【產學合作】整合氮化鎵高遷移率電晶體功率元件與新穎面射型雷射光源供先進光達系統應用

前瞻技術產學合作計畫
計畫名稱：整合氮化鎵高遷移率電晶體功率元件與新穎面射型雷射光源供先進光達系統應用
計畫主持人：陽明交通大學國際半導體學院 張翼教授
合作企業：鴻海精密工業股份有限公司
成果介紹：

輕巧精準新世代光源開發

目前市面上905奈米波段光達主要使用垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)作為光源，這種雷射發展成熟，已可穩定達到40%以上的電光轉換效率，然而由於其發散角度偏大(約5~10度)，必須外加鏡組來準直光束，使得光達模組之體積無法進一步縮小，限制其更廣泛地融入生活應用中。近年來，一種新型態的半導體雷射，稱為光子晶體面射型雷射(PCSEL)，應用其大面積2D分佈反饋布拉格(DFB)振盪操作原理，可實現具有高功率、單波長、和極小的發散角的雷射光束，除了可省去光束整形所需鏡組，其更穩定的單波長光束使我們在選擇雜散光過濾片時能將通過波段限制在更小的範圍，縮小太陽光對系統影響，獲取更精準的數據。由於單一雷射發射器仍存在著縮放上限。組成雷射陣列是目前垂直共振腔面射型雷射提升功率常見的手法，光子晶體面射型雷射同為面出光，因此可組成二維陣列，團隊透過電極與絕緣層之設計控制電流注入，將大面積磊晶結構分隔成許多光子晶體雷射，並使每顆雷射都獲得均勻注入發出雷射，相較之前單顆的光子晶體雷射，輸出功率獲得顯著提升 (如下圖)。

長波長開發1550奈米雷射

人眼安全問題是雷射相關產品的一個重要考量，1550奈米波長的光在進入人眼時有更大的比例被角膜、玻璃液吸收，到達視網膜的比例遠低於905奈米的光，因此允許光達模組之雷射操作在更大功率。除此之外，太陽光在1550奈米波段的功率譜密度(PSD)數倍小於905奈米波段，操作在長波段的光達可較好的避免受太陽光干擾。然而，布拉格反射鏡 (DBR)的高反射率在磷化銦材料體系中難以達成，也不具備氧化侷限能力，現階段1550奈米垂直共振腔面射型雷射功率太低難以達到應用需求。光子晶體雷射沒有上述問題，將會是面射型雷射在長波長的更佳選擇。團隊目前在磷化銦材料光子晶體的製作上已測試出許多關鍵參數，並已成功透過光激發使元件放出雷射。

雷射之覆晶封裝技術

本計畫擬開發可實際應用在車載光達的雷射光源技術，因此發光點數量必須更多，同時光輸出功率也需要再進一步提高，單位面積的功率密度會顯著增加，這時候熱效應就很可能導致元件操作特性被限制，因此研擬的解決方案為採用覆晶結構製作VCSEL/PCSEL元件，主動層發光增益區在元件操作過程中產生的熱也可以藉由覆晶封裝結構較短的熱傳導路徑更快被移除，有助於使元件操作在更大驅動電流輸出更高光功率。目前第一年度計畫成果已經證實採用覆晶封裝技術的VCSEL陣列元件在1.2A大電流操作下仍可維持55℃相對較低溫度。

超穎介面陣列整合於PCSEL陣列

本計畫團隊提出能夠讓主動光源整體體積更加縮小的方案，在單顆PCSEL上整合單個超穎介面實現多光束圖形，如下圖所示。在超穎介面上利用全相片設計原理，首先設計需要的光束數量與適當發散角，再以此理想遠場圖形反推超穎介面上應當的相位分布，如此即可讓單顆整合超穎介面的 PCSEL實現多光束偏折。

高電流HEMT元件之開發

針對於GaN HEMT 驅動元件之覆晶鍵合整合研究， 陽明交通大學團隊目前已可以開發出20~120 mm之高功率 AlGaN/GaN HEMT元件，以20mm 元件達成最大漏極電流7安培之超越第一年計畫目標(5安培)的高電流電晶體。先進GaN HEMT的開發重點則InAlGaN/GaN MOCVD磊晶與高功率元件的開發，達到1A/mm之高電流與大於800V的 崩潰電壓之空乏型電晶體。此外,我們也開發出數位式蝕刻法用來製作凹槽型閘極之增強型(Enhancement Mode)InAlGaN/GaN電晶體，最大漏極電流 (Idmax) 和門檻電壓(gm) 分別為 955 mA/mm和 0.2V。

HEMT與面射雷射之覆晶整合

針對於GaN HEMT與面射雷射之覆晶整合，我們通過 Au-to-Au 熱壓法還完成了 GaN HEMT 晶片在 AlN 基板上的覆晶鍵合。面射雷射的鍵合則是通過Au-Sn焊料鍵合實現的。鍵合結構的第一個版本僅由 HEMT 和 VCSEL組成。覆晶鍵合 HEMT 的圖片(左圖)和 I-V (中圖)特性均如下圖所示。這種覆晶鍵合結構還可以通過金屬凸塊結構中的良好設計提供散熱方面的益處。我們使用COMSOL、TCAD等物理模擬軟體設計了一些金屬凸塊方案，可有效降低溫度50%以上。我們還設計並實現了 HEMT 和VCSEL與包括電容器和二極管在內的被動元件的第二版鍵結整合方案。完成的鍵合封裝結構如下方最右側圖所示。

光達HEMT 驅動器設計與測試

此分項計畫其中一個重大突破是採用陽明交大空乏型氮化鎵高速電子移動率電晶體(D-Mode GaN HEMT)實踐高時脈(high repetition rate)的超短電脈衝(short pulse)驅動VCSEL雷射陣列輸出超短光脈衝(short pulse)之驅動電路。其優點之一是，此D-Mode GaN HEMT運作時所需供電，僅採用一般單個鋰離子電池即可為雷射二極體驅動器提供可調電壓，並可通過電阻電壓實現反饋控制。讀取時不會干擾雷射照明的當前路徑。另一個優點是由於電源輸入和雷射發射的並行拓撲結構，它的峰值功率很高。同時，此研究根據雷射驅動器的拓撲結構推導了雷射驅動器的數學模型，得出了電子元件的初步參數設計。在實驗中，我們使用了國立陽明交通大學(NYCU)製造空乏型氮化鎵電晶體元件。通過比較實驗結果和SPICE模擬結果，獲得了NYCU製造的VCSEL的電路模型。借助 SPICE 電路模型，我們可以推導出針對不同應用目的的設計指南。如下最左圖，為VCSEL等校電路模型圖，藉由此模型可使電路設計者針對不同規格的雷射二極體進行相對應的驅動電路設計。

以覆晶方式整合氮化鎵高速電子移動率電晶體(GaN HEMT)雷射二極體驅動電路與面射雷射(VCSEL)之電光測試結果顯示於下右兩圖，其中藍色波形為空乏形氮化鎵電晶體閘極訊號，起始電壓為-12V關斷，當導通時電壓漸漸趨近於0V，可看到一脈衝寬度7ns的雷射光訊號，其上升時間約為1.9ns，其中，最右圖為整合氮化鎵元件與VCSEL的雷射重覆率訊號，可明顯看出其光訊號重覆率為25Mhz，經量測與換算的功率效率可高達 86%，且最大峰值功率為 150 W。