进击的国产VCSEL芯片厂

2018-11-09

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日前，国内的LED供应商乾照光电发表公告，称公司拟出资16亿人民币建设VCSEL、高端LED芯片等半导体研发生产项目。公告中指出，2017 年，以 VCSEL 激光器为核心元器件的 3D Sensing 摄像头在 iPhone 十周年机型的应用，将带动相关细分市场十倍以上级别的爆发。iPhone X 脸部辨识启动3D 感测应用后，非苹阵营可望跟进，目前安卓手机阵营中没有应用国产化的 VCSEL芯片。VCSEL 外延片芯片的关键技术主要为国际少数几家大公司所垄断，也是我国激光芯片产业中较为薄弱的环节。

按照这个表述，乾照光电的目标和其他近来大力投入到VCSEL的国产厂商一样，打算在即将爆发的VCSEL市场中分一杯羹，但这个市场真的那么美好吗？

因iPhone X火起来的产业

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，这是由日本科学技术员的 H. Soda 与 K. Iga 等人在上世纪七十年代末提出的概念。与传统的边发射激光器不同，VCSEL的激光出射方向垂直于衬底表面,可获得圆形光斑。因为其谐振腔长与波长接近,动态单模性比较好,具备发光效率高、功耗极低、光束质量好，易于光纤耦合、可调变频率就达数GHz、超窄的线宽、极高的光束质量、高偏振比和造价便宜等优势。

VCSEL的结构图，图左为顶发射结构，图右为底发射结构

自概念被提出以后，这个技术一直在缓慢发展成熟，并被逐渐推向光通信、光互连、光存储、激光显示和照明等领域，但因为这些市场的大众关注度并没有那么高，VCSEL在过去的几十年里也一直默默无闻，直到苹果在其iPhone X中采用了Face ID方案后，VCSEL在过去两年就变得人尽皆知。

苹果iPhone X中用到的3D成像技术

如上图所示，苹果使用泛光照明器、接近感测器、环境光感测器和点阵投射器构成了iPhone X的3D成像模组，当中的泛光照射器、接近感测器和点阵投射器都用到了VCSEL。因为苹果的庞大出货量，还有他们的设计对安卓阵营的影响力，就迅速推动VCSEL走向了风口浪尖，市场也对这个产品的未来有了无限期望。

市调机构Yole指出，在未来五年，VCSEL将持续维持爆炸式的成长，其商业机会将成长10倍以上，2017年至2023年年均复合增长率(CAGR)将达31% ，而市场规模预计从2017年的6.52亿颗攀升至2023年的33亿颗。

乾照光电发布的公告中也表示，随着全球范围内相关 VCSEL 供应商的产能不断增长，全球 VCSEL 市场的复合年增长率（CAGR）可达 17.3%，市场规模到 2022 年或将增长至 200 亿人民币。

庞大的市场容量就吸引了众多国产厂商加入其中。

国产厂商快速涌进

面对这个大市场，除了乾照之外，更早之前也有了一大波国产厂商涌入这个市场。首先，和乾照光电一样同样位于厦门的三安光电也是其中的一个玩家。

去年年底，该公司被投资者问到是否有投入到VCSEL研发的时候，他们给出的答案是：“公司正布局光通讯发射端与接收端芯片的研发和生产，并在海外成立子公司从事光通讯的研发、生产及销售，以应对光通讯在消费电子和通讯领域渗透带来的广阔市场需求”，而在早前某个展会上，半导体行业观察记者就此事问到三安光电相关负责人，他们也给出了肯定的答案，这就坐实了他们投入VCSEL，市场甚至传言他们已经进入到送样阶段。

2015年成立于泰州的华芯半导体今年早些时候在接受麦姆斯咨询采访的时候则表示，华芯半导体是目前国内唯一一家能够自主完成垂直腔面发射激光器（VCSEL）和蓝光半导体激光器芯片外延及芯片工艺制造，并实现量产的高科技公司。按照他们的说法，公司已经从2017年11月份开始批量出货。

同样成立于2015年，起源于斯坦福大学的纵慧芯光，也是国产VCSEL市场的另一个重要角色。该公司联合创始人陈晓迟今年八月在出席一个论坛的时候讲到，纵慧芯光在2015年底成立并完成A轮融资。到2018年年初的时候，他们完成了B轮的融资，并在常州建立了他们的6寸的外延产线，按照他们的说法，这条产线建设完成后，将成为国内第一条6寸工艺的核心光电器件外延生产线。

按照陈晓迟的说法，纵慧芯光在2018年初进入了品牌手机厂商的供应链，今年年末将开始批量的出货。按照他的预计，纵慧芯光今年年底会推出下一代的产品，光电转换效率达到45%以上，且今年会完成外延产线的建设，而他们的目标是在2019年实现亿级的销售目标。

另外，获得了亿元融资的睿熙科技也声称在VCSEL方面有领先的优势。

据该公司官网介绍，宁波睿熙科技有限公司是全球技术领先的 VCSEL 供应商，核心成员拥有20年在世界一流VCSEL公司领导产品设计和生产制造的经验，涵盖外延生长、工艺制程、芯片设计与模拟、倒片封装、封装、高频测试与设计、大数据分析、失效分析等所有VCSEL设计、制造管理领域。

按照他们的说法，目前睿熙科技已经完成适用于手机等消费电子的第三代芯片，于2018年量产，达到国际主流大厂水平，并成为舜宇光学推荐的唯一国产VCSEL芯片，现阶段正与手机厂商洽谈合作意向。

以上只是笔者看到的一些厂商，其他是否还有更多沉在水面下的厂商，那就不得而知。可以肯定的是，国内厂商对这个市场虎视眈眈。

如何突破包围圈？

和其他很多芯片一样，VCSEL同样是一个几乎被欧美日三个地区的厂商垄断的领域。

以苹果为例，他们在iPhone X上采用了Lumentum的VCSEL，后来市场传出苹果投资了Finisar，扶植另一家供应商，另外II-V和ams也是都是VCSEL领域的不可忽略的角色。其他如博通、住友电工，也都在VCSEL市场拥有不少的领先份额。

他们拿下了全球大部分的VCSEL供应，这主要与VCSEL的制造工艺本身和他们自身在这上面的多年积累有关。我们看现在那些VCSEL做得好的供应商，基本上都有自己的工厂，或者代工厂在相关产品生产上有悠久的历史，也就是说对制造有很高的需求。而从VCSEL的整个供应链上看，也的确如此。

例如在磊晶方面，英国的IQE就以高达五成的市占位居第一位，来自台湾的全新则以20%的份额紧随其后；日本的Sumika则是目前全球少数可量产六吋磊晶的厂商，全球市占17％。对于国内的VCSEL厂来说，在这关键的方面，如何保证这个方面的来源，是他们能够进一步发展的关键。

至于技术方面，睿熙科技首席执行官James Liu在接受麦姆斯咨询采访的时候也提到VCSEL制造的挑战，现摘录如下：

VCSEL综合了半导体材料、激光物理、半导体制造工艺、高速射频电子和光学技术等学科。不仅芯片结构复杂，而且需要在使用比硅材料脆弱及本征缺陷度高两个数量级的砷化镓材料的情况下，满足高性能和高可靠性要求。在VCSEL制备的过程中，应力及制造过程导致的晶体缺陷产生概率也远高于硅基光电芯片。并且，VCSEL芯片在工作状态时，其单位体积承受的电流密度要大幅高于硅基光电芯片，这就意味着VCSEL要承受更大的光强和电流。举例来说，如果VCSEL设计或工艺不够“完美”，导致了局部晶体缺陷，常规的出货测试很难探测出来；但在芯片工作过程中，晶体缺陷在高温、高电流及强光子的刺激下会加速生长，一段时间以后，一旦破裂生长超过一定数值，或到达有源区，芯片就会失效。

同硅基电芯片相比，VCSEL芯片更接近材料科学的范畴，优秀的芯片设计需满足高性能指标，但最大的挑战来自于高可靠性的要求。这涉及有源层材料、结构应力、结构散热等与材料及结构有关的优化，亦依赖于外延生长及关键制造工艺的优化。成熟VCSEL产品在可靠性工艺方面需多年积累和无数纠错实验。符合低成本、高性能、高良率、高可靠性的大批量产业化，需要从业者有深厚的学术理论基础，更依赖于工业界多年累积的丰富经验和迅速解决问题的能力。

由此可见，国产厂商想打破欧美日厂商的垄断，需要多管齐下。

不应只盯住手机

无论是国外还是国内的厂商来说，押宝VCSEL，主要看的是手机市场对其的需求，但这真的是一个将要爆发的大市场么？虽然苹果产业链分析师在日前表达了对VCSEL的信心，他认为苹果将会继续采用这种方案。但在某些分析师看来，应用在手机里面的VCSEL前景不妙。

上个月，有分析机构指出，苹果对于明年的人脸识别技术倾向于使用RF UWB ToF技术，而不是VCSEL ToF，这则消息引发了整个VCSEL产业链股票大跌。况且，现在安卓手机上还没大批量用上3D成像技术，万一苹果真的转向了RF UWB ToF技术，并取得了不错的效果。对于手机厂商来说，如果新方案实现难度远低于VCSEL的方案，也许他们都转向了这里也并不出奇。

正如前面所说，VCSEL最初是在通信这些领域发挥功用的，而现在大家对于VCSLE方案应用于汽车也非常有信心，甚至连HDD、医疗也都是VCSEL关注的领域。对于国内这些VCSEL厂来说，如果能提前做好多手准备，提早布局，这也许才是最明智的。

文/半导体行业观察李寿鹏

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