萊森光學(xué)（深圳）有限公司
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閱讀：1145發(fā)布時(shí)間：2022-10-8
43年后，從光通信到消費(fèi)電子，VCSEL火了
其實(shí)早在VCSEL面世之前，半導(dǎo)體激光器已經(jīng)發(fā)展了很多年，其主要代表就是傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器。1977年，日本東京工業(yè)大學(xué)的伊賀健一教授提出了垂直腔面發(fā)射激光器這一概念，當(dāng)時(shí)主要想通過縮短腔長來獲得穩(wěn)定輸出的單縱模半導(dǎo)體激光器，但由于這種設(shè)計(jì)單程增益長度短，很難獲得激光激射，因此VCSEL早期的研究十分緩慢。
兩年后，伊賀健一教授使用液相外延技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了77 K溫度下GaInAsP系列激光器脈沖激射。1988年采用有機(jī)化學(xué)氣相沉積技術(shù)生長外延材料實(shí)現(xiàn)了室溫條件下連續(xù)工作的GaAs系列VCSEL。隨著外延技術(shù)的不斷發(fā)展，能夠制造出反射率的半導(dǎo)體DBR結(jié)構(gòu)，這大大加快了VCSEL的研究進(jìn)程。到20世紀(jì)末，在研究機(jī)構(gòu)嘗試不同結(jié)構(gòu)以后，此時(shí)也基本確定了氧化限制型結(jié)構(gòu)VCSEL的主流地位，其后，就進(jìn)入了成熟及性能不斷優(yōu)化提高的階段。
隨著VCSEL商業(yè)化對(duì)各光通信領(lǐng)域的滲透，為了滿足在各種場景下的應(yīng)用，高速率、低功耗、寬工作溫度范圍成為光通信VCSEL優(yōu)化發(fā)展的新方向[2]。VCSEL 從誕生之日起就作為新一代光存儲(chǔ)和光通信應(yīng)用的核心器件，應(yīng)用在光并行處理、光識(shí)別、光互聯(lián)系統(tǒng)、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域，數(shù)據(jù)中心、超算中心等機(jī)架間連接?？梢砸姷揭?/span>VCSEL為光源的光模塊。
當(dāng)然除了涉足的光通信領(lǐng)域，VCSEL以其的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在功耗、制造成本、集成、散熱等方面的優(yōu)勢開始顯現(xiàn)，也廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域和消費(fèi)電子領(lǐng)域，特別是自2017年蘋果公司發(fā)布帶有Face ID功能的iPhone X以來（其3D攝像頭模組中主動(dòng)紅外投射點(diǎn)陣光源為結(jié)構(gòu)光VCSEL），VCSEL在消費(fèi)電子、安防、激光雷達(dá)等領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，到現(xiàn)在幾乎成了各個(gè)領(lǐng)域近紅外光學(xué)傳感的寵兒。
工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域常見的應(yīng)用有激光加工、醫(yī)療美容、環(huán)境監(jiān)測、激光雷達(dá)、無人商店、智能門鎖、安防攝像頭、安防閘機(jī)等。消費(fèi)電子領(lǐng)域包括激光鼠標(biāo)、手機(jī)、平板電腦、無人機(jī)、掃地機(jī)器人、VR/AR、真無線藍(lán)牙耳機(jī)、3D游戲機(jī)等等。
VCSEL的制造，不易
VCSEL結(jié)構(gòu)一般由上、下布拉格反射鏡(DBR)和中間有源區(qū)三部分組成，其典型的外延結(jié)構(gòu)如圖1所示從下到上依次是襯底、N型接觸層、N型DBR、量子阱有源區(qū)、P型DBR、P型接觸層。
其中有源區(qū)為器件最重要的組成部分，由于VCSEL腔長極短，需要腔內(nèi)有源介質(zhì)對(duì)激射模式提供較大的增益補(bǔ)償。
對(duì)于電流注入型VCSEL多采用多量子阱結(jié)構(gòu)提高材料的微分增益。DBR反射鏡一般由折射率不同且厚度為光波長的四分之一的兩種材料交替生長而成，為了減小光學(xué)損耗，N型DBR的反射率接近99%，可作為諧振腔的全反射鏡，而P型DBR反射率相對(duì)較低，可作為諧振腔的出射鏡。其中P型DBR中有一層或多層高鋁組分AlGaAs層作為氧化限制層（圖1中為雙氧化層結(jié)構(gòu)）。
采用多氧化層結(jié)構(gòu)可以降低VCSEL器件的結(jié)電容，提高其調(diào)制帶寬。橫向電流和光場限制氧化孔徑大小取決于器件整體性能設(shè)計(jì)，將影響器件閾值電流、峰值功率等關(guān)鍵參數(shù)。VCSEL的N/P型接觸層用來制作N/P型歐姆電極，電流經(jīng)過歐姆電極注入器件半導(dǎo)體材料。
VCSEL是半導(dǎo)體激光器的一種，其工作原理與其他半導(dǎo)體激光器本質(zhì)上是相同的，只是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有些許區(qū)別，比如在激光出射面上有別于邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器。
激光器就是利用半導(dǎo)體中的電子光躍遷引起光子受激發(fā)射而產(chǎn)生光振蕩器和光放大器的總稱，其產(chǎn)生激光同樣要滿足以下三個(gè)基本條件：
1）建立有源區(qū)內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布；
2）合適的諧振腔使受激輻射在其中得到多次反饋形成激光振蕩；
3）提供足夠強(qiáng)的電流注入使得光增益大于或者等于各種損耗之和，滿足一定的電流閾值條件。
三個(gè)基本條件對(duì)應(yīng)著VCSEL器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念。VCSEL的有源區(qū)使用應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，建立起實(shí)現(xiàn)內(nèi)部載流子反轉(zhuǎn)分布的基礎(chǔ)，同時(shí)設(shè)計(jì)合適的反射率的諧振腔使輻射出的光子形成相干振蕩，最后提供足夠強(qiáng)的注入電流使得光子能夠克服器件自身的各種損耗形成激射。
實(shí)際制造過程中使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）設(shè)備生長外延材料、生長外延結(jié)構(gòu)過程中，以4寸半絕緣砷化鎵作為外延襯底層，三甲基甲（TMGa）、三甲基鋁（TMAl）、三甲基銦（TMIn）作為Ⅲ族源，砷烷（AsH3）作為Ⅴ族源，硅烷（SiH4）作為N型摻雜源，四溴化碳（CBr4）作為P型摻雜源。
外延生長過程中需要精確控制各層材料的生長溫度、氣體流量、時(shí)間等條件，使得生長的外延層結(jié)構(gòu)和組分滿足設(shè)計(jì)要求。外延生長結(jié)束后，經(jīng)過一系列外延材料測試設(shè)備如光致熒光譜測試儀（PL）、X射線衍射儀（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）、擴(kuò)散濃度測試儀（ECV）等進(jìn)行測試，外延片如果滿足測試要求，那么就得到了合格的VCSEL外延片。
然后利用斷點(diǎn)監(jiān)控電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)和精確濕法氧化控制技術(shù)等芯片制造技術(shù)，最后得到高速雙臺(tái)面同面電極結(jié)構(gòu)VCSEL陣列芯片。隨后再進(jìn)行芯片解理、測試、分選、抽樣老化及可靠性測試。
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