今年以來，隨著安卓陣營(yíng)的小米、Oppo、Vivo以及華為等手機(jī)大廠陸續(xù)推出搭載3D人臉識(shí)別功能的多款機(jī)型，3D Sensing儼然已成為高端智能手機(jī)的標(biāo)配。受益于此，作為3D Sensing系統(tǒng)關(guān)鍵組件的VSCEL芯片市場(chǎng)也備受全球半導(dǎo)體廠商及資本的熱捧，在芯片“自主國(guó)產(chǎn)化”熱潮的催動(dòng)下，越來越多的本土半導(dǎo)體廠商也相繼踏上了VSCEL芯片國(guó)產(chǎn)化的征程。但實(shí)現(xiàn)VSCEL芯片國(guó)產(chǎn)化仍需跨過多道門檻，尤其是在關(guān)鍵的VSCEL外延技術(shù)被國(guó)外巨頭近乎壟斷的局勢(shì)下，如何突破940nm外延片的量產(chǎn)工藝，趕上這波即將到來的3D Sensing應(yīng)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(guó)產(chǎn)化 “均勻生長(zhǎng)”是首道工藝難題

得益于940nm技術(shù)的發(fā)展，如今在光通訊市場(chǎng)已“遍地開花”的VCSEL技術(shù)正加速向消費(fèi)電子領(lǐng)域延伸。尤其是智能手機(jī)領(lǐng)域，隨著3D Sensing應(yīng)用在高端機(jī)市場(chǎng)逐步開放普及，全球產(chǎn)業(yè)鏈各方對(duì)VSCEL技術(shù)的布局和投資熱情也被徹底點(diǎn)燃。

常州縱慧芯光半導(dǎo)體科技有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人陳曉遲表示：“每年全世界消費(fèi)10多億部智能手機(jī)，2017年全球手機(jī)的出貨量更是超過14億部。若以每部手機(jī)至少嵌入2-3顆瓦級(jí)VCSEL激光器件來計(jì)算，每年將有二三十億顆的市場(chǎng)需求，市場(chǎng)規(guī)模更是能從十億級(jí)人民幣擴(kuò)展到百億級(jí)人民幣。隨著后續(xù)越來越多大大小小的安卓智能手機(jī)廠商相繼采用VCSEL來實(shí)現(xiàn)3D人臉識(shí)別，我們認(rèn)為未來幾年市場(chǎng)對(duì)6英寸VCSEL外延片的需求也將呈現(xiàn)高速增長(zhǎng)趨勢(shì)。”

雖說應(yīng)用前景巨大，但真正能做到量產(chǎn)高質(zhì)量6英寸VSCEL外延片的廠商全球范圍內(nèi)也是屈指可數(shù)。西安唐晶量子科技有限公司總經(jīng)理龔平告訴《華強(qiáng)電子》記者：“目前全球該領(lǐng)域真正能夠大規(guī)模量產(chǎn)6英寸VSCEL外延片的只有美國(guó)IntelliEPI、美國(guó)EpiWorks、日本住友化學(xué)以及英國(guó)IQE這幾家廠商，而且他們占據(jù)著整個(gè)產(chǎn)業(yè)界絕大多數(shù)的VSCEL外延設(shè)備及核心技術(shù)資源。”典型的比如蘋果VSCEL外延片獨(dú)家供應(yīng)商英國(guó)IQE，2017年中旬僅IQE一家就占據(jù)了全球VSCEL外延片市場(chǎng)份額的60%，近期其法人代表更是向相關(guān)媒體透露公司在VCSEL晶圓市場(chǎng)已占有約80%的份額，且產(chǎn)線仍在繼續(xù)擴(kuò)張。不過，今年以來，國(guó)內(nèi)以全新光電、晶元光電以及華芯半導(dǎo)體為代表的越來越多本土企業(yè)都相繼踏上了6英寸VSCEL外延片的量產(chǎn)征程，除此之外還有諸如長(zhǎng)光華芯、睿熙科技以及唐晶量子等眾多創(chuàng)業(yè)公司也開始投入該領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)940nm VSCEL外延產(chǎn)線的布局正全面加速。

盡管本土廠商推進(jìn)940nm VSCEL外延片“國(guó)產(chǎn)化”的氣勢(shì)如虹，但由于外延工藝技術(shù)實(shí)力不足，目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)廠商的940nm VSCEL產(chǎn)品的外延工藝基本上都是外包給國(guó)外大廠來做。因此，要真正實(shí)現(xiàn)消費(fèi)級(jí)VSCEL外延片的“國(guó)產(chǎn)自主”，大規(guī)模打入全球智能手機(jī)供應(yīng)鏈，國(guó)內(nèi)企業(yè)還需要突破外延工藝上的重重難關(guān)，其中首道難題就是外延片的均勻性生長(zhǎng)技術(shù)。

與廣泛應(yīng)用于光通訊領(lǐng)域的850nm VSCEL不同，940nm VSCEL在半導(dǎo)體元素組分上與前者有較大差異，而這種差異體現(xiàn)在外延片的量產(chǎn)工藝上，也就是難度系數(shù)的成倍提升。深圳順盈科光電股份有限公司產(chǎn)品經(jīng)理曲力行表示：“VCSEL的結(jié)構(gòu)以銦鎵砷InGaAs阱（well）和鋁鎵砷AlGaAs壘（barrier）的多量子阱（MQW）做發(fā)光層是最合適的，就如同LED用銦In來調(diào)變波長(zhǎng)一樣，3D感測(cè)技術(shù)使用的940納米波長(zhǎng)VCSEL的銦In組分大約是20%。當(dāng)銦In組分是零的時(shí)候，外延工藝比較簡(jiǎn)單（比如850nm的VSCEL），而銦In的組分越高，外延工藝難度會(huì)成倍增加。雖然很多廠商可能在850nm的技術(shù)上頗有建樹，但想要將850nm VSCEL的技術(shù)能力成功轉(zhuǎn)移到940nm領(lǐng)域，實(shí)際上并不是那么容易?！?

其中，最大的難點(diǎn)就在于如何能夠保證VSCEL外延片每層結(jié)構(gòu)能夠保持均勻生長(zhǎng)。陳曉遲表示：“從結(jié)構(gòu)上來講，一顆VSCEL器件的外延生長(zhǎng)一般要達(dá)到300層，在工藝層面上包括中間質(zhì)量在內(nèi)的每一層都需要做得很均勻，對(duì)比EEL僅30-40層的難度，VCSEL外延生長(zhǎng)的難度與其根本不在同一個(gè)數(shù)量級(jí)?！倍鵀榱吮ＷC每個(gè)外延層的質(zhì)量，外延生長(zhǎng)工藝過程需要在精準(zhǔn)的細(xì)化到每層外延層厚度的基礎(chǔ)上，于數(shù)十倍常規(guī)LED工作電流密度條件下充分調(diào)制摻雜分布和組分的均勻性，令其生長(zhǎng)出高質(zhì)量低缺陷密度的晶體，才能獲得高性能、長(zhǎng)壽命的VCSEL外延片。

調(diào)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(guān)重要，曲力行也告訴記者：“VCSEL外延片的結(jié)構(gòu)中，不同的摻雜分布會(huì)對(duì)器件性能產(chǎn)生不同程度的影響，正如銦In用來調(diào)變波長(zhǎng)，GaAs用來做底面的反光襯底一樣。作為化合物半導(dǎo)體的一種，VSCEL晶片中不同的摻雜會(huì)直接決定晶片晶格結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和規(guī)律性，進(jìn)而決定最終器件的各種性能參數(shù)，比如光電轉(zhuǎn)換效率以及內(nèi)部寄生電阻等。而不同的組分均勻性則會(huì)決定VSCEL器件最終的應(yīng)用領(lǐng)域及功能，就如我們所生產(chǎn)的850nm VSCEL中銦In的組分為零因而被用于光通訊領(lǐng)域，而應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域的940nm產(chǎn)品中的銦In組分則需要精準(zhǔn)控制在20%左右才行?！?

但要對(duì)VSCEL外延片幾百層中每一層結(jié)構(gòu)的摻雜分布和組分均勻性做到精準(zhǔn)控制是極其困難的，絕大多數(shù)國(guó)內(nèi)廠商基本不具備這方面的技術(shù)能力，良率是目前最大的問題，即使現(xiàn)在通過傳統(tǒng)850nm設(shè)備的改造也比較難達(dá)到預(yù)期的量產(chǎn)效果?！癡SCEL最薄的外延層僅為幾納米，而幾百層結(jié)構(gòu)中每層都去充分考量其表面的均勻性、摻雜分布的規(guī)律性及組分的正確性會(huì)十分考驗(yàn)廠商工藝的設(shè)計(jì)和把控能力，且對(duì)外延設(shè)備結(jié)構(gòu)件以及設(shè)備腔體內(nèi)的很多傳感器組件會(huì)有非常高的精度要求。由于850nm的設(shè)備與940nm的相比精度根本不在一個(gè)數(shù)量級(jí)，精度哪怕是低了幾納米，都可能會(huì)使得當(dāng)前正在生長(zhǎng)的外延層出現(xiàn)不均勻結(jié)構(gòu)或翹曲或者摻雜層紊亂等情況，從而影響后續(xù)更多層的外延生長(zhǎng)均勻性，并最終破壞晶片的良率?！鼻π羞M(jìn)一步補(bǔ)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(shí)際上，早在蘋果iPhoneX搭載3D傳感技術(shù)之前，我們就已經(jīng)開始嘗試940nm VSCEL外延片的試制。由于外延設(shè)備非常稀缺且交貨期長(zhǎng)，所以我們也是通過對(duì)原有850nm設(shè)備進(jìn)行改造的方式用來試制和量產(chǎn)940nm外延片，由于外延精度存在很大差異，我們也更換了設(shè)備腔體中的很多傳感器組件和結(jié)構(gòu)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(huì)有不小的開支。除此之外，還對(duì)一些工藝段進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和調(diào)整，為了配合硬件的更新，設(shè)備控制系統(tǒng)上我們也對(duì)很多參數(shù)和數(shù)據(jù)組進(jìn)行了重新評(píng)估和系統(tǒng)性的調(diào)校，并通過不斷評(píng)估小批量產(chǎn)品試制的良率來調(diào)校設(shè)備的精度，整個(gè)過程也花了大約一年半的時(shí)間，目前產(chǎn)品的良率相比之前已經(jīng)有了大約20%的提升。如今，我們的6英寸VSCEL外延片產(chǎn)線已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化量產(chǎn)，并已經(jīng)成功打入了兩家主流安卓手機(jī)廠商的供應(yīng)鏈，明年年初就會(huì)有相關(guān)設(shè)備上市?！?

激射方案與DBR設(shè)計(jì)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(zhǎng)”技術(shù)挑戰(zhàn)以外，如何確保激射時(shí)所需的波長(zhǎng)，并獲得高反射率的DBR也是國(guó)產(chǎn)廠商亟待突破的另一大外延片量產(chǎn)瓶頸。據(jù)記者了解，作為外延工藝中的關(guān)鍵組成部分，激射過程主要是為了在有源區(qū)部分將電子空穴對(duì)轉(zhuǎn)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(gè)中關(guān)鍵在于諧振腔中將電子空穴對(duì)轉(zhuǎn)化為光子的有源區(qū)，這與VCSEL晶片量子阱的材料組分和構(gòu)成有很大關(guān)系。

為了保證激射的效果，目前常規(guī)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(rèn)為：“這種方案在阱內(nèi)系統(tǒng)應(yīng)力以及器件的可靠性表現(xiàn)方面效果不是太好，而這些表現(xiàn)與芯片的壽命以及穩(wěn)定性息息相關(guān)，大多采用這種方案的廠商一般都難以做到長(zhǎng)壽命且性能比較穩(wěn)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(yīng)變補(bǔ)償量子阱體系來作為有源區(qū)材料，來進(jìn)行940nm波段的激射和輸出，這樣能夠在獲得系統(tǒng)高增益以及內(nèi)部低閾值電流密度的同時(shí)，還能夠降低量子阱內(nèi)系統(tǒng)應(yīng)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(jìn)一步補(bǔ)充道：“由于外延片量子阱體系的組分發(fā)生了變化，因此晶片的晶格結(jié)構(gòu)以及摻雜分布也會(huì)產(chǎn)生一定程度上的異變。這種異變需要廠商在外延生長(zhǎng)工藝階段就開始針對(duì)這些變化做出非常多參數(shù)的校準(zhǔn)和調(diào)試，由于沒有前期的經(jīng)驗(yàn)，所以整個(gè)校準(zhǔn)的過程也會(huì)很復(fù)雜，對(duì)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(chǎn)，發(fā)現(xiàn)該方案會(huì)在良率上做出一些犧牲，整體來說還不夠成熟，對(duì)于目前急于布局940nm VSCEL外延產(chǎn)線的大多數(shù)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(zhuǎn)換效率以及串聯(lián)電阻等諸多關(guān)鍵性能參數(shù)。因?yàn)樵诒姸郪SCEL外延層中，發(fā)光層上、下兩邊分別是由四分之一發(fā)光波長(zhǎng)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(qū)所產(chǎn)生的光子能夠在諧振腔內(nèi)持續(xù)振蕩并不斷放大，提升最終發(fā)出的光斑質(zhì)量以及光電轉(zhuǎn)化率。

對(duì)此，某業(yè)內(nèi)人士對(duì)記者表示：“因?yàn)?40 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(lián)電阻DBR是獲得高光電轉(zhuǎn)換效率VCSEL的關(guān)鍵所在。目前，用于3D感測(cè)的940nm VCSEL基本上都要求芯片的光電轉(zhuǎn)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(zhǎng)的層數(shù)，提升芯片的光電轉(zhuǎn)換效率，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)還能夠有效降低串聯(lián)電阻，這幾點(diǎn)是相輔相成的。”

那么，如何才能設(shè)計(jì)出高反射率的DBR呢？曲力行認(rèn)為，“一般來講，高反射率的獲得有兩個(gè)條件，第一是高低折射率材料對(duì)數(shù)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(duì)所發(fā)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(shè)計(jì)成襯底面發(fā)光才能獲得高反射率的DBR，這對(duì)廠商的設(shè)計(jì)能力有相當(dāng)高的要求，對(duì)很多企業(yè)來說仍然是一大短板。而目前，我們通過對(duì)襯底的光柵透光性以及材料的折射率等方面進(jìn)行了一些改進(jìn)，已經(jīng)能夠讓DBR反射率做到比較高的水平，雖然這會(huì)在功耗和發(fā)熱方面做出一些犧牲，但對(duì)VSCEL器件最終生成高質(zhì)量的光斑和提升光電轉(zhuǎn)換率還是大有裨益的?！?

總之，3D傳感的市場(chǎng)紅利即將到來，業(yè)內(nèi)預(yù)測(cè)未來幾年3D Sensing市場(chǎng)規(guī)模將呈幾何式增長(zhǎng)，2020年市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到108.49億美元，這必將成為本土940nm VSCEL產(chǎn)業(yè)崛起的絕佳契機(jī)。但對(duì)于絕大多數(shù)本土廠商尤其是蜂擁而至的創(chuàng)業(yè)公司來說，外延片的量產(chǎn)工藝能力仍存諸多不足，能否真正趕上這波紅利期，實(shí)現(xiàn)消費(fèi)級(jí)VSCEL外延片的大規(guī)?！皣?guó)產(chǎn)化”還有待觀察。畢竟，半導(dǎo)體外延工藝并不是短期內(nèi)能夠一蹴而就的，更何況在當(dāng)前VCSEL外延片被英美實(shí)施出口管制的大背景下，未來越來越多的VSCEL外延片初創(chuàng)企業(yè)的生存可能都會(huì)是大問題，這對(duì)于當(dāng)下發(fā)展如烈火烹油一般火熱的國(guó)內(nèi)VSCEL產(chǎn)業(yè)可謂是“當(dāng)頭一棒”。不過，這也將倒逼越來越多的國(guó)內(nèi)廠商加大VSCEL外延片工藝方面的自主研發(fā)力度，在市場(chǎng)紅利以及政府資金的雙向驅(qū)動(dòng)下，記者相信越來越多的本土廠商定能在VSCEL光芯片市場(chǎng)大放異彩。