等离子工艺助力 VCSEL 批量生产

　　垂直腔表面发射激光器（VCSEL）虽然在数据通信中已经使用了 20 多年，但是目前有许多新兴的应用正在推动对 VCSEL 生产和性能的需求。 这些应用中包括一些尚不知名的，例如红外照明 / 加热和原子钟；以及知名度更高的：在未来将用于汽车自动驾驶领域的高分辨率视频显示和手势 / 面部识别的接近感应。

　　通常，与边缘发射激光器（EEL）和发光二极管（LED）之类的替代产品相比，VCSEL 的优势在于成本低，光学效率高，占用空间小。VCSEL 在一定温度范围内还具有波长稳定性的优势，并且可以定向集中以最大程度地提高输出效率。因为 VCSEL 是与 LED 一样在顶部发光的，所以它们可以在晶圆上进行测试，并可以与更简单的光学器件集成在一起，还可以作为管芯安装在印刷电路板上，或者可以与激光器、驱动器或者控制逻辑组件等集成在同一封装内。VCSEL功率输出虽然小于 EEL，但可以通过创建由每单个 VCSEL的阵列来进行扩展。

　　应用推动需求

　　现在，来自不同供应商（例如，苹果，三星，华为，小米和 OPPO 等）的许多高端配置智能手机在 3D 感应应用中，以及正面（屏幕侧面）或后镜头（world facing）的 3D 传感器中都采用了 VCSEL。此类移动和面向消费者端的应用是VCSEL 批量生产的最大驱动力，反而汽车和工业市场的对VCSEL 需求却越来越小。市场研究人员 [1-2] 预测，未来五年，全球 VCSEL 市场将以 17%-31% 的复合年增长率增长。

　　当前正在推动大量 VCSEL 研究和产品开发的其他主要应用领域是在光检测和测距（尤其是激光雷达）上，这是一种用于监视相对距离和运动的技术，对于自动驾驶汽车的开发至关重要。激光雷达的工作原理与雷达类似，但它使用脉冲光而不是无线电波来反射并感应周围的物体，通过反射脉冲返回激光雷达传感器的飞行时间用于计算与物体的相对距离。与雷达的无线电波波长（～ 1mm）相比，紫外 / 可见 /红外光的波长更短（100nm -100μm），可以检测较小的物体和更清晰的图像。

　　VCSEL 在短距离应用中效果很好，例如手机中的人脸识别或汽车中监控驾驶员状态的监控器。但是，由于VCSEL 的输出功率比其他 IR 光源低，因此自动驾驶所需的更长距离感测提出了挑战。当以较高功率使用较低波长的 VCSEL 以获得长距离感测时，也存在对人眼安全（Eyesafety）的担忧。人眼安全涉及多种因素的复杂组合，例如功率，发散角，脉冲持续时间，曝光方向和波长。通过使用短脉冲调整 VCSEL 的波长和优化光学检测等方式，可以实现使用低功耗 VCSEL 阵列的人眼安全的远距离传感。

　　VCSEL 的制造

　　VCSEL 由通过分子束外延（MBE）或金属有机化学气相沉积（MOCVD）沉积到基板上的复杂多层结构创建。外延层包括产生光子的有源层，该有源层夹在两个分布式布拉格反射器（DBR）之间，使该反射器用作反射镜可以用多次反射和反射穿过有源区域的光来放大信号。每个拉格反射器（DBR）由镜像对（通常 > 20 对）中的许多外延层组成，每个外延层的折射率和厚度经过定制，可引起相长干涉，从而产生所需波长的光波。可以创建一个孔，通过选择性离子注入或氧化某些外延层，将电流限制在有源层的一小部分。例如，在基于 GaAs的 VCSEL 的情况下，AlGaAs 层被部分氧化之后在孔周围形成非导电区域。电流的这种集中会降低阈值电流来产生激光发射并控制光束宽度。

　　批量生产 VCSEL 的关键晶圆工艺

　　电感耦合等离子体（ICP）可用于蚀刻形成 VCSEL 的垂直或锥形台面结构。下一代 VCSEL 的关键要求是平滑蚀刻，没有侧壁损坏或任何层的优先蚀刻。侧壁不均匀会导致 VCSEL 侧面的光损耗。使用湿法刻蚀很难获得最佳的平滑轮廓，因为湿法刻蚀本质上是各向同性的，并可能导致在Epi 层中产生缺口。干 ICP 蚀刻更具方向性，可以进行定制以产生更平滑的轮廓。蚀刻深度的精确控制对于 VCSEL 性能至关重要，在批量生产应用中，使用通过激光干涉仪进行的条纹计数或光发射光谱（OES）即可实现精确的终点检测。

　　VCSEL 制造商使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）来沉积最高质量的氮化硅层。最关键的应用是抗反射涂层，该涂层可通过最大化腔体的光输出来提高激光性能。在此，要求厚度和折射率的不均匀性尽可能地最小化。氮化硅也被用于提供牺牲应力补偿层，从而最大程度地减少薄型基板的弯曲和翘曲，以及钝化和硬掩模层。

　　物理气相沉积（PVD）技术用于沉积 TiW / Au 籽晶层和Au，以用于从设备正面提供电流或帮助散热的触点。物理气相沉积（PVD）技术被用于沉积 TiW / Au 籽晶层和 Au，从而从设备正面提供电流或帮助散热的触点。具有定制应力特性的 PVD 层也可以沉积以补偿晶片应力，否则一旦晶片变薄并从载体上剥离下来的话，晶片应力就会产生翘曲。自 2016 年下半年以来，SPTS 经历了对用于 VCSEL 制造的晶圆处理技术的需求激增。制造商们之所以选择 SPTS的 Omega 蚀 刻，Delta PECVD 和 Sigma PVD 解 决 方 案，是因为它们具有精确的处理能力，丰富的工艺库以及 SPTS多年为客户提供的相关技术和产品（如 GaAs RF 器件和LED）的批量生产的经验。

　　SPTS Technologies 隶属于美国 KLA 科天半导体公司，是全球半导体及微电子装置制造领域里的优秀供应商。参考文献：

　　[1] “Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) - MarketAnalysis, Trends, and Forecasts” Global Industry Analysts Inc, Oct2019

　　[2] “ VCSELs – Market and Technology Trends 2019” YoleDéveloppement, May 2019

　　Dave Thomas，博士，SPTS Technologies 蚀刻产品管理高级总监