn)消費級VSCEL外延片的大規(guī)模“國產(chǎn)化”還有待觀察。畢竟，半導體外延工藝并不是短期內(nèi)能夠一蹴而就的，更何況在當前VCSEL外延片被英美實施出口管制的大背景下，未來越來越多的VSCEL外延片初創(chuàng)企業(yè)的生存可能都會是大問題，這對于當下發(fā)展如烈火烹油一般火熱的國內(nèi)VSCEL產(chǎn)業(yè)可謂是“當頭一棒”。不過，這也將倒逼越來越多的國內(nèi)廠商加大VSCEL外延片工藝方面的自主研發(fā)力度，在市場紅利以及政府資金的雙向驅(qū)動下，記者相信越來越多的本土廠商定能在VSCEL光芯片市場大放異彩。