VCSEL技术、产业和市场趋势分析

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。

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0．1mm2；对于激光雷达应用，其表面积可超过70mm2。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。

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。