長光華芯:9xx波段長光華芯實現30W單管芯片輸出

來源:長光華芯    關鍵詞:長光華芯, 工業激光器泵浦, 激光先進制造裝備,    發布時間:2019-08-07

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長光華芯致力于高功率半導體激光器芯片、高效率半導體激光雷達芯片、高速光通信半導體激光芯及相關器件和應用系統的研發、生產和銷售,產品廣泛應用于:工業激光器泵浦、激光先進制造裝備、生物醫學美容、高速光通信、機器視覺與傳感、國防建設等。公司于2011年組建團隊,引進MOCVD、光刻機等設備,2012年正式成立公司,搭建完成一條包括芯片設計、MOCVD(外延)、光刻、解理/鍍膜、封裝、測試老化、光纖耦合、直接半導體激光系統等完整的科研工藝平臺和量產線,是全球少數幾家具有商用高功率半導體激光器芯片研發和量產交付能力的公司之一。

做為長光華芯的拳頭產品之一,9XXnm 15W單管芯片經過多年工業市場的檢驗,已經獲得了市場的廣泛信任和認可。在保證芯片穩定量產交付的過程,長光華芯沒有停下探索腳步,通過外延結構、腔面保護、芯片設計等的關鍵技術和工藝的持續改進,經過不同生產時段不同批次的芯片驗證,長光華芯自主開發的高功率高亮度半導體激光器芯片性能已達到30W水平,目前銷售交付的商用芯片功率達20W。

在探索創新更高功率水平半導體激光芯片的過程中,長光華芯攻克了一直飽受桎梏的外延生長技術、外延結構設計、腔面鈍化技術等方面的多個技術難題:

外延生長技術

半導體材料的外延生長是半導體激光芯片制備的最源頭。外延生長是指在半導體襯底材料表面生長組分厚度摻雜精確控制的單晶多層二維層狀結構,組成激光器芯片的PN結結構的生長過程。材料成分、結構厚度和缺陷濃度控制直接決定了激光器芯片的波長、效率乃至可靠性等方面性能。

圖1 激光芯片PN結結構

長光華芯采用世界頂尖的氣相外延爐(MOCVD)進行外延片的生產。外延材料包括了砷化鎵,磷化銦,以及銦(鋁)鎵砷(磷)四元材料體系。生長波長覆蓋了從可見光630nm到紅外2100nm范圍。針對大規模量產需求,我司采用多晶片反應器,如3" 12片機或6" 8片機,月產能達上千片;采取原位過程監測,對量產過程進行嚴格把控。

圖2 原位過程監測

腔面特殊處理技術

半導體激光芯片的光能量是經由一個芯片解理端面(前腔面,尺寸僅為微米平方量級的窗口)向外輻射輸出,在高功率輸出條件下腔面的光子吸收導致溫升已足以融化腔面,最終導致激光芯片失效,這是限制激光器功率與可靠性提高的核心技術瓶頸。通過腔面特殊處理,可以大大減低腔面的光子吸收水平,從而提高芯片的功率與可靠性。在腔面膜處理方面長光華芯全自主建設的腔面鈍化處理設備和自主開發的工藝技術,采用真空解理鈍化與無吸收窗口結構,有效降低腔面表面復合效應和腔面溫度,提高芯片腔面災變(COMD)水平。

圖3 腔面特殊處理

外延結構設計

外延結構影響了半導體激光芯片的光束質量、閾值電流與工作電流電壓等光電特性。在外延結構設計方面,長光華芯采用非對稱超大光腔波導結構,降低激光腔內部光損耗,增大光斑尺寸,提高內量子效率,從而提高芯片的輸出功率、亮度與電光效率。

圖4 半導體激光器波導結構圖

通過外延結構、腔面保護、芯片設計等的關鍵技術、工藝的持續改進,長光華芯自主開發的高功率高亮度半導體激光器芯片性能在室溫工作條件下達到30W輸出水平。

圖5 9XXnm 半導體激光芯片功率VS電流輸出曲線

在這個技術基礎上,目前長光華芯銷售交付的商用芯片功率達20W,已經向工業市場批量供應。該芯片已經通過了10000h嚴苛的高溫、高電流加速老化壽命評估。根據芯片在高溫高電流的加速壽命測試表現推測,芯片在室溫工作條件下,在20W額定功率水平的平均壽命時間超過30000h。

圖6 9XXnm 20W半導體激光芯片壽命曲線

當前長光華芯累計交付芯片已達400萬片,其中絕大部分在嚴苛的工業環境下使用,經過多年市場的檢驗,高功率、高性能、高可靠性、商用化的半導體激光芯片已基本實現國產化。

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