先進電子顯微鏡成像技術揭露VCSEL製程細節

作者 : 本文由汎銓科技供稿

近年來隨著智慧型手機、車用光達,以及光纖傳輸系統的蓬勃發展帶動下,紅外線元件市場規模逐漸擴大,其中又以垂直共振腔面射雷射的發展倍受矚目,因此本文製程分析的主軸將鎖定應用在人臉辨識系統的垂直共振腔面射雷射。

近年來隨著智慧型手機、車用光達,以及光纖傳輸系統的蓬勃發展帶動下,紅外線元件市場規模逐漸擴大,其中又以垂直共振腔面射雷射(Vertical cavity surface emitting laser;VCSEL)的發展倍受矚目。垂直共振腔雷射元件最大的特點包含1.低起始電流,2.光束幾近於圓形,3.光束角度小…等。使得其在重構3D形貌上具有極大的優勢,又因其低功耗的特性,iPhone X首先將垂直共振腔雷射應用於人臉辨識。依據各大分析機構所預測的人工智慧(AI)發展軌跡,垂直共振腔雷射將逐漸成為3D感測模組的主要使用光源,未來在車用與人臉辨識上的應用勢必更加廣泛,造就發光元件產業另一波的成長。

本次製程分析的主軸為近期商用領域中的大熱門,應用在人臉辨識系統的垂直共振腔面射雷射。由製程的角度出發,決定垂直共振腔面射雷射的品質有三大方面:

1.多層分散式佈拉格反射器(Multilayer distributed Bragg reflector;DBR)與擴散阻障層;

2.多重量子阱(Multiple quantum wells;MQWs);

3.主動反應與氧化層。

上述這些結構由多層只有數奈米厚的薄膜組成且化學組成非常相近;採用傳統電子顯微鏡觀察方式,容易受限於成像對比差異度低,使得多層結構難以清楚觀察,更遑論後續的材料分析。面對這一難題,汎銓科技跳脫傳統電子顯微鏡的分析框架,開發出一系列針對於Ⅲ-Ⅳ族的分析工法——先進電子顯微鏡成像技術,清楚呈現原本不易分辨的多層結構,協助製程工程師解決數據判讀上的困擾。

汎銓科技藉由分析一個直接在市面上所購得的商用垂直共振腔面射雷射來介紹此先進電子顯微鏡成像技術。欲分析的目標是由一個垂直共振腔面射雷射模組拆解下來的,該模組是由歐司朗(OSRAM)所製造,型號為PLPVCC2 940A_P,相關規格列於表1。分析的流程,依序由巨觀逐步進入到微觀領域,由深入淺出的方式將垂直共振腔面射雷射的製程細節介紹給讀者。

 

表1:OSRAM垂直共振腔面射雷射模組規格。

 

元件外觀

圖1a是垂直共振腔面射雷射模組開蓋後的光學顯微鏡(Optical microscope;OM)照片。此模組包含兩個主要部分,光子偵測器(Photo diode)與垂直共振腔面射雷射陣列晶片。由大倍率的光學顯微鏡照片(圖1b)可以知道該垂直共振腔面射雷射陣列晶片共含有281個光圈(Aperture),平均每個光圈可提供7mW的功率,所以整個陣列有2W的輸出功率,能有如此高功率的輸出要歸功於高穩定性的製程控制,相關細節將在後續文章中說明。利用3D共焦雷射輪廓儀掃描可以建構光圈之三維形貌,圖1c為陣列中一個光圈的平面特寫影像,由表面形貌量測(透過圖1c的天空色水平線)可獲得光圈結構的直徑與金屬高度(圖1d),相關的尺寸則整理在表2中。

 

圖1:a垂直共振腔面射雷射模組開蓋後的OM照片,1是光子偵測器,2是垂直共振腔面射雷射。b垂直共振腔面射雷射的OM照片。c垂直共振腔面射雷射用3D共焦雷射輪廓儀掃描的表面形貌圖。d圖c中間光圈的截面線。

 

表2:此次分析的垂直共振腔面射雷射相關尺寸。

 

如前面所述,使用電子顯微鏡觀察Ⅲ-Ⅳ族試片因受限於多層結構成像對比差異度低、介面不清楚,造成分析上的困擾,汎銓科技開發先進電子顯微鏡成像技術來解決此一難題。接下來,就利用這項技術來分析垂直共振腔面射雷射的截面結構。

高對比截面觀察與低對比材料層次界定

藉由高對比掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope;SEM)的優勢可以分析垂直共振腔面射雷射中完整光圈之截面結構。圖2是垂直共振腔面射雷射陣列中其中一個光圈的截面SEM影像,內部主要的結構名稱也標示在圖上。由較大倍率的SEM影像(未顯示在此份報告中)分析確認該垂直共振腔面射雷射共有21對P參雜(P-doped)與44對N參雜(N-doped)的多層分散式佈拉格反射器,各層的尺寸與相關材料都整理在表3中。個別局部區域的SEM放大影像則呈現在圖3a~e中。

 

圖2:垂直共振腔面射雷射的截面SEM影像。

 

使用先進電子顯微鏡成像加上電子能量篩選技術,不但可以有效地增加各層之間的材料對比,同時也兼顧空間解析度,讓多層結構的特徵可以清楚地被分辨出來(圖3d綠色大括號處與圖3e氧化層尖端邊界);反觀,使用一般SEM的成像條件(Normal imaging;圖3d’與圖3e’),多層結構影像則較為模糊,分辨介面邊界更為困難。

 

表3:此垂直共振腔面射雷射相關尺寸。

 

圖3:a到e為SEM影像,拍攝區域為圖2紅色虛線方框。d’與e’為使用一般拍攝條件的SEM影像。

 

擴散範圍鑑定

一般而言,元素擴散的分析,多數採用二次離子質譜分析儀(Secondary Ion Mass Spectrometer;SIMS),然而垂直共振腔面射雷射系統內獨特的側向擴散,其分佈情況直接影響出光均勻度、光發散角,進而影響後續3D重構精準度。使用二次離子質譜分析儀分析此區擴散狀況在樣品製備上會有相當難度,且其空間解析度(約40mm)亦無法達到分析要求。因此,MSS運用先進成像技術分析佈拉格反射鏡邊緣的擴散區,可明顯觀察到擴散區(高阻值區)與未擴散區的差異(圖4a),進一步使用全彩的色階來呈現結果(圖4b),更可直觀地觀察氧擴散與未擴散的區域,介面清楚且對比均勻,可見此晶片擴散製程控制極佳。另外,如果仔細觀察擴散與未擴散介面(圖4c藍色虛線)附近的對比在經過介面並不是一個陡峭的變化,而是一個各層以不同梯度漸進的過程(圖4c黑色箭號),大致的邊界由綠色虛線標示,這樣的結果提供了製程工程師在製程調整時相當重要的資訊。

 

圖4:a運用先進成像技術所拍攝的SEM影像。b將a影像以全彩色階呈現的影像。c為b的局部放大影像。

 

微區結構

分析垂直共振腔面射雷射的微區結構的最佳利器是利用具有高空間解析度的掃描穿透式電子顯微鏡(scanning transmission electronic microscope;STEM)。除了高空間解析度外,STEM也可提供極佳的成份與缺陷比對資訊,是分析細微結構與介面處的最佳利器,搭配能量色散X射線光譜(energy-dispersive X-ray spectroscopy;EDS),我們還可獲得各層結構元素的分佈。

高解析度微結構分析

圖5b~5e為共振腔面射雷射內部結構的STEM影像,拍攝位置標示於圖5a的SEM影像中。有別於先前SEM的影像(圖2與圖3),STEM影像更顯清晰,尤其在氧化層附近(圖5e,氧化鎵),將氧化鎵造成的局部應變場(綠色箭號標示處)都可以清晰地呈現出來。如何了解與控制氧化鎵附近的應力場使共振腔面射雷射有更好的功率表現對製程工程師而言是重要的課題之一,如果製程品質控制不好,局部應力就有可能會造成非預期的缺陷,影響良率、發光效率及功率,圖5f與5g為類似結構試片因製程品質不良導致在氧化層附近產生缺陷的分析結果。

 

圖5:a垂直共振腔面射雷射的截面SEM影像。b到e為STEM影像,拍攝位置用紅色虛線方框標示在a中。f與g為類似結構試片的STEM影像。

 

圖6為氧化層附近的EDS mapping結果,各別元素在空間中的分佈都被清楚地呈現出來,其中氧化鎵中的氧訊號(圖6b)分佈非常地均勻。這代表著製造商在氧化製程上的高穩定度。

 

圖6:氧化層附近的EDS Mapping結果。

 

成份梯度漸層觀察

除了氧化層的均勻度與應力控制外,多層分散式佈拉格反射器的製程均勻度也是決定垂直共振腔面射雷射中品質的重要參數之一,在製程中,由於溫度的關係,各層原子之間的擴散是無法避免的。毫無疑問,二次離子質譜分析儀是定量分析各元素擴散狀況的最佳利器,但如果只需定性上了解且希望能直觀地觀察到,電子顯微鏡仍是最佳選擇。因化學組成相當靠近,最具挑戰的是如何能清楚分辨多層分散式佈拉格反射器的介面,汎銓科技採用獨特開發的影像技術,將原本較為模糊不易分辨的介面(圖7b,綠色虛線),在經過處理後清楚地呈現更細緻的多層次結構(圖7c),讓工程師對原子擴散濃度梯度的狀況有了定性上的了解。

 

圖7:a多層分散式布拉格反射器的STEM影像。b圖為a中紅色虛線方框的放大STEM影像。c圖是將b改用全彩色階分布的影像。

 

由圖5~7的微結構分析結果可以清楚說明了製造商在關鍵氧化鎵層與多層分散式布拉格反射器製程上的高穩定性,這也是為何該垂直共振腔面射雷射能有2W如此高的輸出功率。

結論

這份報告中,利用兩種電子顯微鏡來解析垂直共振腔面射雷射的內部結構,透過先進成像技術與影像處理,可以分析氧化層與多層佈拉格反射器內更多無法使用一般成像方式所觀察到的細微結構。這些寶貴的資訊將可提供製程工程師重要的依據,未來能設計生產更高品質與效能的產品。

 

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