超越MOCVD

由于其优越的稳定性，分子束外延在生长基于稀氮化物的长波VCSEL方面胜过了MOCVD

 

当一个器件可以做更多的事情时，它的未来会更加光明。VCSEL就是这种情况。最初，它作为短距离传输数据的光源取得了很大的成功，而在过去几年中，由于其在智能手机面部识别系统中的应用，其销售额创下了新高。但现在，甚至更高的收入即将出现。可以通过引入稀氮化物（例如GaInAsN（Sb））来扩展该表面发射器的光谱范围，从而将发射推进到1300 nm及以上。在该领域工作的光源具有很高的价值，更适合于激光雷达和3D传感。这是因为该光谱范围内的光通过手机的玻璃显示屏传输，本质上对眼睛安全，为使用更高功率的光源打开了大门。

 

今天的商用VCSEL是使用MOCVD制造的，其基于GaAs或InGaAs有源区，并倾向于分别在850 nm或940 nm左右发射。但是，这种成熟的生长技术在III-V光学器件的生产中占主导地位，不一定是生产以含少量氮的量子阱为特征的VCSEL的最佳选择。尽管经过数十年的努力，MOCVD仍然难以实现具有可控成分的稀氮化物层的可重复生长。

 

历史证明，更好的选择是使用分子束外延生长稀氮化物层，部分原因是与该技术相关的较低温度可确保铟和锑的较高粘附系数。就在十多年前，Solar Junction通过引入由稀氮化物制成的低能结打破了多结太阳能电池效率的纪录，一举成名。这家西海岸初创公司开发了制造这些器件的商业生产流程。最近，用于红外传感应用的激光器和光电探测器阵列的开发商Array Photonics一直在寻求分子束外延生产其稀氮化物器件。

 

值得注意的是，反应器的选择不一定是“非此即彼”的决定。可以选择晶圆转移，允许一些外延叠层通过MBE生长，而其他区域则通过另一种工艺（如MOCVD）生产。采用双管齐下的方法，可以通过MOCVD生长VCSEL的反射镜，并通过MBE生长稀氮化物释有源区。

 

MBE的优点

 

由于其独特的功能，MBE有很多优点。它是所有VCSEL生长的有力竞争者，因为其固有的原子精度，它能够产生具有异常均匀性和杰出界面突变性的层。此外，由于没有氢掺杂，在高纯度的p型和n型材料中可以产生高掺杂水平。更重要的是，这种外延形式的本底水平低于其竞争对手。

 

MBE也以其多功能性而闻名。这种外延形式在稀氮化物结构的发展中起着关键作用，几十年来一直用于大量生产外延片和各种器件。MBE已在RF/微波行业中被RFMD和Filtronic等公司用于生产PHEMT；II-VI Laser Enterprise利用这一生长过程制造一系列激光器；这种外延技术已被用于生产光电探测器，如基于InP的雪崩光电二极管和p-i-n结构。MBE反应器也用于领先的外延晶片供应商，如Intelligent Epitaxy Technology（IntelliEPI）、EpiSolution和IQE在美国和新加坡的工厂。

 

MBE在我们社区中的具体应用方式仍在不断发展。在过去八年左右的时间里，已经证明分子束外延有助于在光电子的各个领域形成高度复杂的结构，例如含有磷、锑化物或氮的 器件。

 

在Riber，我们在支持这些努力方面发挥了关键作用。我们的MBE 6000反应器现在有超过35个装置，可容纳多个6英寸晶圆。这一工具的应用已使MBE成为生产RF/微波器件材料和制造光电子器件的可行选择。

 

当设备制造商在其代工厂使用MBE反应器时，他们能够受益于稳定、可再生的过程，这些过程可以在整个活动中保持，可能持续一年左右。这样的工厂有外延技术，可以提供高产量，并且真正符合工业生产要求，例如全自动，并且能够“全天候”运行。

证明可行性

 

对于那些正在考虑开发涉及MBE使用的稀氮化物VCSEL生产工艺的人，应该注意的是，由于最近的努力，我们的MBE 6000已被证明可用于生产VCSEL结构，特别是用于数据通信应用。IntelliEPI获得的结果表明，我们的这个工具可以在四个6英寸晶圆的整个平台上提供出色的输出波长均匀性（见图1）。

 

IntelliEPI的工程师还证明，对于用于数据通信应用的高规格850 nm VCSEL，以及用于功率3D传感的940 nm的器件，在芯片到芯片输出波长方面，MBE的再现性可以接近100%。我们将这种极高的再现性归因于我们正确设计的系统（如Riber MBE 6000）提供的卓越薄膜均匀性。

 

开发用于生产稀氮化物VCSEL的稳健生长工艺的努力将能够利用许多现场监测工具。与MOCVD一样，MBE室可以容纳光学仪器，提供生长过程的实时监测。通过提供诊断能力，这些光学测量可以跟踪外延片的光学特性，包括其反射镜，并确保所有晶圆都精确地在波长规格范围内。为了帮助工艺工程师，我们推出了EZ-CURVE，它提供了现场曲率测量，并在监测VCSEL反射镜的生长方面显示了有益的结果。其他现场工具包括提供光通量、反射率、测温和吸收带边缘温度测量的工具。与MOCVD不同，由于反射高能电子衍射，还可以跟踪晶体结构的演变。通过将这套有洞察力的现场仪器与分子束外延固有的无与伦比的晶体精度相结合，这种生长技术可以解决与通过MOCVD在GaAs衬底上外延生长VCSEL结构相关的一些传统问题。从MOCVD切换到MBE增加了晶圆的比例，其中激光器有源区的波长与分布式布拉格反射器的反射率最低点相匹配。此外，MBE的使用解决了同质性问题和器件处理成品率损失，同时修剪了GaAs/AlGaAs DBR结构产生的弯曲。

 

Riber最新的大容量MBE反应器MBE 8000可容纳8个6英寸晶圆，并产生小于0.5%的片间均匀性。MBE 8000生产的上层结构在可持续12个月以上的免维护活动中提供稳定的生长条件，具有突变界面和高材料纯度，包括不含氢。

把握机遇

 

在VCSEL消费量不断增加的背景下，MBE在该行业有很大的发展前景。IntelliEPI的成功证明了它的能力，并有望推动稀氮化物VCSEL的商业成功。那些希望尝试并主导长波VCSEL市场的人可能希望考虑我们去年推出的超高容量MBE 8000，它是特别考虑VCSEL的生产而开发的。

 

由于能够容纳八个6英寸晶圆，MBE 8000的容量是MBE 6000的两倍。第一台MBE 8000目前正在进行最终鉴定，以验证MBE中可用的最大沉积区域的最高均匀性，不仅在反应源方面，而且在基板温度方面。一旦合格，该工具将加强MBE在稀氮化物VCSEL生产中发挥关键作用的有力案例。

 

图1：（a） Riber MBE 6000反应器中15 x 3英寸、7 x 4英寸、9 x 4英寸和4 x 6英寸平台的归一化Fabry-Pérot倾角波长与距平台中心的径向距离。（b） 在Riber MBE 6000反应器（4×6英寸）中，在6英寸GaAs衬底上生长的940 nm VCSEL结构上，Fabry-Pérot的反射率图和径向线扫描。低于1 nm的Fabry-Pérot倾角变化受到测量精度的限制。（c） Riber 6000 MBE反应器中15 x 3英寸、7 x 4英寸、9 x 4英寸和4 x 6英寸平台的归一化阻带中心波长与距平台中心的径向距离。（d） 在Riber MBE 6000反应器（4×6英寸）的6英寸GaAs衬底上生长的940 nm VCSEL结构的阻带中心反射率图和径向线扫描。在6英寸晶圆上，阻带中心变化低于3 nm。

 

进一步阅读

 

† T. Sarmiento et al. Continuous-Wave Operation of GaAs-Based 1.5-µm GaInNAsSb VCSELs, IEEE Photon. Technol. Lett. 31 1607 (2019)

 

† M.G. Ebski et al. Baseline 1300 nm dilute nitride VCSELs OSA Continuum 3 1952 (2020)

 

† S Siala et al. 13xx-nm VCSEL arrays on GaAs for 3D sensing applications - Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers XXIV, Photonics West 2020

 

† J. Li et al. Highly Uniform VCSELs Grown by Multi-wafer Production MBE, CS MANTECH 2018

 

† Compound Semiconductor 2021, 6, 26