Vertical-cavity surface emitting lasers (VCSEL)

Oberflächenemittierende Laser bieten Flexibilität und Zuverlässigkeit.

VCSEL

Vertical-Cavity Surface-emitting Laser (VCSEL) haben gegenüber anderen Laserarten eine Reihe von Vorteilen, beispielsweise:

  • Oberflächenemission; ermöglicht Designflexibilität in adressierbaren Arrays
  • Geringe Temperaturabhängigkeit der Laser-Wellenlänge
  • Hohe Zuverlässigkeit
  • Wafer-Level-Fertigungsprozess


Aufgrund dieser Eigenschaften sind VCSELs für eine Vielzahl von Anwendungen besser geeignet als herkömmliche kantenemittierende Diodenlaser und LEDs.

Die ams OSRAM VCSEL-Technologie (Vertical-Cavity Surface-emitting Laser) umfasst die Epitaxiestruktur und das Chipdesign, das Epitaxiewachstum, die Front- und Back-End-Verarbeitung, das Packaging sowie fortschrittliche Tests und Simulationen. ams OSRAM VCSELs sind für den Betrieb bei einer Umgebungstemperatur von bis zu 150°C ausgelegt.

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VCSEL Automobil

VCSEL sind eine Schlüsselkomponente für LiDAR in der Automobilindustrie und für Sensoren im Fahrzeuginnenraum. VCSEL haben einige entscheidende Vorteile:

  • Höhere Effizienz – VCSEL erreichen typischerweise 45 % bei Raumtemperatur, und das gestapelte Material erreicht bis zu 6 V pro VCSEL.
  • Adressierbare Arrays und Strahlqualität – Das adressierbare Array ist eine natürliche Ergänzung für reine Festkörper-LiDAR. Jeder Emitter/Streifen deckt während des Scans ein Teilsegment des Sichtfeldes ab, indem er nacheinander Abschnitte des VCSEL-Arrays ansteuert.
  • Skalierbarkeit der Leistung (High Power Packaging) – Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Leistung des Chips zu steigern, und ein Schlüsselelement ist die Echoplanare Bildgebung (EPI) durch Multischichttechnik. Diese Multischicht-, oder Multi-Stack-EPI, verbessert die Steilheitseffizienz je nach Stapelschicht, z. B. 3-Stack-EPI mit einer Steilheitseffizienz von 3 W/A bei Raumtemperatur.
  • Geringe Wellenlängenverschiebung - <0,1 nm/°C Wellenlängenverschiebung über die Temperatur.
  • Qualität – Für Innenraumsensoren und LiDAR im Automobilbereich ist eine Qualifizierung nach AEC-Q102 Grade 1 erforderlich. ams VCSEL erfüllen diese Anforderungen durch ein spezielles Chip- und EPI-Design.
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VCSEL 3D-Sensorik

Heute ist die Gesichtserkennung zwar definitiv die Hauptanwendung in der 3D-Sensorik, doch sie ist mit Abstand nicht die einzige. In Zukunft wird sich die 3D-Sensorik noch viel weiter entfalten, und VCSEL sind dabei eine wichtige Komponente. Nachfolgend sind einige der wichtigsten Vorteile von VCSEL in 3D-Sensoranwendungen aufgeführt.

  • Höhere Effizienz – VCSEL erreichen typischerweise 45 % bei Raumtemperatur. Das gestapelte Material erreicht bis zu 6 V pro VCSEL.
  • Beleuchtungsmodul ohne Diffusor – Ermöglicht die Strahlformung dank der Mikrooptik-Arrays auf Chipebene. Durch die Verkleinerung des Gehäuses können die Chipkosten gesenkt werden.
  • Geringe Divergenz – Die typische VCSEL-Divergenz liegt bei >20°. ams kann jedoch mit interner Technologie einen Chip mit einer Divergenz von nur 10° demonstrieren.
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VCSEL-Technologie und Die-Struktur

Während wir die aktuelle Produktentwicklung im Bereich VCSEL unterstützen, forschen wir weiterhin an fortschrittlicher VCSEL-Technologie, um den Marktanforderungen gerecht zu werden und unsere Kunden besser bedienen zu können.

Integrierte Optik: Das GaAs-Substrat des VCSEL-Flip-Chips wird im Fotolithografie-Verfahren eingeätzt. Es ist kein VCSEL-/Optik-Montageprozess erforderlich und alles wird als integraler Bestandteil des VCSEL-Wafer-Fab-Herstellungsprozesses durchgeführt. Diese Technologie wird die Risiken für die Augensicherheit erheblich verringern und auch die Gehäusekosten (kein Glasdiffusor oder Träger) und die Chipgröße (insbesondere die Höhe) reduzieren. Um diese Technologie zu ermöglichen und gleichzeitig die Wärmeableitung zu verbessern, ist ein Rückseitenemitter erforderlich, und es wird keine Drahtverbindung benötigt.

Adressierbare Array-Technologie – Top Emitter: Adressierbare Arrays sind eine weitere von ams entwickelte Schlüsseltechnologie. Der adressierbare Chip kommt typischerweise in LiDAR-Anwendungen im Automobilbereich zum Einsatz, insbesondere bei der 1D-Zeilen- und 2D-Segmentabtastung. Der adressierbare Chip wird auch in dToF-Lösungen für Verbraucheranwendungen eingesetzt werden.

Langwellige VCSEL (>1000 nm): ams OSRAM beginnt mit der Entwicklung langwelliger VCSEL für verschiedene Anwendungen, insbesondere für Behind OLED.

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