Volume manufacturing of high-power diode lasers using 6 "wafers

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

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 蘇州長光華芯光電技術(shù)股份有限公司，蘇州

b 四川大學(xué)，成都

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

摘要

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(jìn)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。

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

01

介紹

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。

在本文中，我們介紹了蘇州長光華芯光電技術(shù)股份有限公司（以下簡稱“長光華芯”）6"晶圓生產(chǎn)線的最新進(jìn)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(xì)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。

02

MOCVD 外延生長

長光華芯建立了一條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?yán)匣谝惑w。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(yùn)行時間。反應(yīng)器每次運(yùn)行可生長8個6"晶圓。為提高材料的均勻性和可重復(fù)性，長光華芯根據(jù)制造商建議的基線工藝，對外延生長工藝進(jìn)行了進(jìn)一步的開發(fā)[6，7]。我們通過模擬和實(shí)驗(yàn)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(jìn)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。

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。

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(shí)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(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.56nm。

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。

圖3 9xx nm外延晶圓的PL峰值波長分布圖。

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(jìn)行檢查。沿徑向方向測量三個測試點(diǎn)，坐標(biāo)為（0，0）、（65，0） 和（70，0）mm。結(jié)果表明，絕對Al含量與60%目標(biāo)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。

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(diǎn)代表一個生長批次。

為了實(shí)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(jìn)行了精細(xì)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(diǎn)之間的載流子濃度變化僅為15%。

圖5 P-AlGaAs包層沿徑向方向的相對載流子濃度。

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(hù)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?/span>0.475cm -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%。

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。

03

晶圓制造

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(jìn)了高精度步進(jìn)式光刻機(jī)和自動勻膠顯影的跟蹤器。刻蝕工藝引入了干進(jìn)-干出的晶圓清洗機(jī)和濕法蝕刻機(jī)來實(shí)現(xiàn)刻蝕精準(zhǔn)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(jìn)行跟蹤和分類。得益于這些自動化設(shè)備，我們晶圓廠的產(chǎn)量每天超過一百個6"晶圓。

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(yuǎn)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(jìn)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。

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(diǎn)代表晶圓臺面深度的相對范圍。

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(biāo)±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%。

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，一個數(shù)據(jù)點(diǎn)代表一個晶圓批次。

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。

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

晶圓研磨和拋光對于6"晶圓加工具有很高挑戰(zhàn)性，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(shí)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)。

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(diǎn)表示一個晶圓的平均厚度。

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(jìn)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。

04

器件光電性能與長期壽命

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?。裸芯片貼片、打線、檢查和測試均使用自動系統(tǒng)進(jìn)行，其中大部分檢查和測試系統(tǒng)均為自主開發(fā)的。

4.1

器件光電性能

長光華芯的半導(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)。

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(zhǔn)CW條件下進(jìn)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(dá)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。

圖11 808nm巴條芯片的光功率和效率曲線。

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(jìn)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(fù)載密度。

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(dá)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(dá)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。

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。

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(biāo)準(zhǔn)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。

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。

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(biāo)準(zhǔn)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。

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(diǎn)代表晶圓的平均輸出功率。

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(dá)和3D傳感應(yīng)用。VCSEL外延結(jié)構(gòu)包含數(shù)百層材料，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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)一步證明了我們的6"晶圓制造具有高均勻性。

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。

4.2

長期壽命

為了評估激光芯片的長期可靠性，我們對激光芯片進(jìn)行了加速壽命實(shí)驗(yàn)。圖16顯示了一組加速壽命實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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?；诨罨転?.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。

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

05

總結(jié)

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(dá)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。

參考文獻(xiàn)

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[5] Wang, J., Bao, L., Devito, M., Xu, D., Wise, D., Grimshaw, M., Dong, W., Zhang, S., Bai, C., Leisher, P., Li, D., Zhou, H., Patterson, S., Martinsen, R., and Haden, J., “Reliability and performance of 808nm single emitter multi-mode laser diodes,” Proc. SPIE 7583 (02 2010).

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