垂直腔面發(fā)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，由于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(shù)據傳輸?shù)墓庠醇夹g用于計算機鼠標、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iPhone X中使用VCSEL進行3D人臉識別，使VCSEL技術有了新的發(fā)展方向。蘋果的這一技術抉擇，以及緊隨其后的智能手機和消費電子產品制造商的大量涌入，使整個VCSEL市場新的制造、測試和驗證規(guī)模不斷擴大。

“對于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。我們終于克服了學習曲線，實現(xiàn)大規(guī)模生產制造，當我們進入第二個大規(guī)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于機架到機架的通信。在板對板通信（例如光學背板）應用之后，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么時候需要它。”

VCSEL只是少數(shù)幾種硅光子方案中的一類，開始吸引了市場的極大關注。整個半導體行業(yè)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(jié)點變得愈發(fā)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(fā)總監(jiān)Twan Korthorst說，“這些攝像頭可以識別用戶是否正在看手機并進行光學測量，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?！?br />
什么是VCSEL？

客觀來說，VCSEL只是可以用于這些設備的基于芯片的眾多光源之一。VCSEL如此吸引人的原因是其激光垂直于器件發(fā)射，這有很多好處，包括從大規(guī)模生產制造到測試等方面。

“VCSEL可以使用晶圓探針和晶圓級測試，”Paranjpe說，“而對于邊發(fā)射激光器（EEL），必須對晶圓進行切割，然后構建器件的其余部分并對其進行測試，這會使測試變得更加困難?！?br />
不過，這并未減緩對VCSEL其它方面的研究，其中大部分研究集中于不同材料的堆疊，以及將部分或全部材料整合到一個封裝中。什么被放入封裝，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(jiān)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(jié)點中受益，實際上到目前為止，65 nm是最先進的工藝節(jié)點?！?br />
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）系統(tǒng)，以保證制造產能加速跟上LiDAR系統(tǒng)的需求，”Veeco產品營銷總監(jiān)Mark McKee說，“現(xiàn)在的問題是如何實現(xiàn)最高的性能和最高的產率以滿足市場需求。這需要基于業(yè)界領先的MOCVD技術。關鍵要求是晶圓表面金屬－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面。為了實現(xiàn)最高的產率，制造平臺需要維護周期之間更長的可生產時間，預防性維護后的快速恢復，以及更快的外延生長速率?！?br />


典型VCSEL剖面圖

VCSEL采用頻率為幾十個千兆赫茲的激光脈沖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于改進LiDAR使用更長波長激光和連續(xù)掃描的趨勢。

Hall說：“3D人臉識別系統(tǒng)和LiDAR系統(tǒng)之間的要求似乎沒有太多重疊，3D人臉識別系統(tǒng)足夠經濟，可以集成到智能手機中；而LiDAR系統(tǒng)應該需要比VCSEL能夠達到的更遠距離的連續(xù)掃描。這兩種系統(tǒng)是否可以從彼此的方案中受益，還有待觀察?！?br />
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制信息娛樂系統(tǒng)或其它系統(tǒng)?！?br />
2004年，F(xiàn)inisar收購了“霍尼韋爾（Honeywell）首次將VCSEL商業(yè)化的業(yè)務部”，并將市場從計算機鼠標和PC外圍設備擴展到數(shù)據網絡領域，此后一直致力于開發(fā)用于運營商級數(shù)據網絡設備的光纖－銅纜接口的VCSEL。

但并非所有人都贊同在LiDAR中采用當前形式的VCSEL。

“VCSEL激光往往接近可見光波段，因此，可能會在提高功率時具有一定的危險性，”Cadence杰出工程師Gilles Lamant說，“LiDAR需要非常高的功率，來獲得所需要的各種探測范圍，這可能會對人眼造成風險。盡管接近可見光波段，但它們的低功率應用是安全的，這就是為什么我們可以將它們用于3D人臉識別，以及相機測距等應用?！?

基于結構光原理的3D攝像頭

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

“VCSEL垂直發(fā)光，這使得構建垂直于芯片的VCSEL陣列變得很容易，而且它們在相當寬的溫度范圍內都非常穩(wěn)定，”Lamant說，“VCSEL還被證明可以在一個系統(tǒng)內編碼數(shù)據信號和發(fā)送數(shù)據。這將遇到頻率的限制問題，盡管如此，我們仍在尋找一種集成光學與硅基解決方案的方法?！?br />
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，因為激光從頂部發(fā)出，可以在芯片下方進行電氣和熱管理?！?br />
VCSEL的輸出功率也可以通過尺寸線性擴展。VCSEL每個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，將它們全部連接到單個電源就可以使它們一起發(fā)射。將芯片布線不同的區(qū)域，可以使它們在不同的時間以不同的圖案發(fā)射，其功率輸出由出光孔的數(shù)量確定。



采用氮化鋁（AIN）腔體封裝的Finisar大功率VCSEL

“數(shù)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出光孔和一個發(fā)射點，”Thompson說，“而在高功率3D傳感VCSEL中，將有數(shù)百個出光孔，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，就像是一種樂高（LEGO）積木技術?！?br />
Ferguson說：“熱干擾或其它類型的噪聲可能會影響數(shù)據中心的VCSEL使用，但能夠識別這種干擾的測試并不常見?！?br />
“這不像測試臺上用探針測試的IC，”Ferguson說，“你需要在這些器件的外部進行光信號處理，這并非易事。一些大型系統(tǒng)公司正在努力推動代工廠這樣做，以了解他們還可以利用這項技術做些什么，因為除了數(shù)據網絡以外，我們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注。許多公司正在探索這項技術，現(xiàn)在已經有幾家公司我們預計會在明年推出相關的產品?！?br />
Thompson說：“明年應該會推出很多應用VCSEL的產品。已經在生產、測試和驗證的VCSEL的數(shù)量將遠超以往?！?br />
1996年霍尼韋爾商業(yè)化VCSEL之后，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一直作為運營商級數(shù)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(yè)務，但是一直非常“低調”，以至于芯片產業(yè)大多數(shù)人都沒有關注到VCSEL技術。但在iPhone X發(fā)布后，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個紅外光點，然后快速、準確地構建面部3D形貌，以為iPhone X實現(xiàn)Face ID身份驗證功能的大尺寸、高功率VCSEL，仍然存在一些挑戰(zhàn)。但最大的挑戰(zhàn)是如何滿足iPhone X的批量生產需求。蘋果公司當時宣布，它必須在2017年第四季度采購相比2016年全球同期制造量10倍的VCSEL晶圓。”

這就是為什么蘋果公司在2017年向Finisar提前支付了3.9億美元。其目標是將位于德州謝爾曼的閑置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能運營時，這座原本屬于MEMC和SunEdison的700000平方英尺制造工廠自身的VCSEL晶圓產能，將比過去整個VCSEL產業(yè)的產能高幾個數(shù)量級?！?br />
VCSEL前景樂觀，眾廠商紛紛擴大產能


2017年和2023年VCSEL市場預測

圖片來源：《VCSEL技術、產業(yè)和市場趨勢》

據麥姆斯咨詢報道，良好的iPhone X銷量引發(fā)其它安卓（Android）智能手機品牌廠商對3D傳感功能的強烈興趣。在iPhone X發(fā)布不到一年的時間里，安卓競爭對手們也開始采用類似的策略，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兩款集成3D傳感技術的智能手機。其它Android智能手機廠商，如華為、vivo和三星，也陸續(xù)把VCSEL用于旗艦手機。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年的復合年增長率高達31％。

相比Finisar的3億顆VCSEL出貨量，Philips Photonics的出貨量已經超過10億顆。2018年，Philips Photonics投資了2300萬歐元，使其位于德國烏爾姆的VCSEL工廠產能翻了一番。而總部位于奧地利的艾邁斯半導體（ams），則宣布將斥資2億美元在新加坡擴建VCSEL制造廠。

“值得注意的是，現(xiàn)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(fā)以及成熟所需要的成本，”Thompson說，“使我們這些產業(yè)廠商有足夠的信心投入大量資金，擴大規(guī)模使VCSEL可以大批量生產?！?br />
“在Face ID之前，標準的VCSEL制造幾乎完全基于MOCVD，MOCVD通常用于III－V族材料以制造多晶薄膜，而自動化晶圓測試和光束成像檢測等制造效率測量還處于‘初期且不成熟階段’?！盩hompson說道。

“我們已經從3英寸轉向5英寸砷化鎵晶圓。我們在整個晶圓廠工藝中開發(fā)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，“我們必須為這些應用開發(fā)外延片，擴展供應鏈，借鑒射頻（RF）產業(yè)的經驗以開發(fā)新的計量方法和新的測試方案，開發(fā)自動化晶圓測試和探針。我們需要開發(fā)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。我們還需要開發(fā)測試方法，以準確地測量大尺寸激光芯片上出光孔的數(shù)量和性能，以及紅外光如何被成形和聚焦?！?br />
Finisar德州謝爾曼工廠于2018年7月開始運營，直到今年晚些時候才能達到滿產能，但已經提供了VCSEL制造商幾年前無法想象的產能。