上期為大家介紹砷化鎵生長技術(shù)、外延技術(shù)、設備商與代工企業(yè)，本期為大家介紹芯片制備環(huán)節(jié)、半導體芯片封裝形式、光泵浦源及市場格局。
?一、芯片制備環(huán)節(jié)及市場格局
根據(jù)宏捷2017年財報，其代工生產(chǎn)的GaAS晶片主要供給手機、WLAN以及光通訊零部件。整個制造過程共分為5個環(huán)節(jié)。分別是前段制程、PCM測量、后段制程、晶體切片、檢驗入庫。
宏捷科技芯片工藝過程
數(shù)據(jù)來源：宏捷財報
具體以VCSEL芯片側(cè)向選擇氧化制備工藝，其過程一般包含沉積二氧化硅，一次光刻，臺面刻蝕、選擇氧化、去除二氧化硅、沉積二氧化硅、二次光刻、腐蝕出光口、三次光刻、蒸鍍P電極、合金、減薄襯底、蒸鍍N電極等9個環(huán)節(jié)。
VCSEL側(cè)向選擇氧化制備
?在光芯片代工領域，目前全球主要有穩(wěn)懋、宏捷、寰宇、聯(lián)穎、GCS（全球通信半導體）等。2017年穩(wěn)懋約占72.7%的市場份額，基本形成一超多強的局面。
2017年全球砷化鎵代工廠市場份額
數(shù)據(jù)來源：穩(wěn)懋2017年財報
其中對比看來，穩(wěn)懋體量最大，各種砷化鎵和磷化銦產(chǎn)品均有涉及，優(yōu)勢明顯。市場集中度已經(jīng)達到一定程度，未來大概率延續(xù)目前一超多強的局面。
穩(wěn)懋、宏捷、GCS優(yōu)劣勢對比
數(shù)據(jù)來源：宏捷2017年財報 wind
二、半導體芯片封裝形式、光泵浦源及市場格局
半導體激光器的封裝主要實現(xiàn)以下目的：
一是建立電流回路，讓芯片收到電流的激勵產(chǎn)生激光（受激輻射）；
二是將芯片發(fā)光同時產(chǎn)生的熱散發(fā)出去；
三是保護芯片以及電路。
半導體激光器的封裝具體有可以分為對芯片的封裝、保護殼封裝。
芯片的封裝主要有F-mount和C-mount兩種。芯片封裝是將芯片直接焊接在熱沉上，將芯片發(fā)光時產(chǎn)生的大量熱散掉，以保證芯片正常工作。
C-mount結(jié)構(gòu)為一正方形，中心有螺孔，用來固定芯片。C-mount的底座是正電極，也稱為熱沉，材料一般是導熱率高的銅或其他高導材料。C-mount結(jié)構(gòu)簡單、價格適中、封裝功率也適中，因此得到了廣泛運用。但是由于自身材料和機構(gòu)的限制，散熱性相對較差，用于較高功率芯片封裝時，多會將芯片燒壞。
C-mount封裝結(jié)構(gòu)圖
F-mount的結(jié)構(gòu)是長方形，體積較C-mount大，比C-mount多了一個定位孔。兩個定位孔可以讓芯片定位更加穩(wěn)固、散熱面積更大。F-mount類型封裝的功率更穩(wěn)定，壽命更長。F-Mount 型封裝時芯片不是直接焊接在熱沉上的，從圖中可以看出芯片與底座之間還多了一層物質(zhì)，這層物質(zhì)被叫做過渡熱沉。過渡熱沉十分重要，首先它解決了芯片與底座材料熱膨脹系數(shù)不匹配的問題；其次由于通電時芯片溫度升高帶來的熱變形概率能有效降低；然后能減小焊料產(chǎn)生空洞而帶來的不利情況；最后能提高焊接強度，保障封裝質(zhì)量。F-Mount 型封裝目前用于單管功率比較大的激光器封裝。
F-mount類型芯片封裝
保護殼封裝主要有TO封裝和蝶形封裝兩類。這種封裝結(jié)構(gòu)一般是將COS（chip on sink）芯片用其他材料的保護罩密封起來。
TO封裝結(jié)構(gòu)小巧，內(nèi)部僅有二到四根引腳，容量十分有限，做一般為三個管腳。TO型半導體激光器工作激光從管帽中間射出。TO封裝加工成本低、制作簡單，被廣泛運用。
TO封裝結(jié)構(gòu)圖
蝶形封裝的殼體兩側(cè)有很多金屬材料管腳，外形看上去像蝴蝶，因此稱為蝶形封裝。蝶形封裝的尺寸較TO封裝大很多，可以在內(nèi)部放置敏感元件。因為蝶形封裝散熱能力較好，一般用于功率較大的半導體激光器。
蝶形封裝結(jié)構(gòu)
COS芯片、殼體和其他材料一起，可以組成光泵浦源。
光泵浦源構(gòu)成
泵浦源主要封裝形式包括單管（單發(fā)射腔）、bar 條。
單管是將激光芯片封裝后形成的發(fā)光單元，激光 bar 條可以看做是多個半導體單管并排形成的激光器單條，泵浦功率更高。
bar 條按排列形式可以分為垂直疊陣及水平陣列。水平陣列用于側(cè)面泵浦固體激光器，要求更高的光輸出功率但并不要求光束會聚，而垂直疊陣可以得到較高的輸出功率。
光泵浦源分類
國內(nèi)廠商雖然掌握泵浦源制造技術(shù)，但核心激光芯片仍依賴進口。國內(nèi)激光器廠商如銳科、創(chuàng)鑫等致力于通過實現(xiàn)光纖激光器原材料自制以降低成本，泵浦源等關鍵器件制造技術(shù)已被掌握，但中高功率半導體激光芯片仍依賴進口。此外，受限于自有產(chǎn)能不足，銳科激光與創(chuàng)鑫激光部分泵浦源仍需要對外采購。國內(nèi)外泵浦源供應公司主要有中國凱普林、中國長光華芯、和美國 DILAS（Coherent）等，但境外公司采購價相對較高并且存在技術(shù)封鎖，國內(nèi)只有少數(shù)企業(yè)生產(chǎn)中高功率泵浦源符合要求。
國內(nèi)外光光泵浦源廠家
不同的泵浦源的發(fā)光波長決定了其用途。光纖在 915nm 和 976nm 波段存在兩個明顯的特征吸收峰，915nm 波段吸收系數(shù)相對較低，吸收譜較寬；976nm 波段吸收系數(shù)是 915nm 波段的 2－3 倍，但吸收譜相對較窄。976nm 波段泵浦的光效率可達到 85％，而 915nm 波段泵浦的光效率為 75％。
目前國內(nèi)主流的激光器廠商為 915 路線，高功率升級降本驅(qū)動 976 路線需求。使用 915nm 波段的半導體激光器作為泵浦源，受益于 915nm波段較寬的吸收譜，激光器整機受溫度影響較小，在 915nm 波段增益有源光纖的吸收效率低，為達到整機光纖激光器更高功率的輸出，在技術(shù)上要求使用更高的 976nm泵浦功率和更長的有源光纖。
雖然 976nm 泵浦方式有更高的吸收率及光轉(zhuǎn)換效率，但相比 915nm 泵浦方式在光線處理和耦合上的技術(shù)難度更大，國際上只有少數(shù)激光器廠商像德國的 IPG、美國的DILAS（Coherent）在量產(chǎn)工業(yè)激光器中大規(guī)模使用 976 泵浦源。
作者 | 鐘小川
編輯 | 項婷婷
