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从手机Face ID 的VCSEL激光器到Lumentum以18亿美元的价格拿下行业老三Oclaro。VCSEL芯片引起业内广泛关注。
VCSEL（垂直腔面发射雷射器）元件发展态势，从2018 年苹果发表的iPhone X 系列开始，直到今日话题性仍然不断；在智能手机3D 感测人脸辨识功能、车用光达（LiDAR）应用等需求带动下，红外线元件市场规模逐渐茁壮，其中以VCSEL 元件成长幅度最显著。
从中美摩擦影响层面着眼，中国许多终端产品供应商，开始找寻其他制造商替代相关零件来源，借此达到供应链去美化目的。比如华为的VCSEL 元件原由IDM 大厂Lumentum 提供，但随着美国商务部于今年5 月发布出货禁令，Lumentum 已停止供货于华为；如今，华为选定一家新创厂商纵慧芯光，提供后续手机VCSEL 元件订单。华为禁令连带影响了Lumentum 的营收表现，也将迫使Apple Face ID 模组供应商情形（II-VI 与AMS 等加入战局），市场竞争态势逐渐白热化。
是时候让我们认识一下VCSEL激光芯片了。
什么是VCSEL激光器？
VCSEL激光器全名为垂直共振腔表面放射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL），简称面射型激光器。它以砷化镓半导体材料为基础研制，是一种半导体激光器。其激光垂直于顶面射出，与激光由边缘射出的边射型激光有所不同。因此相较于边射型激光器，VCSEL激光器具有低阈值电流、稳定单波长工作、可高频调制、容易二维集成、没有腔面阈值损伤等优点，在半导体激光器中占有很重要的地位。
边发射激光器和面发射激光器VCSEL
VCSEL 的结构示意图如下图所示。它是在由高、低折射率介质材料交替生长成的分布布喇格反射器（DBR）之间连续生长单个或多个量子阱有源区所构成。典型的量子阱数目为 3~5 个，它们被置于驻波场的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。在底部还镀有金属层以加强下面 DBR 的光反馈作用，激光束从顶部透明窗口输出。
实际上，要完成低阈值电流工作，和一般的条型半导体激光器一样，必须使用很强的电流收敛结构，同时进行光约束和截流子约束。由上图可见， VCSEL 的半导体多层模反射镜 DBR 是由 GaAs/AlAs 构成的，经蚀刻使之成为 air-post（台面）结构。在高温水蒸汽中将 AlAs 层氧化，变为有绝缘性的 AlxOy 层，其折射率也大大降低，因而成为把光、载流子限制在垂直方向的结构。对 VCSEL 的设计集中在高反射率、低损耗的 DBR 和有源区在腔内的位置。
关键技术一：VCSEL外延
銦镓砷InGaAs井（well）铝镓砷AlGaAs垒（barrier）的多量子阱（MQW）发光层是最合适的，跟LED用In来调变波长一样，3D传感技术使用的940纳米波长VCSEL的銦In组分大约是20%，当銦In组分是零的时候，外延工艺比较简单，所以最成熟的VCSEL激光器是850纳米波长，普遍使用于光通信的末端主动元件。
发光层上、下两边分别由四分之一发光波长厚度的高、低折射率交替的外延层形成p-DBR与n-DBR，一般要形成高反射率有两个条件，第一是高低折射率材料对数够多，第二是高低折射率材料的折射率差别越大，出射光方向可以是顶部或衬底，这主要取决于衬底材料对所发出的激光是否透明，例如940纳米激光由于砷化镓衬底不吸收940纳米的光，所以设计成衬底面发光，850纳米设计成正面发光，一般不发射光的一面的反射率在99.9%以上，发射光一面的反射率为99%，目前的AlGaAs铝镓砷结构VCSEL大部分是用高铝（90%）的Al0.9GaAs层与低铝（10%）Al0.1GaAs层交替的DBR，反射面需要30对以上的DBR（一般是30~35对才能到达99.9%反射率），出光面至少要24~25对DBR（99%反射率），由于后续需要氧化工艺来缩小谐振腔体积与出光面积，所以在接近发光层的p-DBR膜层的高铝层需要使用全铝的砷化铝AlAs材料，这样后面的氧化工艺可以比较快完成。
外延与氧化工艺是VCSEL良率与光电特性好坏的关键
