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9xx波段長光華芯實現30W單管晶片輸出

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【摘要】◕↟☁:
長光華芯自主開發的高功率高亮度半導體鐳射器晶片效能已達到30W水平₪╃▩₪·,目前銷售交付的商用晶片功率達20W☁☁·▩。
   長光華芯致力於高功率半導體鐳射器晶片₪◕·₪、高效率半導體鐳射雷達晶片₪◕·₪、高速光通訊半導體鐳射芯及相關器件和應用系統的研發₪◕·₪、生產和銷售₪╃▩₪·,產品廣泛應用於◕↟☁:工業鐳射器泵浦₪◕·₪、鐳射先進製造裝備₪◕·₪、生物醫學美容₪◕·₪、高速光通訊₪◕·₪、機器視覺與感測等☁☁·▩。公司於2011年組建團隊₪╃▩₪·,引進MOCVD₪◕·₪、光刻機等裝置₪╃▩₪·,2012年正式成立公司₪╃▩₪·,搭建完成一條包括晶片設計₪◕·₪、MOCVD(外延)₪◕·₪、光刻₪◕·₪、解理/鍍膜₪◕·₪、封裝₪◕·₪、測試老化₪◕·₪、光纖耦合₪◕·₪、直接半導體鐳射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鐳射器晶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單管晶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☁☁·▩。在保證晶片穩定量產交付的過程₪╃▩₪·,長光華芯沒有停下探索腳步₪╃▩₪·,透過外延結構₪◕·₪、腔面保護₪◕·₪、晶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晶片驗證₪╃▩₪·,長光華芯自主開發的高功率高亮度半導體鐳射器晶片效能已達到30W水平₪╃▩₪·,目前銷售交付的商用晶片功率達20W☁☁·▩。
 
   在探索創新更高功率水平半導體鐳射晶片的過程中₪╃▩₪·,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
圖1 鐳射晶片PN接面結構
 
   半導體材料的外延生長是半導體鐳射晶片製備的最源頭☁☁·▩。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₪╃▩₪·,組成鐳射器晶片的PN接面結構的生長過程☁☁·▩。材料成分₪◕·₪、結構厚度和缺陷濃度控制直接決定了鐳射器晶片的波長₪◕·₪、效率乃至可靠性等方面效能☁☁·▩。
 
圖2 原位過程監測
 
   長光華芯採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範圍☁☁·▩。針對大規模量產需求₪╃▩₪·,我司採用多晶片反應器₪╃▩₪·,如3" 12片機或6" 8片機₪╃▩₪·,月產能達上千片;採取原位過程監測₪╃▩₪·,對量產過程進行嚴格把控☁☁·▩。
 
 
外延結構設計
圖3 半導體鐳射器波導結構圖
 
   外延結構影響了半導體鐳射晶片的光束質量₪◕·₪、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₪╃▩₪·,長光華芯採用非對稱超大光腔波導結構₪╃▩₪·,降低鐳射腔內部光損耗₪╃▩₪·,增大光斑尺寸₪╃▩₪·,提高內量子效率₪╃▩₪·,從而提高晶片的輸出功率₪◕·₪、亮度與電光效率☁☁·▩。
 
 
腔面特殊處理技術
 
圖4 腔面特殊處理
 
   半導體鐳射晶片的光能量是經由一個晶片解理端面(前腔面₪╃▩₪·,尺寸僅為微米平方量級的視窗)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₪╃▩₪·,最終導致鐳射晶片失效₪╃▩₪·,這是限制鐳射器功率與可靠性提高的核心技術瓶頸☁☁·▩。透過腔面特殊處理₪╃▩₪·,可以大大減低腔面的光子吸收水平₪╃▩₪·,從而提高晶片的功率與可靠性☁☁·▩。在腔面膜處理方面長光華芯全自主建設的腔面鈍化處理裝置和自主開發的工藝技術₪╃▩₪·,採用真空解理鈍化與無吸收視窗結構₪╃▩₪·,有效降低腔面表面複合效應和腔面溫度₪╃▩₪·,提高晶片腔面災變(COMD)水平☁☁·▩。
 
   透過外延結構₪◕·₪、腔面保護₪◕·₪、晶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鐳射器晶片效能在室溫工作條件下達到30W輸出水平☁☁·▩。
 
圖5 9XXnm 半導體鐳射晶片功率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晶片功率達20W₪╃▩₪·,已經向工業市場批次供應☁☁·▩。該晶片已經通過了10000h嚴苛的高溫₪◕·₪、高電流加速老化壽命評估☁☁·▩。根據晶片在高溫高電流的加速壽命測試表現推測₪╃▩₪·,晶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半導體鐳射晶片24A壽命曲線
 
  當前長光華芯累計交付晶片已達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₪◕·₪、高效能₪◕·₪、高可靠性₪◕·₪、商用化的半導體鐳射晶片已基本實現國產化☁☁·▩。
 

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