VCSEL芯片產業崛起，探秘國產VCSEL的“破壁”和“突圍”之路
前不久，國內首款波長660nm VCSEL芯片已在重慶萬州實現批量化生產，這款由威科賽樂微電子股份有限公司研發的激光芯片，更易于面內集成陣列和光學整形的技術，使得在相同輸出功率下對人眼敏感度能達到同類產品的4.5倍。而在成本方面，單顆芯片市場售價僅在一元左右，成本降低了60%，封裝成本也降低50%以上。長春光機所也宣布首次實現了人眼安全范圍內的1550 nm VCSEL芯片。
VCSEL芯片產業是如何崛起呢？當前，全球VCSEL芯片產業格局如何？我國的VCSEL芯片是如何“破壁”的？未來，如何“突圍”才更有勝算？
從光通信到消費電子，VCSEL芯片產業的崛起
自2017年iPhone X推出人臉識別功能之后，其背后的關鍵技術——垂直腔面發射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)一炮而紅，成為了消費電子領域的新寵。
事實上，VCSEL并不是近些年研制出的新技術，早在1977年，日本科學家伊賀健一和內山誠治就提出了相關概念，并將其用于光通信領域，為科研界和通訊行業人士所熟知，至今已發展了四十余年。
VCSEL芯片是一種微型的半導體激光器，相較于EEL（Edge Emitting Laser，邊發射激光器），VCSEL具有效率高、光束質量好、精度高、功耗低、小型化、高可靠、調制速率快、可大量生產、制造成本低等優勢，易于實現大規模陣列及光電集成。但由于其制作工藝復雜，且激光發射功率較低、無法進行遠距離偵測等原因，在誕生后的很長一段時間內，VCSEL都無法向光通訊領域以外的應用場景中進行拓展。
結構示意圖。（a）：VCSEL；（b）：EEL
直到20世紀90年代，智能手機的出現讓近距感應進入了人們的生活。隨著蘋果公司推出的iPhone X系列手機引入了面部識別（3D傳感）功能，用于結構光光源的VCSEL進入了人們的視野；2020年，可尋址VCSEL陣列首次進入蘋果新款iPad Pro平板電腦和iPhone 12 Pro系列智能手機，成為消費類激光雷達（LiDAR）的光源。
與此同時，蘋果也在積極布局VCSEL行業的未來——AR領域和智能汽車領域，探索VCSEL芯片的更多可能。在消費電子的巨大市場之下，VCSEL芯片產業鏈就此崛起。2022年，研究機構 Yole Group預測稱，2027年VCSEL市場規模將達到39億美元體量，2022~2027復合年化增速可達19.2%。
全球VCSEL芯片市場集中度高
在光通信系統中，核心光芯片分為DFB芯片、EML芯片、VCSEL芯片三種類型，核心光芯片技術壁壘高，全球市場由美國、日本等廠商占據主導。在VCSEL芯片領域，供應商主要有三菱、II-VI、Lumentum、AMS、Trumpf等。
垂直腔面發射激光器（VCSEL）是一種半導體激光器，具有檢測距離精確、結構簡單、體積小、功耗低等優勢，是全球各國研發熱點。VCSEL最初應用在光通信領域，后隨著技術進步，VCSEL應用逐漸擴展至光識別、光存儲、3D傳感、消費電子、數據中心、汽車電子等領域。
受益于下游產業發展，VCSEL市場規模不斷擴大，預計2022年，全球VCSEL市場規模將達到22.4億美元，2022-2027年將以20.0%左右的年均復合增長率高速增長。VCSEL市場發展持續向好，帶動VCSEL芯片市場需求釋放。
VCSEL芯片市場集中度高，2017-2021年，Lumentum長期占據VCSEL芯片市場主要份額，2021年占比達到40.0%以上。2019年II-VI收購Finisar，受益于此，II-VI市場占比有所提升，成為僅次于Lumentum的第二大VCSEL芯片供應商，2021年其市占率約為37.2%。VCSEL芯片工藝流程長，涉及到芯片設計、外延生長、晶圓制造等環節，由于工藝復雜，II-IV、Lumentum等供應商多采用IDM（垂直整合制造）生產模式。
奮起直追，國產VCSEL的“破壁”之路
除高增速發展之外，集中度高是VCSEL芯片市場的另一個特點。根據Yole Group報告，2017~2021年，Lumentum長期占據VCSEL芯片市場主要份額，2021年占比達到40.0％以上。2019年II-VI（現為Coherent）收購Finisar，受益于此，II-VI（現為Coherent）市場占比有所提升，成為僅次于Lumentum的第二大VCSEL芯片供應商，2021年其市占率約為37.2％。
VCSEL芯片制作難度較高，從技術層面看，VCSEL綜合了半導體材料、激光物理、半導體制造工藝、高速射頻電子和光學技術等學科。不僅芯片結構復雜，而且需要在使用比硅材料脆弱及本征缺陷度高兩個數量級的砷化鎵材料的情況下，滿足高性能和高可靠性要求。
從工藝層面看，VCSEL芯片工藝流程長，制造難度高，包括外延工藝、氧化工藝、保護絕緣等工藝均需要深厚的技術積累，尤其外延生長技術為其生產的核心壁壘，該良率水平直接影響企業生產成本。
因此，在很長一段時間，國內VCSEL行業難以走向高端化。一方面，芯片光電轉換效率低、研發成本高；另一方面，大部分VCSEL公司均是初創公司且僅是芯片設計公司，能夠設計產品但無法大規模量產，國產化良率低；即便實現量產，但芯片封裝體積大或成本高，無法實現大規模應用，VCSEL芯片市場需求主要依賴進口。
值得注意的是，近年來，在國產替代的大趨勢下，VCSEL芯片國產化加速，國外光通訊巨頭壟斷VCSEL芯片市場的情況有望被打破。目前我國部分VCSEL芯片企業在技術、工藝、性能等方面已接近國際先進水平，并在車載雷達、3D傳感、消費電子等新興領域積累了豐富的量產經驗。
如長光華芯VCSEL芯片最高轉換效率60.0%以上，打破國外技術封鎖和芯片禁運，逐步實現了半導體激光芯片的國產化；縱慧芯片VCSEL已經在手機上持續多年大批量量產交付，從2021年開始進入汽車電子市場，在車載DMS，夜視補光和激光雷達應用上均已實現前裝量產交付。并在國內快速布局大量專利，獲得華為旗下哈勃資金、小米長江基金，比亞迪等投資方青睞。
此外還有度亙激光、華芯半導體、檸檬光子、瑞識科技、新亮智能等國產VCSEL廠商正在快速發展。
科研領域中，中科院長春光機所在VCSEL的研究處于世界前沿地位。近日，長春中科長光時空光電技術有限公司與中科院長春光機所聯合發布了在人眼安全垂直腔面發射激光器（VCSEL）方面的最新成果。雙方聯合研究團隊突破了高密度集成VCSEL陣列技術，在國內首次實現了1550 nm VCSEL芯片連續輸出功率＞1 W，脈沖輸出功率＞10 W。
國內首款660納米波長VCSEL芯片實現量產
今年，國內首款波長660納米垂直腔面發射激光器芯片(660VCSEL芯片）在萬州研發成功并投入批量化生產，這款芯片廣泛應用于激光指示、激光掃描、血氧傳感、煙霧探測等領域。
2月2日上午，在位于萬州經開區高峰園的威科賽樂微電子股份有限公司內，一顆顆比米粒還小的660VCSEL芯片正有序地從晶圓上分選貼裝到藍膜方片上，短短幾分鐘，一片包含數百顆芯片的藍膜方片就完成了加工進入發貨環節。
據研發人員介紹，這款芯片主要依靠特定波長的光源來實現顯示、傳感、探測等功能。相比于可見光LED，可見光VCSEL激光器芯片具有光源純度高、單色性高、方向性好、相干性好等獨特優勢。但如何解決設計和工藝、外延和芯片相匹配的難題，也成為了擺在研發人員面前的最大難題。
威科賽樂微電子股份有限公司研發負責人宋世金表示：“依托于我們自身全產業鏈的優勢，從外延、芯片以及設計制造，全部實現了技術和設備的自主可控。在一年多的研發時間里，從襯底到外延再到芯片制造，累計耗費了上百片的研發片，平均每片的成本都在一萬元以上，總體研發投入超過了千萬元，最終才實現了這款產品的成功研發和量產。”
目前，這款芯片已經具備6000萬顆的年產能力，而目前國內市場的年需求量超過了億顆，這也意味著這款萬州造“芯片”的前景十分廣闊。
競爭加劇，如何“突圍”？
隨著消費電子、汽車電子、3D傳感等產業發展，VCSEL市場規模將持續擴大。VCSEL芯片作為核心元器件之一，市場需求也將持續增長，并對VCSEL技術提出更高要求。
除了芯片性能以外，芯片的可靠性、壽命以及可量產性都是國內VCSEL發展面臨的挑戰。
業內專家表示，盡管在新興領域我國部分廠商的量產化能力已經可以比肩國際水平，打破了國外巨頭對VCSEL芯片市場的壟斷，但在傳統的數據通信等行業高端應用中，國外廠商仍然牢牢占據著主導地位，我國在這一市場下的VCSEL芯片領域仍處于空白狀態。由于技術積累的不足和市場驗證的缺乏，全面實現國產替代和“芯片出海”仍然任重而道遠。
與此同時，隨著越來越多廠商進入這個市場，國外廠商和用戶對數據通信、3D傳感、激光雷達等方面的專利布局和競爭也在不斷加劇，一定程度上增大了國內企業的進入門檻。
但憑借高性價比和完善產業鏈優勢，國內企業仍有望破局。整體上看，國內企業要想發展VCSEL，除了需要打通材料、工藝、人才、工程技術等節點以外，還要不斷加大研發投入，提高VCSEL芯片性能及轉換效率，以鞏固自身市場地位。
后記
國內產業的發展歷程 ，一般會經歷 “技術落后期”、“技術追趕期”、“全面替代超越期”三個階段。而今，尚處于第一和第二階段的VCSEL芯片產業仍是朝陽產業，擁有廣闊的發展空間，相信在全行業的共同付出與拼搏之下，國產VCSEL芯片走向世界的這一天不會太遠。
