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深入解析VCSEL晶圆的原理、制造与应用

更新时间:2024-02-22      点击次数:146
  VCSEL晶圆,全称为垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser),是一种基于半导体技术的激光器件。由于其高精度、小尺寸、低功耗和高可靠性等特点,VCSEL在多个领域都有广泛应用,包括3D摄像机、测距、激光雷达、3D感知等。
 
  原理:VCSEL的核心是一个激光谐振腔,它由上下两组分布式布拉格反射器(P-DBR和N-DBR)组成。DBR是由多层折射率高低交替变换的化合物堆叠形成的。在两组DBR中间的是VCSEL的激光有源区,它由多个量子阱(MQW)构成。这些MQW在施加电流的作用下,电子和空穴结合并释放能量,从而产生一束可见光或红外光的激光束。发出的光垂直于有源区射出并被DBR反射,当被反射回来的光再次通过有源区时,会激励MQW发出更多的光,产生光放大。最终,光在两组DBR间形成共振放大,并产生颜色一致,且能量聚集在轴线传播的激光。
 
  制造:VCSEL的制造过程中,关键的一步是通过选择离子注入或氧化某些外延层来形成绝缘层,以限制电流流入有源层区域。例如,在基于GaAs衬底的VCSEL的情况下,AlGaAs层被部分氧化以在孔径周围形成非导电区域。这种限制电流流动的方法能够降低阈值电流,以产生激光发射,并控制光束宽度。此外,电感耦合等离子体(ICP)用于刻蚀形成VCSEL中的垂直或锥形台面结构,这是大批量生产VCSEL的关键晶圆制造工艺。
 
  应用:随着技术的进步,VCSEL的应用范围不断扩大。例如,在人脸识别领域,苹果公司在其iPhone 8和iPhone X中采用了VCSEL技术实现了FaceID功能。此外,VCSEL还广泛应用于测距、激光雷达、3D感知、3D传感器、智能驾驶、视频监控、机器视觉、激光医疗和军事运用等领域。通过将VCSEL晶圆封装为VCSEL激光二极管,可以实现更高的效率、更低的功耗、更小的晶片尺寸和更简单的操作。
 
  综上所述,VCSEL晶圆以其的原理、精细的制造工艺和广泛的应用领域,成为了光电子产业中重要的一部分。随着科技的不断发展,我们有理由相信,VCSEL将在未来发挥更大的作用,推动光通信、光电子等领域的持续创新与发展。
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