iPhone X为什么要用VCSEL激光？

在介绍VCSEL技术之前，这几个基本原理与名词你不可不知，知道了这些基本知识，关于VCSEL的技术原理就非常简单了。光的反射折射与折射率：我们小时候都有做过光的反射与折射实验，尤其是筷子在水里面感觉好像被折了一段一样原因就是光的折射，折射率越大，偏折越厉害，原因是光在介质的速度变慢了，介质的折射率大小，与光在介质中的速度成反比，光在介质中的速度(v)愈大，则介质的折射率(n)愈小；光在介质中的速度(v)愈小，则介质的折射率(n)愈大。实验证实光在介质中的速度(v)依次为：v(气体)＞v(液体)＞v(单晶固体)＞v(非晶固体)。所以光在介质的折射率(n)依次为：n(气体)＜n(液体)＜n(单晶固体)＜n(非晶固体)。DBR（Distributed Bragg Reflector）分布布拉格反光镜：沿着光前进的方向上设计出特别的不同折射率材料交替的膜层，膜层厚度是该材料四分之一发光波长厚度（λ/4n, λ是纯光波长，n是该材料的折射率），形成折射率大(n大)、折射率小(n小)、折射率大(n大)、折射率小(n小)…的周期性结构，如图2(a)所示，称为「DBR光栅(Grating)」。光波在光栅中前进的时候，遇到折射率大的介质时，光的速度变慢；遇到折射率小的介质时，光的速度变快，光波在不同折射率之间的接口都会发生反射与折射，科学家经过复杂的光学计算发现，DBR光栅可以使「不纯的入射光(波长范围较大)」变成「较纯的反射光或穿透光(波长范围较小)」，如图2(b)所示，换句话说，DBR光栅的主要功能就是「使光变纯(波长范围变小)与控制光的反射与穿透比率」，激光二极管(LD)的光很纯，发光二极管(LED)的光不纯，显然激光二极管内一定有DBR光栅的结构，当然LED为了增加亮度，也有在研磨抛光蓝宝石背面之后镀上DBR反射层，可以增加2~3%的亮度。 

图2 分布布拉格反射镜DRR原理示意图激光的谐振效应(Resonance)：激光的发光区就是它的「谐振腔(Cavity)」，谐振腔其实可以使用一对镜子组成，如图3所示，使光束在左右两片镜子之间来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大，一般激光二极管的两片镜子就是用DBR镀膜来控制谐振腔的谐振效应。激光二极管的电激发光(EL：Electroluminescence)：我们以「砷化镓激光二极管(GaAs laser diode)」为例，先在砷化镓激光二极管芯片(大约只有一粒砂子的大小)上下各蒸镀一层金属电极，对着芯片施加电压，当芯片吸收电能产生「能量激发(Pumping)」，则会发出某一种波长(颜色)的光。发射出来的光经由左右两个反射镜来回反射产生「谐振放大(Resonance)」，由于右方的反射镜设计可以穿透一部分的光，所以高能量的激光光束就会由右方穿透射出，如图3所示。

图3 激光二级管发射激光的原理示意图VCSEL工艺到底难吗？除了上面的基本知识，这些与LED技术相似的工艺术语你也必须知道，我在此不再多解释，他们是MOCVD（有机气相外延沉积）与MBE（分子束外延）外延技术，光刻技术决定芯片图形与尺寸，ICP-RIE（电感耦合反应离子刻蚀）技术刻蚀出发光平台（Mesa），氧化工艺让谐振腔定义出最佳的VCSEL光电特性，钝化绝缘工艺让暴露的半导体材料不受空气与水汽影响可靠度，最后研磨与切割变成一颗颗芯片，再进行测试与出货给封装厂，由于结构上跟红黄LED芯片类似，是上下电极垂直结构，所以一般是先测试芯片特性再进行切割与最后分选。图4就是VCSEL的芯片与封装示意图，做LED的人有没有似曾相识的感觉呢？

图4 VCSEL的芯片与封装示意图，目前主流的VCSEL是To-can封装与阵列封装，尤其在高功率传感系统（车用市场）里面需要用到倒装flip chip的阵列封装VCSEL的结构与关键工艺介绍：VCSEL有几个关键工艺，这几个关键工艺决定了器件的特性与可靠性。关键技术一：VCSEL外延图5是VCSEL的结构示意图，以銦镓砷InGaAs井（well）铝镓砷AlGaAs垒（barrier）的多量子阱（MQW）发光层是最合适的，跟LED用In来调变波长一样，3D传感技术使用的940纳米波长VCSEL的銦In组分大约是20%，当銦In组分是零的时候，外延工艺比较简单，所以最成熟的VCSEL激光器是850纳米波长，普遍使用于光通信的末端主动元件。

图5 VCSEL的外延与芯片结构示意图发光层上、下两边分别由四分之一发光波长厚度的高、低折射率交替的外延层形成p-DBR与n-DBR，一般要形成高反射率有两个条件，第一是高低折射率材料对数够多，第二是高低折射率材料的折射率差别越大，出射光方向可以是顶部或衬底，这主要取决于衬底材料对所发出的激光是否透明，例如940纳米激光