43年后，從光通信到消費電子，VCSEL火了

其實早在VCSEL面世之前，半導體激光器已經發展了很多年，其主要代表就是傳統的邊發射激光器。1977年，日本東京工業大學的伊賀健一教授首次提出了垂直腔面發射激光器這一概念，當時主要想通過縮短腔長來獲得穩定輸出的單縱模半導體激光器，但由于這種設計單程增益長度短，很難獲得激光激射，因此VCSEL早期的研究十分緩慢。

兩年后，伊賀健一教授使用液相外延技術成功實現了77 K溫度下GaInAsP系列激光器脈沖激射。1988年采用有機化學氣相沉積技術生長外延材料實現了室溫條件下連續工作的GaAs系列VCSEL。隨著外延技術的不斷發展，能夠制造出反射率極高的半導體DBR結構，這大大加快了VCSEL的研究進程。到20世紀末，在研究機構嘗試不同結構以后，此時也基本確定了氧化限制型結構VCSEL的主流地位，其后，就進入了成熟及性能不斷優化提高的階段。

隨著VCSEL商業化對各光通信領域的滲透，為了滿足在各種場景下的應用，高速率、低功耗、寬工作溫度范圍成為光通信VCSEL優化發展的新方向[2]。VCSEL 從誕生之日起就作為新一代光存儲和光通信應用的核心器件，應用在光并行處理、光識別、光互聯系統、光存儲等領域，數據中心、超算中心等機架間連接常可以見到以VCSEL為光源的光模塊。當然除了最早涉足的光通信領域，VCSEL以其獨特的結構特點在功耗、制造成本、集成、散熱等方面的優勢開始顯現，也廣泛應用于工業領域和消費電子領域，特別是自2017年蘋果公司發布帶有Face ID功能的iPhone X以來（其3D攝像頭模組中主動紅外投射點陣光源為結構光VCSEL），VCSEL在消費電子、安防、激光雷達等領域持續發力，到現在幾乎成了各個領域近紅外光學傳感的寵兒。

工業和商業領域常見的應用有激光加工、醫療美容、環境監測、激光雷達、無人商店、智能門鎖、安防攝像頭、安防閘機等。消費電子領域包括激光鼠標、手機、平板電腦、無人機、掃地機器人、VR/AR、真無線藍牙耳機、3D游戲機等等。

VCSEL的制造，不易

VCSEL結構一般由上、下布拉格反射鏡(DBR)和中間有源區三部分組成，其典型的外延結構如圖1所示從下到上依次是襯底、N型接觸層、N型DBR、量子阱有源區、P型DBR、P型接觸層。

其中有源區為器件最重要的組成部分，由于VCSEL腔長極短，需要腔內有源介質對激射模式提供較大的增益補償。對于電流注入型VCSEL多采用多量子阱結構提高材料的微分增益。DBR反射鏡一般由折射率不同且厚度為光波長的四分之一的兩種材料交替生長而成，為了減小光學損耗，N型DBR的反射率接近100%，可作為諧振腔的全反射鏡，而P型DBR反射率相對較低，可作為諧振腔的出射鏡。其中P型DBR中有一層或多層高鋁組分AlGaAs層作為氧化限制層（圖1中為雙氧化層結構）。

采用多氧化層結構可以降低VCSEL器件的結電容，提高其調制帶寬。橫向電流和光場限制氧化孔徑大小取決于器件整體性能設計，將影響器件閾值電流、峰值功率等關鍵參數。VCSEL的N/P型接觸層用來制作N/P型歐姆電極，電流經過歐姆電極注入器件半導體材料。

VCSEL是半導體激光器的一種，其工作原理與其他半導體激光器本質上是相同的，只是在結構設計上有些許區別，比如在激光出射面上有別于邊發射半導體激光器。

激光器就是利用半導體中的電子光躍遷引起光子受激發射而產生光振蕩器和光放大器的總稱，其產生激光同樣要滿足以下三個基本條件：

1）建立有源區內載流子的反轉分布；

2）合適的諧振腔使受激輻射在其中得到多次反饋形成激光振蕩；

3）提供足夠強的電流注入使得光增益大于或者等于各種損耗之和，滿足一定的電流閾值條件。

三個基本條件對應著VCSEL器件結構的設計理念。VCSEL的有源區使用應變量子阱結構，建立起實現內部載流子反轉分布的基礎，同時設計合適的反射率的諧振腔使輻射出的光子形成相干振蕩，最后提供足夠強的注入電流使得光子能夠克服器件自身的各種損耗形成激射。

實際制造過程中使用金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）設備生長外延材料、生長外延結構過程中，以4寸半絕緣砷化鎵作為外延襯底層，三甲基甲（TMGa）、三甲基鋁（TMAl）、三甲基銦（TMIn）作為Ⅲ族源，砷烷（AsH3）作為Ⅴ族源，硅烷（SiH4）作為N型摻雜源，四溴化碳（CBr4）作為P型摻雜源。

外延生長過程中需要精確控制各層材料的生長溫度、氣體流量、時間等條件，使得生長的外延層結構和組分滿足設計要求。外延生長結束后，經過一系列外延材料測試設備如光致熒光譜測試儀（PL）、X射線衍射儀（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）、擴散濃度測試儀（ECV）等進行測試，外延片如果滿足測試要求，那么就得到了合格的VCSEL外延片。然后利用斷點監控電感耦合等離子體刻蝕技術和精確濕法氧化控制技術等芯片制造技術，最后得到高速雙臺面同面電極結構VCSEL陣列芯片。隨后再進行芯片解理、測試、分選、抽樣老化及可靠性測試。

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