VCSEL的一种新方法

　　3D传感技术已经在智能手机的人脸识别等应用中得到了普及，但自主驾驶等新兴应用中对其他3D传感的技术需求，则是基于飞行时间（TOF）和近红外VCSEL技术的不同3D传感技术解决方案。同时，其他类型的VCSEL如短波VCSEL和蓝光VCSEL也因其在数据通信、3D打印、芯片大小的原子钟、HB光源等应用的巨大市场潜力而备受关注。

　　选择正确的3D技术

　　这一切都是为了实现精确的光学距离测量。目前可用的典型光学距离测量技术，干涉测量、三角测量和TOF的相对优点如表1所示。使用几何方法的三角测量（结构光或立体）对于当今许多移动电话中的相机是理想解决方案，因为测量范围在米范围内就可实现。

　　但对于新兴的应用包括摄影和增强现实，测量的范围更大，照明条件更恶劣。Yole等行业分析机构预计，飞行时间技术将在未来占据主导地位。激光雷达（光探测和测距），实现自主驾驶这也将要求像TOF这样的传感技术，在更长的距离和一系列具有挑战性的环境光条件下有效。

　　TOF技术依赖极其快速、准确和精确地测量光源发出的光到达物体，然后物体反射光返回探测器所需的时间。探测器处返回信号的有效滤波、读取和分析是实现整体系统性能的关键步骤，光源（通常是LED或VCSEL）的选择起着关键作用。通过定义光源的多个理想特性，可以优化整体检测效率和准确性。

　　具有高峰值功率和窄脉冲宽度的光源，对于实现像激光雷达这样的室外长距离测量的高信噪比至关重要，因为来自目标的光源反射信号非常微弱，而阳光产生的背景噪声又非常强。太阳是TOF技术的最大敌人，因为它给探测器带来了如此多的背景噪声。因此，需要一个带通滤波器来滤除环境中的光子。然而，如果光源因温度而产生较大的光谱偏移（例如在季节变化期间），则需要实现相对较宽的滤波器光谱宽度以补偿光谱偏移，从而导致更多的背景噪声进入，即滤波效果较差。

　　具有快速调制和短上升/下降时间的光源，对于人脸识别等短距离测量应用非常重要。例如，人脸识别通常在距离低于两米的情况下应用，这通常要求调制频率高于75MHz，上升/下降时间小于3ns。距离对物体反射光的强度有二次幂的影响。因此，具有大输出强度的光源对于远距离距离测量至关重要。例如，激光雷达（200米之内）需要比人脸识别（2米之内）强10万倍的照明能力。

　　表2显示了近红外范围内LED与VCSEL的典型性能。可以清楚地看到，VCSEL技术具有更高的工作频率、更快的上升/下降时间、更窄的光谱宽度和更高的温度稳定性等显著优势，这对于激光雷达等未来应用至关重要。幸运的是，VCSEL技术需要解决的“眼睛安全”等关键问题可以通过在源封装中集成的“扩散层”相对容易地解决。

　　Yole的分析报告称，随着激光雷达的出现，目前主导市场的3D传感等近红外应用将继续快速增长。然而他们还预计，未来几年包括医疗、数据通信和打印在内的其他应用，将为其他波长范围（如可见光、短波红外或蓝光）的其他VCSEL技术带来增长机会，只要制造挑战能够得到解决。

　　提高性能的工艺诀窍

　　与LED不同，LED中的光子可能在有源区内仅经历一次反射，光子可能在VCSEL腔内多次反射，因此正面和背面具有极高反射率的分布式布拉格反射镜（DBR）性能对于避免光输出中不可接受的损失至关重要。溅射DBR层（图1）可以通过以下方式提供优于传统外延层的显著器件性能优势，尤其是在蓝色区域。

　　更高的峰值反射率可提高光输出；更宽的阻带，适用于更大的波长范围；较低的光谱偏移可提高产量；更薄的堆叠结构，减少表面应力；降低总阻力，提高效率。同样重要的是，高通量盒式到盒式溅射系统上优越的厚度均匀性、重复性和粒子性，能为实现连续高产量的批量生产提供了关键优势。

　　表3显示了单层典型介电材料在优化溅射平台上实现的出色晶片对晶片、晶圆对晶片和运行对运行的均匀性。通过传统MOCVD工艺生长的外延DBR堆叠的性能，将远远低于溅射堆叠的性能。

　　成熟的生产平台

　　对于高达8英寸的基板批量处理，典型的盒式到盒式布局针对GaAs或GaN基产品的高通量处理进行了优化。现场等离子体发射监测（PEM）与光学监测（GSM）相结合的关键工艺控制技术，确保以最高吞吐量和优化光谱性能的堆叠沉积完全化学计量的薄膜。

　　用于当前近红外VCSEL技术的成熟外延DBR工艺将继续存在，但对于其他波长，如基于GaN的蓝光VCSEL，由于可用外延材料的低折射率对比度，外延技术的器件性能和可制造性都受到限制。替代溅射解决方案的出现使VCSEL制造适用于其他波长范围，并帮助新兴应用充分发挥其市场潜力。

　　Yole的分析视角

　　在全球范围内，预计到2025年全球VCSEL市场将达到26.515亿美元，复合年增长率为18.3%。在细分应用市场，VCSEL在电信和基础设施应用（主要是数据通信）市场预计将在2025年达到5.16亿美元，复合年增长率为13.2%；移动和消费应用市场预计将达到8.436亿美元的收入，2025年将达到21.05亿美元，复合年增长率为20.1%；其他应用则可能在中长期出现，如激光雷达或驾驶员监控系统等汽车应用。

　　2020年，苹果公司实现了一个激光雷达模块。在该模块中，使用的VCSEL与间接ToF模块中的VCSELs非常不同。该模块带有VCSEL和SPAD阵列，使用直接飞行时间原理。VCSEL略有不同，具有更多的引线键合和金属配置。与智能手机中使用的其他VCSEL阵列不同，在智能手机中，所有腔体都是同时驱动的，该VCSEL数组具有多个连接，因此每条线都可以单独驱动。

　　上述情况适用于两个主要市场中使用的近红外VCSEL。但是其他的利基应用可以使用其他波长。另一方面，包括大学在内的几家公司正在开发基于GaN的VCSEL。他们中的大多数人关注蓝光VCSEL，但也有一些人关注绿光VCSEL。这种VCSEL的目标应用将是AR和VR显示器，因为与LED相比，功耗更低，颜色纯度和亮度更好。