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。
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。
边发射激光器和面发射激光器VCSEL
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
手势识别
虹膜识别
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。
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。
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。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
今天是《半导体行业观察》为您分享的第2097期内容，欢迎关注。
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