Лазерный мир

В то время как поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL, Vertical-cavity surface-emitting laser) используются для передачи данных более 20 лет, существует множество новых приложений, которые повышают спрос на производство и показатели VCSEL. К ним относятся менее известные приложения, такие как инфракрасное освещение / обогрев и атомные часы, и для более известного приложения по  зондирования окружения для автомобильной безопасности, видеодисплеев с высоким разрешением и распознавание жестов / лиц.

Как правило, преимущества VCSEL по сравнению с альтернативами, такими как краевые излучатели (EEL) и светоизлучающие диоды (LED), заключаются в низкой стоимости и оптической эффективности при небольшой занимаемой площади. VCSEL также обладают преимуществом стабильности длины волны от температуры и имеют высокую направленность, чтобы было возможно максимизировать  эффективность выходной мощности. Так как VCSEL имеют верхнюю излучающую поверхность (как и светодиоды), их можно размещать на подложке, интегрировать с более простой оптикой и монтировать в виде матриц на печатных платах или интегрировать с лазером, драйвером и логикой управления на одной монтажной поверхности. Выходная мощность, хотя и меньшая, чем у EEL, масштабируется за счет создания массивов отдельных VCSEL.

Приложения, стимулирующие спрос

Ряд высококлассных смартфонов от разных поставщиков (например, Apple, Samsung, Huawei, Xiaomi и OPPO) теперь включают VCSEL в приложениях 3D-зондирования, на передних (сторона экрана) и / или в  сенсорах любых направлений. Такие мобильные и потребительские приложения являются крупнейшими драйверами для массового производства VCSEL с меньшим, но растущим спросом со стороны автомобильного и промышленного рынков. Исследователи рынка [1-2] прогнозируют, что мировой рынок VCSEL будет расти в среднем на 17–31% в течение следующих 5 лет.

Другим приложением, которое в настоящее время стимулирует множество исследований и разработок продуктов, является использование VCSEL для обнаружения и определения дальности  (лидар), который представляет собой метод мониторинга относительных расстояний и движения, необходимый для разработки автономных транспортных средств. Лидар работает аналогично радару, но вместо радиоволн излучает импульсный свет для отражения от окружающих объектов. Время пролета отраженного импульса до лидарного датчика используется для расчета относительного расстояния от объекта. Более короткая длина волны ультрафиолетового / видимого / инфракрасного света (100-100 мкм) по сравнению с длиной волны радиоволн радара (~ 1 мм) позволяет обнаруживать более мелкие объекты и формировать изображения с более высоким разрешением.

VCSEL хорошо работают в приложениях ближнего действия, таких как распознавание лиц в мобильных телефонах или мониторинг внимания водителей в автомобилях. Тем не менее, измерение дальности, необходимое для автономного вождения, создает проблемы из-за более низкой выходной мощности VCSEL по сравнению с другими источниками инфракрасного света. Также были проблемы с безопасностью для глаз при использовании VCSEL с более низкой длиной волны при более высокой мощности для получения отклика на большом расстоянии. Безопасность глаз включает в себя сложную комбинацию таких факторов, как мощность, угол расхождения, длительность импульса, направление воздействия и длина волны. Путем настройки длины волны VCSEL с использованием короткого импульса и оптимизации оптического обнаружения достижимо безопасное зрение на дальнем расстоянии с использованием массивов VCSEL с низким энергопотреблением.

Производство VCSEL

VCSEL создается из сложной многослойной структуры, нанесенной на подложку методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE, Molecular Beam Epitaxy) или осаждения паров органических металлов (MOCVD, Metal Organic Chemical Vapor Deposition). Эпитаксиальные слои включают в себя активный слой, который генерирует фотоны, расположенные между двумя распределенными брэгговскими отражателями (DBR, distributed Bragg reflectors), которые действуют как зеркала, чтобы отражать свет назад и вперед через активную область многократно для усиления сигнала. Каждый DBR состоит из множества эпитаксиальных слоев в зеркальных парах (как правило,> 20 пар), при этом показатель преломления и толщина каждого эпитаксиального слоя  подбираются так, чтобы вызывать конструктивные помехи для создания световых волн на желаемой длине волны.

Апертура может быть создана для ограничения тока в небольшой области активного слоя путем селективной ионной имплантации или окисления определенных эпитаксиальных слоев. Например, в случае VCSEL на основе GaAs слои AlGaAs частично окисляются, создавая непроводящую область вокруг апертуры. Эта концентрация потока тока снижает пороговый ток для генерации лазерного излучения и контролирует ширину луча.

Критические вафельные процессы обработки подложек для массового производства VCSEL

Индуктивно-связанная плазма (ICP, Inductively coupled plasma) используется для травления вертикальных или конических мезоструктур, образующих VCSEL. Ключевым требованием для VCSEL следующего поколения является гладкое травление, без повреждений боковой стенки или преимущественного травления любого из слоев. Неровная боковая стенка может привести к оптическим потерям со стороны VCSEL. Оптимально гладкого профиля трудно добиться с помощью мокрого (химического) травления, которое является изотропным по своей природе и может привести к образованию надрезов в эпитаксиальных  слоях. Сухое травление ICP является более направленным и может быть адаптировано для получения более гладкого профиля. Точный контроль глубины травления имеет решающее значение для производительности VCSEL, и в приложениях объемного производства точное обнаружение конечной точки достигается с помощью подсчета полос с помощью лазерной интерферометрии или оптической эмиссионной спектроскопии (OES, Optical Emission Spectroscopy ).

Усиленное плазмой  химическое осаждение из паровой фазы (PECVD, Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) используется производителями VCSEL для нанесения слоев нитрида кремния высочайшего качества. Наиболее важным применением является антибликовое покрытие, которое улучшает работу лазера за счет максимального увеличения оптического выхода из резонатора. Здесь требуются минимально возможные неоднородности толщины и показателя преломления. Нитрид кремния также используется для обеспечения промежуточных слоев компенсации напряжений, которые минимизируют изгиб и деформацию истонченных субстратов, а также слоев пассивации и твердых масок.

Технология физического осаждения из паровой фазы (PVD, Physical Vapor Deposition) используется для осаждения затравочных слоев TiW / Au и Au для контактов, которые подают ток или способствуют рассеиванию тепла с передней стороны устройства. Слои PVD с заданными свойствами напряжения также могут быть нанесены для компенсации напряжений пластины, которые в противном случае могли бы вызвать коробление, когда пластина утончается и отсоединяется от носителя.

Со второй половины 2016 года SPTS испытал всплеск спроса на свои технологии обработки пластин для производства VCSEL. Производители выбирают решения SPTS Omega etch, Delta PECVD и Sigma PVD из-за их  возможностей точной обработки, обширных библиотек процессов и многолетнего опыта SPTS, обслуживающего клиентов в области массового производства связанных технологий и продуктов, таких как RF-устройства GaAs и светодиоды.

Автор Дэйв Томас, доктор философии Старший директор,

Etch Product Management, SPTS Technologies, A KLA Company

Cсылки:

[1] “Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) — Market Analysis, Trends, and Forecasts” Global Industry Analysts Inc, Oct 2019 (www.strategyr.com/market-repor…try-analysts-inc.asp)

[2] » VCSELs – Market and Technology Trends 2019″ Yole Développement, May 2019 (yole-i-micronews-com.osu.eu-we…CSELs_2019_flyer.pdf)

Источник: https://www.novuslight.com/plasma-processes-for-high-volume-manufacturing-of-vcsels_N9982.html