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深入解析VCSEL晶圓的原理、制造與應用

更新時間:2024-02-22      點擊次數(shù):815
  VCSEL晶圓,全稱為垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser),是一種基于半導體技術的激光器件。由于其高精度、小尺寸、低功耗和高可靠性等特點,VCSEL在多個領域都有廣泛應用,包括3D攝像機、測距、激光雷達、3D感知等。
 
  原理:VCSEL的核心是一個激光諧振腔,它由上下兩組分布式布拉格反射器(P-DBR和N-DBR)組成。DBR是由多層折射率高低交替變換的化合物堆疊形成的。在兩組DBR中間的是VCSEL的激光有源區(qū),它由多個量子阱(MQW)構成。這些MQW在施加電流的作用下,電子和空穴結合并釋放能量,從而產(chǎn)生一束可見光或紅外光的激光束。發(fā)出的光垂直于有源區(qū)射出并被DBR反射,當被反射回來的光再次通過有源區(qū)時,會激勵MQW發(fā)出更多的光,產(chǎn)生光放大。最終,光在兩組DBR間形成共振放大,并產(chǎn)生顏色一致,且能量聚集在軸線傳播的激光。
 
  制造:VCSEL的制造過程中,關鍵的一步是通過選擇離子注入或氧化某些外延層來形成絕緣層,以限制電流流入有源層區(qū)域。例如,在基于GaAs襯底的VCSEL的情況下,AlGaAs層被部分氧化以在孔徑周圍形成非導電區(qū)域。這種限制電流流動的方法能夠降低閾值電流,以產(chǎn)生激光發(fā)射,并控制光束寬度。此外,電感耦合等離子體(ICP)用于刻蝕形成VCSEL中的垂直或錐形臺面結構,這是大批量生產(chǎn)VCSEL的關鍵晶圓制造工藝。
 
  應用:隨著技術的進步,VCSEL的應用范圍不斷擴大。例如,在人臉識別領域,蘋果公司在其iPhone 8和iPhone X中采用了VCSEL技術實現(xiàn)了FaceID功能。此外,VCSEL還廣泛應用于測距、激光雷達、3D感知、3D傳感器、智能駕駛、視頻監(jiān)控、機器視覺、激光醫(yī)療和軍事運用等領域。通過將VCSEL晶圓封裝為VCSEL激光二極管,可以實現(xiàn)更高的效率、更低的功耗、更小的晶片尺寸和更簡單的操作。
 
  綜上所述,VCSEL晶圓以其的原理、精細的制造工藝和廣泛的應用領域,成為了光電子產(chǎn)業(yè)中重要的一部分。隨著科技的不斷發(fā)展,我們有理由相信,VCSEL將在未來發(fā)揮更大的作用,推動光通信、光電子等領域的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展。
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