VCSEL激光器技術(shù)科普

什么是VCSEL激光器？VCSEL激光器全名為垂直共振腔表面放射激光器（VerticalCavitySurfaceEmittingLaser,VCSEL），簡稱面射型激光器。它以砷化鎵半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)研制，是一種半導(dǎo)體激光器。其激光垂直于頂面射出，與激光由邊緣射出的邊射型激光有所不同。因此相較于邊射型激光器，VCSEL激光器具有低閾值電流、穩(wěn)定單波長工作、可高頻調(diào)制、容易二維集成、沒有腔面閾值損傷等優(yōu)點，在半導(dǎo)體激光器中占有很重要的地位。邊發(fā)射激光器和面發(fā)射激光器VCSELVCSEL芯片基本結(jié)構(gòu)VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。它是在由高、低折射率介質(zhì)材料交替生長成的分布布喇格反射器（DBR）之間連續(xù)生長單個或多個量子阱有源區(qū)所構(gòu)成。典型的量子阱數(shù)目為3~5個，它們被置于駐波場的最大處附近，以便獲得最大的受激輻射效率而進入振蕩場。在底部還鍍有金屬層以加強下面DBR的光反饋作用，激光束從頂部透明窗口輸出。實際上，要完成低閾值電流工作，和一般的條型半導(dǎo)體激光器一樣，必須使用很強的電流收斂結(jié)構(gòu)，同時進行光約束和截流子約束。由上圖可見，VCSEL的半導(dǎo)體多層模反射鏡DBR是由GaAs/AlAs構(gòu)成的，經(jīng)蝕刻使之成為air-post（臺面）結(jié)構(gòu)。在高溫水蒸汽中將AlAs層氧化，變?yōu)橛薪^緣性的AlxOy層，其折射率也大大降低，因而成為把光、載流子限制在垂直方向的結(jié)構(gòu)。對VCSEL的設(shè)計集中在高反射率、低損耗的DBR和有源區(qū)在腔內(nèi)的位置。VCSEL的結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵工藝介紹VCSEL有幾個關(guān)鍵工藝，這幾個關(guān)鍵工藝決定了器件的特性與可靠性。關(guān)鍵技術(shù)一：VCSEL外延銦鎵砷InGaAs井（well）鋁鎵砷AlGaAs壘（barrier）的多量子阱（MQW）發(fā)光層是最合適的，跟LED用In來調(diào)變波長一樣，3D傳感技術(shù)使用的940納米波長VCSEL的銦In組分大約是20%，當銦In組分是零的時候，外延工藝比較簡單，所以最成熟的VCSEL激光器是850納米波長，普遍使用于光通信的末端主動元件。發(fā)光層上、下兩邊分別由四分之一發(fā)光波長厚度的高、低折射率交替的外延層形成p-DBR與n-DBR，一般要形成高反射率有兩個條件，第一是高低折射率材料對數(shù)夠多，第二是高低折射率材料的折射率差別越大，出射光方向可以是頂部或襯底，這主要取決于襯底材料對所發(fā)出的激光是否透明，例如940納米激光由于砷化鎵襯底不吸收940納米的光，所以設(shè)計成襯底面發(fā)光，850納米設(shè)計成正面發(fā)光，一般不發(fā)射光的一面的反射率在99.9%以上，發(fā)射光一面的反射率為99%。目前的AlGaAs鋁鎵砷結(jié)構(gòu)VCSEL大部分是用高鋁（90%）的Al0.9GaAs層與低鋁（10%）Al0.1GaAs層交替的DBR，反射面需要30對以上的DBR（一般是30~35對才能到達99.9%反射率），出光面至少要24~25對DBR（99%反射率），由于后續(xù)需要氧化工藝來縮小諧振腔體積與出光面積，所以在接近發(fā)光層的p-DBR膜層的高鋁層需要使用全鋁的砷化鋁AlAs材料，這樣后面的氧化工藝可以比較快完成。外延與氧化工藝是VCSEL良率與光電特性好壞的關(guān)鍵關(guān)鍵技術(shù)二：氧化工藝這個技術(shù)是LED完全沒有的工藝，也是LED紅光發(fā)明人奧隆尼亞克（NickHolonyakJr.）發(fā)明的技術(shù)，如圖6所示，主要利用氧化工藝縮小諧振腔體積與發(fā)光面積，但是過去在做氧化工藝的時候，很難控制氧化的面積，只能先用樣品做氧化工藝，算出氧化速率，利用樣品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化工藝時間，這樣的生產(chǎn)非常不穩(wěn)定，良率與一致性都很難控制！精確控制氧化速度讓每個VCSEL芯片的諧振腔體積可以有良好的一致性，沒有過氧化或少氧化的問題，這樣在做陣列VCSEL模組的時候才會有精確的光電特性。即時監(jiān)控氧化面積是最好的方法，法國的AETTechnology公司設(shè)計了一臺可以利用砷化鋁（AlAs）氧化成氧化鋁（AlOx）之后材料折射率改變的反射光譜變化精確監(jiān)控氧化面積，這種精密控制氧化速率的設(shè)備，可以省去過去工程師用試錯修正來調(diào)試參數(shù)，對大量穩(wěn)定生產(chǎn)VCSEL芯片提供了最好的工具。法國AET科技公司推出的VCSEL即時監(jiān)控的氧化制程設(shè)備，讓VCSEL量產(chǎn)更穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)三：保護絕緣工藝跟LED一樣，最后只能保留焊線電極上沒有絕緣保護層在上面，由于激光二極管的功率密度更大，所以VCSEL更需要這樣的保護層。更重要的是為了不讓氧化工藝的AlAs層繼續(xù)向內(nèi)氧化影響諧振腔體積，造成激光特性突變，保護層的膜層質(zhì)量非常重要，尤其是側(cè)面覆蓋的致密性更為重要，過去都是用等離子加強氣相化學沉積機PECVD來鍍這層膜，但是為了要保持致密性需要較厚的膜層，但是膜層太厚會造成應(yīng)力過大影響器件可靠度！于是原子層沉積ALD技術(shù)開始取代PECVD成為最好的鍍膜工藝。ALD可以沉積跟VCSEL氧化層特性接近的氧化鋁（Al2O3）薄膜，而且側(cè)面鍍膜均勻，致密性高，最重要的是厚度很薄就可以完全絕緣保護芯片，除了VCSEL工藝以外，LED的倒裝芯片flipchip與IC的Fin-FET工藝都需要這樣的膜層，跟氧化技術(shù)一樣，國內(nèi)還無法提供這樣的設(shè)備，目前芬蘭的Picosun派克森公司與ApplyMaterial美國應(yīng)用材料公司提供這樣的設(shè)備與工藝。芬蘭Picosun派克森公司推出的ALD原子層沉積技術(shù)的設(shè)備，可以讓VCSEL的器件更穩(wěn)定VCSEL與EEL和LED相比較根據(jù)激光投影方向，半導(dǎo)體激光器可以分為兩類型：邊發(fā)射激光器（EEL）和VCSEL。EEL有兩種主要類型：a）FP激光器；b）DFB激光器。在FP激光器中，激光二極管是激光器，其反射鏡只是激光芯片末端的平面裂開表面。FP激光器主要用于低數(shù)據(jù)速率短距離傳輸；傳輸距離一般在20km以內(nèi)，速率一般在1.25G以內(nèi)。DFB激光二極管是在腔內(nèi)具有光柵結(jié)構(gòu)的激光器，其在整個腔中產(chǎn)生多次反射。它們主要用于高數(shù)據(jù)速率的長距離傳輸。與EEL相比，VCSEL提供更好的激光束質(zhì)量，更高的耦合效率和空腔反射率。此外，VCSEL能夠以二維陣列進行，使單個芯片可以包含數(shù)百個單獨的光源，以增加最大輸出功率和提升長遠的可靠性，EEL只能在簡單的一維陣列中進行。LED（發(fā)光二極管）在早期階段通常用于3D感應(yīng)技術(shù)。由于缺少諧振腔，LED激光束比VCSEL更為分散，耦合效率相對較低。而且，隨著VCSEL具有更高的精度，更小的尺寸，更低的功耗和更高的可靠性，越來越多的3D攝像機正在使用VCSEL。此外，VCSEL還具有其他一些重要優(yōu)勢：a）在晶圓形式中，它們可以在制造過程中的各個階段進行測試，從而產(chǎn)生更可控且可預(yù)測的生產(chǎn)良率，制造成本較其他激光技術(shù)為低；b）VCSEL可以使用傳統(tǒng)的低成本LED封裝來降低成本，現(xiàn)有應(yīng)用中亦可使用VCSEL取代LED；c）可以將VCSEL制造成一維或二維陣列以滿足特定的應(yīng)用需求；d）VCSELs的波長非常穩(wěn)定，對溫度變化的敏感度較EEL低5倍左右。VCSEL激光器能做什么？VCSEL基本原理就是傳遞空間三維信息，三維識別、手勢識別、虹膜識別、無人駕駛激光雷達等許多我們熟悉的應(yīng)用，都是通過它得以實現(xiàn)的。手勢識別虹膜識別無人駕駛雖然目前VCSEL激光器在消費電子領(lǐng)域的市場才剛剛起步，但是它在光通信、光互連、激光引信、激光顯示、光信號處理以及芯片級原子鐘等領(lǐng)域，早已獲得了廣泛的應(yīng)用。除此之外，它在近紅外波段的軍用領(lǐng)域起著主導(dǎo)作用，例如用于周邊和邊境安全的高功率照明、透過煙霧和爆炸進行成像以及遠程監(jiān)視等。VCSEL激光器市場有多大？市場研究機構(gòu)預(yù)測，2015年VCSEL(垂直腔面發(fā)射激光器)市場規(guī)模為9.546億美元，至2022年預(yù)計將增長至31.241億美元，2016~2022年期間的復(fù)合年增長率可達17.3%。VCSEL憑借其緊湊的尺寸、高可靠性、低功耗以及較低的制造成本而應(yīng)用廣泛。而汽車產(chǎn)業(yè)電氣系統(tǒng)對VCSEL的應(yīng)用增長，正推動整個VCSEL的市場增長。國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)化狀況如何？目前，全球范圍內(nèi)主要的設(shè)計者包括Finsar、Lumentum、PrincetonOptronics、Heptagon、ⅡⅥ等公司，它們在移動端VCSEL處于前沿的研發(fā)角色。由IQE、全新、聯(lián)亞光電等公司提供三五族化合物EPI外延硅片，然后由宏捷科(PrincetonOptronics合作方)、穩(wěn)懋(Heptagon合作方)等公司進行晶圓制造，再經(jīng)過聯(lián)鈞、硅品等公司的封測，便變成了獨立的VCSEL器件。然后由設(shè)計公司提供給意法半導(dǎo)體、德州儀器、英飛凌等綜合解決方案商，再提供給下游消費電子廠商。相比之下，光通訊領(lǐng)域中