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你不可不知關于VCSEL的幾個基本原理

發布日期:2017-10-09 作者:admin 點擊:

       在介紹VCSEL技術之前,這幾個基本原理與名詞你不可不知,知道了這些基本知識,關于VCSEL的技術原理就非常簡單了。

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,原因是光在介質的速度變慢了,介質的折射率大小,與光在介質中的速度成反比,光在介質中的速度(v)愈大,則介質的折射率(n)愈小;光在介質中的速度(v)愈小,則介質的折射率(n)愈大。
實驗證實光在介質中的速度(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)…的周期性結構,如圖二(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時,光的速度變慢;遇到折射率小的介質時,光的速度變快,光波在不同折射率之間的接口都會發生反射與折射,科學家經過復雜的光學計算發現,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)」,如圖一(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,發光二極管(LED)的光不純,顯然激光二極管內一定有DBR光柵的結構,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。 
                                                                       圖一 分布布拉格反射鏡DRR原理示意圖
>>激光的諧振效應(Resonance):

       激光的發光區就是它的「諧振腔(Cavity)」,諧振腔其實可以使用一對鏡子組成,如圖二所示,使光束在左右兩片鏡子之間來回反射,不停地通過發光區吸收光能,最后產生諧振效應,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。

>>激光二極管的電激發光(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,當芯片吸收電能產生「能量激發(Pumping)」,則會發出某一種波長(顏色)的光。發射出來的光經由左右兩個反射鏡來回反射產生「諧振放大(Resonance)」,由于右方的反射鏡設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,如圖二所示。

                                                                  圖三 激光二級管發射激光的原理示意圖

VCSEL制程到底難嗎?

除了上面的基本知識,這些與LED技術相似的制程術語你也必須知道,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,光刻技術決定芯片圖形與尺寸,ICP-RIE(電感耦合反應離子刻蝕)技術刻蝕出發光平臺(Mesa),氧化制程讓諧振腔定義出最佳的VCSEL光電特性,鈍化絕緣制程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,由于結構上跟紅黃LED芯片類似,是上下電極垂直結構,所以一般是先測試芯片特性再進行切割與最后分選。圖三就是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?
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(車用市場)里面需要用到倒裝flip chip的陣列封裝。

 
                                                                                      圖三 VCSEL的芯片與封裝示意圖

    

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