iPhone X为什么要用VCSEL激光？

由于砷化镓衬底不吸收940纳米的光，所以设计成衬底面发光，850纳米设计成正面发光，一般不发射光的一面的反射率在99.9%以上，发射光一面的反射率为99%，目前的AlGaAs铝镓砷结构VCSEL大部分是用高铝（90%）的Al0.9GaAs层与低铝（10%）Al0.1GaAs层交替的DBR，反射面需要30对以上的DBR（一般是30~35对才能到达99.9%反射率），出光面至少要24~25对DBR（99%反射率），由于后续需要氧化工艺来缩小谐振腔体积与出光面积，所以在接近发光层的p-DBR膜层的高铝层需要使用全铝的砷化铝AlAs材料，这样后面的氧化工艺可以比较快完成。

图6 外延与氧化工艺是VCSEL良率与光电特性好坏的关键关键技术二：氧化工艺这个技术是LED完全没有的工艺，也是LED红光发明人奥隆尼亚克（Nick Holonyak Jr.）发明的技术，如图6所示，主要利用氧化工艺缩小谐振腔体积与发光面积，但是过去在做氧化工艺的时候，很难控制氧化的面积，只能先用样品做氧化工艺，算出氧化速率，利用样品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化工艺时间，这样的生产非常不稳定，良率与一致性都很难控制！精确控制氧化速度让每个VCSEL芯片的谐振腔体积可以有良好的一致性，没有过氧化或少氧化的问题，这样在做阵列VCSEL模组的时候才会有精确的光电特性。即时监控氧化面积是最好的方法，如图7所示，法国的AET Technology公司设计了一台可以利用砷化铝（AlAs）氧化成氧化铝（AlOx）之后材料折射率改变的反射光谱变化精确监控氧化面积，这种精密控制氧化速率的设备，可以省去过去工程师用试错修正来调试参数，对大量稳定生产VCSEL芯片提供了最好的工具。

图7 法国AET科技公司推出的VCSEL即时监控的氧化制程设备，让VCSEL量产更稳定关键技术三：保护绝缘工艺跟LED一样，最后只能保留焊线电极上没有绝缘保护层在上面，由于激光二极管的功率密度更大，所以VCSEL更需要这样的保护层，更重要的是为了不让氧化工艺的AlAs层继续向内氧化影响谐振腔体积，造成激光特性突变，保护层的膜层质量非常重要，尤其是侧面覆盖的致密性更为重要，过去都是用等离子加强气相化学沉积机PECVD来镀这层膜，但是为了要保持致密性需要较厚的膜层，但是膜层太厚会造成应力过大影响器件可靠度！于是原子层沉积ALD技术开始取代PECVD成为最好的镀膜工艺，如图8所示，ALD可以沉积跟VCSEL氧化层特性接近的氧化铝（Al2O3）薄膜，而且侧面镀膜均匀，致密性高，最重要的是厚度很薄就可以完全绝缘保护芯片，除了VCSEL工艺以外，LED的倒装芯片flip chip与IC的Fin-FET工艺都需要这样的膜层，跟氧化技术一样，国内还无法提供这样的设备，目前芬兰的Picosun派克森公司与Apply Material美国应用材料公司提供这样的设备与工艺。

图8 芬兰Picosun派克森公司推出的ALD原子层沉积技术的设备，可以让VCSEL的器件更稳定从光通信到消费电子，VCSEL激光器迎来爆发VCSEL曾在光通信应用市场里"发光发热"，被广泛关注，现在又增加了3D传感的应用，以市场来说，如果以华为、OPPO、VIVO、三星等为首的高端机型第二梯队快速响应与普及，每年全世界消费10多亿部智能手机，如果每部手机嵌入2-3颗VCSEL激光器件，就是二三十亿颗的市场规模。如今，全球VCSEL的总收入已接近8亿美元，预计到2020年该值会增长到21亿美元。未来，除了光通信与3D传感，当VCSEL激光器量产供应链形成之后将带动产品价格的全面平民化，包含AR智能眼镜、智能驾驶的激光雷达等一系列颠覆式应用将彻底从概念化小众市场得到快速普及，如图9所示，VCSEL市场将会进一步爆发。

图9 VCSEL的应用与未来市场趋势台湾与大陆VCSEL的发展现状如图10所示，大陆与台湾VCSEL的产业链现状很像十年前的LED，目前内地跟VCSEL有相关的公司可谓凤毛麟角，除了国内光通讯器件厂商光迅科技已有VCSEL商业化产品推出，在消费电子领域，内地尚无一家拥有VCSEL芯片量产能力的企业，当然有潜力的公司也不是没有，大家熟悉的三安光电和华工科技（华工正源）是有潜力的大陆厂家，而拥有四元红黄MOCVD设备的公司例如乾照与华灿也有机会可以跨入这个领域，当然技术是关键，在美国硅谷，有一批华人专注于这个领域，例如Intelligent与Vertilite都是华人核心团队组成的公司，如果可以吸引他们回来，这个行业在内地可能可以发展的比较快。当然台湾在这方面的发展已经非常成熟，也得到国际大厂的认可，上游方面，全新、联亚与光环科技都积淀了十五年的外延与芯片技术，LED大厂晶电也早做了布局，专注芯片制造的稳懋更是砷化镓芯片最专