研究人员展示了如何在硅上完全集成VCSEL

当您使用面部识别解锁时，您的手机如何知道是您?一排微型激光照亮你的脸，你的手机使用反射来构建3D模型——与你脸部的地形图没什么不同。手机的软件然后使用它来决定是否解锁。

那些称为VCSEL(发音为“vixels”)的微型激光器使这一切成为可能。传统上，它们用于短程数据传输、激光打印机，甚至计算机鼠标。然而，自从它们开始出现在主流面部识别和3D成像技术中以来，需求激增，并推动它们变得更加高效和紧凑。

电气和计算机工程教授JohnDallessasse研究小组的研究生LeahEspenhahn展示了一种将VCSEL直接集成到电子芯片中的新工艺。正如她在最近一期的《化合物半导体》杂志中所描述的那样，可以使用一种称为外延转移的方法直接在硅微电子器件上创建VCSEL，例如在硅中为激光器创建微小的岛。

“与独立构造的VCSEL连接到微电子设备的标准设备相比，”Espenhahn说，“外延转移的VCSEL更紧凑，性能更好，并且不太容易过热。”

她还应邀在布鲁塞尔举行的2023年CS国际会议上就该方法发表演讲。

竖着的，不是横着的

VCSEL或垂直腔面发射激光器属于一类称为半导体激光器的器件。它们像其他类型的激光器一样产生强烈、聚焦的光束，但它们完全由半导体材料制成。这意味着为同样由半导体材料制成的电子微芯片开发的制造技术可以适用于激光。

许多半导体激光器都是侧向发射的，这意味着光束与电触点平行。此类设备需要额外的制造步骤，以确保有一个光滑的表面供光线离开材料。相比之下，VCSEL产生的光垂直于电触点并通过顶层垂直射出，从而简化了制造过程，为更紧凑的设备打开了大门。

“由于VCSEL从顶面发出光，”Dallessasse小组的另一名研究生KevinPikul说，“这使得创建阵列变得非常容易。你可以在一个样本中拥有数千个VCSEL。”

完全集成的激光器岛

创建VCSEL阵列的标准方法是在“倒装芯片接合”中将预制激光器手动焊接到电子芯片上，这是一个耗时且精度有限的过程。使它们更小、更高效最终将需要将它们直接与微芯片上的电子设备集成。

Espenhahn通过采用未处理的VCSEL器件结构并将它们附加到临时平台来实现这一点。在为各个激光器蚀刻不同的材料“岛”之后，在顶部放置一层粘合材料。然后将临时平台翻转并放置在主硅平台上，使岛屿粘在一起。移除临时平台后，剩下的是一系列外延转移岛，准备加工成VCSEL器件。

因为VCSEL是在转移过程之后制造的，所以它们可以比倒装芯片键合器件更精确地放置在电子电路上。此外，由此产生的设备具有更好的热性能，从而提高了可控性。

Espenhahn解释说：“由于我们在硅顶部只有一层薄薄的外延材料，因此当我们提供更多功率时，硅会更快地吸走热量。这使我们能够更好地控制光的波长[颜色]和创造具有更长性能范围的设备。”

VCSEL以外的外延转移

面部识别只是LiDAR技术的一个例子，该技术使用反射的激光在计算机上创建图像或模型。基于VCSEL的LiDAR的另一个日益突出的用途是自动驾驶汽车中的视觉和传感。

但Dallessasse认为外延转移可以超越VCSEL。

“当我们开始谈论用于自动驾驶汽车等事物的复杂电子光子系统时，”他指出，“我们也可以开始使用这些技术将非硅功能放在硅平台上，使事情变得更紧凑。硅也是速度有限。如果我们想集成更高速度的电子设备或功率设备，我们也可以使用外延转移方法来做到这一点。”