3D傳感技術(shù)，為何要用VCSEL激光？

發(fā)布時(shí)間：2018-01-23點(diǎn)擊數(shù)：6813次

　　首先幫大家介紹這次討論異常火爆的3D傳感技術(shù)：3D傳感技術(shù)是面部識(shí)別的核心，3D激光掃描（3D傳感）背后的想法就是創(chuàng)建一種非接觸、非破壞性技術(shù)來數(shù)字化捕捉物理對(duì)象的形狀。在面部識(shí)別中，它將創(chuàng)建一個(gè)定義人臉外觀的數(shù)字矩陣。舉個(gè)例子，它可以使你的手機(jī)更精確地記錄你的下巴，這要比從照片上識(shí)別精確得多。而且皮膚的紋理與胡子的長(zhǎng)短也可以被捕獲到。當(dāng)然也包括那些組成額頭、臉頰以及其它臉部部分的獨(dú)特形狀。

　　至于為什么要用VCSEL激光器？3D攝像頭在傳統(tǒng)攝像頭基礎(chǔ)上引入基于飛行時(shí)間測(cè)距ToF（Time of Flight）或SL（Structural Light）結(jié)構(gòu)光的3D傳感技術(shù)，目前這兩種主流3D傳感技術(shù)均為主動(dòng)感知，因此3D攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈相比主要新增加“紅外光源+光學(xué)組件+紅外傳感器”等部分，其中最關(guān)鍵的部分就是紅外光源，主動(dòng)感知的3D攝像頭技術(shù)通常使用紅外光來檢測(cè)目標(biāo)，早期3D傳感系統(tǒng)一般都使用LED作為紅外光源，但是隨著VCSEL技術(shù)的成熟，性價(jià)比已經(jīng)接近紅外LED，除此之外，在技術(shù)方面，由于LED不具有諧振腔，導(dǎo)致光束更加發(fā)散，在耦合性方面很差，而VCSEL在精確度、小型化、低功耗、可靠性全方面占優(yōu)的情況下，現(xiàn)在常見的3D攝像頭系統(tǒng)一般都采用VCSEL作為紅外光源，因此最近被談?wù)摰淖钚录夹g(shù)就是VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）。
　　

　　你不可不知關(guān)于VCSEL的幾個(gè)基本原理

　　在介紹VCSEL技術(shù)之前，這幾個(gè)基本原理與名詞你不可不知，知道了這些基本知識(shí)，關(guān)于VCSEL的技術(shù)原理就非常簡(jiǎn)單了。

　　光的反射折射與折射率：

　　我們小時(shí)候都有做過光的反射與折射實(shí)驗(yàn)，尤其是筷子在水里面感覺好像被折了一段一樣原因就是光的折射，折射率越大，偏折越厲害，原因是光在介質(zhì)的速度變慢了，介質(zhì)的折射率大小，與光在介質(zhì)中的速度成反比，光在介質(zhì)中的速度(v)愈大，則介質(zhì)的折射率(n)愈?。还庠诮橘|(zhì)中的速度(v)愈小，則介質(zhì)的折射率(n)愈大。實(shí)驗(yàn)證實(shí)光在介質(zhì)中的速度(v)依次為：v(氣體)＞v(液體)＞v(單晶固體)＞v(非晶固體)。所以光在介質(zhì)的折射率(n)依次為：n(氣體)＜n(液體)＜n(單晶固體)＜n(非晶固體)。

　　DBR（Distributed Bragg Reflector）分布布拉格反光鏡：

　　沿著光前進(jìn)的方向上設(shè)計(jì)出特別的不同折射率材料交替的膜層，膜層厚度是該材料四分之一發(fā)光波長(zhǎng)厚度（λ/4n, λ是純光波長(zhǎng)，n是該材料的折射率），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)…的周期性結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示，稱為「DBR光柵(Grating)」。光波在光柵中前進(jìn)的時(shí)候，遇到折射率大的介質(zhì)時(shí)，光的速度變慢；遇到折射率小的介質(zhì)時(shí)，光的速度變快，光波在不同折射率之間的接口都會(huì)發(fā)生反射與折射，科學(xué)家經(jīng)過復(fù)雜的光學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，DBR光柵可以使「不純的入射光(波長(zhǎng)范圍較大)」變成「較純的反射光或穿透光(波長(zhǎng)范圍較小)」，如圖1(b)所示，換句話說，DBR光柵的主要功能就是「使光變純(波長(zhǎng)范圍變小)與控制光的反射與穿透比率」，激光二極管(LD)的光很純，發(fā)光二極管(LED)的光不純，顯然激光二極管內(nèi)一定有DBR光柵的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然LED為了增加亮度，也有在研磨拋光藍(lán)寶石背面之后鍍上DBR反射層，可以增加2~3%的亮度。
　　

圖1 分布布拉格反射鏡DRR原理示意圖

　　激光的諧振效應(yīng)(Resonance)
　　激光的發(fā)光區(qū)就是它的「諧振腔(Cavity)」，諧振腔其實(shí)可以使用一對(duì)鏡子組成，如圖2所示，使光束在左右兩片鏡子之間來回反射，不停地通過發(fā)光區(qū)吸收光能，最后產(chǎn)生諧振效應(yīng)，使光的能量放大，一般激光二極管的兩片鏡子就是用DBR鍍膜來控制諧振腔的諧振效應(yīng)。

　　激光二極管的電激發(fā)光(EL：Electroluminescence)：
　　我們以「砷化鎵激光二極管(GaAs laser diode)」為例，先在砷化鎵激光二極管芯片(大約只有一粒砂子的大小)上下各蒸鍍一層金屬電極，對(duì)著芯片施加電壓，當(dāng)芯片吸收電能產(chǎn)生「能量激發(fā)(Pumping)」，則會(huì)發(fā)出某一種波長(zhǎng)(顏色)的光。發(fā)射出來的光經(jīng)由左右兩個(gè)反射鏡來回反射產(chǎn)生「諧振放大(Resonance)」，由于右方的反射鏡設(shè)計(jì)可以穿透一部分的光，所以高能量的激光光束就會(huì)由右方穿透射出，如圖2所示。
　　

圖2 激光二級(jí)管發(fā)射激光的原理示意圖

　　VCSEL工藝到底難嗎？

　　除了上面的基本知識(shí)，這些與LED技術(shù)相似的工藝術(shù)語你也必須知道，我在此不再多解釋，他們是MOCVD（有機(jī)氣相外延沉積）與MBE（分子束外延）外延技術(shù)，光刻技術(shù)決定芯片圖形與尺寸，ICP-RIE（電感耦合反應(yīng)離子刻蝕）技術(shù)刻蝕出發(fā)光平臺(tái)（Mesa），氧化工藝讓諧振腔定義出最佳的VCSEL光電特性，鈍化絕緣工藝讓暴露的半導(dǎo)體材料不受空氣與水汽影響可靠度，最后研磨與切割變成一顆顆芯片，再進(jìn)行測(cè)試與出貨給封裝廠，由于結(jié)構(gòu)上跟紅黃LED芯片類似，是上下電極垂直結(jié)構(gòu)，所以一般是先測(cè)試芯片特性再進(jìn)行切割與最后分選。圖4就是VCSEL的芯片與封裝示意圖，做LED的人有沒有似曾相識(shí)的感覺呢？
　　

圖3 VCSEL的芯片與封裝示意圖，目前主流的VCSEL是To-can封裝與陣列封裝，尤其在高功率傳感系統(tǒng)（車用市場(chǎng)）里面需要用到倒裝flip chip的陣列封裝

　　VCSEL的結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵工藝介紹：　

　　VCSEL有幾個(gè)關(guān)鍵工藝，這幾個(gè)關(guān)鍵工藝決定了器件的特性與可靠性。

　　關(guān)鍵技術(shù)一：VCSEL外延

　　圖4是VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖，以銦鎵砷InGaAs井（well）鋁鎵砷AlGaAs壘（barrier）的多量子阱（MQW）發(fā)光層是最合適的，跟LED用In來調(diào)變波長(zhǎng)一樣，3D傳感技術(shù)使用的940納米波長(zhǎng)VCSEL的銦In組分大約是20%，當(dāng)銦In組分是零的時(shí)候，外延工藝比較簡(jiǎn)單，所以最成熟的VCSEL激光器是850納米波長(zhǎng)，普遍使用于光通信的末端主動(dòng)元件。
　　

圖4 VCSEL的外延與芯片結(jié)構(gòu)示意圖

發(fā)光層上、下兩邊分別由四分之一發(fā)光波長(zhǎng)厚度的高、低折射率交替的外延層形成p-DBR與n-DBR，一般要形成高反射率有兩個(gè)條件，第一是高低折射率材料對(duì)數(shù)夠多，第二是高低折射率材料的折射率差別越大，出射光方向可以是頂部或襯底，這主要取決于襯底材料對(duì)所發(fā)出的激光是否透明，例如940納米激光由于砷化鎵襯底不吸收940納米的光，所以設(shè)計(jì)成襯底面發(fā)光，850納米設(shè)計(jì)成正面發(fā)光，一般不發(fā)射光的一面的反射率在99.9%以上，發(fā)射光一面的反射率為99%，目前的AlGaAs鋁鎵砷結(jié)構(gòu)VCSEL大部分是用高鋁（90%）的Al0.9GaAs層與低鋁（10%）Al0.1GaAs層交替的DBR，反射面需要30對(duì)以上的DBR（一般是30~35對(duì)才能到達(dá)99.9%反射率），出光面至少要24~25對(duì)DBR（99%反射率），由于后續(xù)需要氧化工藝來縮小諧振腔體積與出光面積，所以在接近發(fā)光層的p-DBR膜層的高鋁層需要使用全鋁的砷化鋁AlAs材料，這樣后面的氧化工藝可以比較快完成。
　　

圖5 外延與氧化工藝是VCSEL良率與光電特性好壞的關(guān)鍵

　　關(guān)鍵技術(shù)二：氧化工藝

　　這個(gè)技術(shù)是LED完全沒有的工藝，也是LED紅光發(fā)明人奧隆尼亞克（Nick Holonyak Jr.）發(fā)明的技術(shù)，如圖5所示，主要利用氧化工藝縮小諧振腔體積與發(fā)光面積，但是過去在做氧化工藝的時(shí)候，很難控制氧化的面積，只能先用樣品做氧化工藝，算出氧化速率，利用樣品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化工藝時(shí)間，這樣的生產(chǎn)非常不穩(wěn)定，良率與一致性都很難控制！精確控制氧化速度讓每個(gè)VCSEL芯片的諧振腔體積可以有良好的一致性，沒有過氧化或少氧化的問題，這樣在做陣列VCSEL模組的時(shí)候才會(huì)有精確的光電特性。即時(shí)監(jiān)控氧化面積是最好的方法，如圖6所示，法國(guó)的AET Technology公司設(shè)計(jì)了一臺(tái)可以利用砷化鋁（AlAs）氧化成氧化鋁（AlOx）之后材料折射率改變的反射光譜變化精確監(jiān)控氧化面積，這種精密控制氧化速率的設(shè)備，可以省去過去工程師用試錯(cuò)修正來調(diào)試參數(shù)，對(duì)大量穩(wěn)定生產(chǎn)VCSEL芯片提供了最好的工具。
　　

　　圖6 法國(guó)AET科技公司推出的VCSEL即時(shí)監(jiān)控的氧化制程設(shè)備，讓VCSEL量產(chǎn)更穩(wěn)定

　　關(guān)鍵技術(shù)三：保護(hù)絕緣工藝

　　跟LED一樣，最后只能保留焊線電極上沒有絕緣保護(hù)層在上面，由于激光二極管的功率密度更大，所以VCSEL更需要這樣的保護(hù)層，更重要的是為了不讓氧化工藝的AlAs層繼續(xù)向內(nèi)氧化影響諧振腔體積，造成激光特性突變，保護(hù)層的膜層質(zhì)量非常重要，尤其是側(cè)面覆蓋的致密性更為重要，過去都是用等離子加強(qiáng)氣相化學(xué)沉積機(jī)PECVD來鍍這層膜，但是為了要保持致密性需要較厚的膜層，但是膜層太厚會(huì)造成應(yīng)力過大影響器件可靠度！于是原子層沉積ALD技術(shù)開始取代PECVD成為最好的鍍膜工藝，如圖7所示，ALD可以沉積跟VCSEL氧化層特性接近的氧化鋁（Al2O3）薄膜，而且側(cè)面鍍膜均勻，致密性高，最重要的是厚度很薄就可以完全絕緣保護(hù)芯片，除了VCSEL工藝以外，LED的倒裝芯片flip chip與IC的Fin-FET工藝都需要這樣的膜層，跟氧化技術(shù)一樣，國(guó)內(nèi)還無法提供這樣的設(shè)備，目前芬蘭的Picosun派克森公司與Apply Material美國(guó)應(yīng)用材料公司提供這樣的設(shè)備與工藝。

　　