VCSEL

艾邁斯半導體(ams)和德國的汽車LiDAR感測技術及相關軟體技術商Ibeo Automotive Systems GmbH確認，ams的垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)技術將作為Ibeo新開發的固態LiDAR解決方案ibeoNEXT的核心組件。Ibeo的LiDAR系統將會用於長城汽車自駕車的Level-3自動駕駛。 憑藉20年的汽車產業(包括ISO 26262)以及在3D消費性電子產品領域的經驗，ams在VCSEL技術方面處於良好地位。ams VCSEL陣列具有較佳的功率密度，轉換效率和間距。Ams的研發團隊提供整合功能安全標準和人眼安全功能的諸多強化功能，進而形成了高度可靠的技術。特殊設計的VCSEL製造技術在布局設計方面具有較大的靈活性，例如畫素數量，畫素尺寸和間距以及特定可修飾圖樣等。此外，ams具有共同開發發射器，電流驅動器和光學元件所需的能力。 該公司的大功率VCSEL可在掃描和flash應用中展現優勢，因為它們對單一發射器故障不那麼敏感，在溫度範圍內更穩定，並且更易於整合。 Ibeo的旗艦產品ibeoNEXT將用於長城汽車，使高速公路駕駛能夠在進行Level-3的半自動駕駛。ibeoNEXT進一步提高了公司在LiDAR感測器方面的技術領先地位。ibeoNEXT固態LiDAR提供較大偵測範圍，較高解析度和較大垂直角度。藉由結合Ibeo在軟體和技術方面的專業知識，Ibeo的固態LiDAR感測器是全自動駕駛發展的一個重要里程碑。

半導體製造商羅姆(ROHM)研發出全新VCSEL模組技術，透過雷射光源中VCSEL的輸出功率的提升，實現了空間識別和測距系統(TOF系統)的高精度化。 傳統採用VCSEL的雷射光源中，作為光源的VCSEL產品和用來驅動光源的MOSFET產品在電路板上皆是個別安裝的。在這種情況下，產品之間的布線長度(寄生電感)會影響到光源的驅動時間和輸出功率，因此將為高精度感測所需的短脈衝大功率光源帶來了局限性。 本次，ROHM將新VCSEL元件和MOSFET元件集中於單一模組封裝中，縮短元件間布線長度，可充分發揮各元件的性能，若使用不易受到陽光等外部干擾的光源短脈衝(10nS以內)來驅動，輸出功率也比傳統產品提升約30%。 事實上在評估時發現，採用由雷射光源(VCSEL模組)、TOF感測器(圖像感測器等感光感測器)、控制IC等，所組成的空間識別測距系統的VCSEL模組，對TOF感測器的反射光量比傳統產品增加了約30%，這將有助於提高TOF系統精度。 該VCSEL模組適用於需要高精度感測的行動裝置人臉識別系統，以及工控裝置 無人搬運車(AGV)等領域，產品預計於2021年3月之前推出。另外ROHM也正在進行高輸出雷射技術的研發，以滿足車電用LiDAR等市場需求。 近年來，在智慧手機的人臉識別系統和平板電腦的空間識別系統中，已開始將VCSEL作為雷射光源來使用，使其應用迅速普及。包括工控領域AGV和透過手勢、形狀識別的檢查系統應用也越來越普遍，預計未來VCSEL的需求將會大幅增加。 其中，在自動化相關應用中，需要光源可達成短脈衝驅動及更高輸出功率，以更進一步提升感測的精度。 ROHM為了提升量產中VCSEL產品的輸出功率，研發出全新VCSEL模組技術。同時透過短脈衝驅動和高輸出功率，進一步提升空間識別和測距系統精度。

雷射二極體和VCSEL的基礎測試是光電流電壓(LIV)曲線測試，此測試同時亦會量測裝置的電和光的輸出功率特性(圖1)。這項測試主要用來在裝置進入組裝前分揀或剔除不良裝置。DUT要進行電流掃描，同時記錄掃描中每一步的前向電壓下降。同時，儀器會監測光功率輸出，然後分析得到的資料，確定雷射特點，包括雷射臨界值電流、量子效率和「轉折點」偵測(第一個衍生光功率輸出與注入電流曲線中的局部化負斜率)。 圖1　LIV曲線 LIV測試首重熱量管理/熱效應 脈衝式LIV測試最好在生產早期完成，也就是在將VCSEL組裝到模組中之前。對仍位於晶圓上的VCSEL、雷射二極體及脈衝式測試至關重要，因為裝置在這個時候沒有溫控電路。使用直流測試可能會改變其特點，甚至在最壞情況下會破壞裝置。在之後的生產階段，當其組裝到具有溫控的模組中時，裝置可以進行直流測試，然後將測試結果與脈衝式測試結果進行對比。由於溫度位移導致裝置特點變化，某些裝置會通過直流測試，但卻無法通過脈衝式測試。 VCSEL特別適合用於切片前晶圓階段測試，因為其輻射與晶圓平面垂直的光能量。儘管許多VCSEL可在非脈衝模式下測試，因為其效率很高，但功率較高的裝置要求在生產早期階段進行脈衝式測試，這可避免產生高熱顆粒，如果執行非脈衝式直流測試，高熱顆粒會引起機械壓力。 LIV特性與雷射溫度相關，在測試過程中必須緊密控制雷射溫度，就像正常操作中一樣。為什麼要執行低工作週期脈衝式LIV測試？主要原因有熱量管理、熱回應和暫態回應。一般而言，這些問題的出現，是因為必須在安裝到熱量管理裝置之前，如散熱器或熱電冷卻器(TEC)，有時稱為帕爾帖裝置，針對雷射二極體和VCSEL執行直流測試。 在雷射二極體或VCSEL正確安裝在TEC，並在模組系統或封裝中執行時，其溫度可以保持在±0.005℃範圍內。在典型沒有冷卻的非脈衝式LIV測試中，自熱會影響雷射的電和光效能。內部溫度位移會改變前向電壓下跌、動態電阻、量子效率和其他特點。在較短持續時間的脈衝中，雷射二極體的平均功耗產生的熱效應最小。 然而本文發現，脈衝式LIV效能差的VCSEL或雷射二極體可能會通過非脈衝式測試。這些有問題的裝置通常會在光纖資料通訊系統使用的雷射二極體模組中導致高誤碼率，或在以VCSEL為基礎的車用LiDAR系統中導致偵測問題。 另一類問題是脈衝式LIV特性很好，但卻無法通過非脈衝式測試。一般而言，這些裝置會在雷射啟動後幾微秒內在光學上變得不穩定，同時伴隨著光輸出下跌到預計光功率的幾分之一。因此，在適當的生產階段比較脈衝式LIV掃描與非脈衝式LIV掃描，可以更完整指示DUT效能及模組和封裝中，內建的熱量管理裝置效果。 LIV測試電流脈衝特性剖析 測試雷射二極體或VCSEL要求正確形狀的電流脈衝，應相當迅速達到全部電流(但不要過快而導致過衝和振鈴)，然後要保持平坦足夠的時間，確保結果準確顯示雷射二極體的真實輸出。脈衝式LIV測試中的第一個挑戰，是提供擁有適當的振幅、持續時間、工作週期及上升時間和下降時間的恆定電流脈衝，如圖2所示。 圖2　10A，10μs電流脈衝，1.7μs上升時間 為最佳化轉折點偵測，LIV掃描中相鄰電流階躍之間的脈衝特點差異必須盡可能確定，如圖3所示。 圖3　VCSEL上1A/2.5A/5A/7.5A和10A處振幅掃描 傳送電流脈衝有兩種常用方法：將脈衝式恆定電流源直接耦合到雷射二極體，以及使用驅動已知電阻的脈衝式恆定電壓源。在這兩種方式中，脈衝式電流源的穩定性更好。 脈衝式LIV測試的最大源訊號振幅一般會超過雷射二極體或VCSEL一般工作電流的兩倍。對早期測試，通常使用500ns~50μs的脈衝寬度，工作週期一般會≦3%。電流可以在數十毫安培到數安培。此測試條件是因為要盡可能降低平均功耗，同時縮短測試持續時間。這可能會對系統提出很高的需要，特別是在阻抗匹配方面。 高電流脈衝的上升時間和下降時間應足夠短，以保證電流脈衝頂部的平坦時間。上升時間和下降時間之和應小於總脈寬的30%，以允許頂部的訊號穩定時間和平坦時間。另一方面，轉換速率要盡可能低，以降低高頻頻譜成分，協助減少脈衝傳輸問題和穩定時間。 脈衝傳送/電纜電感克服震盪 同軸電纜廣泛用於將快速訊號傳送到待測裝置。每條電纜都有自己的特性電纜阻抗，這種特性阻抗同時與電容和電感有關。兩者之間最關鍵的係數是電纜電感，以提供乾淨的10μs脈衝。計算這個電感時需要的變數有中心導體直徑、到外部遮罩層的距離和長度，如圖4所示。同軸電纜的相對磁導率通常為1，這取決於絕緣體的材料。例如在內徑是1mm、外徑是3.5mm、長度為1m，且相對磁導率為1時，可計算出同軸電纜的電感是250nH，這幾乎是同軸電纜電感的典型值。至於非遮罩電纜的電感則要高得多。 圖4　同軸電纜電感 其中Lcoax為同軸電纜的電感，單位為亨利(H)；μ0為真空磁導率，其為4π×10-7；μr為相對磁導率；D為同軸電纜外徑；d為同軸電纜內徑；L為同軸電纜長度。 在大多數情況下，從測試儀器到DUT會並聯兩條同軸電纜，一條連接到高電位端子，而另一條則連接到低電壓端子。問題是，兩條電纜的電感並不是一條電纜電感的兩倍，而是高出3~6倍(視電纜如何從儀器輸送到DUT而定)。例如，1公尺長、250nH電感的電纜，兩條電纜並聯時，電感並不是500nH，而是可能高達1.5μH。這可能會產生額外的環路電感(視兩條電纜相距的距離有多遠)。為消除環路電感，兩條電纜的遮罩層應在電纜兩端捆紮在一起。 電纜中電感帶來的最大挑戰是如何克服電流脈衝中的振盪、過衝和下衝。在電容可能會導致電壓脈衝振盪時，電感會給輸出電流穩定性帶來負面影響。如圖5便說明多個電感負載對100μs脈衝的影響。 圖5　電感器上的1A 100μs脈衝，1μH/3μH/5μH 測試結果指出，在電感提高時，脈衝形狀的過衝和不穩定程度也會提高。不穩定會導致很難進行準確量測，因為脈衝穩定時間可能會太長。 另一個與電纜電感有關的問題是脈衝的上升邊緣和下降邊緣積累的電壓。經過電感器的暫態電壓可以用L×di/dt計算得出，其中L是電感，di/dt是電流相對於時間的變化速率。讀者可能會猜到，上升時間和下降時間越短，邊緣累積的電壓越大。在圖6和圖7中，脈衝中22μs的上升時間會在上升邊緣產生2V的電壓；但1.6μs的上升時間會產生大約10V電壓尖峰。這個電壓尖峰會在邊緣給儀器帶來某些電壓上的負擔。儀器必須支援電壓峰值。如果電壓有限，則上升邊緣可能會很慢。在快速脈衝中，更嚴重的高壓峰值問題是要求額外的穩定時間，才能進行精確的電壓量測。 挑戰在於如何為裝置提供一個可用的電流脈衝，而又不會產生振盪、過衝和下衝，進而能夠正確測試裝置，即使在電纜電感及裝置間電感可變性變化時，仍能進行準確的電壓量測。 圖6　1μH電感器上22μs上升時間，10A脈衝   圖7　1μH電感器上1.6μs上升時間，10A脈衝 光耦合至偵測器條件限制 擷取雷射二極體的脈衝式光輸出並不是一項輕鬆的任務。通常會使用三種偵測器材料：矽(Si)、鍺(Ge)和銦鎵砷化物(InGaAs)。每種材料都有優勢和劣勢。如圖8所示，偵測器的選擇在很大程度上取決於涉及的光的波長。在波長小於800nm時，矽是唯一的選擇。但大部分電信設備的工作波長是1,300nm~1,700nm，在這種情況下，InGaAs似乎是最佳選擇，因為其回應相當一致，而且能夠支援最高約1,700nm的波長。 圖8　偵測器的選擇在很大程度上取決於涉及的光波長 來自雷射二極體的輸出可以透過多種方式耦合到偵測器。其中一種方式是將雷射直接對準偵測器，但這種方式有多種缺點。並不是所有光都能到達偵測器。 對封裝零件而言，通常最佳的解決方案是積分球—內部是一個空心球，外面包著一層反射材料，配有一個偵測器安裝架，有一個埠饋入要量測的光(圖9)。積分球接收來自光源的所有光，隨機化其偏振，將光均勻分布在內部表面。然後透過球體側面安裝的偵測器會「看到」饋入球體的光可量測、可重複的部分(大約1%)。 圖9　積分球解決將儀器耦合到雷射二極體輸出的問題 待量測的光很充足，但不足以讓偵測器超載。不過，在晶圓級測試VCSEL時，積分球並不實用。在正常情況下，晶圓探棒會透過探棒卡在電氣上連接到每個裝置。探棒台還將光偵測器直接放在裝置上方。如果探棒卡能夠同時連接多個裝置，則可構建與圖10所示的類似測試系統，每次在探棒卡接觸晶圓時測試所有裝置。由於晶圓上的裝置數量高，使用掃描方式測試多個裝置可能會耗時很長。對要求高輸送量的應用，最佳解決方案通常是使用多對儀器來並行測試多個裝置。 圖10　雷射二極體模組典型的LIV測試設定。可使用相同儀器測試VCSEL；2601B-PULSE用來為待測裝置提供10A@10V@10μs的電流脈衝，使用數位萬用電表監測光輸出，同時由TEC控制模組溫度 儀器多工設計簡化LIV測試難度 在脈衝LIV測試中，最困難的任務之一，是擷取雷射二極體在峰值時的脈衝式光輸出。光脈衝持續時間短，對大多數商用光功率計而言並非合適的訊號。一般而言，脈衝LIV測試中最困難的任務之一是擷取雷射二極體在峰值時的脈衝式光輸出。光功率計是為要求幾秒積分時間完成一個讀數的高準確度量測而設計。儘管可以使用這些儀器，但其要求很長的積分週期，才能累積數千個雷射脈衝。然後韌體或外部PC的測試程式必須計算峰值光功率，並假設平均功率是驅動雷射的電流脈衝的工作週期的函數。此外，還有一個進一步的假設，即雜訊訊號的積分是零。 由於光功率計存在的缺陷，測試工程師已為脈衝式LIV測試設計出更快速、更準確的測試方法。量測饋送高速脈衝的雷射二極體中的電壓和電流並不容易。 在歷史上，最常用的方法是採用機架安裝的多台儀器，並在PC控制器上執行相當複雜的客製化軟體。除使用PC進行測試定序和訊號分析外，這一系統使用的設備還有電流脈衝產生器/SMU儀器、光量測裝置(光電偵測器等)、熱電冷卻裝置儀器，以及數位萬用電表(用來量測積分球或光電偵測器的輸出訊號)。 這類系統的設計方式是同時包括脈衝式工作模式和非脈衝式工作模式。這種雙重功能可以使用相同的量測通道，在一個平台上執行兩類LIV掃描(脈衝式和直流)，如圖11所示的Keithley 2601B-PULSE System Source Meter 10μs脈衝產生器/SMU儀器，其控制環路系統對3μH以下的負載變化不需要進行調諧，因此在電流高達10A，輸出10μs~500μs的脈衝時，電流脈衝沒有過衝和振鈴。這保證時間快速上升，可以為裝置提供電流脈衝，正確分析裝置或電路特性。透過對比脈衝式測試結果與非脈衝式測試結果，可以得到與DUT效能更完整的資訊。 圖11　Keithley 2601B-PULSE System Source Meter 脈衝產生器結合SMU　改善系統速度/輸送量 效率和低成本是在現今製造生產環境中生存的關鍵因素。測試必須快速、準確、成本低。這意謂著使用光功率計並不是最佳選擇，因為會隨著時間積分光輸出，低工作週期輸入可能會延長積分週期。此外，量測的準確度取決於脈衝工作週期的準確度，以及光輸出工作週期與電輸入工作週期的匹配程度。 對許多儀器而言，PC負責控制測試的所有流程。在測試序列每個要素中，必須為每項測試配置儀器，儀器執行所需的操作，然後將資料返回主控PC。而主控PC必須評估測試通過/未通過指標，執行相應操作來約束待測裝置。發送和執行的每條命令都會占用生產時間，降低輸送量。 顯而易見地，此測試序列中有很大的部分是與PC來回傳送資訊。像2601B-PULSE和Keithley新DMM等儀器提供獨特功能，透過降低通訊匯流排上的業務量，顯著提高複雜測試序列的輸送量。 在這些儀器中，絕大部分的測試序列嵌入在儀器中。Test Script Processor(TSP)是一種全功能測試序列引擎，可以控制測試序列，並擁有內部測試通過/未通過指標、計算和數位I/O控制功能。TSP可以在記憶體中儲存使用者自訂的測試序列，並透過命令執行這些測試序列。這種方式限定測試序列中每一步的「設定」和配置時間，提高了輸送量，因為其減少儀器與PC之間的通訊數量。 本文回顧電纜電感的影響、熱量管理需求以及建立脈衝式和直流LIV測試系統的各種組成部分。 在生產輸送量至關重要時，像2601B-PULSE System Source Meter方案在一台儀器中同時提供脈衝產生器和SMU；這款儀器的脈衝產生器功能提供可靠且可重複的脈衝波形、寬度、上升時間和下降時間(最高可達10A@10V，最低可達10μs)。 而這款儀器提供許多好處，包括不需手動調諧脈衝輸出就可以確保高脈衝完整性，縮短測試時間，節省生產成本；使用一台儀器進行直流/脈衝電流和電壓量測；分析VCSEL的特性，並開發下一代材料、裝置和模組；使裝置自熱狀況達到最小，盡可能降低探棒頭燒毀風險，保護VCSEL、VSCEL陣列及LED；量測低達單位數ms的取樣速率，同時輸出10μs，10A@10V電流脈衝。 (本文作者為太克科技SMU產品行銷經理)

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。 圖1　VCSEL 陣列 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。 圖2　具平滑側壁表面的錐形VCSEL蝕刻 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)    

以整個3D感測的市場發展而言，太克Keithley部門資深技術顧問陳思豪指出，未來幾年無論是臉部辨識或車用光達(LiDAR)，年複合成長率(CAGR)都超過20~30%，VCSEL擁有較低的消耗功率和較好的圓形對稱輸出模態，能夠有高品質的單模輸出光源。在3D感測的應用中，如果要增加檢測距離或是提高解析度，高輸出功率且模態穩定的光源非常重要。 與其他雷射光源相較，VCSEL的穩定性與耐候性都較好，太克Keithley部門資深技術顧問張志豪表示，光源影響系統表現甚鉅，甚至在晶圓階段就需要進行量測，然而每片晶圓上雷射晶粒的數量眾多，無法做到普測，如何透過快速的抽樣測試準確判斷雷射晶粒的品質，以免完成系統設計之後才發現晶粒的發光出現問題，就是現階段的重大挑戰。 太克Keithley部門資深技術顧問陳思豪(左)；太克Keithley部門資深技術顧問張志豪(右) 陳思豪說明，太克的脈波產生器將高電流/高速脈波產生器的功能以及傳統SMU的測量功能和全部功能整合在一台儀器，每個接腳並列測試最多擴充32個TSP連結節點。達到10μs的10A@10V脈波寬度和完整的1MS/s數位化功能提高應用的生產力，範圍從桌上型特性到高度自動化脈波I-V生產測試。可以自動產生10μs電流脈衝，無需手動調整即可進行VCSEL測試。 該脈波產生器的控制迴路系統無需手動調整高達3μH的負載變化，可確保在任何電流量(最高10安培)下輸出10μs至500μs的脈波時，張志豪強調，脈波均不會出現過沖和振盪。由於脈波上升時間<1.7μs，因此可以正確分析受測裝置或電路的特性，其高完整性脈波輸出，無需在任何電流量下調節。

對於在自動駕駛和輔助駕駛等應用中為車輛提供眼睛的光學雷達系統而言，其需要短至數奈秒、甚至更窄的脈衝寬度來實現必要的距離解析度，而這類脈衝通常使用雷射二極體來產生。為了獲得足夠的距離測量範圍，峰值光功率必須要夠高。這意謂著雷射二極體的峰值電流將達到數十安培甚至數百安培。目前要產生這個數量等級的電流，通常需要使用複雜的電路及昂貴的特殊半導體元件。 圖1　典型的光學雷達系統概述   脈衝寬度/能量大幅影響距離解析度及量測範圍 ToF光學雷達通常使用近紅外(NIR)雷射二極體，即側面發射外延雷射器或垂直腔面發射雷射器(VCSEL)來實現。雷射二極體在電氣上的表現與整流器類似，當正向偏置高於某個下限電流時，它會發射出光功率與正向電流成比例的雷射輻射線。因此，如果採用脈衝電流驅動，則可以獲得雷射脈衝。雷射脈衝主要有脈衝寬度和脈衝能量等兩個關鍵選項，其分別對距離解析度和距離量程範圍造成顯著的差異。傳輸中光訊號的脈寬對光學雷達系統的距離分辨率有很大的影響(圖2)，如同圖2的上圖描述從光學雷達發出的窄脈衝光訊號的情況，其中光脈衝必須傳播距離d後，才能到達目標，並被反射向後傳播至光學雷達，側脈衝發送和接收之間的時間td為td=2d/c，其中c是光在空氣中的速度，約30cm/ns。通過傳播時間td，便可以確定目標距離。圖2的下圖描述當發送更大脈寬(足夠大)的脈衝光訊號時，反射的脈衝開始重疊，此時很難區分環境中的特徵。 圖2　脈寬對光學雷達距離解析度的影響(上圖：窄脈衝使反射易於區分。下圖：寬脈衝在反射中可能會重疊，難以區分並降低距離解析度) 假設以脈寬1奈秒的脈衝電流驅動雷射二極體，此時對應脈寬30cm的光脈衝。當目標特徵接近15cm或更小脈寬時，此時接收到的脈衝訊號開始重疊，並變得難以區分。儘管各種訊號處理技術可以提高給定的脈寬的分辨率，但窄脈衝可以提供更好的固有精度，並且在實際上，人類尺度的分辨率大約要求訊號的脈寬為數奈秒或更短。 脈衝能量是確定光學雷達系統測量距離範圍的主要因素之一。對更高解析度的需求使設計朝著更窄脈衝方向發展。此時，必須增大二極體的電流，才能保持足夠的脈衝能量。典型的脈衝電流幅值在數安培到數百安培。多款雷射二極體的額定脈衝電流在數十安培的範圍內，可以在窄脈寬、大電流下運作這些雷射二極體，並獲得較高的峰值光功率。總而言之，光學雷達系統應用對雷射二極體的典型要求導致現有商用雷射二極體的峰值脈衝電流範圍從幾安培到數百安培皆有，且脈寬為1奈秒至10奈秒。 GaN挾高性能/低寄生電感雙優勢成就雷達驅動器 用於光學雷達系統的典型脈衝雷射驅動器通常使用與雷射器和電源串聯的半導體功率開關元件，其性能受寄生電感和半導體功率元件的速度所限制。在過去的十年中，極具成本效益的GaN功率FET和IC已商業化，其寄生電感明顯降低、且開關品質因數(FOM)優於等效Si MOSFET元件10倍以上。 隨著eGaN FET和IC的問世，進而能夠以簡單、小巧的電路、低成本地實現所需性能。若在給定的峰值電流能力下互相比較，eGaN FET的性能大大優於傳統Si MOSFET元件，可實現更快的開關速度，GaN技術則能夠支援短距離和遠距離光學雷達感測器的設計(圖3)。對於遠距離系統而言，GaN元件可在數奈秒內提供高達500A的大電流脈衝；GaN元件還可以為電流要求較低但仍需要窄脈衝(小於1奈秒)的短距離系統提供解決方案。GaN元件的高性能及其晶片級封裝的低寄生電感使eGaN FET成為脈衝雷射驅動器較理想的功率開關元件。 圖3　GaN元件可支援短距離和遠距離光學雷達系統 最簡單也最常見的雷射驅動器方案是共振電容放電驅動器。如圖4所示，FET Q1透過寄生電感L1和雷射器DL使電容C1共振放電。為了消除寄生電感L1帶來的影響並實現所需要的快速電流上升時間，C1需充電至相對較高的電壓(通常為25~150V)，FET Q1必須能夠承受這個電壓和傳導峰值電流並在1奈秒或更短的時間內導通。eGaN FET是目前唯一可以滿足這些要求的現有低成本半導體功率開關元件。 圖4　簡化後的雷射驅動器及其關鍵波形 遠距光學雷達以大電流驅動 EPC9126和EPC9126HC是針對遠距離直接飛行時間(DToF)應用的大電流雷射二極體驅動器的演示系統，它在設計中採用宜普電源(EPC)所推薦的基本最佳布局原理來最小化寄生電感。EPC9126內建通過汽車及認證的eGaN FET EPC2212，該元件可輸出高達75A且脈寬小於2奈秒的電流脈衝到雷射器中。更大電流版本的EPC9126HC則最大可以產生150A的電流脈衝、且脈寬小於3奈秒。 兩款驅動器中都內建針對關鍵波形的感測功能，並且可以相容多種雷射器封裝形式。為了獲得最佳的性能，可以針對特定雷射器優化PCB，例如採用低電感表面貼裝脈衝雷射器OSRAM SPL S1L90A_3 A01，並與德州儀器(TI)高性能閘極驅動器LMG1020配對使用。圖5的EPC9126HC演示系統在應用中產生脈寬2.51奈秒、135A的電流脈衝時所測得的波形。 圖5　EPC9126HC性能測試波形 短距光學雷達優化間接飛行時間 EPC9144雷射驅動器演示系統針對間接飛行時間(IToF)應用進行優化，能夠產生總脈寬窄至1.2奈秒、電流高達28A的脈衝來驅動雷射二極體。EPC9144內建已經接地並通過汽車級認證的eGaN FET EPC2216，同時採用TI的閘極驅動器LMG1020來驅動。PCB設計中最大程度地降低了電源環路電感，同時保持雷射二極體或其他負載的安裝靈活性，板上還包括多個用於電壓測試的被動探頭，並配備用於輸入和檢測的MMCX連接。 此外，該電路板還設置一個能夠進行亞奈秒級運作的窄脈衝發生器，用戶可以透過移除電阻直接為閘極驅動器供電。電路板出廠時設定的工作邏輯電平為3.3V，同時也配置電平邏輯轉換器和差分接收器以適應1.8V邏輯電平或低壓差分訊號(LVDS)等不同應用情景。圖6為EPC9144演示系統以及其在應用中產生脈寬1.2奈秒、8.3A的電流脈衝時所測得的性能曲線。 圖6　EPC9144性能測試波形 車規級認證產品為雷達應用範圍 針對車規級光學雷達應用系統，EPC已發布多款通過AEC-Q101認證的產品，其中包括額定電壓80V且脈衝電流能力75A的EPC2202、額定電壓100V且脈衝電流能力75A的EPC2212、額定電壓80V且脈衝電流能力17A的EPC2203，以及額定電壓15V且脈衝電流能力28A的EPC2216，並有多款針對光學雷達應用的電晶體及IC正在進行汽車級認證。 GaN為雷射驅動器性能突破關鍵 GaN功率電晶體與IC的卓越性能，使雷射驅動器的性能得到突破性的發展。在幾平方毫米的面積上產生數奈秒脈寬的大電流脈衝，進而提供數百W功率的能力，成為製造低成本、高性能的光學雷達系統的關鍵因素之一。因此GaN功率元件進一步擴展光學雷達應用的領域，並且提高至關重要的精確度，其應用領域主要包括自動駕駛車輛及人臉識別、倉庫自動化、無人機和拓撲繪圖等其他ToF應用。目前雖仍處於GaN-on-Si功率元件技術的發展初期，但是與處於技術瓶頸期的Si MOSFET相比，eGaN FET的迅速發展，將進一步擴大其效能差距。 (本文作者為宜普電源執行長暨共同創辦人)  

智慧家庭的發展已經勢不可擋，而智慧家電在智慧家庭中的比例最高。智慧家電是將微處理器、感測器、網路通訊技術導入家電設備後形成的家電產品，具有自動感知家電自身狀態、家電服務狀態的功能，能夠自動控制及接收住宅用戶在住宅內或遠端的控制指令。例如透過智慧手機、智慧音箱指揮掃地機器人、電視機等家電的工作。 家電的智慧化需根據周圍環境的不同自動作出反應，不需要人為干預，這種自動感知周圍環境，必然少不了感測器的參與。近兩年推出的1D飛時測距感測器則漸漸獲得各大智慧家庭廠商的認可和應用。 測距技術各有所長 市面上常用的測距方案主要有紅外線對射管(Infrared Pair Tube)、接近感測器、1D飛時測距感測器和三角距離感測器，其原理以及優缺點如表1所示。 表1　主流測距技術比較 紅外線對射管和紅外線接近感測器兩種測距方案比較適用在智慧家庭的自動翻蓋和自動掀馬桶圈的衛浴，自動水龍頭等應用場景，因為這種場景對精度要求不高，但是高品質的衛浴和自動水龍頭也逐漸採用1D飛時測距解決方案。 1D飛時測距感測器應用在掃地機器人的障礙物識別和樓梯偵測較為普遍，也包括智慧電視的人體接近偵測，智慧燈的靠近點亮，投影儀的人眼保護以及自動對焦功能，3D智慧門鎖等應用場景。接下來具體介紹1D直接飛時測距感測器原理及以智慧電視為例的應用。 1D飛時測距感測器運作原理/優勢 以艾邁斯半導體(ams)發表可偵測2cm~2.5m距離的解決方案為例，其內部結構如圖1所示。 圖1　ams 1D直接飛時測距感測器內部結構圖 IR雷射發射器(使用的是VCSEL技術)經過光學元件打出光子，同時給時間數位轉換器(TDC)發出一個開始的訊號，光子遇到障礙物會反射回來，被模組的接收端單光子雪崩二極體(SPAD)所接收，並導致SPAD產生雪崩，進而給TDC一個停止的訊號；TDC透過計算開始和停止訊號之間的時間，即於光速已知的前提下即可算出物體距感測器的距離，實現真正的時間飛行測量(圖2)。 圖2　距離計算原理 輸出長條圖資料 感測器模組可以直接輸出長條圖資料(圖3)，長條圖是資料分布的精確圖形表示，透過連續採集遇到物體反射回來紅外光的訊號進行處理，反映TDC資料的分布情況，便於距離演算法的精確計算(圖4)。 圖3　玻璃蓋板和物體反射回來的資料長條圖 圖4　資料輸出演示圖 抗油污與環境光干擾 感測器模組毋需做汙漬校準，具有抗汙漬特性。因為第一個回來的反射訊號永遠都是玻璃蓋板的返回值，而汙漬和玻璃蓋板成為一整體，作為第一個反射訊號。只不過有汙漬後，第一個反射回來的訊號會很強，相對於第二個反射回來被測物體的訊號峰值較弱，感測器模組內置演算法測的是兩次返回訊號峰值的時間差，所以汙漬不會干擾感測器模組工作。 此外，發射的紅外線光源波長在940nm，940nm的紅外光在環境光中的成分較少，干擾相對會較小。 近距遠距分段測量 感測器模組內建演算法可以根據測量的結果，自動切換近距和遠距離模式，使近距和遠距的距離計算更加的精確。 自動校準 校準分為兩種，一種是時間校準，感測器模組主要靠紅外光雷射打出去和反射回來的時間計算距離，所以對內建時鐘精度要求很高，為了避免時鐘偏差，感測器模組會自動以系統時鐘為標定即時校準。另一種是產線一次性光學校準，無需人工參與，只需保證在暗光或是無光環境下，且40cm內無遮擋，即可軟體觸發校準。 另外，感測器模組受照明角度的限制(圖5)，可以放多顆1D時間飛行感測器，擴大偵測的角度。 圖5 飛時測距感測器晶片的接收角度和照明角度 飛時測距感測器導入電視應用趨向智慧化 2019年8月，華為發表榮耀電視「智慧屏」，將智慧電視互動功能大幅提升，酷炫的語音互動、手機與大螢幕間魔法互動、聯控智慧家庭、升降相機拍照等，如果搭載1D飛時測距感測器則可實現更多應用。 眾所周知，看電視的距離攸關眼睛健康，離電視越近，眼內的睫狀肌收縮力也愈強，也就愈容易造成視覺疲勞，尤其是小孩子，自控力不足，不自覺地就會靠近電視。如果電視裝有一個可以感測物體接近的功能，一旦有物體在一定的範圍內，就自動調暗或關閉顯示器背光並發出警告，提醒小孩子遠離電視，保護小孩的視力。現在市場上部分雷射電視，為了防止人靠近雷射發射端傷害人眼，已經加了距離類的感應感測器。 在智慧電視機上搭載多顆1D飛時測距感測器可以多角度偵測不斷靠近的活動物體的距離，進而做出相應的反應(圖6)。 圖6 多顆1D飛時測距感測器在電視上應用效果圖 除了人體接近偵測外，1D飛時測距感測器還可以搭配智慧電視的相機實現自動對焦功能。目前主流的相機對焦方案有兩種，一種是基於CCD半導體成像元件的聚焦技術，其利用物體光反射的原理，物體反射回來的光被相機上的感測器CCD接收，透過電腦處理，帶動電動對焦裝置進行對焦。隨著相機的象素數越來越高，對焦時間會越來越久。另一種是測距的對焦方案，使用1D飛時測距感測器，可以直接給出對焦距離，提高對焦速度，相對於其他對焦方案速度更快、成本更低。 智慧家庭的發展擴大了感測器的應用市場，而1D時間飛行測距感測器作為感測器家族的一員，有著更廣泛的應用場景，可以應用於許多日常的家電中，進一步升級智慧家庭產業，協助家電的智慧化。 (作者任職於ams艾邁斯半導體)

如同艾邁斯半導體(ams)的願景：感測即生活，該公司將研究創造更好的技術如何帶來更好的生活，並最終幫助所有人建立一個更永續安全的環境。其中有些創新會很有趣，如有些ams技術如何增強攝影效果，一些會增加人們的舒適度，如汽車投影照明，以及改善人們的生活品質。 作為3D技術廠商，ams已成功在多個應用領域中使用3D技術，例如在手機中ams所扮演的先驅者角色，以致在門鎖，電子支付和存取控制等領域，甚至在汽車領域也正在興起用於駕駛身分驗證。 讓生活更美好的渴望推動當今的關鍵趨勢，如追求個人化設置、改善健康與健身、自動化功能增強，以及永續性等。ams是行動創新感測器解決方案商，日前已宣布推出半入耳式TWS的數位主動降噪技術並使用於行動領域。 同時，運用該公司的光譜感測技術進行色彩匹配和膚色分析以在電子商務市場開創新應用。整合光譜感測可執行食物分析，種種功能持續用各種方式改善人們的生活；在音訊方面，人們期望在助聽器材中採用增強聽力技術，強化人們真正需要聽到的聲音。 從位置感測器到成為固態LiDAR的廠商，以實現自動駕駛。在2019年，ams宣布與Ibeo和ZF的合作夥伴關係，以開發用於自動駕駛的固態LiDAR。該技術也正被汽車製造商和更多的一級汽車供應商所採用。在投射照明領域，該公司的MLA技術可為汽車提供個性化功能，而且已經進入生產階段。 同時針對醫學領域，ams已推出一種新的生物醫學感測設備，可以監測生命體徵。ams預估感測器將使未來的醫療行為更不具侵入性，並可以在家中舒適進行。醫生辦公室的某些治療將在家裡完成，而患者目前在醫院接受的其他護理將轉移到醫生辦公室。此外，還有更高品質的預防醫療，ams正在評估收集此類健康資料的方法，而毋需進行任何操作。 對於環境和安全性的擔憂推動了家庭和建築自動化中的許多應用。而門鎖和門禁管制的3D認證正在興起，從位置到VCSEL，該公司擁有用於家庭自動化的感測器解決方案及新應用。 至於ams在工業的應用，為了提高工業安全性和效率，機器人可以用3D技術掃描其環境，而ams的LiDAR和接近感測器將在其中發揮關鍵作用。使用主動立體視覺的3D等技術可用於快速獲取物體的體積訊息，進而決定包裝方式以進行貨運評估，簡化物流、分類流程並降低錯誤率。此外，關於ASV 3D技術在工業上的應用也正進行廣泛的探討，特別是關於分類、運輸、根據演算法在定義的空間內移動、簡化物流、分類過程並降低錯誤率。

艾邁斯半導體(ams)日前宣布推出Merano Hybrid產品，該模組產品將紅外線(IR)泛光照明器的所有電子和光學零組件以及VCSEL驅動器整合到單一的緊密封裝，協助OEM廠商較易掌握熱門的3D功能。 ams副總裁暨3D感測模組和解決方案事業部門總經理Lukas Steinmann表示，得益於ams在先進光電技術方面的專業知識，Merano Hybrid模組是可以量產方案中，面積較小且帶有VCSEL驅動器的IR泛光照明系統。現在，手機製造商可以大幅減少開發時間並降低3D功能的開發風險，放心採納此一效能經過驗證的商用泛光照明解決方案。 高能源效率的2W Merano-Hybrid適用於最新的3D感測技術，包括飛時測距(ToF)和結構光方法。包括臉部識別、擴增現實、3D物件掃描和3D圖像渲染等應用以及其他工業和汽車應用都將是Merano Hybrid的適用範圍。 泛光照明器包括一個IR雷射發射器，一個控制雷射運作的驅動器，一個用於形成光束的透鏡和擴散器以及各種安全和保護功能，可提供調變後的光輸出，例如，行動電話的臉部識別系統於用戶使用時即時偵測。 隨著Merano Hybrid的推出，OEM廠商可以使用一個完整的、可立即投入生產的模組。該模塊採用表面安裝的5.5mm×3.6mm封裝，高度僅為3.7mm。相較於由分離元件組裝而成的大型系統，整合在優化模組封裝中得以明顯節省空間，使得泛光照明器系統更容易被設計於手機的空間內。而ams還在Merano Hybrid模組中內建了專用的光電二極管和互鎖迴路(Interlock Loop)，用於眼睛安全監控。這大幅減少了OEM廠商欲獲得Class 1 眼睛安全認證所需的額外工程付出。

ALS為當今全球筆電標配 環境光感測器(ALS)現在幾乎成為新NB市場的標準功能。如圖1所示，通常將ALS放置於筆記型電腦顯示螢幕的頂部邊框上，以連續檢測和監視使用者環境的光線狀況。藉由採用ALS，筆電會根據環境光的狀況將螢幕亮度向上調亮或向下調暗。這樣做的主要好處是減少螢幕背光功耗並增強使用者的視覺體驗。 圖1　環境光感測器在筆記型電腦上的配置。 在筆電中設計ALS時需考慮諸多因素。數位ALS解決方案有幾點優於類比方案： ．使用數位接口，可以連接多個元件在同一路I2C線路上。 ．可從極暗到明亮的日照流明情況下提供靈活性功能。 ．可藉由可編輯式功能降低雜散光源與50/60Hz閃爍光抑制。 ．中斷功能可節省電池電量，不需像類比方案持續性的輪詢。 ．透過專利雙二極管技術阻擋不需要的IR能量。 XYZ感測器精準掌握真實顏色 與單純使用ALS感測器相較，色彩XYZ感測器是種優良的升級體驗(圖2)。不僅提供環境流明Lux訊息，亦提供筆記型電腦使用者詳細環境光色溫。 圖2　CIE色彩圖中的普朗克軌跡。 對人眼來說XYZ感測器為最自然的光譜，因為RGB感測器無法計算色度坐標(xy)。某些光源不在普朗克軌跡(虛線處)，僅使用RGB測量顏色會導致測量光源顏色時出現重大誤差。 而XYZ顏色測量精度是RGB的5倍，人眼可以輕易檢測XYZ感測器測量精度範圍內的顏色變化。藉由接收XYZ訊息，NB可以獲得準確環境光CCT訊息及數據。 因此LCD顯示器可以動態調整面板色溫以適合使用者環境的色溫，稱之為白平衡，而不只是基於當前LCD顯示器製造的固定CCT校準點(通常LCD顯示器在6500k CCT下校準)。 而艾邁斯半導體(ams)的TCS3430為XYZ三色彩感測器之一，色域與人們對光的感知相匹配。除準確的XYZ訊息外，其還具備以下技術： ．最小化紅外光和紫外光譜成分影響 ．降低功耗。 ．藉由啟動量測IR光的斜率以偵測IR光源。 ．在變化光源照明條件下可實現準確的色彩和ALS。 ．最小化移動與暫態誤差。 藉由校準技術，其於各種光源條件均可達≤0.01Δxy色度精度≤3%CCT誤差(CCTe)(表1)。 表1 TCS3430在各種光源下的Lux/CCT 飛時測距實現使用者存在偵測 飛行時間(ToF)感測器是用於手機和3D應用的創新技術，如圖3所示，用於喚醒接近目的，其測量紅外光傳播到物體並反射到ToF感測器以偵測物體距離的時間。由於光速非常快，因此ToF SoC需要使用超短(ps)及精確的時間數位轉換器(TDC)以精確測量距離。 圖3　飛時測距(ToF)技術。 當在NB平台中使用ToF技術，可偵測使用者是否坐在顯示器前。如果是，則筆記型電腦的顯示螢幕將立即喚醒以供使用者登錄，毋須觸摸鍵盤、滑鼠和指紋等；若使用者不坐在筆記型顯示器前，將立即關閉螢幕或登出PC，以保護個人隱私；此外，更延長NB或筆記型電腦電池使用量，尤其於現代商用NB中，當使用者不使用NB且顯示螢幕打開或處於活動模式時，在待機模式將浪費大量電池能量—此技術為使用者存在偵測，如下圖4所示。 圖4　用戶使用檢測。 除了使用者偵測外，ToF還可用於偵測使用者行為，如接近或遠離NB。NB還可動態連續偵測使用者距離以優化NB配置，如於短距離時調低麥克風/揚聲器的音量；於電影模式偵測長距離時調高音量。 以ams的TMF8801一維ToF感測器為例，其可支援達2.5m的距離，幾乎覆蓋使用者的工作距離；採直接ToF技術，具高靈敏度單光子雪崩二極管SPAD偵測和快速時間數位轉換器(TDC)架構，且垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)輸出光脈衝小於500psec。透過晶片上Cortex SoC和統計直方圖處理，感測器可在高可信度下偵測2cm至2.5m(圖5)。 圖5　TMF8801方塊圖。 筆記型電腦不再是純粹被動式個人電腦，NB中增加更多感測器，將如頭腦清晰的人類般變得更加活躍及聰明。光學感測器在此凝聚非常重要的作用，因為在人們的生活環境中，光最直接存在於人們周遭；環境光感測器提供準確流明照度，而XYZ顏色感測器提供色溫訊息；飛行時間感測器可偵測使用者距離或判斷其是否為一個人。未來期待看到更多光學感測器獲筆電採用。 (本文作者為艾邁斯半導體資深技術應用工程師)