手機里“隱秘的角落”——VCSEL（結(jié)構(gòu)與原理篇）
都說“金九銀十”，每年的秋季，各大手機廠商都會發(fā)布新品，鉚足了勁來攻占第四季度市場，特別是“雙十一”購物節(jié)的換機潮。
10月26日，小米召開了年度新品發(fā)布會，年度旗艦小米14、小米14 Pro等新品正式亮相。相比前兩年，這個年度發(fā)布會貌似來得有點早。
9月13日凌晨，蘋果召開了“好奇心上頭”的秋季新品發(fā)布會，全新iPhone 15和iPhone 15 Pro系列新機發(fā)布。
8月末，華為Mate 60 系列手機“未發(fā)先售”。上市近兩月，華為Mate 60 系列仍一機難求。
伴隨著智能手機的更新迭代，拍照、感應、識別等功能飛速提升，實現(xiàn)了從“聊勝于無”到“不可或缺”的地位跨越。這背后，離不開以VCSEL激光器為核心關鍵元器件的3D Sensing 攝像頭在手機上的應用。
問題來了，什么是VCSEL？
01
半導體分類與VCSEL
在簡述VCSEL之前，先簡單講講半導體及其分類。
半導體，是一種導電性能介于導體與絕緣體之間的材料，按照功能來分，主要包括集成電路(IC)、光電子器件(OT)、分立器件(DS)、傳感器(Sensors)等四大類。在四類構(gòu)成中，全球集成電路的市場規(guī)模占整個半導體行業(yè)的80%以上。因此，業(yè)內(nèi)習慣把半導體行業(yè)稱為集成電路行業(yè)，而芯片又是集成電路的載體，所以廣義上又將芯片等同于集成電路。
半導體分類如下所示：
（圖源：浙商證券）
過去半個多世紀，“摩爾定律”一直驅(qū)動著集成電路與芯片行業(yè)的飛速發(fā)展。不過，隨著“摩爾定律”臨近極限，以光子技術(shù)為基礎的創(chuàng)新應用開始在多領域百花齊放。21世紀被稱為是光的世紀，是推動世界最前沿科技發(fā)展的核心技術(shù)之一。
有別于過去半導體產(chǎn)業(yè)所奉行的“摩爾定律”，中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人米磊博士更為光子集成時代提出一個創(chuàng)新的“米70定律”——未來光學成本將占所有科技產(chǎn)品成本的70%，光學技術(shù)成為科技產(chǎn)品的關鍵瓶頸技術(shù)，解決光學技術(shù)是推動科技進步的核心。
光電子器件（OT）是半導體行業(yè)的重要構(gòu)成。光電子器件是指利用光電效應、光敏效應、熱釋電效應等原理將光信號轉(zhuǎn)換成電信號或?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)換成光信號的器件。根據(jù)其功能不同，一般可分為以下幾類：
（圖源：網(wǎng)絡）
其中，半導體激光器俗稱激光二極管，通常包括激光芯片、激光器件、激光模塊及直接半導體激光器等領域。而直接半導體激光器則是半導體激光行業(yè)的終端產(chǎn)品，由半導體激光器模塊、輸出光學系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，在電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的驅(qū)動和監(jiān)控下實現(xiàn)激光輸出，直接應用于下游激光加工、通訊、傳感等應用領域。
激光芯片是半導體激光器的核心元件，主要用于發(fā)射信號，將電信號轉(zhuǎn)化為光信號。激光芯片以電激勵源方式，以半導體材料為增益介質(zhì)，將注入電流的電能激發(fā)，從而實現(xiàn)諧振放大選模輸出激光，實現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。其增益介質(zhì)與襯底主要為摻雜 III-V 族化合物的半導體材料，如 GaAs（砷化鎵），InP（磷化銦）等。
按出光結(jié)構(gòu)，激光器芯片可進一步分為面發(fā)射芯片（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）和邊發(fā)射芯片（EEL：Edge Emitting Lasers）兩種，后者包括FP、DFB和EML芯片。
02
VCSEL基本結(jié)構(gòu)和工作原理
EEL和VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖如下：
（邊發(fā)射激光芯片（左）和面發(fā)射激光片（右）示意圖）
EEL芯片是在芯片的兩側(cè)鍍光學膜形成諧振腔，沿平行于襯底表面發(fā)射激光，而VCSEL芯片是在芯片的上下兩面鍍光學膜，形成諧振腔，由于光學諧振腔與襯底垂直，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直于芯片表面發(fā)射激光。
VCSEL作為一種半導體激光器，形成激光發(fā)光需要完成能量激發(fā)和共振放大兩個步驟。
首先要實現(xiàn)能量激發(fā)，通過外加能量（光能或電能）激發(fā)半導體的電子由價帶跳到導帶，當電子由導帶跳回價帶時，將能量以光能的形式釋放出來。然后在發(fā)光區(qū)外加一對激光腔鏡，使光束在左右兩片鏡片之間反復來回反射，不停地通過發(fā)光區(qū)吸收光能，最后產(chǎn)生諧振效應，使光的能量放大最終形成激光。
VCSEL技術(shù)與EEL技術(shù)對比如下：
（圖源：東吳證券）
相比EEL，VCSEL有諸多突出優(yōu)勢。比如：
1：光束質(zhì)量高。
從上文的示意圖可以看出，EEL的出射光斑是橢圓形的，而VCSEL具有較小的發(fā)散角，發(fā)射光束窄且圓，易與光纖進行耦合，其耦合效率比EEL的大很多。（耦合率越高,傳輸速率越好。）
2：更易集成小體積大型二維陣列。
VCSEL發(fā)光在垂直方向上，而EEL出光方向為側(cè)面；半導體材料的生長都是自下而上的，如果側(cè)面發(fā)光，想要做成陣列的話，要把一個個器件豎起來,這是不可能的。因此在做二維陣列這方面，VCSEL有著得天獨厚的優(yōu)勢。(這也就是為什么用VCSEL來做FACE ID的光源的原因之一。)
3：能耗低。
VCSEL的閾值電流很小，在1-2mA之間，在較低的電流下則可以正常工作，因此能耗低。
03
VCSEL芯片工藝過程
VCSEL整個工藝過程主要由結(jié)構(gòu)設計、外延生長、晶圓制造、封裝測試四個環(huán)節(jié)組成，產(chǎn)業(yè)鏈高度細分、專業(yè)化程度高、擁有較高的技術(shù)門檻。
VCSEL基本工藝流程如下：
（圖源：光電子先導院）
外延工藝至關重要，外延結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣基本決定了VCSEL器件的性能。外延片的生長過程主要利用MOCVD（金屬有機化學氣相沉積）設備完成，在襯底表面生長出跟襯底具有相同晶格排列的特定薄膜層。
目前，我國VCSEL激光器產(chǎn)業(yè)鏈下游應用環(huán)節(jié)發(fā)展較快，但在技術(shù)門檻較高的中上游環(huán)節(jié)，具備外延生長、芯片制備等批量生產(chǎn)能力的企業(yè)比較稀缺。
值得一提的是，陜西光電子先導院孵化企業(yè)——西安唐晶量子，主要從事半導體激光器外延片的生長研發(fā)及銷售，是國內(nèi)極少數(shù)具備批量量產(chǎn)GaAs VCSEL和GaAs HBT外延片的廠家。
目前，陜西光電子先導院已完成了VCSEL工藝平臺的開發(fā)，可協(xié)助客戶完成相應的研發(fā)導入。
（圖：先進光子器件工程創(chuàng)新平臺）
上面簡單介紹了半導體分類、VCSEL基本結(jié)構(gòu)和原理，以及生產(chǎn)工藝。那么，具有諸多突出優(yōu)勢的VCSEL市場前景如何？主要應用在哪些領域？小編將在下篇文章中繼續(xù)為大家分解。