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)的伊賀健一教授首次提出了垂直腔面發(fā)射激光器這一概念，當(dāng)時(shí)主要想通過(guò)縮短腔長(zhǎng)來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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，能夠制造出反射率極高的半導(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(chǎng)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?？梢砸姷揭訴CSEL為光源的光模塊。當(dāng)然除了最早涉足的光通信領(lǐng)域，VCSEL以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在功耗、制造成本、集成、散熱等方面的優(yōu)勢(shì)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(lái)（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(cè)、激光雷達(dá)、無(wú)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(wú)人機(jī)、掃地機(jī)器人、VR/AR、真無(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)的四分之一的兩種材料交替生長(zhǎng)而成，為了減小光學(xué)損耗，N型DBR的反射率接近100%，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(chǎng)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(lái)制作N/P型歐姆電極，電流經(jīng)過(guò)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(guò)程中使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）設(shè)備生長(zhǎng)外延材料、生長(zhǎng)外延結(jié)構(gòu)過(guò)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(zhǎng)過(guò)程中需要精確控制各層材料的生長(zhǎng)溫度、氣體流量、時(shí)間等條件，使得生長(zhǎng)的外延層結(jié)構(gòu)和組分滿足設(shè)計(jì)要求。外延生長(zhǎng)結(jié)束后，經(jīng)過(guò)一系列外延材料測(cè)試設(shè)備如光致熒光譜測(cè)試儀（PL）、X射線衍射儀（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）、擴(kuò)散濃度測(cè)試儀（ECV）等進(jìn)行測(cè)試，外延片如果滿足測(cè)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(cè)試、分選、抽樣老化及可靠性測(cè)試。

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