VCSEL激光器技术科普!

2019-10-14
14:00:43
来源: 半导体行业观察


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内容来自公众号「Research」,谢谢。


苹果发布了带Face ID的iPhone X之后,VCSEL激光器引发大家的关注。


近日,光器件行业老二Lumentum以18亿美元(现金加股票)的价格拿下行业老三Oclaro。


VCSEL芯片需求暴增无疑加速了这场并购。

VCSEL激光器技术科普!




什么是VCSEL激光器?











VCSEL激光器全名为垂直共振腔表面放射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL),简称面射型激光器。


它以砷化镓半导体材料为基础研制,是一种半导体激光器。


其激光垂直于顶面射出,与激光由边缘射出的边射型激光有所不同。


因此相较于边射型激光器,VCSEL激光器具有低阈值电流、稳定单波长工作、可高频调制、容易二维集成、没有腔面阈值损伤等优点,在半导体激光器中占有很重要的地位。

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边发射激光器和面发射激光器VCSEL





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VCSEL 芯片基本结构













VCSEL 的结构示意图如下图所示。


它是在由高、低折射率介质材料交替生长成的分布布喇格反射器(DBR)之间连续生长单个或多个量子阱有源区所构成。


典型的量子阱数目为 3~5 个,它们被置于驻波场的最大处附近,以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。


在底部还镀有金属层以加强下面 DBR 的光反馈作用,激光束从顶部透明窗口输出。




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实际上,要完成低阈值电流工作,和一般的条型半导体激光器一样,必须使用很强的电流收敛结构,同时进行光约束和截流子约束。


由上图可见, VCSEL 的半导体多层模反射镜 DBR 是由 GaAs/AlAs 构成的,经蚀刻使之成为 air-post(台面)结构。


在高温水蒸汽中将 AlAs 层氧化,变为有绝缘性的 AlxOy 层,其折射率也大大降低,因而成为把光、载流子限制在垂直方向的结构。


对 VCSEL 的设计集中在高反射率、低损耗的 DBR 和有源区在腔内的位置。

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VCSEL的结构与关键工艺介绍













VCSEL有几个关键工艺,这几个关键工艺决定了器件的特性与可靠性。




关键技术一:




VCSEL外延






銦镓砷InGaAs井(well)铝镓砷AlGaAs垒(barrier)的多量子阱(MQW)发光层是最合适的,跟LED用In来调变波长一样,3D传感技术使用的940纳米波长VCSEL的銦In组分大约是20%,当銦In组分是零的时候,外延工艺比较简单,所以最成熟的VCSEL激光器是850纳米波长,普遍使用于光通信的末端主动元件。


发光层上、下两边分别由四分之一发光波长厚度的高、低折射率交替的外延层形成p-DBR与n-DBR,一般要形成高反射率有两个条件,第一是高低折射率材料对数够多,第二是高低折射率材料的折射率差别越大,出射光方向可以是顶部或衬底,这主要取决于衬底材料对所发出的激光是否透明,例如940纳米激光由于砷化镓衬底不吸收940纳米的光,所以设计成衬底面发光,850纳米设计成正面发光,一般不发射光的一面的反射率在99.9%以上,发射光一面的反射率为99%,目前的AlGaAs铝镓砷结构VCSEL大部分是用高铝(90%)的Al0.9GaAs层与低铝(10%)Al0.1GaAs层交替的DBR,反射面需要30对以上的DBR(一般是30~35对才能到达99.9%反射率),出光面至少要24~25对DBR(99%反射率),由于后续需要氧化工艺来缩小谐振腔体积与出光面积,所以在接近发光层的p-DBR膜层的高铝层需要使用全铝的砷化铝AlAs材料,这样后面的氧化工艺可以比较快完成。

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外延与氧化工艺是VCSEL良率与光电特性好坏的关键










关键技术二:




氧化工艺






这个技术是LED完全没有的工艺,也是LED红光发明人奥隆尼亚克(Nick Holonyak Jr.)发明的技术,如图6所示,主要利用氧化工艺缩小谐振腔体积与发光面积,但是过去在做氧化工艺的时候,很难控制氧化的面积,只能先用样品做氧化工艺,算出氧化速率,利用样品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化工艺时间,这样的生产非常不稳定,良率与一致性都很难控制!


精确控制氧化速度让每个VCSEL芯片的谐振腔体积可以有良好的一致性,没有过氧化或少氧化的问题,这样在做阵列VCSEL模组的时候才会有精确的光电特性。


即时监控氧化面积是最好的方法,法国的AET Technology公司设计了一台可以利用砷化铝(AlAs)氧化成氧化铝(AlOx)之后材料折射率改变的反射光谱变化精确监控氧化面积,这种精密控制氧化速率的设备,可以省去过去工程师用试错修正来调试参数,对大量稳定生产VCSEL芯片提供了最好的工具。

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法国AET科技公司推出的VCSEL即时监控的氧化制程设备,让VCSEL量产更稳定








关键技术三:




保护绝缘工艺






跟LED一样,最后只能保留焊线电极上没有绝缘保护层在上面,由于激光二极管的功率密度更大,所以VCSEL更需要这样的保护层,更重要的是为了不让氧化工艺的AlAs层继续向内氧化影响谐振腔体积,造成激光特性突变,保护层的膜层质量非常重要,尤其是侧面覆盖的致密性更为重要,过去都是用等离子加强气相化学沉积机PECVD来镀这层膜,但是为了要保持致密性需要较厚的膜层,但是膜层太厚会造成应力过大影响器件可靠度!


于是原子层沉积ALD技术开始取代PECVD成为最好的镀膜工艺。


ALD可以沉积跟VCSEL氧化层特性接近的氧化铝(Al2O3)薄膜,而且侧面镀膜均匀,致密性高,最重要的是厚度很薄就可以完全绝缘保护芯片,除了VCSEL工艺以外,LED的倒装芯片flip chip与IC的Fin-FET工艺都需要这样的膜层,跟氧化技术一样,国内还无法提供这样的设备,目前芬兰的Picosun派克森公司与Apply Material美国应用材料公司提供这样的设备与工艺。

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芬兰Picosun派克森公司推出的ALD原子层沉积技术的设备,可以让VCSEL的器件更稳定





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VCSEL与EEL和LED相比较













根据激光投影方向,半导体激光器可以分为两类型:


边发射激光器(EEL)和VCSEL。


EEL有两种主要类型:


a)FP激光器;


b)DFB激光器。


在FP激光器中,激光二极管是激光器,其反射镜只是激光芯片末端的平面裂开表面。


FP激光器主要用于低数据速率短距离传输;


传输距离一般在20km以内,速率一般在1.25G以内。


DFB激光二极管是在腔内具有光栅结构的激光器,其在整个腔中产生多次反射。


它们主要用于高数据速率的长距离传输。


与EEL相比,VCSEL提供更好的激光束质量,更高的耦合效率和空腔反射率。


此外,VCSEL能够以二维阵列进行,使单个芯片可以包含数百个单独的光源,以增加最大输出功率和提升长远的可靠性,EEL只能在简单的一维阵列中进行。


LED(发光二极管)在早期阶段通常用于3D感应技术。


由于缺少谐振腔,LED激光束比VCSEL更为分散,耦合效率相对较低。


而且,随着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,越来越多的3D摄像机正在使用VCSEL。


此外,VCSEL还具有其他一些重要优势:





a)在晶圆形式中,它们可以在制造过程中的各个阶段进行测试,从而产生更可控且可预测的生产良率,制造成本较其他激光技术为低;





b)VCSEL可以使用传统的低成本LED封装来降低成本,现有应用中亦可使用VCSEL取代LED;





c)可以将VCSEL制造成一维或二维阵列以满足特定的应用需求;





d)VCSELs的波长非常稳定,对温度变化的敏感度较EEL低5倍左右。


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VCSEL激光器能做什么 ?













VCSEL基本原理就是传递空间三维信息,三维识别、手势识别、虹膜识别、无人驾驶激光雷达等许多我们熟悉的应用,都是通过它得以实现的。

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手势识别












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虹膜识别












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无人驾驶













虽然目前VCSEL激光器在消费电子领域的市场才刚刚起步,但是它在光通信、光互连、激光引信、激光显示、光信号处理以及芯片级原子钟等领域,早已获得了广泛的应用。


除此之外,它在近红外波段的军用领域起着主导作用,例如用于周边和边境安全的高功率照明、透过烟雾和爆炸进行成像以及远程监视等。

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VCSEL激光器市场有多大?













市场研究机构预测,2015年VCSEL(垂直腔面发射激光器)市场规模为9.546亿美元,至2022年预计将增长至31.241亿美元,2016~2022年期间的复合年增长率可达17.3%。


VCSEL凭借其紧凑的尺寸、高可靠性、低功耗以及较低的制造成本而应用广泛。


而汽车产业电气系统对VCSEL的应用增长,正推动整个VCSEL的市场增长。

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国内外产业化状况如何?













目前,全球范围内主要的设计者包括Finsar、Lumentum、Princeton Optronics、Heptagon、ⅡⅥ等公司,它们在移动端VCSEL处于前沿的研发角色。


由IQE、全新、联亚光电等公司提供三五族化合物EPI外延硅片,然后由宏捷科(Princeton Optronics合作方)、稳懋(Heptagon 合作方)等公司进行晶圆制造,再经过联钧、硅品等公司的封测,便变成了独立的VCSEL 器件。


然后由设计公司提供给意法半导体、德州仪器、英飞凌等综合解决方案商,再提供给下游消费电子厂商。





相比之下,光通讯领域中,国内光通讯器件厂商光迅科技已有VCSEL商业化产品推出,但是在消费电子领域,国内尚无一家拥有VCSEL芯片量产能力的企业。


科研领域中,中科院长春光机所在VCSEL的研究处于世界前沿地位。


2014年5月长春光机所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激光器,可作为核心光源用于芯片级原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等碱金属原子传感器。




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