今年以來，隨著安卓陣營的小米、Oppo、Vivo以及華為等手機(jī)大廠陸續(xù)推出搭載3D人臉識別功能的多款機(jī)型，3D Sensing儼然已成為高端智能手機(jī)的標(biāo)配。受益于此，作為3D Sensing系統(tǒng)關(guān)鍵組件的VSCEL芯片市場也備受全球半導(dǎo)體廠商及資本的熱捧，在芯片“自主國產(chǎn)化”熱潮的催動下，越來越多的本土半導(dǎo)體廠商也相繼踏上了VSCEL芯片國產(chǎn)化的征程。但實(shí)現(xiàn)VSCEL芯片國產(chǎn)化仍需跨過多道門檻，尤其是在關(guān)鍵的VSCEL外延技術(shù)被國外巨頭近乎壟斷的局勢下，如何突破940nm外延片的量產(chǎn)工藝，趕上這波即將到來的3D Sensing應(yīng)用熱潮，已成為本土VSCEL廠商亟待攻克的難題。
940nm VSCEL外延片步入國產(chǎn)化 “均勻生長”是首道工藝難題
得益于940nm技術(shù)的發(fā)展，如今在光通訊市場已“遍地開花”的VCSEL技術(shù)正加速向消費(fèi)電子領(lǐng)域延伸。尤其是智能手機(jī)領(lǐng)域，隨著3D Sensing應(yīng)用在高端機(jī)市場逐步開放普及，全球產(chǎn)業(yè)鏈各方對VSCEL技術(shù)的布局和投資熱情也被徹底點(diǎn)燃。
常州縱慧芯光半導(dǎo)體科技有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人陳曉遲表示：“每年全世界消費(fèi)10多億部智能手機(jī)，2017年全球手機(jī)的出貨量更是超過14億部。若以每部手機(jī)至少嵌入2-3顆瓦級VCSEL激光器件來計算，每年將有二三十億顆的市場需求，市場規(guī)模更是能從十億級人民幣擴(kuò)展到百億級人民幣。隨著后續(xù)越來越多大大小小的安卓智能手機(jī)廠商相繼采用VCSEL來實(shí)現(xiàn)3D人臉識別，我們認(rèn)為未來幾年市場對6英寸VCSEL外延片的需求也將呈現(xiàn)高速增長趨勢。”
雖說應(yīng)用前景巨大，但真正能做到量產(chǎn)高質(zhì)量6英寸VSCEL外延片的廠商全球范圍內(nèi)也是屈指可數(shù)。西安唐晶量子科技有限公司總經(jīng)理龔平告訴《華強(qiáng)電子》記者：“目前全球該領(lǐng)域真正能夠大規(guī)模量產(chǎn)6英寸VSCEL外延片的只有美國IntelliEPI、美國EpiWorks、日本住友化學(xué)以及英國IQE這幾家廠商，而且他們占據(jù)著整個產(chǎn)業(yè)界絕大多數(shù)的VSCEL外延設(shè)備及核心技術(shù)資源。”典型的比如蘋果VSCEL外延片獨(dú)家供應(yīng)商英國IQE，2017年中旬僅IQE一家就占據(jù)了全球VSCEL外延片市場份額的60%，近期其法人代表更是向相關(guān)媒體透露公司在VCSEL晶圓市場已占有約80%的份額，且產(chǎn)線仍在繼續(xù)擴(kuò)張。不過，今年以來，國內(nèi)以全新光電、晶元光電以及華芯半導(dǎo)體為代表的越來越多本土企業(yè)都相繼踏上了6英寸VSCEL外延片的量產(chǎn)征程，除此之外還有諸如長光華芯、睿熙科技以及唐晶量子等眾多創(chuàng)業(yè)公司也開始投入該領(lǐng)域，國內(nèi)940nm VSCEL外延產(chǎn)線的布局正全面加速。
盡管本土廠商推進(jìn)940nm VSCEL外延片“國產(chǎn)化”的氣勢如虹，但由于外延工藝技術(shù)實(shí)力不足，目前國內(nèi)絕大多數(shù)廠商的940nm VSCEL產(chǎn)品的外延工藝基本上都是外包給國外大廠來做。因此，要真正實(shí)現(xiàn)消費(fèi)級VSCEL外延片的“國產(chǎn)自主”，大規(guī)模打入全球智能手機(jī)供應(yīng)鏈，國內(nèi)企業(yè)還需要突破外延工藝上的重重難關(guān)，其中首道難題就是外延片的均勻性生長技術(shù)。
與廣泛應(yīng)用于光通訊領(lǐng)域的850nm VSCEL不同，940nm VSCEL在半導(dǎo)體元素組分上與前者有較大差異，而這種差異體現(xiàn)在外延片的量產(chǎn)工藝上，也就是難度系數(shù)的成倍提升。深圳順盈科光電股份有限公司產(chǎn)品經(jīng)理曲力行表示：“VCSEL的結(jié)構(gòu)以銦鎵砷InGaAs阱（well）和鋁鎵砷AlGaAs壘（barrier）的多量子阱（MQW）做發(fā)光層是最合適的，就如同LED用銦In來調(diào)變波長一樣，3D感測技術(shù)使用的940納米波長VCSEL的銦In組分大約是20%。當(dāng)銦In組分是零的時候，外延工藝比較簡單（比如850nm的VSCEL），而銦In的組分越高，外延工藝難度會成倍增加。雖然很多廠商可能在850nm的技術(shù)上頗有建樹，但想要將850nm VSCEL的技術(shù)能力成功轉(zhuǎn)移到940nm領(lǐng)域，實(shí)際上并不是那么容易。”
其中，最大的難點(diǎn)就在于如何能夠保證VSCEL外延片每層結(jié)構(gòu)能夠保持均勻生長。陳曉遲表示：“從結(jié)構(gòu)上來講，一顆VSCEL器件的外延生長一般要達(dá)到300層，在工藝層面上包括中間質(zhì)量在內(nèi)的每一層都需要做得很均勻，對比EEL僅30-40層的難度，VCSEL外延生長的難度與其根本不在同一個數(shù)量級。”而為了保證每個外延層的質(zhì)量，外延生長工藝過程需要在精準(zhǔn)的細(xì)化到每層外延層厚度的基礎(chǔ)上，于數(shù)十倍常規(guī)LED工作電流密度條件下充分調(diào)制摻雜分布和組分的均勻性，令其生長出高質(zhì)量低缺陷密度的晶體，才能獲得高性能、長壽命的VCSEL外延片。
調(diào)制摻雜的分布和組分的均勻性，在決定器件的最終性能方面至關(guān)重要，曲力行也告訴記者：“VCSEL外延片的結(jié)構(gòu)中，不同的摻雜分布會對器件性能產(chǎn)生不同程度的影響，正如銦In用來調(diào)變波長，GaAs用來做底面的反光襯底一樣。作為化合物半導(dǎo)體的一種，VSCEL晶片中不同的摻雜會直接決定晶片晶格結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和規(guī)律性，進(jìn)而決定最終器件的各種性能參數(shù)，比如光電轉(zhuǎn)換效率以及內(nèi)部寄生電阻等。而不同的組分均勻性則會決定VSCEL器件最終的應(yīng)用領(lǐng)域及功能，就如我們所生產(chǎn)的850nm VSCEL中銦In的組分為零因而被用于光通訊領(lǐng)域，而應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域的940nm產(chǎn)品中的銦In組分則需要精準(zhǔn)控制在20%左右才行。”
但要對VSCEL外延片幾百層中每一層結(jié)構(gòu)的摻雜分布和組分均勻性做到精準(zhǔn)控制是極其困難的，絕大多數(shù)國內(nèi)廠商基本不具備這方面的技術(shù)能力，良率是目前最大的問題，即使現(xiàn)在通過傳統(tǒng)850nm設(shè)備的改造也比較難達(dá)到預(yù)期的量產(chǎn)效果。“VSCEL最薄的外延層僅為幾納米，而幾百層結(jié)構(gòu)中每層都去充分考量其表面的均勻性、摻雜分布的規(guī)律性及組分的正確性會十分考驗(yàn)廠商工藝的設(shè)計和把控能力，且對外延設(shè)備結(jié)構(gòu)件以及設(shè)備腔體內(nèi)的很多傳感器組件會有非常高的精度要求。由于850nm的設(shè)備與940nm的相比精度根本不在一個數(shù)量級，精度哪怕是低了幾納米，都可能會使得當(dāng)前正在生長的外延層出現(xiàn)不均勻結(jié)構(gòu)或翹曲或者摻雜層紊亂等情況，從而影響后續(xù)更多層的外延生長均勻性，并最終破壞晶片的良率。”曲力行進(jìn)一步補(bǔ)充到。
不過，在這方面順盈科光電目前也有了解決方案，曲力行告訴記者：“實(shí)際上，早在蘋果iPhoneX搭載3D傳感技術(shù)之前，我們就已經(jīng)開始嘗試940nm VSCEL外延片的試制。由于外延設(shè)備非常稀缺且交貨期長，所以我們也是通過對原有850nm設(shè)備進(jìn)行改造的方式用來試制和量產(chǎn)940nm外延片，由于外延精度存在很大差異，我們也更換了設(shè)備腔體中的很多傳感器組件和結(jié)構(gòu)件，這些模塊一般都需要做不同程度上的定制，在成本上也會有不小的開支。除此之外，還對一些工藝段進(jìn)行了重新設(shè)計和調(diào)整，為了配合硬件的更新，設(shè)備控制系統(tǒng)上我們也對很多參數(shù)和數(shù)據(jù)組進(jìn)行了重新評估和系統(tǒng)性的調(diào)校，并通過不斷評估小批量產(chǎn)品試制的良率來調(diào)校設(shè)備的精度，整個過程也花了大約一年半的時間，目前產(chǎn)品的良率相比之前已經(jīng)有了大約20%的提升。如今，我們的6英寸VSCEL外延片產(chǎn)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化量產(chǎn)，并已經(jīng)成功打入了兩家主流安卓手機(jī)廠商的供應(yīng)鏈，明年年初就會有相關(guān)設(shè)備上市。”
激射方案與DBR設(shè)計決定器件性能 本土廠商正“行在路上”
除上述外延片“均勻生長”技術(shù)挑戰(zhàn)以外，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外延片量產(chǎn)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，但曲力行認(rèn)為：“這種方案在阱內(nèi)系統(tǒng)應(yīng)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(yīng)變補(bǔ)償量子阱體系來作為有源區(qū)材料，來進(jìn)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(yīng)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(jìn)一步補(bǔ)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(zhǔn)和調(diào)試，由于沒有前期的經(jīng)驗(yàn)，所以整個校準(zhǔn)的過程也會很復(fù)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?yàn)樵诒姸郪SCEL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?yàn)?40 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(diǎn)是相輔相成的。”
那么，如何才能設(shè)計出高反射率的DBR呢？曲力行認(rèn)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(shè)計成襯底面發(fā)光才能獲得高反射率的DBR，這對廠商的設(shè)計能力有相當(dāng)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(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(yù)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(dá)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(jī)。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(shí)現(xiàn)消費(fèi)級VSCEL外延片的大規(guī)模“國產(chǎn)化”還有待觀察。畢竟，半導(dǎo)體外延工藝并不是短期內(nèi)能夠一蹴而就的，更何況在當(dāng)前VCSEL外延片被英美實(shí)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(dāng)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(dāng)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。
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