隨著產(chǎn)品良率的提升和成本的控制，越來(lái)越多的應(yīng)用光源選擇VCSEL。VCSEL更是物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、無(wú)人駕駛、手勢(shì)識(shí)別等領(lǐng)域的核心技術(shù)。VCSEL也將成為穩(wěn)定性和低功耗應(yīng)用的首選技術(shù)。
12月26日，由手機(jī)報(bào)在線舉辦的以“VCSEL發(fā)力，大勢(shì)所趨”為主題的全球首屆VCSEL應(yīng)用大會(huì)在深圳成功舉辦。德國(guó)Aixtron（愛思強(qiáng)）中國(guó)區(qū)工藝總監(jiān)方子文博士發(fā)表了《紅外VCSEL的外延大規(guī)模量產(chǎn)解決方案》的主題演講。
德國(guó)Aixtron中國(guó)區(qū)工藝總監(jiān)方子文
外延的門檻在于設(shè)備，尤其是MOCVD設(shè)備。作為MOCVD兩大巨頭之一，AIXTRON(愛思強(qiáng))從1983年開始做MOCVD設(shè)備，已有超過(guò)30年的歷史，在GaAs/InP材料體系的MOCVD領(lǐng)域有著絕對(duì)領(lǐng)先的技術(shù)及市場(chǎng)占有率。
針對(duì)紅外VCSEL應(yīng)用，方子文介紹了MOCVD外延方面的市場(chǎng)應(yīng)用。自從去年蘋果發(fā)布iphoneX應(yīng)用了VCSEL之后，今年安卓陣營(yíng)的產(chǎn)品也全部配備了VCSEL，就可以看出VCSEL的市場(chǎng)發(fā)展空間之大，他表示，VCSEL市場(chǎng)在2023年會(huì)達(dá)到180億美金的規(guī)模。當(dāng)然，這個(gè)市場(chǎng)主要還是由消費(fèi)級(jí)器件來(lái)驅(qū)動(dòng)。
除了消費(fèi)級(jí)器件外，VCSEL在汽車工業(yè)也有廣闊的應(yīng)用前景。方子文舉例說(shuō)：“在今年的9月份，已有廠商發(fā)布針對(duì)汽車自動(dòng)駕駛的大功率VCSEL產(chǎn)品，就是用VCSEL外延技術(shù)，其芯片大小到達(dá)了5×5毫米，可以精準(zhǔn)感測(cè)250米的距離。這為未來(lái)汽車自動(dòng)駕駛鋪平了道路。”
針對(duì)VCSEL器件的大規(guī)模商業(yè)化量產(chǎn)，方子文強(qiáng)調(diào)，消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品最大的挑戰(zhàn)是高良率及低成本：“大家知道現(xiàn)在VCSEL器件的整體良率并不高。外延能夠控制的良率，到最后都會(huì)變成現(xiàn)金，良率越高，生產(chǎn)成本就會(huì)越低。”
在外延技術(shù)方面，與傳統(tǒng)砷化鎵LED器件相比，VCSEL器件對(duì)MOCVD機(jī)臺(tái)的要求更高，主要表現(xiàn)在苛刻的DBR均勻性以及MOCVD機(jī)臺(tái)對(duì)顆粒/缺陷的控制能力。
DBR均勻性決定了器件本身的波長(zhǎng)良率，量產(chǎn)型的6英寸VCSEL外延片需能保證1nm左右的波長(zhǎng)均勻性，來(lái)穩(wěn)定控制產(chǎn)品波長(zhǎng)。傳統(tǒng)LED芯片尺寸相對(duì)較小，而VCSEL芯片的尺寸較大，基本都在毫米級(jí)別。因此一片6英寸砷化鎵襯底只能生產(chǎn)約一萬(wàn)個(gè)芯片，任何的表面缺陷或者顆粒會(huì)直接導(dǎo)致這個(gè)區(qū)域的芯片報(bào)廢。方子文說(shuō)：“我們認(rèn)為一個(gè)高良率的VCSEL生產(chǎn)需將6英寸的顆粒/缺陷控制在100顆以內(nèi)，才能保證高達(dá)99%以上的表面良率。”
在方子文看來(lái)，對(duì)于外延設(shè)備的要求，第一就是外延材料的均勻性非常好，第二就是表面顆粒數(shù)非常低。在保證高良率的基礎(chǔ)上，MOCVD機(jī)臺(tái)還需要有效的控制物料成本，為此，方子文重點(diǎn)介紹了一款A(yù)IX2800G4-TM設(shè)備。
圖片AIX2800G4-TM設(shè)備
AIX2800G4-TM，使用AIXTRON行星式反應(yīng)腔，配備自動(dòng)化傳盤功能。單腔可以同時(shí)生產(chǎn)8片6英寸VCSEL外延片。AIXTRON行星式反應(yīng)腔提供了多片機(jī)的高產(chǎn)能，同時(shí)保證了單片機(jī)的均勻性/工藝穩(wěn)定性。同一腔體內(nèi)的每一片外延片都可以獨(dú)立調(diào)整自己的沉積溫度，每片襯底有一致的工藝溫度，保證片與片之間的溫度均勻。
“這是通過(guò)AIXTRON特有的行星式反應(yīng)機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)襯底的托盤背后，都有通氣導(dǎo)氣槽，使小盤能夠懸浮在空中。通過(guò)控制氣體的流量，我們可以精準(zhǔn)的控制每個(gè)小盤的溫度，結(jié)合自動(dòng)控制軟件，8片小盤的溫度差異性可以控制在0.3度以內(nèi)。精準(zhǔn)的溫度控制為高良率的波長(zhǎng)控制奠定了基礎(chǔ)。此外，通過(guò)機(jī)械手的自動(dòng)高溫傳盤，機(jī)臺(tái)可以保障最低的顆粒。方子文展示了最新6英寸外延結(jié)果為0.7nm的DBR均勻性及41個(gè)表面顆粒，這完全能滿足VCSEL大規(guī)模生產(chǎn)的良率要求。”方子文說(shuō)。
另外，為確保最高的物料使用率，愛思強(qiáng)采用全石墨的腔體設(shè)計(jì)。其表示，如果是6寸的外延生產(chǎn)，基本可以達(dá)到30%的物料效率，與競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手相比可以節(jié)省一倍以上的物料。核算下來(lái)，一臺(tái)這樣的設(shè)備，單單是物料的節(jié)省，一年就可以節(jié)省一百萬(wàn)人民幣以上。
整體來(lái)說(shuō)，隨著VCSEL市場(chǎng)的擴(kuò)大，其外延生產(chǎn)會(huì)逐漸從歐美轉(zhuǎn)到中國(guó)，對(duì)于新進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)的VCSEL廠商，必須穩(wěn)定的控制產(chǎn)品良率及成本，才能在國(guó)際舞臺(tái)占到一席之地。愛思強(qiáng)已經(jīng)準(zhǔn)備好與頂尖的國(guó)內(nèi)外延廠商合作，推動(dòng)VCSEL器件國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程。
01月07日 18:14
