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VCSEL激光器技术科普


【发布日期】:2019-11-03 17:49:51【来源】:admin  【作者】:admin

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苹果发布带有面部识别的iphone x后,vcsel激光吸引了人们的注意力。近日,光学器件行业第二大巨头lumentum以18亿美元(现金加股票)的价格赢得了行业第三大巨头oclaro。vcsel芯片需求的激增无疑加速了收购。

什么是vcsel激光器?

vcsel激光器的全称是垂直腔面发射激光器(VCSEL),简称面发射激光器。它是在砷化镓半导体材料的基础上发展起来的,是一种半导体激光器。激光束垂直于顶面发射,这不同于从边缘发射的边缘发射激光束。因此,与边缘发射激光器相比,vcsel激光器具有阈值电流低、单波长工作稳定、高频调制、易于二维集成、无腔面阈值损伤等优点。并且在半导体激光器中占据非常重要的位置。

边缘发射激光器和表面发射激光器vcsel

Vcsel芯片基本结构

vcsel的结构图如下图所示。它是通过在分布式布拉格反射器(dbr)之间连续生长单个或多个量子阱有源区而形成的,分布式布拉格反射器是通过交替生长高折射率和低折射率电介质材料而形成的。量子阱的典型数量为3-5个,它们被放置在驻波场的最大值附近,以获得最大的受激辐射效率并进入振荡场。底部还镀有金属层,以增强下dbr的光反馈效应,激光束从顶部透明窗口输出。

事实上,为了完成低阈值电流的工作,就像普通的条形半导体激光器一样,需要使用强电流会聚结构,同时进行光限制和截止子限制。从上图可以看出,vcsel的半导体多层模式反射器dbr由gaas/alas组成,它被蚀刻成气柱(台面)结构。alas层在高温水蒸气中被氧化成绝缘铝氧层,其折射率也大大降低,从而成为在垂直方向限制光和载流子的结构。vcsel的设计侧重于高反射率、低损耗的dbr和腔内有源区的定位。

vcsel结构及关键技术介绍

Vcsel有几项关键技术,决定了器件的特性和可靠性。

关键技术之一:vcsel外延

铟砷化镓ingaas的多量子阱发光层以及铝砷化镓algaas阻挡层是最合适的。就像发光二极管用于调制波长一样,用于三维传感技术的940纳米波长vcsel的铟含量约为20%。当铟成分为零时,外延工艺相对简单,因此最成熟的vcsel激光器波长为850纳米,通常用作光通信的末端有源元件。

P-dbr和n-dbr分别通过具有四分之一发光波长厚度的高折射率和低折射率交替外延层形成在发光层的上侧和下侧。通常,形成高反射率有两个条件。首先,有足够多的高折射率和低折射率材料对。其次,高折射率材料和低折射率材料之间的折射率差越大,发射光的方向可以是顶部或基底,这主要取决于基底材料对发射的激光是否透明。例如,940纳米激光器被设计成在砷化镓衬底的表面发光,因为砷化镓衬底不吸收940纳米光,而850纳米激光器被设计成在正面发光。通常,不发光一侧的反射率超过99.9%,发光一侧的反射率为99%。目前,大多数algaas vcsel具有高铝(90%)的al0.9gaas层和低铝(10%)的Al0.1GaAs层交替dbr。反射表面需要超过30 dbr对(通常30-35对以达到99.9%的反射率),并且发光表面需要至少24-25个dbr对(99%的反射率)。由于需要后续的氧化工艺来减小谐振腔的体积和发光面积,所以靠近发光层的p-dbr膜层的高铝层需要使用所有铝alas材料,使得后续的氧化工艺可以相对快速地完成。

外延和氧化工艺是vcsel产量和光电特性的关键

关键技术2:氧化工艺

这项技术在led中是完全没有的,是由led红灯的发明者尼克·霍洛尼亚克发明的。如图6所示,氧化过程主要用于减小谐振腔的体积和发光面积。然而,在过去,很难控制氧化区域。仅将样品用作氧化工艺来计算氧化速率,并且通过使用样品的氧化速率来计算同一批vcsel外延晶片的氧化工艺时间。这种生产非常不稳定,产量和一致性难以控制!精确控制氧化速度,使得每个vcsel芯片的谐振腔体积具有良好的一致性,不会出现过氧化或少氧化的问题,使得阵列vcsel模块具有精确的光电特性。

实时监控氧化区域是最好的方法。法国aet技术公司(aet technology)设计了一种装置,利用砷化铝(alas)氧化成氧化铝(alox)后材料折射率变化的反射光谱变化,可以精确监控氧化面积。这种精确控制氧化速率的装置可以省去工程师过去通过试错法调试参数的麻烦,为vcsel芯片的大规模稳定生产提供了最好的工具。

法国安泰科技引进的vcsel实时监控氧化工艺设备使vcsel生产更加稳定。

关键技术3:保护绝缘技术

就像led一样,最终键合线电极上不会留下绝缘保护层。vcsel更需要这样的保护层,因为激光二极管的功率密度更高。更重要的是,为了不让氧化过程中的alas层继续向内氧化而影响谐振腔的体积并引起激光特性的突变,保护层的膜质量非常重要,尤其是侧盖的致密性更为重要。过去,pecvd被用来镀这种膜,但是为了保持致密性,需要更厚的膜层,但是太厚的膜层会引起过大的应力并影响器件的可靠性!因此原子层沉积ald技术开始取代pecvd作为最佳的涂层工艺。

Ald可以沉积与vcsel氧化层特性相似的氧化铝(al2o3)膜,侧涂层均匀、致密度高。最重要的是,芯片可以完全绝缘,厚度非常薄。除vcsel工艺外,发光二极管倒装芯片和集成电路鳍片场效应晶体管工艺都需要这样的薄膜层。像氧化技术一样,这种设备在中国也不能提供。目前,芬兰皮克森公司和美国应用材料公司提供这种设备和工艺。

芬兰皮克森公司引进的ald原子层沉积技术设备可以使vcsel器件更加稳定。

Vcsel与eel和led相比

根据激光投射的方向,半导体激光器可以分为两种类型:边缘发射激光器(eel)和vcsel。鳗鱼有两种主要类型: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,它的反射镜只是激光芯片末端的平面分裂面。Fp激光器主要用于低数据速率的短距离传输。传输距离一般在20公里以内,速度一般在1.25克以内,Dfb激光二极管(Dfb laser diode)是腔内具有光栅结构的激光器,在整个腔内产生多次反射。它们主要用于高数据速率的长距离传输。

与eel相比,vcsel提供了更好的激光束质量、更高的耦合效率和腔反射率。此外,vcsel可以在二维阵列中实现,使得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并提高长期可靠性。eel只能在简单的一维数组中实现。

发光二极管(Led Ement Diode)在早期通常用于三维感应技术中。由于缺少谐振腔,led激光束比vcsel更分散,耦合效率相对较低。此外,由于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相机使用vcsel。

a)以晶片的形式,它们可以在制造过程的不同阶段进行测试,从而获得比其他激光技术更可控和可预测的产量,并且制造成本更低;

B)vcsel可以使用传统的低成本发光二极管封装来降低成本,vcsel也可以在现有的应用中用来代替发光二极管;

C) vcsel可以制作成一维或二维阵列,以满足特定的应用要求;

d)VCSEL具有非常稳定的波长,对温度变化的敏感度比鳗鱼低约5倍。

vcsel激光器能做什么?

vcsel的基本原理是传输空间三维信息。许多常见的应用,如三维识别、手势识别、虹膜识别和无人激光雷达,都是通过VCSEL实现的。

手势识别

虹膜识别

被阉割的

虽然vcsel激光器刚刚开始在消费电子领域的市场,但它已经广泛应用于光通信、光互连、激光引信、激光显示、光信号处理和芯片级原子钟等领域。此外,它在近红外波段的军事领域中发挥着主导作用,例如用于周界和边界安全的大功率照明、通过烟雾和爆炸成像以及远程监控。

vcsel激光市场有多大?

市场研究机构预测,2015年垂直腔面发射激光器(vcsel)的市场规模将达到9.546亿美元,预计到2022年将增长到31.241亿美元,2016-2022年复合年增长率为17.3%。Vcsel因其体积小、可靠性高、功耗低和制造成本低而得到广泛应用。vcsel在汽车工业电气系统中应用的增长推动了整个vcsel的市场增长。

国内外工业化的现状如何?

目前,全球主要设计者包括finsar、lumentum、princeton optronics、heptagon、ⅱⅵ等公司,这些公司处于移动vcsel研发的前沿。iqe、全新、lianya光电等公司提供第3族化合物的外延硅晶片,然后由普林斯顿光电和heptagon等公司进行晶片制造。经过连军、硅和其他公司的密封和测试,vcsel器件变得独立。然后,设计公司将向意法半导体、德州仪器和英飞凌等综合解决方案提供商提供,然后向下游消费电子制造商提供。

相比之下,在光通信领域,国内光通信设备制造商光通信技术已经推出vcsel商用产品,但在消费电子领域,国内没有具备vcsel芯片生产能力的企业。在科学研究领域,中国科学院长春光学研究所处于世界vcsel研究的前沿。2014年5月,长春光学研究所在中国首次为碱金属原子光学传感技术开发了795纳米和894纳米vcsel激光器,可用作芯片级原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等碱金属原子传感器的核心光源。

*免责声明:这篇文章最初是作者写的。这篇文章的内容是作者的个人观点。重印半导体行业观察只是为了传达不同的观点。这并不意味着半导体行业观察同意或支持这一观点。如果您有任何异议,请联系半导体行业观察。

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