傳統(tǒng)堆疊多結(jié)技術(shù)(MOMJ)需引入多層氧化層結(jié)構(gòu)，每增加一層氧化層，工藝復(fù)雜度與失效風(fēng)險(xiǎn)隨之倍增。單氧化層多結(jié)基數(shù)(SOMJ),對(duì)第一代多結(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行了重構(gòu)，兼顧了性能與可靠性，但對(duì)于工藝設(shè)計(jì)提高了難度。

  單結(jié)VCSEL及基本結(jié)構(gòu)

  VCSEL至發(fā)明以來(lái)，首先被用于7x24x365工作的數(shù)據(jù)中心，進(jìn)而在蘋(píng)果手機(jī)、平板、VR應(yīng)用上實(shí)用。截至目前,單結(jié)(單氧化層)VCSEL結(jié)構(gòu)累計(jì)出貨了超10億顆，可以說(shuō)是一種非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

  如上所示，單結(jié)VCSEL的設(shè)計(jì)主要包含激光器的2個(gè)核心結(jié)構(gòu)，增益介質(zhì)(有源區(qū))、諧振腔(上/下DBR，布拉格反射鏡)。簡(jiǎn)單說(shuō)，在電流通過(guò)量子阱(Quantum Well)層時(shí)，電子轉(zhuǎn)換為光子，光子每次經(jīng)過(guò)上、下的布拉格反射鏡反射，并在每次經(jīng)過(guò)有源區(qū)時(shí)進(jìn)行增益，最終布拉格反射鏡篩選出一定波長(zhǎng)的激光，從VCSEL發(fā)光孔射出。

  傳統(tǒng)多結(jié)VCSEL結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與挑戰(zhàn)

  由于單結(jié)功率的限制，功率密度始終難以提高，限制了在車(chē)規(guī)級(jí)激光雷達(dá)的應(yīng)用。業(yè)界探索多氧化層路線(xiàn)時(shí)，首先想到的是做簡(jiǎn)單復(fù)制。如下是多結(jié)VCSEL的基本結(jié)構(gòu)(經(jīng)簡(jiǎn)化)。

  可以看到，除在有源區(qū)引入多氧化層、多隧穿層的結(jié)構(gòu)后，在襯底與反射鏡2（下DBR）之間還會(huì)引入發(fā)散角控制層，發(fā)散角控制層可以看作一個(gè)濾波器，將因?qū)攵鄠€(gè)氧化層而帶來(lái)的多個(gè)模態(tài)的波長(zhǎng)信號(hào)濾除，僅留下關(guān)鍵波長(zhǎng)。

  伴隨結(jié)數(shù)增加，業(yè)界開(kāi)始發(fā)現(xiàn)可以接近線(xiàn)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(chǎn)業(yè)界可靠性角度仍有幾座大山難以逾越。

  一、異質(zhì)外延導(dǎo)致晶格匹配失效概率倍增。

  經(jīng)過(guò)失效分析，VCSEL最容易失效的位置在于外延區(qū)域的氧化層附近，因?yàn)檠趸瘜硬牧?AlxOy-GaAs)與周?chē)腉aAlAs有晶格還配很大不同，假設(shè)單結(jié)有0.1%失效，則10結(jié)有接近10倍(1% = 1-99.9%^6)的失效概率。

  二、異質(zhì)外延導(dǎo)致發(fā)散角控制難度增大。

  考慮到多氧化層(有源區(qū)出現(xiàn)重復(fù)物理結(jié)構(gòu))，激光傳播路徑上，由于折射效應(yīng)會(huì)引入更多波長(zhǎng)模態(tài)，VCSEL激光射出發(fā)散角會(huì)變大，必須采用更多辦法對(duì)發(fā)散角予以控制，比如用更厚的發(fā)散角控制層來(lái)進(jìn)行濾波控制。

  三、異質(zhì)外延及氧化層發(fā)散角控制層導(dǎo)致散熱困難。

  由于氧化層與周?chē)牧系膶?dǎo)熱系數(shù)不同，且更厚的發(fā)散角控制層延長(zhǎng)了散熱路徑，導(dǎo)致在車(chē)規(guī)級(jí)等極高功率密度情況下的散熱更難，也進(jìn)一步增加了VCSEL的失效風(fēng)險(xiǎn)。

  以上的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，主要帶來(lái)3方面影響

  一、性能提升受限。

  由于熱控制方面更加嚴(yán)苛，在面對(duì)車(chē)規(guī)級(jí)應(yīng)用超高功率密度的情況下，高重頻的驅(qū)動(dòng)會(huì)受限，同時(shí)發(fā)散角收斂會(huì)更加困難。

  二、失效風(fēng)險(xiǎn)增加影響可靠性。

  氧化層帶來(lái)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面、以及更難的散熱，將倍數(shù)級(jí)增加器件的失效風(fēng)險(xiǎn)，產(chǎn)生產(chǎn)品應(yīng)用的致命風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于車(chē)規(guī)級(jí)的應(yīng)用，考慮到運(yùn)行環(huán)境更加嚴(yán)苛(車(chē)規(guī)級(jí)AEC-Q102需要在-40℃至125℃的環(huán)境下工作)，會(huì)使得MOMJ的結(jié)構(gòu)面臨更嚴(yán)苛的失效挑戰(zhàn)。

  三、工藝控制難度降低良率。

  由于需要涉及多氧化層的設(shè)計(jì)，外延生長(zhǎng)的控制與工藝均勻性的控制一致性會(huì)更嚴(yán)峻，產(chǎn)品一致性與良率也會(huì)受到挑戰(zhàn)。

  單氧化層多結(jié)VCSEL結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新

  為解決如上結(jié)構(gòu)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，自2019年起，睿熙重新設(shè)計(jì)了多結(jié)VCSEL的結(jié)構(gòu)，著力研發(fā)相較于傳統(tǒng)“堆疊多結(jié)”(MOMJ,Multi-Oxidization Multi-Junction)的下一代“重構(gòu)多結(jié)-單氧化層多結(jié)”架構(gòu)(SOMJ,Single-Oxidization Multi-Junciton), 通過(guò)對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)，可以看到SOMJ主要帶來(lái)2個(gè)結(jié)構(gòu)上的提升:

  A: 單氧化層設(shè)計(jì)

  B: 更薄的發(fā)散角控制層

  由于單氧化層的設(shè)計(jì)加上更薄的發(fā)散角控制層，SOMJ自設(shè)計(jì)原理上帶來(lái)了更高的功率密度/高重頻、低發(fā)散角(10°)、高可靠性（相對(duì)于X結(jié)MOMJ結(jié)構(gòu)1/X的失效概率)、以及設(shè)計(jì)與生產(chǎn)高一致性。

  在客戶(hù)使用實(shí)踐中，首款搭載睿熙SOMJ芯片的車(chē)規(guī)級(jí)補(bǔ)盲激光雷達(dá) Robin-W,在實(shí)用功率密度上超3500W/mm2 (2023年水平)，遠(yuǎn)超行業(yè)平均水準(zhǔn)，因此獲得70m@10%的探測(cè)距離(行業(yè)平均水平10m-30m)。截至2025年5月，睿熙8結(jié)MOMJ可實(shí)現(xiàn)7500W/mm2功率密度，為基于VCSEL發(fā)射光源的激光雷達(dá)提供更遠(yuǎn)的測(cè)距能力。

  今后激光雷達(dá)的發(fā)展將沿著“機(jī)械式-半固態(tài)-全固態(tài)”的技術(shù)路線(xiàn)演進(jìn)，伴隨當(dāng)前VCSEL x SPAD-SOC 架構(gòu)的收斂，睿熙的SOMJ將在很大程度上賦能未來(lái)激光雷達(dá)的發(fā)展，并進(jìn)一步應(yīng)用于包含各類(lèi)低速L4移動(dòng)機(jī)器人、低空飛行器等應(yīng)用。

  結(jié)語(yǔ)

  睿熙科技的單氧化層多結(jié)技術(shù)(SOMJ)，以“單層設(shè)計(jì)”破局“多層困局”，在可靠性、成本與性能三大維度實(shí)現(xiàn)全面超越。這不僅為車(chē)規(guī)級(jí)激光雷達(dá)提供了高水準(zhǔn)的核心光源，更推動(dòng)了中國(guó)VCSEL芯片技術(shù)從“國(guó)產(chǎn)替代”向“全球領(lǐng)先”的跨越。