VCSEL全称（Vertical-cavitySurface-EmittingLaser），是一种垂直腔面发射激光器，最初应用于光通信领域，例如光模块，后来开始应用于消费电子领域的3D传感，例如人脸识别。 2017年，苹果将其用在iPhone的人脸识别模块中。 VCSEL也开始在消费电子领域受到大规模关注。 目前，加拿大在VCSEL芯片方面仍处于相对领先。 近年来，国外许多厂家发展迅速，开始逐步小批量或批量生产。 不少VCSEL芯片也受到了资本较多的关注，如芯良智能、综汇芯光、瑞熙科技等。
本文将从以下几个方面进行探讨：
1.什么是VCSEL？
2、VCSEL的优点
3、VCSEL芯片的制造工艺
4、VCSEL芯片工艺分解
5. VCSEL的结构
6、国内VCSEL芯片厂商进展如何？
哪些是 VCSEL？
VCSEL本质上是一种半导体激光器。 激光器是一种用于发射激光的装置。 半导体激光器是以半导体材料为工作物质发射激光的器件。 根据激光器芯片的结构，半导体激光器可分为边发射激光器（EEL）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
VCSEL 的优点
VCSEL 有很多优点，以下是一些：
1.波长稳定性：VCSEL中的耀眼波长非常稳定，因为它是由短时（1--1.5波长厚）法布里-珀罗腔固定的。 与边缘发射器相比，VCSEL 只能在单横向模式下工作。
2. 波长均匀性和光谱宽度：该生长技术提高了 VCSEL3" 晶圆的生产，腔波长标准误差小于 2 纳米。这使得可以制造 VCSEL2-D 场元件（
3. 波长温度敏感性：VCSEL 发射波长对温度变化的敏感度是否比边缘发射器低？ 5次。 原因是 VCSEL 中的激光波长由单纵模腔的光学长度定义，并且这些光学长度对湿度的依赖性很小（腔的折射率和化学长度对体温的依赖性很弱）。 另一方面，在边缘发射器中，激光波长被定义为峰值增益波长，其对温度的依赖性更强。 因此，VCSEL 阵列的高功率阵列（加热和温度梯度可能很明显）的光谱线宽比边缘发射阵列（舞厅堆栈）窄。 据悉，当温度变化超过20°C时，VCSEL的发射波长（与7nm边缘发射器相比）将相差1.4nm以上。
4、低温运行（泵无制冷运行）：由于VCSEL可以在室温至80℃下可靠工作，因此无需制冷即可运行。 因此冷却系统特别小而且耐用，这些技术都是移植过来的。
5、光束质量：垂直腔面发射激光器发出圆形光束。 通过适当的腔体设计，VCSEL 还可以以单纵模（方形高斯）发射。 这些悬挂结构大大增加了耦合/光束整形光学器件的复杂性和成本（与边缘发射器相比），从而提高了与光纤或传输介质的耦合效率。 这仍然是 VCSEL 技术在低帧率市场的一个关键卖点。
6.可靠性：由于VCSEL不会遭受灾难性光学损伤（COD），因此其可靠性远高于边缘发射器。 VCSEL 的典型拟合值（1 亿美元器件故障）
7.可制造性和产值：可生产的VCSEL长期以来一直是该技术的关键卖点。 由于复杂的制造工艺和 COD（灾难性光学损伤），边缘发射器的利润率较低（与芯片制造商在 980 nm 泵浦边缘发射器相关的可靠性问题，通常只能获得 2 英寸晶圆 - 500 个芯片）。另一方面，VCSEL 的利润率超过 90%（相当于从 2 英寸晶圆生产 5000 个高功率芯片）。 事实上，由于 VCSEL 具有平面特性，其制造方式与标准 IC 芯片相同。
8. 可扩展性：对于高功率应用，VCSEL 的一个关键优势是它们可以直接加工成单片 2-D 阵列，这是边缘发射器（可能只有 1D 单片阵列）无法实现的。 据报道，将发射棒安装在电堆侧面需要复杂的热效率低下的安装方案。
9. 封装和散热：在“结”配置中安装小型高功率 VCSEL2-D 阵列非常简单（类似于微处理器封装），并且热重定位过程非常高效，因为热量仅穿过 AlGaAs 材料几微米。 5mmx 5mm 2-DVCSEL 阵列已得到验证
11.成本：凭借简单的加工和散热技术，2-DVCSEL阵列比同等的边缘发射夜总会堆栈更容易封装。 改进现有硅产业的散热技术，可用于特种大功率阵列的散热。 这将显着增加高功率模块的成本。 目前，激光棒的成本是 DPSS 激光器的显性成本。
VCSEL芯片制造工艺
材料外延生长（晶圆）-->外延结构表征（X射线衍射、反射谱、PL谱、电物理CV特性等）-->芯片工艺制造（包括外延片开孔清洗、SiNx生长、多次光刻、ICP刻蚀、氧化、金属电极、剥离、减薄等）-->后端工艺（包括划片、IV特性、IP特性、能谱等）-->最终完成从材料到芯片的整个流程。
VCSEL芯片工艺分解
MOCVD是金属有机物理液相外延。 通过外延工艺，使材料按照设计的外延结构生长，生产出符合要求的硅片。
使用蚀刻技术在半导体衬底上制造激光结构。 所谓薄化，是指以光刻技术产生的抗蚀剂图案为掩模，对晶圆进行微细加工的技术。 蚀刻从技术上分为湿法蚀刻和干法蚀刻。 通过氧化具有高铝成分的AlGaAs层可以产生良好的电压限制孔径和光学限制窗口。 经过研磨减薄、底面镀银、后处理切片后，形成芯片。
VCSEL结构
半导体激光器由在衬底上彼此生长的半导体材料层（“EPI”）组成。 对于 VCSEL 和边缘发射器，这些液滴通常是分子束外延 (MBE) 或金属有机物理液体沉积 (MOCVD) 液滴反应器。 相应地放下晶圆以处理单个器件。
在 VCSEL 中半导体激光器的优点，有源层夹在两个高反射率、四分之一波长厚的交替高折射率和低折射率半导体镜层（称为分布式克拉科夫镜，或 DBRS）之间。 这种镜子的反射率一般在99.5%到99.9%之间。 为此，光垂直振荡到设备的底部（或顶部）并穿过各层逸出。 富铝层的选择性氧化、离子注入，或者对于个别应用，通常通过电压和/或光学限制。 VCSEL 可设计为“顶部发射”（EPI/空气界面）或“自下而上发射”，其中“结”焊接对于散热更有效，例如，如果需要（通过透明基板）。
相比之下，边缘发射器是通过从晶圆切口切出舞厅来制造的。 由于空气和半导体材料之间的高折射率对比度，两个分割表面充当全身镜。 为此，在边缘发射器的情况下，光平行于各层振荡并避免副作用。 VCSEL 和边缘发射器之间的这种简单结构差异具有重要意义。 由于VCSEL的培育、加工和测试仍采用晶圆模式，并行加工设备具有明显的经济能力，即设备的利用率和产值最大化，建设时间和劳动强度的规模最小化。 对于 VCSEL，镜面和有源区域沿 Y 轴顺序填充常年外延生长。 然后，VCSEL 晶圆通过蚀刻和金属化步骤产生电接触。 此时，用于测试单个激光器件特性的晶圆以通过/失败为基础。最后，晶圆要么被堵塞并分级，要么被更高级别的组装激光器（通常> 95％）或报废（通常
简单法布里-珀罗边缘发射中的生长过程也沿 Y 轴发生，但仅沿 Z 轴创建活动区域，例如镜面涂料。 在晶圆外延降低、经历金属化步骤、然后沿X轴切割后半导体激光器的优点，产生一系列晶圆条。 然后将晶圆带堆叠并放入涂层夹具中。 然后对晶圆条的 z 轴边缘进行涂层，以创建器件的镜像。 这些涂料是边缘发射器的关键工艺步骤，任何油墨缺陷都会因灾难性光学损坏 (COD) 而导致设备早期出现灾难性故障。 在这些电镀步骤之后，晶圆条被模制以产生离散的激光芯片，然后将其安装到载体上。 最后，激光设备进入测试阶段。 同样重要的是要了解 VCSEL 消耗的材料较少：对于 3 英寸晶圆，激光器制造商可以在类似的正确水平上制造约 15,000 个 VCSEL 元件或约 4,000 个边缘发射器。 不仅有这个优势，VCSEL还表现出优异的动态性能，例如低阈值电压（几微安）、低噪声、运行和高速数字调制（10GB/s）。 据报道，虽然VCSEL仍然局限于低帧率应用——最多几毫瓦——但它们产生大型二维链表的内在潜力特别高吧。 相反，边缘发射器无法处理二维数组。
国外VCSEL芯片厂商进展如何？
不过，随着近几年3D传感技术和市场的发展，不少VCSEL芯片厂商开始快速成长，开始小规模、大规模量产，包括芯良智能、综辉芯光、瑞熙科技、柠檬光子、瑞视科技、华芯半导体、长光华芯等。
新良智能
新光良子成立于2006年，是新良智能集团的全资子公司。 专业从事VCSEL芯片及其他光学芯片的研发、制造和销售。 2020年9月，Shinko Letron发布多结（Multijunction）VCSEL芯片，双孔光功率高达30mW； 斜率效率 (SE) 为 2.2W/A； 它只能在-40°到+105°范围内工作； 发光面积更小，更容易准直。 MultijunctionVCSEL有助于更大规模的汽车激光雷达、人脸识别和机器视觉产品。 去年初，新光良子还推出了一系列高性能、高可靠性的940nm VCSEL产品。 新光拥有国际同步的6英寸VCSEL芯片量产线，构建了以VCSEL为核心的光子芯片和COB模组的IDM模式。 是全球较为知名的VCSEL产品及解决方案供应商。
总汇新光
纵汇新光成立于2015年，可提供高功率、高速VCSEL（垂直腔面发射激光器）解决方案，设计和制造VCSEL（650nm至1000nm），应用于高速光通信、生物医学、工业、汽车和消费产品中的光学传感器。 该公司联合创始人、亚太区CEO陈晓驰在近期的SENSORCHINA2020峰会上提到，消费电子领域是该公司的主要市场之一，包括手机、扫地机器人、刷脸支付、智能锁等应用场景。 综汇新光不仅进入了华为旗舰供应链，目前在全球拥有约150家各种规模的客户。 面对英国对华为的制裁，陈晓驰表示，“我们将依法合规向华为供货，同时积极拓展新客户，实现客户多元化。” 陈小池提到，在手机方面，公司已经与Android阵营的多家厂商合作，同时也在积极探索非手机领域，比如人脸识别支付、智能锁等。 事实上，该公司去年的出货量已经达到100kk的水平。
瑞信科技
睿视科技是一家源自硅谷的高科技公司，由新加坡海归博士团队创立。 公司旨在为半导体光学领域的人工智能、身份识别、3D视觉、辅助驾驶、安防监控、特种照明、智能货运、健康检测等行业客户提供行业领先的光源产品和有竞争力的光学解决方案。 睿视科技的核心技术包括光学芯片设计、光学镜头集成、元件级集成封装、数学建模、光电系统集成与优化等。公司的VCSEL外延和芯片设计已完成数百颗6英寸芯片的量产验证。 公司产品包括850nm、940nm等不同波长、光功率从几毫瓦到几瓦的全系列，可应用于3D结构光、接近传感器、红外泛光光源、3DTOF传感等不同场景。
华芯半导体
华芯半导体科技有限公司位于扬州市高邮区现代科技产业园，投资5万余万元，占地90余亩，建筑面积5万平方米。 公司主要产品有高色温LED、蓝红半导体激光管、垂直腔面发射（VCSEL）光子芯片、DFB光子芯片、EML光子芯片和高色温半导体激光芯片等。产品主要应用于激光显示、激光照明、激光电视、光纤通信、数据中心、云计算、超级计算等领域。 华芯半导体近日在接受媒体专访时表示，该公司于2017年3月宣布其自主研发的25G VCSEL芯片已通过客户测试，立即引起整个行业的高度关注。 目前，华芯半导体已为业界提供了包括850nm 6G/10G/25G VCSEL外延片及芯片、940nm 5mW~4W VCSEL芯片及外延片、蓝光外延片及芯片等一系列解决方案，全面满足数据通信、3D传感与测距、激光雷达等应用的需求。
光大华鑫
光大华芯主要致力于高功率半导体激光芯片、高效半导体激光雷达3D传感器芯片、高速光通信半导体激光芯片及相关光电器件和应用系统的研发、生产和销售。 产品广泛应用于工业激光泵浦、激光先进制造兵器、生物医药与美容、高速光通信、机器视觉与传感器等领域。目前光大VCSEL已推出距离传感、结构光（SL）、飞行时间（ToF）三大类产品。 标准产品的波长包括808nm、850nm、940nm。 该产品可广泛应用于距离传感器、人脸识别、手机3D传感器、机器人、汽车激光雷达、光通信、原子钟、安防照明等领域。
不仅是上述企业，光迅科技、海特高科、千目激光等都已经量产了VCSEL芯片。 此前有消息称，光迅科技的25G VCSEL芯片已通过部分客户验证，正逐步进入量产阶段。 据去年6月消息，光迅科技表示，公司25G VCSEL芯片良率正在逐步提升，生产研发流程自主可控。
海特高科旗下海威华芯已开发出多晶硅IPD、PPA15、VCSEL、氮化镓NPA25等工艺产品，基站射频氮化镓、充电硅基氮化镓、3D传感VCSEL多晶硅等核心产品已进入小批量量产阶段。 海特高科明年3月表示，该公司的VCSEL芯片广泛应用于人脸识别、测距、激光雷达、3D感知等多个领域，在消费电子领域有着广泛的应用。 2017年11月，千目激光在西安成立。 2019年，公司成功量产6英寸晶圆25G VCSEL芯片，应用于数据中心和消费电子领域。 可以预见，未来在3D传感器、5G通信等多个领域的需求以及各厂商的研发投入和经验积累的推动下，国外VCSEL芯片将取得长足的发展。