童吉楚

VCSEL簡介及應用

垂直腔面發(fā)射激光器 （Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）是一種激光發(fā)射方向垂直于P-N結平面而諧振腔面平行于P-N結平面的半導體激光器。1977年，日本東京工業(yè)大學的伊賀健一教授提出VCSEL的概念，隨后相關的研究如火如荼地展開。1979年，首個VCSEL采用LPE制備，波長1300nm左右，但只能在低溫（77K）激射；1983年，伊賀健一教授團隊采用AlGaAs材料成功制備出850nm波段的VCSEL，但器件在脈沖下才能工作；1985年，伊賀健一教授團隊提出VCSEL陣列方案，并在此后實現(xiàn)了GaAs材料VCSEL的低閾值電流和室溫下連續(xù)激射；加利福尼亞大學的R.S.Geels等在1991年實現(xiàn)了980nm波長的連續(xù)激射；1995年，Kuznetsov等實現(xiàn)了單模輸出；1996年，廈門大學劉寶林教授將有源區(qū)結構引入VCSEL，在室溫下實現(xiàn)了960nm的連續(xù)激射。隨后，大家轉向了高功率VCSEL的研究，普林斯頓是其中的先鋒，2009年報道了波長808nm的大面陣，輸出功率達58W。

隨著光電子和信息技術的發(fā)展，尤其是設備升級和工藝改進后，VCSEL無論在性能還是應用上都取得了長足的發(fā)展。由于VCSEL具有閾值電流低、工作波長穩(wěn)定、光束質量好、易于一維和二維集成等優(yōu)點，在光通信、激光顯示、光存儲、消費電子等領域得到了廣泛應用。目前，850nm的VCSEL是短程局域網(wǎng)光纖通信系統(tǒng)的關鍵器件，用于短距離的數(shù)據(jù)通信；940nm的VCSEL在傳感領域發(fā)揮著中流砥柱的作用，在消費電子中逐步滲透；1310nm的VCSEL在高速長距離光纖通信、光識別系統(tǒng)及并行光互連系統(tǒng)中占據(jù)重要地位。此外，808nm的VCSEL在醫(yī)美行業(yè)的應用也開始受到重視。

VCSEL的工作原理及制備技術

VCSEL主要有4種結構院氧化限制型、離子注入型、蝕刻臺面型和掩埋異質結型。由于氧化限制型的電流限制效率最高，目前對其研究最多。其基本原理是院外延生長一層AlAs的材料，在380耀480益的溫度下，通過濕法氧化工藝，將其氧化成低折射率的絕緣AlxOy氧化物，主要反應為院

AlxOy氧化物的高阻值對電流具有限制作用，低折射率對激光場具有導引作用，所以氧化限制層既起到了限制載流子又達到了調節(jié)腔長的目的。

VCSEL的工作原理如圖2所示。

VCSEL的制造，從生產(chǎn)流程上看，分為設計、外延磊晶、芯片制造等環(huán)節(jié)。外延磊晶是將襯底放入外延爐中，控制生長條件，得到不同組分和厚度的外延層，需要重點控制上下分布式布拉格反射鏡（Distributed Bragg Reflection，簡稱DBR）和氧化層。雖然外延可以采用分子束外延（醞olecular Beam Epitaxy，MBE）、液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）等方法，但目前最常用的是金屬有機化合物化學氣相沉淀（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)生長技術，它可以大幅降低成本，適用于大規(guī)模的生產(chǎn)制造。芯片端的制造，包括光刻、氧化、蒸鍍等環(huán)節(jié)，其中較為重要的是形成理想的電流注入限制。生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，會影響器件的性能和可靠性。

國內VCSEL產(chǎn)業(yè)發(fā)展痛點及供應鏈模式

VCSEL的產(chǎn)業(yè)鏈，主要包括院上游的設備和材料供應商，包括MOCVD、光刻機、電感耦合等離子反應刻蝕機（Inductive Coupled Plasma，ICP）、晶體（襯底材料）、特種氣體、外延片和芯片（單管/陣列激光器）、準直鏡、濾光片、偏光鏡等；中游的封裝和模組供應商；下游的應用終端等。以上游的外延芯片為例，當前國內VCSEL產(chǎn)業(yè)發(fā)展有三大痛點院技術壁壘、生產(chǎn)制造壁壘和資金投入壁壘。

1.技術壁壘

一是我國過去依賴于進口，大部分有經(jīng)驗的人才在海外，而海外對中國尤其是大陸進行嚴密的技術封鎖，中美貿(mào)易戰(zhàn)后更為顯著；二是國內的相關技術積淀主要集中在科研院所和高校，主要由中國科學院半導體研究所、中國科學院長春光學精密機械與物理研究所、北京工業(yè)大學、廈門大學和復旦大學等進行相關的研究。

2.生產(chǎn)制造壁壘

從芯片設計到外延長晶，再到芯片制造，工序較多，制程復雜，由于之前國內產(chǎn)業(yè)不完善，導致具有產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗的人才較少，野懂原子彈原理”和野制造原子彈”，還有一條鴻溝，而生產(chǎn)制造需要大量產(chǎn)業(yè)化的工程師和技術工人解決制程問題、良率問題以及成本控制。

3.資金壁壘

外延僅一臺MOCVD的價格就動輒上千萬，芯片僅一臺光刻機也需要好幾百萬，如果建設一條完整的芯片線則需要（4耀5）千萬甚至更多，加上土地、廠房、無塵車間、研發(fā)費用等，前期可能需要近2億元的投入。驗證周期長，是半導體行業(yè)的共同屬性，從研發(fā)到量產(chǎn)，企業(yè)需要充足的資金保駕護航。

由于以上原因，當前VCSEL的供應鏈主要有三種模式院無晶圓設計（Fabless）、代工生產(chǎn)（Original Equipment Manufacture，OEM）、 一體化制造（Integrated Device Manufacture，IDM）。Fabless不建產(chǎn)線，只做芯片設計，輕資產(chǎn)投入，對技術要求較高。OEM是重資產(chǎn)投入建設產(chǎn)線，精力聚焦于生產(chǎn)和制造，只做代工，部分OEM企業(yè)，只代工產(chǎn)業(yè)鏈的一部分，例如只做外延代工的高平磊晶科技股份有限公司（IQE）和全新光電科技股份有限公司等，只做芯片代工的穩(wěn)懋半導體股份有限公司等。IDM既自主設計又自主制造，優(yōu)點是迭代速度快，協(xié)同程度高，可充分發(fā)掘潛力，缺點是資金投入較大。

VCSEL行業(yè)未來發(fā)展趨勢

1.短期三者都有機會，長期來看IDM將會最終勝出

當前大陸的廠商，大部分都選擇了Fabless模式，而臺灣地區(qū)則以OEM居多。短期來看，由于較高的芯片價格，產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)都有毛利，在國產(chǎn)替代的大勢下，F(xiàn)abless、OEM都將迎來發(fā)展機遇。但長期來看，當技術差距縮小后，產(chǎn)品的同質化競爭將會加劇，在成本競爭和制程穩(wěn)定性競爭時，IDM企業(yè)的優(yōu)勢將會凸顯出來。

雖然目前大部分代工的企業(yè)集中在臺灣地區(qū)，但大陸具有獨立產(chǎn)線的IDM廠商，在客戶配合度、溝通便捷性、供貨及時性等方面都占據(jù)優(yōu)勢，尤其是客制化的產(chǎn)品更為明顯，因此中下游客戶在考慮供應鏈的安全和供應速度時，可能更加青睞大陸廠商。

2.整體市場會持續(xù)增長

（1）國產(chǎn)替代的動能

中美貿(mào)易戰(zhàn)后，為應對美國的野卡脖子”，大家開始重視國產(chǎn)替代，國產(chǎn)供應鏈迎來發(fā)展春天。以華為為例，近幾年華為投資了30多家半導體相關公司，涵蓋材料、設備、軟件、設計、制造等領域。在一級股權投資市場上，野硬科技”成為機構密集調研的焦點，大量的資金和人才涌向半導體尤其是芯片制造行業(yè)；在資本市場上，國家大力扶持科技含量高的企業(yè)上市，2021年，激光芯片相關的公司如蘇州長光華芯光電技術股份有限公司、西安矩光科技股份有限公司等紛紛登陸科創(chuàng)板。

另一方面，對企業(yè)自身而言，實現(xiàn)國產(chǎn)替代，也是產(chǎn)業(yè)轉型升級、提升競爭力的內在需求。GaAs材料的應用從紅黃光LED到激光VCSEL，既是材料研究的深耕細作，又是產(chǎn)品的升級拓展。

全球核心光電子芯片和器件規(guī)模表

當前VCSEL最大的應用市場在光通信，而芯片的國產(chǎn)化率較低，在國產(chǎn)替代的大背景下，迭加5G建設新增的需求，預計VCSEL國產(chǎn)滲透率會持續(xù)增加。

（2）新應用的誕生

相比傳統(tǒng)攝像頭，2017年蘋果手機采用的3D攝像頭在硬件上最大的不同是前端引入了VCSEL模組。3D攝像頭，不僅可以獲取平面圖像，還可以獲得拍攝對象的深度信息，即三維的尺寸信息和位置信息。大家關注的不僅僅是人臉識別功能，而是這種技術方式可能打開的消費電子多樣化的應用場景。搭載VCSEL的智能設備，不僅可以判斷平面上X軸和Y軸的變化，例如野揮手”的動作，還可以判斷Z軸的變化，例如野點擊”動作。實時三維信息的采集使消費電子終端具有了野物體感知功能”，讓交互方式從平面變成了立體。3D感測讓VR、AR和MR的硬件有了質的飛躍，在野元宇宙時代”的重要性大大提升。例如手勢識別和姿態(tài)識別實現(xiàn)隔空操縱，可用于體感電視和體感游戲機。

VCSEL從光通信領域的數(shù)據(jù)通信，延伸到接近光傳感的距離傳感器（P-Sensor），下一階段可能會延伸到無人駕駛汽車的激光雷達。激光雷達具有3個突出優(yōu)勢院還原三維特征強、探測精度高和距離遠、抗干擾能力強，正在由機械式向固態(tài)演進。機械式由于壽命和成本等原因，難以大規(guī)模落地，短期內乘用車激光雷達方案仍將以半固態(tài)[轉鏡、微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)]為主，中長期來看，由于智能汽車更強調野感知”功能，固態(tài)激光雷達在新能源車市場加速滲透的過程中潛力巨大。2021年，蔚來ET7、小鵬P5等量產(chǎn)車型都紛紛開始搭載激光雷達，長城則預計將在2022年的摩卡車型中搭載固態(tài)激光雷達。

3.產(chǎn)業(yè)窗口已經(jīng)打開，但產(chǎn)業(yè)機會開始向頭部企業(yè)傾斜

在國產(chǎn)造芯的大趨勢下，2019—2021年期間大量的資本涌入了初創(chuàng)型公司，大家手揣機構熱錢，拼命地野搶人才”野搶設備”野搶研發(fā)進度”野搶市場”。這種百花齊放和百家爭鳴的局面，靠融資輸血和炒作概念的時代，可能將在2022—2023年告一段落，機構投資者和創(chuàng)業(yè)者，雙方都會更加理性。雖然化合物半導體驗證周期較長，但經(jīng)過兩三年的賽馬后，產(chǎn)品行不行，團隊行不行，都會有個階段性的結論。經(jīng)過考驗的公司，開始逐步占據(jù)一些市場份額，至少占據(jù)細分市場的份額。隨著時間的推移，客戶資源和供應鏈資源，未來都會逐漸向頭部公司傾斜，客戶資源意味著更多的市場份額，供應鏈資源則意味著更低的成本控制。

對于野存量+增量”的市場，主打野國產(chǎn)替代+新應用”。光通信VCSEL主要是前者，而消費電子VCSEL更多是后者，當前做消費電子VCSEL的有30多家公司，而被市場寄予厚望的手機端滲透率不及預期。一邊面臨成本壓力，一邊面臨市場壓力，可以預料，未來VCSEL在光通信和消費電子領域的競爭將會進一步加劇。

國內產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程，一般會經(jīng)歷野技術落后期”野技術追趕期”野全面替代超越期”3個階段，當前尚處于第一和第二階段的激光芯片產(chǎn)業(yè)，依然是朝陽產(chǎn)業(yè)。對于企業(yè)，每個階段的競爭，都是研發(fā)、產(chǎn)品、品質、成本和市場全方位的競爭，唯有腳踏實地，苦練內功，才能鳳凰涅槃。