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展示MBE大批量生产的资质

2023/8/17 16:31:24      材料来源:雅时化合物半导体

虽然分子束外延可能被认为是生长研究样品的最佳工具,但它还有另外一个优势:它是生产制造许多不同器件的首选技术。

理查德·史蒂文森,《CS Magazine》

我们都会做出概括性的判断。有时,我们会因此而被提出异议,其他人可能会指出一些特例,并在我们的判断中挑出漏洞。但是,尽管有这样的告诫,我们很快就会回到我们的老路上。毕竟,当我们试图得出结论和制定计划时,花太多时间考虑那些不适合的案例,几乎不可能构建出一条推理线。

可能正是出于这个原因,我们中的一些人会以一种过于简单化的方式对我们行业的生长技术进行分类。我们中的许多人可能认为MOCVD是用于大批量生产的技术,并将分子束外延技术(MBE)视为用于研究的外延技术,如新型四元材料和各种电子和空穴气体材料。但事实上,MBE也是一种可进行批量生产的工具。去年在英国谢菲尔德举行的最近一次MBE国际会议上,两位主题大会发言者都很好地阐述了这一观点。

MBE技术用于外延片的生产

IQE的Amy Liu在这次会议上发言——这是可追溯到1978年在巴黎举行的一系列会议中的最新一次——她倡导将MBE多样化地用于生产各种化合物半导体外延片。

IQE美国研发计划副总裁Liu女士在演讲开始时指出,MBE在生产器件薄膜方面有着良好的记录,可以追溯到几十年前。早期的成功包括1972年在贝尔实验室制造了GaAs激光器。

美国也是世界上第一家MBE外延制造厂——量子外延设计的诞生地。这家开创性的公司成立于1988年,1999年与总部设在英国的外延产品国际公司合并,成立了IQE,今天它已经是生产外延晶片的跨国巨头公司。

IQE目前在美国有两个具有MBE能力的站点。有位于宾夕法尼亚州伯利恒的工厂,量子外延设计公司就是在这里诞生的;还有位于北卡罗来纳州格林斯伯勒的前RFMD工厂。整合工作正在进行中,包括将伯利恒的分子束外延工具重新部署到格林斯伯勒工厂,这些工具用于制造各种红外和硅基III-V结构,用来生产砷化镓射频和光电外延片。

Liu说,最初制造基于GaAs基的射频器件的出货量,如PHEMTs,主导了MBE外延片的市场。然而,她预计,未来几年,这个市场将变得更加多样化。

为了降低成本和提高生产率,IQE采用可容纳多个晶片的MBE反应器。这些生长工具可容纳多达23个直径为75mm的晶片,或9个直径为100 mm的晶片。在生长之后,外延片由Liu所称的“全套材料表征工具”进行检查。

射频领域制造量最大的两种外延片是用于制造PHEMT和HBT的外延片。虽然PHEMT已不再像过去那样部署在手机中,但HBT仍广泛用于移动设备中,用于放大射频信号,保持了该行业作为射频应用的霸主地位。

IQE的批量生产可以追溯到几十年前,工程师们已经在使用良好的工具上建立了非常成熟的流程,这不足为奇。Liu描述了在7 x 150 mm平台上的生长,其中6300次运行产生了44000个外延片。

IQE的光子产品的体量比砷化镓射频产品要少,但仍然很可观。与砷化镓产品一样,生产中采用了统计过程控制,但通常是在较小的衬底上生长。例如,75 mm的衬底被用来制造InGaAs光探测器的外延片。据Liu说,该公司的技术组合还包括为跨度为2.1-2.4 mm的InP基边发射器外延片,在100 mm的衬底上声称具有良好的一致性;以及GaSb光电探测器,过去几年需求急剧增长。

美国国防部的计划通过努力增加衬底的尺寸,帮助我们的行业提高了基于GaSb器件的成熟度。多亏了这一点,GaSb基片的尺寸最初从50 mm扩大到75 mm,然后扩大到100 mm。现在,MBE甚至可以在7×125 mm的载盘上生产外延片。

Liu分享了伯利恒和格林斯博罗两个工厂基于GaSb外延片生产的设备数据。使用SurfScan 6220对材料进行评估发现,所有外延片都没有主要缺陷,缺陷密度远低于规定的要求。生长过程据说是良好的,可重复性的,并提供良好的可控性,多次生产的可重复很好。

除了生产用于单波段检测的晶片外,IQE还开始生产双波段检测的产品。正如人们可能预期的那样,后者的销量较低。

Liu还概述了他们未来的计划,讨论了公司正在开发的产品,以及哪些技术具有近期潜力。为了开发新材料和新工艺,IQE现在从一开始就使用具有大容量能力的反应器。为了说明这一点,Liu提到这些努力将涉及高容量的反应源单元,例如10公斤的In和Ga源。

IQE正在开发的一种外延技术是用于稀氮化物激光器的外延技术。对于与GaAs或锗晶格匹配的激光器,引入这种新型材料可以使发射波长增加到约1600 nm。这种光谱域中的发射器,无论是VCSEL还是边缘发射器,都可以用于智能手机中的传感功能,因为OLED显示器对于该波长的发射光来讲是透明的。虽然MOCVD是制造GaAs基激光器(特别是VCSEL)的传统工具,但MBE其实更能成功地生长有源区。

IQE在硅衬底上开发基于锑化物的探测器方面非常活跃。工程师们已经评估了硅、硅上锗模板和GaSb上合适的异质结构的质量。虽然缺陷密度不同,但量子效率大小是相似的。与QmagiQ的合作很好地支持了这一发现,该公司是用于成像的红外焦平面阵列的设计者和制造商。他们的研究发现,这三种衬底的性能几乎相同。

量子点激光器

ICMBE的代表们还听取了日本QD激光公司的介绍,该公司在量子点激光器的生产方面有着非常强大的背景。

代表这一领域的开拓者,该公司技术总监Kenichi Nishi在讲话开始时承认了去年7月去世的MBE之父之一—Arthur Gossard对自组装量子点激光器做出的重大贡献。

Nishi接着列举了量子点激光器的一些关键属性:低阈值电流;低功耗;最低的温度敏感度;高效率;能够在高温下工作;以及对背反射的耐受性。

这些属性推动了这一光源的发展,该光源首先由东京大学的Yasuhiko Arakawa和Horroyuki Sakaki于1982年提出。20世纪90年代,Nikolay Ledentsov领导的团队将这一想法转化为真正的器件,当时他在俄罗斯科学院A.F.Ioffe物理技术研究所工作,现在是VI Systems的首席执行官。

量子点激光器历史上的另一个关键里程碑出现在2006年,当时富士通推出了 Nishsi公司QD激光,该公司生产量子点激光器和其他类型的激光。根据Nishsi的说法,该公司的核心技术是:基于GaAs的量子点和量子阱外延,使用分布式布拉格反射器的光栅制造,以及芯片测试。产品使用标准固体源Riber MBE 49反应器制造,最多可容纳5个75 mm的砷化镓衬底。来源于这种工具生产的材料制造成发射波长约1.3 mm的量子点激光器和跨度为1000~1160 nm的InGaAs量子阱激光器。

虽然MBE仍然是大学研究制备的一个很好的工具,但它也用于开发实用器件的很好研究工具。这些努力肯定会支持未来分子束外延在化合物半导体行业内大量生产种器件。

Nishi解释说,该公司的量子点激光器是使用Stranski-Krastanov生长模式生产的。如今的量子点通常直径约20 nm,高7 nm,密度约为6x1010 cm-2

由于量子点的形貌对压力、温度和生长速度非常敏感,因此必须消除生产中的波动。帮助做到这一点的是在反应器发生故障之前对其进行有效的维护。

多年来,QD激光的工程师们一直在改进他们的量子点的生长过程。最初,这些密度约为3×1010 cm-2的纳米结构将产生宽度约为35 meV的谱峰,并提供25-30的增益。改进首先要增加量子点密度—带来增益的提高—40-50左右。最近,增益已提高到50-60,光谱线宽缩小到约25 meV,通过优化的再生长和抑制扩散实现了精细化控制,并通过亮场透射电子显微镜进行了验证。

自2011年以来,QD激光从最初给 Fabry-Pérot激光器供货为开端,开始大规模生产用于光通信的激光器。它现在已经出货了超过450万台带有量子点有源区的激光器。对于这些激光器,温度稳定性非常高,眼图在25°C到85°C之间没有变化。可靠性极高,不会突然坏掉,而使用寿命估计超过300,000小时。高温工作性能优越,量子点Fabry-Pérot激光器能够在高达220 ℃的环境下工作,类似的分布式布拉格反射器能够产生高达150 ℃的单模激光。

Nishi认为,量子点激光器最有前途的应用之一是为数据中心的光学互连提供光源,在数据中心,它们可以以较小的占地面积实现高速传输。其他的潜在应用领域包括硅光子学和激光雷达的光源。

帮助支持量子点源数量扩大的是IQE,它正在为这类激光开发外延片。一种选择是在150 mm的GaAs晶片上生长,这家外延晶片供应商已经展示了5× 1010 cm-2的量子点密度;它还研究了在硅衬底上制造晶片的机会,硅衬底提供了大的晶片尺寸(如300 mm)和与CMOS的兼容性。

根据Liu教授的说法,在过去的几年里,硅基III-V族量子点的生长取得了“很大的进步”。为了推动进一步的发展,IQE已经与加州大学圣巴巴拉分校的约翰·鲍尔斯的团队进行合作。这种合作包括使用Veeco GEN2000反应器生产异质结构,从而制造出连续波输出功率为125 mW的激光器。

卡塞尔大学和伦敦大学学院也在努力提高量子点激光器的性能。这两个组织的代表在最近的ICMBE会议上发言,强调虽然MBE仍然是为大学研究生产样品的一个很好的工具,但它也是用于开发实用器件的很好工具。这些努力肯定会支持未来分子束外延在化合物半导体行业内大量生产若干种器件。

莫里斯舞者在ICMBE会议晚宴上提供了娱乐,该晚宴在谢菲尔德的Cutlers Hall举行。这座狭窄的乔治亚式三层建筑里收藏着用钢制成的刀具,这是制造MBE工具的一种重要材料。信用: Laure Divisia.

 

ICMBE的会议主席David Ritchie是剑桥大学的实验物理学教授和斯旺西大学的半导体科学和技术教授。资料来源:Laure Divisia。

 

用户小组会议是ICMBE的一个特点。在谢菲尔德大学学生会大楼举行的Riber晚会上,一支爵士乐队演奏。出处:Laure Divisia。

 

【近期会议】
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