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VCSEL開發與應用趨勢研討會
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事實上,VCSEL這項技術存在已久,早於1962年就已有第一個半導體雷射二極體被展示出來,隨後於1979年,正式研發出VCSEL技術。而VCSEL本身具備的高速操作、低耗電、體積小以及製程成本低的優勢,使其逐漸成為新世代關鍵元件之一,可廣泛應用於各領域,包含3D感測、手勢辨識、時差測距(ToF)、資料中心(Data Center)、機器視覺、無人機,甚至是實現自動駕駛的光達技術等(圖1)。本文將分成上、下兩個篇章,上篇將深入探討VCSEL的產業應用趨勢、技術發展與系統架構;下篇則是聚焦於資料中心與3D感測兩項技術的設計瓶頸與開發實務進行詳盡說明。 

圖1 VCSEL助力3D感測應用市場遍地開花
資料來源:交通大學  

大數據/生物感測需求攀升VCSEL鏖戰再起 

萬物聯網的數量急遽爆增,連帶著數據資料量隨之不斷增加,加上現有太多資料需要即時存取,如何解決短時間內傳輸大量又多樣化資料,已成為現今科技產業的當務之急。而這樣的市場走向,也是VCSEL近幾年再次吸引眾人目光的關鍵要素,為了突破傳統銅纜的傳輸瓶頸,採用光纖傳輸達到更即時的傳輸勢必成為未來趨勢。  

圖2 台灣大學光電所教授吳肇欣表示,大數據與生物感測需求迫在眉睫,刺激光通訊與3D感測導入VCSEL速度不斷加快。
台灣大學光電所教授吳肇欣(圖2)表示,光通訊在長程應用已非常廣泛,目前更朝向短距離且大量傳輸的趨勢發展,由資料中心與時俱進逐漸滲透到電腦、晶片等級的光傳輸,可預期光傳輸訊號相關元件所需要的量將日益擴張。 

除了光通訊應用之外,3D感測更是促成VCSEL市場熱度加溫的關鍵技術。無論是透過結構光、ToF或是Stereo System的方式來實現3D感測技術,可明確知道的是,大眾關注的VCSEL元件,已經慢慢從距離生活遙遠的資料中心,步步滲透進日常生活當中,而此榮景也激發人們對於VCSEL這項存在已久技術產生好奇。 

VCSEL中文是垂直共振腔面射型雷射,所謂「垂直」,指的是雷射光射出的方向,與磊晶的方向垂直,相較於邊射型雷射(Edge Emitting Laser, EEL),可提供更好的特性。 

吳肇欣指出,VCSEL主要雷射的共振腔,是透過上下的布拉格鏡面(Distributed Bragg Reflector, DBR)結構產生而來,DBR結構可產生週期性折射率變化,這個週期性折射率變化可以針對特定波長,提供比較高的反射或者是穿透。早期在DBR發展過程中,曾使用介電質材料,而目前則是普遍使用半導體材料為主,但無論DBR是採用何種材料,該技術主要發光區域會被夾在上下兩個DBR反射鏡中間,因此其共振腔(Cavity)可以做得非常小。 

圖3 交通大學光電系特聘教授郭浩中表示,VCSEL最大優勢在於可支援陣列的應用,為3D感測和資料中心增添效能。
交通大學光電系特聘教授郭浩中(圖3)強調,VCSEL最大好處就是可發射出圓型光束(Circular Beam Shape),可以支援陣列應用,包含光通訊及3D視覺感測的應用。於3D視覺感測技術中,可滿足100、200,甚至是300個陣列,可排得非常密集,不過需注意散熱問題。雷射的功率密度(Power Density)高,因此在散熱設計上須要特別注意。 

郭浩中分析,基本上雷射設計需要注意發光層、DBR與氧化層的開口(Oxide Aperture)等三大要素,而台灣本身LED從檢測、封裝到製程的產業鏈完整,例如晶元光電的IR LED全球首屈一指,更有致茂、旺矽等強而有力的測試公司做後盾,在雷射技術上,應可借重過去台灣LED經驗,創造另一波成長高峰。 

兩大VCSEL結構類型 

整體而言,VCSEL可透過兩種類型的結構來實現,包含質子布質(Proton Implanted)與氧化局限(Oxide Confined)等技術(圖4)。吳肇欣談到,最早出現的VCSEL技術,是採用Proton Implanted架構,由Iga所設計出來,主要的材料為四元材料,上下是透過金屬的反射,其主動區發光位置約50μm,可說是占據相當大的空間,因此臨介電流還是太大。 

圖4 兩種VCSEL架構類型剖面圖
資料來源:交通大學  

吳肇欣分析,臨介電流過大另一個原因在於,該技術使用金屬做為反射(Mirror),雖然金屬可以做到很好的反射率,但是金屬本身對光會有吸收現象,會造成共振腔損失(Cavity Loss)的問題,因此當時Iga所發布的VCSEL無法拿來實際應用。 

為了改善主動區體積的問題,Iga後續從主動區的材料結構著手,從原本的四元材料,改變成GaAs為主的材料,更進一步也變更了DBR反射材料,從金屬材料轉換成SiO2/TiO2。此舉不僅減少主動區的一些損失,更改善了溫度特性,使VCSEL能不限於在低溫中操作;此外,以金屬做為反射,雖然可以有不錯的反射率,但金屬對光的吸收太好,也造成元件操作無法繼續加大電流,故採用SiO2/TiO2不僅可有很好的反射率,同時也可將光子局限在共振腔之中。此後,產業界也不斷研發新的DBR材料,並逐漸向半導體DBR結構發展。 

除了解決主動區面積問題外,如何降低臨界電流亦是另一重要課題。吳肇欣談到,採用Proton Implanted結構雖然可以製造出商用產品,但其最大問題在於該結構無辦法提供Optical Confinement,因此折射率無法變化太多。不僅如此,Proton Implanted結構還需要額外考慮到機台與控制上的問題。 

相較之下,Oxide Confined結構可以做一個比較簡便、方便的限制。而這樣的結構優勢,也使Oxide Confined成為目前VCSEL結構採用的主流選項。 

郭浩中表示,1999年開始量產的VCSEL技術就是採用Oxide Confined架構,但當時仍有可靠性與怕濕的問題產生,現已可透過防水防濕的技術解決。 

郭浩中認為,氧化層是Oxide Confined架構中,非常重要的關鍵要素,因為氧化層孔洞的開口大小會決定光通訊速度,當開口越小,其速度就會越快,但設計當中也不能讓開口過小,因為若開口太小會有一些可靠性的問題產生。舉例來說,若想要滿足25Gbps的傳輸速率,開口就要縮小到6μm左右;另外進入製程時,也要盡量把電容弄小。此外,實作VCSEL陣列時,需要控制其氧化的孔洞每個都很均勻,通常會以7~8μm或14μm大小為主。 

整體而言,郭浩中強調,掌握「控制」力是VCSEL設計快速達陣最好的方法。他認為,VCSEL技術不難,做好不同層級的控制是首要原則,包含控制DBR、Oxide Aperture與質量等;最後,針對不同應用採取相對應的模式設計。 

添加更多出光開口 VCSEL功率提升有妙方 

功率是影響VCSEL發射距離遠近的一個關鍵要素。因此為了符合更多元的應用領域,打造從短距離到長距離的發射功率,是各大相關應用廠商極力追尋的目標。晶智達光電(iReach)總經理呂志強(圖5)表示,目前提高功率最好的方式,就是增加出光開口的數量,而這也是iPhone 7在VCSEL設計時,採用4個出光開口主因,目的就是要滿足測量50公分距離的需求。 

呂志強談到,增加開口數量同時,其面積也會隨之而增,因為開口太過密集時,會產生可靠性的問題;也基於此,該公司目前預計鎖定500mW以下的市場,以滿足短距離50~100公分距離的應用,不過針對100公分以上的長距離應用,該公司也正密集籌備當中,預計開發出1W以上的相關產品系列,而這部分會較多聚焦在ToF上的應用。 

另一方面,針對VCSEL技術功率提升的問題,郭浩中補充,通常LED若要增加功率,在設計上多增加一些LED會有所幫助,但若增加太多顆雷射,也會產生問題。因此要增加VCSEL的功率需要注意兩個地方,第一個是考慮斜率,其斜率與DBR的配合數和量級數值有關;其次,增加更多顆VCSEL可能可增加密度,但需衡量距離的因素。 

強化散熱/光電轉換效率VCSEL結合覆晶顯神通 

呂志強指出,LED與覆晶(Filp Chip)技術的結合是必要的手段,必須要轉移到新的基板,才能大幅提升LED的效率,並擴大LED應用面向。相對而言,VCSEL不見得一定採用覆晶技術,原因在於VCSEL上下層有很好的DBR。但覆晶具有兩大優勢,包含提升散熱性能與光電轉換效率。 

呂志強分析,IR LED光電轉換效率在實驗室測量的結果,其效能達70%以上,目前市面量產的光電轉換效率約50%。相反的,VCSEL的光電轉換效率較低,即便是主流VCSEL產品,其光電轉換效率也僅介於30~40%之間。這也意味著,熱能對VCSEL的影響很大,因為當VCSEL沒轉換成光,就會變成熱能。 

為了改善熱能對VCSEL的影響,可藉由覆晶技術,將發光最熱的地方更貼近散熱的基板(Substrate),期能透過金屬基板達到散熱效果;其次,若要滿足消費型應用的輕薄短小訴求,也可用覆晶方式,在無須另外打線的狀況下,降低VCSEL的高度。 

呂志強進一步說明,覆晶技術結合VCSEL可稱為垂直結構,是一個垂直導通的結構,P-pad在上方、N-pad處於下方,當電流進來時,可透過開口發出雷射光,將光向上發射。以吸收光的程度來看,若採用850nm波長,其光將會被完全吸收,而940nm吸收率會稍微低一點。而該公司將採用自行研發的技術讓光穿透率更好。 

呂志強指出,該公司希望能將過去在LED產業的技術能量,整合至VCSEL的設計上,以此覆晶結構的概念,做出更好的元件設計。以目前該公司的原型測試結果來看,已獲得不錯的效果,首先基於此設計結構下,可提高VCSEL發光角到35度,且光電轉換效率則介於35~38%;此外,斜率效率(SE)相較於該公司既有的產品,也提升至0.75W/A。 

未來VCSEL可支援的應用非常多元,其潛在商機無可限量,成為群雄競逐焦點,而目前廠商大多還是聚焦在主流的3D感測與資料中心的開發,後續本文將在下一期刊物中,針對這兩項應用市場做進一步的深入探討。

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