相中3D傳感商機(jī)，LED廠商紛紛勇闖VCSEL市場，信心源自哪里？
2019-12-30 12:46:44
據(jù)麥姆斯咨詢報道，LED產(chǎn)業(yè)已步入成熟穩(wěn)定階段，加上業(yè)內(nèi)廠商殺價流血競爭，國內(nèi)LED廠商近幾年來經(jīng)營狀況飽受沖擊，不得不尋求新出路，以提升盈利能力；除MiniLED儼然已成LED產(chǎn)業(yè)新藍(lán)海外，相中3D傳感商機(jī)，許多廠商也積極布局垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）市場，然而，相較早已開始代工VCSEL的砷化鎵廠商，LED廠商切入此領(lǐng)域有何優(yōu)勢？
LED、VCSEL同屬紅外光源元件家族
蘋果2017年發(fā)布iPhone X系列，首度導(dǎo)入3D人臉識別技術(shù)，也掀起市場對VCSEL的討論。VCSEL全名為垂直腔面發(fā)射激光器，屬于紅外激光系統(tǒng)。若從發(fā)光原理來看，紅外光源元件可分為LED（發(fā)光二極管）、LD（激光二極管）2種光源，LD又可區(qū)分為EEL（邊發(fā)射型激光器）、SEL（面發(fā)射型激光器），而VCSEL便是SEL技術(shù)。
LED發(fā)光原理較為單純，但其屬于發(fā)散光源，發(fā)光能量較弱、光束角度偏大，功能性相對不足，僅能提供普通照明，或應(yīng)用于2D傳感系統(tǒng)；雖然EEL與SEL所產(chǎn)生的都是激光，但兩者在器件結(jié)構(gòu)設(shè)計上，有所不同。
EEL的激光從側(cè)邊射出，激光輸出功率較高，器件構(gòu)造相對簡單，但光源為橢圓形投射，使光束角度與形狀均大于SEL元件。SEL的激光則是從表面射出，激光輸出功率較低，光源為正圓形投射，光束角度與形狀相對集中，且具有功耗較低、高效率與高速等優(yōu)勢，適用于3D傳感等領(lǐng)域。
紅外LED、VCSEL、EEL的主要應(yīng)用發(fā)展
（來源：《紅外LED和激光二極管：技術(shù)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)趨勢》）
3D傳感應(yīng)用推動VCSEL需求成長
然而，在3D傳感應(yīng)用出現(xiàn)之前，VCSEL其實(shí)早就用于光通訊領(lǐng)域，但與3D傳感應(yīng)用的特性與要求完全不同，光通訊主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心，適合短程傳輸，并強(qiáng)調(diào)高傳輸效能，而隨著5G時代的來臨，數(shù)據(jù)中心需求將持續(xù)增長，也帶動了VCSEL持續(xù)增長。
近來勢頭正熱的，當(dāng)屬VCSEL在3D傳感技術(shù)的應(yīng)用，主要可分為兩類，一為飛行時間測距（ToF），二是結(jié)構(gòu)光（Structured light）。由于VCSEL損耗低、精確度高，不易受環(huán)境光干擾，逐漸成為3D傳感應(yīng)用的主流技術(shù)。
VCSEL與LED發(fā)光原理大致相同，但從結(jié)構(gòu)層面來看，VCSEL器件結(jié)構(gòu)比LED更為復(fù)雜，材料特性要求高、設(shè)計也較困難，且需要具備高難度的外延生長技術(shù)，才有望順利量產(chǎn)。不過，由于VCSEL獲利表現(xiàn)大幅優(yōu)于LED，因此包括三安光電、臺灣晶電等LED大廠均爭相投入VCSEL領(lǐng)域。
LED廠憑自有優(yōu)勢切入VCSEL領(lǐng)域，搶占商機(jī)
VCSEL器件結(jié)構(gòu)雖較復(fù)雜，但與紅光LED的外延生長過程相似，VCSEL同樣采用MOCVD（有機(jī)金屬氣相沉積法）生長，且原材料同為砷化鎵。據(jù)悉，紅光MOCVD機(jī)臺轉(zhuǎn)換至VCSEL使用，僅需3個月時間，若從藍(lán)光MOCVD機(jī)臺轉(zhuǎn)換，則需6個月時間，不需額外添購設(shè)備進(jìn)行外延工藝，成為LED外延廠入局VCSEL領(lǐng)域的優(yōu)勢之一。
另一方面，VCSEL外延對厚度、平整度、均勻度等質(zhì)量要求極高，最上游的外延工藝，幾乎決定VCSEL元件的質(zhì)量優(yōu)劣。
據(jù)麥姆斯咨詢此前報道，三安光電利用其III-V族制造技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，為其他大規(guī)模垂直市場服務(wù)，成立了子公司三安集成電路，為光學(xué)器件（包括VCSEL）提供專用的大批量6英寸GaAs和2英寸/ 4英寸InP化合物半導(dǎo)體代工服務(wù)。在三安光電發(fā)布的2018年業(yè)績公告中顯示，三安集成電路在應(yīng)用于各類數(shù)據(jù)中心和5G前端的光通訊VCSEL器件方面，已完成客戶25 G相關(guān)產(chǎn)品的量產(chǎn)評估，進(jìn)入小批量試產(chǎn)，未來有望成為光通訊VCSEL芯片的主要供應(yīng)商。
針對當(dāng)前市場對新興VCSEL應(yīng)用的需求，如人臉識別/手勢識別、消費(fèi)類3D傳感、光通信、云服務(wù)等，三安集成電路定位于為需要復(fù)合代工服務(wù)和定制光學(xué)產(chǎn)品及組件的客戶，提供整體解決方案，助其滿足市場需求。
另外，臺灣晶電擁有長期投入LED元件研發(fā)與外延技術(shù)能力，在轉(zhuǎn)向生產(chǎn)VCSEL元件時，過去積累的深厚外延技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，是晶電的最大優(yōu)勢。
憑借原本在LED產(chǎn)業(yè)就具備的優(yōu)勢，晶電6年前就開始耕耘VCSEL領(lǐng)域，去年10月將VCSEL與硅上氮化鎵（GaN-on-Si）等半導(dǎo)體代工業(yè)務(wù)分割，成立了旗下子公司晶成半導(dǎo)體，并繼承了母公司晶電的技術(shù)基底，可從外延（Epi）一直做到芯片（Chip），提供整合的代工服務(wù)。
如此一來，晶成除可協(xié)助客戶做代工，還有晶電許多專利技術(shù)能與客戶合作，且過去晶電擁有的晶圓接合與芯片封裝等LED技術(shù)，也是許多VCSEL代工廠所缺乏的，借此與其他競爭廠商形成差異化，提供更多的代工價值。
晶成目前瞄準(zhǔn)的應(yīng)用包括數(shù)據(jù)通訊傳輸，以及ToF與結(jié)構(gòu)光等3D傳感技術(shù)。而除晶電分割子公司晶成半導(dǎo)體，搶占VCSEL商機(jī)外，臺灣隆達(dá)電子也同樣著眼5G、物聯(lián)網(wǎng)、AI等趨勢，看好自動化機(jī)器人對3D傳感的需求，布局VCSEL元件應(yīng)用，積極開發(fā)ToF VCSEL元件。
蘋果將導(dǎo)入ToF技術(shù)，3D傳感應(yīng)用商機(jī)爆發(fā)
目前4英寸VCSEL應(yīng)用主要為數(shù)據(jù)通訊傳輸，6英寸則可用于3D傳感的ToF與結(jié)構(gòu)光。自蘋果2017年在iPhone X系列前置攝像頭中開始導(dǎo)入結(jié)構(gòu)光VCSEL技術(shù)后，市場掀起3D傳感應(yīng)用熱潮。然而，由于結(jié)構(gòu)光技術(shù)門坎高，且受限專利問題，安卓手機(jī)陣營并未跟進(jìn)，VCSEL在消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的應(yīng)用，未如預(yù)期在iPhone X系列推出后順勢起飛。
3D成像和傳感開啟新一代視覺革命
（來源：《3D成像和傳感-2018版》）
不過，今年下半年以來，安卓陣營在VCSEL的3D傳感應(yīng)用上，開始有所動靜，包括三星、華為、VIVO、LG、OPPO等，均將ToF VCSEL技術(shù)導(dǎo)入后攝像頭，且市場傳出，明年蘋果iPhone新機(jī)，也將加入ToF后攝像頭隊(duì)伍。
根據(jù)Yole最新《VCSEL市場與技術(shù)趨勢-2019版》報告，2018年，移動和消費(fèi)類VCSEL應(yīng)用創(chuàng)造了5.53億美元的市場營收，Yole預(yù)計到2024年增長將達(dá)到33.82億美元，復(fù)合年增長率達(dá)35%。市場也預(yù)期，明年起隨著蘋果導(dǎo)入ToF技術(shù)，3D傳感手機(jī)應(yīng)用商機(jī)，將正式爆發(fā)，而切入VCSEL領(lǐng)域的LED廠，在技術(shù)到位之下，也將因此受惠。
