VCSEL（Vertical Cavity Surface Emission Laser）是垂直腔面发射激光器的英文缩写，它意味着器件的出光方向与其材料生长方向相同，即垂直于芯片的衬底面（见图1）。由于VCSEL具有若干独特的特点，比如，有源区可以做得很小，光功率密度低，无需解理腔面且出光方向垂直出射等。的确，典型单模VCSEL芯片的有源区体积只有0.3μm³左右，仅为同类型单模边发射激光芯片有源区的1/30左右，因为激光的阈值电流大致与其体积成正比，所以VCSEL的阈值电流可以小到100μA以下；VCSEL的光功率密度通常不超过10kW/cm²，是边发射激光芯片的千分之一，这样就自然避免了因功率密度过高造成的腔面损伤这一致命问题；再则，无需解理腔面的特点意味着芯片后端工艺简单、且其尺寸可以做得非常小，从而有利于提升芯片产出，无需解理还意味着可以直接在晶圆上进行测量筛选，从而显著降低芯片生产成本。除此之外，VCSEL还具有光束圆对称，易于光学耦合等特点。

红光VCSEL是种类繁多的VCSEL家族中一种重要分支，广泛应用于塑料光纤通讯、激光显示、光传感等领域。虽然在一般意义上红光的光谱范围为622~780nm，然而对于红光VCSEL来说，目前在实验室能够获得最短的波长大致为650nm，商业性产品的波长通常在660~690nm之间。红光VCSEL在结构上，大致由n型AlGaAs/AlGaAsDBR、包括量子阱有源区在内的λ腔、p型AlGaAs/AlGaAs DBR 组成。为了确保器件能够激射并具有低阈值电流，DBR的反射率必须足够高。

不同于850nm或940nm VCSEL，红光VCSEL在设计、生长和制作上给人们带来相当的挑战，短波长红光（<670nm）VCSEL的制作尤为困难。之所以如此，是因为红光有源区材料采用InGaAlP材料，而这一材料的固有缺陷是其带隙非常有限，势垒与势阱间的带隙差小，严重限制了短波长有源区对载流子的空间限制能力，从而导致器件的发光效率低下，温度特性差。

在VCSEL工艺中，氧化工艺是其独有且至关重要的关键工艺。氧化工艺具有双重作用：第一，通过氧化，将含有高Al组份的Al0.98GaAs材料转换成铝的氧化物，从而变成不能导电的绝缘体，这样，可以将注入的电流限制在较小的区域内；第二，氧化工艺同时改变了被氧化区域材料的折射率，从而形成所谓的波导效应，对光起到空间限制作用。鉴于芯片的光电参数，如阈值电流、光功率、芯片电压等与芯片的工艺参数——氧化孔径密切相关，我们仔细研究了芯片参数与氧化圈孔径大小之间的关系。

图2为仿真计算的不同氧化孔径时，680nm 激光器在TO56 封装条件下的光功率、电压以及电光转换效率随电流变化的关系。很显然，小氧化孔径的芯片阈值电流小，但因受芯片热效应的影响，能够输出的最高光功率也小一些；反之，对于较大氧化孔径的芯片，尽管阈值电流大一些，但能够工作在更高的光功率状态。

另一方面，从电光转换效率的角度看，尽管不同孔径的最高电光转换效率非常接近，然而，小氧化孔径芯片的最佳效率所对应的电流，要比大孔径芯片的最佳效率所对应的电流要小，而且在电光转换效率意义上说，小孔径的工作窗口更小一些。所以对于实际的应用而言，需要确切掌握实际应用所需要的功率参数，据此设计最佳的氧化孔径。图3-5为德瑞光电实际生产的孔径为16μm的680nmVCSEL芯片测试结果，表1为主要性能参数。

如前所述，由于红光VCSEL采用InGaAlP 量子阱发光材料，而InGaAlP 材料的带隙非常有限，而材料带隙对芯片的内量子效率以及温度特性有着极为显著的影响。因此，短波长红光VCSEL芯片的性能要比长波长VCSEL的性能差，比如当波长变为665nm时，芯片的斜率效率以及对应的电光转换效率显著变差，图7为德瑞光电的665nm VCSEL 的实际测试结果。从图7中可以看出，当波长变为665nm时，芯片的斜率效率减小到约0.7mW/mA，对应的电光转换效率也减小到20%左右。

总之，通过过去三年多的持续研发努力，德瑞光电的红光VCSEL芯片无论参数性能、还是可靠性指标均已达到甚至超越国际同类产品，大量小规模市场应用，已经满足了用户的不同要求。德瑞光电将持续投入大量资源，开展高性能红光VCSEL芯片的研发，包括芯片温度特性的提升、更短波长的VCSEL的研发等，推动我国VCSEL产业健康发展。