2020年11月20日 | 深度剖析国内主流VCSEL厂商在激光雷达上的应用布局

据Yole 报告，预计到 2023 年 VCSEL 整体市场规模将增长至 35 亿美元，复合年增长率高达 48％，VCSEL 出货量将从 2017 年的 6.52 亿颗增长至 2023 年的 33 亿多颗。伴随着 AI 技术逐步成熟，智能硬件的发展趋势渗透到光电产业的许多方面，3D TOF VCSEL 的智能摄像头模组崭露头角。

随着 5G 技术逐步推行，光通信芯片及 TO 封装二极管市场需求巨大。同时激光雷达（LiDAR）是智能驾驶不可或缺的眼睛，车规级高功率脉冲 VCSEL 是激光雷达的核心器件。除了消费类 3D 传感，VCSEL 在光通信和自动驾驶领域的 LiDAR（激光雷达）方面也极具应用前景。

图源：基业常青经济研究院

1、什么是 VCSEL？

VCSEL 全称（Vertical-cavity Surface-emitting Laser），是垂直腔面发射激光器，最初用于光通信领域，比如光模块中，后来开始应用于消费电子领域的 3D 感测方面，比如人脸识别，2017 年苹果将其用在 iPhone 人脸识别模组，VCSEL 也开始受到消费电子领域的大规模关注。

图源：瑞识科技 -VCSEL 是智能化信息世界的核心元器件

目前来看国外在 VCSEL 芯片方面还是较为领先，近些年国内多家厂商发展迅速，并且开始逐渐小批量或者批量生产，多家 VCSEL 芯片也得到了资本的较多关注，比如新亮智能、纵慧芯光、睿熙科技等。

激光器是用来发射激光的装置，而半导体激光器则是以半导体材料为工作物质发射激光的器件，根据激光芯片的结构，半导体激光器可分为边发射激光器（EEL）和垂直腔面发射激光器（VCSEL）。华芯半导体吕工介绍到相较于传统的半导体激光器，VCSEL 有以下诸多优点：1）有源层体积极小，从而可以获得极低的工作阈值，如材料工艺发展可期待极低阈值甚至无阈值发光器件；2）波长和阈值对温度变化相对不太敏感（当然 VCSEL 本身也属于半导体激光器的一种，也就逃脱不了温度对其影响的宿命，其波长相对于温度变化的温漂系数大约为 0.06 nm/℃，相比于 F-P 激光器的 0.3 nm/℃来说已经小很多了。）；3）腔长量级与波长相近，甚至更小（半波长量级），故纵模间隔较大，可实现单纵模出射；4）可得到较大的驰豫振荡频率，从而实现较高的调制频率；5）出射圆形光斑，易于与光纤耦合；6）封装简易，且可以形成二维激光阵列；7）预期工作寿命达 10 万小时及以上。

2、VCSEL 芯片的制作流程

VCSEL 的制造，不易

VCSEL 结构一般由上、下布拉格反射镜(DBR)和中间有源区三部分组成，其典型的外延结构如图 1 所示从下到上依次是衬底、N 型接触层、N 型 DBR、量子阱有源区、P 型 DBR、P 型接触层。

图 1 氧化限制顶发射激光器剖面示意图

其中有源区为器件最重要的组成部分，由于 VCSEL 腔长极短，需要腔内有源介质对激射模式提供较大的增益补偿。

图源：合一粒子

材料外延生长（晶圆）-->外延结构的表征（X 射线衍射、反射谱、PL 谱、电化学 C-V 特性等） -->芯片工艺制作（包括外延片开片清洗、SiNx 生长、多次光刻、ICP 刻蚀、氧化、金属电极、剥离、减薄等） -->后段工艺（包括划片解个、I-V 特性、I-P 特性、光谱等） -->最终完成从材料到芯片的全过程。

VCSEL 芯片的工艺分解

MOCVD，为金属有机物化学气相外延。通过外延工艺，按设计出的外延结构将材料生长出来，形成符合要求的晶圆。

图源：合一粒子

激光器就是利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生光振荡器和光放大器的总称，其产生激光同样要满足以下三个基本条件：

1）建立有源区内载流子的反转分布；

2）合适的谐振腔使受激辐射在其中得到多次反馈形成激光振荡；

3）提供足够强的电流注入使得光增益大于或者等于各种损耗之和，满足一定的电流阈值条件。

三个基本条件对应着 VCSEL 器件结构的设计理念。VCSEL 的有源区使用应变量子阱结构，建立起实现内部载流子反转分布的基础，同时设计合适的反射率的谐振腔使辐射出的光子形成相干振荡，最后提供足够强的注入电流使得光子能够克服器件自身的各种损耗形成激射。

实际制造过程中使用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）设备生长外延材料、生长外延结构过程中，以 4 寸半绝缘砷化镓作为外延衬底层，三甲基甲（TMGa）、三甲基铝（TMAl）、三甲基铟（TMIn）作为Ⅲ族源，砷烷（AsH3）作为Ⅴ族源，硅烷（SiH4）作为 N 型掺杂源，四溴化碳（CBr4）作为 P 型掺杂源。

外延生长过程中需要精确控制各层材料的生长温度、气体流量、时间等条件，使得生长的外延层结构和组分满足设计要求。外延生长结束后，经过一系列外延材料测试设备如光致荧光谱测试仪（PL）、X 射线衍射仪（XRD）、原子力显微镜（AFM）、扩散浓度测试仪（ECV）等进行测试，外延片如果满足测试要求，那么就得到了合格的 VCSEL 外延片。

然后利用断点监控电感耦合等离子体刻蚀技术和精确湿法氧化控制技术等芯片制造技术，最后得到高速双台面同面电极结构 VCSEL 阵列芯片。随后再进行芯片解理、测试、分选、抽样老化及可靠性测试。

3、国内主流 VCSEL 芯片厂商进展如何？

长期以来，VCSEL 芯片被 Broadcom（Avago）、住友电工、Finisar 和 Lumentum 、ams 等国外少数国际厂商把控。但近几年随着 3D 感知技术及市场发展，多家国内 VCSEL 芯片厂商开始迅速成长，并开始小规模并规模量产，包括新亮智能、纵慧芯光、睿熙科技、柠檬光子、瑞识科技、华芯半导体、长光华芯等。

1. 新亮智能

新亮光子成立于 2006 年，是新亮智能集团旗下的全资子公司，专业从事 VCSEL 芯片及其它光芯片的研发制造和销售，公司致力于人工智能和物联网领域，为消费类电子，工业应用，车载 / 航空、光通信等领域提供核心的 VCSEL 芯片等光子器件。

2020 年 9 月，新亮光子发布了多结（Multijunction）VCSEL 芯片，单孔光功率高达 30mW；斜率效率（SE）2.2W/A；能够在 -40 至+105°工作；发光面积更小，易于准直。

3D TOF VCSEL 的智能摄像头模组崭露头角

图源：新亮光子

新亮光子提供 3D TOF VCSEL 满足摄像头模组生产商迫切需求 3D 或者单点测距的适配光源。

波长包括 850nm 和 940nm,标准产品有功率 2W 和 4W，出光角度有 60°x45°，72°x58°，90°x70°，120°x85°，120°x90°；新亮光子 VCSEL 的特点是工作温度范围宽，可靠性高，调制频率高，都可以达到 100MHz 或者以上；同时封装 PD 和 VCSEL 一起，既可以检测 diffuser 是否脱落，也可以作为控制 VCSEL 光功率恒定输出的反馈信号。

图源：新亮光子 Multijunction VCSEL 有助于车载激光雷达、人脸识别、机器视觉产品的更小型化。今年早些时候，新亮光子还推出了高性能、高可靠性的 940nm VCSEL 系列产品。

新亮光子拥有国际同步的 6 吋 VCSEL 芯片量产线，打造了以 VCSEL 为核心的光子芯片及 COB 模组的 IDM 模式，是全球较为知名的 VCSEL 产品及方案供应商。

高功率脉冲 VCSEL 是激光雷达的核心器件

图源：新亮光子

新亮光子推出了高转换效率和高可靠性的 808nm，850nm，940nm VCSEL 系列产品：连续功率有 1W，2-3W，4-5W；光发散角度小至 20°、光电转换效率高达 48%。温度高达 90℃时，PCE 仍然高达 31%。

图源：新亮光子相较于边发射激光（EEL），VCSEL 具有低临界电流的潜力、发光光束具有圆形对称特性与调制频率高等优势。除了功耗低，体积小，易于集成外，该系列芯片还具有响应快的优点。

应用于激光雷达 LiDAR，主要为车载使用，探测距离较远，一般在 100m-200m 之间，脉冲功率在 200W-300W 左右。

图源：新亮光子新亮光子采用 IDM 模式，大大缩短了产品研发和生产周期，降低元气件采购种类，减少生产成本，因此产品和方案备受客户的青睐。除了上述 CIOE 热门需求产品，新亮光子提供 808nm，850nm，940nm 各种功率规格的准连续（QCW），连续以及高峰值脉冲功率的单颗和阵列 VCSEL 光源。

2. 纵慧芯光

纵慧芯光成立于 2015 年，可提供高功率和高速 VCSEL（垂直腔面发射激光器）解决方案，设计和制造 VCSEL（650nm 至 1000nm），应用于高速光通信、生物医学、工业、汽车和消费类产品中的光学传感中。

图源：纵慧芯光面向消费类应用已推出的 VCSEL 产品公司联合创始人兼亚太区 CEO 陈晓迟谈到，消费电子领域是公司主攻的市场之一，包括手机、扫地机器人、人脸支付、智能门锁等应用场景。在 2019 年全球 ToF 传感器市场中，纵慧芯光的 VCSEL 激光器占比达到 32.6%，位列全球第二。今天的纵慧已成为国内多家手机品牌高端机 VCSEL 的主要供应商，比如华为 Mate30 Pro 前置和后置 ToF 供应商。纵慧芯光从 2019 年下半年开始聚焦汽车激光雷达领域。

纵慧芯光消费类 VCESL 产品的可靠性水平和量产保障能力体现在两方面：

（1）世界级的产品可靠性。纵慧芯光的 2W、940 nm 单结 VCSEL 产品，在 75℃下 PCE 为 40%，105℃时超过 30%，PCE 在较宽温度范围（-40 ~ 105℃）表现优秀。

其中，这颗产品的加速老化测试结果超过 2600 小时，等效于全天 24 小时工作的条件下持续发光 24 年（也等效于每天 8 小时工作，寿命达 72 年），这已远远超出客户对寿命的要求，足以满足车规级要求。

图源：纵慧芯光单结 2W VCSEL 的可靠性表现非常优秀

（2）以量产为目标。陈晓迟博士表示，“有了令人满意的可靠性性能之后，我们关注的是如何大规模地生产这颗芯片，即芯片的可量产性。纵慧芯光虽然是一家初创公司，但一直秉承‘以量产为目标’的理念，从项目立项开始，就严格按照新产品导入流程，保障每一阶段的稳健输出，最终达到可量产的目标。”

陈晓迟博士展示了纵慧芯光在过去一段时间积累的 2000 片 6 英寸外延晶圆波长的分布图，可以看出波长的波动范围控制在± 5 nm 内。此外，纵慧芯光在外延代工厂拥有每月超 1500 片的产能，在常州建有自有外延产线，外延产能每月超过 1000 片。

纵慧芯光的最新 2000 片 6 英寸外延晶圆波长分布图

据悉，纵慧芯光已经提前布局了下一代 VCSEL 产品：多结 VCSEL，并可实现分区点亮。相比单结 VCSEL，多结 VCSEL 将多个 PN 偏置结在垂直方向上串联，能输出更高的峰值功率，并提供更佳的信噪比，所需驱动电流更小，有助于降低整个系统的功耗。在相同光功率需求下可减小芯片尺寸，因此相比单结 VCSEL 优势明显，从而成为未来汽车激光雷达光源的最佳选择。

纵慧芯光为汽车激光雷达开发的第一代多结 VCSEL 的性能表现，各项指标均可满足汽车激光雷达的要求：

（1）LIV 性能：在相同的电流下，三结 VCSEL 可以实现 8.2 W 的光功率输出，单结 VCSEL 只有 3 W，同时三结 VCSEL 在室温下 PCE 高达 53.7%，达到全球领先水平。

（2）短脉冲下的温度稳定性：工作在 85℃时输出光功率相比 25℃相差小于 10%，充分证明了三结 VCSEL 的温度稳定性非常好，可满足长距离激光雷达高温环境下的工作要求。

（3）远场发散角：随着驱动电流的增加，多结 VCSEL 发散角度变化较小，形状从“甜甜圈”形状慢慢变成单峰形状。

（4）可靠性：1000 小时加速老化测试结果表明无任何衰减，等效于产品寿命超过 15 年。

（5）车规认证：纵慧芯光 VCSEL 产品已通过 AEC-Q102 车规级认证，能够满足车规要求。

图源：纵慧芯光 LIV 特性对比：单结 VCSEL vs. 三结 VCSEL

目前，纵慧芯光主要为汽车激光雷达提供两种 VCSEL 光源解决方案：（1）多颗 VCSEL 集成封装在一起，从而提高最终的输出功率；（2）分区点亮 VCSEL 方案，包括 850 nm 波段和 940 nm 波段、单结和多结技术。

3. 华芯半导体

华芯半导体科技有限公司位于泰州市姜堰区现代科技产业园，投资已超 5 亿元，占地面积 90 余亩，建筑面积 50000 平米。

公司主要产品为高亮度 LED、蓝绿光半导体激光管、垂直腔面发射（VCSEL）光子芯片、DFB 光子芯片、EML 光子芯片以及高亮度半导体激光芯片等。产品主要应用于激光显示、激光照明、激光电视、光纤通讯、数据中心、云计算、超算等领域。

图源：华芯半导体商用 25G VCSEL 激光器制造流程

华芯半导体近期接受媒体采访的时候表示，公司 2017 年 3 月宣布其自主开发的 25G VCSEL 芯片已通过客户测试，一时间引起全行业高度关注。

图源：华芯半导体官网

到目前为止，华芯半导体已经为业界提供了包括 850nm 6G/10G/25G VCSEL 外延片和芯片， 940nm 5mW~4W VCSEL 芯片及外延片，蓝光外延片和芯片等系列解决方案，完全满足数据通信、3D 感测及测距、激光雷达等应用的要求。

4. 睿熙科技

睿熙科技成立于 2017 年，专注于 VCSEL 芯片及衍生产品的研发及量产，2020 年 9 月，公司完成 2 亿元人民币 A+轮融资，将主要用于下一阶段芯片的量产以及流片研发投入。据官网介绍，公司 VCSEL 芯片可以满足消费电子领域每月 10kk+供货能力。公司对标 lumentum，定位高端芯片市场，目前产品覆盖消费电子、数据通信以及车载三大领域，产品线如今覆盖各类场景应用：

除了消费电子领域，睿熙科技也在积极拓展数据通信领域和车载领域，据介绍，在数据通信领域，25G 数通产品现阶段已经进入量产阶段，在车载领域，产品能量转换效率可达 35%+，功率在 1000W。

图源：睿熙科技睿熙科技车载领域与全球最大车载镜头供应商深度合作，已完成用于车载激光雷达 VCSEL 芯片的定制开发。芯片峰值输出功率数百瓦，发光点约千个，支持逐行按序点亮。现阶段正在开发二代产品。

相对集成电路设计，一方面光芯片对工艺依赖程度高，同时上游代工标准化程度低，VCSEL 的多层外延结构使得其对外延要求很高，工艺上 know-how 非常多，而光刻环节相对标准化。初创公司在战略制定方面常常在 Fabless 以及介于 Fabless 和 IDM 之间（部分环节代工+部分自建产线）选择，需要权衡公司资金、技术、经验等方面的储备，比如纵慧芯光的“fab-lite”除了电路 IC 设计还自建核心外延产线。

5. 柠檬光子

柠檬光子成立于 2018 年，主攻高性能半导体激光芯片及其模组和光引擎，包括 VCSEL 垂直腔面发射激光器 、EEL 边发射激光器等产品，可应用于 3D 传感、AR/VR、机器人、激光雷达、消费电子、智能制造、物联网、数据中心等领域。

2020 年 4 月，柠檬光子推出了领先业界的高性能大功率 808 nm 和 850 nm VCSEL 芯片系列产品。据介绍，该系列产品具有高效率、高可靠性和优异的高温性能等特点，可应用于三维传感、激光雷达、泵浦、安防、医疗等红外照明等领域。

柠檬光子推出的 808 nm 和 850 nm VCSEL 芯片具有如下特点：

种类范围广：输出功率从几毫瓦，几百毫瓦，通用的 1W、2W，到高功率 4-10W（连续输出）或更高（脉冲输出） ；

在连续输出(CW)模式下取得领先业界的电光转换效率，PCE~48%（1 W 芯片），PCE~46% （8W 芯片）;

图 1 功率和效率曲线

高温下保持良好的性能，即使在热沉温度 120°C 的情况下，850 nmVCSEL 芯片的电光转换效率也超过 25%；

图 2PCE vs 温度曲线

除了提供不同功率选择的标准化 VCSEL 激光芯片产品，柠檬光子也能根据客户的需求，提供芯片及相应模组的定制设计服务，例如客户可定制发散角在 20 至 30 度之间的常规 VCSEL，以及柠檬光子正在为客户定制开发面向 dToF 应用的高能量密度 VCSEL。

柠檬光子该系列 VCSEL 产品适于大规模量产，完全采用 6 英寸外延及流片，有极为精减的加工流程，并已在多家国内外成熟的 6 英寸芯片代工厂得到验证。同时，该产品具有优异的可靠性，已通过 50°C 热沉温度下 2000h 以上连续出光的加速老化寿命测试。

6. 威科赛乐

威科赛乐微电子股份有限公司成立于 2018 年 1 月，是由广东先导集团与重庆万林投资公司共同出资打造，致力于半导体材料、晶圆、激光器芯片的研发、制造及销售，一期投资 13 亿元，总占地面积 75 亩。

据官网介绍，公司专注创新，通过资源整合、技术革新，实现了年产 250 万片砷化镓、磷化铟等衬底材料与年产高端激光器芯片 20 亿颗的生产能力，投产后将彻底改变国内应用于智能手机、无人驾驶等领域的 3D 感测和激光雷达芯片严重依赖进口的困局。

图源：威科赛乐

2020 年 5 月，由威科赛乐公司生产的首颗拥有自主知识产权的 3D 感测 VCSEL 芯片在万州下线。目前公司芯片生产线已进入工艺优化阶段，预计下半年进行小批量投产。该芯片的下线，意味着威科赛乐从此成功挤入了全球为数不多可以自主研发制造 3D 感测 VCSEL 芯片的企业阵营。

7. 瑞识科技

瑞识科技是一家源自硅谷的高科技公司，由美国海归博士团队创建。公司致力于半导体光学领域，为人工智能、身份识别、3D 视觉、辅助驾驶、安防监控、特种照明、智慧物流、健康监测等行业客户提供行业领先的光源产品和具有竞争力的光学解决方案。

图 3 瑞识 SRay 工作原理

瑞识科技核心技术包括光芯片设计，光学透镜集成，器件级集成封装，数理建模，光电系统整合优化等。公司的 VCSEL 外延及芯片设计已经完成数百片 6 寸晶圆的量产验证。

公司产品涵盖不同波长包括 850nm，940nm，光功率从几毫瓦到数瓦的完整系列，可供 3D 结构光，接近传感、红外泛光源以及 3D TOF 感应等不同场景中的应用。

瑞识 SRay 通过整合了瑞识科技自主设计制造的 VCSEL 芯片以及准直透镜（Collimator）和衍射光学器件（DOE），在使用时主动投射出由 2~3 万个肉眼不可见、满足 class 1 激光人眼安全标准的光点组成的红外激光散斑，在被测物无任何感觉情况下，实现快速无感的表面深度信息解析，可广泛适用于近距离人脸识别、手势识别、活体检测等智能应用场景。

早先推出的专为 3D ToF 研发的发射光源——TRay VCSEL + Diffuser 产品系列，紧凑尺寸，兼具高精度、高可靠性、高光电转换率和低功耗产品优势，全面适用于 ToF 现有技术路线中的 iToF 和 dToF 方案，工作距离最远可达 10m。

图：瑞识 TRay ToF 光源系列产品实拍图

瑞识 TRay 系列，通用视场角（FOV）有 60°*45° /72°*55°/90°*70° /110°*90° /20°*120° 等多种可选。作为 ToF 需求客户的理想发射光源选择，TRay 系列有以下六大产品优势：

• 采用自主研发 VCSEL 芯片，具备高性价比、高可靠性和一致表现；采用独家高“芯占比”封装技术，3.45*3.45*1.65mm/3.5*3.2*1.3mm 紧凑尺寸，比市面现有产品体积缩小了 60%以上；高方案兼容性：波段 850/940nm，适用于各类移动产品集成；功率涵盖 1W-5W，匹配主流 ToF 光源需求；高硬件兼容性（脚位 pin to pin）；高效率：高转化率（PCE）达 42%，低功耗；高定制灵活性: 根据客户需求，提供涵盖芯片设计、视场角、光功率、PD 电流保护方案等在内的全链定制服务。极致性价比：全链可控，最大限度降低成本。

8. 长光华芯

长光华芯主要致力于高功率半导体激光器芯片、高效率半导体激光雷达 3D 传感芯片、高速光通信半导体激光芯片及相关光电器件和应用系统的研发生产和销售。产品广泛应用于工业激光器泵浦、激光先进制造装备、生物医学及美容、高速光通信、机器视觉与传感等。

目前，长光华芯的 VCSEL 已经推出距离传感器、结构光（SL）、飞行时间（ToF）三大类产品，标准产品的波长包含 808 nm、850 nm、940 nm。这些产品可广泛应用于距离传感、人脸识别、手机 3D 传感、机器人、汽车激光雷达、光通讯、原子钟、安防照明等领域。

图源：长光华芯官网

VCSEL- 5W TOF，VCSEL 均匀列阵芯片具有高功率、高效率、高可靠性等特点，并满足客户的定制化需求。适用于适用于飞行时间（TOF）3D 传感方案，广泛应用于人脸识别、无人驾驶、智能安防、AR/VR 等领域。

除了上述企业，已经量产 VCSEL 芯片的厂商还有光迅科技、海特高新、仟目激光，此前就有报道称，光迅科技的 25G VCSEL 芯片已通过部分客户验证，逐步进入量产阶段，今年 6 月份表示，光迅科技表示，公司 25G VCSEL 芯片的良率在逐步提高，生产和研发过程自主可控。

9. 博升光电

博升光电成立于 2018 年 12 月，由世界著名科学家和企业家创办，是技术领先的光电半导体科技企业， 致力于为消费电子、智能物联网、辅助 / 自动驾驶、光通信、云计算等企业，提供下一代高性能 VCSEL 光芯片解决方案。公司目前产品主要包括：应用于消费电子、智能物联网 3D 传感的 940nm 结构光 /iToF/dToF VCSEL 芯片，应用于辅助 / 自动驾驶的 940nm 激光雷达 VCSEL 芯片，应用于光通信、云计算 的 850nm10Gbps/20Gbps/25Gbps/50Gbps VCSEL 芯片。

博升光电拥有丰富的 VCSEL 光芯片技术积累和储备、以及下一代核心专利技术—高对比度光栅（HCG）。HCG 从底层结构上对现有 DBR 结构的 VCSEL 带来革命性的改进，通过单层 HCG 光栅替换现有 100 多层的 DBR 反射镜，大幅简化了 VCSEL 外延结构，缩短了外延生长时间，提高了生产效率。

dToF 是 3D 传感产业最受关注的技术方向之一。博升光电很早就对 dToF 技术进行了研究，公司成立不久就已经开始设计 dToF VCSEL 芯片，目前已有支持 dToF 的分区点亮的 VCSEL 产品实物送样。在国内，博升光电是业界很早具备实物产品送样能力的公司。目前支持 dToF 的 VCSEL 已经有分区点亮、多 PN 结等不同种类的芯片产品，并且正在和合作伙伴进行定制化开发以提升系统性能。