垂直腔面發射激光器
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垂直腔面發射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）自1977年誕生以來，就一直備受關注。 相比於其他類型激光器，VCSEL具有體積小、圓形輸出光斑、可單縱模輸出、閾值電流小、價格低廉、易集成為大面積陣列等優點。
在1996年VCSEL首次應用到光通信後，更是得到了迅猛的發展。尤其在短距離光通信領域850 nm VCSEL成為了理想的光源之一。而在2017年，隨著帶有3D人臉識別功能的最新一代蘋果手機的發佈，VCSEL真正進入公眾視野 。其中實現3D人臉識別的光源為940 nm VCSEL，至此，VCSEL的波長研發重點，由以光通信為主的850 nm慢慢轉向以應用於消費級設備為主的940 nm，人們發現在更多的應用場景下VCSEL也有極其優越的表現，例如在AR、VR、汽車智能輔助駕駛和人工智能機器人。
雖然目前940 nm VCSEL的應用前景巨大，但是2017年以前製造VCSEL的關鍵技術還基本掌握在國外公司手中，尤其在外延技術方面，國內很多的科研院所和企業都是通過高昂的價格從國外公司購買外延片，這樣無形中就增加了產業化的難度。
華芯半導體科技有限公司與北京工業大學激光工程研究院合作在2017年開發出基於完全自主開發外延生長技術的VCSEL產品並投入量產。在完全自主研製940 nm VCSEL的過程中，發現VCSEL結構的合理設計，通過金屬有機化合物氣相外延（MOCVD）技術對材料進行精準生長以及複雜的芯片工藝是能否成功研製出VCSEL的關鍵。特別是材料的外延生長，一顆完整的VCSEL芯片就包括大約200層外延層，最薄外延層僅為幾納米，精準控制每層外延層的厚度、調製摻雜分佈和組分均勻性的同時生長獲得高質量低缺陷密度晶體，使之能夠長期穩定工作在數十倍常規LED工作電流密度條件下是獲得高性能、長壽命產品級VCSEL的關鍵。
垂直腔面發射激光器的外延生長
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下圖為940 nm VCSEL的外延結構示意圖 ，主要的構成部分為上下分佈式布拉格反射鏡（DBR）和諧振腔。激射過程為，首先在有源區部分將電子空穴對轉化為光子，之後在諧振腔中不斷放大，最後在DBR反射率較低的一面激射出激光。而這其中最為重要的是位於諧振腔中將電子空穴對轉化為光子的有源區。目前，常規獲得940nm波段輸出的VCSEL是採用InGaAs/AlGaAs量子阱體系，而華芯採用了更為先進的InGaAs/GaAsP應變補償量子阱體系作為有源區材料，在獲得高增益、低閾值電流密度的同時降低了量子阱內系統應力，提高了器件可靠性。
VCSEL結構示意圖
940 nm 4寸VCSEL外延片F-PDIPmapping
對於VCSEL來說，另外一個重要的部分為DBR。只有上下DBR的反射率足夠大，才可以使得有源區所產生光子能夠在諧振腔內不斷振盪放大。940 nm VCSEL的DBR是由兩種不同Al組分的AlxGa1-xAs材料組成的高反射率膜系，而獲得低串聯電阻DBR是獲得高光電轉換效率VCSEL的關鍵所在。目前，用於3D感測的940 nmVCSEL要求芯片的光電轉換效率35%以上，為此，華芯採用調製摻雜結合Delta摻雜的方式有效抑制DBR中異質結界面帶階壓降，最終實現高質量VCSEL的全結構生長。
垂直腔面發射激光器的芯片工藝
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VCSEL的外延完成之後要經過複雜的芯片工藝來製得940 nm VCSEL芯片， 其工藝過程包括多次清洗、光刻、幹法刻蝕、金屬化工藝以及一次溼法氧化工藝。在VCSEL檯面刻蝕過程中引入了擁有斷點監控功能的刻蝕設備來保證刻蝕的精確程度。由於需要多次的檯面刻蝕工藝，外延片不同位置的檯面刻蝕深度直接影響到芯片器件的性能參數，因此保證外延片的刻蝕均勻性至關重要。在金屬電極工藝中，N面電極金屬膜和P面電極金屬膜的製作主要有兩種方式：電子束蒸發鍍膜和磁控濺射鍍膜。N面金屬電極成分為AuGeNi合金，P面金屬電極使用的是TiPtAu，然後通過不同溫度和時間在氮氣氛圍下的快速退火形成良好的歐姆接觸。
溼法氧化工藝是VCSEL芯片製造中最關鍵的工藝，外延結構中高鋁組分氧化層通過溼法氧化工藝後變成低折射率、高絕緣性的Al2O3形成有效的光場和電場限制。氧化孔徑的大小和形狀影響著VCSEL器件的很多性能參數，如VCSEL的閾值電流大小、光功率大小、串聯電阻大小等。溼法氧化工藝時，通過控制氮氣氣體流量、腔室內加熱溫度來控制氧化速率，保證氧化速率的穩定性，從而達到用時間精準控制氧化孔徑大小的目的，同時還使用紅外光源的CCD用於實時觀察氧化情況，保證氧化工藝的成功率。
VCSEL芯片製程示意圖
VCSEL產品的國產化
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940nm VCSEL的發展標誌著VCSEL從傳統的光通訊領域應用擴展到消費電子領域。僅以手機為例，2017年全球手機的出貨量超過14億部，如果IPHONEX引領基於3D sensor應用成為標配，1部智能手機上將至少裝備2顆瓦級VCSEL芯片，VCSEL芯片的市場規模從十億級人民幣擴展到百億級人民幣。據專業機構YOLE預測2018年至2022年，隨著其應用領域進一步擴展到VR/AR和汽車雷達市場，全球VCSEL模組市場將以37.7%的年增長率（YoY）快速增長並達到90億美元。
作為940 nmVCSEL芯片核心設備MOCVD的全球僅有的2個供應商，美國的Veeco和德國Axtrion公司一致預測，2022年全球將有250臺左右量產型機臺專門生長VCSEL所需外延片，達到當前全球LED市場所需MOCVD機臺數的1/6左右。而至截稿時間為止全球範圍內用於940 nmVCSEL生長的量產型MOCVD機臺數全球範圍內小於20臺，國內更是屈指可數。
VCSEL市場規模的爆發增長，使得各個VCSEL製造廠家迅速將VCSEL開發重點從850 nm轉移到940 nm，積極擴大產能，以彌補當前產能的嚴重不足。在此背景下，國內的VCSEL芯片製造行業將朝著VCSEL基礎材料生長研發和高質量國產化的方向不斷髮展以應對市場需求，以華芯半導體科技公司為例在原有光通訊用850 nmVCSEL芯片外延技術的基礎上上成功實現了手機用940 nmVCSEL高功率TOF和結構光芯片的國產化，其性能可與國外頂尖公司產品相媲美。同時國內多家公司也積極在此領域佈局，如光訊科技等老牌光通訊企業已完成高性能樣品供手機廠商評估，如縱慧光電、全壘光電等新興公司也在積極訂購MOCVD加入到VCSEL國產化隊伍中。
我們有理由相信，國內企業940 nmVCSEL芯片產業化基礎與我國手機生產第一大國的優勢資源相結合，國產VCSEL芯片必將繼LED芯片之後，再一次成為全球光電芯片的決定性力量。
華芯940 nm單發光區VCSEL 芯片性能曲線（左）3D感測用結構光陣列VCSEL芯片（右）
華芯940 nm單發光區VCSEL 芯片性能曲線（左）3D感測用結構光陣列VCSEL芯片（右）
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