半導體應用

u-PLM-EX_檢測VCSELDBR光學特性之核心關鍵

DBR 結構是VCSEL最重要的一道製程,DBR的設計、製作好壞,深深地影響VCSEL的表現。Enli Tech u-PLM-EX 採用非破壞的光學檢測方式來精準的檢測、分析DBR磊晶結構,相關的分析功能完整,協助用戶快速掌握VCSEL的開發關鍵。

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年代後期發表以來,近期因為蘋果iPhone X 使用3D立體影像感測技術作為人臉辨識,再度讓VCSEL引起話題,成為產業趨勢新焦點。

VCSEL屬雷射二極體的一種,其最主要的特色,是由晶粒表面垂直激發出光束,如圖1所示,主要特徵是利用上、下兩個DBR (Distributed bragg reflector) 鏡面去形成雷射共振腔。相較於傳統的邊射型雷射(Edge Emitting Laser)最大不同的是VCSEL省略掉邊射型雷射需要用劈裂或乾式蝕刻法製作雷射鏡面的之複雜製程。因此VCSEL具備以下優點

-  體積更小,雷射光束呈現圓錐形,精細聚焦不易發散,易與光纖耦合
-  具有快速調變功能,利於高速光纖網路傳輸
-  元件製程技術與Si IC製程類似,適於量產晶粒
-  在元件尚未切割及封裝前,整個晶片可用Wafer-level testing作每個晶粒特性檢測,減低大量生產成本
-  可做成1D2D雷射陣列,利於串接或並列式光纖傳輸
-  共振腔長度極短,低臨限電流、低功率耗損、元件壽命長
-  高輸出效率,單一雷射波長輸出,直流電操作可達數個Mw
-  波長可從628 nm1.55µ頻寬可達16 GHz

綜合以上優點VCSEL元件利於大量生產及低成本製程,其被應用領域相當廣泛,最常見的應用為:
1. 光纖通訊網路與光數據鏈路傳輸:
體積小、低發散的圓形雷射光束,在光纖耦合時對準容易且光耦合效率高,可節省許多光纖對準封裝成本。特別是其封裝方式與傳統利用LED作為光源的數據鏈路傳輸模組完全相容,無需修改裝配線裝置,且在傳輸上可進行短距離大量的資訊傳輸10 Gbps Ethernet),大幅傳輸性能與速率。
2. 雷射滑鼠
VCSEL屬於高指向性的同調光源(Coherent light)相較於目前市場上常見的LED光源滑鼠,雷射光源能夠直接反射出表面結構,無需利用陰影辨識,大幅提高靈敏度及反應速度,可在平面和玻璃接口、半透明塑膠、光滑木紋等表面上使用。此外,低耗電、高解析度等優勢,目前已有許多廠商鎖定電玩市場及其他特殊高效能應用市場,推出高階無線/有線滑鼠,未來將逐漸取代LED光學滑鼠。
3. 雷射列印:
傳統雷射列印技術,利用單一雷射配合旋轉射鏡掃描列印,列印速度較慢;而利用VCSEL可同時二為維列印,大幅加速列印時間。
4. 遠距離安全監視系統及夜間照明:
相較於市面上IR-LED監控系統850 nm VCSEL兼具遠距、低耗電、高亮度單色光、圓形集中的雷射光束之特點;加上VCSEL可消除光斑(Speckle)可搭配透鏡控制發光角度之特色,提供高解析度畫質,可應用於車用夜視照明、遠距離安全間視系統之照明光源。
5. 光電領域:
光儲存設備主要為CD-ROMDVD780 nm650 nmVCSEL可分別應用在CD-RDVD光碟機,簡化光學讀取頭的光學設計,可節省產製成本;而低波長的650 nm可用在條碼描器上。
6. 3D影像顯示與感應應用
擴增實境AR:Augmented Reality)、虛擬實境VR:Virture Reality)手勢辨識GR:Gesture Recognition等等
Structure diagram of VCSEL
1. VCSEL結構示意圖

DBR 分布式布拉格反射鏡

VCSEL的共振腔,是透過布拉格反射鏡(Distributed Bragg Reflector, DBR)結構所產生DBR結構是由兩種不同折射率的材料交替排列組成的週期結構,每層材料的光學厚度為中心反射波長的1/4如圖2所示。因此DBR可產生週期性折射率變化,此週期性折射率變化可以針對特定波長,提供高達99 %以上的反射率。為了平衡在VCSEL中增益區域的短軸長,高反射率的透鏡是必備的元件。

structure of DBR

▲圖2. DBR結構示意圖


一般而言VCSEL的上下透鏡會分別鍍上p型和n型材料,形成一個接面二極體。在更複雜的結構中,p型和n型區域可以嵌入透鏡之間,讓較複雜的半導體在反應區裡加工連接電路,並除去DBR結構中電子能量的耗損。因此,檢查VCSELDBR光學特性是非常重要的。

如何檢測DBR的光學特性?

為了檢查DBR的光學特性Enli Tech使用干涉儀系統來分析DBR的反射率。一般來說,使用寬帶光源來照射樣品並測量反射光譜。在諧振器結構的基礎上,每層DBR的反射率將被視為干涉圖案,如圖3所示。

Principle of DBR maeasurement

▲圖3. DBR量測原理

研究人員可根據測量結果,透過條紋數、中心帶高度、中心帶寬度和F-P傾角等數據,對照原始設計項目。此外,它可以與圖譜掃描儀集成以進一步在製造過程中執行質量控制。

u-PLM-EX 特色

1. 高速掃描:
Enli Tech獨家開發的演算法,實現高速高解析進行光譜掃描和DBR掃描。一般來說1 mm解析度掃描4英寸晶圓,能在5分鐘內完成。
2. 全光譜量測範圍:350 nm-2500 nm
為了能精確量測DBR的反射率,必須同時具備高穩定的寬帶光源,以及用於光譜測量高性能集光的掃描儀器。Enli Tech u-PLM-EX 系統,配備壽命長達10000小時)以上的鹵素燈,其光譜範圍從350 nm~2500 nm探測器部分,可根據客戶需求,配備可見光或近紅外陣列傳感器。
3. User-friendly 光譜分析軟體
為了能讓研究者快速分析樣品結果,Enli Tech 開發出光譜分析軟體,可提供研究者分析以下項目FWHM, Peak lambda, Peak intensity, SB height, SB center, SB width, F-P dip可幫助研究者、工程師快速找出缺陷並驗證其設計中的參數。


參考資料:

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