VCSEL的基本原理和关键制造工艺

说到激光器，必须提及VCSEL。自2017年，VCSEL进入苹果iPhone X成为3D人脸识别的光源后，人生之路就被改写，一路高歌猛进。

VCSEL，简称垂直腔面发射激光器，是一种垂直于衬底面发射出激光的半导体激光器，因为垂直腔表面发射,也被称为面射型激光器。

VCSEL一般是三明治结构，主要包括上、下的多层布拉格反射镜（DBR）和中间有源区形成激光器的腔体（谐振腔）。

其中，DBR作为谐振腔的反射镜，具有大于99%的反射率。有源区的光学厚度为1/2激光波长的整数倍，通过P-contact向有源区注入电流，并产生受激辐射的光子在DBR中往复被反射并谐振放大，从而形成激光。

一个完整的VCSEL器件制作工艺流程主要是：材料外延生长→外延结构的表征（如X射线衍射，反射谱，霍尔测量，电化学C-V特性等）→器件工艺（包括外延片清洗，光刻，刻蚀，氧化，绝缘膜沉积，光学镀膜，合金化，剥离，减薄等）→后端工艺（包括引线键合，划片，裂片，封装等）→器件特性测试（包括I-V 特性，I-P特性，发射光谱，温度特性等）

其实，主要分为两大部分：外延生长和芯片制程。其中外延生长是半导体激光器制作过程中的核心步骤，工艺优劣直接决定了VCSEL器件的性能。

外延生长工艺方法有液相外延法（LEP），金属有机化学气相沉积（MOCVD），分子束外延法（MBE），化学束外延法（CBE）等。

金属有机化学气相沉积系统示意图

目前，国内的各大厂家均采用MOCVD的方式，其原理是利用前驱物借由高精准度的注入喷头，精确地控制进入汽化反应及制程反应腔体反应物的量，并且借由反应气体与其进行化学反应。这些反应后的金属有机化合物，会在基板的表面进行吸附——表面反应——薄膜成长——形成一层薄膜。

MOCVD 反应流程图

一般每生长一种单层，通过各种测试设备确定单层的质量、组分、载流子浓度和生长速率等后再进一步外延整个结构。

MOCVD

VCSEL的芯片制程包括光刻、刻蚀、沉积等基本工艺流程。

其中侧氧工艺是VCSEL芯片制程中的重点和难点，因为侧氧工艺制作氧化限制孔的工艺参数与VCSEL的光参数、电参数以及热参数有着直接联系。

侧氧工艺基本原理是在VCSEL的腔侧表面施加氧化物层，氧化区和非氧化区之间存在有效折射率差从而起到一定光限制作用，可以限制激射光从腔侧逸出，使其主要向上方辐射。

VCSEL 氧化工艺温度一般400℃，选择性侧向湿法氧化能够大大减少光学损耗，并且VCSEL器件优于其他传统光源。

VCSEL经过四十多年的研究与发展，已广泛应用于移动产品和智能穿戴、TWS耳机、智能家居、汽车电子等多个领域。去年底，补盲激光雷达进一步带火了VCSEL，多款基于VCSEL技术的短距固态激光雷达发布，让VCSEL再次置于聚光灯下。

据Yole Intelligence发布的年度《2022年VCSEL市场和技术趋势》报告显示，未来5年VCSEL整体市场还是将保持高速增长趋势，或以19.2%的年均复合增长率（CAGR）增长，到2027年市场规模将达到39亿美元（约人民币277亿元）。