Vcsel芯片和制作流程

但凡說到激光器，人們必須提及Vcsel，也就是垂直腔面發(fā)射激光器：Vertical－Cavity Surface－Emitting Laser。2017年蘋果公司iPhone X采用vcsel作為3D感應技術，用于Proximity sensor和 Face ID模塊，徹底把Vcsel炒熱了。之后發(fā)現Vcsel在激光雷達LiDAR和氣體檢測等方面有很大的應用市場。市場預期2023年市場還會擴大10倍以上。同時隨著光通訊數據中心的建設，Vcsel激光器作為980nm等短波長激光器的使用量也會激增。

Vcsel的應用場景

市場預期

全球主要Vcsel供應商

2． Vcsel的結構和原理

如上圖，我們都知道LD作為側發(fā)光的激光器，光源是從側邊出光面發(fā)射，而且需要在AR面鍍增透膜、HR面做高反膜。而Vcsel的光是從P型或N型表面直接發(fā)射出來，有點像紅光LED的結構。

芯片內部結構

Vcsel的光腔是采用有源區(qū)上方和下方的布拉格在外延工序沉淀而成。

TO封裝后的Vcsel外形

我們以上圖的Vcsel的制備過程為例說明：

（1）通過MBE或Mocvd在砷化鎵的基板上，交替生長GaAs和AlAs，交替生長層最終形成布拉格反射鏡。GaAs和AlAs有這顯著不同的折射率，但是他們二者的晶格常數基本相同，因此可以交替生長很多層而不產生位錯，這也是為什么可以做出高反射率的鏡面效果。

（2） 接著生長幾個量子阱有源區(qū)。

（3）在上面生長一組P摻雜的GaAs／AlAs。

（4）刻蝕出一個圓環(huán)形區(qū)域，從而定義出區(qū)域中直徑幾微米的激光器。

（5）通常金屬接觸位于頂部環(huán)繞器件環(huán)上，通常要在頂部反射鏡堆疊中，通過氧化暴露的AlAs層，使它形成氧化物不導電，從而形成電流光闌，以便漏斗電流僅流向器件的中心。

（6）P型布拉格反射鏡。

（7）鍍上面P電極

（8）減薄到100um，鍍N電極鍺鎳金。

3． Vcsel優(yōu)缺點

優(yōu)點：

（1）不需要單獨做反射鏡，工藝簡單。

（2）閾值電流僅為0．1mA，器件體積小，電容小，適用于10Gbit／s的高速調制系統(tǒng)。

（3）出光面是圓形，發(fā)射出來的光也是圓形，且垂直腔的高度也只有幾微米，縱模只有一個，而且當腔體直徑小于8um時，只有一個橫模存在。十分方便出光耦合光線等。

（4）溫度特性好，無需制冷。

舉例：德國Mergeoptics公司生產的850nm Vcsel激光器，譜寬0．2nm，平均發(fā)射功率－2．17dBm，消光比6．36dB，相對強度噪音－128dB／Hz。

缺點：

輸出功率低，腔長短。 長波長的外延很難做，比如光通訊用的1310nm、1550nm。

GaAs的vcsel有一個AlAs氧化工藝，可以用來形成側向電流限制，inp系的材料沒有這個工藝，側面電流限制做得不太好。