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Jun Wang^a,b*, Shaoyang Tan^a, Heng Liu^a, Bo Li^a, Yiwen Hu^a, Run Zhao^a, Xiao Xiao^a, Yang Cheng^a,Yintao Guo^a, Wu Zhao^b, Lichen Zhang^b, Pei Miao^b, Lu’an Guo^a, Guoliang Deng^b, Huomu Yang^b, Hao Zhou^b, Hong Zhang^b, Xinsheng Liao^a

^a?Suzhou Everbright Photonics Co., Ltd., Suzhou, P.R. China

^b?Sichuan University, Chengdu, P.R. China

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王俊^a,b*,?譚少陽^a,?劉恒^a,?李波^a,胡燚文^a,?趙潤^a,?肖嘯^a,?程洋^a,郭銀濤^a,?趙武^b,?張立晨^b,苗霈^b,?郭路安^a,?鄧國亮^b,?楊火木^b,?周昊^b,?張弘^b,?廖新勝^a

^a?蘇州j9國際站備用光電技術(shù)股份有限公司，蘇州

^b?四川大學(xué)，成都

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Proceedings Volume 11983, High-Power Diode Laser Technology XX; 1198306 (2022)? http://doi.org/10.1117/12.2610727

Event: SPIE LASE, 2022, San Francisco, California, United States

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摘要

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高功率半導(dǎo)體激光器廣泛用作光纖激光器和固體激光器的泵浦源，或直接半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的光源。為了滿足光纖激光器、固體激光器和直接半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的新興需求，半導(dǎo)體激光器正朝著更大的制造規(guī)模，更高的性能和更低的成本的方向發(fā)展。本文中，我們將介紹我們在這些領(lǐng)域的進展。我們已經(jīng)建立了一條用于高功率半導(dǎo)體激光芯片的6"砷化鎵晶圓生產(chǎn)線，其中包括MOCVD外延生長和晶圓制造。憑借6"晶圓生產(chǎn)線，我們每月生產(chǎn)數(shù)百萬顆用于光纖激光泵浦的芯片。6"晶圓表現(xiàn)出極佳的均勻性和可重復(fù)性。器件性能出色，效率接近70%，直流飽和功率高，長期壽命穩(wěn)定。

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關(guān)鍵詞:?高功率, 激光二極管, 批量生產(chǎn), 6" 晶圓, GaAs 晶圓制造

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01?介紹

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高功率半導(dǎo)體激光器廣泛用作光纖激光器和固體激光器的泵浦源，或直接半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的光源[1-5]。為了滿足光纖激光器、固體激光器和直接半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的新興需求，半導(dǎo)體激光器正朝著更大的制造規(guī)模，更高的性能和更低的成本的方向發(fā)展。增加制造規(guī)模的主要努力方向是使用更大尺寸的襯底并采用自動化生產(chǎn)。在過去的二十年中，高功率半導(dǎo)體激光芯片產(chǎn)品使用的砷化鎵襯底的尺寸已從2"增加到6"。雖然使用6"晶圓可以顯著增加每個晶圓的芯片數(shù)量，但均勻性和可重復(fù)性對于大批量生產(chǎn)變得更加關(guān)鍵。

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在本文中，我們介紹了蘇州j9國際站備用光電技術(shù)股份有限公司（以下簡稱“j9國際站備用”）6"晶圓生產(chǎn)線的最新進展。該生產(chǎn)線每月生產(chǎn)數(shù)百萬個用于光纖激光泵浦的芯片。本文將詳細介紹外延和制造6"晶圓的均勻性和可重復(fù)性。同時還將介紹高功率激光器件的性能。

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02?MOCVD 外延生長

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j9國際站備用建立了一條6"砷化鎵晶圓的一體化生產(chǎn)線，集MOCVD外延生長、晶圓制造、器件組裝、測試老化于一體。外延部分使用多腔 Aixtron 2800 G4反應(yīng)器。反應(yīng)器設(shè)計具有高均勻性和高產(chǎn)出量，以及良好的正常運行時間。反應(yīng)器每次運行可生長8個6"晶圓。為提高材料的均勻性和可重復(fù)性，j9國際站備用根據(jù)制造商建議的基線工藝，對外延生長工藝進行了進一步的開發(fā)[6，7]。我們通過模擬和實驗研究了影響生長速率均勻性的各種因素。使用CVD Sim 軟件[6]?進行了仿真建模。該模型包括氣相和表面化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、氣體輸送動力學(xué)和熱力學(xué)。如圖1（a）所示為一種行星式8x6"MOCVD反應(yīng)器的建模。圖1（b）為兩種不同AsH₃注入配置下6"襯底上MMAl分布的建模結(jié)果示例。

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圖1 行星式8x6"MOCVD反應(yīng)器的建模。（a） 反應(yīng)器中的氣體濃度和溫度二維圖像。（b）?在兩種不同的AsH3注入配置下，6"襯底上的MMAl分布的建模結(jié)果示例。

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晶圓曲率和表面溫度是影響生長速率的關(guān)鍵因素。這些參數(shù)均實現(xiàn)了在線監(jiān)測。圖2（a）顯示了9xx nm結(jié)構(gòu)生長過程中8個晶圓的曲率分布。如圖所示，每片晶圓曲率保持在20km^-1以下，晶圓之間的差異小于±30%。圖2（b）顯示了每個晶圓在相同生長過程中的溫度分布。每個晶圓的溫度在中心高，在邊緣低。每個晶圓的平均溫度變化小于2°C。圖3是9xx LD外延晶圓的光致發(fā)光譜（PL）。整個6"晶圓的PL波長標準偏差僅為0.56nm。

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圖2 MOCVD 生長參數(shù)的過程監(jiān)控。（a）同批次生長8片晶圓的曲率。（b）9xx nm外延結(jié)構(gòu)生長過程中晶圓的溫度分布。

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圖3 9xx nm外延晶圓的PL峰值波長分布圖。

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外延生長的另一個重要參數(shù)是材料組成。我們用高分辨率XRD對9xx LD外延晶圓的組成進行檢查。沿徑向方向測量三個測試點，坐標為（0，0）、（65，0） 和（70，0）mm。結(jié)果表明，絕對Al含量與60%目標的偏差小于1%。采用應(yīng)用統(tǒng)計過程控制后，AlGaAs包層的Al含量控制在±2%以內(nèi)，如圖4所示。

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圖4 ?晶圓AlGaAs外延結(jié)構(gòu)包層的Al組分在6個月內(nèi)變化。每個數(shù)據(jù)點代表一個生長批次。

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為了實現(xiàn)高工作功率和電光轉(zhuǎn)換效率，我們在外延層結(jié)構(gòu)的摻雜水平、材料組分和厚度方面進行了精細設(shè)計。摻雜分布曲線很重要，特別是對于P面波導(dǎo)和包層。圖5顯示了通過ECV（電化學(xué)電容-電壓）測量的9xx nm晶圓的AlGaAs包層中的相對載流子濃度。我們測量了從晶圓中心到徑向距中心65mm四個位置。載流子濃度由晶圓中心的值歸一化。四個測試點之間的載流子濃度變化僅為15%。

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圖5 P-AlGaAs包層沿徑向方向的相對載流子濃度。

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外延層中的缺陷是器件光學(xué)災(zāi)變損傷（COD）失效模式的主要原因。因此，外延缺陷控制在生長過程中非常重要。通過合理的配件維護和腔室調(diào)節(jié)，缺陷得到了很好的控制。圖6（a）顯示了6" 晶圓之間的典型缺陷分布，缺陷的尺寸范圍為0.1至20μm，總?cè)毕菝芏葹?.475cm^-2。圖6（b）是一定時期內(nèi)生長的650片晶圓的缺陷密度變化趨勢圖。這些晶圓的平均表面缺陷密度為0.77cm^-2。表面缺陷密度超過3.0cm^-2控制限制的外延晶圓百分比僅為2.1%。

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圖6 晶圓的外延缺陷密度。（a） 9xx LD外延晶圓表面的缺陷分布。（b） 平均表面缺陷密度與晶圓增長數(shù)的統(tǒng)計過程控制。一個數(shù)據(jù)來自一個生長批次。

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03??晶圓制造

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我們的大多數(shù)6"晶圓制造工藝都配備了自動化系統(tǒng)，以提高產(chǎn)量和良品率。光刻工序引進了高精度步進式光刻機和自動勻膠顯影的跟蹤器。刻蝕工藝引入了干進-干出的晶圓清洗機和濕法蝕刻機來實現(xiàn)刻蝕精準控制，并減少液體和顆粒污染。金屬膜的沉積采用電子束蒸發(fā)和濺射。介質(zhì)薄膜采用PECVD。研磨拋光和退火使用半自動設(shè)備完成。晶圓制造完成后，所有晶圓都要經(jīng)過自動光學(xué)檢測，以對每個芯片的缺陷進行跟蹤和分類。得益于這些自動化設(shè)備，我們的晶圓廠的產(chǎn)量每天超過一百個6"晶圓。

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晶圓制造的關(guān)鍵工藝包括光刻、臺面蝕刻、介質(zhì)薄膜沉積和金屬化等。在這些工藝中，臺面蝕刻是最關(guān)鍵的一個，其蝕刻深度決定了慢軸方向的近場和遠場光斑分布，最終影響光纖模塊中的光纖耦合效率。圖7（a）顯示了6"晶圓的片內(nèi)蝕刻深度分布，9次測量沿直徑方向進行。數(shù)據(jù)顯示，蝕刻深度變化在±0.5%以內(nèi)。同時，晶圓之間的平均蝕刻深度變化小于3%，如圖7（b）所示。

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圖7 臺面蝕刻深度變化。（a） 在6"晶圓內(nèi)，臺面蝕刻深度變化。（b） 從晶圓之間對比，每個數(shù)據(jù)點代表晶圓臺面深度的相對范圍。

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對于介質(zhì)膜沉積，我們主要關(guān)注厚度、折射率和薄膜與襯底之間的應(yīng)力三個方面。我們研究了PECVD反應(yīng)器中的氣體流量比，溫度和壓力以提高均勻性。圖8（a）顯示，在6"晶圓的介質(zhì)膜厚度不均勻性的極差低于5%。折射率控制在1.47±0.01以內(nèi)。同時，薄膜的應(yīng)力控制在距離目標±10%以內(nèi)。圖8（b）顯示了一定時期內(nèi)介質(zhì)薄膜的厚度不均勻性，不均勻性小于5%。

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圖8 介質(zhì)膜的特性。（a） 6" 晶圓內(nèi)的氧化硅歸一化厚度。（b） 一定時期內(nèi)氧化硅厚度不均勻性，一一個數(shù)據(jù)點代表一個晶圓批次。

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P面金屬膜采用自動濺射設(shè)備沉積。我們優(yōu)化了包括等離子體功率以及靶材與等離子體源之間的距離在內(nèi)的工藝參數(shù)，提高了靶材的厚度均勻性。在優(yōu)化條件下，6個月期間生產(chǎn)的6"晶圓內(nèi)的厚度不均勻性小于3.5%，平均值為0.9%，如圖9所示。

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圖9 金屬膜厚度在一定時期內(nèi)不均勻，一一個數(shù)據(jù)點代表一個晶圓批次。

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晶圓研磨和拋光對于6"晶圓加工具有很高挑戰(zhàn)性，因為更大的晶圓尺寸會導(dǎo)致更高的晶圓碎片率。我們將晶圓鍵合到載體使用半自動晶圓鍵合/解鍵合和自動研磨/拋光設(shè)備來處理這個問題。對于不同器件產(chǎn)品設(shè)計，可以實現(xiàn)從100μm到150μm不同晶圓厚度的控制。圖10顯示了晶圓批次之間的厚度變化在15μm內(nèi)。

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圖10 在一定時期內(nèi)研磨和拋光后的晶圓厚度，其中一個數(shù)據(jù)點表示一個晶圓的平均厚度。

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晶圓制造工藝結(jié)束后晶圓被解理成巴條/單管芯片，然后進行腔面鈍化特殊處理，并在前/后腔面分別沉積低/高反射率薄膜。鍍膜工藝我們采用自動排巴、自動光學(xué)檢測和芯片自動分揀來提高產(chǎn)量。目前，邊發(fā)射器單管芯片的月產(chǎn)量超過數(shù)百萬，并且還在不斷增加。

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04?器件光電性能與長期壽命

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根據(jù)芯片尺寸、功率和應(yīng)用需求，我們將高功率激光單管芯片或巴條芯片組裝到適當(dāng)?shù)臒岢辽稀Ｂ阈酒N片、打線、檢查和測試均使用自動系統(tǒng)進行，其中大部分檢查和測試系統(tǒng)均為自主開發(fā)的。

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4.1?器件光電性能

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j9國際站備用的半導(dǎo)體激光芯片產(chǎn)品包括波長范圍為750nm至1060nm的巴條和單管芯片。在這里，我們展示了一些典型產(chǎn)品的關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)。

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808 nm激光巴條是固體激光泵浦中應(yīng)用最廣泛的產(chǎn)品。批量生產(chǎn)的巴條腔長為1.5mm，填充因子為80%。激光巴條粘合到微通道熱沉（MCC）上，并在準CW條件下進行測試，脈沖寬度為200μs，重復(fù)頻率為400Hz，冷卻水溫度為25°C。光功率和電光轉(zhuǎn)換效率與工作電流的關(guān)系如圖11所示。450A時光功率高于560W，峰值電光轉(zhuǎn)換效率達到67%。500W工作條件下的電光轉(zhuǎn)換效率在60%以上，這些器件在TE偏振模式下工作。這個數(shù)據(jù)是目前我們所知最高的。

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圖11 808nm巴條芯片的光功率和效率曲線。

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885-980nm波長范圍內(nèi)的激光單管芯片廣泛用于高亮度固體和光纖激光器泵浦。這種類型的芯片采用AlGaAs作為波導(dǎo)層，AlGaInAs作為量子阱。我們對外延結(jié)構(gòu)的摻雜水平和波導(dǎo)成分進行微調(diào)，綜合降低內(nèi)部光損耗和串聯(lián)電阻?[8，9]。此外，該結(jié)構(gòu)采用非對稱性波導(dǎo)設(shè)計，來增加光學(xué)光斑尺寸降低小平面光學(xué)負載密度。

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其中一種典型的芯片具有230μm的發(fā)光條寬和4.5mm的腔長，光功率高達30W。圖12（a）顯示了在25°C散熱器溫度下885nm、915nm和980nm芯片的CW光功率和電光轉(zhuǎn)換效率。對于所有這些芯片，光功率都在30W以上，電光轉(zhuǎn)換效率高于65%。這些器件經(jīng)過了60A的高電流測試，在功率熱飽前未發(fā)生COD現(xiàn)象。功率打彎處最高功率可達45W，如圖12（b）所示。高打彎功率和電流表示出芯片具有高的器件質(zhì)量。

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圖12 ?885-980nm波長范圍內(nèi)激光單管芯片的光功率和電光轉(zhuǎn)換效率。（a） 885nm、915nm、980nm激光單管芯片的光功率和電光轉(zhuǎn)換效率。（b） 915nm激光器的高電流測試。

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激光芯片在晶圓上的器件光電性能非常均勻。圖13（a）顯示了來自6"晶圓的980nm 30W激光芯片的波長峰值分布。它在沿徑向方向沒有明顯變化。晶圓上波長的偏差標準差約為0.5nm。如圖13（b）和13（c）所示為來自同一晶圓的芯片的光功率和電光轉(zhuǎn)換效率，晶圓內(nèi)功率和電光轉(zhuǎn)換效率的變化小于2%。這些結(jié)果再次展示了MOCVD工藝的晶圓制造工藝的高均勻性。

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圖13 ?6" 980nm晶圓的芯片的性能數(shù)據(jù)分布，測試溫度25°C。（a） 波長，（b） 光功率，（c） 電光轉(zhuǎn)換效率。

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晶圓芯片在較長時間內(nèi)具有良好的可重復(fù)性。圖14繪制了連續(xù)860片晶圓，每個6"晶圓上所有芯片的平均輸出功率。對于這860個晶圓，光功率變化的偏差標準差約為1.5%。這種出色的長期功率重復(fù)性代表了對外延、晶圓制造和腔面鍍膜的良好控制。

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圖 14??6"?晶圓的所有芯片的平均輸出功率變化趨勢，其中一個數(shù)據(jù)點代表晶圓的平均輸出功率。

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我們的6"MOCVD外延和晶圓制造生產(chǎn)線不僅可以生產(chǎn)高功率邊緣發(fā)射激光芯片，而且還涵蓋了VCSEL（垂直腔面發(fā)光激光器）制造。我們生產(chǎn)VCSEL陣列主要用于激光雷達和3D傳感應(yīng)用。VCSEL外延結(jié)構(gòu)包含數(shù)百層，其性能對每層的厚度、摻雜和界面質(zhì)量非常敏感。每個陣列通常由數(shù)百個發(fā)射器組成。它們的臺面蝕刻、介質(zhì)薄膜和金屬化工藝對器件性能的影響比邊緣發(fā)射工藝更直接。圖15顯示了來自940nm VCSEL晶圓的陣列的波長映射和電光轉(zhuǎn)換效率。每個陣列的光功率為3W。波長在晶圓上的偏差標準差為0.9nm，電光轉(zhuǎn)換效率的不均勻性約為2.5%。這些數(shù)據(jù)進一步證明了我們的6"晶圓制造具有高均勻性。

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圖15 ?來自6"晶圓的940nm 3W VCSEL芯片的激光峰值波長和電光轉(zhuǎn)換效率映射。

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4.2?長期壽命

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為了評估激光芯片的長期可靠性，我們對激光芯片進行了加速壽命實驗。圖16顯示了一組加速壽命實驗數(shù)據(jù)，圖中繪制了歸一化功率P/P₀與壽命測試時間的關(guān)系圖。該組包含24個芯片，這些芯片是從批量生產(chǎn)線中隨機取樣的。驅(qū)動電流固定在28A，室溫下的光功率為30W，而結(jié)溫則升至90°C。在壽命實驗過程中測量并記錄光功率。其壽命周期已累計超過6500小時，并且仍在進行中。從數(shù)據(jù)可看出，所有器件既沒有突然失效，也沒有明顯的功率衰減。基于活化能為0.45eV?[4，5，10]的加速度模型，我們計算出加速系數(shù)為5.5。在30W和室溫工作條件下，芯片等效壽命時間超過36000小時。

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圖16 ?在28A驅(qū)動電流和90℃結(jié)溫下的加速壽命數(shù)據(jù)。

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05?總結(jié)

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我們建立了一條高質(zhì)量和高產(chǎn)量的6"高功率激光芯片生產(chǎn)線。報道了MOCVD外延和晶圓制造中的關(guān)鍵參數(shù)，展示出了高均勻性和可重復(fù)性。這條生產(chǎn)線每月可生產(chǎn)數(shù)百萬個邊發(fā)射高功率激光芯片。808nm激光巴條的光功率超過500W，88x-9xxnm激光單管芯片的額定光功率超過30W，峰值效率超過70%，CW翻轉(zhuǎn)功率高達45W。此外，大功率激光單管芯片已經(jīng)過加速壽命測試，顯示出良好的長期可靠性。

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參考文獻

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