6英寸晶圆高功率半导体激光芯片量产线

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 *, 谭少阳a , 刘恒a , 李波a , 胡燚文a , 赵润a , 肖啸a , 程洋a , 郭银涛a , 赵武b , 张立晨b , 苗霈b , 郭路安a , 邓国亮b , 杨火木b , 周昊b , 张弘b , 廖新胜a

a 苏州长光华芯光电技术股份有限公司，苏州

b 四川大学，成都

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

摘要

高功率半导体激光器广泛用作光纤激光器和固体激光器的泵浦源，或直接半导体激光系统的光源。为了满足光纤激光器、固体激光器和直接半导体激光系统的新兴需求，半导体激光器正朝着更大的制造规模，更高的性能和更低的成本的方向发展。本文中，我们将介绍我们在这些领域的进展。我们已经建立了一条用于高功率半导体激光芯片的6"砷化镓晶圆生产线，其中包括MOCVD外延生长和晶圆制造。凭借6"晶圆生产线，我们每月生产数百万颗用于光纤激光泵浦的芯片。6"晶圆表现出极佳的均匀性和可重复性。器件性能出色，效率接近70%，直流饱和功率高，长期寿命稳定。

关键词:高功率, 激光二极管, 批量生产, 6" 晶圆, GaAs 晶圆制造

01

介绍

高功率半导体激光器广泛用作光纤激光器和固体激光器的泵浦源，或直接半导体激光系统的光源 [1-5]。为了满足光纤激光器、固体激光器和直接半导体激光系统的新兴需求，半导体激光器正朝着更大的制造规模，更高的性能和更低的成本的方向发展。增加制造规模的主要努力方向是使用更大尺寸的衬底并采用自动化生产。在过去的二十年中，高功率半导体激光芯片产品使用的砷化镓衬底的尺寸已从2"增加到6"。虽然使用6"晶圆可以显著增加每个晶圆的芯片数量，但均匀性和可重复性对于大批量生产变得更加关键。

在本文中，我们介绍了苏州长光华芯光电技术股份有限公司（以下简称“长光华芯”）6"晶圆生产线的最新进展。该生产线每月生产数百万个用于光纤激光泵浦的芯片。本文将详细介绍外延和制造6"晶圆的均匀性和可重复性。同时还将介绍高功率激光器件的性能。

02

MOCVD 外延生长

长光华芯建立了一条6"砷化镓晶圆的一体化生产线，集MOCVD外延生长、晶圆制造、器件组装、测试老化于一体。外延部分使用多腔 Aixtron 2800 G4反应器。反应器设计具有高均匀性和高产出量，以及良好的正常运行时间。反应器每次运行可生长8个6"晶圆。为提高材料的均匀性和可重复性，长光华芯根据制造商建议的基线工艺，对外延生长工艺进行了进一步的开发[6，7]。我们通过模拟和实验研究了影响生长速率均匀性的各种因素。使用CVD Sim 软件[6] 进行了仿真建模。该模型包括气相和表面化学反应动力学、气体输送动力学和热力学。如图1（a）所示为一种行星式8x6"MOCVD反应器的建模。图1（b）为两种不同AsH3注入配置下6"衬底上MMAl分布的建模结果示例。

图1 行星式8x6"MOCVD反应器的建模。（a） 反应器中的气体浓度和温度二维图像。（b） 在两种不同的AsH3注入配置下，6"衬底上的MMAl分布的建模结果示例。

晶圆曲率和表面温度是影响生长速率的关键因素。这些参数均实现了在线监测。图2（a）显示了9xx nm结构生长过程中8个晶圆的曲率分布。如图所示，每片晶圆曲率保持在20km-1以下，晶圆之间的差异小于±30%。图2（b）显示了每个晶圆在相同生长过程中的温度分布。每个晶圆的温度在中心高，在边缘低。每个晶圆的平均温度变化小于2°C。图3是9xx LD外延晶圆的光致发光谱（PL）。整个6"晶圆的PL波长标准偏差仅为0.56nm。

图2 MOCVD 生长参数的过程监控。（a）同批次生长8片晶圆的曲率。（b）9xx nm外延结构生长过程中晶圆的温度分布。

图3 9xx nm外延晶圆的PL峰值波长分布图。

外延生长的另一个重要参数是材料组成。我们用高分辨率XRD对9xx LD外延晶圆的组成进行检查。沿径向方向测量三个测试点，坐标为（0，0）、（65，0） 和（70，0）mm。结果表明，绝对Al含量与60%目标的偏差小于1%。采用应用统计过程控制后，AlGaAs包层的Al含量控制在±2%以内，如图4所示。

图4 晶圆AlGaAs外延结构包层的Al组分在6个月内变化。每个数据点代表一个生长批次。

为了实现高工作功率和电光转换效率，我们在外延层结构的掺杂水平、材料组分和厚度方面进行了精细设计。掺杂分布曲线很重要，特别是对于P面波导和包层。图5显示了通过ECV（电化学电容-电压）测量的9xx nm晶圆的AlGaAs包层中的相对载流子浓度。我们测量了从晶圆中心到径向距中心65mm四个位置。载流子浓度由晶圆中心的值归一化。四个测试点之间的载流子浓度变化仅为15%。

图5 P-AlGaAs包层沿径向方向的相对载流子浓度。

外延层中的缺陷是器件光学灾变损伤（COD）失效模式的主要原因。因此，外延缺陷控制在生长过程中非常重要。通过合理的配件维护和腔室调节，缺陷得到了很好的控制。图6（a）显示了6" 晶圆之间的典型缺陷分布，缺陷的尺寸范围为0.1至20μm，总缺陷密度为0.475cm -2 。图6（b）是一定时期内生长的650片晶圆的缺陷密度变化趋势图。这些晶圆的平均表面缺陷密度为0.77cm-2。表面缺陷密度超过3.0cm-2控制限制的外延晶圆百分比仅为2.1%。

图6 晶圆的外延缺陷密度。（a） 9xx LD外延晶圆表面的缺陷分布。（b） 平均表面缺陷密度与晶圆增长数的统计过程控制。一个数据来自一个生长批次。

03

晶圆制造

我们的大多数6"晶圆制造工艺都配备了自动化系统，以提高产量和良品率。光刻工序引进了高精度步进式光刻机和自动匀胶显影的跟踪器。刻蚀工艺引入了干进-干出的晶圆清洗机和湿法蚀刻机来实现刻蚀精准控制，并减少液体和颗粒污染。金属膜的沉积采用电子束蒸发和溅射。介质薄膜采用PECVD。研磨抛光和退火使用半自动设备完成。晶圆制造完成后，所有晶圆都要经过自动光学检测，以对每个芯片的缺陷进行跟踪和分类。得益于这些自动化设备，我们晶圆厂的产量每天超过一百个6"晶圆。

晶圆制造的关键工艺包括光刻、台面蚀刻、介质薄膜沉积和金属化等。在这些工艺中，台面蚀刻是最关键的一个，其蚀刻深度决定了慢轴方向的近场和远场光斑分布，最终影响光纤模块中的光纤耦合效率。图7（a）显示了6"晶圆的片内蚀刻深度分布，9次测量沿直径方向进行。数据显示，蚀刻深度变化在±0.5%以内。同时，晶圆之间的平均蚀刻深度变化小于3%，如图7（b）所示。

图7 台面蚀刻深度变化。（a） 在6"晶圆内，台面蚀刻深度变化。（b） 从晶圆之间对比，每个数据点代表晶圆台面深度的相对范围。

对于介质膜沉积，我们主要关注厚度、折射率和薄膜与衬底之间的应力三个方面。我们研究了PECVD反应器中的气体流量比，温度和压力以提高均匀性。图8（a）显示，在6"晶圆的介质膜厚度不均匀性的极差低于5%。折射率控制在1.47±0.01以内。同时，薄膜的应力控制在距离目标±10%以内。图8（b）显示了一定时期内介质薄膜的厚度不均匀性，不均匀性小于5%。