垂直腔面发射激光器

01

垂直腔面发射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）自1977年诞生以来，就一直备受关注。 相比于其他类型激光器，VCSEL具有体积小、圆形输出光斑、可单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点。

在1996年VCSEL首次应用到光通信后，更是得到了迅猛的发展。尤其在短距离光通信领域850 nm VCSEL成为了理想的光源之一。而在2017年，随着带有3D人脸识别功能的最新一代苹果手机的发布，VCSEL真正进入公众视野 。其中实现3D人脸识别的光源为940 nm VCSEL，至此，VCSEL的波长研发重点，由以光通信为主的850 nm慢慢转向以应用于消费级设备为主的940 nm，人们发现在更多的应用场景下VCSEL也有极其优越的表现，例如在AR、VR、汽车智能辅助驾驶和人工智能机器人。

虽然目前940 nm VCSEL的应用前景巨大，但是2017年以前制造VCSEL的关键技术还基本掌握在国外公司手中，尤其在外延技术方面，国内很多的科研院所和企业都是通过高昂的价格从国外公司购买外延片，这样无形中就增加了产业化的难度。

华芯半导体科技有限公司与北京工业大学激光工程研究院合作在2017年开发出基于完全自主开发外延生长技术的VCSEL产品并投入量产。在完全自主研制940 nm VCSEL的过程中，发现VCSEL结构的合理设计，通过金属有机化合物气相外延（MOCVD）技术对材料进行精准生长以及复杂的芯片工艺是能否成功研制出VCSEL的关键。特别是材料的外延生长，一颗完整的VCSEL芯片就包括大约200层外延层，最薄外延层仅为几纳米，精准控制每层外延层的厚度、调制掺杂分布和组分均匀性的同时生长获得高质量低缺陷密度晶体，使之能够长期稳定工作在数十倍常规LED工作电流密度条件下是获得高性能、长寿命产品级VCSEL的关键。

垂直腔面发射激光器的外延生长

02

下图为940 nm VCSEL的外延结构示意图 ，主要的构成部分为上下分布式布拉格反射镜（DBR）和谐振腔。激射过程为，首先在有源区部分将电子空穴对转化为光子，之后在谐振腔中不断放大，最后在DBR反射率较低的一面激射出激光。而这其中最为重要的是位于谐振腔中将电子空穴对转化为光子的有源区。目前，常规获得940nm波段输出的VCSEL是采用InGaAs/AlGaAs量子阱体系，而华芯采用了更为先进的InGaAs/GaAsP应变补偿量子阱体系作为有源区材料，在获得高增益、低阈值电流密度的同时降低了量子阱内系统应力，提高了器件可靠性。

VCSEL结构示意图

940 nm 4寸VCSEL外延片F-PDIPmapping

对于VCSEL来说，另外一个重要的部分为DBR。只有上下DBR的反射率足够大，才可以使得有源区所产生光子能够在谐振腔内不断振荡放大。940 nm VCSEL的DBR是由两种不同Al组分的AlxGa1-xAs材料组成的高反射率膜系，而获得低串联电阻DBR是获得高光电转换效率VCSEL的关键所在。目前，用于3D感测的940 nmVCSEL要求芯片的光电转换效率35%以上，为此，华芯采用调制掺杂结合Delta掺杂的方式有效抑制DBR中异质结界面带阶压降，最终实现高质量VCSEL的全结构生长。

垂直腔面发射激光器的芯片工艺

03

VCSEL的外延完成之后要经过复杂的芯片工艺来制得940 nm VCSEL芯片， 其工艺过程包括多次清洗、光刻、干法刻蚀、金属化工艺以及一次湿法氧化工艺。在VCSEL台面刻蚀过程中引入了拥有断点监控功能的刻蚀设备来保证刻蚀的精确程度。由于需要多次的台面刻蚀工艺，外延片不同位置的台面刻蚀深度直接影响到芯片器件的性能参数，因此保证外延片的刻蚀均匀性至关重要。在金属电极工艺中，N面电极金属膜和P面电极金属膜的制作主要有两种方式：电子束蒸发镀膜和磁控溅射镀膜。N面金属电极成分为AuGeNi合金，P面金属电极使用的是TiPtAu，然后通过不同温度和时间在氮气氛围下的快速退火形成良好的欧姆接触。

湿法氧化工艺是VCSEL芯片制造中最关键的工艺，外延结构中高铝组分氧化层通过湿法氧化工艺后变成低折射率、高绝缘性的Al2O3形成有效的光场和电场限制。氧化孔径的大小和形状影响着VCSEL器件的很多性能参数，如VCSEL的阈值电流大小、光功率大小、串联电阻大小等。湿法氧化工艺时，通过控制氮气气体流量、腔室内加热温度来控制氧化速率，保证氧化速率的稳定性，从而达到用时间精准控制氧化孔径大小的目的，同时还使用红外光源的CCD用于实时观察氧化情况，保证氧化工艺的成功率。

VCSEL芯片制程示意图

VCSEL产品的国产化

04

940nm VCSEL的发展标志着VCSEL从传统的光通讯领域应用扩展到消费电子领域。仅以手机为例，2017年全球手机的出货量超过14亿部，如果IPHONEX引领基于3D sensor应用成为标配，1部智能手机上将至少装备2颗瓦级VCSEL芯片，VCSEL芯片的市场规模从十亿级人民币扩展到百亿级人民币。据专业机构YOLE预测2018年至2022年，随着其应用领域进一步扩展到VR/AR和汽车雷达市场，全球VCSEL模组市场将以37.7%的年增长率（YoY）快速增长并达到90亿美元。

作为940 nmVCSEL芯片核心设备MOCVD的全球仅有的2个供应商，美国的Veeco和德国Axtrion公司一致预测，2022年全球将有250台左右量产型机台专门生长VCSEL所需外延片，达到当前全球LED市场所需MOCVD机台数的1/6左右。而至截稿时间为止全球范围内用于940 nmVCSEL生长的量产型MOCVD机台数全球范围内小于20台，国内更是屈指可数。

VCSEL市场规模的爆发增长，使得各个VCSEL制造厂家迅速将VCSEL开发重点从850 nm转移到940 nm，积极扩大产能，以弥补当前产能的严重不足。在此背景下，国内的VCSEL芯片制造行业将朝着VCSEL基础材料生长研发和高质量国产化的方向不断发展以应对市场需求，以华芯半导体科技公司为例在原有光通讯用850 nmVCSEL芯片外延技术的基础上上成功实现了手机用940 nmVCSEL高功率TOF和结构光芯片的国产化，其性能可与国外顶尖公司产品相媲美。同时国内多家公司也积极在此领域布局，如光讯科技等老牌光通讯企业已完成高性能样品供手机厂商评估，如纵慧光电、全垒光电等新兴公司也在积极订购MOCVD加入到VCSEL国产化队伍中。

我们有理由相信，国内企业940 nmVCSEL芯片产业化基础与我国手机生产第一大国的优势资源相结合，国产VCSEL芯片必将继LED芯片之后，再一次成为全球光电芯片的决定性力量。

华芯940 nm单发光区VCSEL 芯片性能曲线（左）3D感测用结构光阵列VCSEL芯片（右）

华芯940 nm单发光区VCSEL 芯片性能曲线（左）3D感测用结构光阵列VCSEL芯片（右）