据麦姆斯咨询报道，2017年，iPhone X的发布使VCSEL处于高科技舞台的聚光灯之下。根据Yole报告《红外LED和激光器技术、应用和产业趋势》数据显示，2016年红外LED市场仍占据整个红外光源市场的65%，到2022年其市场份额将被VCSEL吞食20%，降至45%。随着VCSEL技术的成熟，性能的绝对优势必将获得与红外LED“平分天下”的地位。

红外光源市场份额（2016年 vs. 2022年）



VCSEL的制造工艺非常复杂，尤其依赖于MBE（分子束外延）或MOCVD（金属有机物气相沉积）工艺，在GaAs（80%左右的份额）或InP（15%左右的份额）晶圆上生长多层反射层与发射层。由于VCSEL 主要采用三五族化合物半导体材料GaAs 或 InP（含有In、Al 等掺杂），因此移动端VCSEL产业链与化合物半导体产业链结构类似。

VCSEL结构的SEM剖析



接下来我们就来了解下MOCVD制造工艺。（注：以下内容主要引用国家纳米元件实验室邱文政的《金属有机化学气相沉积》一文）



金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Phase Deposition，简称MOCVD）是一种复杂的晶体生长方式，它已经普遍运用在发光二极管（LED）、激光（Laser）、晶体管（Transistor）、太阳能电池（Solar cell）或其他电子或光学的组件上，如今更是决定VCSEL性能的外延工艺步骤，是一种具有发展潜力的技术。



什么是三五族材料？



首先，我们来认识一群元素周期表上的族群——三五族半导体元素。三族的元素包含：硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）、铟（In）、铊（Tl），五族的元素包含：氮（N）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）。这些三五族元素具有许多特点，让其能运用在各种先进的工业技术中。例如在三五族材料特性中，它具有快速的电子传输速度，可被运用在半导体晶体管的制造过程中，提升晶体管的效能。此外，这些三五族材料也具有良好的电光/光电转换效率，因而被大量运用在LED产业，以及太阳能电池产业，因此三五族元素不论在光电、通讯，或是半导体产业，都是极为重要且不可或缺的角色。而如何将这些三五族半导体材料应用于半导体的制造过程中，就必须仰赖金属有机化学气相沉积来达成。

MOCVD的构造与原理



金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Phase Deposition，简称MOCVD），是由美国洛克威尔公司在1968年所提出来的一项制造化合物半导体单晶薄膜的技术，其原理是利用我们称为前驱物（Precursor）的反应物来源，以加热器加热的方式使前驱物汽化，并且借由反应腔体内其他反应气体的输送，在基板表面产生化学反应，形成一层原子排列整齐且堆积紧密的薄膜。而这项技术经过近五十年的发展，已经是相当成熟且被广泛运用在工业界。



更进一步的说明，在金属有机化学气相沉积的过程中，包含了复杂的一连串过程：



首先，前驱物借由高精准度的注入喷头（Injector）精确地控制进入汽化反应（Vaporizer）及制程反应腔体（Reactor）反应物的量，并且借由反应气体与其进行化学反应。这些反应后的金属有机化合物，会在基板的表面进行吸附（Adsorption）、表面反应（Surface kinetics）、薄膜成长（Growth），形成一层薄膜。最后，这些未参与反应的反应物，则会进行脱附（Desorption）、真空排气（Evacuation）等过程，使制程反应腔体能保持真空且纯净的环境。

金属有机化学气相沉积系统构造示意图（来源：AIXTRON）

薄膜沉积示意图（来源：AIXTRON）

MOCVD 反应流程示意图（来源：AIXTRON）



我们以LED制程中常见的氮化镓（GaN）为例，当前驱物和掺杂物由反应气体送入一个已加热的高温反应腔体，氮（N）原子和镓（Ga）原子受热产生化学反应，并且在基板产生晶格化的成长最后形成原子排列整齐的薄膜，这种薄膜的沉积方式我们又可称为外延（Epitaxy），Epitaxy 这个字来自于希腊语，其含义有“堆栈（Stacked）”以及“排列好的一层（Arranged in layers）。

氮化镓（GaN）薄膜成长示意图（来源：AIXTRON）



MOCVD的优缺点



相较于其他化学气相沉积技术，MOCVD技术有许多优点：（1）制造过程中所需要的反应物，皆以气态的方式进入反应腔体，透过高精准度的注入喷头（Injector）可准确控制所需成长的薄膜组成、浓度、厚度；（2）透过高温的化学反应，能快速成长薄膜；（3）使用不同的前驱物原料，即可具有不同制程的灵活性。而此项技术的缺点则为：（1）前驱物原料昂贵，提高生产成本；（2）所使用之前驱物原料多为具有易燃性或毒性，使用时须注意安全防护，使用后的副产物也须妥善处理，避免造成危害及环境污染。

推荐培训：

2018年3月30日至4月1日，麦姆斯咨询主办的“MEMS制造工艺培训课程”将在无锡举行，培训内容包含：（1）硅基MEMS制造工艺及典型制造工艺流程详解；（2）晶圆级芯片尺寸封装（WLCSP）相关的晶圆级凸点、TSV和临时键合工艺；（3）时下最热门传感器的特殊薄膜材料（AlN、ZnO和PZT压电薄膜）制造工艺及应用，如FBAR滤波器、压电麦克风等；（4）3D传感产业的热点VCSEL激光器重要工艺设备、工艺难点、工艺控制等；（5）非硅基MEMS制造工艺及应用，主要针对塑料基、玻璃基、金属基和纸基微流控器件的制造工艺。

麦姆斯咨询

联系人：郭蕾

电话：13914101112

E-mail：guolei@memsconsulting.com

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