今年以來，隨著安卓陣營的小米、Oppo、Vivo以及華為等手機大廠陸續推出搭載3D人臉識別功能的多款機型，3D Sensing儼然已成為高端智能手機的標配。受益于此，作為3D Sensing系統關鍵組件的VSCEL芯片市場也備受全球半導體廠商及資本的熱捧，在芯片“自主國產化”熱潮的催動下，越來越多的本土半導體廠商也相繼踏上了VSCEL芯片國產化的征程。但實現VSCEL芯片國產化仍需跨過多道門檻，尤其是在關鍵的VSCEL外延技術被國外巨頭近乎壟斷的局勢下，如何突破940nm外延片的量產工藝，趕上這波即將到來的3D Sensing應用熱潮，已成為本土VSCEL廠商亟待攻克的難題。
940nm VSCEL外延片步入國產化 “均勻生長”是首道工藝難題
得益于940nm技術的發展，如今在光通訊市場已“遍地開花”的VCSEL技術正加速向消費電子領域延伸。尤其是智能手機領域，隨著3D Sensing應用在高端機市場逐步開放普及，全球產業鏈各方對VSCEL技術的布局和投資熱情也被徹底點燃。
常州縱慧芯光半導體科技有限公司聯合創始人陳曉遲表示：“每年全世界消費10多億部智能手機，2017年全球手機的出貨量更是超過14億部。若以每部手機至少嵌入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，市場規模更是能從十億級人民幣擴展到百億級人民幣。隨著后續越來越多大大小小的安卓智能手機廠商相繼采用VCSEL來實現3D人臉識別，我們認為未來幾年市場對6英寸VCSEL外延片的需求也將呈現高速增長趨勢。”
雖說應用前景巨大，但真正能做到量產高質量6英寸VSCEL外延片的廠商全球范圍內也是屈指可數。西安唐晶量子科技有限公司總經理龔平告訴《華強電子》記者：“目前全球該領域真正能夠大規模量產6英寸VSCEL外延片的只有美國IntelliEPI、美國EpiWorks、日本住友化學以及英國IQE這幾家廠商，而且他們占據著整個產業界絕大多數的VSCEL外延設備及核心技術資源。”典型的比如蘋果VSCEL外延片獨家供應商英國IQE，2017年中旬僅IQE一家就占據了全球VSCEL外延片市場份額的60%，近期其法人代表更是向相關媒體透露公司在VCSEL晶圓市場已占有約80%的份額，且產線仍在繼續擴張。不過，今年以來，國內以全新光電、晶元光電以及華芯半導體為代表的越來越多本土企業都相繼踏上了6英寸VSCEL外延片的量產征程，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業公司也開始投入該領域，國內940nm VSCEL外延產線的布局正全面加速。
盡管本土廠商推進940nm VSCEL外延片“國產化”的氣勢如虹，但由于外延工藝技術實力不足，目前國內絕大多數廠商的940nm VSCEL產品的外延工藝基本上都是外包給國外大廠來做。因此，要真正實現消費級VSCEL外延片的“國產自主”，大規模打入全球智能手機供應鏈，國內企業還需要突破外延工藝上的重重難關，其中首道難題就是外延片的均勻性生長技術。
與廣泛應用于光通訊領域的850nm VSCEL不同，940nm VSCEL在半導體元素組分上與前者有較大差異，而這種差異體現在外延片的量產工藝上，也就是難度系數的成倍提升。深圳順盈科光電股份有限公司產品經理曲力行表示：“VCSEL的結構以銦鎵砷InGaAs阱（well）和鋁鎵砷AlGaAs壘（barrier）的多量子阱（MQW）做發光層是最合適的，就如同LED用銦In來調變波長一樣，3D感測技術使用的940納米波長VCSEL的銦In組分大約是20%。當銦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的技術上頗有建樹，但想要將850nm VSCEL的技術能力成功轉移到940nm領域，實際上并不是那么容易。”
其中，最大的難點就在于如何能夠保證VSCEL外延片每層結構能夠保持均勻生長。陳曉遲表示：“從結構上來講，一顆VSCEL器件的外延生長一般要達到300層，在工藝層面上包括中間質量在內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量級。”而為了保證每個外延層的質量，外延生長工藝過程需要在精準的細化到每層外延層厚度的基礎上，于數十倍常規LED工作電流密度條件下充分調制摻雜分布和組分的均勻性，令其生長出高質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重要，曲力行也告訴記者：“VCSEL外延片的結構中，不同的摻雜分布會對器件性能產生不同程度的影響，正如銦In用來調變波長，GaAs用來做底面的反光襯底一樣。作為化合物半導體的一種，VSCEL晶片中不同的摻雜會直接決定晶片晶格結構的穩定性和規律性，進而決定最終器件的各種性能參數，比如光電轉換效率以及內部寄生電阻等。而不同的組分均勻性則會決定VSCEL器件最終的應用領域及功能，就如我們所生產的850nm VSCEL中銦In的組分為零因而被用于光通訊領域，而應用于消費電子領域的940nm產品中的銦In組分則需要精準控制在20%左右才行。”
但要對VSCEL外延片幾百層中每一層結構的摻雜分布和組分均勻性做到精準控制是極其困難的，絕大多數國內廠商基本不具備這方面的技術能力，良率是目前最大的問題，即使現在通過傳統850nm設備的改造也比較難達到預期的量產效果。“VSCEL最薄的外延層僅為幾納米，而幾百層結構中每層都去充分考量其表面的均勻性、摻雜分布的規律性及組分的正確性會十分考驗廠商工藝的設計和把控能力，且對外延設備結構件以及設備腔體內的很多傳感器組件會有非常高的精度要求。由于850nm的設備與940nm的相比精度根本不在一個數量級，精度哪怕是低了幾納米，都可能會使得當前正在生長的外延層出現不均勻結構或翹曲或者摻雜層紊亂等情況，從而影響后續更多層的外延生長均勻性，并最終破壞晶片的良率。”曲力行進一步補充到。
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：“實際上，早在蘋果iPhoneX搭載3D傳感技術之前，我們就已經開始嘗試940nm VSCEL外延片的試制。由于外延設備非常稀缺且交貨期長，所以我們也是通過對原有850nm設備進行改造的方式用來試制和量產940nm外延片，由于外延精度存在很大差異，我們也更換了設備腔體中的很多傳感器組件和結構件，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，還對一些工藝段進行了重新設計和調整，為了配合硬件的更新，設備控制系統上我們也對很多參數和數據組進行了重新評估和系統性的調校，并通過不斷評估小批量產品試制的良率來調校設備的精度，整個過程也花了大約一年半的時間，目前產品的良率相比之前已經有了大約20%的提升。如今，我們的6英寸VSCEL外延片產線已經實現了規模化量產，并已經成功打入了兩家主流安卓手機廠商的供應鏈，明年年初就會有相關設備上市。”
激射方案與DBR設計決定器件性能 本土廠商正“行在路上”
除上述外延片“均勻生長”技術挑戰以外，如何確保激射時所需的波長，并獲得高反射率的DBR也是國產廠商亟待突破的另一大外延片量產瓶頸。據記者了解，作為外延工藝中的關鍵組成部分，激射過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，而個中關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，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作為有源區材料，來進行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，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。”
不過，該方案也有其缺陷，曲力行進一步補充道：“由于外延片量子阱體系的組分發生了變化，因此晶片的晶格結構以及摻雜分布也會產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的校準和調試，由于沒有前期的經驗，所以整個校準的過程也會很復雜，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，發現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外延產線的大多數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換效率以及串聯電阻等諸多關鍵性能參數。因為在眾多VSCEL外延層中，發光層上、下兩邊分別是由四分之一發光波長厚度的高、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，才能夠使得有源區所產生的光子能夠在諧振腔內持續振蕩并不斷放大，提升最終發出的光斑質量以及光電轉化率。
對此，某業內人士對記者表示：“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，而獲得低串聯電阻DBR是獲得高光電轉換效率VCSEL的關鍵所在。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的層數，提升芯片的光電轉換效率，簡化結構的同時還能夠有效降低串聯電阻，這幾點是相輔相成的。”
那么，如何才能設計出高反射率的DBR呢？曲力行認為，“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設計成襯底面發光才能獲得高反射率的DBR，這對廠商的設計能力有相當高的要求，對很多企業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行了一些改進，已經能夠讓DBR反射率做到比較高的水平，雖然這會在功耗和發熱方面做出一些犧牲，但對VSCEL器件最終生成高質量的光斑和提升光電轉換率還是大有裨益的。”
總之，3D傳感的市場紅利即將到來，業內預測未來幾年3D Sensing市場規模將呈幾何式增長，2020年市場規模有望達到108.49億美元，這必將成為本土940nm VSCEL產業崛起的絕佳契機。但對于絕大多數本土廠商尤其是蜂擁而至的創業公司來說，外延片的量產工藝能力仍存諸多不足，能否真正趕上這波紅利期，實現消費級VSCEL外延片的大規模“國產化”還有待觀察。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外延片被英美實施出口管制的大背景下，未來越來越多的VSCEL外延片初創企業的生存可能都會是大問題，這對于當下發展如烈火烹油一般火熱的國內VSCEL產業可謂是“當頭一棒”。不過，這也將倒逼越來越多的國內廠商加大VSCEL外延片工藝方面的自主研發力度，在市場紅利以及政府資金的雙向驅動下，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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