12月26日，由手机报在线举办的以“VCSEL发力，大势所趋”为主题的全球首届VCSEL应用大会在深圳成功举办。德国Aixtron（爱思强）中国区工艺总监方子文博士发表了《红外VCSEL的外延大规模量产解决方案》的主题演讲。
 

　　德国Aixtron中国区工艺总监方子文

 

　　外延的门槛在于设备，尤其是MOCVD设备。作为MOCVD两大巨头之一，AIXTRON(爱思强)从1983年开始做MOCVD设备，已有超过30年的历史，在GaAs/InP材料体系的MOCVD领域有着绝对领先的技术及市场占有率。

 

　　针对红外VCSEL应用，方子文介绍了MOCVD外延方面的市场应用。自从去年苹果发布iphoneX应用了VCSEL之后，今年安卓阵营的产品也全部配备了VCSEL，就可以看出VCSEL的市场发展空间之大，他表示，VCSEL市场在2023年会达到180亿美金的规模。当然，这个市场主要还是由消费级器件来驱动。

 

　　除了消费级器件外，VCSEL在汽车工业也有广阔的应用前景。方子文举例说：“在今年的9月份，已有厂商发布针对汽车自动驾驶的大功率VCSEL产品，就是用VCSEL外延技术，其芯片大小到达了5×5毫米，可以精准感测250米的距离。这为未来汽车自动驾驶铺平了道路。”

 

　　针对VCSEL器件的大规模商业化量产，方子文强调，消费级市场对产品最大的挑战是高良率及低成本：“大家知道现在VCSEL器件的整体良率并不高。外延能够控制的良率，到最后都会变成现金，良率越高，生产成本就会越低。”

 

　　在外延技术方面，与传统砷化镓LED器件相比，VCSEL器件对MOCVD机台的要求更高，主要表现在苛刻的DBR均匀性以及MOCVD机台对颗粒/缺陷的控制能力。

 

　　DBR均匀性决定了器件本身的波长良率，量产型的6英寸VCSEL外延片需能保证1nm左右的波长均匀性，来稳定控制产品波长。传统LED芯片尺寸相对较小，而VCSEL芯片的尺寸较大，基本都在毫米级别。因此一片6英寸砷化镓衬底只能生产约一万个芯片，任何的表面缺陷或者颗粒会直接导致这个区域的芯片报废。方子文说：“我们认为一个高良率的VCSEL生产需将6英寸的颗粒/缺陷控制在100颗以内，才能保证高达99%以上的表面良率。”

 

　　在方子文看来，对于外延设备的要求，第一就是外延材料的均匀性非常好，第二就是表面颗粒数非常低。在保证高良率的基础上，MOCVD机台还需要有效的控制物料成本，为此，方子文重点介绍了一款AIX2800G4-TM设备。

　　图片AIX2800G4-TM设备

 

　　AIX2800G4-TM，使用AIXTRON行星式反应腔，配备自动化传盘功能。单腔可以同时生产8片6英寸VCSEL外延片。AIXTRON行星式反应腔提供了多片机的高产能，同时保证了单片机的均匀性/工艺稳定性。同一腔体内的每一片外延片都可以独立调整自己的沉积温度，每片衬底有一致的工艺温度，保证片与片之间的温度均匀。

 

　　“这是通过AIXTRON特有的行星式反应机理来实现的，每个衬底的托盘背后，都有通气导气槽，使小盘能够悬浮在空中。通过控制气体的流量，我们可以精准的控制每个小盘的温度，结合自动控制软件，8片小盘的温度差异性可以控制在0.3度以内。精准的温度控制为高良率的波长控制奠定了基础。此外，通过机械手的自动高温传盘，机台可以保障最低的颗粒。方子文展示了最新6英寸外延结果为0.7nm的DBR均匀性及41个表面颗粒，这完全能满足VCSEL大规模生产的良率要求。”方子文说。

 

　　另外，为确保最高的物料使用率，爱思强采用全石墨的腔体设计。其表示，如果是6寸的外延生产，基本可以达到30%的物料效率，与竞争对手相比可以节省一倍以上的物料。核算下来，一台这样的设备，单单是物料的节省，一年就可以节省一百万人民币以上。

 

　　整体来说，随着VCSEL市场的扩大，其外延生产会逐渐从欧美转到中国，对于新进入国际市场的VCSEL厂商，必须稳定的控制产品良率及成本，才能在国际舞台占到一席之地。爱思强已经准备好与顶尖的国内外延厂商合作，推动VCSEL器件国产化的进程。