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【芯布局】3D传感VCSEL下一个十字路口:加快替代or产能过剩

小如·09-20 10:41·本土IC  来源: 爱集微

集微网消息,2017年,iPhone X将结构光引入到前置光学系统中,用于Face ID人脸识别,随之引发了3D感知技术市场的热潮。而伴随着5G技术变革下智能手机的更新换代需求,全球3D感知市场规模逐年扩大。

据TrendForce数据,2020年3D传感VCSEL(适用于智能手机和平板电脑等移动设备)市场规模预测为12.07亿美元,较2019年的10.79亿美元同比增长12%。

分析师指出,目前3D传感已成为手机品牌厂商旗舰机在规格竞赛中的重要指标。3D传感功能主要集成在后置摄像头中,主要应用包括测距、背景虚化、3D物体检测、空间建模和增强现实(AR)。在不久的将来,3D传感功能进一步搭配5G,成为高端手机的标配。预计2021年3D传感VCSEL的市场规模将同比增长53%,达18.42亿美元。

目前市面上主流的3种3D感知技术分别为双目立体成像、结构光以及ToF,而不论是结构光方案还是TOF方案,都离不开核心器件VCSEL。

在此背景下,VCSEL成为市场新增量。早在1977 年,日本东京工业大学的伊贺健一提出 VCSEL 的概念,直到2017年,iPhone X 彻底让VCSEL火起来。

当前,VCSEL在消费电子3D成像、物联网、数据中心/云计算以及自动驾驶等领域应用颇多。

VCSEL被市场所青睐,原因之一就在于VCSEL可以提供高频调制、更快的响应速度、高质量光束,同时功耗低、工艺兼容性好。

VCSEL是红外激光LD的一种,全名为垂直共振腔表面放射激光,顾名思义,他是可以垂直发射模式,与其他红外LD的边发射模式不同,VCSEL的垂直结构更加适合进行晶圆级制造和封测,规模量产之后的成本相比边发射LD有优势,可靠性高,相比于LED,VSCEL的光谱质量高,响应速度快,优势明显。

此前,VCSEL由于其制造工艺不成熟,产品的成本相对较高,随着各大厂商的重视,尤其是高速光通信的快速发展,VCSEL工艺逐步成熟。

纵慧芯光联合创始人、首席产品官Ryan曾表示,3D传感器国内市场需求巨大,产业链逐步成熟,VCSEL国产芯片的量产需求迫切。

在具体的VCSEL产业链方面,VCSEL目前主要采用三五族化合物半导体材料GaAs制成,由IQE、全新、联亚光电等公司提供三五族化合物EPI外延硅片,然后由宏捷科技、稳懋、晶电等公司进行晶圆制造,再经过联钧、矽品等公司的封测,变成为独立的VCSEL器件。然后由设计公司提供给综合解决方案商,再提供给下游消费电子厂商。

在科研领域,我国中科院长春光机所在VCSEL科研领域处于世界前沿地位,2014年5月长春光机所在所内首次研制出碱金属院子光学传感技术专用的795nm和894nm VCSEL。该器件采用完全自主的结构设计、材料生长和芯片工艺研制而成,芯片体积仅为0.05立方毫米,器件高稳定单模态激光输出高于0.2毫瓦,工作电流低于1.5毫安,功耗低于3毫瓦,可作为核心光源用于芯片级原子钟、原子磁力计、原子陀螺仪等碱金属原子传感器。

中国科学院半导体研究所张杨研究员团队于2017年10月和11月先后研制出用于高速数据存储的6英寸高速850nm VCSEL外延片,和用于3D传感、激光雷达的6英寸940nm VCSEL激光器外延片,并出口台湾相关芯片厂。

除科研院所以外,国内企业也纷纷布局,纵慧芯光、长光华芯、睿熙科技等,都是其中具有代表性的企业。

纵慧芯光

纵慧芯成立于2015年11月,主要研发生产VCSEL芯片(650nm至1000nm)、器件及模组等产品。目前公司在常州建设了自己的外延产线和封测产线,其中外延产线能实现500-1000片/月的产能,对应于产出的芯片产能达到20kk-40kk/月。

纵慧芯光现已进入华为旗舰手机VCSEL供应链,华为P30系列和华为Mate 30 Pro的供应链名单中均包含了纵慧芯光。今年6月又获得了华为旗下哈勃科技的新一轮投资。

纵慧芯光此前已经研发出多款具备高效率、高性能、高可靠性的VCSEL芯片产品,涵盖了850nm和940nm这两个在消费电子领域被广泛应用的波段。而在新产品方面,纵慧芯光团队在疫情期间也没有停止研发,目前已经研发出最新的Multi-Junction VCSEL产品。

在2019年全球ToF传感器市场中,纵慧芯光的VCSEL占比达到32.6%,仅次于Osram(37%),排名全球第二。

长光华芯

长光华芯成立于2012年,依托中国科学院长春光机所创办,致力于高功率半导体激光器芯片、高效率VCSEL芯片、高速光通信芯片及相关光电器件和应用系统的研发生产和销售。

早在几年前,长光华芯就开展了VCSEL激光器的研发工作,已经攻克了材料外延生产的精确控制和稳定性难题以及激光电流的氧化限制控制难题,并通过可靠性认证。

长光华芯于2017年为增加VCSEL芯片的市场优势开设了6英寸晶圆的生产线,增加了MOCVD晶圆生长炉,步进光刻机等量产设备,此项目得到了苏州高新区支持,与长光华芯共建苏州半导体激光创新研究院,扩建3万平米厂房及超净生产线,总投资超过5亿人民币,建设半导体激光芯片研发和生产平台。建成投产后预计实现6英寸晶圆量产5000个/月,折合VCSEL芯片超过25-50KK支,届时将缓解VCSEL芯片的紧缺局面。

据其官方消息,长光华芯VCSEL事业部建成了国内首条完全自主可控的6英寸芯片产线,并实现批量试产,产品性能达到国际主流厂商水准,得到客户认可。

睿熙科技

睿熙科技成立于2017年,在美国设有研发中心,同时在浙江余姚,杭州规划设立加工,测试,及研发基地。公司采用fabless模式,主要做VCSEL芯片及衍生产品的研发及量产,对标lumentum,定位高端芯片市场。

睿熙科技专注于VCSEL芯片及衍生产品的研发及量产,该公司表示目前已经完成适用于手机等消费电子的第三代芯片,达到国际主流大厂水平,并成为舜宇光学推荐的唯一国产VCSEL芯片,现阶段正与手机厂商洽谈合作意向。

现阶段睿熙科技已拥有针对消费电子领域需求的全系列VCSEL芯片的产品线,波长包括940nm和850nm,支持结构光、ITOF,DTOF等多种3D方案。

华芯半导体

华芯半导体成立于2015年12月,位于江苏省泰州市姜堰区。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。

2019年6月,华芯半导体和中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、北京工业大学联合申报的国家重点研发计划项目“面向短距离光互连应用关键芯片、器件与模块技术”获国家科技部立项。

华芯半导体主要承担高速25Gb/sVCSEL芯片的批量化制备工艺研究、器件良率、均匀性、可靠性研究,实现批量推广应用

伴随着市场热潮与相关政策推动,国内企业逐渐开始进军VCSEL领域,然而,目前进入VCSEL的初创公司依旧存在同质化竞争严重等问题。

由于一开始主打市场为940nm VCSEL阵列器件,但短期940nm VCSEL阵列器件主要应用的手机市场尚未爆发,因此销售额并不大。

此前集微网发布的《3D ToF赛道的投资研究报告》也指出,国内940nm VCSEL外延工艺还需要突破重重难关。而消费电子、光通信市场VCSEL需求量表现不及预期,国内VCSEL市场面临产能过剩风险。

此外,国内VCSEL厂商同时面临来自传统LED厂商切入赛道的竞争压力。

面对这种竞争局面,一方面能加快国产替代的步伐,但另一方面,部分企业也会因为时间和市场而被逐渐淘汰,最终留下有实力的玩家。

面对未来的竞争压力,全产业链整合也将是VCSEL产业下一个趋势之一,在产业崛起同时,整合产业链经验、量产经验丰富的厂商,以满足市场需求,也将成为国内VCSEL厂商未来的议题。(校对/若冰)

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