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(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(cháng)，并獲得高反射率的DBR也是國產(chǎn)廠(chǎng)商亟待突破的另一大瓶頸。據記者了解，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部分將電子空穴對轉化為光子，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轉化為光子的有源區，這與VCSEL晶片量子阱的材料組分和構成有很大關(guān)系。

　　為了保證激射的效果，目前常規獲得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：“這種方案在阱內系統應力以及器件的可靠性表現方面效果不是太好，而這些表現與芯片的壽命以及穩定性息息相關(guān)，大多采用這種方案的廠(chǎng)商一般都難以做到長(cháng)壽命且性能比較穩定的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(lái)作為有源區材料，來(lái)進(jìn)行940nm波段的激射和輸出，這樣能夠在獲得系統高增益以及內部低閾值電流密度的同時(shí)，還能夠降低量子阱內系統應力，大幅提升器件的壽命和可靠性?！?/p>

　　不過(guò)，該方案也有其缺陷，曲力行進(jìn)一步補充道：“由于外延片量子阱體系的組分發(fā)生了變化，因此晶片的晶格結構以及摻雜分布也會(huì )產(chǎn)生一定程度上的異變。這種異變需要廠(chǎng)商在外延生長(cháng)工藝階段就開(kāi)始針對這些變化做出非常多參數的校準和調試，由于沒(méi)有前期的經(jīng)驗，所以整個(gè)校準的過(guò)程也會(huì )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，對于目前急于布局940nm VSCEL外延產(chǎn)線(xiàn)的大多數廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)可能還不太適合?！?/p>

　　此外，能否獲得高反射率的DBR，也決定著(zhù)芯片最終的光電轉換效率以及串聯(lián)電阻等諸多關(guān)鍵性能參數。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(cháng)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，才能夠使得有源區所產(chǎn)生的光子能夠在諧振腔內持續振蕩并不斷放大，提升最終發(fā)出的光斑質(zhì)量以及光電轉化率。

　　對此，某業(yè)內人士對記者表示：“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(cháng)的層數，提升芯片的光電轉換效率，簡(jiǎn)化結構的同時(shí)還能夠有效降低串聯(lián)電阻，這幾點(diǎn)是相輔相成的?！?/p>

　　那么，如何才能設計出高反射率的DBR呢?曲力行認為，“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數夠多，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(chǎng)商的設計能力有相當高的要求，對很多企業(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VSCEL器件最終生成高質(zhì)量的光斑和提升光電轉換率還是大有裨益的?！?/p>

　　總之，3D傳感的市場(chǎng)紅利即將到來(lái)，業(yè)內預測未來(lái)幾年3D Sensing市場(chǎng)規模將呈幾何式增長(cháng)，2020年市場(chǎng)規模有望達到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。但對于絕大多數本土廠(chǎng)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)現消費級VSCEL外延片的大規?！皣a(chǎn)化”還有待觀(guān)察。畢竟，半導體外延工藝并不是短期內能夠一蹴而就的，更何況在當前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，這對于當下發(fā)展如烈火烹油一般火熱的國內VSCEL產(chǎn)業(yè)可謂是“當頭一棒”。不過(guò)，這也將倒逼越來(lái)越多的國內廠(chǎng)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動(dòng)下，記者相信越來(lái)越多的本土廠(chǎng)商定能在VSCEL光芯片市場(chǎng)大放異彩。