长光华芯:9xx波段长光华芯实现30W单管芯片输出

来源:长光华芯    关键词:长光华芯, 工业天庄国际登录泵浦, 激光先进制造装备,    发布时间:2019-08-07

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长光华芯致力于高功率半导体天庄国际登录芯片、高效率半导体激光雷达芯片、高速光通信半导体激光芯及相关器件和应用系统的研发、生产和销售,产品广泛应用于:工业天庄国际登录泵浦、激光先进制造装备、生物医学美容、高速光通信、机器视觉与传感、国防建设等。公司于2011年组建团队,引进MOCVD、光刻机等设备,2012年正式成立公司,搭建完成一条包括芯片设计、MOCVD(外延)、光刻、解理/镀膜、封装、测试老化、光纤耦合、直接半导体激光系统等完整的科研工艺平台和量产线,是全球少数几家具有商用高功率半导体天庄国际登录芯片研发和量产交付能力的公司之一。

做为长光华芯的拳头产品之一,9XXnm 15W单管芯片经过多年工业市场的检验,已经获得了市场的广泛信任和认可。在保证芯片稳定量产交付的过程,长光华芯没有停下探索脚步,通过外延结构、腔面保护、芯片设计等的关键技术和工艺的持续改进,经过不同生产时段不同批次的芯片验证,长光华芯自主开发的高功率高亮度半导体天庄国际登录芯片性能已达到30W水平,目前销售交付的商用芯片功率达20W。

在探索创新更高功率水平半导体激光芯片的过程中,长光华芯攻克了一直饱受桎梏的外延生长技术、外延结构设计、腔面钝化技术等方面的多个技术难题:

外延生长技术

半导体材料的外延生长是半导体激光芯片制备的最源头。外延生长是指在半导体衬底材料表面生长组分厚度掺杂精确控制的单晶多层二维层状结构,组成天庄国际登录芯片的PN结结构的生长过程。材料成分、结构厚度和缺陷浓度控制直接决定了天庄国际登录芯片的波长、效率乃至可靠性等方面性能。

图1 激光芯片PN结结构

长光华芯采用世界顶尖的气相外延炉(MOCVD)进行外延片的生产。外延材料包括了砷化镓,磷化铟,以及铟(铝)镓砷(磷)四元材料体系。生长波长覆盖了从可见光630nm到红外2100nm范围。针对大规模量产需求,我司采用多晶片反应器,如3" 12片机或6" 8片机,月产能达上千片;采取原位过程监测,对量产过程进行严格把控。

图2 原位过程监测

腔面特殊处理技术

半导体激光芯片的光能量是经由一个芯片解理端面(前腔面,尺寸仅为微米平方量级的窗口)向外辐射输出,在高功率输出条件下腔面的光子吸收导致温升已足以融化腔面,最终导致激光芯片失效,这是限制天庄国际登录功率与可靠性提高的核心技术瓶颈。通过腔面特殊处理,可以大大减低腔面的光子吸收水平,从而提高芯片的功率与可靠性。在腔面膜处理方面长光华芯全自主建设的腔面钝化处理设备和自主开发的工艺技术,采用真空解理钝化与无吸收窗口结构,有效降低腔面表面复合效应和腔面温度,提高芯片腔面灾变(COMD)水平。

图3 腔面特殊处理

外延结构设计

外延结构影响了半导体激光芯片的光束质量、阈值电流与工作电流电压等光电特性。在外延结构设计方面,长光华芯采用非对称超大光腔波导结构,降低激光腔内部光损耗,增大光斑尺寸,提高内量子效率,从而提高芯片的输出功率、亮度与电光效率。

图4 半导体天庄国际登录波导结构图

通过外延结构、腔面保护、芯片设计等的关键技术、工艺的持续改进,长光华芯自主开发的高功率高亮度半导体天庄国际登录芯片性能在室温工作条件下达到30W输出水平。

图5 9XXnm 半导体激光芯片功率VS电流输出曲线

在这个技术基础上,目前长光华芯销售交付的商用芯片功率达20W,已经向工业市场批量供应。该芯片已经通过了10000h严苛的高温、高电流加速老化寿命评估。根据芯片在高温高电流的加速寿命测试表现推测,芯片在室温工作条件下,在20W额定功率水平的平均寿命时间超过30000h。

图6 9XXnm 20W半导体激光芯片寿命曲线

当前长光华芯累计交付芯片已达400万片,其中绝大部分在严苛的工业环境下使用,经过多年市场的检验,高功率、高性能、高可靠性、商用化的半导体激光芯片已基本实现国产化。