垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）雖然在數(shù)據(jù)通信中已經(jīng)使用了 20 多年，但是目前有許多新興的應(yīng)用正在推動(dòng)對(duì) VCSEL 生產(chǎn)和性能的需求。 這些應(yīng)用中包括一些尚不知名的，例如紅外照明 / 加熱和原子鐘；以及知名度更高的：在未來(lái)將用于汽車自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的高分辨率視頻顯示和手勢(shì) / 面部識(shí)別的接近感應(yīng)。

　　通常，與邊緣發(fā)射激光器（EEL）和發(fā)光二極管（LED）之類的替代產(chǎn)品相比，VCSEL 的優(yōu)勢(shì)在于成本低，光學(xué)效率高，占用空間小。VCSEL 在一定溫度范圍內(nèi)還具有波長(zhǎng)穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，并且可以定向集中以最大程度地提高輸出效率。因?yàn)?VCSEL 是與 LED 一樣在頂部發(fā)光的，所以它們可以在晶圓上進(jìn)行測(cè)試，并可以與更簡(jiǎn)單的光學(xué)器件集成在一起，還可以作為管芯安裝在印刷電路板上，或者可以與激光器、驅(qū)動(dòng)器或者控制邏輯組件等集成在同一封裝內(nèi)。VCSEL功率輸出雖然小于 EEL，但可以通過(guò)創(chuàng)建由每單個(gè) VCSEL的陣列來(lái)進(jìn)行擴(kuò)展。

　　應(yīng)用推動(dòng)需求

　　現(xiàn)在，來(lái)自不同供應(yīng)商（例如，蘋果，三星，華為，小米和 OPPO 等）的許多高端配置智能手機(jī)在 3D 感應(yīng)應(yīng)用中，以及正面（屏幕側(cè)面）或后鏡頭（world facing）的 3D 傳感器中都采用了 VCSEL。此類移動(dòng)和面向消費(fèi)者端的應(yīng)用是VCSEL 批量生產(chǎn)的最大驅(qū)動(dòng)力，反而汽車和工業(yè)市場(chǎng)的對(duì)VCSEL 需求卻越來(lái)越小。市場(chǎng)研究人員 [1-2] 預(yù)測(cè)，未來(lái)五年，全球 VCSEL 市場(chǎng)將以 17%-31% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

　　當(dāng)前正在推動(dòng)大量 VCSEL 研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的其他主要應(yīng)用領(lǐng)域是在光檢測(cè)和測(cè)距（尤其是激光雷達(dá)）上，這是一種用于監(jiān)視相對(duì)距離和運(yùn)動(dòng)的技術(shù)，對(duì)于自動(dòng)駕駛汽車的開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。激光雷達(dá)的工作原理與雷達(dá)類似，但它使用脈沖光而不是無(wú)線電波來(lái)反射并感應(yīng)周圍的物體，通過(guò)反射脈沖返回激光雷達(dá)傳感器的飛行時(shí)間用于計(jì)算與物體的相對(duì)距離。與雷達(dá)的無(wú)線電波波長(zhǎng)（～ 1mm）相比，紫外 / 可見(jiàn) /紅外光的波長(zhǎng)更短（100nm -100μm），可以檢測(cè)較小的物體和更清晰的圖像。

　　VCSEL 在短距離應(yīng)用中效果很好，例如手機(jī)中的人臉識(shí)別或汽車中監(jiān)控駕駛員狀態(tài)的監(jiān)控器。但是，由于VCSEL 的輸出功率比其他 IR 光源低，因此自動(dòng)駕駛所需的更長(zhǎng)距離感測(cè)提出了挑戰(zhàn)。當(dāng)以較高功率使用較低波長(zhǎng)的 VCSEL 以獲得長(zhǎng)距離感測(cè)時(shí)，也存在對(duì)人眼安全（Eyesafety）的擔(dān)憂。人眼安全涉及多種因素的復(fù)雜組合，例如功率，發(fā)散角，脈沖持續(xù)時(shí)間，曝光方向和波長(zhǎng)。通過(guò)使用短脈沖調(diào)整 VCSEL 的波長(zhǎng)和優(yōu)化光學(xué)檢測(cè)等方式，可以實(shí)現(xiàn)使用低功耗 VCSEL 陣列的人眼安全的遠(yuǎn)距離傳感。

　　VCSEL 的制造

　　VCSEL 由通過(guò)分子束外延（MBE）或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）沉積到基板上的復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)創(chuàng)建。外延層包括產(chǎn)生光子的有源層，該有源層夾在兩個(gè)分布式布拉格反射器（DBR）之間，使該反射器用作反射鏡可以用多次反射和反射穿過(guò)有源區(qū)域的光來(lái)放大信號(hào)。每個(gè)拉格反射器（DBR）由鏡像對(duì)（通常 > 20 對(duì)）中的許多外延層組成，每個(gè)外延層的折射率和厚度經(jīng)過(guò)定制，可引起相長(zhǎng)干涉，從而產(chǎn)生所需波長(zhǎng)的光波?？梢詣?chuàng)建一個(gè)孔，通過(guò)選擇性離子注入或氧化某些外延層，將電流限制在有源層的一小部分。例如，在基于 GaAs的 VCSEL 的情況下，AlGaAs 層被部分氧化之后在孔周圍形成非導(dǎo)電區(qū)域。電流的這種集中會(huì)降低閾值電流來(lái)產(chǎn)生激光發(fā)射并控制光束寬度。

　　批量生產(chǎn) VCSEL 的關(guān)鍵晶圓工藝

　　電感耦合等離子體（ICP）可用于蝕刻形成 VCSEL 的垂直或錐形臺(tái)面結(jié)構(gòu)。下一代 VCSEL 的關(guān)鍵要求是平滑蝕刻，沒(méi)有側(cè)壁損壞或任何層的優(yōu)先蝕刻。側(cè)壁不均勻會(huì)導(dǎo)致 VCSEL 側(cè)面的光損耗。使用濕法刻蝕很難獲得最佳的平滑輪廓，因?yàn)闈穹涛g本質(zhì)上是各向同性的，并可能導(dǎo)致在Epi 層中產(chǎn)生缺口。干 ICP 蝕刻更具方向性，可以進(jìn)行定制以產(chǎn)生更平滑的輪廓。蝕刻深度的精確控制對(duì)于 VCSEL 性能至關(guān)重要，在批量生產(chǎn)應(yīng)用中，使用通過(guò)激光干涉儀進(jìn)行的條紋計(jì)數(shù)或光發(fā)射光譜（OES）即可實(shí)現(xiàn)精確的終點(diǎn)檢測(cè)。

　　VCSEL 制造商使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）來(lái)沉積最高質(zhì)量的氮化硅層。最關(guān)鍵的應(yīng)用是抗反射涂層，該涂層可通過(guò)最大化腔體的光輸出來(lái)提高激光性能。在此，要求厚度和折射率的不均勻性盡可能地最小化。氮化硅也被用于提供犧牲應(yīng)力補(bǔ)償層，從而最大程度地減少薄型基板的彎曲和翹曲，以及鈍化和硬掩模層。

　　物理氣相沉積（PVD）技術(shù)用于沉積 TiW / Au 籽晶層和Au，以用于從設(shè)備正面提供電流或幫助散熱的觸點(diǎn)。物理氣相沉積（PVD）技術(shù)被用于沉積 TiW / Au 籽晶層和 Au，從而從設(shè)備正面提供電流或幫助散熱的觸點(diǎn)。具有定制應(yīng)力特性的 PVD 層也可以沉積以補(bǔ)償晶片應(yīng)力，否則一旦晶片變薄并從載體上剝離下來(lái)的話，晶片應(yīng)力就會(huì)產(chǎn)生翹曲。自 2016 年下半年以來(lái)，SPTS 經(jīng)歷了對(duì)用于 VCSEL 制造的晶圓處理技術(shù)的需求激增。制造商們之所以選擇 SPTS的 Omega 蝕 刻，Delta PECVD 和 Sigma PVD 解 決 方 案，是因?yàn)樗鼈兙哂芯_的處理能力，豐富的工藝庫(kù)以及 SPTS多年為客戶提供的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品（如 GaAs RF 器件和LED）的批量生產(chǎn)的經(jīng)驗(yàn)。

　　SPTS Technologies 隸屬于美國(guó) KLA 科天半導(dǎo)體公司，是全球半導(dǎo)體及微電子裝置制造領(lǐng)域里的優(yōu)秀供應(yīng)商。參考文獻(xiàn)：

　　[1] “Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) - MarketAnalysis, Trends, and Forecasts” Global Industry Analysts Inc, Oct2019

　　[2] “ VCSELs – Market and Technology Trends 2019” YoleDéveloppement, May 2019

　　Dave Thomas，博士，SPTS Technologies 蝕刻產(chǎn)品管理高級(jí)總監(jiān)

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