你不可不知關于VCSEL的幾個基本原理

發布日期：2017-10-09 作者：admin 點擊：

在介紹VCSEL技術之前，這幾個基本原理與名詞你不可不知，知道了這些基本知識，關于VCSEL的技術原理就非常簡單了。

光的反射折射與折射率：

我們小時候都有做過光的反射與折射實驗，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，原因是光在介質的速度變慢了，介質的折射率大小，與光在介質中的速度成反比，光在介質中的速度(v)愈大，則介質的折射率(n)愈小；光在介質中的速度(v)愈小，則介質的折射率(n)愈大。
實驗證實光在介質中的速度(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：

沿著光前進的方向上設計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光波長厚度（λ/4n, λ是純光波長，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)…的周期性結構，如圖二(a)所示，稱為「DBR光柵(Grating)」。光波在光柵中前進的時候，遇到折射率大的介質時，光的速度變慢；遇到折射率小的介質時，光的速度變快，光波在不同折射率之間的接口都會發生反射與折射，科學家經過復雜的光學計算發現，DBR光柵可以使「不純的入射光(波長范圍較大)」變成「較純的反射光或穿透光(波長范圍較小)」，如圖一(b)所示，換句話說，DBR光柵的主要功能就是「使光變純(波長范圍變小)與控制光的反射與穿透比率」，激光二極管(LD)的光很純，發光二極管(LED)的光不純，顯然激光二極管內一定有DBR光柵的結構，當然LED為了增加亮度，也有在研磨拋光藍寶石背面之后鍍上DBR反射層，可以增加2~3%的亮度。

圖一分布布拉格反射鏡DRR原理示意圖
>>激光的諧振效應(Resonance)：

激光的發光區就是它的「諧振腔(Cavity)」，諧振腔其實可以使用一對鏡子組成，如圖二所示，使光束在左右兩片鏡子之間來回反射，不停地通過發光區吸收光能，最后產生諧振效應，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。

>>激光二極管的電激發光(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，對著芯片施加電壓，當芯片吸收電能產生「能量激發(Pumping)」，則會發出某一種波長(顏色)的光。發射出來的光經由左右兩個反射鏡來回反射產生「諧振放大(Resonance)」，由于右方的反射鏡設計可以穿透一部分的光，所以高能量的激光光束就會由右方穿透射出，如圖二所示。

圖三激光二級管發射激光的原理示意圖

VCSEL制程到底難嗎？

除了上面的基本知識，這些與LED技術相似的制程術語你也必須知道，我在此不再多解釋，他們是MOCVD（有機氣相外延沉積）與MBE（分子束外延）外延技術，光刻技術決定芯片圖形與尺寸，ICP-RIE（電感耦合反應離子刻蝕）技術刻蝕出發光平臺（Mesa），氧化制程讓諧振腔定義出最佳的VCSEL光電特性，鈍化絕緣制程讓暴露的半導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，再進行測試與出貨給封裝廠，由于結構上跟紅黃LED芯片類似，是上下電極垂直結構，所以一般是先測試芯片特性再進行切割與最后分選。圖三就是VCSEL的芯片與封裝示意圖，做LED的人有沒有似曾相識的感覺呢？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（車用市場）里面需要用到倒裝flip chip的陣列封裝。

圖三 VCSEL的芯片與封裝示意圖

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