VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)崛起，探秘國產(chǎn)VCSEL的“破壁”和“突圍”之路
前不久，國內首款波長660nm VCSEL芯片已在重慶萬州實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，這款由威科賽樂微電子股份有限公司研發(fā)的激光芯片，更易于面內集成陣列和光學整形的技術，使得在相同輸出功率下對人眼敏感度能達到同類產(chǎn)品的4.5倍。而在成本方面，單顆芯片市場售價僅在一元左右，成本降低了60%，封裝成本也降低50%以上。長春光機所也宣布首次實現(xiàn)了人眼安全范圍內的1550 nm VCSEL芯片。
VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)是如何崛起呢？當前，全球VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)格局如何？我國的VCSEL芯片是如何“破壁”的？未來，如何“突圍”才更有勝算？
從光通信到消費電子，VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)的崛起
自2017年iPhone X推出人臉識別功能之后，其背后的關鍵技術——垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)一炮而紅，成為了消費電子領域的新寵。
事實上，VCSEL并不是近些年研制出的新技術，早在1977年，日本科學家伊賀健一和內山誠治就提出了相關概念，并將其用于光通信領域，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、光束質量好、精度高、功耗低、小型化、高可靠、調制速率快、可大量生產(chǎn)、制造成本低等優(yōu)勢，易于實現(xiàn)大規(guī)模陣列及光電集成。但由于其制作工藝復雜，且激光發(fā)射功率較低、無法進行遠距離偵測等原因，在誕生后的很長一段時間內，VCSEL都無法向光通訊領域以外的應用場景中進行拓展。
結構示意圖。（a）：VCSEL；（b）：EEL
直到20世紀90年代，智能手機的出現(xiàn)讓近距感應進入了人們的生活。隨著蘋果公司推出的iPhone X系列手機引入了面部識別（3D傳感）功能，用于結構光光源的VCSEL進入了人們的視野；2020年，可尋址VCSEL陣列首次進入蘋果新款iPad Pro平板電腦和iPhone 12 Pro系列智能手機，成為消費類激光雷達（LiDAR）的光源。
與此同時，蘋果也在積極布局VCSEL行業(yè)的未來——AR領域和智能汽車領域，探索VCSEL芯片的更多可能。在消費電子的巨大市場之下，VCSEL芯片產(chǎn)業(yè)鏈就此崛起。2022年，研究機構 Yole Group預測稱，2027年VCSEL市場規(guī)模將達到39億美元體量，2022~2027復合年化增速可達19.2%。
全球VCSEL芯片市場集中度高
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，核心光芯片技術壁壘高，全球市場由美國、日本等廠商占據(jù)主導。在VCSEL芯片領域，供應商主要有三菱、II-VI、Lumentum、AMS、Trumpf等。
垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）是一種半導體激光器，具有檢測距離精確、結構簡單、體積小、功耗低等優(yōu)勢，是全球各國研發(fā)熱點。VCSEL最初應用在光通信領域，后隨著技術進步，VCSEL應用逐漸擴展至光識別、光存儲、3D傳感、消費電子、數(shù)據(jù)中心、汽車電子等領域。
受益于下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，VCSEL市場規(guī)模不斷擴大，預計2022年，全球VCSEL市場規(guī)模將達到22.4億美元，2022-2027年將以20.0%左右的年均復合增長率高速增長。VCSEL市場發(fā)展持續(xù)向好，帶動VCSEL芯片市場需求釋放。
VCSEL芯片市場集中度高，2017-2021年，Lumentum長期占據(jù)VCSEL芯片市場主要份額，2021年占比達到40.0%以上。2019年II-VI收購Finisar，受益于此，II-VI市場占比有所提升，成為僅次于Lumentum的第二大VCSEL芯片供應商，2021年其市占率約為37.2%。VCSEL芯片工藝流程長，涉及到芯片設計、外延生長、晶圓制造等環(huán)節(jié)，由于工藝復雜，II-IV、Lumentum等供應商多采用IDM（垂直整合制造）生產(chǎn)模式。
奮起直追，國產(chǎn)VCSEL的“破壁”之路
除高增速發(fā)展之外，集中度高是VCSEL芯片市場的另一個特點。根據(jù)Yole Group報告，2017~2021年，Lumentum長期占據(jù)VCSEL芯片市場主要份額，2021年占比達到40.0％以上。2019年II-VI（現(xiàn)為Coherent）收購Finisar，受益于此，II-VI（現(xiàn)為Coherent）市場占比有所提升，成為僅次于Lumentum的第二大VCSEL芯片供應商，2021年其市占率約為37.2％。
VCSEL芯片制作難度較高，從技術層面看，VCSEL綜合了半導體材料、激光物理、半導體制造工藝、高速射頻電子和光學技術等學科。不僅芯片結構復雜，而且需要在使用比硅材料脆弱及本征缺陷度高兩個數(shù)量級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，制造難度高，包括外延工藝、氧化工藝、保護絕緣等工藝均需要深厚的技術積累，尤其外延生長技術為其生產(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，在很長一段時間，國內VCSEL行業(yè)難以走向高端化。一方面，芯片光電轉換效率低、研發(fā)成本高；另一方面，大部分VCSEL公司均是初創(chuàng)公司且僅是芯片設計公司，能夠設計產(chǎn)品但無法大規(guī)模量產(chǎn)，國產(chǎn)化良率低；即便實現(xiàn)量產(chǎn)，但芯片封裝體積大或成本高，無法實現(xiàn)大規(guī)模應用，VCSEL芯片市場需求主要依賴進口。
值得注意的是，近年來，在國產(chǎn)替代的大趨勢下，VCSEL芯片國產(chǎn)化加速，國外光通訊巨頭壟斷VCSEL芯片市場的情況有望被打破。目前我國部分VCSEL芯片企業(yè)在技術、工藝、性能等方面已接近國際先進水平，并在車載雷達、3D傳感、消費電子等新興領域積累了豐富的量產(chǎn)經(jīng)驗。
如長光華芯VCSEL芯片最高轉換效率60.0%以上，打破國外技術封鎖和芯片禁運，逐步實現(xiàn)了半導體激光芯片的國產(chǎn)化；縱慧芯片VCSEL已經(jīng)在手機上持續(xù)多年大批量量產(chǎn)交付，從2021年開始進入汽車電子市場，在車載DMS，夜視補光和激光雷達應用上均已實現(xiàn)前裝量產(chǎn)交付。并在國內快速布局大量專利，獲得華為旗下哈勃資金、小米長江基金，比亞迪等投資方青睞。
此外還有度亙激光、華芯半導體、檸檬光子、瑞識科技、新亮智能等國產(chǎn)VCSEL廠商正在快速發(fā)展。
科研領域中，中科院長春光機所在VCSEL的研究處于世界前沿地位。近日，長春中科長光時空光電技術有限公司與中科院長春光機所聯(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)合研究團隊突破了高密度集成VCSEL陣列技術，在國內首次實現(xiàn)了1550 nm VCSEL芯片連續(xù)輸出功率＞1 W，脈沖輸出功率＞10 W。
國內首款660納米波長VCSEL芯片實現(xiàn)量產(chǎn)
今年，國內首款波長660納米垂直腔面發(fā)射激光器芯片(660VCSEL芯片）在萬州研發(fā)成功并投入批量化生產(chǎn)，這款芯片廣泛應用于激光指示、激光掃描、血氧傳感、煙霧探測等領域。
2月2日上午，在位于萬州經(jīng)開區(qū)高峰園的威科賽樂微電子股份有限公司內，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膜方片上，短短幾分鐘，一片包含數(shù)百顆芯片的藍膜方片就完成了加工進入發(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的光源來實現(xiàn)顯示、傳感、探測等功能。相比于可見光LED，可見光VCSEL激光器芯片具有光源純度高、單色性高、方向性好、相干性好等獨特優(yōu)勢。但如何解決設計和工藝、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。
威科賽樂微電子股份有限公司研發(fā)負責人宋世金表示：“依托于我們自身全產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)勢，從外延、芯片以及設計制造，全部實現(xiàn)了技術和設備的自主可控。在一年多的研發(fā)時間里，從襯底到外延再到芯片制造，累計耗費了上百片的研發(fā)片，平均每片的成本都在一萬元以上，總體研發(fā)投入超過了千萬元，最終才實現(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6000萬顆的年產(chǎn)能力，而目前國內市場的年需求量超過了億顆，這也意味著這款萬州造“芯片”的前景十分廣闊。
競爭加劇，如何“突圍”？
隨著消費電子、汽車電子、3D傳感等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，VCSEL市場規(guī)模將持續(xù)擴大。VCSEL芯片作為核心元器件之一，市場需求也將持續(xù)增長，并對VCSEL技術提出更高要求。
除了芯片性能以外，芯片的可靠性、壽命以及可量產(chǎn)性都是國內VCSEL發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。
業(yè)內專家表示，盡管在新興領域我國部分廠商的量產(chǎn)化能力已經(jīng)可以比肩國際水平，打破了國外巨頭對VCSEL芯片市場的壟斷，但在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信等行業(yè)高端應用中，國外廠商仍然牢牢占據(jù)著主導地位，我國在這一市場下的VCSEL芯片領域仍處于空白狀態(tài)。由于技術積累的不足和市場驗證的缺乏，全面實現(xiàn)國產(chǎn)替代和“芯片出?！比匀蝗沃囟肋h。
與此同時，隨著越來越多廠商進入這個市場，國外廠商和用戶對數(shù)據(jù)通信、3D傳感、激光雷達等方面的專利布局和競爭也在不斷加劇，一定程度上增大了國內企業(yè)的進入門檻。
但憑借高性價比和完善產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢，國內企業(yè)仍有望破局。整體上看，國內企業(yè)要想發(fā)展VCSEL，除了需要打通材料、工藝、人才、工程技術等節(jié)點以外，還要不斷加大研發(fā)投入，提高VCSEL芯片性能及轉換效率，以鞏固自身市場地位。
后記
國內產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程 ，一般會經(jīng)歷 “技術落后期”、“技術追趕期”、“全面替代超越期”三個階段。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，國產(chǎn)VCSEL芯片走向世界的這一天不會太遠。
