3D感測及更多手機應用需求推動垂直腔面發射雷射器 (VCSEL) 市場快速發展!
繼數據通信之後, VCSEL企業終於發現 '殺手級' 應用, 市場爆發在即
自1977年日本東京工業大學的伊賀健一 (Kenichi Iga) 提出VCSEL概念開始, VCSEL各個方面的研究到現在均獲得了長足的進步. VCSEL從誕生之日起就作為數據通信 (Datacoms) 應用的核心器件. 與邊發射雷射器 (EEL) 相比, VCSEL優勢在於較低的功耗和有競爭力的價格, 尤其適合短距離數據通信. 在數據中心建設的推動下, 在本世紀初期VCSEL市場和產量隨著互聯網的普及而蓬勃發展, 然後穩步增長. 雖然VCSEL也尋覓到一些新應用, 如雷射印表機和光學滑鼠, 但是都無法提供強勁的增長驅動力.
VCSEL及其封裝形式
直到2014年, VCSEL才開始進入大批量消費類市場——智能手機, 實現接近感測和自動對焦功能, 這預示著VCSEL成功的開端. 2017年, 蘋果 (Apple) 公司發布了十周年紀念版的產品: iPhone X, 整合了基於VCSEL技術的3D感測功能. iPhone X智能手機採用了三種不同的VCSEL晶片 (用於Face ID的3D攝像頭, 接近感測器) , 進而促使VCSEL市場呈現爆炸式增長勢頭——2017年VCSEL整體市場規模達到3.3億美元.
據麥姆斯諮詢介紹, 良好的iPhone X銷量引發其它安卓 (Android) 智能手機品牌廠商對3D感測功能的強烈興趣. 在iPhone X發布不到一年的時間裡, 競爭對手們也開始採用類似的策略, 整合各種3D感測技術和人臉識別功能, 可見VCSEL '殺手級' 應用獲得市場認可! 小米和OPPO的速度是最快的, 2018年第二季度分別推出了小米8探索版和OPPO Find X兩款整合3D感測技術的智能手機. 其它Android智能手機廠商, 如華為, vivo和三星, 預計2019年將會把VCSEL用於旗艦機. 在此背景下, 2017年啟動的新一輪VCSEL市場增長浪潮將持續至未來五年, 相關商業機會有可能增加十倍以上. 與此同時, VCSEL還有希望進入其它一些批量應用領域, 如汽車雷射雷達 (LiDAR) 和氣體感測器等.
上述趨勢使得VCSEL領域湧入大量投資行為, 如老牌企業新建工廠, 初創企業層出不窮, 投資和併購持續火熱……本報告詳盡介紹了VCSEL技術和應用, 以及相關產業的發展情況, 重點對消費電子和汽車電子進行深入研究, 包括3D感測, 雷射雷達和氣體感測器.
VCSEL因應用而異, 6英寸晶圓製造工藝面臨挑戰
不同應用對VCSEL產品的性能和規格要求各異, 主要體現在尺寸, 輸出功率和雷射腔 (laser cavity) 等方面. 對於數據通信和接近感測應用, VCSEL晶片或陣列的表面積可小於0.1mm²; 對於雷射雷達應用, 其表面積可超過70mm². VCSEL表面積隨著所需輸出功率的增加而增大, 雷射腔和製造工藝的複雜性也在提升.
VCSEL產品規格 vs. 應用需求
當前, VCSEL從數據通信時代向3D感測時代的轉變, 可能會對相關製造產業產生強烈的影響. 數據通信行業的VCSEL常採用3英寸或4英寸晶圓製造工藝, 但是消費電子行業則需要6英寸晶圓製造工藝, 才能實現降低成本的目的, 以及更大的VCSEL陣列. 這種演變對製造良率有直接影響, 目前6英寸製造工藝的良率仍然偏低. 這主要與外延片製造有關: 與3英寸或4英寸晶圓外延相比, 6英寸晶圓外延均勻性是目前的主要挑戰. 通常, 外延層厚度的1%差異將導致10nm的波長偏差, 並且外延良率會影響整體VCSEL製造良率. 現在, 外延是VCSEL產業亟需解決的關鍵工藝, 金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD) 和相關計量設備是投資核心!
備註: 【MOCVD優缺點】相較於其它化學氣相沉積技術, MOCVD技術有許多優點: (1) 製造過程中所需要的反應物, 皆以氣態的方式進入反應腔體, 透過高精準度的注入噴頭 (Injector) 可準確控制所需成長的薄膜組成, 濃度, 厚度; (2) 通過高溫化學反應, 能快速成長薄膜; (3) 使用不同的前驅物原料, 即可具有不同製程的靈活性. 而此項技術的缺點則為: (1) 前驅物原料昂貴, 提高生產成本; (2) 所使用之前驅物原料多為具有易燃性或毒性, 使用時須注意安全防護, 使用後的副產物也須妥善處理, 避免造成危害及環境汙染.
本報告詳細分析了VCSEL製造工藝流程, 以及相關技術挑戰, 最新發展趨勢和主要廠商定位, 此外還介紹了VCSEL在不同應用中的主要產品規格.
無法淡定, 一波又一波的投資和併購已經開始……
預計VCSEL出貨量將從2017年的6.52億顆增長至2023年的33億多顆, 2017~2023年的複合年增長率高達31%. 這種蓬勃發展的趨勢吸引資本方對VCSEL產業各個層面進行投資, 包括晶片設計和製造公司, 設備和材料供應商, 外延和代工廠, 系統整合和OEM廠商等. 例如MOCVD設備供應商: 愛思強 (Aixtron) , 維易科 (Veeco) 和大陽日酸 (Taiyo Nippon Sanso) , 因此深受其益!
因此, 我們認為VCSEL產業將出現強勁增長和投資, 其中包括幾家新進入者, 當然他們大部分來自LED產業. 自2016年以來, 麥姆斯諮詢也報道了一些併購行為, 例如: 艾邁斯半導體 (ams) 收購普林斯頓光學 (Princeton Optronics) , 歐司朗 (Osram) 收購Vixar. 同時, 企業對製造設施的擴張或供應鏈的增強也在進行中.
一旦VCSEL市場達到頂峰, 更多的產業鏈整合將會發生, 以支援不同的企業策略: - 垂直整合: 從系統到模組, 從模組到器件; - 應用多樣化: 從數據通信到感測; - 產品多樣化: 從LED或EEL到VCSEL.