Vcsel芯片和制作流程

但凡说到激光器，人们必须提及Vcsel，也就是垂直腔面发射激光器：Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser。2017年苹果公司iPhone X采用vcsel作为3D感应技术，用于Proximity sensor和 Face ID模块，彻底把Vcsel炒热了。之后发现Vcsel在激光雷达LiDAR和气体检测等方面有很大的应用市场。市场预期2023年市场还会扩大10倍以上。同时随着光通讯数据中心的建设，Vcsel激光器作为980nm等短波长激光器的使用量也会激增。

Vcsel的应用场景

市场预期

全球主要Vcsel供应商

2. Vcsel的结构和原理

如上图，我们都知道LD作为侧发光的激光器，光源是从侧边出光面发射，而且需要在AR面镀增透膜、HR面做高反膜。而Vcsel的光是从P型或N型表面直接发射出来，有点像红光LED的结构。

芯片内部结构

Vcsel的光腔是采用有源区上方和下方的布拉格在外延工序沉淀而成。

TO封装后的Vcsel外形

我们以上图的Vcsel的制备过程为例说明：

1）通过MBE或Mocvd在砷化镓的基板上，交替生长GaAs和AlAs，交替生长层最终形成布拉格反射镜。GaAs和AlAs有这显著不同的折射率，但是他们二者的晶格常数基本相同，因此可以交替生长很多层而不产生位错，这也是为什么可以做出高反射率的镜面效果。

2） 接着生长几个量子阱有源区。

3）在上面生长一组P掺杂的GaAs/AlAs。

4）刻蚀出一个圆环形区域，从而定义出区域中直径几微米的激光器。

5）通常金属接触位于顶部环绕器件环上，通常要在顶部反射镜堆叠中，通过氧化暴露的AlAs层，使它形成氧化物不导电，从而形成电流光阑，以便漏斗电流仅流向器件的中心。

6）P型布拉格反射镜。

7）镀上面P电极

8）减薄到100um，镀N电极锗镍金。

3. Vcsel优缺点

优点：

1）不需要单独做反射镜，工艺简单。

2）阈值电流仅为0.1mA，器件体积小，电容小，适用于10Gbit/s的高速调制系统。

3）出光面是圆形，发射出来的光也是圆形，且垂直腔的高度也只有几微米，纵模只有一个，而且当腔体直径小于8um时，只有一个横模存在。十分方便出光耦合光线等。

4）温度特性好，无需制冷。

举例：德国Mergeoptics公司生产的850nm Vcsel激光器，谱宽0.2nm，平均发射功率-2.17dBm，消光比6.36dB，相对强度噪音-128dB/Hz。

缺点：

输出功率低，腔长短。 长波长的外延很难做，比如光通讯用的1310nm、1550nm。

GaAs的vcsel有一个AlAs氧化工艺，可以用来形成侧向电流限制，inp系的材料没有这个工艺，侧面电流限制做得不太好。