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導讀：蘋果(Apple)剛剛發(fā)布的iPhone12pro max將dTOF技術(shù)帶進手機應用，再次激起社會各界對3D感知成像技術(shù)的廣泛關(guān)注。而作為3D感知模組的兩個重要模塊(發(fā)射端、接受端)之一的發(fā)射端——垂直腔面半導體激光器(VCSEL)，重新被大眾所矚目。

與此同時，我們腦海里不禁閃現(xiàn)出種種疑問：何謂激光？何謂半導體激光器？亦何謂之垂直腔面半導體激光器？所以，本文將從“何謂激光”切入，進而到半導體激光器，最后揭開垂直腔面半導體激光器的神秘面紗。

Ⅰ 何謂激光

激光，即受激輻射光放大( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)，追根溯源，其發(fā)明得益于1916年愛因斯坦對原子受激輻射與自發(fā)輻射關(guān)系的系統(tǒng)闡述而形成的著名愛因斯坦關(guān)系式，基于此理論激光器被快速發(fā)明。激光是20世紀以來繼核能、電腦、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明，因具有單色性好、發(fā)散角極小、高亮度、相干性好的特性而廣泛應用于各行各業(yè)。那么，形成激光需要滿足三個必要條件：

(1) 泵浦源：把能量供給低能級的電子，激發(fā)使其成為高能級電子，能量供給的方式有電荷放電、光子、化學作用等；

(2) 增益介質(zhì)：被激發(fā)、釋放光子的電子所在的物質(zhì)，其物理特性會影響所產(chǎn)生激光的波長等特性。

(3) 光學諧振腔：是兩面互相平行的鏡子，一面全反射，一面半反射。作用是把光線在反射鏡間來回反射，目的是使被激發(fā)的光多次經(jīng)過增益介質(zhì)以得到足夠的放大，當放大到可以穿透半反射鏡時，激光便從半反射鏡發(fā)射出去。因此，此半反射鏡也被稱為輸出耦合鏡(Output Coupler)。兩鏡面之間的距離也對輸出的激光波長有著選擇作用，只有在兩鏡間的距離能產(chǎn)生共振的波長才能產(chǎn)生激光(如圖1)。

圖1 激光器原理示意圖

Ⅱ半導體激光器

半導體激光器是采用半導體材料作為工作物質(zhì)的激光器，將載流子注入半導體PN結(jié),從而產(chǎn)生的大量電子與空穴復合，進而形成受激輻射。在晶體的解理面端點處的反射而形成光學諧振腔從而不斷增益形成激光。具有體積小、壽命長，并可采用簡單的注入電流的方式來泵浦等優(yōu)點。

與其他種類激光器一致，半導體激光器同樣需要滿足上面所提到的三個基本條件。通過對半導體異質(zhì)結(jié)施加正向偏壓，向有源區(qū)注入載流子來實現(xiàn)處在高能態(tài)導帶底的電子數(shù)大于處于低能態(tài)價帶頂?shù)目昭〝?shù)目即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；對于光學諧振腔可以利用晶體的[110]面作為自然解理面來形成F-P腔而實現(xiàn)光學諧振，諧振腔的長度需滿足所發(fā)射激光半波長的整數(shù)倍；泵浦注入需要足夠強使得光增益等于或大于各種損耗之和以實現(xiàn)激光穩(wěn)定振蕩輸出。根據(jù)出光方向的不同，我們可以將半導體激光體分為兩大類，出光方向平行于襯底表面的邊發(fā)射激光器(EEL)以及我們今天所介紹的主角——出光方向垂直于襯底表面的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。

Ⅲ 垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)

1977 年日本東京工業(yè)大學 Iga教授首次提出了垂直腔面發(fā)射激光器(vertical-cavity  surface-emitting laser，簡稱 VCSEL)的概念。相比于EEL，VCSEL具有易集成、光束質(zhì)量好、調(diào)制帶寬高、壽命長、單模輸出等優(yōu)點(如圖2)。廣泛應用于光通信、 激光醫(yī)療、工業(yè)加工、 激光顯示、 激光指示、 激光傳感、 航空國防、安全防護等領域。隨著高端制造業(yè)、 智慧城市、智能家居、智能手機虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和智能駕駛等領域的快速發(fā)展, VCSEL的應用領域?qū)⑦M一步拓展。 

圖2  VCSEL與EEL&LED優(yōu)勢對比

1 VCSEL結(jié)構(gòu)原理

VCSEL的基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，自上而下包括P型歐姆接觸電極、P型摻雜的分布式布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector，DBR)、氧化限制層、多量子阱有源區(qū)、N型摻雜DBR、襯底以及N型歐姆接觸電極。量子阱有源區(qū)位于n型摻雜和p型摻雜的DBR之間。DBR反射鏡具有大于99%的反射率。有源區(qū)的光學厚度為1/2激光波長的整數(shù)倍，通過P-contact向有源區(qū)注入電流并產(chǎn)生受激輻射的光子在DBR中往復被反射并諧振放大，從而形成激光。

圖3  VCSEL結(jié)構(gòu)原理示意圖

其中，DBR作為諧振腔的反射鏡，由高低折射率介質(zhì)或半導體材料交替外延生長而成，每層材料的光學厚度為激光波長的1/4。采用薄膜干涉與反射相變原理，當光穿過一層薄膜時，會在上下表面發(fā)生兩次反射，薄膜的厚度會影響兩次反射的光程差，如果控制薄膜的厚度為(1/4+N)波長的整數(shù)倍，則兩次反射的光程差為(1/2+2N)，光程差對應180°的相變，所以上下界面兩次反射最終同相，疊加增強即增加了總體的反射系數(shù)；高低折射率介質(zhì)或半導體材料交替外延生長，光有光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)在界面亦會發(fā)生180°的相變，所以光經(jīng)過每層DBR都會增加一定的反射系數(shù)。對于光出射面DBR通過適當?shù)臏p小其層數(shù)獲得較小的反射系數(shù)而保證激光透過而射出。

2 VCSEL設計律

VCSEL的設計需要從整體考量，包括電學性能、光學性能、熱學性能、可靠性四大方面的因素。其中，電學性能包括輸出功率、閾值電流密度、微分量子效率、電光轉(zhuǎn)換效率、斜率效率等；光學性能包括激射波長、遠場發(fā)散角、RMS光譜寬度等；熱學性能包括溫漂系數(shù)、工作溫度范圍等；可靠性包括壽命、一致性等。以上各個參量之間相互關(guān)聯(lián)，此消彼長。所以要獲得一款完美的VCSEL幾乎不可能，我們往往會根據(jù)既定基礎參數(shù)以及實際應用需求設計”性能”價比更高的產(chǎn)品。

圖4  VCSEL性能參數(shù)設計

3 VCSEL工藝過程

VCSEL的整個工藝過程可以分為兩大部分，外延生長和芯片制程，其中外延工藝至關(guān)重要，外延結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣基本決定了VCSEL器件的性能，目前各大廠家一般采用MOCVD的方式進行生長，總厚度約8-10um，全結(jié)構(gòu)共200多層，一般先生長每一種單層，通過各種測試設備確定單層的質(zhì)量、組分、載流子濃度和生長速率等后再進一步外延整個結(jié)構(gòu)。因為各層參數(shù)的變化，例如DBR層數(shù)、摻雜濃度或者有源區(qū)的異質(zhì)面結(jié)構(gòu)的改變都會對整體VCSEL的特性有比較大的影響。

圖5  VCSEL芯片制程工藝過程

VCSEL芯片制程基本為常規(guī)的半導體工藝制程，包括光刻、刻蝕、沉積等工藝基本工藝流程(如圖5)，通過側(cè)氧工藝制作氧化限制孔， 側(cè)氧工藝為VCSEL芯片制程中比較重要的一步，也是難點工藝，因為氧化限制孔的工藝參數(shù)牽動著VCSEL的光參數(shù)、電參數(shù)以及熱參數(shù)(如圖6)。側(cè)氧工藝基本原理為VCSEL中的高 Al 組分層（如Al0.98Ga0.02As 和 Al As)在高溫濕法氧化中被氧化成 Al2O3。高Al組分層（折射率~3）被氧化成 Al2O3(折射率~1.6）后，氧化區(qū)和非氧化區(qū)之間存在有效折射率差從而起到一定光限制作用。氧化限制層的橫向結(jié)構(gòu)形狀通常為圓形，所以VCSEL的光斑基本為圓形。

圖6  VCSEL氧化限制層相關(guān)機理

4 3D成像技術(shù)對VCSEL的需求

上面主要介紹了VCSEL的前世今生、基本原理以及生產(chǎn)工藝，那么在3D傳感領域?qū)τ赩CSEL的性能、穩(wěn)定性有哪些要求呢，小編將從光電轉(zhuǎn)換效率(PCE)、波長、上升下降沿時間等參數(shù)進行總結(jié)與對比(如圖7)。

圖7 不同3D成像技術(shù)對VCSEL需求對比表(圖片來自網(wǎng)絡)

總之，VCSEL是實現(xiàn)大規(guī)模并行光處理所必須的器件，在3D傳感特別是在消費級應用的加持下，VCSEL會在半導體激光技術(shù)中取得重大突破并拓展到更多的應用領域。

參考：[1] VCSELs: Fundamentals, Technology and Applications of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers 2013.