先进电子显微镜成像技术揭露垂直共振腔面射雷射的制程细节

近年来随着智能型手机，车用光达以及光纤传输系统的蓬勃发展带动下，红外线组件市场规模逐渐扩大，其中又以垂直共振腔雷射(Vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)的发展倍受瞩目。垂直共振腔雷射组件最大的特点包含1.低起始电流，2.光束几近于圆形，3.光束角度小...等等。使得其在重构3D形貌上具有极大的优势，又因其低功耗的特性，iPhone X首先将垂直共振腔雷射应用于人脸识别。依据各大分析机构所预测的人工智能发展轨迹，垂直共振腔雷射将逐渐成为3D感测模块的主要使用光源，未来在车用与人脸识别上的应用势必更加广泛，造就发光组件产业另一波的成长。

本次制程分析的主轴为近期商用领域中的大热门，应用在人脸识别系统的垂直共振腔面射雷射。由制程工艺的角度出发，决定垂直共振腔面射雷射的质量有三大方面:

1. 多层分布式布拉格反射器 (Multilayer distributed Bragg reflector, DBR)与扩散阻障层

2. 多重量子阱 (Multiple quantum wells, MQWs)

3. 主动反应与氧化层

上述这些结构由多层只有数奈米厚的薄膜组成且化学组成非常相近；采用传统电子显微镜观察方式，容易受限于成像对比差异度低，使得多层结构难以清楚观察，更遑论后续的材料分析。面对这一难题，泛铨科技跳脱传统电子显微镜的分析框架，开发出一系列针对于Ⅲ-Ⅳ族的分析工法--先进电子显微镜成像技术，清楚呈现原本不易分辨的多层结构，协助制程工程师解决数据判读上的困扰。

泛铨科技藉由分析一个直接在市面上所购得的商用垂直共振腔面射雷射来介绍此先进电子显微镜成像技术。欲分析的目标是由一个垂直共振腔面射雷射模块所拆解下来的，该模块是由欧司朗 (OSRAM)所制造，型号为PLPVCC2 940A_P，相关规格列于表I。我们分析的流程，依序由巨观逐步进入到微观领域，由深入浅出的方式将垂直共振腔面射雷射的制程细节介绍给读者们。

组件外观

图1a是垂直共振腔面射雷射模块开盖后的光学显微镜(Optical microscope, OM)照片。此模块包含两个主要部分，1: 光子侦测器 (Photo diode)与2: 垂直共振腔面射雷射数组芯片。由大倍率的光学显微镜照片(图1b)可以知道该垂直共振腔面射雷射数组芯片共含有281个光圈(Aperture)，平均每个光圈可提供7 mW 的功率，所以整个数组有2 W的输出功率，能有如此高功率的输出要归功于高稳定性的制程控制，相关细节将在后续文章中说明。利用3D共焦雷射轮廓仪扫描可以建构光圈之三维形貌，图1c为数组中一个光圈的平面特写影像，由表面形貌量测(通过图1c的天空色水平线)可获得光圈结构的直径与金属高度(图1d)，相关的尺寸则整理在表II中。

图1: a垂直共振腔面射雷射模块开盖后的OM照片，1是光子侦测 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共焦雷射轮廓仪扫描的表面形貌图。d图c中间 光圈的截面线。

如前面所述，使用电子显微镜观察Ⅲ-Ⅳ族试片因受限于多层结构成像对比差异度低，接口不清楚，造成分析上的困扰，泛铨科技开发先进电子显微镜成像技术来解决此一难题。接下来我们就利用这项技术来分析垂直共振腔面射雷射的截面结构。

高对比度截面观察与低对比材料层次界定

藉由高对比度扫描式电子显微镜 (Scanning electron microscope , SEM)的优势可以分析垂直共振腔面射雷射中完整光圈之截面结构。图2是垂直共振腔面射雷射数组中其中一个光圈的截面SEM影像，内部主要的结构名称也标示在图上。由较大倍率的SEM影像(未显示在此份报告中)分析确认该垂直共振腔面射雷射共有21对P参杂 (P-doped)与44对N参杂 (N-doped)的多层分布式布拉格反射器，各层的尺寸与相关材料都整理在表III中。个别局部区域的SEM放大影像则呈现在图3a-e中。

图2: 垂直共振腔面射雷射的截面SEM影像。

使用先进电子显微镜成像加上电子能量筛选技术，不但可以有效地增加各层之间的材料对比，同时也兼顾空间分辨率，让多层结构的特征可以清楚地被分辨出来(图3d 绿色大括号处与图3e氧化层尖端边界)；反观，使用一般SEM的成像条件(Normal imaging, 图3d’与图3e’)，多层结构影像则较为模糊，分辨接口边界更为困难。

图3: a到e为SEM影像，拍摄区域为图2红色虚线方框。d’与e’为使用一般拍摄条件的SEM影像。

扩散范围鉴定

一般而言，元素扩散的分析，多数采用二次离子质谱分析仪 (Secondary Ion Mass Spectrometer, SIMS)，然而垂直共振腔面射雷射系统内独特的侧向扩散，其分布情况直接影响出光均匀度、光发散角，进而影响后续之3D重构精准度。使用二次离子质谱分析仪分析此区扩散状况在样品制备上会有相当难度，且其空间分辨率(约40 mm)亦无法达到分析要求。因此，MSS运用先进成像技术分析布拉格反射镜边缘的扩散区，可明显观察到扩散区(高阻值区)与未扩散区的差异(图4a)，进一步使用全彩的色阶来呈现结果(图4b)，更可直观地观察氧扩散与未扩散的区域，界面清楚且对比均匀，可见此芯片扩散制程控制极佳。另外，如果我们仔细观察扩散与未扩散接口(图4c蓝色虚线)附近的对比在经过界面并不是一个陡峭的变化，而是一个各层以不同梯度渐进的过程(图4c黑色箭号)，大致的边界由绿色虚线标示，这样的结果提供了制程工程师在制程调整时相当重要的信息。

图4: a运用先进成像技术所拍摄的SEM 影像。b将a影像以全彩色 阶呈现的影像。c为b的局部放大影像。

微区结构

分析垂直共振腔面射雷射的微区结构的最佳利器是利用具有高空间分辨率的扫描穿透式电子显微镜 (scanning transmission electronic microscope, STEM)。除了高空间分辨率外，STEM也可提供极佳的成份与缺陷比对信息，是分析细微结构与接口处的最佳利器，搭配能量色散X射线光谱(energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS)，我们还可获得各层结构元素的分布。

高分辨率微结构分析

图5b-5e为共振腔面射雷射内部结构的STEM影像，拍摄位置标示于图5a的SEM影像中。有别于先前SEM的影像(图2与图3)，STEM影像更显清晰，尤其在氧化层附近(图5e，氧化镓)，将氧化镓造成的局部应变场(绿色箭号标示处)都可以清晰地呈现出来。如何了解与控制氧化镓附近的应力场使共振腔面射雷射有更好的功率表现对制程工程师而言是重要的课题之一，如果制程质量控制不好，局部应力就有可能会造成非预期的缺陷，影响良率、发光效率及功率，图5f与5g为类似结构试片因制程质量不良导致在氧化层附近产生缺陷的分析结果。

图5: a垂直共振腔面射雷射的截面SEM影像。b到e为STEM影像， 拍摄位置用红色虚线方框标示在a中。f与g为类似结构试片的STEM影像。

图6为氧化层附近的EDS mapping结果，各别元素在空间中的分布都被清楚地呈现出来，其中氧化镓中的氧讯号(图6b)分布非常地均匀。这代表着制造商在氧化制程上的高稳定度。

图6: 氧化层附近的EDS Mapping结果。

成份梯度渐层观察

除了氧化层的均匀度与应力控制外，多层分布式布拉格反射器的制程均匀度也是决定垂直共振腔面射雷射中质量的重要参数之一，在制程中，由于温度的关系，各层原子之间的扩散是无法避免的。毫无疑问，二次离子质谱分析仪是定量分析各元素扩散状况的最佳利器，但如果只需定性上了解且希望能直观地观察到，电子显微镜仍是最佳选择。因化学组成相当靠近，最具挑战的是如何能清楚分辨多层分布式布拉格反射器的接口，泛铨科技采用独特开发的影像技术，将原本较为模糊不易分辨的界面(图7b，绿色虚线)，在经过处理后清楚地呈现更细致的多层次结构(图7c)，让工程师对原子扩散浓度梯度的状况有了定性上的了解。

图7: a多层分布式布拉格反射器的STEM影像。b图为a中红色虚线 方框的放大STEM影像。c图是将b改用全彩色阶分布的影像。

由图5到7的微结构分析结果可以清楚说明了制造商在关键氧化镓层与多层分布式布拉格反射器制程上的高稳定性，这也是为何该垂直共振腔面射雷射能有2 W如此高的输出功率。

结论

这份报告中，我们利用两种电子显微镜来解析垂直共振腔面射雷射的内部结构，透过先进成像技术与图像处理，我们可以分析氧化层与多层布拉格反射器内更多无法使用一般成像方式所观察到的细微结构，这些宝贵的信息将可提供制程工程师重要的依据，未来能设计生产更高质量与效能的产品。

责编：Amy Guan