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VCSEL简介、应用与厂商布局

材料深一度 · 2019-04-16
VCSEL进入智能手机产业链,是以VCSEL技术为代表的半导体激光技术在消费电子领域的重大突破。今天,1度姐将为大家介绍VCSEL的相关知识、市场规模以及国内外相关厂商在此领域的布局情况。

导读

VCSEL进入智能手机产业链,是以VCSEL技术为代表的半导体激光技术在消费电子领域的重大突破。今天,1度姐将为大家介绍VCSEL的相关知识、市场规模以及国内外相关厂商在此领域的布局情况。

VCSEL简介

VCSEL全名为垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL),简称面射型激光,是光纤通讯所采用的光源之一。基本结构是由上下两个DBR(Distributed Bragg Reflector)反射镜和有源区这三部分组成。上下两个DBR反射镜与有源区构成谐振腔。有源区由几个量子阱组成,作为VCSEL的核心部分,决定着器件的阈值增益、激射波长等重要参数。VCSEL常用的原材料有砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体,具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点。

与之相对的,边发射激光器(EEL)的光则从芯片边缘射出。该技术也可以用作VCSEL阵列,由数百个VCSEL组成,胶黏和键合后犹如常规LED。两者相似处:EEL 和VCSEL的带宽均较窄;EEL和VCSEL的极短切换时间使得它们适用于TOF(飞行时间)类应用。

与传统边发射激光器不同的结构带来了许多优势:小的发散角和圆形对称的远、近场分布使其与光纤的耦合效率大大提高,而不需要复杂昂贵的光束整形系统,现已证实与多模光纤的耦合效率竟能大于90%;光腔长度极短,导致其纵模间距拉大,可在较宽的温度范围内实现单纵模工作,动态调制频率高;腔体积减小使得其自发辐射因子较普通端面发射激光器高几个数量级,这导致许多物理特性大为改善;可以在片测试,极大地降低了开发成本;出光方向垂直衬底,可以很容易地实现高密度二维面阵的集成,实现更高功率输出,并且因为在垂直于衬底的方向上可并行排列着多个激光器,所以非常适合应用在并行光传输以及并行光互连等领域,它以空前的速度成功地应用于单通道和并行光互联,以它很高的性能价格比,在宽带以太网、高速数据通信网中得到了大量的应用;最吸引人的是它的制造工艺与发光二极管(LED)兼容,大规模制造的成本很低。

VCSEL制造流程大致为:材料外延生长→外延结构的表征(X射线衍射、反射谱、光致荧光谱、电化学C-V特性等)→器件工艺(包括外延片清洗、晶片键合、刻蚀、金属膜溅射、光学镀膜等)→后段工艺(包括引线键合、划片、封装、光纤耦合等)→器件性能测试(包括I-V特性、I-P特性、发射光谱、频响特性等),最终完成从材料到器件的全过程。

VCSEL应用领域与市场规模

在应用领域方面,VCSEL从诞生起就作为新一代光存储和光通信应用的核心器件,应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域。随着工艺、材料技术改进,VCSEL器件在功耗、制造成本、集成、散热等领域的优势开始显现,逐渐应用于工业加热、环境监测、医疗设备等商业级应用以及3D感知等消费级应用。

未来,随着智能化信息世界的不断发展,VCSEL将广泛应用在消费电子3D成像、物联网、数据中心/云计算、自动驾驶等领域。其中,VCSEL在消费电子领域发挥越来越重要的作用,VCSEL可用来进行智能手机人脸识别、无人机避障、VR/AR、扫地机器人、家用摄像头等。

从Yole发布的《VCSEL技术、产业和市场趋势》报告获悉,2017年VCSEL整体市场规模达到了3.3亿美元,预计VCSEL出货量将从2017年的6.52亿颗增长至2023年的33亿多颗,到2023年整体市场规模将增长至35亿美元,2017~2023年的复合年增长率高达48%。

VCSEL厂商布局

VCSEL国外厂商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams、Osram等,国内主要有江苏华芯、武汉光迅科技,其他还有山东太平洋、深圳源国、国星光电、华工科技、三安光电、乾照光电、华灿光电以及睿熙科技等公司。可以看出,基本上都是来自于光通信芯片的龙头企业;也正是VCSEL有了在光通信领域的经验,消费级应用变得顺理成章,两者产品具备很强的技术延展性。

最常用于制造VCSEL的材料是砷化镓(GaAs)、砷化铝镓(AlGaAs)和砷化铟镓(InGaAsN)。砷化镓用于制造LED,也是制造VCSEL的关键材料。砷化镓最大的优点是其电子迁移率非常高,电子在砷化镓中的移动速度比在硅中快5倍,而且,砷化镓可以在比硅更宽的工作温度范围内使用,并且具有更高的辐射硬度,目前,稳懋半导体是全球砷化镓市场最大的厂商之一,中国未有供应砷化镓的上市公司。下面1度姐为大家总结了VCSEL产业链的部分厂商。

1. Broadcom

Broadcom是VCSEL芯片的主要供应商之一。2016年2月,Avago收购了博通,成立了新博通。博通在光学数据通讯市场产品供应丰富,包括光纤接收器、嵌入式光学模组以及自适应光缆等。博通凭借近期VCSEL出货量的升级,该公司已经出货100万件25G VCSEL器件,使其市场领导领域扩展至光学网络市场。

2. Lumentum

Lumentum是2015年从JDSU分拆出来的公司,主要生产和销售光纤相关产品,销售给全球光纤网络及商用激光客户,公司分2个部门来运作:光通信、商用激光器。Lumentum是苹果公司的第一家VCSEL供应商,芯片代工在台湾稳懋。

2018年3月,Lumentum宣布溢价27%收购Oclaro,交易金额约18亿美元。通过收购,Lumentum将获得Oclaro的磷化铟、光电积体整合电路技术。

3. Finisar

Finisar是苹果公司的第二家VCSEL供应商。2017年12月,苹果对Finisar投资3.9亿美元,用于增加VCSEL的研发和生产。Finisar将使用这笔资金把德克萨斯州谢尔曼一家面积70万平方英尺的已关闭制造厂,改造成开发VCSEL芯片的工厂,未来将用于苹果产品。所有的苹果订单的加工将使用100%的可再生能源,预计新工厂将于2018年下半年投入运营。

4. II-VI

II-VI公司成立于1987年,业务主要分为红外光学、近红外光学、军事和材料、先进产品部四大部门。II-VI公司重金投入2017年8月以8000万美元从Kaiam收购的6英寸VCSEL制造厂。Kaiam位于英国牛顿艾克利夫占地30万平方英尺的工厂拥有10万平方英尺的洁净室,专为大规模制造GaAs、SiC以及InP化合物半导体器件而设计。

2018年3月,II-VI公司宣布8500万美元收购波长选择开关(WSS)供应商CoAdna。2018年9月,交易完成。CoAdna将并入II-VI Photonics部门此项交易将强化II-VI公司ROADMs产品垂直整合能力。

5. Philips Photonics

Philips Photonics是飞利浦全资子公司,生产760nm-948nm VCSEL传感类用的单模激光管,VCSEL技术具有20多年研发经验,是原德国Ulm Photonics公司,2006年Philips收购Ulm Photonics。760nm-948nm VCSEL单模激光器主要应用于,激光吸收光谱TDLAS测量氧气和水分子、红外傅里叶变换光谱、原子钟、干涉仪、编码器以及运动控制等传感方面应用。

6. ams

ams通过收购快速转型,成为聚焦在光学传感器领域的主要供应商。在总部奥地利的工厂负责前端晶圆制造,新加坡厂则负责光学传感器生产和封装以及VCSEL制造,测试/传感器校准工作则在奥地利和菲律宾的厂内进行。2017年,ams对其位于新加坡的6吋晶圆厂(2000 wspm)产能(主要生产VCSEL芯片)进行扩充投资,针对最新具有人脸识别技术的高端手机所需器件进行投产,增加员工也大部分集中于此,以支持3D和光学传感领域的迅速增长,预计在2019年实现量产。

ams在成像和光学方面陆续收购了Heptagon、Princeton Optronics、CMOSIS、KeyLemon、Mazet这几家公司。其中,KeyLemon公司具备领先的3D人脸识别知识产权库。Princeton Optronics公司可以提供VCSEL光源发射器。

7. Osram

2018年5月,Osram收购美国Vixar公司。Osram是红外LED和红外激光二极管的技术领导者,通过引入Vixar在VCSEL方面的专业技术,Osram将在该领域拥有更强的技术能力和产品组合。

Vixar公司成立于2005 年,为生物医学、工业、办公产品、汽车和消费品行业的传感器等应用制造波长在650~1000 nm 之间的VCSEL。

8. 江苏华芯

江苏华芯成立于2015年底,是目前国内唯一一家能够自主完成VCSEL和蓝光半导体激光器芯片外延及芯片工艺制造,并实现量产的公司。2017年11月,10G VCSEL芯片量产并批量出货。2018年3月,940nm 100mW VCSEL产品定型。

目前年产能为5000万颗单管光通讯VCSEL芯片、2500万颗VCSEL面列阵芯片、500万颗蓝光芯片。预计到2018年底,将形成5000万颗3D传感VCSEL芯片的年产能。

9. 光迅科技

武汉光迅科技是国内光通信光模块器件最大的公司,主要从事光学组件和子系统产品的研发、制造和销售以及提供相关服务,公司牵头组建了“国家信息光电子创新中心”,短期来看可以帮助公司节约研发支出,长期来看有利于公司充分发挥产业协同优势,完善技术前瞻布局。光迅科技近年来积极开展波长为850nm/940nm VCSEL 芯片的研发,应用于光通信、3D传感等领域。

10. 三安光电

三安光电主要从事LED磊晶产品、半导体芯片、复合太阳能电池、蓝宝石基板和高功率聚光太阳能产品的研发、生产和销售。三安光电已成功开发出10Gbps VCSEL芯片和FP激光器,明年将推出25G DFB激光器。

除了上述几家企业外,仟目激光的主要产品线主要用于3D传感的大功率VCSEL芯片和大功率DFB芯片,目前通过多轮工艺的改进,器件性能和可靠性已经达到国际领先标准,VCSEL已进入量产阶段,大功率DFB芯片也已完成样品流片。

此外,乾照光电拟出资15.97亿元建设VCSEL/高端LED芯片等半导体研发生产项目颇引人关注。据了解,该项目安排在2018年启动,2019年上半年开工建设。

目前,全球光电子企业在VCSEL领域不断实施扩张/并购行为来积极布局市场,众多初创企业也在该领域开疆拓土抢占先机,未来VCSEL的市场热度、未来应用将会受到更多的重视。

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首发于微信公众号:材料深一度

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