垂直腔麵發射激光器（VCSEL）是一項久經驗證但直到最近才被挖掘的利基技術，由於智能手機及其它移動設備中引入的3D人臉識別應用，而突然變得非常熱門。

VCSEL之前主要作為一種低成本運動跟蹤和數據傳輸的光源技術用於計算機鼠標、激光打印機和光纖通信。但是，隨著蘋果公司（Apple）決定在其旗艦手機iphoness X中使用VCSEL進行3D人臉識別，使VCSEL技術有了新的發展方向。蘋果的這一技術抉擇，以及緊隨其後的智能手機和消費電子產品製造商的大量湧入，使整個VCSEL市場新的製造、測試和驗證規模不斷擴大。

“對於VCSEL市場，很多年來一直不溫不火，”Veeco首席技術官Ajit Paranjpe說，“但是隨著新應用的興起，VCSEL技術得到了顯著重視和改善。我們終於克服了學習曲線，實現大規模生產製造，當我們進入第二個大規模應用——采用VCSEL陣列的激光雷達（LiDAR）時，這將是自動駕駛所必需的關鍵技術。此外，VCSEL已經在服務器集群中用於機架到機架的通信。在板對板通信（例如光學背板）應用之後，理想的是芯片到芯片的通信，最終將采用全光互連。真正的問題是我們什麽時候需要它。”

VCSEL隻是少數幾種矽光子方案中的一類，開始吸引了市場的極大關注。整個半導體行業都在努力將這些技術中的一種或多種引入主流，尤其是在通過引線傳輸電子的先進節點變得愈發困難的情況下。

“在智能手機中有多個隱藏和非隱藏的攝像頭，”Synopsys光子解決方案研發總監Twan Korthorst說，“這些攝像頭可以識別用戶是否正在看手機並進行光學測量，這正是VCSEL的用武之地。這些模塊中有探測器、光源和圖像傳感器，VCSEL是其中的一個小型分立元件。”

什麽是VCSEL？

客觀來說，VCSEL隻是可以用於這些設備的基於芯片的眾多光源之一。VCSEL如此吸引人的原因是其激光垂直於器件發射，這有很多好處，包括從大規模生產製造到測試等方麵。

“VCSEL可以使用晶圓探針和晶圓級測試，”Paranjpe說，“而對於邊發射激光器（EEL），必須對晶圓進行切割，然後構建器件的其餘部分並對其進行測試，這會使測試變得更加困難。”

不過，這並未減緩對VCSEL其它方麵的研究，其中大部分研究集中於不同材料的堆疊，以及將部分或全部材料整合到一個封裝中。什麽被放入封裝，或留在封裝外，仍在不斷研究中。

“目前大型代工廠正在開展一些有趣的工作，以打造連接不同芯片的光子元件，”西門子（Siemens）旗下子公司Mentor的Calibre DRC應用營銷總監John Ferguson說，“主要問題是光波導必須有一定的尺寸，大約幾個微米，必須留有一定的空間，這占用了不少空間。光子學不會從更先進的節點中受益，實際上到目前為止，65 nm是最先進的工藝節點。”

VCSEL的下一輪機遇是具有更高功率要求的LiDAR等汽車應用。這類應用需要使用更大的VCSEL陣列。

“這將需要采購更多的金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）係統，以保證製造產能加速跟上LiDAR係統的需求，”Veeco產品營銷總監Mark McKee說，“現在的問題是如何實現最高的性能和最高的產率以滿足市場需求。這需要基於業界領先的MOCVD技術。關鍵要求是晶圓表麵金屬－有機物和氫化物的均勻性和層流，均勻、可控的溫度，以及各層之間清晰的界麵。為了實現最高的產率，製造平台需要維護周期之間更長的可生產時間，預防性維護後的快速恢複，以及更快的外延生長速率。”



典型VCSEL剖麵圖

VCSEL采用頻率為幾十個千兆赫茲的激光脈衝進行測距和飛行時間計算，通過每幀圖像之間的變化來識別運動。美國國家儀器公司（National Instruments）首席營銷經理David Hall指出，目前還不清楚這種方案是否可以用於改進LiDAR使用更長波長激光和連續掃描的趨勢。

Hall說：“3D人臉識別係統和LiDAR係統之間的要求似乎沒有太多重疊，3D人臉識別係統足夠經濟，可以集成到智能手機中；而LiDAR係統應該需要比VCSEL能夠達到的更遠距離的連續掃描。這兩種係統是否可以從彼此的方案中受益，還有待觀察。”

LiDAR是有前景的潛力市場，但汽車內部的3D運動檢測和3D人臉識別等短期機遇更具吸引力。蘋果公司VCSEL芯片供應商菲尼薩（Finisar）新市場副總裁Craig Thompson表示，“利用該技術可以識別駕駛員是否在打瞌睡，或使乘客可以用手勢控製信息娛樂係統或其它係統。”

2004年，Finisar收購了“霍尼韋爾（Honeywell）首次將VCSEL商業化的業務部”，並將市場從計算機鼠標和PC外圍設備擴展到數據網絡領域，此後一直致力於開發用於運營商級數據網絡設備的光纖－銅纜接口的VCSEL。

但並非所有人都讚同在LiDAR中采用當前形式的VCSEL。

“VCSEL激光往往接近可見光波段，因此，可能會(hui) 在提高功率時具有一定的危險性，”Cadence傑出工程師Gilles Lamant說，“LiDAR需要非常高的功率，來獲得所需要的各種探測範圍，這可能會(hui) 對人眼造成風險。盡管接近可見光波段，但它們(men) 的低功率應用是安全的，這就是為(wei) 什麽(me) 我們(men) 可以將它們(men) 用於(yu) 3D人臉識別，以及相機測距等應用。”

基於(yu) 結構光原理的3D攝像頭

Lamant表示，VCSEL的真正優(you) 勢在於(yu) 其便利性、靈活性和功率，以及與(yu) 其它激光源相比的熱效率。

“VCSEL垂直發光，這使得構建垂直於(yu) 芯片的VCSEL陣列變得很容易，而且它們(men) 在相當寬的溫度範圍內(nei) 都非常穩定，”Lamant說，“VCSEL還被證明可以在一個(ge) 係統內(nei) 編碼數據信號和發送數據。這將遇到頻率的限製問題，盡管如此，我們(men) 仍在尋找一種集成光學與(yu) 矽基解決(jue) 方案的方法。”

Thompson說：“VCSEL每瓦輸出的光也遠超其它激光光源。此外，VCSEL芯片引線也更容易，因為(wei) 激光從(cong) 頂部發出，可以在芯片下方進行電氣和熱管理。”

VCSEL的輸出功率也可以通過尺寸線性擴展。VCSEL每個(ge) 激光出光孔是獨立且基本相同的。芯片上的孔徑越多，輸出的能量就越大，將它們(men) 全部連接到單個(ge) 電源就可以使它們(men) 一起發射。將芯片布線不同的區域，可以使它們(men) 在不同的時間以不同的圖案發射，其功率輸出由出光孔的數量確定。



采用氮化鋁（AIN）腔體(ti) 封裝的Finisar大功率VCSEL

“數據網絡設備應用的VCSEL在幾百微米見方的一顆芯片上有一個(ge) 出光孔和一個(ge) 發射點，”Thompson說，“而在高功率3D傳(chuan) 感VCSEL中，將有數百個(ge) 出光孔，芯片將達到毫米見方。它是一種非常獨特、容易擴展的激光結構，就像是一種樂(le) 高（LEGO）積木技術。”

Ferguson說：“熱幹擾或其它類型的噪聲可能會(hui) 影響數據中心的VCSEL使用，但能夠識別這種幹擾的測試並不常見。”

“這不像測試台上用探針測試的IC，”Ferguson說，“你需要在這些器件的外部進行光信號處理，這並非易事。一些大型係統公司正在努力推動代工廠這樣做，以了解他們(men) 還可以利用這項技術做些什麽(me) ，因為(wei) 除了數據網絡以外，我們(men) 正看到越來越多的應用。汽車領域的光子學應用包括LiDAR和自動駕駛汽車，看起來VCSEL技術正獲得越來越多的關(guan) 注。許多公司正在探索這項技術，現在已經有幾家公司我們(men) 預計會(hui) 在明年推出相關(guan) 的產(chan) 品。”

Thompson說：“明年應該會(hui) 推出很多應用VCSEL的產(chan) 品。已經在生產(chan) 、測試和驗證的VCSEL的數量將遠超以往。”

1996年霍尼韋爾商業(ye) 化VCSEL之後，該技術在計算機鼠標及其它外圍設備領域成功了十年，自2004年以來，VCSEL一直作為(wei) 運營商級數據網絡設備的光纖－銅纜接口光源而廣受歡迎。所有這些都是堅實的利基業(ye) 務，但是一直非常“低調”，以至於(yu) 芯片產(chan) 業(ye) 大多數人都沒有關(guan) 注到VCSEL技術。但在iphoness X發布後，一切都改變了。

Thompson表示：“當時，設計一款能夠在用戶臉上投射30000個(ge) 紅外光點，然後快速、準確地構建麵部3D形貌，以為(wei) iphoness X實現Face ID身份驗證功能的大尺寸、高功率VCSEL，仍然存在一些挑戰。但最大的挑戰是如何滿足iphoness X的批量生產(chan) 需求。蘋果公司當時宣布，它必須在2017年第四季度采購相比2016年全球同期製造量10倍的VCSEL晶圓。”

這就是為(wei) 什麽(me) 蘋果公司在2017年向Finisar提前支付了3.9億(yi) 美元。其目標是將位於(yu) 德州謝爾曼的閑置700000平方英尺的工廠變成“美國VCSEL之都”。Thompson說：“當它在今年晚些時候滿產(chan) 能運營時，這座原本屬於(yu) MEMC和SunEdison的700000平方英尺製造工廠自身的VCSEL晶圓產(chan) 能，將比過去整個(ge) VCSEL產(chan) 業(ye) 的產(chan) 能高幾個(ge) 數量級。”

VCSEL前景樂(le) 觀，眾(zhong) 廠商紛紛擴大產(chan) 能


2017年和2023年VCSEL市場預測

圖片來源：《VCSEL技術、產(chan) 業(ye) 和市場趨勢》

據麥姆斯谘詢報道，良好的iphoness X銷量引發其它安卓（androids）智能手機品牌廠商對3D傳(chuan) 感功能的強烈興(xing) 趣。在iphoness X發布不到一年的時間裏，安卓競爭(zheng) 對手們(men) 也開始采用類似的策略，集成各種3D傳(chuan) 感技術和人臉識別功能，可見VCSEL“殺手級”應用獲得了市場認可！

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(liang) 款集成3D傳(chuan) 感技術的智能手機。其它androids智能手機廠商，如華為(wei) 、vivo和三星，也陸續把VCSEL用於(yu) 旗艦手機。預計VCSEL出貨量將從(cong) 2017年的6.52億(yi) 顆增長至2023年的33億(yi) 多顆，2017～2023年的複合年增長率高達31％。

相比Finisar的3億(yi) 顆VCSEL出貨量，Philips Photonics的出貨量已經超過10億(yi) 顆。2018年，Philips Photonics投資了2300萬(wan) 歐元，使其位於(yu) 德國烏(wu) 爾姆的VCSEL工廠產(chan) 能翻了一番。而總部位於(yu) 奧地利的艾邁斯半導體(ti) （ams），則宣布將斥資2億(yi) 美元在新加坡擴建VCSEL製造廠。

“值得注意的是，現在智能手機市場已經將VCSEL引入了主流，像蘋果這樣的巨頭已經承擔了VCSEL在智能手機應用中的開發以及成熟所需要的成本，”Thompson說，“使我們(men) 這些產(chan) 業(ye) 廠商有足夠的信心投入大量資金，擴大規模使VCSEL可以大批量生產(chan) 。”

“在Face ID之前，標準的VCSEL製造幾乎完全基於(yu) MOCVD，MOCVD通常用於(yu) III－V族材料以製造多晶薄膜，而自動化晶圓測試和光束成像檢測等製造效率測量還處於(yu) ‘初期且不成熟階段’。”Thompson說道。

“我們(men) 已經從(cong) 3英寸轉向5英寸砷化镓晶圓。我們(men) 在整個(ge) 晶圓廠工藝中開發了一種更成熟的自動化晶圓級測試方法，這在幾年前還非常不成熟，”Thompson說，“我們(men) 必須為(wei) 這些應用開發外延片，擴展供應鏈，借鑒射頻（RF）產(chan) 業(ye) 的經驗以開發新的計量方法和新的測試方案，開發自動化晶圓測試和探針。我們(men) 需要開發近場和遠場光學測試，以便在近距離和一定距離處對芯片及其輸出進行成像。我們(men) 還需要開發測試方法，以準確地測量大尺寸激光芯片上出光孔的數量和性能，以及紅外光如何被成形和聚焦。”

Finisar德州謝爾曼工廠於(yu) 2018年7月開始運營，直到今年晚些時候才能達到滿產(chan) 能，但已經提供了VCSEL製造商幾年前無法想象的產(chan) 能。