近年AI技術(shù)迎來(lái)爆發(fā)，產(chǎn)生了對(duì)數(shù)據(jù)帶寬大幅增長(zhǎng)的需求，因此研發(fā)可滿足高容量、低延遲數(shù)據(jù)傳輸需求的VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔面發(fā)射激光器）也成為了光互聯(lián)、光數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的重點(diǎn)。而作為VCSEL激光器的常用襯底材料，砷化鎵襯底的市場(chǎng)規(guī)模也將隨著逐步擴(kuò)大，根據(jù) Yole 測(cè)算，預(yù)計(jì)到 2025 年全球折二英寸砷化鎵襯底市場(chǎng)銷量將超過(guò) 3,500 萬(wàn)片。

何為VCSEL激光芯片？

半導(dǎo)體激光芯片根據(jù)諧振腔制造工藝的不同分為邊發(fā)射激光芯片 （EEL，Edge Emitting Lasers）和面發(fā)射激光芯片（VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser）兩種。與沿平行于襯底表面發(fā)射激光的EEL芯片不同，VCSEL芯片是在芯片的上下兩面鍍光學(xué)膜（布拉格反射鏡），形成諧振腔，由于光學(xué)諧振腔與襯底垂直，能夠?qū)崿F(xiàn)垂直于芯片表面發(fā)射激光，且激光光斑呈對(duì)稱圓形、發(fā)散角小、散度小，有著光束質(zhì)量高、低閾值電流、穩(wěn)定單波長(zhǎng)工作、可高頻調(diào)制、容易二維集成、沒(méi)有腔面閾值損傷、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于500米以內(nèi)的短距離傳輸，如數(shù)據(jù)中心機(jī)柜內(nèi)部傳輸、消費(fèi)電子領(lǐng)域（3D感應(yīng)面部識(shí)別）等。

EEL與VCSEL芯片對(duì)比

為什么需要使用砷化鎵襯底？

在VCSEL陣列中，為了減少發(fā)射單元之間的高頻串?dāng)_，要求相鄰單元之間具有很高的電阻，以實(shí)現(xiàn)單元之間的電隔離，因此VCSEL陣列必須生長(zhǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)以上的半絕緣高阻材料，同時(shí)砷化鎵材料作為第二代半導(dǎo)體材料的代表，用作VCSEL的襯底材料，還具有以下幾個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)：

1、高效：砷化鎵是一種直接帶隙半導(dǎo)體材料，這意味著當(dāng)電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶躍遷時(shí)可以直接釋放光子，從而實(shí)現(xiàn)高效的光發(fā)射。

2、可靠：砷化鎵與構(gòu)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(xué)穩(wěn)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(guò)程中，可以通過(guò)分子束外延生長(zhǎng)多個(gè)周期的AlGaAs/GaAs層堆疊在一起的DBR（分布反射型）結(jié)構(gòu)。

3、波長(zhǎng)范圍寬：砷化鎵擁有1.43eV的禁帶寬度，可以提供較寬的波長(zhǎng)范圍，尤其對(duì)于特定的工作波長(zhǎng)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(chǎn)生這些波段的光，適用于許多實(shí)際應(yīng)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(chǎng)合。

砷化鎵基VCSEL在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用

VCSEL 具有效率高、光束質(zhì)量好、精度高、功耗低、小型化、高可靠、調(diào)制速率快、可大量生產(chǎn)、制造成本低等優(yōu)勢(shì)，是激光雷達(dá)和 3D 傳感等模組的核心部件，在智能家居、車載應(yīng)用、AR游戲等新興市場(chǎng)中發(fā)光發(fā)熱

1、雷達(dá)系統(tǒng)

VCSEL激光雷達(dá)是一種通過(guò)發(fā)射與接收激光束，分析激光遇到目標(biāo)對(duì)象后折返的時(shí)間差或相位差而實(shí)現(xiàn)測(cè)距的雷達(dá)系統(tǒng)，具有高精度、高速率、廣角度等優(yōu)勢(shì)。隨著人工智能的發(fā)展，這種類型的雷達(dá)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車、機(jī)器人導(dǎo)航、智能家居以及工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)的環(huán)境感知能力，幫助機(jī)器理解周圍環(huán)境并做出相應(yīng)的決策。比如目前已經(jīng)有許多智能掃地機(jī)器人采用了VCSEL激光雷達(dá)，從而得以更精確的規(guī)劃路線。

圖源網(wǎng)絡(luò)

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(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備中的人臉識(shí)別功能。VCSEL可以提供高精度的紅外光源，用于生成點(diǎn)陣投影或散斑圖案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶面部特征的精確捕捉和識(shí)別。比如2017年，iPhone X上首次搭載結(jié)構(gòu)光人臉識(shí)別模塊，其中的點(diǎn)陣激光光源就采用了VCSEL。除此之外，這種技術(shù)還被廣泛應(yīng)用于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備中，為用戶提供更加沉浸式的體驗(yàn)。

3、數(shù)據(jù)中心短距離高速傳輸

在數(shù)據(jù)通訊領(lǐng)域，VCSEL因其低功耗、高調(diào)制速率等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用，特別是在850nm波段數(shù)據(jù)傳輸、短距離的數(shù)據(jù)中心內(nèi)部連接和高速網(wǎng)絡(luò)接口卡（NICs）中，VCSEL發(fā)揮了重要作用。

參考文獻(xiàn)：

1、華創(chuàng)高峰，2023年華創(chuàng)高峰《Vcsel芯片白皮書(shū)》

2、 ACT激光聚匯，到2028年VCSEL市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)45億美元

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