VCSEL 垂直腔面发射激光器
VCSEL 垂直腔面发射激光器
VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）是一种垂直腔面发射激光器，具有低阈值电流、窄发射光谱宽度、易于制造阵列等优点。本文将详细介绍VCSEL的结构、工作原理、制造工艺、封装技术以及关键参数。
一、简介
VCSEL：Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔面发射激光器
优点：低阈值电流、窄发射光谱宽度、易于制造阵列、可实现高密度集成
二、VCSEL的结构
VCSEL的基本模型和典型激光器没有区别，只是制造方式不同。
谐振腔：由两个分布式布拉格反射器（distributed Bragg reflector，DBR）构成。DBR是由高、低折射率介质材料交替生长成的，每层都是发射激光的四分之一波长，作用是筛选出特定波长的“纯净”光。常见的VCSEL中，上下两层DBR结构会被注入p型和n型材料，形成半导体pn结，这样电流就可以流过。
活性层 (有源区)：产生激光的关键区域，位于两个DBR镜之间，包含一个或多个量子阱结构。量子阱是由两种不同带隙的半导体材料组成的薄层，能够使电子和空穴在其中复合并发射光子，主要由铟镓砷（InGaAs）和铝镓砷（AlGaAs）组成，常见的是3~5层。
金属电极：位于顶部DBR之上和底部DBR之下，通常是一个金属层，与外部电路相连，用于提供电流路径。顶部金属层中间红色是出光位置，下层金属电极也可以作为反射镜增加出光效率。
衬底：VCSEL通常生长在一块半导体衬底上，如GaAs（砷化镓），这是整个结构的基础
VCSEL可以设计成上表面出光或者下表面出光，上表面出光的VCSEL的底部还需要一层衬底。一般的GaAs衬底对800nm附近波长的光有强吸收，所以在这个波段的VCSEL器件一般采用顶发射结构。
三、VCSEL的工作原理
3.1 激光的三要素
激活介质：激光器中产生光放大的物质基础；
泵浦源：为激活介质提供初始能量；
谐振腔：一组反射镜或其他反射结构，形成了一个封闭的光路，作用是让光子在激活介质中多次往返，每次通过激活介质时都会发生光放大的过程，直到光子的能量足够强以克服谐振腔的损失并发射出去。
3.2 VCSEL的工作步骤
1、电流注入（泵浦源）：外加电压施加到VCSEL时，电流从顶部电极流入并通过顶部DBR（分布布拉格反射器）到达有源区。
2、电子空穴复合：当电流通过半导体材料时，电子从价带被激发到导带，而空穴则留在价带，并使得电子的数量超过空穴的数量（粒子数反转）。当电子和空穴在量子阱(激活介质)中复合时，电子从导带跃迁回价带，并与空穴复合。这一过程释放出能量，以光子的形式发出。光子的能量取决于电子从导带跃迁到价带时所跨越的能隙大小。
3、光子在谐振腔内的放大：光子在顶部DBR和底部DBR(光学谐振腔)之间往返反射，光子每次穿过有源区时都会被进一步放大，因为会有更多的电子和空穴复合产生新的光子。
4、达到激光阈值：当光子的能量足够强以克服谐振腔中的损耗，达到某个临界值时。
5、激光发射：一部分光子从顶部DBR发射出来，形成激光束。
VCSEL 作为一种半导体激光器，形成激光发光需要完成能量激发和共振放大两个步骤。首先要实现能量激发，通过外加能量（光能或电能）激发半导体的电子由价带跳到导带，当电子由导带跳回价带时，将能量以光能的形式释放出来。然后在发光区外加一对激光腔镜，使光束在左右两片镜片之间反复来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大最终形成激光。
四、VCSEL、LED、EEL
VCSEL LEDlight-emitting diode EELedge-emitting laser
发光 垂直方向 垂直方向 侧面
测试 片上测试 片上测试 Wafer切开后测试
封装 简单 简单 复杂
成本 中 低 高
光强 较弱，max=10W阵列形式提供高光强 较弱，max=4.5W阵列形式提供高光强 最强，max=120W
光谱 较窄受激发光，属于激光 较宽发光半导体 较窄受激发光，属于激光
光束 小发散角，圆形光斑 大发散角Lambertian辐射强度随角度变化 中等椭圆形光斑，需要光束整形
调制速度 快，10Gbps 较慢，0.1Gbps 快，1Gbps
转换效率 较高，3060% 较低，1030% ，50~60%
五、VCSEL制造工艺与封装
5.1 制造工艺
1. 外延生长
在GaAs（砷化镓）衬底上，通过分子束外延生长由多个周期的AlGaAs(砷化铝镓)/GaAs层堆叠在一起的AlGaAs/GaAs系DBR（分布反射型Distributed Bragg Reflector）。
2. Patterning＆Mask形成
为了将外延层做成被称为 Mesa 的圆柱形，制作一个掩模图案。
3. Mesa加工
用干法蚀刻进行Mesa加工。
4. 氧化狭窄＆保护膜形成
活性层附近设计的特定AlGaAs层通过湿法氧化而氧化狭窄（氧化狭窄层作为电流和光的封闭结构，成为影响VCSEL特性的非常重要的层）。另外，沉积Mesa侧壁保护膜。
5. 电极形成
n型、p型电极形成。
5.2 封装
完成VCSEL制造后，整体晶圆将经过检测，dicing进行出货。VCSEL在模组端会进行封装，主要会进行Die attach和wire bonding。Die attach的主要目的是将VCSEL和模组基板建立导电和导热通道，如下图所示。对于不同功率的VCSEL，使用的bonding环氧树脂种类不同，以实现不同的散热和信赖性需求。
完成基底bonding后，会进行wire bonding，单一VCSEL发光点一般使用一条wire bonding即可，但是对于高功率VCSEL阵列，需要用多个wire bonding以避免高电流熔断金线。如下图所示，左边是单一wire bonding，右边是多个wire bonding。根据Vixar，对于1 mil粗细的金线，最大可以承受0.7安培的电流。
VCSEL受限于自身结构，强度不及EEL。但是由于其制造工艺可以实现光源的2维阵列排布，单一芯片可以根据需求定制化包含数百个光源，不只可以提高输出光强，还可以提高芯片的可靠性，不会像单一光源的激光器容易受到关键光学损失。
六、VCSEL关键参数
波长特性（波长，光谱宽度，温度特性）
VCSEL的光谱特性由其量子阱中增益介质和DBR的设计决定。常见的VCSEL波长为650nm-1080nm，1550nm等，以红外应用为主，最新的研究可以实现280-320 nm的紫外VCSEL。对于有多个发光点的VCSEL阵列，由于制程误差，每个VCSEL的波长会略有偏移，整体展示出一个相对较宽的整体光谱，单个VCSEL Mesa的光谱宽度一般小于1nm。VCSEL波长对于温度十分稳定，为~0.06nm/K的数量级。
光束质量（模式，发散角）
VCSEL中的氧化限制层在DBR中制造了一个波导结构，VCSEL的横模类似于光纤中的弱波导模式。对于足够小的氧化限制孔径，只有基础模式LP01可以存在，扩大孔径会让更多的模式射出。VCSEL整体发出的光是由多个模式组成的，每个模式都有自己的发散角。基础模式LP01在远场是高斯光束，高阶模式发散角更大，光束质量也更差。
输出功率和转换效率
根据应用需求的不同，VCSEL功率从mW到W级别。工作电流和孔径的大小都影响其输出功率。功率会随着电流增大而增大，达到一个峰值然后下降，如下左图所示，展示了直流情况下电流和功率的关系。这种现象的原因是半导体结内的温度上升导致的，被称为“thermal rollover”。可以通过使用脉冲模式来实现更高的峰值功率，如下右图所示，展示了1%duty cyle， 50ns pulse width，不同温度下的峰值功率。
一般来说，单独的Mesa用大孔径会实现更大的功率。小孔径的VCSEL较小的电流密度限制了一个VCSEL可以实现的最大Wall Plug Efficiency (WPE)。但是由于VCSEL孔径的大小和DBR厚度比例的限制，出现最大WPE的孔径为某个值，然后WPE开始下降。假设这个值为8um左右，随着aperture变大，其中的电流分布就开始不均匀，影响了其WPE。为了实现高功率，如果要做一个VCSEL阵列，可能会选择使用10-12um的孔径，并制造成阵列。这种方式很好的平衡了最大的功率需求和电光转换效率，以及光束质量。下图展示了VCSEL的电光转换效率，孔径和温度的关系。
VCSEL设计中还有很多其他需要考量的因素，包括其阈值电流，电阻，上升沿下降沿时间，工作温度范围，效率等。可以看到很多参数之间是相互影响，需要在设计中进行取舍和平衡。
信赖性
由于VCSEL是一种千层饼式的激光结构，这种结构的每层都是不同物质，同时每层都很薄，所以这种结构很容易收到各种影响，其中包括水汽，应力和热等。绝缘保护制程可以很好的增强防水氧侵袭，良好的封装散热也很重要，制造的参数控制也对应力很有帮助（比如会有退火的流程）。