半导体应用

u-PLM-EX_检测VCSELDBR光学特性之核心关键

DBR 结构是VCSEL最重要的一道制程,DBR的设计、制作好坏,深深地影响VCSEL的表现。Enli Tech u-PLM-EX 采用非破坏的光学检测方式来精准的检测、分析DBR磊晶结构,相关的分析功能完整,协助用户快速掌握VCSEL的开发关键。

Enli Tech u-PLM-EX

VCSEL垂直共振腔面射雷射

垂直共振腔面射雷射Vertical-cavity surface-emitting lasers, VCSELs)1980年代后期发表以来,近期因为苹果iPhone X 使用3D立体影像感测技术作为人脸辨识,再度让VCSEL引起话题,成为产业趋势新焦点。

VCSEL属雷射二极体的一种,其最主要的特色,是由晶粒表面垂直激发出光束,如图1所示,主要特征是利用上、下两个DBR (Distributed bragg reflector) 镜面去形成雷射共振腔。相较于传统的边射型雷射(Edge Emitting Laser)最大不同的是VCSEL省略掉边射型雷射需要用劈裂或干式蚀刻法制作雷射镜面的之复杂制程。因此VCSEL具备以下优点

-  体积更小,雷射光束呈现圆锥形,精细聚焦不易发散,易与光纤耦合
-  具有快速调变功能,利于高速光纤网路传输
-  元件制程技术与Si IC制程类似,适于量产晶粒
-  在元件尚未切割及封装前,整个晶片可用Wafer-level testing作每个晶粒特性检测,减低大量生产成本
-  可做成1D2D雷射阵列,利于串接或并列式光纤传输
-  共振腔长度极短,低临限电流、低功率耗损、元件寿命长
-  高输出效率,单一雷射波长输出,直流电操作可达数个Mw
-  波长可从628 nm1.55µ频宽可达16 GHz

综合以上优点VCSEL元件利于大量生产及低成本制程,其被应用领域相当广泛,最常见的应用为:
1. 光纤通讯网路与光数据链路传输:
体积小、低发散的圆形雷射光束,在光纤耦合时对准容易且光耦合效率高,可节省许多光纤对准封装成本。特别是其封装方式与传统利用LED作为光源的数据链路传输模组完全相容,无需修改装配线装置,且在传输上可进行短距离大量的资讯传输10 Gbps Ethernet),大幅传输性能与速率。
2. 雷射滑鼠
VCSEL属于高指向性的同调光源(Coherent light)相较于目前市场上常见的LED光源滑鼠,雷射光源能够直接反射出表面结构,无需利用阴影辨识,大幅提高灵敏度及反应速度,可在平面和玻璃接口、半透明塑胶、光滑木纹等表面上使用。此外,低耗电、高解析度等优势,目前已有许多厂商锁定电玩市场及其他特殊高效能应用市场,推出高阶无线/有线滑鼠,未来将逐渐取代LED光学滑鼠。
3. 雷射列印:
传统雷射列印技术,利用单一雷射配合旋转射镜扫描列印,列印速度较慢;而利用VCSEL可同时二为维列印,大幅加速列印时间。
4. 远距离安全监视系统及夜间照明:
相较于市面上IR-LED监控系统850 nm VCSEL兼具远距、低耗电、高亮度单色光、圆形集中的雷射光束之特点;加上VCSEL可消除光斑(Speckle)可搭配透镜控制发光角度之特色,提供高解析度画质,可应用于车用夜视照明、远距离安全间视系统之照明光源。
5. 光电领域:
光储存设备主要为CD-ROMDVD780 nm650 nmVCSEL可分别应用在CD-RDVD光碟机,简化光学读取头的光学设计,可节省产制成本;而低波长的650 nm可用在条码描器上。
6. 3D影像显示与感应应用
扩增实境AR:Augmented Reality)、虚拟实境VR:Virture Reality)手势辨识GR:Gesture Recognition等等
Structure diagram of VCSEL
1. VCSEL结构示意图

DBR 分布式布拉格反射镜

VCSEL的共振腔,是透过布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector, DBR)结构所产生DBR结构是由两种不同折射率的材料交替排列组成的周期结构,每层材料的光学厚度为中心反射波长的1/4如图2所示。因此DBR可产生周期性折射率变化,此周期性折射率变化可以针对特定波长,提供高达99 %以上的反射率。为了平衡在VCSEL中增益区域的短轴长,高反射率的透镜是必备的元件。

structure of DBR

▲图2. DBR结构示意图


一般而言VCSEL的上下透镜会分别镀上p型和n型材料,形成一个接面二极体。在更复杂的结构中,p型和n型区域可以嵌入透镜之间,让较复杂的半导体在反应区里加工连接电路,并除去DBR结构中电子能量的耗损。因此,检查VCSELDBR光学特性是非常重要的。

如何检测DBR的光学特性?

为了检查DBR的光学特性Enli Tech使用干涉仪系统来分析DBR的反射率。一般来说,使用宽带光源来照射样品并测量反射光谱。在谐振器结构的基础上,每层DBR的反射率将被视为干涉图案,如图3所示。

Principle of DBR maeasurement

▲图3. DBR量测原理

研究人员可根据测量结果,透过条纹数、中心带高度、中心带宽度和F-P倾角等数据,对照原始设计项目。此外,它可以与图谱扫描仪集成以进一步在制造过程中执行质量控制。

u-PLM-EX 特色

1. 高速扫描:
Enli Tech独家开发的演算法,实现高速高解析进行光谱扫描和DBR扫描。一般来说1 mm解析度扫描4英寸晶圆,能在5分钟内完成。
2. 全光谱量测范围:350 nm-2500 nm
为了能精确量测DBR的反射率,必须同时具备高稳定的宽带光源,以及用于光谱测量高性能集光的扫描仪器。Enli Tech u-PLM-EX 系统,配备寿命长达10000小时)以上的卤素灯,其光谱范围从350 nm~2500 nm探测器部分,可根据客户需求,配备可见光或近红外阵列传感器。
3. User-friendly 光谱分析软体
为了能让研究者快速分析样品结果,Enli Tech 开发出光谱分析软体,可提供研究者分析以下项目FWHM, Peak lambda, Peak intensity, SB height, SB center, SB width, F-P dip可帮助研究者、工程师快速找出缺陷并验证其设计中的参数。


参考资料:

1. Application Note AN-2137 FINISAR
2. Emanuel P. Haglund et al., “Hybrid vertical-cavity laser integration on silicon”, SPIE (2017)