据 Yole 报告,预计到 2023 年 VCSEL 整体市场规模将增长至 35 亿美元,复合年增长率高达 48%,VCSEL 出货量将从 2017 年的 6.52 亿颗增长至 2023 年的 33 亿多颗。伴随着 AI 技术逐步成熟,智能硬件的发展趋势渗透到光电产业的许多方面,3D TOF VCSEL 的智能摄像头模组崭露头角。

 

随着 5G 技术逐步推行,光通信芯片及 TO 封装二极管市场需求巨大。同时激光雷达(LiDAR)是智能驾驶不可或缺的眼睛,车规级高功率脉冲 VCSEL 是激光雷达的核心器件。除了消费类 3D 传感,VCSEL 在光通信和自动驾驶领域的 LiDAR(激光雷达)方面也极具应用前景。

 

图源:基业常青经济研究院

 

01、什么是 VCSEL?

VCSEL 全称(Vertical-cavity Surface-emitting Laser),是垂直腔面发射激光器,最初用于光通信领域,比如光模块中,后来开始应用于消费电子领域的 3D 感测方面,比如人脸识别,2017 年苹果将其用在 iPhone 人脸识别模组,VCSEL 也开始受到消费电子领域的大规模关注。

 

 

图源:瑞识科技 -VCSEL 是智能化信息世界的核心元器件


目前来看国外在 VCSEL 芯片方面还是较为领先,近些年国内多家厂商发展迅速,并且开始逐渐小批量或者批量生产,多家 VCSEL 芯片也得到了资本的较多关注,比如新亮智能、纵慧芯光、睿熙科技等。

 

激光器是用来发射激光的装置,而半导体激光器则是以半导体材料为工作物质发射激光的器件,根据激光芯片的结构,半导体激光器可分为边发射激光器(EEL)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)。华芯半导体吕工介绍到相较于传统的半导体激光器,VCSEL 有以下诸多优点:1)有源层体积极小,从而可以获得极低的工作阈值,如材料工艺发展可期待极低阈值甚至无阈值发光器件;2)波长和阈值对温度变化相对不太敏感(当然 VCSEL 本身也属于半导体激光器的一种,也就逃脱不了温度对其影响的宿命,其波长相对于温度变化的温漂系数大约为 0.06 nm/℃,相比于 F-P 激光器的 0.3 nm/℃来说已经小很多了。);3)腔长量级与波长相近,甚至更小(半波长量级),故纵模间隔较大,可实现单纵模出射;4)可得到较大的驰豫振荡频率,从而实现较高的调制频率;5)出射圆形光斑,易于与光纤耦合;6)封装简易,且可以形成二维激光阵列;7)预期工作寿命达 10 万小时及以上。

 

02、VCSEL 芯片的制作流程

VCSEL 的制造,不易

VCSEL 结构一般由上、下布拉格反射镜(DBR)和中间有源区三部分组成,其典型的外延结构如图 1 所示从下到上依次是衬底、N 型接触层、N 型 DBR、量子阱有源区、P 型 DBR、P 型接触层。

 

图 1 氧化限制顶发射激光器剖面示意图


其中有源区为器件最重要的组成部分,由于 VCSEL 腔长极短,需要腔内有源介质对激射模式提供较大的增益补偿。

 

图源:合一粒子


材料外延生长(晶圆)-->外延结构的表征(X 射线衍射、反射谱、PL 谱、电化学 C-V 特性等) -->芯片工艺制作(包括外延片开片清洗、SiNx 生长、多次光刻、ICP 刻蚀、氧化、金属电极、剥离、减薄等) -->后段工艺(包括划片解个、I-V 特性、I-P 特性、光谱等) -->最终完成从材料到芯片的全过程。

 

VCSEL 芯片的工艺分解

MOCVD,为金属有机物化学气相外延。通过外延工艺,按设计出的外延结构将材料生长出来,形成符合要求的晶圆。

 

 

图源:合一粒子

 

激光器就是利用半导体中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生光振荡器和光放大器的总称,其产生激光同样要满足以下三个基本条件:

 

1)建立有源区内载流子的反转分布;

 

2)合适的谐振腔使受激辐射在其中得到多次反馈形成激光振荡;

 

3)提供足够强的电流注入使得光增益大于或者等于各种损耗之和,满足一定的电流阈值条件。

 

三个基本条件对应着 VCSEL 器件结构的设计理念。VCSEL 的有源区使用应变量子阱结构,建立起实现内部载流子反转分布的基础,同时设计合适的反射率的谐振腔使辐射出的光子形成相干振荡,最后提供足够强的注入电流使得光子能够克服器件自身的各种损耗形成激射。

 

实际制造过程中使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备生长外延材料、生长外延结构过程中,以 4 寸半绝缘砷化镓作为外延衬底层,三甲基甲(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)作为Ⅲ族源,砷烷(AsH3)作为Ⅴ族源,硅烷(SiH4)作为 N 型掺杂源,四溴化碳(CBr4)作为 P 型掺杂源。

 

外延生长过程中需要精确控制各层材料的生长温度、气体流量、时间等条件,使得生长的外延层结构和组分满足设计要求。外延生长结束后,经过一系列外延材料测试设备如光致荧光谱测试仪(PL)、X 射线衍射仪(XRD)、原子力显微镜(AFM)、扩散浓度测试仪(ECV)等进行测试,外延片如果满足测试要求,那么就得到了合格的 VCSEL 外延片。

 

然后利用断点监控电感耦合等离子体刻蚀技术和精确湿法氧化控制技术等芯片制造技术,最后得到高速双台面同面电极结构 VCSEL 阵列芯片。随后再进行芯片解理、测试、分选、抽样老化及可靠性测试

 

03、国内主流 VCSEL 芯片厂商进展如何?

长期以来,VCSEL 芯片被 Broadcom(Avago)、住友电工、Finisar 和 Lumentum 、ams 等国外少数国际厂商把控。但近几年随着 3D 感知技术及市场发展,多家国内 VCSEL 芯片厂商开始迅速成长,并开始小规模并规模量产,包括新亮智能、纵慧芯光、睿熙科技、柠檬光子、瑞识科技、华芯半导体、长光华芯等。

 

1. 新亮智能

 

新亮光子成立于 2006 年,是新亮智能集团旗下的全资子公司,专业从事 VCSEL 芯片及其它光芯片的研发制造和销售,公司致力于人工智能和物联网领域,为消费类电子,工业应用,车载 / 航空、光通信等领域提供核心的 VCSEL 芯片等光子器件。

 

2020 年 9 月,新亮光子发布了多结(Multijunction)VCSEL 芯片,单孔光功率高达 30mW;斜率效率(SE)2.2W/A;能够在 -40 至+105°工作;发光面积更小,易于准直。

 

3D TOF VCSEL 的智能摄像头模组崭露头角

 

 

图源:新亮光子

 

新亮光子提供 3D TOF VCSEL 满足摄像头模组生产商迫切需求 3D 或者单点测距的适配光源。
波长包括 850nm 和 940nm,标准产品有功率 2W 和 4W,出光角度有 60°x45°,72°x58°,90°x70°,120°x85°,120°x90°;新亮光子 VCSEL 的特点是工作温度范围宽,可靠性高,调制频率高,都可以达到 100MHz 或者以上;同时封装 PD 和 VCSEL 一起,既可以检测 diffuser 是否脱落,也可以作为控制 VCSEL 光功率恒定输出的反馈信号。

 

图源:新亮光子 Multijunction VCSEL 有助于车载激光雷达、人脸识别、机器视觉产品的更小型化。今年早些时候,新亮光子还推出了高性能、高可靠性的 940nm VCSEL 系列产品。


新亮光子拥有国际同步的 6 吋 VCSEL 芯片量产线,打造了以 VCSEL 为核心的光子芯片及 COB 模组的 IDM 模式,是全球较为知名的 VCSEL 产品及方案供应商。

 

高功率脉冲 VCSEL 是激光雷达的核心器件

 

图源:新亮光子

 

新亮光子推出了高转换效率和高可靠性的 808nm,850nm,940nm VCSEL 系列产品:连续功率有 1W,2-3W,4-5W;光发散角度小至 20°、光电转换效率高达 48%。温度高达 90℃时,PCE 仍然高达 31%。

 

 

图源:新亮光子相较于边发射激光(EEL),VCSEL 具有低临界电流的潜力、发光光束具有圆形对称特性与调制频率高等优势。除了功耗低,体积小,易于集成外,该系列芯片还具有响应快的优点。

 

应用于激光雷达 LiDAR,主要为车载使用,探测距离较远,一般在 100m-200m 之间,脉冲功率在 200W-300W 左右。

 

图源:新亮光子新亮光子采用 IDM 模式,大大缩短了产品研发和生产周期,降低元气件采购种类,减少生产成本,因此产品和方案备受客户的青睐。除了上述 CIOE 热门需求产品,新亮光子提供 808nm,850nm,940nm 各种功率规格的准连续(QCW),连续以及高峰值脉冲功率的单颗和阵列 VCSEL 光源。

 

2. 纵慧芯光

纵慧芯光成立于 2015 年,可提供高功率和高速 VCSEL(垂直腔面发射激光器)解决方案,设计和制造 VCSEL(650nm 至 1000nm),应用于高速光通信、生物医学、工业、汽车和消费类产品中的光学传感中。

 

图源:纵慧芯光面向消费类应用已推出的 VCSEL 产品公司联合创始人兼亚太区 CEO 陈晓迟谈到,消费电子领域是公司主攻的市场之一,包括手机、扫地机器人、人脸支付、智能门锁等应用场景。在 2019 年全球 ToF 传感器市场中,纵慧芯光的 VCSEL 激光器占比达到 32.6%,位列全球第二。今天的纵慧已成为国内多家手机品牌高端机 VCSEL 的主要供应商,比如华为 Mate30 Pro 前置和后置 ToF 供应商。纵慧芯光从 2019 年下半年开始聚焦汽车激光雷达领域。



纵慧芯光消费类 VCESL 产品的可靠性水平和量产保障能力体现在两方面:

(1)世界级的产品可靠性。纵慧芯光的 2W、940 nm 单结 VCSEL 产品,在 75℃下 PCE 为 40%,105℃时超过 30%,PCE 在较宽温度范围(-40 ~ 105℃)表现优秀。

 

其中,这颗产品的加速老化测试结果超过 2600 小时,等效于全天 24 小时工作的条件下持续发光 24 年(也等效于每天 8 小时工作,寿命达 72 年),这已远远超出客户对寿命的要求,足以满足车规级要求。

 

 

图源:纵慧芯光单结 2W VCSEL 的可靠性表现非常优秀

 

(2)以量产为目标。陈晓迟博士表示,“有了令人满意的可靠性性能之后,我们关注的是如何大规模地生产这颗芯片,即芯片的可量产性。纵慧芯光虽然是一家初创公司,但一直秉承‘以量产为目标’的理念,从项目立项开始,就严格按照新产品导入流程,保障每一阶段的稳健输出,最终达到可量产的目标。”


陈晓迟博士展示了纵慧芯光在过去一段时间积累的 2000 片 6 英寸外延晶圆波长的分布图,可以看出波长的波动范围控制在± 5 nm 内。此外,纵慧芯光在外延代工厂拥有每月超 1500 片的产能,在常州建有自有外延产线,外延产能每月超过 1000 片。

 

 

纵慧芯光的最新 2000 片 6 英寸外延晶圆波长分布图


据悉,纵慧芯光已经提前布局了下一代 VCSEL 产品:多结 VCSEL,并可实现分区点亮。相比单结 VCSEL,多结 VCSEL 将多个 PN 偏置结在垂直方向上串联,能输出更高的峰值功率,并提供更佳的信噪比,所需驱动电流更小,有助于降低整个系统的功耗。在相同光功率需求下可减小芯片尺寸,因此相比单结 VCSEL 优势明显,从而成为未来汽车激光雷达光源的最佳选择。

 

纵慧芯光为汽车激光雷达开发的第一代多结 VCSEL 的性能表现,各项指标均可满足汽车激光雷达的要求:

 

(1)LIV 性能:在相同的电流下,三结 VCSEL 可以实现 8.2 W 的光功率输出,单结 VCSEL 只有 3 W,同时三结 VCSEL 在室温下 PCE 高达 53.7%,达到全球领先水平。

 

(2)短脉冲下的温度稳定性:工作在 85℃时输出光功率相比 25℃相差小于 10%,充分证明了三结 VCSEL 的温度稳定性非常好,可满足长距离激光雷达高温环境下的工作要求。

 

(3)远场发散角:随着驱动电流的增加,多结 VCSEL 发散角度变化较小,形状从“甜甜圈”形状慢慢变成单峰形状。

 

(4)可靠性:1000 小时加速老化测试结果表明无任何衰减,等效于产品寿命超过 15 年。

 

(5)车规认证:纵慧芯光 VCSEL 产品已通过 AEC-Q102 车规级认证,能够满足车规要求。

 

图源:纵慧芯光 LIV 特性对比:单结 VCSEL vs. 三结 VCSEL


目前,纵慧芯光主要为汽车激光雷达提供两种 VCSEL 光源解决方案:(1)多颗 VCSEL 集成封装在一起,从而提高最终的输出功率;(2)分区点亮 VCSEL 方案,包括 850 nm 波段和 940 nm 波段、单结和多结技术。

 

3. 华芯半导体

华芯半导体科技有限公司位于泰州市姜堰区现代科技产业园,投资已超 5 亿元,占地面积 90 余亩,建筑面积 50000 平米。

 

公司主要产品为高亮度 LED、蓝绿光半导体激光管、垂直腔面发射(VCSEL)光子芯片、DFB 光子芯片、EML 光子芯片以及高亮度半导体激光芯片等。产品主要应用于激光显示、激光照明、激光电视、光纤通讯、数据中心、云计算、超算等领域。

 

图源:华芯半导体商用 25G VCSEL 激光器制造流程


华芯半导体近期接受媒体采访的时候表示,公司 2017 年 3 月宣布其自主开发的 25G VCSEL 芯片已通过客户测试,一时间引起全行业高度关注。

 

 

图源:华芯半导体官网


到目前为止,华芯半导体已经为业界提供了包括 850nm 6G/10G/25G VCSEL 外延片和芯片, 940nm 5mW~4W VCSEL 芯片及外延片,蓝光外延片和芯片等系列解决方案,完全满足数据通信、3D 感测及测距、激光雷达等应用的要求。

 

 

4. 睿熙科技

睿熙科技成立于 2017 年,专注于 VCSEL 芯片及衍生产品的研发及量产,2020 年 9 月,公司完成 2 亿元人民币 A+轮融资,将主要用于下一阶段芯片的量产以及流片研发投入。据官网介绍,公司 VCSEL 芯片可以满足消费电子领域每月 10kk+供货能力。公司对标 lumentum,定位高端芯片市场,目前产品覆盖消费电子、数据通信以及车载三大领域,产品线如今覆盖各类场景应用:
除了消费电子领域,睿熙科技也在积极拓展数据通信领域和车载领域,据介绍,在数据通信领域,25G 数通产品现阶段已经进入量产阶段,在车载领域,产品能量转换效率可达 35%+,功率在 1000W。

 

 

图源:睿熙科技睿熙科技车载领域与全球最大车载镜头供应商深度合作,已完成用于车载激光雷达 VCSEL 芯片的定制开发。芯片峰值输出功率数百瓦,发光点约千个,支持逐行按序点亮。现阶段正在开发二代产品。


相对集成电路设计,一方面光芯片对工艺依赖程度高,同时上游代工标准化程度低,VCSEL 的多层外延结构使得其对外延要求很高,工艺上 know-how 非常多,而光刻环节相对标准化。初创公司在战略制定方面常常在 Fabless 以及介于 Fabless 和 IDM 之间(部分环节代工+部分自建产线)选择,需要权衡公司资金、技术、经验等方面的储备,比如纵慧芯光的“fab-lite”除了电路 IC 设计还自建核心外延产线。

 

 

5. 柠檬光子

柠檬光子成立于 2018 年,主攻高性能半导体激光芯片及其模组和光引擎,包括 VCSEL 垂直腔面发射激光器 、EEL 边发射激光器等产品,可应用于 3D 传感、AR/VR、机器人、激光雷达、消费电子、智能制造、物联网、数据中心等领域。

 

2020 年 4 月,柠檬光子推出了领先业界的高性能大功率 808 nm 和 850 nm VCSEL 芯片系列产品。据介绍,该系列产品具有高效率、高可靠性和优异的高温性能等特点,可应用于三维传感、激光雷达、泵浦、安防、医疗等红外照明等领域。

 

 

柠檬光子推出的 808 nm 和 850 nm VCSEL 芯片具有如下特点:

 

 

种类范围广:输出功率从几毫瓦,几百毫瓦,通用的 1W、2W,到高功率 4-10W(连续输出)或更高(脉冲输出) ;

 

在连续输出(CW)模式下取得领先业界的电光转换效率,PCE~48%(1 W 芯片),PCE~46% (8W 芯片);

 

图 1 功率和效率曲线

 

高温下保持良好的性能,即使在热沉温度 120°C 的情况下,850 nmVCSEL 芯片的电光转换效率也超过 25%;

 

图 2PCE vs 温度曲线

 

除了提供不同功率选择的标准化 VCSEL 激光芯片产品,柠檬光子也能根据客户的需求,提供芯片及相应模组的定制设计服务,例如客户可定制发散角在 20 至 30 度之间的常规 VCSEL,以及柠檬光子正在为客户定制开发面向 dToF 应用的高能量密度 VCSEL。

 

柠檬光子该系列 VCSEL 产品适于大规模量产,完全采用 6 英寸外延及流片,有极为精减的加工流程,并已在多家国内外成熟的 6 英寸芯片代工厂得到验证。同时,该产品具有优异的可靠性,已通过 50°C 热沉温度下 2000h 以上连续出光的加速老化寿命测试。

 

 

6. 威科赛乐


威科赛乐微电子股份有限公司成立于 2018 年 1 月,是由广东先导集团与重庆万林投资公司共同出资打造,致力于半导体材料、晶圆、激光器芯片的研发、制造及销售,一期投资 13 亿元,总占地面积 75 亩。

 

据官网介绍,公司专注创新,通过资源整合、技术革新,实现了年产 250 万片砷化镓、磷化铟等衬底材料与年产高端激光器芯片 20 亿颗的生产能力,投产后将彻底改变国内应用于智能手机、无人驾驶等领域的 3D 感测和激光雷达芯片严重依赖进口的困局。

 

图源:威科赛乐

 

2020 年 5 月,由威科赛乐公司生产的首颗拥有自主知识产权的 3D 感测 VCSEL 芯片在万州下线。目前公司芯片生产线已进入工艺优化阶段,预计下半年进行小批量投产。该芯片的下线,意味着威科赛乐从此成功挤入了全球为数不多可以自主研发制造 3D 感测 VCSEL 芯片的企业阵营。

 

7. 瑞识科技


瑞识科技是一家源自硅谷的高科技公司,由美国海归博士团队创建。公司致力于半导体光学领域,为人工智能、身份识别、3D 视觉、辅助驾驶、安防监控、特种照明、智慧物流、健康监测等行业客户提供行业领先的光源产品和具有竞争力的光学解决方案。

 

图 3 瑞识 SRay 工作原理



瑞识科技核心技术包括光芯片设计,光学透镜集成,器件级集成封装,数理建模,光电系统整合优化等。公司的 VCSEL 外延及芯片设计已经完成数百片 6 寸晶圆的量产验证。

 

公司产品涵盖不同波长包括 850nm,940nm,光功率从几毫瓦到数瓦的完整系列,可供 3D 结构光,接近传感、红外泛光源以及 3D TOF 感应等不同场景中的应用。

 

瑞识 SRay 通过整合了瑞识科技自主设计制造的 VCSEL 芯片以及准直透镜(Collimator)和衍射光学器件(DOE),在使用时主动投射出由 2~3 万个肉眼不可见、满足 class 1 激光人眼安全标准的光点组成的红外激光散斑,在被测物无任何感觉情况下,实现快速无感的表面深度信息解析,可广泛适用于近距离人脸识别、手势识别、活体检测等智能应用场景。

 

早先推出的专为 3D ToF 研发的发射光源——TRay VCSEL + Diffuser 产品系列,紧凑尺寸,兼具高精度、高可靠性、高光电转换率和低功耗产品优势,全面适用于 ToF 现有技术路线中的 iToF 和 dToF 方案,工作距离最远可达 10m。

 

图:瑞识 TRay ToF 光源系列产品实拍图

 

瑞识 TRay 系列,通用视场角(FOV)有 60°*45° /72°*55°/90°*70° /110°*90° /20°*120° 等多种可选。作为 ToF 需求客户的理想发射光源选择,TRay 系列有以下六大产品优势:

 

  • 采用自主研发 VCSEL 芯片,具备高性价比、高可靠性和一致表现;采用独家高“芯占比”封装技术,3.45*3.45*1.65mm/3.5*3.2*1.3mm 紧凑尺寸,比市面现有产品体积缩小了 60%以上;高方案兼容性:波段 850/940nm,适用于各类移动产品集成;功率涵盖 1W-5W,匹配主流 ToF 光源需求;高硬件兼容性(脚位 pin to pin);高效率:高转化率(PCE)达 42%,低功耗;高定制灵活性: 根据客户需求,提供涵盖芯片设计、视场角、光功率、PD 电流保护方案等在内的全链定制服务。极致性价比:全链可控,最大限度降低成本。

 

8. 长光华芯

长光华芯主要致力于高功率半导体激光器芯片、高效率半导体激光雷达 3D 传感芯片、高速光通信半导体激光芯片及相关光电器件和应用系统的研发生产和销售。产品广泛应用于工业激光器泵浦、激光先进制造装备、生物医学及美容、高速光通信、机器视觉与传感等。

 

 

目前,长光华芯的 VCSEL 已经推出距离传感器、结构光(SL)、飞行时间(ToF)三大类产品,标准产品的波长包含 808 nm、850 nm、940 nm。这些产品可广泛应用于距离传感、人脸识别、手机 3D 传感、机器人、汽车激光雷达、光通讯、原子钟、安防照明等领域。

 

 

图源:长光华芯官网

 

VCSEL- 5W TOF,VCSEL 均匀列阵芯片具有高功率、高效率、高可靠性等特点,并满足客户的定制化需求。适用于适用于飞行时间(TOF)3D 传感方案,广泛应用于人脸识别、无人驾驶、智能安防、AR/VR 等领域。

 

除了上述企业,已经量产 VCSEL 芯片的厂商还有光迅科技、海特高新、仟目激光,此前就有报道称,光迅科技的 25G VCSEL 芯片已通过部分客户验证,逐步进入量产阶段,今年 6 月份表示,光迅科技表示,公司 25G VCSEL 芯片的良率在逐步提高,生产和研发过程自主可控。

 

9. 博升光电

博升光电成立于 2018 年 12 月,由世界著名科学家和企业家创办,是技术领先的光电半导体科技企业, 致力于为消费电子、智能物联网、辅助 / 自动驾驶、光通信、云计算等企业,提供下一代高性能 VCSEL 光芯片解决方案。公司目前产品主要包括:应用于消费电子、智能物联网 3D 传感的 940nm 结构光 /iToF/dToF VCSEL 芯片,应用于辅助 / 自动驾驶的 940nm 激光雷达 VCSEL 芯片,应用于光通信、云计算 的 850nm10Gbps/20Gbps/25Gbps/50Gbps VCSEL 芯片。

 

博升光电拥有丰富的 VCSEL 光芯片技术积累和储备、以及下一代核心专利技术—高对比度光栅(HCG)。HCG 从底层结构上对现有 DBR 结构的 VCSEL 带来革命性的改进,通过单层 HCG 光栅替换现有 100 多层的 DBR 反射镜,大幅简化了 VCSEL 外延结构,缩短了外延生长时间,提高了生产效率。

 

 

 

dToF 是 3D 传感产业最受关注的技术方向之一。博升光电很早就对 dToF 技术进行了研究,公司成立不久就已经开始设计 dToF VCSEL 芯片,目前已有支持 dToF 的分区点亮的 VCSEL 产品实物送样。在国内,博升光电是业界很早具备实物产品送样能力的公司。目前支持 dToF 的 VCSEL 已经有分区点亮、多 PN 结等不同种类的芯片产品,并且正在和合作伙伴进行定制化开发以提升系统性能。

 

博升光电同样关注激光雷达市场。车用 VCSEL 不仅用于车外的激光雷达,也有车内应用,比如 DMS(疲劳驾驶预警系统),根据不同场景应用,VCSEL 芯片的性能指标有很多不同。博升光电的核心竞争力在于芯片的高功率、窄光束的特质,而且乐于与下游客户密切合作做定制化开发。

 

10. 海威华芯

海特高新子公司海威华芯开发了砷化镓 IPD、PPA15、VCSEL、氮化镓 NPA25 等制程产品,在基站射频氮化镓、充电硅基氮化镓、3D 感知 VCSEL 砷化镓等核心产品进入小批量量产阶段。

 

海特高新今年 3 月份表示,公司 VCSEL 芯片广泛应用于人脸识别、测距、激光雷达、3D 感知等诸多领域,在消费电子领域有广阔的应用, 2017 年 11 月成立于武汉的仟目激光,主要产品为 VCSEL、DFB、窄线宽激光器、工业大功率激光器等多种类型,在消费电子、自动驾驶、光纤通信以及工业切割等领域均有广泛应用。

 

公司 2019 年 12 年就成功量产了 6 寸晶圆 25G VCSEL 芯片,应用于数据中心、消费电子中。可以预见,未来在 3D 传感、5G 通信等多领域的需求推动下,及各厂商的研发投入及经验积累下,国内 VCSEL 芯片将会取得长足发展。

 

11. 乾照光电

乾照光电于 2018 年 11 月宣布拟出资 15.97 亿元建设 VCSEL、高端 LED 芯片等半导体研发生产项目,由公司全资子公司厦门乾照半导体科技有限公司负责承办。

 

 

据了解,由于红黄光 LED 和 VCSEL 同属 GaAs 材料体系,凭借在砷化镓光电器件领域的多年积累,乾照光电 2017 年开始对 VCSEL 展开密集调研,次年正式投入 15.97 亿用于投建 VCSEL、高端 LED 芯片等高端半导体项目,由全资子公司乾照半导体承办,并成立合资子公司——乾照激光。在战略投资 VCSEL 项目时,乾照光电充分信赖和依靠自身的技术团队,选择“企业孵化+科研院所合作”的产学研相结合的模式,将乾照光电的量产经验与科研院所的理论底蕴相结合。

 

 

截止目前,乾照已建成包括 3D 感测 VCSEL 外延生长、芯片流片、点测分选和可靠性验证等完整一站式 VCSEL 产线。

 

(1)针对结构光客户,目前乾照已配合数家结构光客户进行随机列阵定制,并已为部分客户小批量供货。得益于完整和高效的 VCSEL 产线,乾照激光产品迭代迅速,供货有保障:常规的 VCSEL 随机阵列,定制周期较短,包括方案评估、光刻图形定制、芯片研发和生产等环节。已通过验证的客户,重复订单,从下单到出货不到 3 周。

 

(2)针对 TOF 方案客户,目前公司内部已开发的产品波长覆盖 940nm 和 850nm,功率覆盖单孔的 5mW 到高功率的 8W 均匀列阵。批量出货产品的光电转换效率可达 40~45%。

 

乾照光电均匀列阵产品

2019 年,乾照光电在高端化合物半导体领域通过投资、孵化、内部研发等多种方式并举,积极拓展激光芯片、VCSEL 芯片、光通讯芯片等半导体产业机会。现 VCSEL 芯片产品已经实现小批量出货,有望抢占 3D 感测的先机。此前乾照光电透露,公司目前的 VCSEL 芯片产品主要是根据客户需求,按订单生产,正在小批量出货。
乾照光电可提供一站式的 VCSEL 测试和可靠性验证,包括加速老化、 冷热冲击、可焊性实验、恒温恒湿实验、静电实验等。在一轮轮的产品出样和迭代周期中,对于 VCSEL,乾照光电已具备量产的几大必需能力:响应及时、迭代迅速、制程稳定、可靠性保障、大规模出货。
在红黄光 LED 外延片及芯片领域,乾照光电现有 MOCVD 共 42 个腔;在蓝绿光 LED 外延片及芯片领域,公司拥有 MOCVD 共 155 个腔(折 K465I 机型)。目前均已导入 4 寸片生产工艺,产能在原有基础上有所提升,且外延片良率均不低于 98%。

 

12. 三安集成电路

三安集成电路有限公司成立于 2014 年,是隶属于上市公司三安光电的全资子公司。在光学通信和光子学领域,三安集成提供定制单片机和阵列、DFB 激光器、光电二极管、雪崩光电二极管(APDs)、监控光电二极管(MPDs)等高速光学产品的晶圆制造。能力包括大功率可见和红外 VCSELs,用于 3D 传感的边缘发射激光器,激光雷达和一些消费应用。

 

 

三安集成今年宣布推出针对应用于数据中心 AOC、光模块基于其 GaAs 技术平台的高速 25G VCSEL 芯片组及阵列系列,可以结合三安集成的 25G 850nm PD 芯片,为客户提供全套的低功耗、极具成本效益的 25G 收发组合芯片。

 

面向光通讯领域,三安集成供应 10G-25G 850nm PD 芯片,1310/1550nm MPD、SPD、PD、APD 芯片,2.5G/10G/25G DFB 彩光芯片,10G/25G 850nm VCSEL 芯片等各类光芯片产品。其中,25G 850nm/1310nm PD 已实现大批量量产,25G 850nm VCSEL 和 25G 1310nm/CWDM DFB 也已经可以小批量量产。下一步产品规划,例如 25G PAM4、56G 850nm 短距产品正在持续推进。

 

三安集成的优势是作为平台型芯片供应商,不同于光器件公司内部直属的光芯片部门,可以更全面地掌握行业需求走向和细分要求,更不会局限于某个特定方向,因此容易把握自身产品的演进迭代。同时,还可以不自我设限地面向市场各类需求开放平台,以品质吸引客户,同时发挥大批量制造和交付能力满足客户要求,规模效应摊薄成本并为后续产品迭代积累经验和资源。

 

13. 光迅科技

光迅科技成立于 2001 年,不过它的前身可以追溯到 1976 年,其前身是中国光通信的鼻祖—武汉邮电部固体器件研究所,公司是光通信领域具备光芯片、器件及模块一体化能力龙头。

光迅科技 25G VCSEL 芯片

 

公司采用双线战略:法国 Almae 公司研发 25G EML 芯片,国内团队研发 25G DFB 芯片,目前公司的 25G PD 探测器已经释放量产;25G IPD 正在内部验证改进;激光器芯片方面,25G VCSEL 芯片进展快一些,在客户上已经做了批量送样验证;25G EML 芯片去年已经给国内国际客户送样,进度有快有慢,内部在解决量产的成品率问题,预计今年年底有阶段性的成果;25G 商业级的 DFB 芯片已经在客户送样;从公司 25G 多种型号的光芯片进展来看,公司目前正在全力进行 25G 多种型号芯片的研发、测试、送样验证和量产准备工作。

 

 

根据公开资料显示,法国 Almae 主要从事通信用 InP 基高速激光器研发和生产,其产品速率涵盖 10G 和 25G。随后 Almae 接手了原 III-V 实验室剥离的设备和超过 2000 平米的洁净室,用于进行通信相关产品产能的扩充。此外,2014 年公司通过定增募投光电子芯片产业化项目,在武汉本部建设 10G DML/APD、25G VCSEL 和 40G PIN 等光芯片产能。凭借两次收购外延和定增内生,公司已具备高端无源光芯片和高端有源光芯片的生产能力,为公司面向高端高速模块的产能提升和成本优化打下了坚实的基础。

 

光迅科技在技术发展战略中,聚焦高速光模块的生产以及光电芯片的自主研发,研发投入长期处于国内同行企业中领先,承担国家光电子芯片和器件国产化替代的战略任务;2017 年 1 月光迅科技牵头成立光谷信息光电子创新中心,其目标旨在于解决 25G 速率以及以下光电子芯片技术,2020 年实现国内厂家在核心光电子芯片和器件的市场占有率不低于 30%的目标,到 2025 年实现核心光电子芯片和器件自主可控。

 

14. 太平洋(聊城)光电科技

太平洋(聊城)光电科技有限公司成立于 2016 年,是一家光通讯元器件制造商,主要产品有光模块、VCSEL 芯片及 AOC 光缆等,应用于大数据、云计算中心服务器间数据交互。目前已具备年产 1800 万对 VCSEL 面射型激光发射器芯片的能力,产品目前主要应用于大数据、云计算中心服务器间数据交互、4G、5G 网络。

 

光通信芯片方面,公司产品包括 5G、10G、25G VCSEL 芯片;3D 传感方面,公司产品包括 850nm 及 940nm,2mW-2W 的 VCSEL 芯片。

 

25G 面射型激光器芯片示意图

 

太平洋(聊城)光电模块负责人杨文卿告诉记者,在云计算以及数据中心的产品应用上,已完成 10G、25G、40G、100G 等低中高速率光收发模块的研发并投入市场。

 

15. 源国科技

深圳源国光子通信有限公司成立于 2017 年,主要从事 10G、25G 乃至 56G 的 VCSEL 芯片开发和生产。旗下拥有“VCSEL 芯片”、适用于光纤连接的“MPO 模块”,广泛应用于大型数据中心、超级计算机内的连接。

 

据公开信息,公司已开始批量生产 850nm 和 940nm VCSEL 芯片,应用于消费电子领域。

 

VCSEL 芯片方面,25G 产品经过去年送样及检测,已开始了批量出货,截止目前,VCSEL 芯片出货量最大的还是以 10G 产品为主,同时在传感及手机领域,源国科技 VCSEL 产品也开始了客户送样阶段,期待未来能在更多领域得到拓展。

 

长波 VCSEL,仍有瓶颈

华芯半导体吕工介绍到通过对光纤损耗原因进行分析,人们发现光纤材料中的水汽(OH-)对光纤损耗影响很大。研究人员对生产光纤的工艺进行了改进,降低了水汽吸收的影响,而后发现光纤有三个低损耗窗口,分别是短波长 0.85 μm、长波长 1.31 μm 和 1.55 μm。

 

当前 850 nm 波段的 VCSEL 商用已经非常成熟,长波波段具有低色散和低损耗的特点,因此具有重要的应用。但在长波长范围内,垂直腔面发射激光器的研究进展较为缓慢,主要有以下原因:

 

1)很难将具有高反射率、低电阻、低热阻的 DBR 与能在长波长范围提供高增益的有源层集成在一起;

 

2)长波长波段,P 型材料的电阻较大,造成发热严重,因此整体器件的电阻几乎全部来自于 P 型 DBR。因此长波长 VCSEL,合理的 P-DBR 设计对于减小器件的串联电阻,降低制作难度,延长器件使用寿命至关重要[1]。

 

未来趋势,可期

吕工说到随着 VCSEL 在消费电子、智能手机的应用成熟,越来越多的客户根据应用端需求对 VCSEL 提出了更高的要求,如更高的可靠性、更低的成本、更高的功率密度。上述需求在远距离 3D 传感应用中的呼声更为强烈,比如智能手机后置 3D 摄像头和汽车激光雷达。业界对此有较为统一的认知——VCESL 从单结向多结发展。

 

未来 VCSEL 激光器的发展根据其应用领域,将有以下趋势:

 

针对光通信用的 VCSEL 激光器:

1) 更高调制带宽和传输速率;

2) 更低的功耗;

3) 更高的传输通道密度和多电平调制技术;

4) 更宽的工作温度范围;

5) 覆盖波段范围更广。

 

针对感测类应用的 VCSEL 激光器:

1) 高的光电转换效率(PCE);

2) 更高的点阵密度;

3) 高能量、低时延;

4) 覆盖波段范围更广;

5) 更宽的工作温度范围。

 

本次 2020 第二届激光雷达大会大会 ams、lumentum、纵慧芯光、威科赛乐等主流 VCSEL 厂商会现场参与展示交流,敬请期待!

 

如需获取完整版报告点击关注上方蓝字“智车行家”后回复“VCSEL”领取

2020 激光雷达大会活动预告:

 

(点击图片查看大会详情)

 

大会背景

 

智车行家携手易贸信息科技将于 12 月 15-16 日在上海召开 2020(第二届)激光雷达前瞻技术展示交流会,与 30 余位行业专家共同围绕着市场趋势、技术发展、车规级制造、传感器融合、车路协同应用等热点话题展开讨论,分析最先进的激光雷达技术(包括光学器件,光源,接收器和处理单元等),力图打造一个集信息共享、经验交流、技术支持以及产品展示的综合性合作平台。