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VCSEL技术、产业和市场趋势分析

导读: 3D传感及更多手机应用需求推动垂直腔面发射激光器(VCSEL)市场快速发展!

3D传感及更多手机应用需求推动垂直腔面发射激光器(VCSEL)市场快速发展!

继数据通信之后,VCSEL企业终于发现“杀手级”应用,市场爆发在即

自1977年日本东京工业大学的伊贺健一(Kenichi Iga)提出VCSEL概念开始,VCSEL各个方面的研究到现在均获得了长足的进步。VCSEL从诞生之日起就作为数据通信(Datacoms)应用的核心器件。与边发射激光器(EEL)相比,VCSEL优势在于较低的功耗和有竞争力的价格,尤其适合短距离数据通信。在数据中心建设的推动下,在本世纪初期VCSEL市场和产量随着互联网的普及而蓬勃发展,然后稳步增长。虽然VCSEL也寻觅到一些新应用,如激光打印机和光学鼠标,但是都无法提供强劲的增长驱动力。

VCSEL技术、产业和市场趋势分析

VCSEL及其封装形式

直到2014年,VCSEL才开始进入大批量消费类市场——智能手机,实现接近感测和自动对焦功能,这预示着VCSEL成功的开端。2017年,苹果(Apple)公司发布了十周年纪念版的产品:iPhone X,集成了基于VCSEL技术的3D传感功能。iPhone X智能手机采用了三种不同的VCSEL芯片(用于Face ID的3D摄像头、接近传感器),进而促使VCSEL市场呈现爆炸式增长势头——2017年VCSEL整体市场规模达到3.3亿美元。

VCSEL技术、产业和市场趋势分析

2017年和2023年VCSEL市场预测

据麦姆斯咨询介绍,良好的iPhone X销量引发其它安卓(Android)智能手机品牌厂商对3D传感功能的强烈兴趣。在iPhone X发布不到一年的时间里,竞争对手们也开始采用类似的策略,集成各种3D传感技术和人脸识别功能,可见VCSEL“杀手级”应用获得市场认可!小米和OPPO的速度是最快的,2018年第二季度分别推出了小米8探索版和OPPO Find X两款集成3D传感技术的智能手机。其它Android智能手机厂商,如华为、vivo和三星,预计2019年将会把VCSEL用于旗舰机。在此背景下,2017年启动的新一轮VCSEL市场增长浪潮将持续至未来五年,相关商业机会有可能增加十倍以上。与此同时,VCSEL还有希望进入其它一些批量应用领域,如汽车激光雷达(LiDAR)和气体传感器等。

上述趋势使得VCSEL领域涌入大量投资行为,如老牌企业新建工厂,初创企业层出不穷,投资和并购持续火热……

VCSEL因应用而异,6英寸晶圆制造工艺面临挑战

不同应用对VCSEL产品的性能和规格要求各异,主要体现在尺寸、输出功率和激光腔(laser cavity)等方面。对于数据通信和接近传感应用,VCSEL芯片或阵列的表面积可小于0.1mm?;对于激光雷达应用,其表面积可超过70mm?。VCSEL表面积随着所需输出功率的增加而增大,激光腔和制造工艺的复杂性也在提升。

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VCSEL产品规格 vs. 应用需求

当前,VCSEL从数据通信时代向3D传感时代的转变,可能会对相关制造产业产生强烈的影响。数据通信行业的VCSEL常采用3英寸或4英寸晶圆制造工艺,但是消费电子行业则需要6英寸晶圆制造工艺,才能实现降低成本的目的,以及更大的VCSEL阵列。这种演变对制造良率有直接影响,目前6英寸制造工艺的良率仍然偏低。这主要与外延片制造有关:与3英寸或4英寸晶圆外延相比,6英寸晶圆外延均匀性是目前的主要挑战。通常,外延层厚度的1%差异将导致10nm的波长偏差,并且外延良率会影响整体VCSEL制造良率。现在,外延是VCSEL产业亟需解决的关键工艺,金属有机化学气相沉积(MOCVD)和相关计量设备是投资核心!

备注:【MOCVD优缺点】相较于其它化学气相沉积技术,MOCVD技术有许多优点:(1)制造过程中所需要的反应物,皆以气态的方式进入反应腔体,透过高精准度的注入喷头(Injector)可准确控制所需成长的薄膜组成、浓度、厚度;(2)通过高温化学反应,能快速成长薄膜;(3)使用不同的前驱物原料,即可具有不同制程的灵活性。而此项技术的缺点则为:(1)前驱物原料昂贵,提高生产成本;(2)所使用之前驱物原料多为具有易燃性或毒性,使用时须注意安全防护,使用后的副产物也须妥善处理,避免造成危害及环境污染。

无法淡定,一波又一波的投资和并购已经开始……

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,2017~2023年的复合年增长率高达31%。这种蓬勃发展的趋势吸引资本方对VCSEL产业各个层面进行投资,包括芯片设计和制造公司、设备和材料供应商、外延和代工厂、系统集成和OEM厂商等。例如MOCVD设备供应商:爱思强(Aixtron)、维易科(Veeco)和大阳日酸(Taiyo Nippon Sanso),因此深受其益!

因此,我们认为VCSEL产业将出现强劲增长和投资,其中包括几家新进入者,当然他们大部分来自LED产业。自2016年以来,麦姆斯咨询也报道了一些并购行为,例如:艾迈斯半导体(ams)收购普林斯顿光学(Princeton Optronics)、欧司朗(Osram)收购Vixar。同时,企业对制造设施的扩张或供应链的增强也在进行中。

VCSEL技术、产业和市场趋势分析

VCSEL产业生态系统

一旦VCSEL市场达到顶峰,更多的产业链整合将会发生,以支持不同的企业策略:

- 垂直整合:从系统到模块,从模块到器件;

- 应用多样化:从数据通信到传感;

- 产品多样化:从LED或EEL到VCSEL。

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