新型半導體雷射器——VCSEL詳解

2020-11-28 高工LED

新型半導體雷射器——VCSEL詳解

文章來源自：浙商證券研究所

2018-12-24 22:01:38 閱讀：27982

摘要據預測，未來幾年3D Sensing市場規模將呈幾何式增長，到2020年3D Sensing市場規模可達到108.49億美元，2023年3D傳感的市場空間達到180億美元，2018年-2023年複合增速達到44%。其中，3D Sensing在智慧型手機市場上的滲透率不斷提高，3D Sensing滲透率有望從2017年的2.1%提高至2020年的28.6%。

　　VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser)，即垂直腔面發射雷射器，是集高輸出功率和高轉換效率和高質量光束等優點於一身，相比於LED和邊發射雷射器EEL，在精確度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面佔優。

　　隨著VCSEL晶片技術的成熟，以其作為核心元件的3D Sensing走入應用，在活體檢測，虹膜識別，AR/VR技術以及機器人識別和機器人避險、自動駕駛輔助等領域得到發展。近期，3D Sensing的主要應用以手機為主，iPhone X首次搭載3D結構光模組，引領3D Sensing消費市場。目前，全球3D Sensing供應鏈趨於完善，VCSEL設計廠商Lumentum、II-VI、Finisar、AMS，VCSEL外延片供應商IQE、全新光電以及臺灣晶圓代工廠穩懋、晶電等均紛紛布局3D Sensing領域。

　　據預測，未來幾年3D Sensing市場規模將呈幾何式增長，到2020年3D Sensing市場規模可達到108.49億美元，2023年3D傳感的市場空間達到180億美元，2018年-2023年複合增速達到44%。其中，3D Sensing在智慧型手機市場上的滲透率不斷提高，3D Sensing滲透率有望從2017年的2.1%提高至2020年的28.6%。

　　VCSEL基本結構與工作原理

　　VCSEL器件有兩種基本結構，一種是頂發射結構：採用MOCVD技術在n型GaAs襯底上生長而成，以DBR作為雷射腔鏡，量子阱有源區夾在n-DBR和p-DBR之間。由於量子阱厚度小，單程增益小，因此反射鏡的反射率較高，一般全返腔鏡反射率>99.9%，輸出腔鏡反射率通過理論計算設定最佳的耦合輸出率（一般也大於99%），然後在襯底和p-DBR外表面製作金屬接觸層。並在p-DBR或n-DBR上製作一個圓形出光窗口，獲得圓形光束，窗口直徑從幾微米可到百微米量級，最後在和導熱性好的熱沉鍵合，提高晶片的散熱性能。

　　另一種是底發射結構，一般用於產生976-1064nm波段，通常將襯底減薄到150μm以下以減少襯底吸收損耗，再生長一層增透膜以提高雷射光束質量，最後將增益晶片安裝在熱沉上。

VCSEL結構簡圖

　　VCSEL作為一種半導體雷射器，形成雷射發光需要完成能量激發和共振放大兩個步驟。首先要實現能量激發，通過外加能量（光能或電能）激發半導體的電子由價帶跳到導帶，當電子由導帶跳回價帶時，將能量以光能的形式釋放出來。然後在發光區外加一對雷射腔鏡，使光束在左右兩片鏡片之間反覆來回反射，不停地通過發光區吸收光能，最後產生諧振效應，使光的能量放大最終形成雷射。

VCSEL發光原理

　　半導體雷射器主要分為邊發射半導體雷射器EEL（edge-emitting laser）和垂直腔面發射半導體雷射器VCSEL兩種類型。邊發射半導體雷射器具有高的光電轉換效率和高的輸出功率。但是邊發射半導體雷射器發散角較大，並且平行和垂直於pn結的兩個方向發射角相差較大，這一缺陷極大的限制了邊發射半導體雷射器的應用範圍。

　　垂直腔面發射半導體雷射器具有較好的光束質量和圓對稱的光斑分布，發散角較小。KUZNETSOV等研究人員製備得到的光泵浦垂直腔面發射半導體雷射器，其集高輸出功率和高轉換效率和高質量光束等優點於一身。

EEL和VCSEL參數對比

　　VCSEL具有完美的光束質量、小的發散角和圓對稱光場分布使其與光纖的耦合效率較高，其與多模光纖的耦合效率可大於90%。其較小的有源層體積，使其產生雷射的閾值電流較低。極短的諧振腔長度，使得縱模間距變大，易於實現單縱模雷射運轉。具有垂直於襯底表面光出射方向，易於通過高密度集成實現高功率雷射輸出。高的傳輸速率和調製頻率，也有利於高速光纖網路傳輸通信。

　　VCSEL在傳感器應用方面也展現出優異的性能，相比於早期3D攝像頭系統使用的LED紅外光源，結構更加簡單、體積更小、功耗更低、距離檢測更加精確。

850nm LED VS 850nm VCSEL

三種不同的光源效果

　　VCSEL廣泛的應用範圍，3D Sensing市場可期

　　隨著VCSEL研究的不斷發展，以其作為核心元件的3D攝像頭可以更快、更好的走入應用，產品進入市場。3D成像對比傳統的2D成像技術有著更好的技術特性，全面的三維信息可以更好的應用在智能化設備中，如活體檢測，虹膜識別，AR/VR技術以及機器人識別和機器人避險、自動駕駛輔助等領域，隨著時間演進，到2023年3D傳感的市場空間達到180億美金，2018年-2023年複合增速達到44%。

3D Sensing市場規模快速增長（$M）

　　據Trend Force統計，到2017年年底，全球3D Sensing市場規模僅為8.19億美元。但受益於消費電子市場可預見的爆發式增長，全球3D Sensing市場規模將不斷擴大。Trend Force預測，未來幾年3D Sensing市場規模將呈幾何式增長，到2020年，3D Sensing市場規模可達到108.49億美元。其中，3DSensing在智慧型手機市場上的滲透率不斷提高，3D Sensing滲透率有望從2017年的2.1%提高至2020年的28.6%。

　　據Deutsche Bank統計，2017年搭載3D Sensing模組的智慧型手機（僅iPhone）數量為3800萬臺，在智慧型手機上搭載率僅為3%。2018年隨著3D Sensing模組在Android手機上進行使用，智慧型手機市場3D Sensing模組需求擴大。據預測，2020年搭載3D Sensing模組的iPhone手機數量將達4.4億臺，搭載3DSensing的Android手機數量將達4.65億臺，3D Sensing在智慧型手機上搭載率將達到38%。

全球3D sensing市場規模預測及智慧型手機市場佔比

智慧型手機市場3D Sensing模組搭載情況預測

　　3D Sensing產業鏈

iPhone X紅外點陣投影器封裝結構圖

　　自蘋果手機iPhone X搭載3D Sensing攝像頭引爆市場後，國內各手機品牌在新推出的智慧型手機上也紛紛搭載3D結構光組件。據估計，2018年全球手機鏡頭顆數總量可達約37億顆，YoY達11.5%，2020年達45億顆，攝像頭總量增加高於智慧型手機增速。這主要由於雙或多攝像頭普及率越來越高，且每臺手機搭載不同功能的鏡頭數量越來越多。三星和華為出產的手機預計有90%以上將搭載雙或多攝像模塊。預計2020年每臺手機將搭載2.94顆，到2021年每臺手機搭載顆數將超過3顆。

       3D Sensing產業的良好前景，已引起了國內廠商注意，晶電、三安等廠商積極進入該市場。

3D Sensing產業鏈相關零部件對應市場規模

VCSEL產業鏈主要廠商

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