当社の半導体製造能力

当社の半導体製造

当社では、III-V族半導体デバイス、MEMS-VCSELレーザ、量子カスケードレーザ、LN変調器(ニオブ酸リチウム光変調器)などの幅広い種類のアクティブ型光デバイスを製造しています。Maryland州Jessupにある当社の垂直統合型の半導体製造施設で、標準品だけでなくフルパッケージの特注品や量産などのOEM対応を行っております。

当社が製造している半導体製品

当社は、III-V族(InP、GaAs、GaSb)半導体デバイスや、中赤外域用量子カスケードレーザおよびインターバンドカスケードレーザ(QCLおよびICL)、ならびにLN(LiNbO₃)変調器を製造し、パッケージングする技術を有しています。 これらの製品は、米国のMaryland州Jessupにある当社の量子エレクトロニクス(TQE)部門で製造されています。 当社では以下の製品を取り扱っております。

• III-V族光半導体デバイス
• 半導体レーザ(LD)
• 光増幅器(半導体およびブースタ光増幅器)
• 利得チップ
• スーパールミネッセントダイオード
• 単一周波数レーザ(外部共振器型、分布帰還型、分布ブラッグ反射型)
• 垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)
• 中赤外域用レーザ(量子カスケード型およびインターバンドカスケード型)
• LN変調器(LiNbO₃光変調器)

当社では右下表からご覧いただける標準品だけではなく、量産および特注等のOEM用途にも幅広く対応しています。詳細は「量産/特注品のご注文」タブをご覧ください。

部品

III-V族光半導体デバイス(InP、GaAs、GaSb)

当社のInP、GaAs、およびGaSbの製造技術には、ウェハ成長のための固体ソース分子線エピタキシ(MBE)や、ウェハレベルでの製造、光学的な端面コーティング、気密のオプトエレクトロニクスパッケージ、ならびに環境、性能および信頼性試験などが含まれています。 また、ファブリペローレーザ、半導体光増幅器(SOA)およびブースタ光増幅器(BOA)などの光増幅器、片面角度付き(SAF)およびファブリペロー利得チップ、外部共振器型(ECL)や分布帰還型(DFB)および分布ブラッグ反射型(DBR)などの単一周波数レーザ、スーパールミネッセントダイオード(SLD)など、豊富な種類の標準品をご提供しております。 GaSbの製造技術により、波長範囲2～3 µmで動作する半導体光デバイスをご提供可能です。 量産品および特注品もご提供可能です。

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ファブリペロー半導体レーザ

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ハーフバタフライ利得チップ

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TO-Can型半導体レーザ

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MEMS-VCSEL波長可変レーザ

MEMS-VCSEL波長可変レーザは、III-V族半導体の製品ラインを発展させたものです。 VCSELには結晶面と直交するレーザ共振器が付いています。 上部の共振器ミラーはMEMS(微小電子機械システム)によってエアギャップの上に吊られているため、ミラーを動かして共振器長を変えることができます。 この設計により、約100 nmの波長範囲でのチューニングが可能で、高速掃引も可能です。 端面発光型の光源と比較して、VCSELは優れたビーム品質と縦シングルモード動作をもたらします。

中赤外域レーザ

当社では中赤外域(3～12 µm)用の量子カスケードレーザ(QCL)とインターバンドカスケードレーザ(ICL)の製造が可能になりました。 これらのデバイスは、多重量子井戸のヘテロ構造でできており、サブバンド間(QCL)またはバンド間(ICL)の遷移を利用して中赤外域のスペクトル範囲で動作します。 当社のファブリペローQCLおよびICLのおおよそのスペクトル幅は50 cm^-1です。一方、分布帰還型QCLは1～5 cm^-1のチューニングレンジ内で、単一周波数で発光します。

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インターバンドカスケードファブリペローレーザ、2タブ型Cマウント

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量子カスケードDFBレーザ、
Dマウント

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量子カスケードDFBレーザ、高熱負荷用

LN変調器

当社は、ニオブ酸リチウム(LiNbO₃)のウェハ製造能力および気密パッケージング技術を有し、様々な環境試験、性能試験および信頼性試験を行っています。ファイバ結合型の強度および位相変調器は、10または40 GHzの変調帯域幅に対応しています。 CおよびLバンドで機能し、Telcordia GR-468規格を満たした品質となっています。

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LN変調器

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オフィスならびに設計エリア

設計能力

当社のエンジニアチームは豊富なツールと設計能力を活用して、新製品および既存製品の開発・製造を行っています。

• 導波路モデリング：OptiBPM(Optiwave社製)、BeamPROP(R-Soft社製)、FIMMPROP(Photon Design社製)
• レーザーシミュレーション：PICS3D(CrossLight社製)および自社製ソフトウェア
• 様々なエピタキシャルウェハ設計、機械設計(Solidworks)、光学設計(Zemax)、熱的モデリング(Comson)、ならびに電気設計(Altium)などが可能

当社ではBeamPROPやFIMMPROPを使用した、光導波路設計、分析、シミュレーションなどを用いて、チップレベルの設計が可能です。 この設計能力は新しい導波路構造の研究に活用されています。 また、COMSOL Multiphysicsやエピタキシャルウェハ設計用の自社製ソフトウェアなどもレーザーシミュレーションに用いられます。 Solidworksを使用した機械設計、COSMOSおよびCOMSOL Multiphysicsを使用した熱的モデリング、Zemaxを使用した光学設計、Sonnetを使用したRF設計、ならびにAltiumを使用した電気設計およびレイアウト設計など、オプトメカニクス部品のパッケージングをサポートする設計ツールも使用しています。 当社の工学設計作業は、デバイスの性能を評価するための光学的・電気的試験ならびにRF試験などの試験能力によってもサポートされています。

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半導体レーザの結合効率の計算

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試作品の試験エリア

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分子線エピタキシ(MBE)装置

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ウェハ製造用のクラス100クリーンルーム

ウェハ製造

当社のウェハ製造施設(wafer fab)は、III-V半導体レーザーデバイスやニオブ酸リチウム(LiNbO₃)部品、精密テストターゲットなどの量産製造、その他の精選された鋳造作業用に設計されています。 環境が制御されたクラス100または1000のクリーンルームでは、エピタキシャルウェハ成長、ウェハボンディング、フォトリソグラフィ、薄膜蒸着、ウェットおよびドライエッチング、金属蒸着、クリーブ、端面の光学コーティングなどのウェハ製造工程が行われています。

エピタキシャルウェハ成長

• 分子線エピタキシ(MBE)
• 原子層の厚さや組成の精密コントロール

III-V族エピタキシャルウェハ成長には、固体ソースの分子線エピタキシ(MBE)が使用されます。 MBEは界面の遷移やドーピングレベルを精密に制御して、複雑な多重量子井戸のエピタキシャル構造を成長させることが可能です。 Ga、As、In、P、Al、Sb元素で構成される、ほとんどのIII-V族エピタキシャル構造の成長に関する専門技術を自社内に有しています。

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エッチングを行う部屋

デバイスの製造

製造能力

• サブミクロンのフォトリソグラフィ
• 薄膜蒸着：PECVD、電子ビーム蒸着およびRFスパッタリング蒸着
• ドライエッチング：RIE、ICP
• 金属蒸着：電子ビーム蒸着およびめっき
• 熱工程：拡散、高速アニーリングおよびキュアリング
• クリーブおよびダイシング
• 端面の光学コーティング：反射防止(AR)および高反射(HR)コーティング

ウェハの製造工程は、一連の制御されたステップで構成されています。それぞれのステップでは、フォトリソグラフィ工程で形成されたパターンで材料を蒸着したり除去したりします。 フォトリソグラフィ工程では、保護「マスク」がデバイスの特定の場所に設置され、エッチングまたは蒸着からその場所をカバーします。 エッチングでは、材料を除去するため、ウェハをプラズマまたは薬品にさらします。 蒸着技術には、プラズマ化学気相蒸着(PECVD)、高周波スパッタ蒸着、電子ビーム蒸着およびめっきなどがあります。 拡散、アニーリング、平坦化、ウェハボンディングおよび酸化などの製造工程には様々な加熱炉も使用されます。

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ウェハのクリーブ

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イオンミル(左)と拡散炉(右)

クリーブおよびダイシング作業と自動操作

半導体チップは1つのウェハ上に多数の独立したデバイスを形成して製造されます。 まず、ウェハの裏面を研磨して薄くし、クリーブしやすいようにします。 次に、自動スクライブおよびブレーキング装置を用いてウェハを結晶面に沿ってクリーブし、棒状にします。 棒状のウェハには多数のチップが並んでいます。 複数の棒状ウェハを積み重ねて光学コーティングチャンバに入れ、精密端面コーティングを施します(下記参照)。 コーティングされた棒状ウェハはさいの目にカットされた後、自動化されたピックアンドプレース装置でキャリアに乗せられ、次の試験およびパッケージングの工程に向けて移送されます。

端面の光学コーティング

• In-Situ光学モニタリングを使用した精密な反射防止(AR)および高反射(HR)コーティング
• 通信用の1250～1650 nm帯
• 0.7～12 µmの広域波長範囲に対応
• 多波長エリプソメトリによるコーティング解析

一般的に、半導体光デバイスは1つまたは複数の光学端面を有しています。この光学端面は光をゲイン媒体へ反射させる(レーザ共振器を構成するため)か、反射させずにゲイン媒体の外へ透過させる(例えば光増幅器など)ように設計されています。 誘電体を用いた光学コーティングがデバイスの端面に直接施され、光の反射を増大または減少させます。 社内で光学モニタリングを行えるため、Cバンド(1530～1565 nm)全域にわたって0.03%未満の反射率を達成する精密反射防止コーティングを施すことが可能です。 当社の光学コーティングは、多波長エリプソメータを用いて各層の厚みおよび屈折率を正確に測定することができます。

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表面プロファイラ

計測

• エピタキシャルウェハの特性評価：X線回折、フォトルミネセンス、電気化学的C-Vドーパントプロファイリング、ホール効果移動度測定
• ウェハ製造装置：走査型電子顕微鏡、表面形状測定装置、薄膜反射率計、エリプソメータ

半導体デバイス製造における重要な要素は全工程の再現性です。 それを実現するには、適切な計測方法で継続的にモニタリングを行い、各工程が仕様の範囲内にあることを保証する必要があります。 エピタキシャルウェハの成長には、X線回折、フォトルミネセンス強度測定、電気化学的静電容量電圧ドーパントプロファイリング、キャリア移動度のホール効果による測定など、結晶成長の品質を評価するための非常に特殊な装置や技術が必要です。 ウェハ製造工程で用いられる計測ツールには、走査型電子顕微鏡(SEM)、表面形状測定装置、微小寸法(CD)計測用光学顕微鏡、反射率計、エリプソメータなどがあります。

完成品の検査を含む試験や品質についての詳細は、「試験および品質」タブをご覧ください。

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ウェハのパッケージングや検査、試験を行うクラス1000のクリーンルーム

パッケージング

ウェハ製造施設で製造された半導体ならびにLiNbO₃の さいの目上のチップ(die、ダイ)は、幅広い種類のオプトエレクトロニクスパッケージに対応しています。 このパッケージング作業は、クラス10,000の組立エリア(右写真参照)で行われています。 最も簡易なパッケージは、チップオンサブマウント(CoS)や、Cマウント、TOヘッダなどのオープンヒートシンク設計のものです。 これらは半導体レーザ端面へのダイレクトアクセスが可能です。 この他、気密式ウィンドウキャップとモニタ用フォトダイオードが付いたTO-Can型も非常に一般的な半導体レーザの形式です。 当社では業界標準の14ピンバタフライとLiNbO₃変調器のパッケージや、6ピンハーフバタフライとピグテール付きTO-Can型のパッケージなど、異なるタイプの全ファイバ結合製品も製造しています。

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Cマウント上の量子カスケードレーザへのワイヤーボンディング

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光増幅チップが内蔵された2つのバタフライパッケージ

ダイボンディングおよびワイヤーボンディング

• ダイボンディング：チップの精密な設置およびはんだ付け
• ワイヤーボンディング：手動によるリード線のボールボンディングおよびウェッジボンディング

パッケージング工程は、セラミック製のサブマウントへ半導体チップを取り付けるダイボンディングから開始されます。 このサブマウントは、効率的に熱を除去し、半導体材質に適した熱膨張係数(CTE)を有するように設計されています。当社の手動および自動ダイボンディング装置は、チップが上向き下向きどちらの構成でも精密なダイボンディングが可能です。

ダイボンディング工程の後、チップ上面から出ている金ワイヤとサブマウント上のボンディングパッドを接合してチップに電気接続します。ワイヤ接合部のサイズや数はデバイスや駆動電流、駆動周波数によって異なります。

チップオンサブマウント(CoS)レベルのデバイスは、それ以上パッケージング化せずに十分な試験およびバーンインを行います。当社ではCoSデバイスとして、標準品のチップオンサブマウント製品と量産および特注等のOEM用途にも対応しております。

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レーザ溶接装置

レーザ溶接

• 半導体パッケージ内での光学素子の精密アライメントおよび溶接

レーザ溶接は、オプトエレクトロニクスのパッケージング業界において確立された、光学部品をサブアセンブリ内に精密に取り付けるための工程です。 高エネルギーパルスレーザは材料表面を素早く溶接することができ、溶接後の光学部品の位置変化は最小限で済みます。また、長期にわたる優れた機械的安定性 を有しています。 当社のレーザ溶接工程は、シングルエンドデバイス(SLDやFPレーザ)やダブルエンドデバイス(SOAやBOA)、ハーフバタフライデバイス(利得チッ プ)などの全てのバタフライパッケージ型の製品に利用されています。

ピグテールファイバ接続

• 手動および自動のピグテールファイバ接続用ステーション

当社のバタフライパッケージはレンズを利用した空間光学設計を採用しているため、半導体チップからの光を効率的に光ファイバに接続できます。この方法により、光アイソレータやその他の部品をバタフライパッケージ内に組み込むことが可能になります。当社のLN(LiNbO3)変調器は、光ファイバが変調器のチップに直接接触する突合せ結合の設計となっています。どちらのタイプのパッケージもGR-468 CORE Telcordiaの規格を満たしており、通信、医療、防衛、および産業市場における厳しい仕様が要求される製品組み込み用途に対して、グローバルに展開しております。

ハーメチックシール

• 様々な環境条件における信頼性を提供

半導体およびLiNbO₃デバイスは湿度や環境の変化に非常に敏感です。 長期的な安定性や信頼性を保つためには気密にすることが非常に重要です。 当社のバタフライパッケージや、TO-Can型およびLiNbO3のファイバ入出力型変調器は、乾燥窒素ガス中で気密化することでアクティブ型チップ部品 にとって良好な環境を作ることができます。 このハーメチックシールは電気抵抗溶接によって蓋とパッケージフレームを接合させる仕組みになっています。気密にすることにより大気条件がデバイス性能に影響を与えるのを防ぎます。

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ピグテール化された装置(左)およびアライメント用モニタ(右)

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バタフライパッケージのハーメチックシーリング

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試験および品質

試験能力

• 性能試験およびデバイスの特性解析
• CWおよびパルス出力
• スペクトル特性：波長、バンド幅、スペクトルリップル、サイドモード抑圧比(SMSR)
• CWおよびパルスのファーフィールド
• 外部共振器レーザのパラメータ
• RINおよび線幅
• 40 GHzまでの周波数応答
• ビットエラーレート(BER)およびチャープ
• バーンイン試験
• 信頼性試験
• 環境試験

当社では、量産品の最終試験や、厳しい信頼性および環境試験を幅広く実施しています。標準品ならびに量産/特注品の両方について、全てのチップオンサブマウント型、TO-Can型、バタフライ型の製品、および変調器に対し、バーンインおよび光学特性の測定を行っています。新製品や既存製品の品質(再)検証のために、当社内で温度サイクル試験や高温・低温保存試験、および長期にわたる経年劣化の加速試験を実施できます。当社のエンジニアチームは、通信、医療、および防衛産業製品の開発や検証に豊富な経験を有しています。

量産品/特注品のご注文について

当社では、チップオンサブマウント(CoS)、ヒートシンク、ファイバ結合パッケージ、そして制御装置が内蔵された完全なサブシステムなど、あらゆるレベルのアセンブリについて、標準品ならびに量産品/特注品をご提供しております。当社の設計チームは、カスタム仕様のチップや光学コーティング、パッケージングなど、様々な特注品を全て社内で設計しております。量産品および特注品につきましては当社までご相談ください。

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100 mmウェハ上のチップレベルのLiNbO₃EO変調器

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様々なチップオンサブマウントレベルのデバイス。写真は光増幅器(1)、ファブリペローレーザ(2)、片面角度付き利得チップ(3)、およびVCSELレーザ(4)。 視野範囲の幅は約1 cmで、各チップのサイズはそれからの縮尺で見ることができます。

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バタフライパッケージのファブリペローレーザ

当社の量子エレクトロニクス部門の始まり

当社の量子エレクトロニクス(TQE)部門は、当社初の半導体鋳造部門として米国のMaryland州Jessupで2009年に稼働を開始いたしました。TQEの主要な社員は、Quantum Photonicsという社名のもとで1998年より同事業に従事していました。

Quantum Photonics, Inc.^®(QPI)は、メリーランド大学で開発された最新の半導体レーザ技術を製品化するために設立されました。QPIは当初、通信用途向けの製品に特化していましたが、ほどなくベンチャー投資家達の関心を引き、III-V族エピタキシャルウェハ成長技術の研究やウェハの製造、オプトエレクトロニクスのパッケージングなどを包括的に行う垂直統合型の製造施設を設立することができました。

2003年、QPIはCodeon Corporationとの合併により、LN(ニオブ酸リチウム)振幅/位相変調器の製造を開始し、社名をCovega Corporationといたしました。Covega社は、半導体レーザ用利得チップやニオブ酸リチウム振幅/位相変調器のリーディングサプライヤとして医療、産業、防衛市場向けの主要製品の製造に従事しました。

2009年、ソーラボ社はCovega社の製造施設を合併し、TQEを設立いたしました。TQEでは活発な開発が行われており、近赤外域GaAs半導体レーザや業界をリードする中赤外域量子カスケードレーザ(QCL)およびバンド間カスケードレーザ(ICL)などの製品を続々とご提供しております。TQEでは、光通信用のゲインチップをトータル100億時間・台以上をフィールドで不具合を出すことなく稼働させている実績があります。この実績を元に、研究開発用途向けに最先端のオプトエレクトロニクス部品の開発、製造、サポートだけでなく、柔軟に対応する垂直統合型のパートナとしてOEM用途向けにも貢献させていただいております。