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Vcsel芯片和制作流程

时间:2022-07-18 14:20:22 热传 我要投稿

半导体工程师 2022-07-10 09:32 发表于北京

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。

来源:芯片工艺技术

作者:丁不四

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