半导体激光|干货，垂直腔面发射激光器最全科普！垂直|波长|阵列|干货|发射器

VCSEL全称（Vertical-cavity Surface-emitting Laser），是垂直腔面发射激光器，最初用于光通信领域，比如光模块中，后来开始应用于消费电子领域的3D感测方面，比如人脸识别，2017年苹果将其用在iPhone人脸识别模组，VCSEL也开始受到消费电子领域的大规模关注。目前来看国外在VCSEL芯片方面还是较为领先，近些年国内多家厂商发展迅速，并且开始逐渐小批量或者批量生产，多家VCSEL芯片也得到了资本的较多关注，比如新亮智能、纵慧芯光、睿熙科技等。
本文将从以下几个方面进行阐述：
1、什么是VCSEL？
2、VCSEL的优点
3、VCSEL芯片的制作流程
4、VCSEL芯片的工艺分解
5、VCSEL的结构
6、国内VCSEL芯片厂商进展如何？
什么是VCSEL？
VCSEL本质上是一种半导体激光器，激光器是用来发射激光的装置，而半导体激光器则是以半导体材料为工作物质发射激光的器件，根据激光芯片的结构，半导体激光器可分为边发射激光器（EEL）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

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VCSEL的优点

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VCSEL有多方面的优点，以下简单列出几个：
1.波长稳定性：在一个VCSEL激射波长非常稳定，因为它是由短期（1--1.5波长厚）法布里 - 珀罗腔固定。边缘发射器相反，VCSEL的只能运行在一个单一的纵向模式。
2.波长均匀性和谱宽：生长技术改善了不到一个腔波长为2nm的标准偏差，这样的VCSEL 3“晶圆生产。这允许制造的VCSEL 2 - D数组数组的元素（<1nm的全宽半高谱宽）之间的小波长变化。相比之下，边发射栏栈遭受显著波长的变化，从酒吧吧，因为没有内在机制，以稳定的波长，在很宽的谱宽（3--5nm的FWHM）。
3.波长的温度灵敏度：在VCSEL的发射波长不敏感的温度变化比边缘发射器？5倍。原因是在VCSEL的激光波长是由单纵模腔的光学厚度和定义，这种光学厚度与温度的关系是最小的（腔的折射率和物理厚度有一个微弱的依赖温度）。另一方面，在边缘发射器的激光波长被定义为峰值增益波长，其中有一个对温度的依赖性更强。因此，高功率阵列（加热和温度梯度，可以显著）的谱线宽度是VCSEL阵列窄于边缘发射阵列（酒吧堆栈）。此外，超过20℃的温度变化，在VCSEL的发射波长会有所不同（7nm边缘发射器相比）小于1.4nm。
4.高温作业（泵的chillerless操作）：由于VCSEL的可以可靠地工作在温度高达80℃，就可以操作无需冷藏。因此，冷却系统就变得非常小，坚固耐用，这种方法移植。
5.光束质量：垂直腔面发射激光器发出通告束。通过适当的腔设计的VCSEL也可以在一个单一的横向模式（圆形高斯）发出。这种简支梁结构，大大降低了耦合/光束整形光学（边缘发射器相比）的复杂性和成本，提高了耦合效率光纤或输送介质。这一直是在低功耗市场的VCSEL技术的关键卖点。
6.可靠性：由于VCSEL的不受灾难性的光学损伤（COD），其可靠性比边缘发射器高得多。典型的拟合值的VCSEL（一亿美元的设备出现故障）<10。
7.Manufacturabilty和产量：可生产的VCSEL已经为这项技术的关键卖点。由于复杂的制造工艺和COD（灾难性的光损伤），边缘发射器有一个低收益率（边缘发射980纳米泵的芯片制造商相关的可靠性问题，通常只得到2“晶圆-500芯片）。另一方面，对VCSEL的收益率超过90％（相当于5000大功率芯片从2英寸晶圆）。事实上，由于其平面属性，VCSEL的制造标准的IC芯片处理相同。
8.可扩展性：对于高功率应用中，一个关键的VCSEL优势是，他们可以直接加工成单片的2 - D阵列，而这不是边缘发射器（可能只有一维的单片阵列）的可能。此外，一个复杂的热效率低下的安装计划是需要安装在栈边发射极棒。
9.包装和散热：安装的大型高功率VCSEL 2 - D的一个“结点”配置阵列很简单（类似微处理器包装），热搬迁过程中非常有效的，因为热遍历砷化铝镓材料只有几微米。已被证明5毫米的2 - D VCSEL阵列的5mm x <0.16K / W的创纪录的热阻抗。
11.成本：随着简单加工和散热技术，它比同等的边缘发射的酒吧栈封装的2 - D VCSEL阵列变得更加容易。建立现有硅业的散热技术，可用于非常高功率阵列的散热。这将显著降低高功率模块的成本。目前，激光棒的成本是DPSS激光器显性成本。
VCSEL芯片的制作流程
材料外延生长（晶圆）-->外延结构的表征（X射线衍射、反射谱、PL谱、电化学C-V特性等） -->芯片工艺制作（包括外延片开片清洗、SiNx生长、多次光刻、ICP刻蚀、氧化、金属电极、剥离、减薄等） -->后段工艺（包括划片解个、I-V特性、I-P特性、光谱等） -->最终完成从材料到芯片的全过程。