進擊的國產VCSEL晶元廠｜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） 李壽鵬 原創，謝謝。

日前，國內的LED供應商乾照光電發表公告，稱公司擬出資16億人民幣建設VCSEL、高端LED晶元等半導體研發生產項目。公告中指出，2017 年，以 VCSEL 激光器為核心元器件的 3D Sensing 攝像頭在 iPhone 十周年機型的應用，將帶動相關細分市場十倍以上級別的爆發。iPhone X 臉部辨識啟動3D 感測應用後，非蘋陣營可望跟進，目前安卓手機陣營中沒有應用國產化的 VCSEL晶元。VCSEL 外延片晶元的關鍵技術主要為國際少數幾家大公司所壟斷，也是我國激光晶元產業中較為薄弱的環節。

按照這個表述，乾照光電的目標和其他近來大力投入到VCSEL的國產廠商一樣，打算在即將爆發的VCSEL市場中分一杯羹，但這個市場真的那麼美好嗎？

因iPhone X火起來的產業

VCSEL全名為垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)，簡稱面射型激光，這是由日本科學技術員的 H. Soda 與 K. Iga 等人在上世紀七十年代末提出的概念。與傳統的邊發射激光器不同，VCSEL的激光出射方向垂直於襯底表面,可獲得圓形光斑。因為其諧振腔長與波長接近,動態單模性比較好,具備發光效率高、功耗極低、光束質量好，易於光纖耦合、可調變頻率就達數GHz、超窄的線寬、極高的光束質量、高偏振比和造價便宜等優勢。

VCSEL的結構圖，圖左為頂發射結構，圖右為底發射結構

自概念被提出以後，這個技術一直在緩慢發展成熟，並被逐漸推向光通信、光互連、光存儲、激光顯示和照明等領域，但因為這些市場的大眾關注度並沒有那麼高，VCSEL在過去的幾十年里也一直默默無聞，直到蘋果在其iPhone X中採用了Face ID方案後，VCSEL在過去兩年就變得人盡皆知。

蘋果iPhone X中用到的3D成像技術

如上圖所示，蘋果使用泛光照明器、接近感測器、環境光感測器和點陣投射器構成了iPhone X的3D成像模組，當中的泛光照射器、接近感測器和點陣投射器都用到了VCSEL。因為蘋果的龐大出貨量，還有他們的設計對安卓陣營的影響力，就迅速推動VCSEL走向了風口浪尖，市場也對這個產品的未來有了無限期望。

市調機構Yole指出，在未來五年，VCSEL將持續維持爆炸式的成長，其商業機會將成長10倍以上，2017年至2023年年均複合增長率(CAGR)將達31% ，而市場規模預計從2017年的6.52億顆攀升至2023年的33億顆。

乾照光電發布的公告中也表示，隨著全球範圍內相關 VCSEL 供應商的產能不斷增長，全球 VCSEL 市場的複合年增長率（CAGR）可達 17.3%，市場規模到 2022 年或將增長至 200 億人民幣。

龐大的市場容量就吸引了眾多國產廠商加入其中。

國產廠商快速湧進

面對這個大市場，除了乾照之外，更早之前也有了一大波國產廠商湧入這個市場。首先，和乾照光電一樣同樣位於廈門的三安光電也是其中的一個玩家。

去年年底，該公司被投資者問到是否有投入到VCSEL研發的時候，他們給出的答案是：「公司正布局光通訊發射端與接收端晶元的研發和生產，並在海外成立子公司從事光通訊的研發、生產及銷售，以應對光通訊在消費電子和通訊領域滲透帶來的廣闊市場需求」，而在早前某個展會上，半導體行業觀察記者就此事問到三安光電相關負責人，他們也給出了肯定的答案，這就坐實了他們投入VCSEL，市場甚至傳言他們已經進入到送樣階段。

2015年成立於泰州的華芯半導體今年早些時候在接受麥姆斯諮詢採訪的時候則表示，華芯半導體是目前國內唯一一家能夠自主完成垂直腔面發射激光器（VCSEL）和藍光半導體激光器晶元外延及晶元工藝製造，並實現量產的高科技公司。按照他們的說法，公司已經從2017年11月份開始批量出貨。

同樣成立於2015年，起源於斯坦福大學的縱慧芯光，也是國產VCSEL市場的另一個重要角色。該公司聯合創始人陳曉遲今年八月在出席一個論壇的時候講到，縱慧芯光在2015年底成立並完成A輪融資。到2018年年初的時候，他們完成了B輪的融資，並在常州建立了他們的6寸的外延產線，按照他們的說法，這條產線建設完成後，將成為國內第一條6寸工藝的核心光電器件外延生產線。

按照陳曉遲的說法，縱慧芯光在2018年初進入了品牌手機廠商的供應鏈，今年年末將開始批量的出貨。按照他的預計，縱慧芯光今年年底會推出下一代的產品，光電轉換效率達到45%以上，且今年會完成外延產線的建設，而他們的目標是在2019年實現億級的銷售目標。

另外，獲得了億元融資的睿熙科技也聲稱在VCSEL方面有領先的優勢。

據該公司官網介紹，寧波睿熙科技有限公司是全球技術領先的 VCSEL 供應商，核心成員擁有20年在世界一流VCSEL公司領導產品設計和生產製造的經驗， 涵蓋外延生長、工藝製程、晶元設計與模擬、倒片封裝、封裝、高頻測試與設計、大數據分析、失效分析等所有VCSEL設計、製造管理領域。

按照他們的說法，目前睿熙科技已經完成適用於手機等消費電子的第三代晶元，於2018年量產，達到國際主流大廠水平，並成為舜宇光學推薦的唯一國產VCSEL晶元，現階段正與手機廠商洽談合作意向。

以上只是筆者看到的一些廠商，其他是否還有更多沉在水面下的廠商，那就不得而知。可以肯定的是，國內廠商對這個市場虎視眈眈。

如何突破包圍圈？

和其他很多晶元一樣，VCSEL同樣是一個幾乎被歐美日三個地區的廠商壟斷的領域。

以蘋果為例，他們在iPhone X上採用了Lumentum的VCSEL，後來市場傳出蘋果投資了Finisar，扶植另一家供應商，另外II-V和ams也是都是VCSEL領域的不可忽略的角色。其他如博通、住友電工，也都在VCSEL市場擁有不少的領先份額。

他們拿下了全球大部分的VCSEL供應，這主要與VCSEL的製造工藝本身和他們自身在這上面的多年積累有關。我們看現在那些VCSEL做得好的供應商，基本上都有自己的工廠，或者代工廠在相關產品生產上有悠久的歷史，也就是說對製造有很高的需求。而從VCSEL的整個供應鏈上看，也的確如此。

例如在磊晶方面，英國的IQE就以高達五成的市佔位居第一位，來自台灣的全新則以20%的份額緊隨其後；日本的Sumika則是目前全球少數可量產六吋磊晶的廠商，全球市佔17％。對於國內的VCSEL廠來說，在這關鍵的方面，如何保證這個方面的來源，是他們能夠進一步發展的關鍵。

至於技術方面，睿熙科技首席執行官James Liu在接受麥姆斯諮詢採訪的時候也提到VCSEL製造的挑戰，現摘錄如下：

VCSEL綜合了半導體材料、激光物理、半導體製造工藝、高速射頻電子和光學技術等學科。不僅晶元結構複雜，而且需要在使用比硅材料脆弱及本徵缺陷度高兩個數量級的砷化鎵材料的情況下，滿足高性能和高可靠性要求。在VCSEL製備的過程中，應力及製造過程導致的晶體缺陷產生概率也遠高於硅基光電晶元。並且，VCSEL晶元在工作狀態時，其單位體積承受的電流密度要大幅高於硅基光電晶元，這就意味著VCSEL要承受更大的光強和電流。舉例來說，如果VCSEL設計或工藝不夠「完美」，導致了局部晶體缺陷，常規的出貨測試很難探測出來；但在晶元工作過程中，晶體缺陷在高溫、高電流及強光子的刺激下會加速生長，一段時間以後，一旦破裂生長超過一定數值，或到達有源區，晶元就會失效。

同硅基電晶元相比，VCSEL晶元更接近材料科學的範疇，優秀的晶元設計需滿足高性能指標，但最大的挑戰來自於高可靠性的要求。這涉及有源層材料、結構應力、結構散熱等與材料及結構有關的優化，亦依賴於外延生長及關鍵製造工藝的優化。成熟VCSEL產品在可靠性工藝方面需多年積累和無數糾錯實驗。符合低成本、高性能、高良率、高可靠性的大批量產業化，需要從業者有深厚的學術理論基礎，更依賴於工業界多年累積的豐富經驗和迅速解決問題的能力。

由此可見，國產廠商想打破歐美日廠商的壟斷，需要多管齊下。

不應只盯住手機

無論是國外還是國內的廠商來說，押寶VCSEL，主要看的是手機市場對其的需求，但這真的是一個將要爆發的大市場么？雖然蘋果產業鏈分析師在日前表達了對VCSEL的信心，他認為蘋果將會繼續採用這種方案。但在某些分析師看來，應用在手機裡面的VCSEL前景不妙。

上個月，有分析機構指出，蘋果對於明年的人臉識別技術傾向於使用RF UWB ToF技術，而不是VCSEL ToF，這則消息引發了整個VCSEL產業鏈股票大跌。況且，現在安卓手機上還沒大批量用上3D成像技術，萬一蘋果真的轉向了RF UWB ToF技術，並取得了不錯的效果。對於手機廠商來說，如果新方案實現難度遠低於VCSEL的方案，也許他們都轉向了這裡也並不出奇。

正如前面所說，VCSEL最初是在通信這些領域發揮功用的，而現在大家對於VCSLE方案應用於汽車也非常有信心，甚至連HDD、醫療也都是VCSEL關注的領域。對於國內這些VCSEL廠來說，如果能提前做好多手準備，提早布局，這也許才是最明智的。

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