VSCEL光芯片能否国产化 关键在这两大核心工艺

对于VSCEL这种高精密光芯片来说，在外延片的量产过程中，如何确保激射时所需的波长，并获得高反射率的DBR也是国产厂商亟待突破的另一大瓶颈。据记者了解，作为外延工艺中的关键组成部分，激射过程主要是为了在有源区部分将电子空穴对转化为光子，然后将其在谐振腔中不断放大，最后在DBR反射率较低的一面激射出激光，而个中关键在于谐振腔中将电子空穴对转化为光子的有源区，这与VCSEL晶片量子阱的材料组分和构成有很大关系。

为了保证激射的效果，目前常规获得940nm波段输出的VCSEL主要采用的是InGaAs／AlGaAs量子阱体系作为主流方案，但深圳顺盈科光电股份有限公司产品经理曲力行认为：“这种方案在阱内系统应力以及器件的可靠性表现方面效果不是太好，而这些表现与芯片的寿命以及稳定性息息相关，大多采用这种方案的厂商一般都难以做到长寿命且性能比较稳定的VSCEL器件。因此，我们比较偏向于采用另一种方案，主要是利用InGaAs／GaAsP应变补偿量子阱体系来作为有源区材料，来进行940nm波段的激射和输出，这样能够在获得系统高增益以及内部低阈值电流密度的同时，还能够降低量子阱内系统应力，大幅提升器件的寿命和可靠性。”

不过，该方案也有其缺陷，曲力行进一步补充道：“由于外延片量子阱体系的组分发生了变化，因此晶片的晶格结构以及掺杂分布也会产生一定程度上的异变。这种异变需要厂商在外延生长工艺阶段就开始针对这些变化做出非常多参数的校准和调试，由于没有前期的经验，所以整个校准的过程也会很复杂，对整体工艺的难度有了不小的提升，目前我们也只是在尝试阶段。今年6月，我们做了少量的940nm VSCEL外延片试产，发现该方案会在良率上做出一些牺牲，整体来说还不够成熟，对于目前急于布局940nm VSCEL外延产线的大多数厂商来说可能还不太适合。”

此外，能否获得高反射率的DBR，也决定着芯片最终的光电转换效率以及串联电阻等诸多关键性能参数。因为在众多VSCEL外延层中，发光层上、下两边分别是由四分之一发光波长厚度的高、低折射率交替的外延层形成p－DBR与n－DBR，只有上下DBR的反射率足够大，才能够使得有源区所产生的光子能够在谐振腔内持续振荡并不断放大，提升最终发出的光斑质量以及光电转化率。

对此，某业内人士对记者表示：“因为940 nm VCSEL的DBR是由两种不同Al组分的AlxGa1－xAs材料组成的高反射率膜系，而获得低串联电阻DBR是获得高光电转换效率VCSEL的关键所在。目前，用于3D感测的940nm VCSEL基本上都要求芯片的光电转换效率在35％以上，如果折射率差异越大越可以减少反射镜生长的层数，提升芯片的光电转换效率，简化结构的同时还能够有效降低串联电阻，这几点是相辅相成的。”

那么，如何才能设计出高反射率的DBR呢？曲力行认为，“一般来讲，高反射率的获得有两个条件，第一是高低折射率材料对数够多，第二是高低折射率材料的折射率差别越大，出射光方向可以是顶部或衬底，这主要取决于衬底材料对所发出的激光是否透明，由于砷化镓衬底不吸收940纳米的激光，所以只有让940nm的VSCEL设计成衬底面发光才能获得高反射率的DBR，这对厂商的设计能力有相当高的要求，对很多企业来说仍然是一大短板。而目前，我们通过对衬底的光栅透光性以及材料的折射率等方面进行了一些改进，已经能够让DBR反射率做到比较高的水平，虽然这会在功耗和发热方面做出一些牺牲，但对VSCEL器件最终生成高质量的光斑和提升光电转换率还是大有裨益的。”

总之，3D传感的市场红利即将到来，业内预测未来几年3D Sensing市场规模将呈几何式增长，2020年市场规模有望达到108．49亿美元，这必将成为本土940nm VSCEL产业崛起的绝佳契机。但对于绝大多数本土厂商尤其是蜂拥而至的创业公司来说，外延片的量产工艺能力仍存诸多不足，能否真正赶上这波红利期，实现消费级VSCEL外延片的大规模“国产化”还有待观察。毕竟，半导体外延工艺并不是短期内能够一蹴而就的，更何况在当前VCSEL外延片被英美实施出口管制的大背景下，未来越来越多的VSCEL外延片初创企业的生存可能都会是大问题，这对于当下发展如烈火烹油一般火热的国内VSCEL产业可谓是“当头一棒”。不过，这也将倒逼越来越多的国内厂商加大VSCEL外延片工艺方面的自主研发力度，在市场红利以及政府资金的双向驱动下，记者相信越来越多的本土厂商定能在VSCEL光芯片市场大放异彩。

（作者：席安帝）