短波長(zhǎng)VCSEL

短波長(zhǎng)波段VCSEL主要指工作在400~700nm范圍內(nèi)的激光器，該波長(zhǎng)范圍也稱為可見光VCSEL。包括紅、藍(lán)、綠三種類型。

紅色VCSEL使用的是鋁鎵銦磷（AlGaInP）材料，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)景，這類VCSEL以其體積小、功耗低、光束質(zhì)量高的特點(diǎn)，成為新一代顯示和傳感設(shè)備中的理想光源。其獨(dú)特的設(shè)計(jì)允許在高電流驅(qū)動(dòng)下有效限制光輸出，確保安全性，尤其適用于智能眼鏡等需要直接投射到視網(wǎng)膜的顯示設(shè)備。

而藍(lán)色、綠色VCSEL普遍使用氮化鎵（GaN）材料。GaNVCSEL在顯示、可見光通信和生物醫(yī)療等方面有極大的潛在應(yīng)用，這種VCSEL由兩層半導(dǎo)體鏡-分布式布拉格反射器(DBR)構(gòu)成，中間隔著有源GaN半導(dǎo)體層，形成了一個(gè)光學(xué)諧振腔。這個(gè)諧振腔的長(zhǎng)度，對(duì)于激光波長(zhǎng)的精確控制至關(guān)重要。諧振腔LED(RCLED)、micro-LED、以及VCSEL，目前已成功實(shí)現(xiàn)藍(lán)紫光、藍(lán)光、綠光器件的電注入激射，并且實(shí)現(xiàn)了深紫外波段UVCVCSEL的光泵浦激射。

迄今為止，已經(jīng)探索出了兩種GaN基VCSEL結(jié)構(gòu)，一種是底部電介質(zhì)DBR，另一種是底部AIInN/GaNDBR。這兩種結(jié)構(gòu)都展現(xiàn)了出色的性能，VSCEL的光輸出功率超過20mW，壁塞效率(WPE)更是高達(dá)10%以上。然而，AllnN/GaNDBR的截止波長(zhǎng)帶寬相對(duì)較窄，這在一定程度上限制了VCSEL發(fā)出光的波長(zhǎng)范圍。致力于將壁插效率提升至40%左右的更高水平，以推動(dòng)氮化鎵基VCSELS在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用。

在移動(dòng)顯示設(shè)備領(lǐng)域，短波長(zhǎng)VCSEL成為智能眼鏡和可穿戴設(shè)備的理想光源，特別是在需要緊湊設(shè)計(jì)和長(zhǎng)電池壽命的虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和混合現(xiàn)實(shí)（MR）應(yīng)用中。VCSEL的高集成能力允許在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，同時(shí)，其高效率有助于減少熱量產(chǎn)生，延長(zhǎng)設(shè)備的使用時(shí)間。

在汽車照明領(lǐng)域，短波長(zhǎng)VCSEL技術(shù)的應(yīng)用提供了高亮度、高效率和緊湊尺寸的光源，這些光源能夠?qū)崿F(xiàn)快速響應(yīng)和智能控制，如自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)，以適應(yīng)不同的駕駛條件。VCSEL的精確光束控制能力允許定制光束模式，增強(qiáng)夜間駕駛的安全性，同時(shí)，其耐用性和可靠性減少了維護(hù)需求。

未來，短波長(zhǎng)VCSEL技術(shù)的進(jìn)步有望提高全球定位系統(tǒng)（GPS）等定位系統(tǒng)的精度。這是因?yàn)?strong>基于GaN的VCSEL能夠在紫外線區(qū)域發(fā)光，并且可以使用它來創(chuàng)建高精度時(shí)鐘。

在GPS和其他定位系統(tǒng)中，地面站從衛(wèi)星上的原子鐘接收時(shí)間信息，并根據(jù)時(shí)間差計(jì)算與每顆衛(wèi)星的距離以獲取位置信息。如果基于GaN的VCSEL提高了地面站時(shí)鐘的精度，未來就有可能將GPS定位精度從幾米提高到幾毫米。獲得更精確的位置信息將為開發(fā)全新應(yīng)用提供機(jī)會(huì)。

中波長(zhǎng)VCSEL

中波長(zhǎng)波段VCSEL通常指發(fā)射波長(zhǎng)在850nm至1550nm之間的半導(dǎo)體激光器。自1988年首次研制成功以來，850nm、980nm和780nm波長(zhǎng)的VCSEL逐步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并廣泛應(yīng)用于光通信、光學(xué)傳感、3D傳感等領(lǐng)域。

基于砷化鎵（GaAs）材料的中波長(zhǎng)VCSEL技術(shù)相對(duì)成熟，尤其是在950nm和980nm波段上，由于成本低且產(chǎn)業(yè)鏈完善，成為主流選擇。隨著波長(zhǎng)增加到1550nm，材料體系會(huì)轉(zhuǎn)向銻化銦鎵（InGaAs），這類材料雖然成本較高，但能夠提供更長(zhǎng)的波長(zhǎng)和更好的視網(wǎng)膜安全性。

盡管基于GaAs的VCSEL技術(shù)已相當(dāng)成熟，目前能實(shí)現(xiàn)的最長(zhǎng)波長(zhǎng)約為1100nm，但業(yè)界正在努力擴(kuò)展至1380nm或更長(zhǎng)波長(zhǎng)，以應(yīng)用于面部識(shí)別、底部發(fā)光（BOLED）和LiDAR技術(shù)等領(lǐng)域。

2021年，公司開發(fā)了一種基于稀散氮化物（InGaAsN）的技術(shù)，該技術(shù)每個(gè)發(fā)射器提供約1mW功率，仍采用GaAs材料，具備與短波長(zhǎng)VCSEL相同的設(shè)備和工藝兼容性。

此外，短波長(zhǎng)紅外（SWIR）技術(shù)在智能手機(jī)和AR/VR設(shè)備中顯示出潛力，能夠增強(qiáng)3D傳感、深度感應(yīng)和眼動(dòng)追蹤功能。

長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL

長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL通常指工作波長(zhǎng)在1300nm至1550nm范圍內(nèi)的激光器。1300nm和1550nm的長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL由于處于光纖的低色散和低衰減窗口，還具有在中長(zhǎng)距離高速傳輸方面的優(yōu)越性，1300nm波長(zhǎng)VCSEL是光并行處理、光識(shí)別系統(tǒng)及光互連系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。特別是在光信息處理、光互連、光交換、光計(jì)算和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用領(lǐng)域，VCSEL能夠充分發(fā)揮光子的并行操作能力和大規(guī)模集成面陣的優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。

最初，使用GaInAsP/InP材料作為有源區(qū)的紅外VCSEL實(shí)現(xiàn)了1300nm的發(fā)射波長(zhǎng)。波長(zhǎng)為1300nm的VCSEL的有源區(qū)現(xiàn)在主要采用GaInAs/GaAs材料，這種材料的VCSEL具有低色散和高速率的特性，使其成為長(zhǎng)距離光通信和并行光互連系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件。

當(dāng)波長(zhǎng)達(dá)到1550nm時(shí)，VCSEL的有源區(qū)材料則主要使用AlGaInAs/GaAs和GaInAsP/InP等，這些材料的VCSEL在1550nm波段損耗低，常與單模光纖配合使用，非常適合應(yīng)用于高速長(zhǎng)距離的光通信系統(tǒng)。

從2018年開始，智能手機(jī)中的3D傳感、汽車應(yīng)用的激光雷達(dá)開始大規(guī)模使用長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL陣列，為了在顯示屏下實(shí)現(xiàn)集成傳感，使用的VCSEL波段從940nm逐步過渡到1380nm。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，企業(yè)研發(fā)使用多種手段，包括使用稀氮化物材料，從GaAs轉(zhuǎn)向InP，以及采用基于GaAs材料和InP材料融合的混合方法。蘋果公司曾嘗試在iPhone14Pro版本中使用基于InP-EEL的接近傳感器，但其成本是使用GaAs-VCSEL接近傳感器的十倍以上，且模塊的制造和封裝難度更大。

因此，在iPhone15中，蘋果公司回歸到了基于GaAsVCSEL的接近傳感器。

另一方面，隨著對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)VCSEL需求的增加，相關(guān)晶圓的需求量也隨之增長(zhǎng)，這推動(dòng)了從4英寸晶圓向6英寸晶圓的轉(zhuǎn)變。

4英寸晶圓每片可提供約4000個(gè)VCSEL，而6英寸晶圓的產(chǎn)量約為10,000個(gè)VCSEL陣列，足以滿足每年數(shù)百萬部智能手機(jī)的生產(chǎn)需求。然而，這一轉(zhuǎn)變需要新的設(shè)備和可能的新襯底技術(shù)，期待未來的表現(xiàn)。

來源李尚雯

審核編輯 黃宇