化合物半导体大事记之2018年：VCSEL的忧与喜

化合物半导体大事记之2018年：VCSEL的忧与喜 收录于话题 #VCSEL 4个

垂直腔面发射激光器（VCSEL）有一些令人惊叹的优势。它的效率很高，可以用电池供电；它可以以非常高的速度打开和关闭，使其成为传输大量数据的极好的光源；通过调整光圈的大小，它可以实现圆形轮廓的单模发射，简化了光学装置；它非常适合大批量制造，其中一部分原因是它的设计允许在晶片上测试。

然而，它还有改进的空间。尽管经过几十年的发展，VCSEL的波长范围比边发射激光器和LED窄得多。其光谱域的扩展一直非常缓慢，使得这种器件有着悠久的发展历史。它的起源可以追溯到1965年，当时在麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Lab）工作的伊瓦斯·梅伦盖利斯发布了一种“纵向注入激光器”，发射波长为5.2μm。这一器件由锑化铟（InSb）二极管组成，具有抛光的顶面和底面以确保高的光学反射率，这在当时是令人难以置信的壮举，但距离实际应用还有很远的路要走。该激光需要高达20A的驱动电流并且要冷却到10K才能行。

第一批真正的VCSELs来自东京理工学院的Kenicha IGA实验室。1977年，IGA提出了一种具有当今VCSEL许多特征的设计方案。在接下来的11年里，他几乎是这类器件的先驱，之后其他团队注意到了他的突破，并将他们的努力转向了这项技术。随后取得了成功，20世纪后半叶的研究最初集中在近红外上，之后人们试图在两个方向上扩大VCSEL的光谱范围。

最初，砷化镓材料体系的突破使850 nm和980 nm的VCSEL得以实现，然后进一步的进展将发射波长扩展到了650 nm左右。晶片融合带来了更大的成功，使砷化镓基反射镜与InP基有源区相结合，实现了波长为1.5μm的激光的发射。

在世纪之交，研究人员开始考虑下一个目标：将发射波长扩展到蓝色和绿色。如果取得成功，这将会打开新的市场，使器件能够用于高分辨率打印、高密度光学数据存储、化学和生物传感以及全彩显示器和照明。

制造在这个光谱域中工作的VCSELs并非易事。为了达到这些较短的波长，必须用GaN及其相关化合物取代以GaAs为基础的材料体系。这一转变听起来可能很简单，但事实并非如此。

最大的问题是生产位于有源区两侧的反射镜。这在GaAs基的垂直腔面发射激光器中相对容易，因为这种材料体系是由GaAs和AlGaAs配对而成的。这些III-V族化合物具有非常相近的晶格常数，因此应变不是问题，它们的折射率有显着差异，有助于得到更高的反射率。当20对交替的GaAs层和AlGaAs层组成一面反射镜时，它的反射率可达99%，足以制成高性能的垂直腔面发射激光器。

对于蓝色和绿色的VCSEL，为了防止应变使反射镜退化，GaN必须与Al0.83In0.17N配对，Al0.83In0.17N是一种更难生长的化合物，具有相对较低的折射率对比度。制造两套GaN基反射镜需要的时间太长，所以最好是将底部的氮化物反射镜和顶部的基于电介质的反射镜结合起来，这是尼古拉斯·格兰杰(Nicholas Grandjean)的团队在EPFL首创的方法。在2007年他们达到自己的巅峰时刻，当时他们报道了第一个光泵浦GaN垂直腔面发射激光器(VCSEL)。令人沮丧的是，Grandjean的资金枯竭了，那些掌握着财政大权的人认为第一台氮化镓基的垂直腔面发射激光器（GaN VCSEL）将来自日本。他们或多或少是正确的，现在我们永远不会知道欧洲是否能够抢先一步做到这一点。

第一个GaN VCSEL实际上来自于台湾的国立交通大学，该校于2008年4月宣布这款器件。这个器件需要低温冷却，同年晚些时候，日亚化学公司使用一对电介质反射镜克服了这一局限。在将器件做得更小并且收益更高之前，Nichia一直坚持着这一设计，在2009年将输出功率提高到了0.62毫瓦。但缺乏实质性进展似乎限制了这家日本芯片制造商去进一步开发GaN VCSEL。

Nichia从未接近10毫瓦，这是增强现实设备、投影系统和显示器的大致功率。这一里程碑是在2018年由两家日本公司独立完成的。斯坦利电气（Stanley Electric）与日本明治大学的Tetsuya Takeuchi和他的团队合作，在EPFL工作的基础上，改善了生长条件。那一年秋天，他们报告了一种输出功率超过15毫瓦的蓝色垂直腔面发射激光器(VCSEL)。2018年11月，索尼推出了一款设计新颖的12毫瓦VCSEL，其特点是具有一个更大的腔体，其中包含了薄得多的GaN衬底，以及在晶片背面生长的曲面反射镜。

除了蓝色VCSEL在性能上的这些突破外，2018年还将因红外光市场的成功而被永远铭记。Yole DéDevelopment的技术和市场分析师皮埃里克·布莱(Pierrick Boulay)表示，在此之前，数据通信是这款器件的主要收入来源，但是在2018年，其在手机市场中的收入出现了新的增长。

一年前，苹果公司推出了采用VCSEL传感技术的iPhone，并于2018年成为智能手机中这些激光器的主要消费者。尽管VCSELs也出现在小米、Vivo、华为和OPPO制造的2018年机型中，但它们远没有受到消费者的欢迎。

最初，苹果只是从Lumentum购买VCSEL。但在2017年末，这家技术巨头决定需要获得第二笔货源，于是向Finisar抛出了意向，承诺订购3.9亿美元的VCSEL产品。验证该器件需要花费一些时间，并且在2018年没有削弱Lumentum的订单。

Boulay预计VCSELs将会快速得发展，因为它们在智能手机中的使用将不断地增加，在数据通信网络中仍将继续部署，并开始在更远距离的传感应用中发挥作用，比如汽车上的激光雷达。这些表面发射激光器的市场预计将从2018年的7.38亿美元激增到2024年的37亿美元。

为了获得VCSELs的第二个来源，苹果同意从Finisar购买3.9亿美元的这些器件

人脸识别为红外VCSEL提供了一个利润丰厚的市场

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