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.
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……本报告详尽介绍了VCSEL技术和应用, 以及相关产业的发展情况, 重点对消费电子和汽车电子进行深入研究, 包括3D传感, 激光雷达和气体传感器.
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.
本报告详细分析了VCSEL制造工艺流程, 以及相关技术挑战, 最新发展趋势和主要厂商定位, 此外还介绍了VCSEL在不同应用中的主要产品规格.
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.
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.