相中3D傳感商機，LED廠商紛紛勇闖VCSEL市場，信心源自哪里？
2019-12-30 12:46:44
據麥姆斯咨詢報道，LED產業已步入成熟穩定階段，加上業內廠商殺價流血競爭，國內LED廠商近幾年來經營狀況飽受沖擊，不得不尋求新出路，以提升盈利能力；除MiniLED儼然已成LED產業新藍海外，相中3D傳感商機，許多廠商也積極布局垂直腔面發射激光器（VCSEL）市場，然而，相較早已開始代工VCSEL的砷化鎵廠商，LED廠商切入此領域有何優勢？
LED、VCSEL同屬紅外光源元件家族
蘋果2017年發布iPhone X系列，首度導入3D人臉識別技術，也掀起市場對VCSEL的討論。VCSEL全名為垂直腔面發射激光器，屬于紅外激光系統。若從發光原理來看，紅外光源元件可分為LED（發光二極管）、LD（激光二極管）2種光源，LD又可區分為EEL（邊發射型激光器）、SEL（面發射型激光器），而VCSEL便是SEL技術。
LED發光原理較為單純，但其屬于發散光源，發光能量較弱、光束角度偏大，功能性相對不足，僅能提供普通照明，或應用于2D傳感系統；雖然EEL與SEL所產生的都是激光，但兩者在器件結構設計上，有所不同。
EEL的激光從側邊射出，激光輸出功率較高，器件構造相對簡單，但光源為橢圓形投射，使光束角度與形狀均大于SEL元件。SEL的激光則是從表面射出，激光輸出功率較低，光源為正圓形投射，光束角度與形狀相對集中，且具有功耗較低、高效率與高速等優勢，適用于3D傳感等領域。
紅外LED、VCSEL、EEL的主要應用發展
（來源：《紅外LED和激光二極管：技術、應用和產業趨勢》）
3D傳感應用推動VCSEL需求成長
然而，在3D傳感應用出現之前，VCSEL其實早就用于光通訊領域，但與3D傳感應用的特性與要求完全不同，光通訊主要應用于數據中心，適合短程傳輸，并強調高傳輸效能，而隨著5G時代的來臨，數據中心需求將持續增長，也帶動了VCSEL持續增長。
近來勢頭正熱的，當屬VCSEL在3D傳感技術的應用，主要可分為兩類，一為飛行時間測距（ToF），二是結構光（Structured light）。由于VCSEL損耗低、精確度高，不易受環境光干擾，逐漸成為3D傳感應用的主流技術。
VCSEL與LED發光原理大致相同，但從結構層面來看，VCSEL器件結構比LED更為復雜，材料特性要求高、設計也較困難，且需要具備高難度的外延生長技術，才有望順利量產。不過，由于VCSEL獲利表現大幅優于LED，因此包括三安光電、臺灣晶電等LED大廠均爭相投入VCSEL領域。
LED廠憑自有優勢切入VCSEL領域，搶占商機
VCSEL器件結構雖較復雜，但與紅光LED的外延生長過程相似，VCSEL同樣采用MOCVD（有機金屬氣相沉積法）生長，且原材料同為砷化鎵。據悉，紅光MOCVD機臺轉換至VCSEL使用，僅需3個月時間，若從藍光MOCVD機臺轉換，則需6個月時間，不需額外添購設備進行外延工藝，成為LED外延廠入局VCSEL領域的優勢之一。
另一方面，VCSEL外延對厚度、平整度、均勻度等質量要求極高，最上游的外延工藝，幾乎決定VCSEL元件的質量優劣。
據麥姆斯咨詢此前報道，三安光電利用其III-V族制造技術和經驗，為其他大規模垂直市場服務，成立了子公司三安集成電路，為光學器件（包括VCSEL）提供專用的大批量6英寸GaAs和2英寸/ 4英寸InP化合物半導體代工服務。在三安光電發布的2018年業績公告中顯示，三安集成電路在應用于各類數據中心和5G前端的光通訊VCSEL器件方面，已完成客戶25 G相關產品的量產評估，進入小批量試產，未來有望成為光通訊VCSEL芯片的主要供應商。
針對當前市場對新興VCSEL應用的需求，如人臉識別/手勢識別、消費類3D傳感、光通信、云服務等，三安集成電路定位于為需要復合代工服務和定制光學產品及組件的客戶，提供整體解決方案，助其滿足市場需求。
另外，臺灣晶電擁有長期投入LED元件研發與外延技術能力，在轉向生產VCSEL元件時，過去積累的深厚外延技術經驗，是晶電的最大優勢。
憑借原本在LED產業就具備的優勢，晶電6年前就開始耕耘VCSEL領域，去年10月將VCSEL與硅上氮化鎵（GaN-on-Si）等半導體代工業務分割，成立了旗下子公司晶成半導體，并繼承了母公司晶電的技術基底，可從外延（Epi）一直做到芯片（Chip），提供整合的代工服務。
如此一來，晶成除可協助客戶做代工，還有晶電許多專利技術能與客戶合作，且過去晶電擁有的晶圓接合與芯片封裝等LED技術，也是許多VCSEL代工廠所缺乏的，借此與其他競爭廠商形成差異化，提供更多的代工價值。
晶成目前瞄準的應用包括數據通訊傳輸，以及ToF與結構光等3D傳感技術。而除晶電分割子公司晶成半導體，搶占VCSEL商機外，臺灣隆達電子也同樣著眼5G、物聯網、AI等趨勢，看好自動化機器人對3D傳感的需求，布局VCSEL元件應用，積極開發ToF VCSEL元件。
蘋果將導入ToF技術，3D傳感應用商機爆發
目前4英寸VCSEL應用主要為數據通訊傳輸，6英寸則可用于3D傳感的ToF與結構光。自蘋果2017年在iPhone X系列前置攝像頭中開始導入結構光VCSEL技術后，市場掀起3D傳感應用熱潮。然而，由于結構光技術門坎高，且受限專利問題，安卓手機陣營并未跟進，VCSEL在消費類電子產品中的應用，未如預期在iPhone X系列推出后順勢起飛。
3D成像和傳感開啟新一代視覺革命
（來源：《3D成像和傳感-2018版》）
不過，今年下半年以來，安卓陣營在VCSEL的3D傳感應用上，開始有所動靜，包括三星、華為、VIVO、LG、OPPO等，均將ToF VCSEL技術導入后攝像頭，且市場傳出，明年蘋果iPhone新機，也將加入ToF后攝像頭隊伍。
根據Yole最新《VCSEL市場與技術趨勢-2019版》報告，2018年，移動和消費類VCSEL應用創造了5.53億美元的市場營收，Yole預計到2024年增長將達到33.82億美元，復合年增長率達35%。市場也預期，明年起隨著蘋果導入ToF技術，3D傳感手機應用商機，將正式爆發，而切入VCSEL領域的LED廠，在技術到位之下，也將因此受惠。
