傳統堆疊多結技術(MOMJ)需引入多層氧化層結構，每增加一層氧化層，工藝復雜度與失效風險隨之倍增。單氧化層多結基數(SOMJ),對第一代多結設計進行了重構，兼顧了性能與可靠性，但對于工藝設計提高了難度。

  單結VCSEL及基本結構

  VCSEL至發明以來，首先被用于7x24x365工作的數據中心，進而在蘋果手機、平板、VR應用上實用。截至目前,單結(單氧化層)VCSEL結構累計出貨了超10億顆，可以說是一種非常穩定的結構。

  如上所示，單結VCSEL的設計主要包含激光器的2個核心結構，增益介質(有源區)、諧振腔(上/下DBR，布拉格反射鏡)。簡單說，在電流通過量子阱(Quantum Well)層時，電子轉換為光子，光子每次經過上、下的布拉格反射鏡反射，并在每次經過有源區時進行增益，最終布拉格反射鏡篩選出一定波長的激光，從VCSEL發光孔射出。

  傳統多結VCSEL結構設計與挑戰

  由于單結功率的限制，功率密度始終難以提高，限制了在車規級激光雷達的應用。業界探索多氧化層路線時，首先想到的是做簡單復制。如下是多結VCSEL的基本結構(經簡化)。

  可以看到，除在有源區引入多氧化層、多隧穿層的結構后，在襯底與反射鏡2（下DBR）之間還會引入發散角控制層，發散角控制層可以看作一個濾波器，將因導入多個氧化層而帶來的多個模態的波長信號濾除，僅留下關鍵波長。

  伴隨結數增加，業界開始發現可以接近線性地提升功率密度，然而這僅僅完成了功率密度的提升，從產業界可靠性角度仍有幾座大山難以逾越。

  一、異質外延導致晶格匹配失效概率倍增。

  經過失效分析，VCSEL最容易失效的位置在于外延區域的氧化層附近，因為氧化層材料(AlxOy-GaAs)與周圍的GaAlAs有晶格還配很大不同，假設單結有0.1%失效，則10結有接近10倍(1% = 1-99.9%^6)的失效概率。

  二、異質外延導致發散角控制難度增大。

  考慮到多氧化層(有源區出現重復物理結構)，激光傳播路徑上，由于折射效應會引入更多波長模態，VCSEL激光射出發散角會變大，必須采用更多辦法對發散角予以控制，比如用更厚的發散角控制層來進行濾波控制。

  三、異質外延及氧化層發散角控制層導致散熱困難。

  由于氧化層與周圍材料的導熱系數不同，且更厚的發散角控制層延長了散熱路徑，導致在車規級等極高功率密度情況下的散熱更難，也進一步增加了VCSEL的失效風險。

  以上的設計挑戰，主要帶來3方面影響

  一、性能提升受限。

  由于熱控制方面更加嚴苛，在面對車規級應用超高功率密度的情況下，高重頻的驅動會受限，同時發散角收斂會更加困難。

  二、失效風險增加影響可靠性。

  氧化層帶來的異質結構界面、以及更難的散熱，將倍數級增加器件的失效風險，產生產品應用的致命風險。對于車規級的應用，考慮到運行環境更加嚴苛(車規級AEC-Q102需要在-40℃至125℃的環境下工作)，會使得MOMJ的結構面臨更嚴苛的失效挑戰。

  三、工藝控制難度降低良率。

  由于需要涉及多氧化層的設計，外延生長的控制與工藝均勻性的控制一致性會更嚴峻，產品一致性與良率也會受到挑戰。

  單氧化層多結VCSEL結構的創新

  為解決如上結構帶來的挑戰，自2019年起，睿熙重新設計了多結VCSEL的結構，著力研發相較于傳統“堆疊多結”(MOMJ,Multi-Oxidization Multi-Junction)的下一代“重構多結-單氧化層多結”架構(SOMJ,Single-Oxidization Multi-Junciton), 通過對比兩種結構，可以看到SOMJ主要帶來2個結構上的提升:

  A: 單氧化層設計

  B: 更薄的發散角控制層

  由于單氧化層的設計加上更薄的發散角控制層，SOMJ自設計原理上帶來了更高的功率密度/高重頻、低發散角(10°)、高可靠性（相對于X結MOMJ結構1/X的失效概率)、以及設計與生產高一致性。

  在客戶使用實踐中，首款搭載睿熙SOMJ芯片的車規級補盲激光雷達 Robin-W,在實用功率密度上超3500W/mm2 (2023年水平)，遠超行業平均水準，因此獲得70m@10%的探測距離(行業平均水平10m-30m)。截至2025年5月，睿熙8結MOMJ可實現7500W/mm2功率密度，為基于VCSEL發射光源的激光雷達提供更遠的測距能力。

  今后激光雷達的發展將沿著“機械式-半固態-全固態”的技術路線演進，伴隨當前VCSEL x SPAD-SOC 架構的收斂，睿熙的SOMJ將在很大程度上賦能未來激光雷達的發展，并進一步應用于包含各類低速L4移動機器人、低空飛行器等應用。

  結語

  睿熙科技的單氧化層多結技術(SOMJ)，以“單層設計”破局“多層困局”，在可靠性、成本與性能三大維度實現全面超越。這不僅為車規級激光雷達提供了高水準的核心光源，更推動了中國VCSEL芯片技術從“國產替代”向“全球領先”的跨越。