通常，與邊射型雷射(EEL)和發光二極管(LED)之類的替代產品相比，VCSEL的優勢在於成本低、光學效率高，以及體積小。VCSEL的優勢還包括在溫度範圍內的波長穩定性，並且可以定向集中以使輸出的效率最高。由於VCSEL是頂部發光(與LED一樣)，因此可以在晶圓上對其進行測試、也可以將其與更簡單的光學器件集成並作為晶片安裝在印刷電路板上，或者與雷射、驅動和控制邏輯在同一封裝內集成。其功率輸出雖然小於EEL，但可以通過創建單個VCSEL的陣列而擴充輸出。
手機/汽車應用推動VCSEL需求
現在，許多不同品牌的高階智慧型手機，例如蘋果(Apple)，三星，華為，小米和OPPO，都將VCSEL集成於3D傳感應用，用於在正面(屏幕一側)以及/或者面向外界的傳感器之中。此類移動式和消費類應用是VCSEL批量生產的最大驅動力，而汽車和工業市場的需求雖小但也在不斷增長。市場研究人員預測，未來五年，全球VCSEL市場的複合年增長率將為17%至31%。
目前推動大量研究和產品開發的另一項應用是將VCSEL用於光學雷達(LiDAR)技術中，該技術監測相對距離和移動，對於自動駕駛汽車的開發至關重要。LiDAR的工作原理與雷達類似，但是通過發送脈衝光而不是無線電波並來接收周圍的物體的反光。通過反射脈衝回到LiDAR傳感器的時間可以計算出物體的相對距離。與雷達的無線電波波長(~1mm)相比，紫外/可見/紅外光的波長更短(100nm-100~m)，就可以檢測更小的物體並獲取更清晰的圖像。
VCSEL在短距離應用中效果很好，例如手機中的人臉識別或汽車中的駕駛員注意力監控。但是，由於VCSEL的輸出功率低於其他IR光源，因此在自動駕駛所需的更長距離的感測中會面臨挑戰。當以較高功率和較低波長的VCSEL進行長距離感測時，也存在着對其在人眼安全方面的擔憂。人眼安全是牽涉諸如功率、發散角、脈衝持續時間、曝光方向和波長等多種因素的複雜組合。通過使用短脈沖調整VCSEL的波長，並優化光學感測，可以實現使用低功耗VCSEL陣列(圖1)的人眼安全的遠距離感測。
電漿蝕刻為VCSEL關鍵晶圓製程
VCSEL是藉由分子束磊晶技術(MBE)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)製程，在基板上沉積出複雜多層結構而成。磊晶層包括產生光子的有源層，該有源層夾在兩個分佈式布拉格鏡面層(DBR)之間，該反射鏡的鏡面將光多次來回反射通過有源區域，以放大信號。每個DBR由多個磊晶反射鏡對(通常超過20對)組成，其中透過每個磊晶層的折射率和厚度的定制，可以引起光建設性干涉，從而產生所需的光波波長。
在製造VCSEL時，可透過創建光圈將電流限制在有源層的微小區域內，這可以通過對某些磊晶層進行選擇性離子佈植或氧化來實現。例如，在基於GaAs的VCSEL的情況下，AlGaAs層被部分氧化會造成光圈周圍形成非導電區域。電流集中會降低產生雷射發射的閾值電流並控制光束寬度。
交感耦合電漿(ICP)用於蝕刻形成VCSEL的垂直或錐形檯面結構。新一代VCSEL的關鍵要求是平滑蝕刻(圖2)，沒有側壁損壞或任何層優先被蝕刻。不均勻的側壁會導致VCSEL側面的光損耗。使用濕蝕刻很難獲得最佳的平滑輪廓，因為濕蝕刻本質上是等向性的蝕刻，可能會導致在磊晶層中產生缺口。ICP乾式蝕刻是更具方向性的，可以進行定制以產生更平滑的輪廓。蝕刻深度的精確控制對於VCSEL性能至關重要，在批量生產應用中，使用通過雷射干涉儀或直讀光譜儀(OES)進行條紋計數即可實現精確的終點檢測。
VCSEL製造商使用電漿體增強化學氣相沉積(PECVD)來沉積最高質量的氮化矽層。最關鍵的應用是抗反射塗層，該塗層可通過腔體來最大化光輸出以來提高雷射性能。這裡，要求厚度和折射率的不均勻性盡可能達到最小。氮化矽還用於提供應力補償層，以最大程度地減少薄基板、鈍化層和硬掩模層的彎曲和翹曲性。
物理氣相沉積(PVD)技術用於沉積TiW/Au晶種層和Au，作為觸點以從器件正面提供電流或幫助散熱。也可以沉積具有定制應力特性的PVD層以補償晶圓應力，否則一旦晶圓變薄並從載體上剝離下來，就會產生晶圓翹曲。
自2016年下半年以來，半導體製造商對SPTS所提供的VCSEL晶圓處理技術需求激增。生產廠商之所以選擇SPTS的Omega蝕刻、Delta PECVD和Sigma PVD解決方案，是因為它們具有精確的製程能力、豐富的製程資料庫，以及SPTS多年為客戶提供的相關技術和產品(如GaAs RF器件和LED)的批量生產的經驗。
(本文作者任職於KLA旗下的SPTS)
