近年AI技術迎來爆發，產生了對數據帶寬大幅增長的需求，因此研發可滿足高容量、低延遲數據傳輸需求的VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔面發射激光器）也成為了光互聯、光數據網絡應用中的重點。而作為VCSEL激光器的常用襯底材料，砷化鎵襯底的市場規模也將隨著逐步擴大，根據 Yole 測算，預計到 2025 年全球折二英寸砷化鎵襯底市場銷量將超過 3,500 萬片。

何為VCSEL激光芯片？

半導體激光芯片根據諧振腔制造工藝的不同分為邊發射激光芯片 （EEL，Edge Emitting Lasers）和面發射激光芯片（VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser）兩種。與沿平行于襯底表面發射激光的EEL芯片不同，VCSEL芯片是在芯片的上下兩面鍍光學膜（布拉格反射鏡），形成諧振腔，由于光學諧振腔與襯底垂直，能夠實現垂直于芯片表面發射激光，且激光光斑呈對稱圓形、發散角小、散度小，有著光束質量高、低閾值電流、穩定單波長工作、可高頻調制、容易二維集成、沒有腔面閾值損傷、制造成本低等優點，主要應用于500米以內的短距離傳輸，如數據中心機柜內部傳輸、消費電子領域（3D感應面部識別）等。

EEL與VCSEL芯片對比

為什么需要使用砷化鎵襯底？

在VCSEL陣列中，為了減少發射單元之間的高頻串擾，要求相鄰單元之間具有很高的電阻，以實現單元之間的電隔離，因此VCSEL陣列必須生長在高電阻率襯底上，而砷化鎵可以制成電阻率比硅、鍺高3個數量級以上的半絕緣高阻材料，同時砷化鎵材料作為第二代半導體材料的代表，用作VCSEL的襯底材料，還具有以下幾個關鍵的優勢：

1、高效：砷化鎵是一種直接帶隙半導體材料，這意味著當電子從價帶到導帶躍遷時可以直接釋放光子，從而實現高效的光發射。

2、可靠：砷化鎵與構成VCSEL其他部分的材料（如AlGaAs等）具有良好的晶格匹配性和化學穩定性，有助于減少缺陷密度，提高器件的性能和可靠性。例如，在制造過程中，可以通過分子束外延生長多個周期的AlGaAs/GaAs層堆疊在一起的DBR（分布反射型）結構。

3、波長范圍寬：砷化鎵擁有1.43eV的禁帶寬度，可以提供較寬的波長范圍，尤其對于特定的工作波長范圍（例如800nm附近），砷化鎵及其合金是理想的選擇。它們可以有效地產生這些波段的光，適用于許多實際應用，如3D傳感、光通信等。

4、高速高頻：砷化鎵具有較高的電子遷移率，且擊穿電壓可以承受20V，可以用在高于250GHz的場合。

砷化鎵基VCSEL在人工智能領域的應用

VCSEL 具有效率高、光束質量好、精度高、功耗低、小型化、高可靠、調制速率快、可大量生產、制造成本低等優勢，是激光雷達和 3D 傳感等模組的核心部件，在智能家居、車載應用、AR游戲等新興市場中發光發熱

1、雷達系統

VCSEL激光雷達是一種通過發射與接收激光束，分析激光遇到目標對象后折返的時間差或相位差而實現測距的雷達系統，具有高精度、高速率、廣角度等優勢。隨著人工智能的發展，這種類型的雷達廣泛應用于自動駕駛汽車、機器人導航、智能家居以及工業自動化等領域，為系統提供實時的環境感知能力，幫助機器理解周圍環境并做出相應的決策。比如目前已經有許多智能掃地機器人采用了VCSEL激光雷達，從而得以更精確的規劃路線。

圖源網絡

2、3D傳感

VCSEL在3D傳感中扮演著核心角色，尤其是在智能手機和其他移動設備中的人臉識別功能。VCSEL可以提供高精度的紅外光源，用于生成點陣投影或散斑圖案，進而實現對用戶面部特征的精確捕捉和識別。比如2017年，iPhone X上首次搭載結構光人臉識別模塊，其中的點陣激光光源就采用了VCSEL。除此之外，這種技術還被廣泛應用于增強現實（AR）和虛擬現實（VR）設備中，為用戶提供更加沉浸式的體驗。

3、數據中心短距離高速傳輸

在數據通訊領域，VCSEL因其低功耗、高調制速率等優點而被廣泛采用，特別是在850nm波段數據傳輸、短距離的數據中心內部連接和高速網絡接口卡（NICs）中，VCSEL發揮了重要作用。

參考文獻：

1、華創高峰，2023年華創高峰《Vcsel芯片白皮書》

2、 ACT激光聚匯，到2028年VCSEL市場規模將達45億美元

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