潮科技｜「柠檬光子」传感类VCSEL激光芯片已具备全面量产能力

36氪获悉，半导体激光芯片设计和生产商「柠檬光子」自主研发的传感类VCSEL激光芯片已经完成了包括性能测试、可靠性测试在内的全部产线测试，已出货样品至30余家客户进行了应用测试，具备全面量产能力。

此前，36氪曾报道过柠檬光子，该公司成立于2018年7月，主攻高性能半导体激光芯片及其模组和光引擎。公司产品线涉及VCSEL垂直腔面发射激光器 、HCSEL水平腔面发射激光器以及EEL边发射激光器三条产品线，主要瞄准5G光通讯生态系统应用市场，包括3D传感、AR/VR、机器人、激光雷达、消费电子、智能制造、物联网、数据中心和医美等。同时，公司也在开发半导体激光的特种光学应用解决方案，以其提升激光器的应用品质和拉动激光器应用市场。

推动VCSEL市场增长的驱动因素 图片来源：《VCSEL市场与技术趋势-2019版》

据介绍，此次即将量产的传感类VCSEL激光芯片可以满足近红外波段全部应用，根据客户反馈的数据，在808nm、850nm和940nm三个产品序列的横向对比中，其电光转化峰值效率可达到或接近50%，高温性能也能优于某些国际顶尖供应商。

“此系列VCSEL激光芯片有助于降低在手机等电子设备中广泛应用的3D传感组件的能耗，使用寿命也远超手机终端使用要求，测试进程中，该类芯片可以保持工作3000小时以上功率无变化。”柠檬光子创始人及CEO肖岩说。

进入量产阶段，保障供应链稳定非常重要。为此，柠檬光子已经在世界范围内认证了三条芯片代工链，并且建立了相应的供应链质量保障体系，可以保证2000片以上6寸晶圆的月产能。

另外，除了提供不同功率选择的标准化VCSEL激光芯片产品，柠檬光子也能根据客户的需求，提供芯片及相应模组的定制设计服务，例如客户可定制发散角在20至30度之间的常规VCSEL，以及柠檬光子正在为客户定制开发面向dToF应用的高能量密度VCSEL。

VCSEL垂直腔面发射激光器其激光垂直于顶面射出，非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域且可以使用传统的低成本LED封装，不需要复杂昂贵的光束整形系统，因而制造成本相对较低。同时，VCSEL采用脉冲光和点阵发光面，也不容易对人眼造成伤害。

近年来，随着业界对VCSEL的研究深入以及应用需求的拓展，VCSEL作为3D感测应用的红外线光源进入到消费电子市场，成为实现人脸识别、手势侦测、三维识别、虹膜识别和 VR/AR等功能必需元器件。此外，VCSEL也可以大量应用在物联网、5G 通信、RF元件、ADAS(先进驾驶系统)等领域。

随着5G基础设施建设的持续推进，可以预见VCSEL未来应用和市场热度应该会受到更多的重视。市场研究公司 Light Counting 曾预测，2018年全球智能手机对于 VCSEL 激光器的需求为1.2亿只，2019年将会达到2.4亿只。据Yole发布的《VCSEL技术、产业和市场趋势》报告信息，2017年VCSEL整体市场规模达到了3.3亿美元，预计VCSEL出货量将从2017年的6.52亿颗增长至2023年的33亿多颗，到2023年整体市场规模将增长至35亿美元，2017～2023年的复合年增长率高达48％。

除了VCSEL激光芯片，柠檬光子在HCSEL激光器以及EEL边发射激光器的研发也在进行中。值得一提的是，柠檬光子的核心团队成员均拥有十多年国际顶尖半导体激光公司工作经验，曾主导或参与多款当今主流激光芯片的研发和生产工作，并且具备有从技术、管理到销售所需的全方位能力，其中多位拥有美国名校博士学位。

据悉，柠檬光子曾于2019年8月宣布获得了德联资本领投，愉悦资本加注的5000万元A＋轮融资；2018年完成愉悦资本独投的A轮融资。

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VCSEL激光器技术科普

来源：内容来自公众号「Research」，谢谢。

苹果发布了带Face ID的iPhone X之后，VCSEL激光器引发大家的关注。近日，光器件行业老二Lumentum以18亿美元(现金加股票)的价格拿下行业老三Oclaro。VCSEL芯片需求暴增无疑加速了这场并购。

什么是VCSEL激光器？

VCSEL激光器全名为垂直共振腔表面放射激光器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL），简称面射型激光器。它以砷化镓半导体材料为基础研制，是一种半导体激光器。其激光垂直于顶面射出，与激光由边缘射出的边射型激光有所不同。因此相较于边射型激光器，VCSEL激光器具有低阈值电流、稳定单波长工作、可高频调制、容易二维集成、没有腔面阈值损伤等优点，在半导体激光器中占有很重要的地位。

边发射激光器和面发射激光器VCSEL

VCSEL 芯片基本结构

VCSEL 的结构示意图如下图所示。它是在由高、低折射率介质材料交替生长成的分布布喇格反射器（DBR）之间连续生长单个或多个量子阱有源区所构成。典型的量子阱数目为 3~5 个，它们被置于驻波场的最大处附近，以便获得最大的受激辐射效率而进入振荡场。在底部还镀有金属层以加强下面 DBR 的光反馈作用，激光束从顶部透明窗口输出。

实际上，要完成低阈值电流工作，和一般的条型半导体激光器一样，必须使用很强的电流收敛结构，同时进行光约束和截流子约束。由上图可见， VCSEL 的半导体多层模反射镜 DBR 是由 GaAs/AlAs 构成的，经蚀刻使之成为 air-post（台面）结构。在高温水蒸汽中将 AlAs 层氧化，变为有绝缘性的 AlxOy 层，其折射率也大大降低，因而成为把光、载流子限制在垂直方向的结构。对 VCSEL 的设计集中在高反射率、低损耗的 DBR 和有源区在腔内的位置。

VCSEL的结构与关键工艺介绍

VCSEL有几个关键工艺，这几个关键工艺决定了器件的特性与可靠性。

关键技术一： VCSEL外延

銦镓砷InGaAs井（well）铝镓砷AlGaAs垒（barrier）的多量子阱（MQW）发光层是最合适的，跟LED用In来调变波长一样，3D传感技术使用的940纳米波长VCSEL的銦In组分大约是20%，当銦In组分是零的时候，外延工艺比较简单，所以最成熟的VCSEL激光器是850纳米波长，普遍使用于光通信的末端主动元件。

发光层上、下两边分别由四分之一发光波长厚度的高、低折射率交替的外延层形成p-DBR与n-DBR，一般要形成高反射率有两个条件，第一是高低折射率材料对数够多，第二是高低折射率材料的折射率差别越大，出射光方向可以是顶部或衬底，这主要取决于衬底材料对所发出的激光是否透明，例如940纳米激光由于砷化镓衬底不吸收940纳米的光，所以设计成衬底面发光，850纳米设计成正面发光，一般不发射光的一面的反射率在99.9%以上，发射光一面的反射率为99%，目前的AlGaAs铝镓砷结构VCSEL大部分是用高铝（90%）的Al0.9GaAs层与低铝（10%）Al0.1GaAs层交替的DBR，反射面需要30对以上的DBR（一般是30~35对才能到达99.9%反射率），出光面至少要24~25对DBR（99%反射率），由于后续需要氧化工艺来缩小谐振腔体积与出光面积，所以在接近发光层的p-DBR膜层的高铝层需要使用全铝的砷化铝AlAs材料，这样后面的氧化工艺可以比较快完成。

外延与氧化工艺是VCSEL良率与光电特性好坏的关键

关键技术二： 氧化工艺

这个技术是LED完全没有的工艺，也是LED红光发明人奥隆尼亚克（Nick Holonyak Jr.）发明的技术，如图6所示，主要利用氧化工艺缩小谐振腔体积与发光面积，但是过去在做氧化工艺的时候，很难控制氧化的面积，只能先用样品做氧化工艺，算出氧化速率，利用样品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化工艺时间，这样的生产非常不稳定，良率与一致性都很难控制！精确控制氧化速度让每个VCSEL芯片的谐振腔体积可以有良好的一致性，没有过氧化或少氧化的问题，这样在做阵列VCSEL模组的时候才会有精确的光电特性。

即时监控氧化面积是最好的方法，法国的AET Technology公司设计了一台可以利用砷化铝（AlAs）氧化成氧化铝（AlOx）之后材料折射率改变的反射光谱变化精确监控氧化面积，这种精密控制氧化速率的设备，可以省去过去工程师用试错修正来调试参数，对大量稳定生产VCSEL芯片提供了最好的工具。

法国AET科技公司推出的VCSEL即时监控的氧化制程设备，让VCSEL量产更稳定

关键技术三： 保护绝缘工艺

跟LED一样，最后只能保留焊线电极上没有绝缘保护层在上面，由于激光二极管的功率密度更大，所以VCSEL更需要这样的保护层，更重要的是为了不让氧化工艺的AlAs层继续向内氧化影响谐振腔体积，造成激光特性突变，保护层的膜层质量非常重要，尤其是侧面覆盖的致密性更为重要，过去都是用等离子加强气相化学沉积机PECVD来镀这层膜，但是为了要保持致密性需要较厚的膜层，但是膜层太厚会造成应力过大影响器件可靠度！于是原子层沉积ALD技术开始取代PECVD成为最好的镀膜工艺。

ALD可以沉积跟VCSEL氧化层特性接近的氧化铝（Al2O3）薄膜，而且侧面镀膜均匀，致密性高，最重要的是厚度很薄就可以完全绝缘保护芯片，除了VCSEL工艺以外，LED的倒装芯片flip chip与IC的Fin-FET工艺都需要这样的膜层，跟氧化技术一样，国内还无法提供这样的设备，目前芬兰的Picosun派克森公司与Apply Material美国应用材料公司提供这样的设备与工艺。

芬兰Picosun派克森公司推出的ALD原子层沉积技术的设备，可以让VCSEL的器件更稳定

VCSEL与EEL和LED相比较

根据激光投影方向，半导体激光器可以分为两类型：边发射激光器（EEL）和VCSEL。EEL有两种主要类型：a）FP激光器；b）DFB激光器。

在FP激光器中，激光二极管是激光器，其反射镜只是激光芯片末端的平面裂开表面。FP激光器主要用于低数据速率短距离传输；传输距离一般在20km以内，速率一般在1.25G以内。DFB激光二极管是在腔内具有光栅结构的激光器，其在整个腔中产生多次反射。它们主要用于高数据速率的长距离传输。

与EEL相比，VCSEL提供更好的激光束质量，更高的耦合效率和空腔反射率。此外，VCSEL能够以二维阵列进行，使单个芯片可以包含数百个单独的光源，以增加最大输出功率和提升长远的可靠性，EEL只能在简单的一维阵列中进行。

LED（发光二极管）在早期阶段通常用于3D感应技术。由于缺少谐振腔，LED激光束比VCSEL更为分散，耦合效率相对较低。而且，随着VCSEL具有更高的精度，更小的尺寸，更低的功耗和更高的可靠性，越来越多的3D摄像机正在使用VCSEL。

此外，VCSEL还具有其他一些重要优势：

a）在晶圆形式中，它们可以在制造过程中的各个阶段进行测试，从而产生更可控且可预测的生产良率，制造成本较其他激光技术为低；

b）VCSEL可以使用传统的低成本LED封装来降低成本，现有应用中亦可使用VCSEL取代LED；

c）可以将VCSEL制造成一维或二维阵列以满足特定的应用需求；

d）VCSELs的波长非常稳定，对温度变化的敏感度较EEL低5倍左右。

VCSEL激光器能做什么 ？

VCSEL基本原理就是传递空间三维信息，三维识别、手势识别、虹膜识别、无人驾驶激光雷达等许多我们熟悉的应用，都是通过它得以实现的。

手势识别

虹膜识别

无人驾驶

虽然目前VCSEL激光器在消费电子领域的市场才刚刚起步，但是它在光通信、光互连、激光引信、激光显示、光信号处理以及芯片级原子钟等领域，早已获得了广泛的应用。除此之外，它在近红外波段的军用领域起着主导作用，例如用于周边和边境安全的高功率照明、透过烟雾和爆炸进行成像以及远程监视等。

VCSEL激光器市场有多大？

市场研究机构预测，2015年VCSEL(垂直腔面发射激光器)市场规模为9.546亿美元，至2022年预计将增长至31.241亿美元，2016~2022年期间的复合年增长率可达17.3%。VCSEL凭借其紧凑的尺寸、高可靠性、低功耗以及较低的制造成本而应用广泛。而汽车产业电气系统对VCSEL的应用增长，正推动整个VCSEL的市场增长。

国内外产业化状况如何？

目前，全球范围内主要的设计者包括Finsar、Lumentum、Princeton Optronics、Heptagon、ⅡⅥ等公司，它们在移动端VCSEL处于前沿的研发角色。由IQE、全新、联亚光电等公司提供三五族化合物EPI外延硅片，然后由宏捷科(Princeton Optronics合作方)、稳懋(Heptagon 合作方)等公司进行晶圆制造，再经过联钧、硅品等公司的封测，便变成了独立的VCSEL 器件。然后由设计公司提供给意法半导体、德州仪器、英飞凌等综合解决方案商，再提供给下游消费电子厂商。

相比之下，光通讯领域中，国内光通讯器件厂商光迅科技已有VCSEL商业化产品推出，但是在消费电子领域，国内尚无一家拥有VCSEL芯片量产能力的企业。科研领域中，中科院长春光机所在VCSEL的研究处于世界前沿地位。2014年5月长春光机所在国内首次研制出碱金属原子光学传感技术专用的795 nm和894 nm VCSEL激光器，可作为核心光源用于芯片级原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等碱金属原子传感器。

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