垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）雖然在數(shù)據(jù)通信中已經(jīng)使用了 20 多年，但是目前有許多新興的應(yīng)用正在推動對 VCSEL 生產(chǎn)和性能的需求。 這些應(yīng)用中包括一些尚不知名的，例如紅外照明 / 加熱和原子鐘；以及知名度更高的：在未來將用于汽車自動駕駛領(lǐng)域的高分辨率視頻顯示和手勢 / 面部識別的接近感應(yīng)。

　　通常，與邊緣發(fā)射激光器（EEL）和發(fā)光二極管（LED）之類的替代產(chǎn)品相比，VCSEL 的優(yōu)勢在于成本低，光學(xué)效率高，占用空間小。VCSEL 在一定溫度范圍內(nèi)還具有波長穩(wěn)定性的優(yōu)勢，并且可以定向集中以最大程度地提高輸出效率。因為 VCSEL 是與 LED 一樣在頂部發(fā)光的，所以它們可以在晶圓上進(jìn)行測試，并可以與更簡單的光學(xué)器件集成在一起，還可以作為管芯安裝在印刷電路板上，或者可以與激光器、驅(qū)動器或者控制邏輯組件等集成在同一封裝內(nèi)。VCSEL功率輸出雖然小于 EEL，但可以通過創(chuàng)建由每單個 VCSEL的陣列來進(jìn)行擴(kuò)展。

　　應(yīng)用推動需求

　　現(xiàn)在，來自不同供應(yīng)商（例如，蘋果，三星，華為，小米和 OPPO 等）的許多高端配置智能手機(jī)在 3D 感應(yīng)應(yīng)用中，以及正面（屏幕側(cè)面）或后鏡頭（world facing）的 3D 傳感器中都采用了 VCSEL。此類移動和面向消費者端的應(yīng)用是VCSEL 批量生產(chǎn)的最大驅(qū)動力，反而汽車和工業(yè)市場的對VCSEL 需求卻越來越小。市場研究人員 [1-2] 預(yù)測，未來五年，全球 VCSEL 市場將以 17%-31% 的復(fù)合年增長率增長。

　　當(dāng)前正在推動大量 VCSEL 研究和產(chǎn)品開發(fā)的其他主要應(yīng)用領(lǐng)域是在光檢測和測距（尤其是激光雷達(dá)）上，這是一種用于監(jiān)視相對距離和運動的技術(shù)，對于自動駕駛汽車的開發(fā)至關(guān)重要。激光雷達(dá)的工作原理與雷達(dá)類似，但它使用脈沖光而不是無線電波來反射并感應(yīng)周圍的物體，通過反射脈沖返回激光雷達(dá)傳感器的飛行時間用于計算與物體的相對距離。與雷達(dá)的無線電波波長（～ 1mm）相比，紫外 / 可見 /紅外光的波長更短（100nm -100μm），可以檢測較小的物體和更清晰的圖像。

　　VCSEL 在短距離應(yīng)用中效果很好，例如手機(jī)中的人臉識別或汽車中監(jiān)控駕駛員狀態(tài)的監(jiān)控器。但是，由于VCSEL 的輸出功率比其他 IR 光源低，因此自動駕駛所需的更長距離感測提出了挑戰(zhàn)。當(dāng)以較高功率使用較低波長的 VCSEL 以獲得長距離感測時，也存在對人眼安全（Eyesafety）的擔(dān)憂。人眼安全涉及多種因素的復(fù)雜組合，例如功率，發(fā)散角，脈沖持續(xù)時間，曝光方向和波長。通過使用短脈沖調(diào)整 VCSEL 的波長和優(yōu)化光學(xué)檢測等方式，可以實現(xiàn)使用低功耗 VCSEL 陣列的人眼安全的遠(yuǎn)距離傳感。

　　VCSEL 的制造

　　VCSEL 由通過分子束外延（MBE）或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）沉積到基板上的復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)創(chuàng)建。外延層包括產(chǎn)生光子的有源層，該有源層夾在兩個分布式布拉格反射器（DBR）之間，使該反射器用作反射鏡可以用多次反射和反射穿過有源區(qū)域的光來放大信號。每個拉格反射器（DBR）由鏡像對（通常 > 20 對）中的許多外延層組成，每個外延層的折射率和厚度經(jīng)過定制，可引起相長干涉，從而產(chǎn)生所需波長的光波。可以創(chuàng)建一個孔，通過選擇性離子注入或氧化某些外延層，將電流限制在有源層的一小部分。例如，在基于 GaAs的 VCSEL 的情況下，AlGaAs 層被部分氧化之后在孔周圍形成非導(dǎo)電區(qū)域。電流的這種集中會降低閾值電流來產(chǎn)生激光發(fā)射并控制光束寬度。

　　批量生產(chǎn) VCSEL 的關(guān)鍵晶圓工藝

　　電感耦合等離子體（ICP）可用于蝕刻形成 VCSEL 的垂直或錐形臺面結(jié)構(gòu)。下一代 VCSEL 的關(guān)鍵要求是平滑蝕刻，沒有側(cè)壁損壞或任何層的優(yōu)先蝕刻。側(cè)壁不均勻會導(dǎo)致 VCSEL 側(cè)面的光損耗。使用濕法刻蝕很難獲得最佳的平滑輪廓，因為濕法刻蝕本質(zhì)上是各向同性的，并可能導(dǎo)致在Epi 層中產(chǎn)生缺口。干 ICP 蝕刻更具方向性，可以進(jìn)行定制以產(chǎn)生更平滑的輪廓。蝕刻深度的精確控制對于 VCSEL 性能至關(guān)重要，在批量生產(chǎn)應(yīng)用中，使用通過激光干涉儀進(jìn)行的條紋計數(shù)或光發(fā)射光譜（OES）即可實現(xiàn)精確的終點檢測。

　　VCSEL 制造商使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）來沉積最高質(zhì)量的氮化硅層。最關(guān)鍵的應(yīng)用是抗反射涂層，該涂層可通過最大化腔體的光輸出來提高激光性能。在此，要求厚度和折射率的不均勻性盡可能地最小化。氮化硅也被用于提供犧牲應(yīng)力補償層，從而最大程度地減少薄型基板的彎曲和翹曲，以及鈍化和硬掩模層。

　　物理氣相沉積（PVD）技術(shù)用于沉積 TiW / Au 籽晶層和Au，以用于從設(shè)備正面提供電流或幫助散熱的觸點。物理氣相沉積（PVD）技術(shù)被用于沉積 TiW / Au 籽晶層和 Au，從而從設(shè)備正面提供電流或幫助散熱的觸點。具有定制應(yīng)力特性的 PVD 層也可以沉積以補償晶片應(yīng)力，否則一旦晶片變薄并從載體上剝離下來的話，晶片應(yīng)力就會產(chǎn)生翹曲。自 2016 年下半年以來，SPTS 經(jīng)歷了對用于 VCSEL 制造的晶圓處理技術(shù)的需求激增。制造商們之所以選擇 SPTS的 Omega 蝕 刻，Delta PECVD 和 Sigma PVD 解 決 方 案，是因為它們具有精確的處理能力，豐富的工藝庫以及 SPTS多年為客戶提供的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品（如 GaAs RF 器件和LED）的批量生產(chǎn)的經(jīng)驗。

　　SPTS Technologies 隸屬于美國 KLA 科天半導(dǎo)體公司，是全球半導(dǎo)體及微電子裝置制造領(lǐng)域里的優(yōu)秀供應(yīng)商。參考文獻(xiàn)：

　　[1] “Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) - MarketAnalysis, Trends, and Forecasts” Global Industry Analysts Inc, Oct2019

　　[2] “ VCSELs – Market and Technology Trends 2019” YoleDéveloppement, May 2019

　　Dave Thomas，博士，SPTS Technologies 蝕刻產(chǎn)品管理高級總監(jiān)

關(guān)注讀覽天下微信， 100萬篇深度好文， 等你來看……