紫外/蓝绿光及全波段 GaN VCSEL

发表时间:2024-11-11 09:09

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短波长VCSEL


短波长波段VCSEL主要指工作在400~700nm范围内的激光器,该波长范围也称为可见光VCSEL。包括红、蓝、绿三种类型。


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红色VCSEL使用的是铝镓铟磷(AlGaInP)材料,已经广泛应用于各种场景,这类VCSEL以其体积小、功耗低、光束质量高的特点,成为新一代显示和传感设备中的理想光源。其独特的设计允许在高电流驱动下有效限制光输出,确保安全性,尤其适用于智能眼镜等需要直接投射到视网膜的显示设备


而蓝色、绿色VCSEL普遍使用氮化镓(GaN)材料。GaN VCSEL在显示、可见光通信和生物医疗等方面有极大的潜在应用,种VCSEL由两层半导体镜-分布式布拉格反射器(DBR)构成,中间隔着有源GaN半导体层,形成了一个光学谐振腔。这个谐振腔的长度,对于激光波长的精确控制至关重要。谐振腔LED (RCLED)、micro-LED、以及VCSEL,目前已成功实现蓝紫光、蓝光、绿光器件的电注入激射,并且实现了深紫外波段UVC VCSEL的光泵浦激射。


迄今为止,已经探索出了两种GaN基VCSEL结构,一种是底部电介质DBR,另一种是底部AIInN/GaNDBR。这两种结构都展现了出色的性能,VSCEL的光输出功率超过20mW,壁塞效率(WPE)更是高达10%以上。然而,AllnN/GaN DBR的截止波长带宽相对较窄,这在一定程度上限制了VCSEL发出光的波长范围。致力于将壁插效率提升至40%左右的更高水平,以推动氮化镓基VCSELS在更多领域实现广泛应用。


在移动显示设备领域,短波长VCSEL成为智能眼镜和可穿戴设备的理想光源,特别是在需要紧凑设计和长电池寿命的虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)应用中。VCSEL的高集成能力允许在有限的空间内实现复杂的光学系统,同时,其高效率有助于减少热量产生,延长设备的使用时间。


在汽车照明领域,短波长VCSEL技术的应用提供了高亮度、高效率和紧凑尺寸的光源,这些光源能够实现快速响应和智能控制,如自适应前照灯系统,以适应不同的驾驶条件。VCSEL的精确光束控制能力允许定制光束模式,增强夜间驾驶的安全性,同时,其耐用性和可靠性减少了维护需求。


未来,短波长VCSEL技术的进步有望提高全球定位系统(GPS)等定位系统的精度。这是因为基于GaN的VCSEL能够在紫外线区域发光,并且可以使用它来创建高精度时钟


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在GPS和其他定位系统中,地面站从卫星上的原子钟接收时间信息,并根据时间差计算与每颗卫星的距离以获取位置信息。如果基于GaN的VCSEL提高了地面站时钟的精度,未来就有可能将GPS定位精度从几米提高到几毫米获得更精确的位置信息将为开发全新应用提供机会。

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中波长VCSEL


中波长波段VCSEL通常指发射波长在850nm至1550nm之间的半导体激光器。自1988年首次研制成功以来,850nm、980nm和780nm波长的VCSEL逐步实现商业化,并广泛应用于光通信、光学传感、3D传感等领域。


基于砷化镓(GaAs)材料的中波长VCSEL技术相对成熟,尤其是在950nm和980nm波段上,由于成本低且产业链完善,成为主流选择。随着波长增加到1550nm,材料体系会转向锑化铟镓(InGaAs),这类材料虽然成本较高,但能够提供更长的波长和更好的视网膜安全性


尽管基于GaAs的VCSEL技术已相当成熟,目前能实现的最长波长约为1100nm,但业界正在努力扩展至1380nm或更长波长,以应用于面部识别、底部发光(BOLED)和LiDAR技术等领域。


2021年,公司开发了一种基于稀散氮化物(InGaAsN)的技术,该技术每个发射器提供约1mW功率,仍采用GaAs材料,具备与短波长VCSEL相同的设备和工艺兼容性。


此外,短波长红外(SWIR)技术在智能手机和AR/VR设备中显示出潜力,能够增强3D传感、深度感应和眼动追踪功能。

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长波长VCSEL

长波长VCSEL通常指工作波长在1300nm至1550nm范围内的激光器。1300nm和1550nm的长波长VCSEL由于处于光纤的低色散和低衰减窗口,还具有在中长距离高速传输方面的优越性

1300nm波长VCSEL是光并行处理、光识别系统及光互连系统中的关键器件。特别是在光信息处理、光互连、光交换、光计算和神经网络等应用领域,VCSEL能够充分发挥光子的并行操作能力和大规模集成面阵的优势,展现出巨大的应用潜力和发展前景。

最初,使用GaInAsP/InP材料作为有源区的红外VCSEL实现了1300nm的发射波长。波长为1300nm的VCSEL的有源区现在主要采用GaInAs/GaAs材料,这种材料的VCSEL具有低色散和高速率的特性,使其成为长距离光通信和并行光互连系统中的关键器件


当波长达到1550nm时,VCSEL的有源区材料则主要使用AlGaInAs/GaAs和GaInAsP/InP等,这些材料的VCSEL在1550nm波段损耗低,常与单模光纤配合使用,非常适合应用于高速长距离的光通信系统


从2018年开始,智能手机中的3D传感、汽车应用的激光雷达开始大规模使用长波长VCSEL阵列,为了在显示屏下实现集成传感,使用的VCSEL波段从940nm逐步过渡到1380nm。


为了实现这个目标,企业研发使用多种手段,包括使用稀氮化物材料,从GaAs转向InP,以及采用基于GaAs材料和InP材料融合的混合方法。苹果公司曾尝试在iPhone 14 Pro版本中使用基于InP-EEL的接近传感器,但其成本是使用GaAs-VCSEL接近传感器的十倍以上,且模块的制造和封装难度更大。


因此,在iPhone 15中,苹果公司回归到了基于GaAs VCSEL的接近传感器。

另一方面,随着对长波长VCSEL需求的增加,相关晶圆的需求量也随之增长,这推动了从4英寸晶圆向6英寸晶圆的转变。


4英寸晶圆每片可提供约4000个VCSEL,而6英寸晶圆的产量约为10,000个VCSEL阵列,足以满足每年数百万部智能手机的生产需求。然而,这一转变需要新的设备和可能的新衬底技术,期待未来的表现。


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来源李尚雯

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