光学和光子学

面试智能手机市场使VCSEL成为主流

字号+ 作者:admin 来源:小丑鱼-分享科普知识 2019-12-08 15:32

Ajit Paranjpe表示,随着对这种以前小众类型的半导体激光器的需求增加,制造用于其制造中的真空系统和薄膜工艺设备的公司需要适应 垂直腔表面发射激光器或VCSEL(发音为像素)是在1970年代后期发明的,此后已进入消费设备,例如计算机鼠标和激光打印机。但是,现在,对3D图像感测的需求激增将VCSEL 推向

  Ajit Paranjpe表示,随着对这种以前小众类型的半导体激光器的需求增加,制造用于其制造中的真空系统和薄膜工艺设备的公司需要适应

  垂直腔表面发射激光器或VCSEL(发音为“像素”)是在1970年代后期发明的,此后已进入消费设备,例如计算机鼠标和激光打印机。但是,现在,对3D图像感测的需求激增将VCSEL 推向新的领域,其应用出现在智能手机,自动驾驶汽车等领域。Ajit Paranjpe是Veeco的高级副总裁兼首席技术官,Veeco是一家总部位于美国的高科技电子行业中用于薄膜制造工艺的设备制造商。他在《物理世界》上谈到了这些新应用及其对制造商的要求。

面试智能手机市场使VCSEL成为主流

  您如何制作VCSEL?

  大部分VCSEL的生产都是在红外条件下进行的,通常用于3D感测的波长在850-940 nm之间,而在其他应用中的波长稍长。生产过程开始于生长由多层化合物半导体材料(如砷化镓)组成的外延堆叠。然后,蚀刻设备以定义其尺寸(特别是在发射区域),氧化表面的一部分以定义激光孔径,并钝化(即防止损坏)侧壁。最后,进行另一次蚀刻以定义整个设备的尺寸,并在设备的负极或n侧(可能是顶部或背面)上进行接触。光从VCSEL的p侧发出(请参见下图)。

  制作VCSEL的各个步骤-蚀刻,沉积等-与硅芯片制造非常相似。但是,相比之下,整个过程极其简单,并且组装后的步骤比边缘发射激光器要简单​​得多。由于它们的制造方式,VCSEL可以很容易地封装成阵列,在单个芯片上具有数百个发射区域。使用边缘发射激光器很难做到这一点。

  如果它们制作起来相对简单,为什么我们还没有看到更多呢?

  直到最近,应用程序(包括3D感测以及电信领域的有源光互连)都相对较小。最近发生的事情是3D传感已成为智能手机的一大趋势,从苹果iPhone X上的前置图像识别摄像头开始。我们还听说Android手机制造商准备以类似的方式进入市场。能力。

  当您进入智能手机市场时,销量就变得巨大。您正在谈论数百万个单位,随着时间的流逝,可能达到十亿个单位。这需要完全不同的制造方法。例如,当您从小型半导体晶圆转向大型晶圆时,控制晶圆缺陷变得更加重要。VCSEL制造商开始采用硅晶圆厂的做法来批量生产这些设备。

  为什么VCSEL非常适合3D感测?

  传统上,人们使用LED进行3D感测,但是由于LED的光没有经过准直,因此其有效性受到限制。使用激光,您会得到线宽非常窄的准直光束,并且可以使用多个光束来绘制表面。例如,在iPhone X上使用的设备称为点投影仪,它使用芯片上的VCSEL孔阵列将红外激光图案投射到要观察的物体上。然后记录该图案,并根据该图案以网格形式创建3D信息。整个过程非常快,而且由于光线是红外线,因此不会造成干扰。与摄影机等替代品相比,这些特性具有明显的优势。即使您立体使用两个摄像机来创建3D信息,

  为该应用制造VCSEL面临哪些挑战?

  器件的性能在很大程度上取决于外延生长步骤,而您要实现的主要目的是非常好的波长控制。您要确保所有的光圈都均匀地发射,因为如果要成像的物体在明亮的阳光下,则必须在检测器上应用滤镜以区分阳光和被光投射的光。 VCSEL阵列。滤光片越窄,消除环境光的效果就越多。如今,典型的带通滤波器的波长范围可能在20–30 nm之间,某些应用(例如LiDAR)需要更窄的范围才能区分远处物体的信号和噪声。这就是严格控制波长的原因。否则,您将浪费光子。

  我前面提到的另一个挑战是控制芯片上的缺陷。当芯片较小时,这不是什么大问题,您可以扔掉那些不起作用的芯片,但是,如果您有一个大面积的芯片,并且所有的孔都必须起作用,那么芯片就必须工作确保缺陷率非常低。

  半导体晶片上缺陷的一种来源是外延生长过程本身。您需要很好地控制材料的成分,以免由于半导体层之间的晶格应变而出现缺陷。缺陷的另一个来源是生长过程中的寄生沉积。这会积聚在反应器的壁上,如果它们剥落并掉落到晶圆上,那就是一个问题。在Veeco,我们已经改进了反应器的设计,以确保在晶圆平面上方没有多余的材料堆积。

  您将来会在哪里看到VCSEL?

  智能手机之后的下一个领域将是汽车,人们在该领域正在开发两个应用程序。一种是使用结合VCSEL技术的摄像机进行机舱内监控,以跟踪车内驾驶员或乘员。另一个是LiDAR。自动驾驶汽车需要“知道”周围的东西,而LiDAR可以做到这一点,但是今天的汽车价格昂贵体积大,安装在汽车顶部。它们在美学上不令人满意。最好用一系列不那么引人注目,更便宜的传感器来代替它们-目标是每台价格低于100美元-可以绘制出汽车周围的所有物体并使其达到更高的自治性。驾驶员无需干预的5级自治可能不会发生,但是即使在较低的自治级别,更多的传感器也可以提高安全性。

  第三个应用是数据通信。人们正在尝试将光纤中的数据速度提高到每秒50吉比特,而VCSEL可能会有所帮助,因为更好的波长控制意味着您可以将更多波长组合到一根光纤中。

  总的来说,我喜欢在VCSEL和发光二极管之间进行比较。LED以前也一直是一个利基市场,直到它们被引入手机和电视的背光中,然后引入固态照明。这可以通过改善LED的制造,尤其是通过更好地控制外延生长步骤来实现。我们认为在VCSEL中可能会发生同样的事情,并且随着行业将自身定位为下一次大规模生产,我们提供的某些技术可能会为VCSEL制造带来类似的好处。

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