美国科学家直接将VCSEL集成至电子芯片 可用于自动驾驶传感技术

当你使用面部识别解锁手机的时候，手机如何知道你是你呢？其实是有一组微小的激光照亮你的脸，然后手机会利用反射的激光构建一个3D模型，就跟脸部地形图一样，如此一来，手机软件就可以利用该模型决定是否解锁手机。

此类称为垂直腔面发射激光器（VCSEL）的微小激光器使得该技术成为可能。传统而言，此类激光器被用于短程数据传输、激光打印机，甚至是电脑鼠标。不过，自从其开始出现在主流面部识别和3D成像技术以来，人们对该激光器的需求就出现了爆炸性增长，而且还要求此类激光器变得更高效、更紧凑。

据外媒报道，美国伊利诺伊大学香槟分校格雷格工程学院（UNIVERSITY OF ILLINOIS GRAINGER COLLEGE OF ENGINEERING）电气与计算机工程系教授John Dallesasse研究小组的研究生Leah Espenhahn演示了一种直接将VCSEL集成至电子芯片中的新工艺。她采用一种称为外延转移（epitaxial transfer）的方法，直接在硅微电子器件上打造VCSEL，就像在硅器件中为激光器创建了小岛，并表示：“与独立打造VCSEL，再将其连接到微电子器件的标准设备相比，采用外延转移法打造的VCSEL更紧凑、性能更好、更不易过热。”

Espenhahn拿着完全集成在硅上的VCSEL晶圆（图片来源：伊利诺伊大学香槟分校格雷格工程学院）

VCSEL属于一种半导体激光器。与其他激光器一样，能够产生强烈集中的光束，但其完全由半导体材料制成。这意味着，同样由半导体材料制成的电子微芯片的制造技术可适用于激光器。

许多半导体激光器都是从侧面发射激光，即光束会平行于电触点。此类设备需要额外的传统制造步骤，以确保有一个光滑表面，让激光能够顺利离开材料。相比之下，VCSEL产生的激光则垂直于电触点，并垂直穿过顶层，简化了制造过程，为设计更紧凑的设备打开了大门。

创建VCSEL阵列的标准方法是手动将预制激光器以“倒装芯片绑定”的方式焊接到电子芯片上，该过程十分耗时，而且精度有限。如果要让最终的设备更小更高效，则需要在微芯片上将其与电子设备直接集成到一起。

Espenhahn通过将未被处理的VCSEL设备结构连接到临时平台上来实现这一点。在为单个激光器蚀刻不同的材料“岛”之后，会将一层粘合材料至于上方。然后将临时平台翻转并置于主硅平台之上，让不同的材料“岛”粘合在一起。在移除临时平台之后，会留下一组由外延转移法制成的材料“岛”，可用于加工成VCSEL设备。

由于VCSEL是在转移过程之后制造的，因而与“倒装芯片绑定”的器件相比，能够以更精确地方式放置到电子电路上。此外，最后制成的器件也会拥有更好的热性能，实现更强的可控性。

面部识别只是激光雷达技术的一个应用，该技术会利用反射的激光在计算机上创建图像或模型。基于VCSEL的激光雷达的另一个突出应用是用于自动驾驶汽车视觉与传感技术。