VCSEL激光器應用及主要廠商梳理｜半導體行業觀察

來源：內容由 微信公眾號 半導體行業觀察 （ID：icbank） 綜合自「SIMIT戰略研究室」，謝謝。

隨著3D感測的爆發，VCSEL激光器從光通信領域進入消費電子領域。VCSEL進入蘋果產業鏈，是以VCSEL技術為代表的半導體激光技術在消費領域的重大突破，光器件也從工業領域走向消費領域。

一、VCSEL激光器簡介

VCSEL，垂直共振腔表面放射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)，基本結構是由上下兩個DBR（Distributed Bragg Reflector）反射鏡和有源區這三部分組成。上下兩個DBR反射鏡與有源區構成諧振腔。有源區由幾個量子阱組成，作為VCSEL的核心部分，決定著器件的閾值增益、激射波長等重要參數。VCSEL常用的原材料有砷化鎵、磷化銦或氮化鎵等發光化合物半導體，具有體積小、圓形輸出光斑、單縱模輸出、閾值電流小、價格低廉、易集成為大面積陣列等優點。

VCSEL結構圖

VCSEL製造流程大致為：：材料外延生長→外延結構的表徵（X射線衍射、反射譜、光致熒光譜、電化學C-V特性等）→器件工藝（包括外延片清洗、晶片鍵合、刻蝕、金屬膜濺射、光學鍍膜等）→後段工藝（包括引線鍵合、劃片、封裝、光纖耦合等）→器件性能測試（包括I-V特性、I-P特性、發射光譜、頻響特性等），最終完成從材料到器件的全過程。

二、VCSEL應用領域

在應用領域方面，VCSEL從誕生起就作為新一代光存儲和光通信應用的核心器件，應用在光並行處理、光識別、光互聯繫統、光存儲等領域。隨著工藝、材料技術改進，VCSEL器件在功耗、製造成本、集成、散熱等領域的優勢開始顯現，逐漸應用於工業加熱、環境監測、醫療設備等商業級應用以及3D感知等消費級應用。

未來，隨著智能化信息世界的不斷發展，VCSEL將廣泛應用在消費電子3D成像、物聯網、數據中心/雲計算、自動駕駛等領域。其中，VCSEL在消費電子領域發揮越來越重要的作用，VCSEL可用來進行智能手機人臉識別、無人機避障、VR/AR、掃地機器人、家用攝像頭等。

（1）消費電子3D成像：VCSEL是消費電子視覺成像、三維感應的基礎元器件，預計2020年，僅智能手機為VCSEL市場貢獻超過20億美元的收入。

（2）物聯網：VCSEL是物聯網的重要感測器件，預計2025年，全球將有數十億設備接入物聯網，全球物聯網市場有望超過30萬億美元。

（3）數據中心/雲計算：VCSEL用於數據中心，預計2020年，全球VCSEL數據通訊的市場規模將達到100億美元。

（4）自動駕駛：VCSEL應用於自動駕駛中的車身通訊、感測器等，預計到2030年，激光雷達的使用數量將超過3億枚。

三、VCSEL廠商情況

VCSEL國外廠商主要有Broadcom、Lumentum、Finisar、II-VI、Philips Photonics、ams、Osram等，國內主要有江蘇華芯、武漢光迅科技，其他還有山東太平洋、深圳源國、國星光電、華工科技、三安光電、乾照光電、華燦光電以及睿熙科技等公司。可以看出，基本上都是來自於光通信晶元的龍頭企業；也正是VCSEL有了在光通信領域的經驗，消費級應用變得順理成章，兩者產品具備很強的技術延展性。

1. Broadcom

Broadcom是VCSEL晶元的主要供應商之一。2016年2月，Avago收購了博通，成立了新博通。博通在光學數據通訊市場產品供應豐富，包括光纖接收器、嵌入式光學模組以及自適應光纜等。博通憑藉近期VCSEL出貨量的升級，該公司已經出貨100萬件25G VCSEL器件，使其市場領導領域擴展至光學網路市場。

2. Lumentum

Lumentum是2015年從JDSU分拆出來的公司，主要生產和銷售光纖相關產品，銷售給全球光纖網路及商用激光客戶，公司分2個部門來運作：光通信、商用激光器。Lumentum是蘋果公司的第一家VCSEL供應商，晶元代工在台灣穩懋。

2018年3月，Lumentum宣布溢價27%收購Oclaro，交易金額約18億美元。通過收購，Lumentum將獲得Oclaro的磷化銦、光電積體整合電路技術。

3. Finisar

Finisar是蘋果公司的第二家VCSEL供應商。2017年12月，蘋果對Finisar投資3.9億美元，用於增加VCSEL的研發和生產。Finisar將使用這筆資金把德克薩斯州謝爾曼一家面積70萬平方英尺的已關閉製造廠，改造成開發VCSEL晶元的工廠，未來將用於蘋果產品。所有的蘋果訂單的加工將使用100%的可再生能源，預計新工廠將於2018年下半年投入運營。

4. II-VI

II-VI公司成立於1987年，業務主要分為紅外光學、近紅外光學、軍事和材料、先進產品部四大部門。

II-VI公司重金投入2017年8月以8000萬美元從Kaiam收購的6英寸VCSEL製造廠。Kaiam位於英國牛頓艾克利夫佔地30萬平方英尺的工廠擁有10萬平方英尺的潔凈室，專為大規模製造GaAs、SiC以及InP化合物半導體器件而設計。

2018年3月，II-VI公司宣布8500萬美元收購波長選擇開關(WSS)供應商CoAdna。2018年9月，交易完成。CoAdna將併入II-VI Photonics部門此項交易將強化II-VI公司ROADMs產品垂直整合能力。

5. Philips Photonics

Philips Photonics是飛利浦全資子公司，生產760nm-948nm VCSEL感測類用的單模激光管，VCSEL技術具有20多年研發經驗，是原德國Ulm Photonics公司，2006年Philips收購Ulm Photonics。760nm-948nm VCSEL單模激光器主要應用於，激光吸收光譜TDLAS測量氧氣和水分子、紅外傅里葉變換光譜、原子鐘、干涉儀、編碼器以及運動控制等感測方面應用。

6. ams

ams通過收購快速轉型，成為聚焦在光學感測器領域的主要供應商。在總部奧地利的工廠負責前端晶圓製造，新加坡廠則負責光學感測器生產和封裝以及VCSEL製造，測試/感測器校準工作則在奧地利和菲律賓的廠內進行。2017年，ams對其位於新加坡的6吋晶圓廠(2000 wspm)產能（主要生產VCSEL晶元）進行擴充投資，針對最新具有人臉識別技術的高端手機所需器件進行投產，增加員工也大部分集中於此，以支持3D和光學感測領域的迅速增長，預計在2019年實現量產。

ams在成像和光學方面陸續收購了Heptagon、Princeton Optronics、CMOSIS、KeyLemon、Mazet這幾家公司。其中，KeyLemon公司具備領先的3D人臉識別知識產權庫。Princeton Optronics公司可以提供VCSEL光源發射器。

7. Osram

2018年5月，Osram收購美國Vixar公司。Osram是紅外LED和紅外激光二極體的技術領導者，通過引入Vixar在VCSEL方面的專業技術，Osram將在該領域擁有更強的技術能力和產品組合。

Vixar公司成立於 2005 年，為生物醫學、工業、辦公產品、汽車和消費品行業的感測器等應用製造波長在650~1000 nm 之間的 VCSEL。

8. 江蘇華芯

江蘇華芯成立於2015年底，是目前國內唯一一家能夠自主完成VCSEL和藍光半導體激光器晶元外延及晶元工藝製造，並實現量產的公司。2017年11月，10G VCSEL晶元量產並批量出貨。2018年3月，940nm 100mW VCSEL產品定型。

目前年產能為5000萬顆單管光通訊VCSEL晶元、2500萬顆VCSEL面列陣晶元、500萬顆藍光晶元。預計到2018年底，將形成5000萬顆3D感測VCSEL晶元的年產能。

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9. 武漢光迅科技

武漢光迅科技是國內光通信光模塊器件最大的公司，公司牽頭組建了「國家信息光電子創新中心」，短期來看可以幫助公司節約研發支出，長期來看有利於公司充分發揮產業協同優勢，完善技術前瞻布局。光迅科技近年來積極開展波長為850nm/940nm VCSEL 晶元的研發，應用於光通信、3D感測等領域。

光迅科技光晶元平台能力

四、總結

VCSEL激光器最大的應用在光通信、3D感測器，應用領域包括消費電子、工業、醫療、5G、汽車電子、AR/VR等，全球已經出現老牌光電子企業擴張/併購、初創企業湧現的潮流，VCSEL的市場熱度、未來應用將會受到更多的重視。

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