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産業 | 垂直腔面(miàn)發(fā)射激光器的産業發(fā)展
iPhone手機的一次應用，使國(guó)内的VCSEL産業突然爆發(fā)。2017年之前國(guó)内除了光通信領域有VCSEL商業化産品外，消費移動端幾乎無一國(guó)内供應商。然而，一年後(hòu)再看，長(cháng)光華芯、華芯半導體、縱慧芯光、睿熙科技等，已有數家崛起(qǐ)。
那麼(me)，備受關注的VCSEL，國(guó)内情況如何呢？
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VCSEL有何不同？
垂直腔面(miàn)發(fā)射激光器(VCSEL)，是指在襯底的垂直方向(xiàng)上構成(chéng)諧振腔，沿垂直方向(xiàng)上出射激光的一種(zhǒng)新型半導體激光器。自發(fā)明問世以來便在半導體激光器領域引起(qǐ)廣泛的關注，在激光光源領域一直占據著(zhe)重要的地位，成(chéng)爲近些年世界主要國(guó)家研究的熱門課題，并取得了重要進(jìn)展。
VCSEL與傳統的邊發(fā)射激光器（EEL）不同的是其激光出射方向(xiàng)垂直于襯底表面(miàn)，可獲得圓形光斑。由于諧振腔長(cháng)與波長(cháng)接近，動态單模性比較好(hǎo)，可在光通信、光存儲、激光顯示和照明等領域得到廣泛應用。其綜合了高光束質量的垂直腔面(miàn)發(fā)射激光器和高功率激光二極管抽運的固體激光器的優勢，可同時(shí)獲得高功率和高光束質量的激光輸出。
垂直腔面(miàn)發(fā)射激光器主要由上下分布布拉格反射鏡（DBR）及有源增益區組成(chéng)。
有源區兩(liǎng)側是限制層，一方面(miàn)是爲了限制載流子擴散，另一方面(miàn)爲了調節諧振腔長(cháng)度，使其諧振腔長(cháng)正好(hǎo)是所需要的激光波長(cháng)。上下反射鏡是由兩(liǎng)種(zhǒng)折射率不同的介質材料或半導體材料交替堆疊而成(chéng)。VCSEL結構示意圖如圖1所示，包括頂發(fā)射結構圖1（a）和底發(fā)射結構圖1（b）兩(liǎng)種(zhǒng)。
各半導體層是通過(guò)金屬有機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術在n型GaAs襯底上生長(cháng)而成(chéng)的。其主要由DBR作爲激光腔鏡，量子阱有源區（MQWs）夾在n-DBR和p-DBR之間，由于量子阱厚度小，單程增益很小，因此反射鏡的反射率較高，一般全反腔鏡反射率>99.9%，輸出腔鏡反射率通過(guò)理論計算設定最佳的耦合輸出率(一般也大于99%)，然後(hòu)在襯底和p-DBR外表面(miàn)制作金屬接觸層。并在p-DBR或n-DBR上制作一個圓形出光窗口，獲得圓形光束，窗口直徑從幾微米可到百微米量級，最後(hòu)放在導熱性好(hǎo)的熱沉上，提高芯片的散熱性能(néng)。由于GaAs襯底對(duì)800 nm附近的光有強吸收，所以在這(zhè)個波段的器件一般采取頂發(fā)射結構。底發(fā)射結構一般用于産生976 nm和1064 nm波段，爲了減少襯底的吸收損耗，通常要將(jiāng)襯底減薄到150 μm以下，再生長(cháng)一層增透膜，提高激光光束質量[1]。
VCSEL常用的原材料有砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）或氮化镓（GaN）等發(fā)光化合物半導體。VCSEL與其它半導體激光發(fā)光原理一樣(yàng)，首先是粒子數反轉，通過(guò)外加能(néng)量激發(fā)半導體的電子由價帶躍遷到導帶，實現粒子數反轉；當電子由導帶返回價帶時(shí)，將(jiāng)能(néng)量以光能(néng)的形式釋放出來，即受激輻射作用。然後(hòu)依靠上下兩(liǎng)個DBR反射鏡和增益物質組成(chéng)的諧振腔實現共振放大，諧振腔使激發(fā)出來的光在上下兩(liǎng)個DBR反射鏡之間反射，不停地通過(guò)有源區，使受激光多次能(néng)量反饋而形成(chéng)激光。
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VCSEL國(guó)内外進(jìn)展及應用
自1979年，Soda等提出了垂直腔面(miàn)發(fā)射激光器的概念以來，面(miàn)發(fā)射半導體激光器通過(guò)直接激發(fā)已可使輸出波長(cháng)覆蓋到從深紫外到數微米紅外的範圍。随著(zhe) VCSEL 的研究深入以及應用需求的拓展，VCSEL 在光通信、環境監測、新型科學(xué)應用、消費電子領域等發(fā)揮越來越重要的作用，世界上各研究機構以及公司都(dōu)對(duì)VCSEL激光器展開(kāi)研究，并推出了各有千秋的VCSEL産品。
在光通信領域，VCSEL激光器應用已經(jīng)成(chéng)爲趨勢，适用于高功率、高容量光通信的VCSEL産品不斷推出，而國(guó)内光通訊器件廠商則以光迅科技爲代表推出了商業化産品。
在環境監測領域，德國(guó)Vertilas公司推出氣體傳感器用VCSEL産品，具有多種(zhǒng)波長(cháng)，滿足大多數常用有害氣體的探測要求。
在新型科學(xué)應用領域，中科院長(cháng)春光機所于2014年在國(guó)内首次研制出堿金屬原子光學(xué)傳感技術專用的795 nm和894 nm VCSEL，當時(shí)，國(guó)外隻有個别實驗室和公司具有制作該類原子光學(xué)傳感器專用VCSEL的能(néng)力。
在消費電子領域，其行業技術門檻很高，受制于關鍵技術壁壘，目前國(guó)内有長(cháng)光華芯、華芯半導體、縱慧芯光、睿熙科技等生産出VCSEL激光芯片并進(jìn)行了小批量量産。
以VCSEL作爲核心元件的3D傳感的應用走入生活。2017年9月蘋果公司推出十周年紀念版新機型iPhone X，其搭載的3D傳感人臉識别成(chéng)爲業界熱捧的智能(néng)手機新功能(néng)，該功能(néng)離不開(kāi)3D傳感器，而3D傳感器的核心零部件，就(jiù)是VCSEL激光芯片。因此，3D傳感得以快速發(fā)展，VSCEL起(qǐ)到了至關重要的作用。
iPhone X中采用了VCSEL芯片的3個元件：點陣投射器、接近傳感器和泛光源，共使用了3顆VCSEL芯片。iPhone X在正面(miàn)屏幕上方的“劉海”處安裝了3D傳感系統，包括點陣投射器、泛光源、接近傳感器、紅外鏡頭、前置鏡頭等。如圖2所示，940 nm的VCSEL芯片安裝在DPC（Direct Plating Copper，直接鍍銅基闆）氮化鋁陶瓷基闆上，此基闆安裝于HTCC（ High-temperature co-fired ceramics，高溫共燒陶瓷發(fā)熱片）陶瓷基座底部；再利用組件側方的金屬連接器將(jiāng)主動式衍射光學(xué)元件的電極和陶瓷基闆中的集成(chéng)電路連接在一起(qǐ)；折疊光學(xué)元件位于VCSEL芯片與主動衍射光學(xué)元件之間，對(duì)近紅外光束進(jìn)行引導傳輸。
3D傳感原理就(jiù)是，接近傳感器VCSEL首先感知物體是否靠近手機。若有物體靠近，啓動泛光源——近紅外VCSEL進(jìn)行測距和輔助照明。泛光源發(fā)射紅外光束，通過(guò)折疊光學(xué)元件傳遞至衍射光學(xué)元件，將(jiāng)光束分爲30000多個激光點，照射到物體上後(hòu)，反射到紅外線鏡頭中，對(duì)物體的深度等進(jìn)行測量，如圖3所示。
2018年第二季度Android市場，分别推出了小米8透明探索版和OPPO Find X兩(liǎng)款集成(chéng)3D傳感技術的智能(néng)手機；華爲將(jiāng)于10月推出使用3D傳感技術的MATE20 pro；vivo則是今年年底推出NEX。在此背景下，VCSEL在3D傳感方面(miàn)的應用，帶來的相關商業機會(huì)有可能(néng)增加十倍以上。
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VCSEL有何不同？
垂直腔面(miàn)發(fā)射激光器(VCSEL)，是指在襯底的垂直方向(xiàng)上構成(chéng)諧振腔，沿垂直方向(xiàng)上出射激光的一種(zhǒng)新型半導體激光器。自發(fā)明問世以來便在半導體激光器領域引起(qǐ)廣泛的關注，在激光光源領域一直占據著(zhe)重要的地位，成(chéng)爲近些年世界主要國(guó)家研究的熱門課題，并取得了重要進(jìn)展。
VCSEL與傳統的邊發(fā)射激光器（EEL）不同的是其激光出射方向(xiàng)垂直于襯底表面(miàn)，可獲得圓形光斑。由于諧振腔長(cháng)與波長(cháng)接近，動态單模性比較好(hǎo)，可在光通信、光存儲、激光顯示和照明等領域得到廣泛應用。其綜合了高光束質量的垂直腔面(miàn)發(fā)射激光器和高功率激光二極管抽運的固體激光器的優勢，可同時(shí)獲得高功率和高光束質量的激光輸出。
垂直腔面(miàn)發(fā)射激光器主要由上下分布布拉格反射鏡（DBR）及有源增益區組成(chéng)。
有源區兩(liǎng)側是限制層，一方面(miàn)是爲了限制載流子擴散，另一方面(miàn)爲了調節諧振腔長(cháng)度，使其諧振腔長(cháng)正好(hǎo)是所需要的激光波長(cháng)。上下反射鏡是由兩(liǎng)種(zhǒng)折射率不同的介質材料或半導體材料交替堆疊而成(chéng)。VCSEL結構示意圖如圖1所示，包括頂發(fā)射結構圖1（a）和底發(fā)射結構圖1（b）兩(liǎng)種(zhǒng)。
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VCSEL有何不同？
垂直腔面(miàn)發(fā)射激光器(VCSEL)，是指在襯底的垂直方向(xiàng)上構成(chéng)諧振腔，沿垂直方向(xiàng)上出射激光的一種(zhǒng)新型半導體激光器。自發(fā)明問世以來便在半導體激光器領域引起(qǐ)廣泛的關注，在激光光源領域一直占據著(zhe)重要的地位，成(chéng)爲近些年世界主要國(guó)家研究的熱門課題，并取得了重要進(jìn)展。
VCSEL與傳統的邊發(fā)射激光器（EEL）不同的是其激光出射方向(xiàng)垂直于襯底表面(miàn)，可獲得圓形光斑。由于諧振腔長(cháng)與波長(cháng)接近，動态單模性比較好(hǎo)，可在光通信、光存儲、激光顯示和照明等領域得到廣泛應用。其綜合了高光束質量的垂直腔面(miàn)發(fā)射激光器和高功率激光二極管抽運的固體激光器的優勢，可同時(shí)獲得高功率和高光束質量的激光輸出。
垂直腔面(miàn)發(fā)射激光器主要由上下分布布拉格反射鏡（DBR）及有源增益區組成(chéng)。
有源區兩(liǎng)側是限制層，一方面(miàn)是爲了限制載流子擴散，另一方面(miàn)爲了調節諧振腔長(cháng)度，使其諧振腔長(cháng)正好(hǎo)是所需要的激光波長(cháng)。上下反射鏡是由兩(liǎng)種(zhǒng)折射率不同的介質材料或半導體材料交替堆疊而成(chéng)。VCSEL結構示意圖如圖1所示，包括頂發(fā)射結構圖1（a）和底發(fā)射結構圖1（b）兩(liǎng)種(zhǒng)。
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VCSEL，尚待解決的問題
衆所周知，VCSEL具有很大的市場潛力，國(guó)内已湧現一批從事(shì)該領域研究與生産的企業。隻是，國(guó)内的VCSEL産業仍存在一些尚待解決的問題。
從生産工序上來說(shuō)，VCSEL芯片的生産工序非常複雜，累計工序超過(guò)上百道(dào)，全結構有200多層薄膜，厚度僅達微米級。一般說(shuō)來，外延層厚度的1％差異將(jiāng)導緻10 nm的波長(cháng)偏差。如何精準控制如此多層的外延工藝是決定器件性能(néng)好(hǎo)壞的關鍵因素，也是VCSEL最難攻克的技術難題。
從晶圓制造工藝上來說(shuō)，光通信領域的VCSEL常采用3英寸或4英寸晶圓制造工藝，但是消費電子行業則需要6英寸晶圓制造工藝，以及更大的VCSEL陣列，才能(néng)達到降低成(chéng)本的目的。保證高均勻性的6英寸晶圓制作工藝的研制也是目前的主要挑戰。
從國(guó)内企業生産模式看來，芯片自主設計，而最核心的外延和流片環節采用外包的模式。長(cháng)光華芯常務副總經(jīng)理兼CTO王俊博士在一次采訪中指出，這(zhè)種(zhǒng)模式導緻從芯片設計到完成(chéng)後(hòu)性能(néng)反饋周期過(guò)長(cháng)，很不利于芯片的工藝改進(jìn)。國(guó)外頂尖的半導體激光器公司如Lumentum、II－VI等，都(dōu)擁有完整的芯片生産工藝平台，能(néng)夠高效地對(duì)工藝流程進(jìn)行控制，縮短芯片研發(fā)和改良周期。因此，在這(zhè)樣(yàng)一個對(duì)技術、人才、資本密集型的領域，企業需要認識到實際差距，聚焦芯片外延和流片環節，培育完整的産業鏈。
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展望
随著(zhe)市場對(duì)VCSEL的需要日益多樣(yàng)化，國(guó)内外各大公司以及研究機構均順應潮流對(duì)其進(jìn)行深入研究，優化VCSEL性能(néng)以及提高輸出功率。面(miàn)光源現在是初級的階段。相信在不久的未來，VCSEL將(jiāng)會(huì)有更好(hǎo)的發(fā)展，爲我們的生活提供更多的便利。