从工艺段层层突破 VCSEL如何落实“降本增效”？

若欲从基础性能上完胜机械式激光雷达，固态产品必然需要高性能的光源加持。因此，深耕固态激光雷达领域的传感器厂商们，往往对于VCSEL芯片的性能有着很高的要求。当然，这一切也还得建立在高性价比的基础之上。

Anmin Jin告诉记者：“应用到车载激光雷达，市场期望工作距离在几百米，这需要更大功率的VCSEL，也将对其芯片和封装的散热设计提出新的要求。”

而就目前的VCSEL应用来看，还存在着诸多问题，深圳博升光电科技有限公司总经理沈志强表示：“首先，在工艺端，现有的VCSEL外延层非常厚，940nm的VCSEL厚度都达到了9微米，200多层外延结构；而且，因为基于周期性的累加，高反射DBR非常厚。而在性能上，发散角过大，探测距离不够远，信噪比低，强光下的抗干扰能力差，同时单位面积的功率密度不高。”

“博升光电采用了单层的HCG去取代百层的DBR，让厚度减小到原来的5%左右至0.15微米，这也极大的减轻的外延工艺的难度，并提升稳定性和光电性能。而且，探测距离也由此增加了2倍以上，信噪比、分辨率以及发散角都得到了很多的优化，模组体积进一步减小，从而降低了整体系统的成本。”

针对这些问题，博升光电也从基础工艺层层递进，对芯片的结构做了不少改进和突破，沈志强告诉记者：“我们采用了单层的HCG去取代百层的DBR，让厚度减小到原来的5%左右至0.15微米，这也极大的减轻的外延工艺的难度，并提升稳定性和光电性能。而且，探测距离也由此增加了2倍以上，信噪比、分辨率以及发散角都得到了很多的优化，模组体积进一步减小，从而降低了整体系统的成本。今年5月，我们这款产品已经经过代工厂流片，预计10月将正式推出产品，可以很好的符合车载激光雷达的应用需求。”

作为目前拥有全球领先的高功率VCSEL技术的厂商，ams的产品也有着独特的差异化优势，Anmin Jin表示：“ams的VCSEL具备领先的功率转换效率（>50%），电光转换率可达到5W/A，单片可具有从1个至1万个以上的发光源（可扩展），同时具有可扩展的发光源功率，每个发光源功率可从0.1W至1W以上，并能够实现1D或2D的可寻址方式。”

从应用需求端考虑，“在供应商以及客户重视的产品性能、产品尺寸与成本方面，ams的VCSEL技术光束角度小，高精度，可在单位面积上实现尽可能多的VCSEL点，比如可以将最多5万VCSEL点集中在一个小的面积上。ams独特的VCSEL阵列可以实现很大的功率，这些是实现固态激光雷达应用的关键优势。另外，符合车规和拥有自己的晶圆厂都是保证能够有效支持车规激光雷达项目的基础。”Anmin Jin总结到。

针对VCSEL的“降本增效”，纵慧芯光则采用从单结向多结（PN结）递进的方式，Ryan指出：“我们单结的产品在-40度到105度的温度范围内，都能保持很好的PCE性能。如今，我们也在推多结的VCSEL产品，基本概念也是将多个PN结通过外延生长的方式长在一起，能够在相同注入电流的条件下，提升3-5倍甚至更多倍的发光功率，且对于提升整个光源的功率密度、探测距离以及信噪比都有非常大的帮助。比如三节的VCSEL在50度的情况下可以做到50%的PCE性能，是单节的三倍，光功率也能达到350W以及每平方毫米1000W的功率密度，这在业界来看目前也是处于领先的。”利用这种方式，能够很明显的提升芯片的整体性价比。

但显然，这种多结应用也会带来芯片散热问题，Ryan认为：“散热设计的确是多结应用中存在的问题，但在车载应用的DToF模式下，短脉冲、千分之一占空比的情况下，相比iToF来讲平均功耗其实是很小的。从我们产品的高温稳定性来看，在车载的应用中，比如从85度到25度，芯片的平均功耗也差不多只有8%左右的变化。”这也很直观的体现出纵慧芯光在VCSEL芯片散热设计上的优势。

总之，如今的激光雷达战场已有巨头入局，后续降成本、广铺货将成为主旋律，这无疑将加速固态激光雷达在限定场景的无人驾驶以及智能交通等诸多领域的普及应用。但这一切的前提，都还需要高性价比的VCSEL芯片加持。在芯片的“降本增效”上，芯片结构的创新固然重要，但编者认为，芯片供应商对产能、良率以及成本和性能的综合把控能力才是真正保证稳定供货、循序渐进提升性价比的基础。

如今，无论是ams还是纵慧芯光，都已经拥有了自主的VCSEL晶圆产线。Anmin Jin透露，ams在新加坡和奥地利都有自己的晶圆厂，而且是拥有完全符合车规要求的产线。另外，ams也有第三方的生产合作伙伴提供额外的产能保障，生产工艺完全由ams自己掌握，所以产品的质量和良率都有很好的掌控。而纵慧芯光当前也已经拥有国内第一条6寸的VCSEL晶圆产线，且具备自主封装、测试等全方位的能力。由此可见，车用激光雷达VCSEL必定是一场“全球战”，而在这一空前激烈的战场上，“国产芯”必将不会缺席。