隨著產(chǎn)品良率的提升和成本的控制，越來越多的應用光源選擇VCSEL。VCSEL更是物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、無人駕駛、手勢識別等領域的核心技術。VCSEL也將成為穩(wěn)定性和低功耗應用的首選技術。
12月26日，由手機報在線舉辦的以“VCSEL發(fā)力，大勢所趨”為主題的全球首屆VCSEL應用大會在深圳成功舉辦。德國Aixtron（愛思強）中國區(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Aixtron中國區(qū)工藝總監(jiān)方子文
外延的門檻在于設備，尤其是MOCVD設備。作為MOCVD兩大巨頭之一，AIXTRON(愛思強)從1983年開始做MOCVD設備，已有超過30年的歷史，在GaAs/InP材料體系的MOCVD領域有著絕對領先的技術及市場占有率。
針對紅外VCSEL應用，方子文介紹了MOCVD外延方面的市場應用。自從去年蘋果發(fā)布iphoneX應用了VCSEL之后，今年安卓陣營的產(chǎn)品也全部配備了VCSEL，就可以看出VCSEL的市場發(fā)展空間之大，他表示，VCSEL市場在2023年會達到180億美金的規(guī)模。當然，這個市場主要還是由消費級器件來驅(qū)動。
除了消費級器件外，VCSEL在汽車工業(yè)也有廣闊的應用前景。方子文舉例說：“在今年的9月份，已有廠商發(fā)布針對汽車自動駕駛的大功率VCSEL產(chǎn)品，就是用VCSEL外延技術，其芯片大小到達了5×5毫米，可以精準感測250米的距離。這為未來汽車自動駕駛鋪平了道路。”
針對VCSEL器件的大規(guī)模商業(yè)化量產(chǎn)，方子文強調(diào)，消費級市場對產(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，到最后都會變成現(xiàn)金，良率越高，生產(chǎn)成本就會越低。”
在外延技術方面，與傳統(tǒng)砷化鎵LED器件相比，VCSEL器件對MOCVD機臺的要求更高，主要表現(xiàn)在苛刻的DBR均勻性以及MOCVD機臺對顆粒/缺陷的控制能力。
DBR均勻性決定了器件本身的波長良率，量產(chǎn)型的6英寸VCSEL外延片需能保證1nm左右的波長均勻性，來穩(wěn)定控制產(chǎn)品波長。傳統(tǒng)LED芯片尺寸相對較小，而VCSEL芯片的尺寸較大，基本都在毫米級別。因此一片6英寸砷化鎵襯底只能生產(chǎn)約一萬個芯片，任何的表面缺陷或者顆粒會直接導致這個區(qū)域的芯片報廢。方子文說：“我們認為一個高良率的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99%以上的表面良率。”
在方子文看來，對于外延設備的要求，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上，MOCVD機臺還需要有效的控制物料成本，為此，方子文重點介紹了一款AIX2800G4-TM設備。
圖片AIX2800G4-TM設備
AIX2800G4-TM，使用AIXTRON行星式反應腔，配備自動化傳盤功能。單腔可以同時生產(chǎn)8片6英寸VCSEL外延片。AIXTRON行星式反應腔提供了多片機的高產(chǎn)能，同時保證了單片機的均勻性/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AIXTRON特有的行星式反應機理來實現(xiàn)的，每個襯底的托盤背后，都有通氣導氣槽，使小盤能夠懸浮在空中。通過控制氣體的流量，我們可以精準的控制每個小盤的溫度，結(jié)合自動控制軟件，8片小盤的溫度差異性可以控制在0.3度以內(nèi)。精準的溫度控制為高良率的波長控制奠定了基礎。此外，通過機械手的自動高溫傳盤，機臺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。
另外，為確保最高的物料使用率，愛思強采用全石墨的腔體設計。其表示，如果是6寸的外延生產(chǎn)，基本可以達到30%的物料效率，與競爭對手相比可以節(jié)省一倍以上的物料。核算下來，一臺這樣的設備，單單是物料的節(jié)省，一年就可以節(jié)省一百萬人民幣以上。
整體來說，隨著VCSEL市場的擴大，其外延生產(chǎn)會逐漸從歐美轉(zhuǎn)到中國，對于新進入國際市場的VCSEL廠商，必須穩(wěn)定的控制產(chǎn)品良率及成本，才能在國際舞臺占到一席之地。愛思強已經(jīng)準備好與頂尖的國內(nèi)外延廠商合作，推動VCSEL器件國產(chǎn)化的進程。
01月07日 18:14
