3D傳感技術(shù),為何要用VCSEL激光?
發(fā)布時間:2018-01-23點擊數(shù):5932次
首先幫大家介紹這次討論異?;鸨?D傳感技術(shù):3D傳感技術(shù)是面部識別的核心,3D激光掃描(3D傳感)背后的想法就是創(chuàng)建一種非接觸、非破壞性技術(shù)來數(shù)字化捕捉物理對象的形狀。在面部識別中,它將創(chuàng)建一個定義人臉外觀的數(shù)字矩陣。舉個例子,它可以使你的手機更精確地記錄你的下巴,這要比從照片上識別精確得多。而且皮膚的紋理與胡子的長短也可以被捕獲到。當然也包括那些組成額頭、臉頰以及其它臉部部分的獨特形狀。
至于為什么要用VCSEL激光器?3D攝像頭在傳統(tǒng)攝像頭基礎(chǔ)上引入基于飛行時間測距ToF(Time of Flight)或SL(Structural Light)結(jié)構(gòu)光的3D傳感技術(shù),目前這兩種主流3D傳感技術(shù)均為主動感知,因此3D攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈相比主要新增加“紅外光源+光學組件+紅外傳感器”等部分,其中最關(guān)鍵的部分就是紅外光源,主動感知的3D攝像頭技術(shù)通常使用紅外光來檢測目標,早期3D傳感系統(tǒng)一般都使用LED作為紅外光源,但是隨著VCSEL技術(shù)的成熟,性價比已經(jīng)接近紅外LED,除此之外,在技術(shù)方面,由于LED不具有諧振腔,導致光束更加發(fā)散,在耦合性方面很差,而VCSEL在精確度、小型化、低功耗、可靠性全方面占優(yōu)的情況下,現(xiàn)在常見的3D攝像頭系統(tǒng)一般都采用VCSEL作為紅外光源,因此最近被談?wù)摰淖钚录夹g(shù)就是VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。
你不可不知關(guān)于VCSEL的幾個基本原理
在介紹VCSEL技術(shù)之前,這幾個基本原理與名詞你不可不知,知道了這些基本知識,關(guān)于VCSEL的技術(shù)原理就非常簡單了。
光的反射折射與折射率:
我們小時候都有做過光的反射與折射實驗,尤其是筷子在水里面感覺好像被折了一段一樣原因就是光的折射,折射率越大,偏折越厲害,原因是光在介質(zhì)的速度變慢了,介質(zhì)的折射率大小,與光在介質(zhì)中的速度成反比,光在介質(zhì)中的速度(v)愈大,則介質(zhì)的折射率(n)愈??;光在介質(zhì)中的速度(v)愈小,則介質(zhì)的折射率(n)愈大。實驗證實光在介質(zhì)中的速度(v)依次為:v(氣體)>v(液體)>v(單晶固體)>v(非晶固體)。所以光在介質(zhì)的折射率(n)依次為:n(氣體)<n(液體)<n(單晶固體)<n(非晶固體)。
DBR(Distributed Bragg Reflector)分布布拉格反光鏡:
沿著光前進的方向上設(shè)計出特別的不同折射率材料交替的膜層,膜層厚度是該材料四分之一發(fā)光波長厚度(λ/4n, λ是純光波長,n是該材料的折射率),形成折射率大(n大)、折射率小(n小)、折射率大(n大)、折射率小(n小)…的周期性結(jié)構(gòu),如圖1(a)所示,稱為「DBR光柵(Grating)」。光波在光柵中前進的時候,遇到折射率大的介質(zhì)時,光的速度變慢;遇到折射率小的介質(zhì)時,光的速度變快,光波在不同折射率之間的接口都會發(fā)生反射與折射,科學家經(jīng)過復雜的光學計算發(fā)現(xiàn),DBR光柵可以使「不純的入射光(波長范圍較大)」變成「較純的反射光或穿透光(波長范圍較小)」,如圖1(b)所示,換句話說,DBR光柵的主要功能就是「使光變純(波長范圍變小)與控制光的反射與穿透比率」,激光二極管(LD)的光很純,發(fā)光二極管(LED)的光不純,顯然激光二極管內(nèi)一定有DBR光柵的結(jié)構(gòu),當然LED為了增加亮度,也有在研磨拋光藍寶石背面之后鍍上DBR反射層,可以增加2~3%的亮度。
圖1 分布布拉格反射鏡DRR原理示意圖
激光的諧振效應(yīng)(Resonance)
激光的發(fā)光區(qū)就是它的「諧振腔(Cavity)」,諧振腔其實可以使用一對鏡子組成,如圖2所示,使光束在左右兩片鏡子之間來回反射,不停地通過發(fā)光區(qū)吸收光能,最后產(chǎn)生諧振效應(yīng),使光的能量放大,一般激光二極管的兩片鏡子就是用DBR鍍膜來控制諧振腔的諧振效應(yīng)。
激光二極管的電激發(fā)光(EL:Electroluminescence):
我們以「砷化鎵激光二極管(GaAs laser diode)」為例,先在砷化鎵激光二極管芯片(大約只有一粒砂子的大小)上下各蒸鍍一層金屬電極,對著芯片施加電壓,當芯片吸收電能產(chǎn)生「能量激發(fā)(Pumping)」,則會發(fā)出某一種波長(顏色)的光。發(fā)射出來的光經(jīng)由左右兩個反射鏡來回反射產(chǎn)生「諧振放大(Resonance)」,由于右方的反射鏡設(shè)計可以穿透一部分的光,所以高能量的激光光束就會由右方穿透射出,如圖2所示。
圖2 激光二級管發(fā)射激光的原理示意圖
VCSEL工藝到底難嗎?
除了上面的基本知識,這些與LED技術(shù)相似的工藝術(shù)語你也必須知道,我在此不再多解釋,他們是MOCVD(有機氣相外延沉積)與MBE(分子束外延)外延技術(shù),光刻技術(shù)決定芯片圖形與尺寸,ICP-RIE(電感耦合反應(yīng)離子刻蝕)技術(shù)刻蝕出發(fā)光平臺(Mesa),氧化工藝讓諧振腔定義出最佳的VCSEL光電特性,鈍化絕緣工藝讓暴露的半導體材料不受空氣與水汽影響可靠度,最后研磨與切割變成一顆顆芯片,再進行測試與出貨給封裝廠,由于結(jié)構(gòu)上跟紅黃LED芯片類似,是上下電極垂直結(jié)構(gòu),所以一般是先測試芯片特性再進行切割與最后分選。圖4就是VCSEL的芯片與封裝示意圖,做LED的人有沒有似曾相識的感覺呢?
圖3 VCSEL的芯片與封裝示意圖,目前主流的VCSEL是To-can封裝與陣列封裝,尤其在高功率傳感系統(tǒng)(車用市場)里面需要用到倒裝flip chip的陣列封裝
VCSEL的結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵工藝介紹:
VCSEL有幾個關(guān)鍵工藝,這幾個關(guān)鍵工藝決定了器件的特性與可靠性。
關(guān)鍵技術(shù)一:VCSEL外延
圖4是VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖,以銦鎵砷InGaAs井(well)鋁鎵砷AlGaAs壘(barrier)的多量子阱(MQW)發(fā)光層是最合適的,跟LED用In來調(diào)變波長一樣,3D傳感技術(shù)使用的940納米波長VCSEL的銦In組分大約是20%,當銦In組分是零的時候,外延工藝比較簡單,所以最成熟的VCSEL激光器是850納米波長,普遍使用于光通信的末端主動元件。
圖4 VCSEL的外延與芯片結(jié)構(gòu)示意圖
發(fā)光層上、下兩邊分別由四分之一發(fā)光波長厚度的高、低折射率交替的外延層形成p-DBR與n-DBR,一般要形成高反射率有兩個條件,第一是高低折射率材料對數(shù)夠多,第二是高低折射率材料的折射率差別越大,出射光方向可以是頂部或襯底,這主要取決于襯底材料對所發(fā)出的激光是否透明,例如940納米激光由于砷化鎵襯底不吸收940納米的光,所以設(shè)計成襯底面發(fā)光,850納米設(shè)計成正面發(fā)光,一般不發(fā)射光的一面的反射率在99.9%以上,發(fā)射光一面的反射率為99%,目前的AlGaAs鋁鎵砷結(jié)構(gòu)VCSEL大部分是用高鋁(90%)的Al0.9GaAs層與低鋁(10%)Al0.1GaAs層交替的DBR,反射面需要30對以上的DBR(一般是30~35對才能到達99.9%反射率),出光面至少要24~25對DBR(99%反射率),由于后續(xù)需要氧化工藝來縮小諧振腔體積與出光面積,所以在接近發(fā)光層的p-DBR膜層的高鋁層需要使用全鋁的砷化鋁AlAs材料,這樣后面的氧化工藝可以比較快完成。
圖5 外延與氧化工藝是VCSEL良率與光電特性好壞的關(guān)鍵
關(guān)鍵技術(shù)二:氧化工藝
這個技術(shù)是LED完全沒有的工藝,也是LED紅光發(fā)明人奧隆尼亞克(Nick Holonyak Jr.)發(fā)明的技術(shù),如圖5所示,主要利用氧化工藝縮小諧振腔體積與發(fā)光面積,但是過去在做氧化工藝的時候,很難控制氧化的面積,只能先用樣品做氧化工藝,算出氧化速率,利用樣品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化工藝時間,這樣的生產(chǎn)非常不穩(wěn)定,良率與一致性都很難控制!精確控制氧化速度讓每個VCSEL芯片的諧振腔體積可以有良好的一致性,沒有過氧化或少氧化的問題,這樣在做陣列VCSEL模組的時候才會有精確的光電特性。即時監(jiān)控氧化面積是最好的方法,如圖6所示,法國的AET Technology公司設(shè)計了一臺可以利用砷化鋁(AlAs)氧化成氧化鋁(AlOx)之后材料折射率改變的反射光譜變化精確監(jiān)控氧化面積,這種精密控制氧化速率的設(shè)備,可以省去過去工程師用試錯修正來調(diào)試參數(shù),對大量穩(wěn)定生產(chǎn)VCSEL芯片提供了最好的工具。
圖6 法國AET科技公司推出的VCSEL即時監(jiān)控的氧化制程設(shè)備,讓VCSEL量產(chǎn)更穩(wěn)定
關(guān)鍵技術(shù)三:保護絕緣工藝
跟LED一樣,最后只能保留焊線電極上沒有絕緣保護層在上面,由于激光二極管的功率密度更大,所以VCSEL更需要這樣的保護層,更重要的是為了不讓氧化工藝的AlAs層繼續(xù)向內(nèi)氧化影響諧振腔體積,造成激光特性突變,保護層的膜層質(zhì)量非常重要,尤其是側(cè)面覆蓋的致密性更為重要,過去都是用等離子加強氣相化學沉積機PECVD來鍍這層膜,但是為了要保持致密性需要較厚的膜層,但是膜層太厚會造成應(yīng)力過大影響器件可靠度!于是原子層沉積ALD技術(shù)開始取代PECVD成為最好的鍍膜工藝,如圖7所示,ALD可以沉積跟VCSEL氧化層特性接近的氧化鋁(Al2O3)薄膜,而且側(cè)面鍍膜均勻,致密性高,最重要的是厚度很薄就可以完全絕緣保護芯片,除了VCSEL工藝以外,LED的倒裝芯片flip chip與IC的Fin-FET工藝都需要這樣的膜層,跟氧化技術(shù)一樣,國內(nèi)還無法提供這樣的設(shè)備,目前芬蘭的Picosun派克森公司與Apply Material美國應(yīng)用材料公司提供這樣的設(shè)備與工藝。
圖7 芬蘭Picosun派克森公司推出的ALD原子層沉積技術(shù)的設(shè)備,可以讓VCSEL的器件更穩(wěn)定