日前，國內(nèi)的LED供應(yīng)商乾照光電發(fā)表公告，稱公司擬出資16億人民幣建設(shè)VCSEL、高端LED芯片等半導(dǎo)體研發(fā)生產(chǎn)項(xiàng)目。公告中指出，2017 年，以 VCSEL 激光器為核心元器件的 3D Sensing 攝像頭在 iPhone 十周年機(jī)型的應(yīng)用，將帶動相關(guān)細(xì)分市場十倍以上級別的爆發(fā)。iPhone X 臉部辨識啟動3D 感測應(yīng)用后，非蘋陣營可望跟進(jìn)，目前安卓手機(jī)陣營中沒有應(yīng)用國產(chǎn)化的 VCSEL芯片。VCSEL 外延片芯片的關(guān)鍵技術(shù)主要為國際少數(shù)幾家大公司所壟斷，也是我國激光芯片產(chǎn)業(yè)中較為薄弱的環(huán)節(jié)。

按照這個表述，乾照光電的目標(biāo)和其他近來大力投入到VCSEL的國產(chǎn)廠商一樣，打算在即將爆發(fā)的VCSEL市場中分一杯羹，但這個市場真的那么美好嗎？

因iPhone X火起來的產(chǎn)業(yè)

VCSEL全名為垂直共振腔表面放射激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)，簡稱面射型激光，這是由日本科學(xué)技術(shù)員的 H. Soda 與 K. Iga 等人在上世紀(jì)七十年代末提出的概念。與傳統(tǒng)的邊發(fā)射激光器不同，VCSEL的激光出射方向垂直于襯底表面,可獲得圓形光斑。因?yàn)槠渲C振腔長與波長接近,動態(tài)單模性比較好,具備發(fā)光效率高、功耗極低、光束質(zhì)量好，易于光纖耦合、可調(diào)變頻率就達(dá)數(shù)GHz、超窄的線寬、極高的光束質(zhì)量、高偏振比和造價便宜等優(yōu)勢。

VCSEL的結(jié)構(gòu)圖，圖左為頂發(fā)射結(jié)構(gòu)，圖右為底發(fā)射結(jié)構(gòu)

自概念被提出以后，這個技術(shù)一直在緩慢發(fā)展成熟，并被逐漸推向光通信、光互連、光存儲、激光顯示和照明等領(lǐng)域，但因?yàn)檫@些市場的大眾關(guān)注度并沒有那么高，VCSEL在過去的幾十年里也一直默默無聞，直到蘋果在其iPhone X中采用了Face ID方案后，VCSEL在過去兩年就變得人盡皆知。

蘋果iPhone X中用到的3D成像技術(shù)

如上圖所示，蘋果使用泛光照明器、接近感測器、環(huán)境光感測器和點(diǎn)陣投射器構(gòu)成了iPhone X的3D成像模組，當(dāng)中的泛光照射器、接近感測器和點(diǎn)陣投射器都用到了VCSEL。因?yàn)樘O果的龐大出貨量，還有他們的設(shè)計(jì)對安卓陣營的影響力，就迅速推動VCSEL走向了風(fēng)口浪尖，市場也對這個產(chǎn)品的未來有了無限期望。

市調(diào)機(jī)構(gòu)Yole指出，在未來五年，VCSEL將持續(xù)維持爆炸式的成長，其商業(yè)機(jī)會將成長10倍以上，2017年至2023年年均復(fù)合增長率(CAGR)將達(dá)31% ，而市場規(guī)模預(yù)計(jì)從2017年的6.52億顆攀升至2023年的33億顆。

乾照光電發(fā)布的公告中也表示，隨著全球范圍內(nèi)相關(guān) VCSEL 供應(yīng)商的產(chǎn)能不斷增長，全球 VCSEL 市場的復(fù)合年增長率（CAGR）可達(dá) 17.3%，市場規(guī)模到 2022 年或?qū)⒃鲩L至 200 億人民幣。

龐大的市場容量就吸引了眾多國產(chǎn)廠商加入其中。

國產(chǎn)廠商快速涌進(jìn)

面對這個大市場，除了乾照之外，更早之前也有了一大波國產(chǎn)廠商涌入這個市場。首先，和乾照光電一樣同樣位于廈門的三安光電也是其中的一個玩家。

去年年底，該公司被投資者問到是否有投入到VCSEL研發(fā)的時候，他們給出的答案是：“公司正布局光通訊發(fā)射端與接收端芯片的研發(fā)和生產(chǎn)，并在海外成立子公司從事光通訊的研發(fā)、生產(chǎn)及銷售，以應(yīng)對光通訊在消費(fèi)電子和通訊領(lǐng)域滲透帶來的廣闊市場需求”，而在早前某個展會上，半導(dǎo)體行業(yè)觀察記者就此事問到三安光電相關(guān)負(fù)責(zé)人，他們也給出了肯定的答案，這就坐實(shí)了他們投入VCSEL，市場甚至傳言他們已經(jīng)進(jìn)入到送樣階段。

2015年成立于泰州的華芯半導(dǎo)體今年早些時候在接受麥姆斯咨詢采訪的時候則表示，華芯半導(dǎo)體是目前國內(nèi)唯一一家能夠自主完成垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和藍(lán)光半導(dǎo)體激光器芯片外延及芯片工藝制造，并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的高科技公司。按照他們的說法，公司已經(jīng)從2017年11月份開始批量出貨。

同樣成立于2015年，起源于斯坦福大學(xué)的縱慧芯光，也是國產(chǎn)VCSEL市場的另一個重要角色。該公司聯(lián)合創(chuàng)始人陳曉遲今年八月在出席一個論壇的時候講到，縱慧芯光在2015年底成立并完成A輪融資。到2018年年初的時候，他們完成了B輪的融資，并在常州建立了他們的6寸的外延產(chǎn)線，按照他們的說法，這條產(chǎn)線建設(shè)完成后，將成為國內(nèi)第一條6寸工藝的核心光電器件外延生產(chǎn)線。

按照陳曉遲的說法，縱慧芯光在2018年初進(jìn)入了品牌手機(jī)廠商的供應(yīng)鏈，今年年末將開始批量的出貨。按照他的預(yù)計(jì)，縱慧芯光今年年底會推出下一代的產(chǎn)品，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到45%以上，且今年會完成外延產(chǎn)線的建設(shè)，而他們的目標(biāo)是在2019年實(shí)現(xiàn)億級的銷售目標(biāo)。

另外，獲得了億元融資的睿熙科技也聲稱在VCSEL方面有領(lǐng)先的優(yōu)勢。

據(jù)該公司官網(wǎng)介紹，寧波睿熙科技有限公司是全球技術(shù)領(lǐng)先的 VCSEL 供應(yīng)商，核心成員擁有20年在世界一流VCSEL公司領(lǐng)導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造的經(jīng)驗(yàn)， 涵蓋外延生長、工藝制程、芯片設(shè)計(jì)與模擬、倒片封裝、封裝、高頻測試與設(shè)計(jì)、大數(shù)據(jù)分析、失效分析等所有VCSEL設(shè)計(jì)、制造管理領(lǐng)域。

按照他們的說法，目前睿熙科技已經(jīng)完成適用于手機(jī)等消費(fèi)電子的第三代芯片，于2018年量產(chǎn)，達(dá)到國際主流大廠水平，并成為舜宇光學(xué)推薦的唯一國產(chǎn)VCSEL芯片，現(xiàn)階段正與手機(jī)廠商洽談合作意向。

以上只是筆者看到的一些廠商，其他是否還有更多沉在水面下的廠商，那就不得而知?？梢钥隙ǖ氖?，國內(nèi)廠商對這個市場虎視眈眈。

如何突破包圍圈？

和其他很多芯片一樣，VCSEL同樣是一個幾乎被歐美日三個地區(qū)的廠商壟斷的領(lǐng)域。

以蘋果為例，他們在iPhone X上采用了Lumentum的VCSEL，后來市場傳出蘋果投資了Finisar，扶植另一家供應(yīng)商，另外II-V和ams也是都是VCSEL領(lǐng)域的不可忽略的角色。其他如博通、住友電工，也都在VCSEL市場擁有不少的領(lǐng)先份額。

他們拿下了全球大部分的VCSEL供應(yīng)，這主要與VCSEL的制造工藝本身和他們自身在這上面的多年積累有關(guān)。我們看現(xiàn)在那些VCSEL做得好的供應(yīng)商，基本上都有自己的工廠，或者代工廠在相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)上有悠久的歷史，也就是說對制造有很高的需求。而從VCSEL的整個供應(yīng)鏈上看，也的確如此。

例如在磊晶方面，英國的IQE就以高達(dá)五成的市占位居第一位，來自臺灣的全新則以20%的份額緊隨其后；日本的Sumika則是目前全球少數(shù)可量產(chǎn)六吋磊晶的廠商，全球市占17％。對于國內(nèi)的VCSEL廠來說，在這關(guān)鍵的方面，如何保證這個方面的來源，是他們能夠進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

至于技術(shù)方面，睿熙科技首席執(zhí)行官James Liu在接受麥姆斯咨詢采訪的時候也提到VCSEL制造的挑戰(zhàn)，現(xiàn)摘錄如下：

VCSEL綜合了半導(dǎo)體材料、激光物理、半導(dǎo)體制造工藝、高速射頻電子和光學(xué)技術(shù)等學(xué)科。不僅芯片結(jié)構(gòu)復(fù)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。在VCSEL制備的過程中，應(yīng)力及制造過程導(dǎo)致的晶體缺陷產(chǎn)生概率也遠(yuǎn)高于硅基光電芯片。并且，VCSEL芯片在工作狀態(tài)時，其單位體積承受的電流密度要大幅高于硅基光電芯片，這就意味著VCSEL要承受更大的光強(qiáng)和電流。舉例來說，如果VCSEL設(shè)計(jì)或工藝不夠“完美”，導(dǎo)致了局部晶體缺陷，常規(guī)的出貨測試很難探測出來；但在芯片工作過程中，晶體缺陷在高溫、高電流及強(qiáng)光子的刺激下會加速生長，一段時間以后，一旦破裂生長超過一定數(shù)值，或到達(dá)有源區(qū)，芯片就會失效。

同硅基電芯片相比，VCSEL芯片更接近材料科學(xué)的范疇，優(yōu)秀的芯片設(shè)計(jì)需滿足高性能指標(biāo)，但最大的挑戰(zhàn)來自于高可靠性的要求。這涉及有源層材料、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、結(jié)構(gòu)散熱等與材料及結(jié)構(gòu)有關(guān)的優(yōu)化，亦依賴于外延生長及關(guān)鍵制造工藝的優(yōu)化。成熟VCSEL產(chǎn)品在可靠性工藝方面需多年積累和無數(shù)糾錯實(shí)驗(yàn)。符合低成本、高性能、高良率、高可靠性的大批量產(chǎn)業(yè)化，需要從業(yè)者有深厚的學(xué)術(shù)理論基礎(chǔ)，更依賴于工業(yè)界多年累積的豐富經(jīng)驗(yàn)和迅速解決問題的能力。

由此可見，國產(chǎn)廠商想打破歐美日廠商的壟斷，需要多管齊下。

不應(yīng)只盯住手機(jī)

無論是國外還是國內(nèi)的廠商來說，押寶VCSEL，主要看的是手機(jī)市場對其的需求，但這真的是一個將要爆發(fā)的大市場么？雖然蘋果產(chǎn)業(yè)鏈分析師在日前表達(dá)了對VCSEL的信心，他認(rèn)為蘋果將會繼續(xù)采用這種方案。但在某些分析師看來，應(yīng)用在手機(jī)里面的VCSEL前景不妙。

上個月，有分析機(jī)構(gòu)指出，蘋果對于明年的人臉識別技術(shù)傾向于使用RF UWB ToF技術(shù)，而不是VCSEL ToF，這則消息引發(fā)了整個VCSEL產(chǎn)業(yè)鏈股票大跌。況且，現(xiàn)在安卓手機(jī)上還沒大批量用上3D成像技術(shù)，萬一蘋果真的轉(zhuǎn)向了RF UWB ToF技術(shù)，并取得了不錯的效果。對于手機(jī)廠商來說，如果新方案實(shí)現(xiàn)難度遠(yuǎn)低于VCSEL的方案，也許他們都轉(zhuǎn)向了這里也并不出奇。

正如前面所說，VCSEL最初是在通信這些領(lǐng)域發(fā)揮功用的，而現(xiàn)在大家對于VCSLE方案應(yīng)用于汽車也非常有信心，甚至連HDD、醫(yī)療也都是VCSEL關(guān)注的領(lǐng)域。對于國內(nèi)這些VCSEL廠來說，如果能提前做好多手準(zhǔn)備，提早布局，這也許才是最明智的。