VCSEL雷射器是什麼?它很厲害嗎?

蘋果發布了帶Face ID的iPhone X之後，VCSEL雷射器引發大家的關注。近日，光器件行業老二Lumentum以18億美元(現金加股票)的價格拿下行業老三Oclaro。VCSEL晶片需求暴增無疑加速了這場併購。

什麼是VCSEL雷射器？

VCSEL雷射器全名為垂直共振腔表面放射雷射器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL），簡稱面射型雷射器。它以砷化鎵半導體材料為基礎研製，是一種半導體雷射器。其雷射垂直於頂面射出，與雷射由邊緣射出的邊射型雷射有所不同。因此相較於邊射型雷射器，VCSEL雷射器具有低閾值電流、穩定單波長工作、可高頻調製、容易二維集成、沒有腔面閾值損傷等優點，在半導體雷射器中佔有很重要的地位。

邊發射雷射器和面發射雷射器VCSEL

VCSEL 晶片基本結構

VCSEL 的結構示意圖如下圖所示。它是在由高、低折射率介質材料交替生長成的分布布喇格反射器（DBR）之間連續生長單個或多個量子阱有源區所構成。典型的量子阱數目為 3~5 個，它們被置於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，雷射束從頂部透明窗口輸出。

實際上，要完成低閾值電流工作，和一般的條型半導體雷射器一樣，必須使用很強的電流收斂結構，同時進行光約束和截流子約束。由上圖可見， VCSEL 的半導體多層模反射鏡 DBR 是由 GaAs/AlAs 構成的，經蝕刻使之成為 air-post（臺面）結構。在高溫水蒸汽中將 AlAs 層氧化，變為有絕緣性的 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構。對 VCSEL 的設計集中在高反射率、低損耗的 DBR 和有源區在腔內的位置。

VCSEL的結構與關鍵工藝介紹

VCSEL有幾個關鍵工藝，這幾個關鍵工藝決定了器件的特性與可靠性。

關鍵技術一：VCSEL外延

銦鎵砷InGaAs井（well）鋁鎵砷AlGaAs壘（barrier）的多量子阱（MQW）發光層是最合適的，跟LED用In來調變波長一樣，3D傳感技術使用的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雷射器是850納米波長，普遍使用於光通信的末端主動元件。

發光層上、下兩邊分別由四分之一發光波長厚度的高、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，這主要取決於襯底材料對所發出的雷射是否透明，例如940納米雷射由於砷化鎵襯底不吸收940納米的光，所以設計成襯底面發光，850納米設計成正面發光，一般不發射光的一面的反射率在99.9%以上，發射光一面的反射率為99%，目前的AlGaAs鋁鎵砷結構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），由於後續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，這樣後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鍵

關鍵技術二：氧化工藝

這個技術是LED完全沒有的工藝，也是LED紅光發明人奧隆尼亞克（Nick Holonyak Jr.）發明的技術，如圖6所示，主要利用氧化工藝縮小諧振腔體積與發光面積，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，這樣的生產非常不穩定，良率與一致性都很難控制！精確控制氧化速度讓每個VCSEL晶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。

即時監控氧化面積是最好的方法，法國的AET Technology公司設計了一臺可以利用砷化鋁（AlAs）氧化成氧化鋁（AlOx）之後材料折射率改變的反射光譜變化精確監控氧化面積，這種精密控制氧化速率的設備，可以省去過去工程師用試錯修正來調試參數，對大量穩定生產VCSEL晶片提供了最好的工具。

法國AET科技公司推出的VCSEL即時監控的氧化製程設備，讓VCSEL量產更穩定

關鍵技術三：保護絕緣工藝

跟LED一樣，最後只能保留焊線電極上沒有絕緣保護層在上面，由於雷射二極體的功率密度更大，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層繼續向內氧化影響諧振腔體積，造成雷射特性突變，保護層的膜層質量非常重要，尤其是側面覆蓋的緻密性更為重要，過去都是用等離子加強氣相化學沉積機PECVD來鍍這層膜，但是為了要保持緻密性需要較厚的膜層，但是膜層太厚會造成應力過大影響器件可靠度！於是原子層沉積ALD技術開始取代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，而且側面鍍膜均勻，緻密性高，最重要的是厚度很薄就可以完全絕緣保護晶片，除了VCSEL工藝以外，LED的倒裝晶片flip chip與IC的Fin-FET工藝都需要這樣的膜層，跟氧化技術一樣，國內還無法提供這樣的設備，目前芬蘭的Picosun派克森公司與Apply Material美國應用材料公司提供這樣的設備與工藝。

芬蘭Picosun派克森公司推出的ALD原子層沉積技術的設備，可以讓VCSEL的器件更穩定

VCSEL與EEL和LED相比較

根據雷射投影方向，半導體雷射器可以分為兩類型：邊發射雷射器（EEL）和VCSEL。EEL有兩種主要類型：a）FP雷射器；b）DFB雷射器。

在FP雷射器中，雷射二極體是雷射器，其反射鏡只是雷射晶片末端的平面裂開表面。FP雷射器主要用於低數據速率短距離傳輸；傳輸距離一般在20km以內，速率一般在1.25G以內。DFB雷射二極體是在腔內具有光柵結構的雷射器，其在整個腔中產生多次反射。它們主要用於高數據速率的長距離傳輸。

與EEL相比，VCSEL提供更好的雷射束質量，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，使單個晶片可以包含數百個單獨的光源，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（發光二極體）在早期階段通常用於3D感應技術。由於缺少諧振腔，LED雷射束比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勢：

a）在晶圓形式中，它們可以在製造過程中的各個階段進行測試，從而產生更可控且可預測的生產良率，製造成本較其他雷射技術為低；

b）VCSEL可以使用傳統的低成本LED封裝來降低成本，現有應用中亦可使用VCSEL取代LED；

c）可以將VCSEL製造成一維或二維陣列以滿足特定的應用需求；

d）VCSELs的波長非常穩定，對溫度變化的敏感度較EEL低5倍左右。

VCSEL雷射器能做什麼 ？

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、無人駕駛雷射雷達等許多我們熟悉的應用，都是通過它得以實現的。

手勢識別

虹膜識別

無人駕駛

雖然目前VCSEL雷射器在消費電子領域的市場才剛剛起步，但是它在光通信、光互連、雷射引信、雷射顯示、光信號處理以及晶片級原子鐘等領域，早已獲得了廣泛的應用。除此之外，它在近紅外波段的軍用領域起著主導作用，例如用於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視等。

VCSEL雷射器市場有多大？

市場研究機構預測，2015年VCSEL(垂直腔面發射雷射器)市場規模為9.546億美元，至2022年預計將增長至31.241億美元，2016~2022年期間的複合年增長率可達17.3%。VCSEL憑藉其緊湊的尺寸、高可靠性、低功耗以及較低的製造成本而應用廣泛。而汽車產業電氣系統對VCSEL的應用增長，正推動整個VCSEL的市場增長。

國內外產業化狀況如何？

目前，全球範圍內主要的設計者包括Finsar、Lumentum、Princeton Optronics、Heptagon、ⅡⅥ等公司，它們在移動端VCSEL處於前沿的研發角色。由IQE、全新、聯亞光電等公司提供三五族化合物EPI外延矽片，然後由宏捷科(Princeton Optronics合作方)、穩懋(Heptagon 合作方)等公司進行晶圓製造，再經過聯鈞、矽品等公司的封測，便變成了獨立的VCSEL 器件。然後由設計公司提供給意法半導體、德州儀器、英飛凌等綜合解決方案商，再提供給下遊消費電子廠商。

相比之下，光通訊領域中，國內光通訊器件廠商光迅科技已有VCSEL商業化產品推出，但是在消費電子領域，國內尚無一家擁有VCSEL晶片量產能力的企業。科研領域中，中科院長春光機所在VCSEL的研究處於世界前沿地位。2014年5月長春光機所在國內首次研製出鹼金屬原子光學傳感技術專用的795 nm和894 nm VCSEL雷射器，可作為核心光源用於晶片級原子鐘、原子磁力計、原子陀螺儀等鹼金屬原子傳感器。