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(yīng)技術(shù)，用于Proximity sensor和 Face ID模塊，徹底把Vcsel炒熱了。之后發(fā)現(xiàn)Vcsel在激光雷達(dá)LiDAR和氣體檢測等方面有很大的應(yīng)用市場。市場預(yù)期2023年市場還會擴(kuò)大10倍以上。同時隨著光通訊數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，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(yīng)用場景

市場預(yù)期

全球主要Vcsel供應(yīng)商

2. Vcsel的結(jié)構(gòu)和原理

如上圖，我們都知道LD作為側(cè)發(fā)光的激光器，光源是從側(cè)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(diǎn)像紅光LED的結(jié)構(gòu)。

芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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(shù)基本相同，因此可以交替生長很多層而不產(chǎn)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(dǎo)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(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

1）不需要單獨(dú)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(diào)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(dāng)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(chǎn)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(qiáng)度噪音-128dB/Hz。

缺點(diǎn)：

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(cè)向電流限制，inp系的材料沒有這個工藝，側(cè)面電流限制做得不太好。