睿熙科技：VCSEL的SOMJ单氧化层多结技术

  传统堆叠多结技术(MOMJ)需引入多层氧化层结构，每增加一层氧化层，工艺复杂度与失效风险随之倍增。单氧化层多结基数(SOMJ),对第一代多结设计进行了重构，兼顾了性能与可靠性，但对于工艺设计提高了难度。

  单结VCSEL及基本结构

  VCSEL至发明以来，首先被用于7x24x365工作的数据中心，进而在苹果手机、平板、VR应用上实用。截至目前,单结(单氧化层)VCSEL结构累计出货了超10亿颗，可以说是一种非常稳定的结构。

  如上所示，单结VCSEL的设计主要包含激光器的2个核心结构，增益介质(有源区)、谐振腔(上/下DBR，布拉格反射镜)。简单说，在电流通过量子阱(Quantum Well)层时，电子转换为光子，光子每次经过上、下的布拉格反射镜反射，并在每次经过有源区时进行增益，最终布拉格反射镜筛选出一定波长的激光，从VCSEL发光孔射出。

  传统多结VCSEL结构设计与挑战

  由于单结功率的限制，功率密度始终难以提高，限制了在车规级激光雷达的应用。业界探索多氧化层路线时，首先想到的是做简单复制。如下是多结VCSEL的基本结构(经简化)。

  可以看到，除在有源区引入多氧化层、多隧穿层的结构后，在衬底与反射镜2（下DBR）之间还会引入发散角控制层，发散角控制层可以看作一个滤波器，将因导入多个氧化层而带来的多个模态的波长信号滤除，仅留下关键波长。

  伴随结数增加，业界开始发现可以接近线性地提升功率密度，然而这仅仅完成了功率密度的提升，从产业界可靠性角度仍有几座大山难以逾越。

  一、异质外延导致晶格匹配失效概率倍增。

  经过失效分析，VCSEL最容易失效的位置在于外延区域的氧化层附近，因为氧化层材料(AlxOy-GaAs)与周围的GaAlAs有晶格还配很大不同，假设单结有0.1%失效，则10结有接近10倍(1% = 1-99.9%^6)的失效概率。

  二、异质外延导致发散角控制难度增大。

  考虑到多氧化层(有源区出现重复物理结构)，激光传播路径上，由于折射效应会引入更多波长模态，VCSEL激光射出发散角会变大，必须采用更多办法对发散角予以控制，比如用更厚的发散角控制层来进行滤波控制。

  三、异质外延及氧化层发散角控制层导致散热困难。

  由于氧化层与周围材料的导热系数不同，且更厚的发散角控制层延长了散热路径，导致在车规级等极高功率密度情况下的散热更难，也进一步增加了VCSEL的失效风险。

  以上的设计挑战，主要带来3方面影响

  一、性能提升受限。

  由于热控制方面更加严苛，在面对车规级应用超高功率密度的情况下，高重频的驱动会受限，同时发散角收敛会更加困难。

  二、失效风险增加影响可靠性。

  氧化层带来的异质结构界面、以及更难的散热，将倍数级增加器件的失效风险，产生产品应用的致命风险。对于车规级的应用，考虑到运行环境更加严苛(车规级AEC-Q102需要在-40℃至125℃的环境下工作)，会使得MOMJ的结构面临更严苛的失效挑战。

  三、工艺控制难度降低良率。

  由于需要涉及多氧化层的设计，外延生长的控制与工艺均匀性的控制一致性会更严峻，产品一致性与良率也会受到挑战。

  单氧化层多结VCSEL结构的创新

  为解决如上结构带来的挑战，自2019年起，睿熙重新设计了多结VCSEL的结构，着力研发相较于传统“堆叠多结”(MOMJ,Multi-Oxidization Multi-Junction)的下一代“重构多结-单氧化层多结”架构(SOMJ,Single-Oxidization Multi-Junciton), 通过对比两种结构，可以看到SOMJ主要带来2个结构上的提升:

  A: 单氧化层设计

  B: 更薄的发散角控制层

  由于单氧化层的设计加上更薄的发散角控制层，SOMJ自设计原理上带来了更高的功率密度/高重频、低发散角(10°)、高可靠性（相对于X结MOMJ结构1/X的失效概率)、以及设计与生产高一致性。

  在客户使用实践中，首款搭载睿熙SOMJ芯片的车规级补盲激光雷达 Robin-W,在实用功率密度上超3500W/mm² (2023年水平)，远超行业平均水准，因此获得70m@10%的探测距离(行业平均水平10m-30m)。截至2025年5月，睿熙8结MOMJ可实现7500W/mm²功率密度，为基于VCSEL发射光源的激光雷达提供更远的测距能力。

  今后激光雷达的发展将沿着“机械式-半固态-全固态”的技术路线演进，伴随当前VCSEL x SPAD-SOC 架构的收敛，睿熙的SOMJ将在很大程度上赋能未来激光雷达的发展，并进一步应用于包含各类低速L4移动机器人、低空飞行器等应用。

  结语

  睿熙科技的单氧化层多结技术(SOMJ)，以“单层设计”破局“多层困局”，在可靠性、成本与性能三大维度实现全面超越。这不仅为车规级激光雷达提供了高水准的核心光源，更推动了中国VCSEL芯片技术从“国产替代”向“全球领先”的跨越。