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产业 | 垂直腔面发射激光器的产业发展

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【摘要】:
iPhone手机的一次应用,使国内的VCSEL产业突然爆发。2017年之前国内除了光通信领域有VCSEL商业化产品外,消费移动端几乎无一国内供应商。然而,一年后再看,长光华芯、华芯半导体、纵慧芯光、睿熙科技等,已有数家崛起。 那么,备受关注的VCSEL,国内情况如何呢?  1 VCSEL有何不同?垂直腔面发射激光器(VCSEL),是指在衬底的垂直方向上构成谐振腔,沿垂直方向上出射激光的一种新型半导

iPhone手机的一次应用,使国内的VCSEL产业突然爆发。2017年之前国内除了光通信领域有VCSEL商业化产品外,消费移动端几乎无一国内供应商。然而,一年后再看,长光华芯、华芯半导体、纵慧芯光、睿熙科技等,已有数家崛起。

 

那么,备受关注的VCSEL,国内情况如何呢?

 

 

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VCSEL有何不同?

垂直腔面发射激光器(VCSEL),是指在衬底的垂直方向上构成谐振腔,沿垂直方向上出射激光的一种新型半导体激光器。自发明问世以来便在半导体激光器领域引起广泛的关注,在激光光源领域一直占据着重要的地位,成为近些年世界主要国家研究的热门课题,并取得了重要进展。

 

VCSEL与传统的边发射激光器(EEL)不同的是其激光出射方向垂直于衬底表面,可获得圆形光斑。由于谐振腔长与波长接近,动态单模性比较好,可在光通信、光存储、激光显示和照明等领域得到广泛应用。其综合了高光束质量的垂直腔面发射激光器和高功率激光二极管抽运的固体激光器的优势,可同时获得高功率和高光束质量的激光输出。

 

垂直腔面发射激光器主要由上下分布布拉格反射镜(DBR)及有源增益区组成。

 

有源区两侧是限制层,一方面是为了限制载流子扩散,另一方面为了调节谐振腔长度,使其谐振腔长正好是所需要的激光波长。上下反射镜是由两种折射率不同的介质材料或半导体材料交替堆叠而成。VCSEL结构示意图如图1所示,包括顶发射结构图1(a)和底发射结构图1(b)两种。

各半导体层是通过金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术在n型GaAs衬底上生长而成的。其主要由DBR作为激光腔镜,量子阱有源区(MQWs)夹在n-DBR和p-DBR之间,由于量子阱厚度小,单程增益很小,因此反射镜的反射率较高,一般全反腔镜反射率>99.9%,输出腔镜反射率通过理论计算设定最佳的耦合输出率(一般也大于99%),然后在衬底和p-DBR外表面制作金属接触层。并在p-DBR或n-DBR上制作一个圆形出光窗口,获得圆形光束,窗口直径从几微米可到百微米量级,最后放在导热性好的热沉上,提高芯片的散热性能。由于GaAs衬底对800 nm附近的光有强吸收,所以在这个波段的器件一般采取顶发射结构。底发射结构一般用于产生976 nm和1064 nm波段,为了减少衬底的吸收损耗,通常要将衬底减薄到150 μm以下,再生长一层增透膜,提高激光光束质量[1]

 

VCSEL常用的原材料有砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)或氮化镓(GaN)等发光化合物半导体。VCSEL与其它半导体激光发光原理一样,首先是粒子数反转,通过外加能量激发半导体的电子由价带跃迁到导带,实现粒子数反转;当电子由导带返回价带时,将能量以光能的形式释放出来,即受激辐射作用。然后依靠上下两个DBR反射镜和增益物质组成的谐振腔实现共振放大,谐振腔使激发出来的光在上下两个DBR反射镜之间反射,不停地通过有源区,使受激光多次能量反馈而形成激光。

 

 

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VCSEL国内外进展及应用

 

自1979年,Soda等提出了垂直腔面发射激光器的概念以来,面发射半导体激光器通过直接激发已可使输出波长覆盖到从深紫外到数微米红外的范围。随着 VCSEL 的研究深入以及应用需求的拓展,VCSEL 在光通信、环境监测、新型科学应用、消费电子领域等发挥越来越重要的作用,世界上各研究机构以及公司都对VCSEL激光器展开研究,并推出了各有千秋的VCSEL产品。

 

在光通信领域,VCSEL激光器应用已经成为趋势,适用于高功率、高容量光通信的VCSEL产品不断推出,而国内光通讯器件厂商则以光迅科技为代表推出了商业化产品。 

 

在环境监测领域,德国Vertilas公司推出气体传感器用VCSEL产品,具有多种波长,满足大多数常用有害气体的探测要求。

 

在新型科学应用领域,中科院长春光机所于2014年在国内首次研制出碱金属原子光学传感技术专用的795 nm和894 nm VCSEL,当时,国外只有个别实验室和公司具有制作该类原子光学传感器专用VCSEL的能力。

 

在消费电子领域,其行业技术门槛很高,受制于关键技术壁垒,目前国内有长光华芯、华芯半导体、纵慧芯光、睿熙科技等生产出VCSEL激光芯片并进行了小批量量产。

 

以VCSEL作为核心元件的3D传感的应用走入生活。2017年9月苹果公司推出十周年纪念版新机型iPhone X,其搭载的3D传感人脸识别成为业界热捧的智能手机新功能,该功能离不开3D传感器,而3D传感器的核心零部件,就是VCSEL激光芯片。因此,3D传感得以快速发展,VSCEL起到了至关重要的作用。

 

iPhone X中采用了VCSEL芯片的3个元件:点阵投射器、接近传感器和泛光源,共使用了3颗VCSEL芯片。iPhone X在正面屏幕上方的“刘海”处安装了3D传感系统,包括点阵投射器、泛光源、接近传感器、红外镜头、前置镜头等。如图2所示,940 nm的VCSEL芯片安装在DPC(Direct Plating Copper,直接镀铜基板)氮化铝陶瓷基板上,此基板安装于HTCC( High-temperature co-fired ceramics,高温共烧陶瓷发热片)陶瓷基座底部;再利用组件侧方的金属连接器将主动式衍射光学元件的电极和陶瓷基板中的集成电路连接在一起;折叠光学元件位于VCSEL芯片与主动衍射光学元件之间,对近红外光束进行引导传输。

3D传感原理就是,接近传感器VCSEL首先感知物体是否靠近手机。若有物体靠近,启动泛光源——近红外VCSEL进行测距和辅助照明。泛光源发射红外光束,通过折叠光学元件传递至衍射光学元件,将光束分为30000多个激光点,照射到物体上后,反射到红外线镜头中,对物体的深度等进行测量,如图3所示。

2018年第二季度Android市场,分别推出了小米8透明探索版和OPPO Find X两款集成3D传感技术的智能手机;华为将于10月推出使用3D传感技术的MATE20 pro;vivo则是今年年底推出NEX。在此背景下,VCSEL在3D传感方面的应用,带来的相关商业机会有可能增加十倍以上。

 

 

转载自: 光电汇OESHOW

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VCSEL有何不同?

垂直腔面发射激光器(VCSEL),是指在衬底的垂直方向上构成谐振腔,沿垂直方向上出射激光的一种新型半导体激光器。自发明问世以来便在半导体激光器领域引起广泛的关注,在激光光源领域一直占据着重要的地位,成为近些年世界主要国家研究的热门课题,并取得了重要进展。

 

VCSEL与传统的边发射激光器(EEL)不同的是其激光出射方向垂直于衬底表面,可获得圆形光斑。由于谐振腔长与波长接近,动态单模性比较好,可在光通信、光存储、激光显示和照明等领域得到广泛应用。其综合了高光束质量的垂直腔面发射激光器和高功率激光二极管抽运的固体激光器的优势,可同时获得高功率和高光束质量的激光输出。

 

垂直腔面发射激光器主要由上下分布布拉格反射镜(DBR)及有源增益区组成。

 

有源区两侧是限制层,一方面是为了限制载流子扩散,另一方面为了调节谐振腔长度,使其谐振腔长正好是所需要的激光波长。上下反射镜是由两种折射率不同的介质材料或半导体材料交替堆叠而成。VCSEL结构示意图如图1所示,包括顶发射结构图1(a)和底发射结构图1(b)两种。

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VCSEL有何不同?

垂直腔面发射激光器(VCSEL),是指在衬底的垂直方向上构成谐振腔,沿垂直方向上出射激光的一种新型半导体激光器。自发明问世以来便在半导体激光器领域引起广泛的关注,在激光光源领域一直占据着重要的地位,成为近些年世界主要国家研究的热门课题,并取得了重要进展。

 

VCSEL与传统的边发射激光器(EEL)不同的是其激光出射方向垂直于衬底表面,可获得圆形光斑。由于谐振腔长与波长接近,动态单模性比较好,可在光通信、光存储、激光显示和照明等领域得到广泛应用。其综合了高光束质量的垂直腔面发射激光器和高功率激光二极管抽运的固体激光器的优势,可同时获得高功率和高光束质量的激光输出。

 

垂直腔面发射激光器主要由上下分布布拉格反射镜(DBR)及有源增益区组成。

 

有源区两侧是限制层,一方面是为了限制载流子扩散,另一方面为了调节谐振腔长度,使其谐振腔长正好是所需要的激光波长。上下反射镜是由两种折射率不同的介质材料或半导体材料交替堆叠而成。VCSEL结构示意图如图1所示,包括顶发射结构图1(a)和底发射结构图1(b)两种。

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VCSEL,尚待解决的问题

 

众所周知,VCSEL具有很大的市场潜力,国内已涌现一批从事该领域研究与生产的企业。只是,国内的VCSEL产业仍存在一些尚待解决的问题。

 

从生产工序上来说,VCSEL芯片的生产工序非常复杂,累计工序超过上百道,全结构有200多层薄膜,厚度仅达微米级。一般说来,外延层厚度的1%差异将导致10 nm的波长偏差。如何精准控制如此多层的外延工艺是决定器件性能好坏的关键因素,也是VCSEL最难攻克的技术难题。

 

从晶圆制造工艺上来说,光通信领域的VCSEL常采用3英寸或4英寸晶圆制造工艺,但是消费电子行业则需要6英寸晶圆制造工艺,以及更大的VCSEL阵列,才能达到降低成本的目的。保证高均匀性的6英寸晶圆制作工艺的研制也是目前的主要挑战。

 

从国内企业生产模式看来,芯片自主设计,而最核心的外延和流片环节采用外包的模式。长光华芯常务副总经理兼CTO王俊博士在一次采访中指出,这种模式导致从芯片设计到完成后性能反馈周期过长,很不利于芯片的工艺改进。国外顶尖的半导体激光器公司如Lumentum、II-VI等,都拥有完整的芯片生产工艺平台,能够高效地对工艺流程进行控制,缩短芯片研发和改良周期。因此,在这样一个对技术、人才、资本密集型的领域,企业需要认识到实际差距,聚焦芯片外延和流片环节,培育完整的产业链。

 

 

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展望

 

随着市场对VCSEL的需要日益多样化,国内外各大公司以及研究机构均顺应潮流对其进行深入研究,优化VCSEL性能以及提高输出功率。面光源现在是初级的阶段。相信在不久的未来,VCSEL将会有更好的发展,为我们的生活提供更多的便利。

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