VCSEL 晶圆光参数测试分析

半导体激光器由于其高功率、高效率、高可靠性和体积小、重量轻和寿命长等特点，目前已经被广泛应用于医疗美容、工业加工、国防军事、通信、光存储和科研应用等诸多领域。同时随着目前芯片生产技术的提升（芯片功率/效率和寿命的提升）、高效散热材料的开发和电子封装技术、设备的发展，半导体激光器已逐渐成为目前最可靠和应用最广泛的光源之一。

半导体激光器应用介绍

医疗美容

大功率半导体激光器因其结构简单，体积重量小便于携带，供电简单等特点，已经取代固体激光器成为激光医疗美容领域理想的光源。近几年来，应用于外科手术、眼科、牙科、皮肤科、脱毛等医疗美容领域的激光器逐年增长。

工业加工

半导体激光器的准确性和快速性，以及功率密度高和可进行光学整形等特性让半导体激光器在工业加工方面,如激光焊接、激光熔覆等得到了广泛的应用。

通信和消费电子

激光通讯技术是一种以激光信号作为信息传输的载体，通过大气传播的无线电通讯，其主要特点包括激光的单色性好、方向性强、功率集中、容易安装等特点被广泛应用。智能手机和用于自动驾驶汽车的激光雷达等新兴消费电子器件的发展，逐渐将激光器的应用推向全新的高度。

在光纤通讯中，半导体激光器作为光源发展十分迅速。半导体激光器的诸多特点再加上光纤的低损耗，加速了光纤通讯的发展。激光器在光通讯领域中的应用主要原理为光发射�？榻缧藕抛晃庑藕�，光接收模块将光信号转换成电信号。光发射�？樾枰⑸浜焱夤獾钠骷�，一般为边发射半导体激光器、垂直腔面发射激光器(VCSEL)和红外光二极管三种。其中半导体激光器尤其是VCSEL,因为其光束质量好、模式低、稳定性高、寿命长，耦合效率高等特征，在光通信领域增长迅速。

激光雷达测量技术(Light Detection And Ranging,LiDAR)从最初的微波雷达发展至激光雷达。相比于微波雷达，激光雷达的波长要短很多，波束更窄，因此其体积会更小、重量更轻，具有更高的角度分辨率和抗干扰性。

除了军事领域的应用，激光雷达也迅速向民用市场扩展。其中，无人驾驶可以说是最热门的一个应用。车载激光雷达作为自动驾驶汽车最重要的传感器之一，其精准测量、识别和跟踪目标物的特点，可以帮助无人驾驶汽车避开障碍物,其在机器中的作用相当于人类的眼睛，能够确定物体的位置、大小、外部形貌甚至材质。激光雷达的工作原理为向目标发射载波探测信号，通过测量反射信号的到达时间和波束方向、频率变化等来确定测量目标的距离、方向和速度。

半导体激光器分类

半导体激光器芯片按照发光方向可以分为垂直腔面发射半导体激光器 Vertical Cavity Surface Emiting Laser (VCSEL) 和边缘发射半导体激光器 Edgc-Emitting Laser ( EEL)。VCSEL 因为其光束质量好、频率高等特点被广泛应用在激光通讯和显示等领域。但功率相对较低是其一个重要的限制因素。因此大功率半导体激光器通常选择边缘发射芯片。

2004年，VCSEL首次进入消费电子产品：Logitech MX1000激光无线鼠标，成为激光导航（定位）传感器的光源。2017年，VCSEL阵列首次进入苹果iPhone X，成为3D人脸识别的光源。这也带火了整个VCSEL产业，市场规模迅速扩大。VCSEL技术目前在人脸识别、3D感测、汽车自动驾驶、手势侦测和VR（虚拟现实）/AR（增强现实）/MR（混合现实）等应用领域备受关注。

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VCSEL有诸多方面的优点

一、其出射光斑是圆形的，如下图左侧，而EEL的出射光斑是椭圆形的，VCSEL的圆形光斑更易于与光纤耦合，耦合效率比EEL的大很多；

二、VCSEL的发光方向是垂直的，而EEL是从侧面出光，VCSEL垂直出光更适合用来做成二维阵列形式；

三、VCSEL阈值电流很�。梢栽�1~2mA之间的低电流下工作，能耗低；

四、VCSEL在封装前就可以对芯片进行检测，进行产品筛�。蠼档土瞬返某杀�，而对于EEL，必须对晶圆进行切割，然后构建器件的其余部分并对其进行测试，这会使测试变得更加困难。

VCSEL晶圆光参数测试分析

VCSEL阵列光束质量分析基本原理介绍

假设每个单元的中心间距为130μm，所以每个单元的占地为130μmx130μm的正方形。由于每个VCSEL单元都有一定的发散角，所以每个单元的光束直径会随着传播距离的增加而增加，在光束传播一段距离之后光束会开始重合，重合时光斑的直径开始大于130μm，光束的发散角越大，光束开始重合的距离越短。在光束重合之前，得到的光强分布是近场图像，其图像为每个VCSEL单元的光斑。经过较长距离的传播，每个VCSEL单元的光斑开始重合，我们得到VCSEL 阵列的远场图像。

我们利用拍摄显微照片的方式获得了VCSEL阵列的近场图像，利用 CCD相机拍摄光屏上的像的方式获得了VCSEL 阵列的远场图像。下图为利用 CCD相机拍摄远场图像的示意图，光屏距CCD相机的距离为镜头的焦距，此时光屏上的像被镜头缩小固定倍数后投射到感光原件上，这样不仅可以测量光斑的光强分布，还可以测量光斑的尺寸，所以我们可以通过这个系统测量VCSEL阵列发散角。需要注意的是，在测量不同位置处光斑尺寸时，需要保证光屏和镜头的相对位置不变，否则会导致光屏不在镜头的焦平面，这样的测量结果是不准确的，所以我们可以移动激光器阵列或者同时移动光屏和CCD镜头。

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客户现场应用

远场图像主要反映了 VCSEL 阵列的光束的强度分布和发散角。VCSEL阵列来说，近场图像能够帮助我们判断VCSEL 阵列中是否有损坏的单元。

下图分别是近场相机与远场相机拍摄的图像

SEMISHARE致力为客户提供高性能的晶圆探针台与测试方案，目前服务全球客户超过1000家以上的高校与科研院所、FAB工厂、面板厂等企业，作为中国正在崛起的半导体测试设备行业典范，公司在半导体测试领域有着诸多的成功技术案例与经验。
SEMISHARE提供的标准化与定制化探针台系统，涵盖了从实验室到晶圆厂的测试需求，包括：手动探针台、半自动探针台和全自动探针台。在面板领域有TEG/LCD,OLED激光修复机，大数据缺陷检测分类。公司设备广泛应用于I-V／C-V测试，RF/mmW测试，高压/大电流测试，MEMS、高低温测试、光电器件测试，晶圆级失效分析、霍尔测试。

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