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3D傳感及手機應用需求推動,2023年VCSEL市場規模達35億美元
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VCSEL從誕生之日起就作為資料通信應用的核心器件。直到2014年,VCSEL才開始進入大批量消費類市場——智慧手機,實現接近感測和自動對焦功能,這預示著VCSEL成功的開端。2017年,蘋果(Apple)公司發佈了十周年紀念版的產品:iPhone X,集成了基於VCSEL技術的3D傳感功能。

3D傳感及更多手機應用需求推動垂直腔面發射雷射器(VCSEL)市場快速發展!

繼資料通信之後,VCSEL企業終於發現“殺手級”應用,市場爆發在即

自1977年日本東京工業大學的伊賀健一(Kenichi Iga)提出VCSEL概念開始,VCSEL各個方面的研究到現在均獲得了長足的進步。VCSEL從誕生之日起就作為資料通信(Datacoms)應用的核心器件。與邊發射雷射器(EEL)相比,VCSEL優勢在於較低的功耗和有競爭力的價格,尤其適合短距離資料通信。在資料中心建設的推動下,在本世紀初期VCSEL市場和產量隨著互聯網的普及而蓬勃發展,然後穩步增長。雖然VCSEL也尋覓到一些新應用,如雷射印表機和光學滑鼠,但是都無法提供強勁的增長驅動力。

VCSEL及其封裝形式

直到2014年,VCSEL才開始進入大批量消費類市場——智慧手機,實現接近感測和自動對焦功能,這預示著VCSEL成功的開端。2017年,蘋果(Apple)公司發佈了十周年紀念版的產品:iPhone X,集成了基於VCSEL技術的3D傳感功能。iPhone X智慧手機採用了三種不同的VCSEL晶片(用於Face ID的3D攝像頭、接近感測器),進而促使VCSEL市場呈現爆炸式增長勢頭——2017年VCSEL整體市場規模達到3.3億美元。 

2017年和2023年VCSEL市場預測

據麥姆斯諮詢介紹,良好的iPhone X銷量引發其它安卓(Android)智慧手機品牌廠商對3D傳感功能的強烈興趣。在iPhone X發佈不到一年的時間裡,競爭對手們也開始採用類似的策略,集成各種3D傳感技術和人臉識別功能,可見VCSEL“殺手級”應用獲得市場認可!小米和OPPO的速度是最快的,2018年第二季度分別推出了小米8探索版和OPPO Find X兩款集成3D傳感技術的智慧手機。其它Android智慧手機廠商,如華為、vivo和三星,預計2019年將會把VCSEL用於旗艦機。在此背景下,2017年啟動的新一輪VCSEL市場增長浪潮將持續至未來五年,相關商業機會有可能增加十倍以上。與此同時,VCSEL還有希望進入其它一些批量應用領域,如汽車雷射雷達(LiDAR)和氣體感測器等。

上述趨勢使得VCSEL領域湧入大量投資行為,如老牌企業新建工廠,初創企業層出不窮,投資和並購持續火熱……本報告詳盡介紹了VCSEL技術和應用,以及相關產業的發展情況,重點對消費電子和汽車電子進行深入研究,包括3D傳感、雷射雷達和氣體感測器。

VCSEL因應用而異,6英寸晶圓製造工藝面臨挑戰

不同應用對VCSEL產品的性能和規格要求各異,主要體現在尺寸、輸出功率和鐳射腔(laser cavity)等方面。對於資料通信和接近傳感應用,VCSEL晶片或陣列的表面積可小於0.1mm2;對於雷射雷達應用,其表面積可超過70mm2。VCSEL表面積隨著所需輸出功率的增加而增大,鐳射腔和製造工藝的複雜性也在提升。

VCSEL產品規格 vs. 應用需求

當前,VCSEL從資料通信時代向3D傳感時代的轉變,可能會對相關製造產業產生強烈的影響。資料通信行業的VCSEL常採用3英寸或4英寸晶圓製造工藝,但是消費電子行業則需要6英寸晶圓製造工藝,才能實現降低成本的目的,以及更大的VCSEL陣列。這種演變對製造良率有直接影響,目前6英寸製造工藝的良率仍然偏低。這主要與外延片製造有關:與3英寸或4英寸晶圓外延相比,6英寸晶圓外延均勻性是目前的主要挑戰。通常,外延層厚度的1%差異將導致10nm的波長偏差,並且外延良率會影響整體VCSEL製造良率。現在,外延是VCSEL產業亟需解決的關鍵工藝,金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)和相關計量設備是投資核心!

備註:【MOCVD優缺點】相較於其它化學氣相沉積技術,MOCVD技術有許多優點:(1)製造過程中所需要的反應物,皆以氣態的方式進入反應腔體,透過高精准度的注入噴頭(Injector)可準確控制所需成長的薄膜組成、濃度、厚度;(2)通過高溫化學反應,能快速成長薄膜;(3)使用不同的前驅物原料,即可具有不同制程的靈活性。而此項技術的缺點則為:(1)前驅物原料昂貴,提高生產成本;(2)所使用之前驅物原料多為具有易燃性或毒性,使用時須注意安全防護,使用後的副產物也須妥善處理,避免造成危害及環境污染。

本報告詳細分析了VCSEL製造工藝流程,以及相關技術挑戰、最新發展趨勢和主要廠商定位,此外還介紹了VCSEL在不同應用中的主要產品規格。

無法淡定,一波又一波的投資和並購已經開始……

預計VCSEL出貨量將從2017年的6.52億顆增長至2023年的33億多顆,2017~2023年的複合年增長率高達31%。這種蓬勃發展的趨勢吸引資本方對VCSEL產業各個層面進行投資,包括晶片設計和製造公司、設備和材料供應商、外延和代工廠、系統集成和OEM廠商等。例如MOCVD設備供應商:愛思強(Aixtron)、維易科(Veeco)和大陽日酸(Taiyo Nippon Sanso),因此深受其益!

因此,我們認為VCSEL產業將出現強勁增長和投資,其中包括幾家新進入者,當然他們大部分來自LED產業。自2016年以來,麥姆斯諮詢也報導了一些並購行為,例如:艾邁斯半導體(ams)收購普林斯頓光學(Princeton Optronics)、歐司朗(Osram)收購Vixar。同時,企業對製造設施的擴張或供應鏈的增強也在進行中。

一旦VCSEL市場達到頂峰,更多的產業鏈整合將會發生,以支援不同的企業策略:

- 垂直整合:從系統到模組,從模組到器件;

- 應用多樣化:從資料通信到傳感;

- 產品多樣化:從LED或EEL到VCSEL。

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