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導(dǎo)讀：蘋果(Apple)剛剛發(fā)布的iPhone12pro max將dTOF技術(shù)帶進(jìn)手機應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)體激光器？亦何謂之垂直腔面半導(dǎo)體激光器？所以，本文將從“何謂激光”切入，進(jìn)而到半導(dǎo)體激光器，最后揭開垂直腔面半導(dǎo)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(jì)以來繼核能、電腦、半導(dǎo)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(yīng)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(xué)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(xué)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(dāng)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(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器是采用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，將載流子注入半導(dǎo)體PN結(jié),從而產(chǎn)生的大量電子與空穴復(fù)合，進(jìn)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(xué)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(dǎo)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(xué) 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(yīng)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(lǐng)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(lǐng)域的快速發(fā)展, VCSEL的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)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(xué)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(fù)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(dǎo)體材料交替外延生長而成，每層材料的光學(xué)厚度為激光波長的1/4。采用薄膜干涉與反射相變原理，當(dāng)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(yīng)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(dǎo)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(dāng)?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(shè)計律

VCSEL的設(shè)計需要從整體考量，包括電學(xué)性能、光學(xué)性能、熱學(xué)性能、可靠性四大方面的因素。其中，電學(xué)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(xué)性能包括激射波長、遠(yuǎn)場發(fā)散角、RMS光譜寬度等；熱學(xué)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(chǔ)參數(shù)以及實際應(yīng)用需求設(shè)計”性能”價比更高的產(chǎn)品。

圖4  VCSEL性能參數(shù)設(shè)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(jìn)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(shè)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(jìn)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(dǎo)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(lǐng)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(jìn)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(luò))

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(yīng)用的加持下，VCSEL會在半導(dǎo)體激光技術(shù)中取得重大突破并拓展到更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

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