垂直腔面发射激光器（VCSEL）简介及行业发展趋势

童吉楚

VCSEL简介及应用

垂直腔面发射激光器 （Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL）是一种激光发射方向垂直于P-N结平面而谐振腔面平行于P-N结平面的半导体激光器。1977年，日本东京工业大学的伊贺健一教授提出VCSEL的概念，随后相关的研究如火如荼地展开。1979年，首个VCSEL采用LPE制备，波长1300nm左右，但只能在低温（77K）激射；1983年，伊贺健一教授团队采用AlGaAs材料成功制备出850nm波段的VCSEL，但器件在脉冲下才能工作；1985年，伊贺健一教授团队提出VCSEL阵列方案，并在此后实现了GaAs材料VCSEL的低阈值电流和室温下连续激射；加利福尼亚大学的R.S.Geels等在1991年实现了980nm波长的连续激射；1995年，Kuznetsov等实现了单模输出；1996年，厦门大学刘宝林教授将有源区结构引入VCSEL，在室温下实现了960nm的连续激射。随后，大家转向了高功率VCSEL的研究，普林斯顿是其中的先锋，2009年报道了波长808nm的大面阵，输出功率达58W。

随着光电子和信息技术的发展，尤其是设备升级和工艺改进后，VCSEL无论在性能还是应用上都取得了长足的发展。由于VCSEL具有阈值电流低、工作波长稳定、光束质量好、易于一维和二维集成等优点，在光通信、激光显示、光存储、消费电子等领域得到了广泛应用。目前，850nm的VCSEL是短程局域网光纤通信系统的关键器件，用于短距离的数据通信；940nm的VCSEL在传感领域发挥着中流砥柱的作用，在消费电子中逐步渗透；1310nm的VCSEL在高速长距离光纤通信、光识别系统及并行光互连系统中占据重要地位。此外，808nm的VCSEL在医美行业的应用也开始受到重视。

VCSEL的工作原理及制备技术

VCSEL主要有4种结构院氧化限制型、离子注入型、蚀刻台面型和掩埋异质结型。由于氧化限制型的电流限制效率最高，目前对其研究最多。其基本原理是院外延生长一层AlAs的材料，在380耀480益的温度下，通过湿法氧化工艺，将其氧化成低折射率的绝缘AlxOy氧化物，主要反应为院

AlxOy氧化物的高阻值对电流具有限制作用，低折射率对激光场具有导引作用，所以氧化限制层既起到了限制载流子又达到了调节腔长的目的。

VCSEL的工作原理如图2所示。

VCSEL的制造，从生产流程上看，分为设计、外延磊晶、芯片制造等环节。外延磊晶是将衬底放入外延炉中，控制生长条件，得到不同组分和厚度的外延层，需要重点控制上下分布式布拉格反射镜（Distributed Bragg Reflection，简称DBR）和氧化层。虽然外延可以采用分子束外延（酝olecular Beam Epitaxy，MBE）、液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）等方法，但目前最常用的是金属有机化合物化学气相沉淀（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)生长技术，它可以大幅降低成本，适用于大规模的生产制造。芯片端的制造，包括光刻、氧化、蒸镀等环节，其中较为重要的是形成理想的电流注入限制。生产制造环节，会影响器件的性能和可靠性。

国内VCSEL产业发展痛点及供应链模式

VCSEL的产业链，主要包括院上游的设备和材料供应商，包括MOCVD、光刻机、电感耦合等离子反应刻蚀机（Inductive Coupled Plasma，ICP）、晶体（衬底材料）、特种气体、外延片和芯片（单管/阵列激光器）、准直镜、滤光片、偏光镜等；中游的封装和模组供应商；下游的应用终端等。以上游的外延芯片为例，当前国内VCSEL产业发展有三大痛点院技术壁垒、生产制造壁垒和资金投入壁垒。

1.技术壁垒

一是我国过去依赖于进口，大部分有经验的人才在海外，而海外对中国尤其是大陆进行严密的技术封锁，中美贸易战后更为显著；二是国内的相关技术积淀主要集中在科研院所和高校，主要由中国科学院半导体研究所、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、北京工业大学、厦门大学和复旦大学等进行相关的研究。

2.生产制造壁垒

从芯片设计到外延长晶，再到芯片制造，工序较多，制程复杂，由于之前国内产业不完善，导致具有产业化经验的人才较少，野懂原子弹原理”和野制造原子弹”，还有一条鸿沟，而生产制造需要大量产业化的工程师和技术工人解决制程问题、良率问题以及成本控制。

3.资金壁垒

外延仅一台MOCVD的价格就动辄上千万，芯片仅一台光刻机也需要好几百万，如果建设一条完整的芯片线则需要（4耀5）千万甚至更多，加上土地、厂房、无尘车间、研发费用等，前期可能需要近2亿元的投入。验证周期长，是半导体行业的共同属性，从研发到量产，企业需要充足的资金保驾护航。

由于以上原因，当前VCSEL的供应链主要有三种模式院无晶圆设计（Fabless）、代工生产（Original Equipment Manufacture，OEM）、 一体化制造（Integrated Device Manufacture，IDM）。Fabless不建产线，只做芯片设计，轻资产投入，对技术要求较高。OEM是重资产投入建设产线，精力聚焦于生产和制造，只做代工，部分OEM企业，只代工产业链的一部分，例如只做外延代工的高平磊晶科技股份有限公司（IQE）和全新光电科技股份有限公司等，只做芯片代工的稳懋半导体股份有限公司等。IDM既自主设计又自主制造，优点是迭代速度快，协同程度高，可充分发掘潜力，缺点是资金投入较大。

VCSEL行业未来发展趋势

1.短期三者都有机会，长期来看IDM将会最终胜出

当前大陆的厂商，大部分都选择了Fabless模式，而台湾地区则以OEM居多。短期来看，由于较高的芯片价格，产业链各个环节都有毛利，在国产替代的大势下，Fabless、OEM都将迎来发展机遇。但长期来看，当技术差距缩小后，产品的同质化竞争将会加剧，在成本竞争和制程稳定性竞争时，IDM企业的优势将会凸显出来。

虽然目前大部分代工的企业集中在台湾地区，但大陆具有独立产线的IDM厂商，在客户配合度、沟通便捷性、供货及时性等方面都占据优势，尤其是客制化的产品更为明显，因此中下游客户在考虑供应链的安全和供应速度时，可能更加青睐大陆厂商。

2.整体市场会持续增长

（1）国产替代的动能

中美贸易战后，为应对美国的野卡脖子”，大家开始重视国产替代，国产供应链迎来发展春天。以华为为例，近几年华为投资了30多家半导体相关公司，涵盖材料、设备、软件、设计、制造等领域。在一级股权投资市场上，野硬科技”成为机构密集调研的焦点，大量的资金和人才涌向半导体尤其是芯片制造行业；在资本市场上，国家大力扶持科技含量高的企业上市，2021年，激光芯片相关的公司如苏州长光华芯光电技术股份有限公司、西安矩光科技股份有限公司等纷纷登陆科创板。

另一方面，对企业自身而言，实现国产替代，也是产业转型升级、提升竞争力的内在需求。GaAs材料的应用从红黄光LED到激光VCSEL，既是材料研究的深耕细作，又是产品的升级拓展。

全球核心光电子芯片和器件规模表

当前VCSEL最大的应用市场在光通信，而芯片的国产化率较低，在国产替代的大背景下，迭加5G建设新增的需求，预计VCSEL国产渗透率会持续增加。

（2）新应用的诞生

相比传统摄像头，2017年苹果手机采用的3D摄像头在硬件上最大的不同是前端引入了VCSEL模组。3D摄像头，不仅可以获取平面图像，还可以获得拍摄对象的深度信息，即三维的尺寸信息和位置信息。大家关注的不仅仅是人脸识别功能，而是这种技术方式可能打开的消费电子多样化的应用场景。搭载VCSEL的智能设备，不仅可以判断平面上X轴和Y轴的变化，例如野挥手”的动作，还可以判断Z轴的变化，例如野点击”动作。实时三维信息的采集使消费电子终端具有了野物体感知功能”，让交互方式从平面变成了立体。3D感测让VR、AR和MR的硬件有了质的飞跃，在野元宇宙时代”的重要性大大提升。例如手势识别和姿态识别实现隔空操纵，可用于体感电视和体感游戏机。

VCSEL从光通信领域的数据通信，延伸到接近光传感的距离传感器（P-Sensor），下一阶段可能会延伸到无人驾驶汽车的激光雷达。激光雷达具有3个突出优势院还原三维特征强、探测精度高和距离远、抗干扰能力强，正在由机械式向固态演进。机械式由于寿命和成本等原因，难以大规模落地，短期内乘用车激光雷达方案仍将以半固态[转镜、微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)]为主，中长期来看，由于智能汽车更强调野感知”功能，固态激光雷达在新能源车市场加速渗透的过程中潜力巨大。2021年，蔚来ET7、小鹏P5等量产车型都纷纷开始搭载激光雷达，长城则预计将在2022年的摩卡车型中搭载固态激光雷达。

3.产业窗口已经打开，但产业机会开始向头部企业倾斜

在国产造芯的大趋势下，2019—2021年期间大量的资本涌入了初创型公司，大家手揣机构热钱，拼命地野抢人才”野抢设备”野抢研发进度”野抢市场”。这种百花齐放和百家争鸣的局面，靠融资输血和炒作概念的时代，可能将在2022—2023年告一段落，机构投资者和创业者，双方都会更加理性。虽然化合物半导体验证周期较长，但经过两三年的赛马后，产品行不行，团队行不行，都会有个阶段性的结论。经过考验的公司，开始逐步占据一些市场份额，至少占据细分市场的份额。随着时间的推移，客户资源和供应链资源，未来都会逐渐向头部公司倾斜，客户资源意味着更多的市场份额，供应链资源则意味着更低的成本控制。

对于野存量+增量”的市场，主打野国产替代+新应用”。光通信VCSEL主要是前者，而消费电子VCSEL更多是后者，当前做消费电子VCSEL的有30多家公司，而被市场寄予厚望的手机端渗透率不及预期。一边面临成本压力，一边面临市场压力，可以预料，未来VCSEL在光通信和消费电子领域的竞争将会进一步加剧。

国内产业的发展历程，一般会经历野技术落后期”野技术追赶期”野全面替代超越期”3个阶段，当前尚处于第一和第二阶段的激光芯片产业，依然是朝阳产业。对于企业，每个阶段的竞争，都是研发、产品、品质、成本和市场全方位的竞争，唯有脚踏实地，苦练内功，才能凤凰涅槃。