VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)崛起，探秘國(guó)產(chǎn)VCSEL的“破壁”和“突圍”之路
前不久，國(guó)內(nèi)首款波長(zhǎng)660nm VCSEL芯片已在重慶萬(wàn)州實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，這款由威科賽樂(lè)微電子股份有限公司研發(fā)的激光芯片，更易于面內(nèi)集成陣列和光學(xué)整形的技術(shù)，使得在相同輸出功率下對(duì)人眼敏感度能達(dá)到同類產(chǎn)品的4.5倍。而在成本方面，單顆芯片市場(chǎng)售價(jià)僅在一元左右，成本降低了60%，封裝成本也降低50%以上。長(zhǎng)春光機(jī)所也宣布首次實(shí)現(xiàn)了人眼安全范圍內(nèi)的1550 nm VCSEL芯片。
VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)是如何崛起呢？當(dāng)前，全球VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)格局如何？我國(guó)的VCSEL芯片是如何“破壁”的？未來(lái)，如何“突圍”才更有勝算？
從光通信到消費(fèi)電子，VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)的崛起
自2017年iPhone X推出人臉識(shí)別功能之后，其背后的關(guān)鍵技術(shù)——垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)一炮而紅，成為了消費(fèi)電子領(lǐng)域的新寵。
事實(shí)上，VCSEL并不是近些年研制出的新技術(shù)，早在1977年，日本科學(xué)家伊賀健一和內(nèi)山誠(chéng)治就提出了相關(guān)概念，并將其用于光通信領(lǐng)域，為科研界和通訊行業(yè)人士所熟知，至今已發(fā)展了四十余年。
VCSEL芯片是一種微型的半導(dǎo)體激光器，相較于EEL（Edge Emitting Laser，邊發(fā)射激光器），VCSEL具有效率高、光束質(zhì)量好、精度高、功耗低、小型化、高可靠、調(diào)制速率快、可大量生產(chǎn)、制造成本低等優(yōu)勢(shì)，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列及光電集成。但由于其制作工藝復(fù)雜，且激光發(fā)射功率較低、無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)距離偵測(cè)等原因，在誕生后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，VCSEL都無(wú)法向光通訊領(lǐng)域以外的應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行拓展。
結(jié)構(gòu)示意圖。（a）：VCSEL；（b）：EEL
直到20世紀(jì)90年代，智能手機(jī)的出現(xiàn)讓近距感應(yīng)進(jìn)入了人們的生活。隨著蘋果公司推出的iPhone X系列手機(jī)引入了面部識(shí)別（3D傳感）功能，用于結(jié)構(gòu)光光源的VCSEL進(jìn)入了人們的視野；2020年，可尋址VCSEL陣列首次進(jìn)入蘋果新款iPad Pro平板電腦和iPhone 12 Pro系列智能手機(jī)，成為消費(fèi)類激光雷達(dá)（LiDAR）的光源。
與此同時(shí)，蘋果也在積極布局VCSEL行業(yè)的未來(lái)——AR領(lǐng)域和智能汽車領(lǐng)域，探索VCSEL芯片的更多可能。在消費(fèi)電子的巨大市場(chǎng)之下，VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)鏈就此崛起。2022年，研究機(jī)構(gòu) Yole Group預(yù)測(cè)稱，2027年VCSEL市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到39億美元體量，2022~2027復(fù)合年化增速可達(dá)19.2%。
全球VCSEL芯片市場(chǎng)集中度高
在光通信系統(tǒng)中，核心光芯片分為DFB芯片、EML芯片、VCSEL芯片三種類型，核心光芯片技術(shù)壁壘高，全球市場(chǎng)由美國(guó)、日本等廠商占據(jù)主導(dǎo)。在VCSEL芯片領(lǐng)域，供應(yīng)商主要有三菱、II-VI、Lumentum、AMS、Trumpf等。
垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）是一種半導(dǎo)體激光器，具有檢測(cè)距離精確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低等優(yōu)勢(shì)，是全球各國(guó)研發(fā)熱點(diǎn)。VCSEL最初應(yīng)用在光通信領(lǐng)域，后隨著技術(shù)進(jìn)步，VCSEL應(yīng)用逐漸擴(kuò)展至光識(shí)別、光存儲(chǔ)、3D傳感、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子等領(lǐng)域。
受益于下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，VCSEL市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，預(yù)計(jì)2022年，全球VCSEL市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到22.4億美元，2022-2027年將以20.0%左右的年均復(fù)合增長(zhǎng)率高速增長(zhǎng)。VCSEL市場(chǎng)發(fā)展持續(xù)向好，帶動(dòng)VCSEL芯片市場(chǎng)需求釋放。
VCSEL芯片市場(chǎng)集中度高，2017-2021年，Lumentum長(zhǎng)期占據(jù)VCSEL芯片市場(chǎng)主要份額，2021年占比達(dá)到40.0%以上。2019年II-VI收購(gòu)Finisar，受益于此，II-VI市場(chǎng)占比有所提升，成為僅次于Lumentum的第二大VCSEL芯片供應(yīng)商，2021年其市占率約為37.2%。VCSEL芯片工藝流程長(zhǎng)，涉及到芯片設(shè)計(jì)、外延生長(zhǎng)、晶圓制造等環(huán)節(jié)，由于工藝復(fù)雜，II-IV、Lumentum等供應(yīng)商多采用IDM（垂直整合制造）生產(chǎn)模式。
奮起直追，國(guó)產(chǎn)VCSEL的“破壁”之路
除高增速發(fā)展之外，集中度高是VCSEL芯片市場(chǎng)的另一個(gè)特點(diǎn)。根據(jù)Yole Group報(bào)告，2017~2021年，Lumentum長(zhǎng)期占據(jù)VCSEL芯片市場(chǎng)主要份額，2021年占比達(dá)到40.0％以上。2019年II-VI（現(xiàn)為Coherent）收購(gòu)Finisar，受益于此，II-VI（現(xiàn)為Coherent）市場(chǎng)占比有所提升，成為僅次于Lumentum的第二大VCSEL芯片供應(yīng)商，2021年其市占率約為37.2％。
VCSEL芯片制作難度較高，從技術(shù)層面看，VCSEL綜合了半導(dǎo)體材料、激光物理、半導(dǎo)體制造工藝、高速射頻電子和光學(xué)技術(shù)等學(xué)科。不僅芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要在使用比硅材料脆弱及本征缺陷度高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的砷化鎵材料的情況下，滿足高性能和高可靠性要求。
從工藝層面看，VCSEL芯片工藝流程長(zhǎng)，制造難度高，包括外延工藝、氧化工藝、保護(hù)絕緣等工藝均需要深厚的技術(shù)積累，尤其外延生長(zhǎng)技術(shù)為其生產(chǎn)的核心壁壘，該良率水平直接影響企業(yè)生產(chǎn)成本。
因此，在很長(zhǎng)一段時(shí)間，國(guó)內(nèi)VCSEL行業(yè)難以走向高端化。一方面，芯片光電轉(zhuǎn)換效率低、研發(fā)成本高；另一方面，大部分VCSEL公司均是初創(chuàng)公司且僅是芯片設(shè)計(jì)公司，能夠設(shè)計(jì)產(chǎn)品但無(wú)法大規(guī)模量產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)化良率低；即便實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，但芯片封裝體積大或成本高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，VCSEL芯片市場(chǎng)需求主要依賴進(jìn)口。
值得注意的是，近年來(lái)，在國(guó)產(chǎn)替代的大趨勢(shì)下，VCSEL芯片國(guó)產(chǎn)化加速，國(guó)外光通訊巨頭壟斷VCSEL芯片市場(chǎng)的情況有望被打破。目前我國(guó)部分VCSEL芯片企業(yè)在技術(shù)、工藝、性能等方面已接近國(guó)際先進(jìn)水平，并在車載雷達(dá)、3D傳感、消費(fèi)電子等新興領(lǐng)域積累了豐富的量產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。
如長(zhǎng)光華芯VCSEL芯片最高轉(zhuǎn)換效率60.0%以上，打破國(guó)外技術(shù)封鎖和芯片禁運(yùn)，逐步實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光芯片的國(guó)產(chǎn)化；縱慧芯片VCSEL已經(jīng)在手機(jī)上持續(xù)多年大批量量產(chǎn)交付，從2021年開(kāi)始進(jìn)入汽車電子市場(chǎng)，在車載DMS，夜視補(bǔ)光和激光雷達(dá)應(yīng)用上均已實(shí)現(xiàn)前裝量產(chǎn)交付。并在國(guó)內(nèi)快速布局大量專利，獲得華為旗下哈勃資金、小米長(zhǎng)江基金，比亞迪等投資方青睞。
此外還有度亙激光、華芯半導(dǎo)體、檸檬光子、瑞識(shí)科技、新亮智能等國(guó)產(chǎn)VCSEL廠商正在快速發(fā)展。
科研領(lǐng)域中，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所在VCSEL的研究處于世界前沿地位。近日，長(zhǎng)春中科長(zhǎng)光時(shí)空光電技術(shù)有限公司與中科院長(zhǎng)春光機(jī)所聯(lián)合發(fā)布了在人眼安全垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）方面的最新成果。雙方聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)突破了高密度集成VCSEL陣列技術(shù)，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了1550 nm VCSEL芯片連續(xù)輸出功率＞1 W，脈沖輸出功率＞10 W。
國(guó)內(nèi)首款660納米波長(zhǎng)VCSEL芯片實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)
今年，國(guó)內(nèi)首款波長(zhǎng)660納米垂直腔面發(fā)射激光器芯片(660VCSEL芯片）在萬(wàn)州研發(fā)成功并投入批量化生產(chǎn)，這款芯片廣泛應(yīng)用于激光指示、激光掃描、血氧傳感、煙霧探測(cè)等領(lǐng)域。
2月2日上午，在位于萬(wàn)州經(jīng)開(kāi)區(qū)高峰園的威科賽樂(lè)微電子股份有限公司內(nèi)，一顆顆比米粒還小的660VCSEL芯片正有序地從晶圓上分選貼裝到藍(lán)膜方片上，短短幾分鐘，一片包含數(shù)百顆芯片的藍(lán)膜方片就完成了加工進(jìn)入發(fā)貨環(huán)節(jié)。
據(jù)研發(fā)人員介紹，這款芯片主要依靠特定波長(zhǎng)的光源來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示、傳感、探測(cè)等功能。相比于可見(jiàn)光LED，可見(jiàn)光VCSEL激光器芯片具有光源純度高、單色性高、方向性好、相干性好等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但如何解決設(shè)計(jì)和工藝、外延和芯片相匹配的難題，也成為了擺在研發(fā)人員面前的最大難題。
威科賽樂(lè)微電子股份有限公司研發(fā)負(fù)責(zé)人宋世金表示：“依托于我們自身全產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢(shì)，從外延、芯片以及設(shè)計(jì)制造，全部實(shí)現(xiàn)了技術(shù)和設(shè)備的自主可控。在一年多的研發(fā)時(shí)間里，從襯底到外延再到芯片制造，累計(jì)耗費(fèi)了上百片的研發(fā)片，平均每片的成本都在一萬(wàn)元以上，總體研發(fā)投入超過(guò)了千萬(wàn)元，最終才實(shí)現(xiàn)了這款產(chǎn)品的成功研發(fā)和量產(chǎn)?！?/span>
目前，這款芯片已經(jīng)具備6000萬(wàn)顆的年產(chǎn)能力，而目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的年需求量超過(guò)了億顆，這也意味著這款萬(wàn)州造“芯片”的前景十分廣闊。
競(jìng)爭(zhēng)加劇，如何“突圍”？
隨著消費(fèi)電子、汽車電子、3D傳感等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，VCSEL市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)擴(kuò)大。VCSEL芯片作為核心元器件之一，市場(chǎng)需求也將持續(xù)增長(zhǎng)，并對(duì)VCSEL技術(shù)提出更高要求。
除了芯片性能以外，芯片的可靠性、壽命以及可量產(chǎn)性都是國(guó)內(nèi)VCSEL發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。
業(yè)內(nèi)專家表示，盡管在新興領(lǐng)域我國(guó)部分廠商的量產(chǎn)化能力已經(jīng)可以比肩國(guó)際水平，打破了國(guó)外巨頭對(duì)VCSEL芯片市場(chǎng)的壟斷，但在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信等行業(yè)高端應(yīng)用中，國(guó)外廠商仍然牢牢占據(jù)著主導(dǎo)地位，我國(guó)在這一市場(chǎng)下的VCSEL芯片領(lǐng)域仍處于空白狀態(tài)。由于技術(shù)積累的不足和市場(chǎng)驗(yàn)證的缺乏，全面實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代和“芯片出海”仍然任重而道遠(yuǎn)。
與此同時(shí)，隨著越來(lái)越多廠商進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)，國(guó)外廠商和用戶對(duì)數(shù)據(jù)通信、3D傳感、激光雷達(dá)等方面的專利布局和競(jìng)爭(zhēng)也在不斷加劇，一定程度上增大了國(guó)內(nèi)企業(yè)的進(jìn)入門檻。
但憑借高性價(jià)比和完善產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)，國(guó)內(nèi)企業(yè)仍有望破局。整體上看，國(guó)內(nèi)企業(yè)要想發(fā)展VCSEL，除了需要打通材料、工藝、人才、工程技術(shù)等節(jié)點(diǎn)以外，還要不斷加大研發(fā)投入，提高VCSEL芯片性能及轉(zhuǎn)換效率，以鞏固自身市場(chǎng)地位。
后記
國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程 ，一般會(huì)經(jīng)歷 “技術(shù)落后期”、“技術(shù)追趕期”、“全面替代超越期”三個(gè)階段。而今，尚處于第一和第二階段的VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)仍是朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，擁有廣闊的發(fā)展空間，相信在全行業(yè)的共同付出與拼搏之下，國(guó)產(chǎn)VCSEL芯片走向世界的這一天不會(huì)太遠(yuǎn)。
