近日,意法半导体官网宣布,自家ToF传感器出货量达到10亿颗,已经被150多款智能手机采用。近两年,ToF的发展速度也是十分惊人。对ToF镜头技术感兴趣的读者请参考《即将大爆发的“ToF镜头”新兴概念及A股相关投资机会分析》一文。
ToF镜头如果在2020年大爆发,那么ToF技术中发射端最核心的VCSEL(垂直腔面发射激光器)也势必会跟着火得一塌糊涂。从ToF技术深挖到VCSEL,那这个VCSEL到底是个神马东西?除了ToF摄像头,VCSEL还有什么其他方面的应用?A股中又有哪些上市公司与VCSEL有关系,这其中蕴藏着哪些投资机会?
一、VCSEL简介
VCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser),全称垂直腔面发射激光器,又可译为垂直共振腔面射型激光。1996年,VCSEL首次被应用了到光通信中,尤其在短距离光通信领域,850 nm VCSEL成为了理想的光源之一。而后,3D人脸识别出现,为940 nm VCSEL的发展提供了契机。至此,由以光通信为主的850 nm慢慢转向以应用于消费级设备为主的940 nm。
它是一种半导体激光器,有别于传统的边发射激光器沿平行于衬底表面、垂直于解理面的方向出射激光,而面发射激光器其出光方向垂直于衬底表面。
由于VCSEL的激光是从垂直的衬底发出来的,LED也是从垂直的衬底发出来的,所以VCSEL激光器和LED的芯片结构、制程和封装工艺就比较接近。
它的基本结构是由上下两个DBR(Distributed Bragg Reflector)反射镜和有源区这三部分组成。上下两个DBR反射镜与有源区构成谐振腔。有源区由几个量子阱组成,作为VCSEL的核心部分,决定着器件的阈值增益、激射波长等重要参数。
VCSEL常用的原材料有砷化镓、磷化铟或氮化镓等发光化合物半导体。
VCSEL垂直发光,这使得构建垂直于芯片的VCSEL阵列变得很容易,而且它们在相当宽的温度范围内都非常稳定。它集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身,与传统发射激光器相比优点具有较小的原场发散角,发射光束窄且圆,易与光纤进行耦合,同时VCSEL还具有阈值电流低、调制频率高、不必解理即可完成工艺制作和检测和成本低、易于实现大规模阵列及光电集成等优点。
二、应用领域
VCSEL从诞生起,是作为新一代光存储和光通信应用的核心器件,应用在光并行处理、光识别、光互联系统、光存储等领域。
随着工艺、材料技术改进和VCSEL技术的成熟,VCSEL元器件在功耗、制造成本、集成、散热等领域的优势开始显现,以其作为核心元件的光学感测技术进入了行业级应用,同时已在激光打印机、光学鼠标、汽车激光雷达(LiDAR)、辅助驾驶、气体传感器、活体检测、虹膜识别、AR/VR、机器人视觉、医疗美容等领域得以初探,并逐渐应用于工业加热、环境监测、医疗设备等商业级应用以及3D感知、ToF镜头等消费级应用。
VCSEL因其高速数据传输速率和低功耗的优点而备受青睐。它已经被纳入以太网络标准规范(IEEE 802.3 bs),是未来短距传输的主要光源,其低功耗、高效率及高速的特性,将能显著带动网络产业的效率及功能。VCSEL虽然非常的小,但它影响了数据交换中心的光纤速度。
VCSEL的应用领域主要集中在以下几个方面:
(1)消费电子3D成像:VCSEL是消费电子视觉成像、三维感应的基础元器件,预计2020年,仅智能手机为VCSEL市场贡献超过20亿美元的收入。
(2)物联网:VCSEL是物联网的重要传感器件,预计2025年,全球将有数十亿设备接入物联网,全球物联网市场有望超过30万亿美元。
(3)数据中心/云计算:VCSEL用于数据中心超级计算机内的连接。 预计2020年,全球VCSEL数据通讯的市场规模将达到100亿美元。
(4)自动驾驶:VCSEL应用于自动驾驶中的车身通讯、激光雷达、传感器等。预计到2030年,激光雷达的使用数量将超过3亿枚。
三、技术难点与壁垒
VCSEL可以做到几百瓦,但芯片转化效率很低,这就意味着散热方面必定会有问题,且芯片目前主要是垂直结构,那就和大功率LED一样,面临热电分离的难题,而陶瓷基板就是为解决热电分离诞生的。其次VCSEL的功率密度是非常高的,每平方厘米可以做到千瓦以上,所以只能采用真空封装,即基板要做三维腔室,把透镜架设到芯片上方。VCSEL这么高的高功率密度,芯片和基板热膨胀失配引起的应力问题会非常严重。
不同应用对VCSEL产品的性能和规格要求各异,主要体现在尺寸、输出功率和激光腔(laser cavity)等方面。对于数据通信和接近传感应用,VCSEL芯片或阵列的表面积可小于0.1m㎡;对于激光雷达应用,其表面积可超过70m㎡。VCSEL表面积随着所需输出功率的增加而增大,激光腔和制造工艺的复杂性也在提升。
当前,VCSEL从数据通信时代向3D传感时代的转变,可能会对相关制造产业产生强烈的影响。数据通信行业的VCSEL常采用3英寸或4英寸晶圆制造工艺,但是消费电子行业则需要6英寸晶圆制造工艺,才能实现降低成本的目的,以及更大的VCSEL阵列。这种演变对制造良率有直接影响,目前6英寸制造工艺的良率仍然偏低。这主要与外延片制造有关,与3英寸或4英寸晶圆外延相比,6英寸晶圆外延均匀性是目前的主要挑战。通常,外延层厚度的1%差异将导致10nm的波长偏差,并且外延良率会影响整体VCSEL制造良率。现在,外延是VCSEL产业亟需解决的关键工艺,金属有机化学气相沉积(MOCVD)和相关计量设备是投资核心!
尽管VCSEL的商业机会被各界一致看好,但国内能量产VCSEL的公司非常鲜有。该技术瓶颈较高,对芯片设计能力需求很高,同时受限于高昂成本、专利壁垒等因素,导致国内VCSEL发展速度远不及预期。部分国内芯片设计厂家虽有涉足,但良品率和可靠性不足,因而难以摆脱对国外成熟供应商的依赖。另外,在更多实际的应用中,客户需要的是简单易用、光电热整体优化好的光源方案(封装好的光芯片,并装配好光学透镜),而不是单独的VCSEL光芯片。
四、VCSEL相关A股上市公司
在VCSEL的丛林中,尽管很多核心技术可能还存在一些壁垒,但也少不了中国公司的身影。涉足VCSEL领域的公司很多,华为Mate30Pro的VCSEL供应商纵慧芯光就是一家优秀的创新型科技公司。
4.1 常州纵慧芯光半导体科技有限公司
纵慧芯光Vertilite是一家创新型的光电半导体高科技公司,公司致力于为全球客户提供高功率以及高频率VCSEL解决方案。
纵慧芯光公司产品很好,但很遗憾,公司的融资进程刚刚到B+轮,还没在A股上市。但公司背后的股东却不乏上市公司的身影。
欧菲光集团股份有限公司(欧菲光002456)出现在纵慧芯光的一级股东席位上,持股3.42%(查询日期2019年12月26日),此外,一村资本、武岳峰资本等知名投资基金也赫然在列。这个一村资本背后是华西股份000936.
4.2 其他上市公司
除了纵慧芯光以外,还有不少其他A股上市公司与VCSEL有关系,在上市公司公开公布的资料中进行搜索,截止2019年12月29日,查询到提及和VCSEL激光器相关公司就有20多家。对这些公司的列表我们进行了一些整理如下:
但是,这22家公司中,也有很多和VCSEL的关联度并不高,限于篇幅关系,本文无法全部一一进行分析。对于VCSEL相关的公司,网上有块自留地进行了单独的梳理。
有关VCSEL技术能否大爆发的观点,欢迎在留言区留言讨论。
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