VCSEL究竟帶來(lái)了哪些“黑科技”呢？

2017年iPhone X發(fā)布，深度相機(jī)走紅，搭載了3D傳感技術(shù)的攝像頭，通過(guò)測(cè)量景深信息，把傳統(tǒng)二維攝像能力提升至三維，并由此將手機(jī)功能衍生向人臉解鎖、面部識(shí)別等模塊，迅速引爆市場(chǎng)。

一些不太被熟知的元器件也逐漸走入大眾視野，VCSEL就是其一。

就在iPhone X發(fā)布的同一年，一批留學(xué)美國(guó)并在世界500強(qiáng)企業(yè)有著多年工作經(jīng)驗(yàn)的博士、專家們?cè)谟嘁ο嗑?，以VCSEL的研發(fā)設(shè)計(jì)為主營(yíng)方向，創(chuàng)辦了寧波睿熙科技有限公司。

幾乎與他們創(chuàng)業(yè)的腳步同步，2017年8月，睿熙科技就獲得舜宇V基金天使輪融資，次年8月獲得達(dá)晨、天創(chuàng)Pre-A輪融資，如此飛速的融資速度，足見(jiàn)這個(gè)小小元器件的無(wú)限前景。

三大應(yīng)用領(lǐng)域

資本簇?fù)?，VCSEL究竟帶來(lái)了哪些“黑科技”呢？

睿熙科技的創(chuàng)始人之一汪辰杲博士告訴記者，VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔表面發(fā)射激光器）是指從垂直于襯底面射出激光的一種新型結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，以砷化鎵半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)研制。VCSEL從某種層面上，既可以理解為半導(dǎo)體芯片，也可以歸類為光電元器件。VCSEL的主要材料是三五族半導(dǎo)體砷化鎵，其制造工藝及產(chǎn)品形態(tài)同集成電路芯片很相似，但從器件原理及功能角度來(lái)看，其本質(zhì)是一個(gè)半導(dǎo)體激光器，運(yùn)作原理就是通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)后，在芯片的表面垂直方向發(fā)射出激光。

如應(yīng)用到手機(jī)前置的3D人臉識(shí)別功能，是通過(guò)VCSEL投射出散斑紅外光點(diǎn)，這些光點(diǎn)會(huì)因?yàn)槊總€(gè)人五官、臉型的區(qū)別而產(chǎn)生形變，這些形變經(jīng)過(guò)紅外攝像機(jī)拍攝后經(jīng)過(guò)算法計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)了因人“立體識(shí)別”的功能。在手機(jī)后置應(yīng)用中，VCSEL發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)勻光片后均勻地投射到物體表面，根據(jù)物體反射光線返回的時(shí)間就能計(jì)算出與物體的距離。通過(guò)這個(gè)技術(shù)可以構(gòu)建環(huán)境的3D模型，從而為虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)的平臺(tái)。

當(dāng)然，VCSEL的應(yīng)用空間不僅僅局限于手機(jī)。汪辰杲表示：“業(yè)界已經(jīng)公認(rèn)，我們進(jìn)入了從2D向3D轉(zhuǎn)變的視覺(jué)革命。之前很多2D視覺(jué)應(yīng)用，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景和不同客戶需求逐漸向3D視覺(jué)方向發(fā)展?！?br />
除了大家最熟悉的智能手機(jī)，線下人臉支付、掃地機(jī)器人、智能門鎖等這類日漸火熱的電器中也少不了VCSEL的影子。例如在掃地機(jī)器人應(yīng)用中，這個(gè)在外觀上其貌不揚(yáng)的元器件，就成為了機(jī)器人的“眼睛”，幫助掃地機(jī)器人精準(zhǔn)避障、規(guī)劃掃地路徑。

另外，隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G等的快速發(fā)展，VCSEL在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用出現(xiàn)了很大規(guī)模的增長(zhǎng)，進(jìn)一步帶動(dòng)VCSEL產(chǎn)業(yè)成熟。比如，數(shù)據(jù)中心中高性能計(jì)算機(jī)每天都要處理海量的數(shù)據(jù)，以傳統(tǒng)的電信號(hào)傳播方式已經(jīng)不能滿足其使用需求，一般都使用光纖替代。這就涉及到需要把計(jì)算機(jī)的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)、再把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的環(huán)節(jié)，VCSEL就在其中起到了“光電轉(zhuǎn)換器”的作用。

據(jù)汪辰杲介紹，目前，業(yè)內(nèi)人士最期待的另一市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域是將VCSEL拓展進(jìn)入汽車應(yīng)用，如自動(dòng)駕駛、無(wú)人駕駛的激光雷達(dá)、駕駛員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DMS）等等。

“VCSEL在未來(lái)4～5年會(huì)出現(xiàn)大規(guī)模的出貨量增長(zhǎng)?？傮w來(lái)講，VCSEL市場(chǎng)‘蛋糕’會(huì)越來(lái)越大?！蓖舫疥綄?duì)此頗有信心。

成長(zhǎng)空間廣闊

毫無(wú)疑問(wèn)，從當(dāng)前的發(fā)展來(lái)看，未來(lái)VCSEL大有可為。根據(jù)麥姆斯咨詢統(tǒng)計(jì)，2015年全球VCSEL的市場(chǎng)規(guī)模為9.5億美元，占紅外光源總市場(chǎng)規(guī)模的21%，隨著VCSEL成本的逐步降低以及在消費(fèi)電子領(lǐng)域的逐漸滲透，至2022年VCSEL的市場(chǎng)份額將激增至45%，市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到31.2億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率可達(dá)17.3%。此外，物聯(lián)網(wǎng)尤其是涉及3D感知的產(chǎn)品的快速發(fā)展，也有可能提供新的市場(chǎng)。

但是，擺在眼前的問(wèn)題是，長(zhǎng)期以來(lái)，VCSEL的核心技術(shù)仍被美日少數(shù)國(guó)際廠商把控，睿熙科技又是如何從中找到突破點(diǎn)，打造自己的“護(hù)城河”的呢？

對(duì)此，汪辰杲調(diào)侃道：“從某種程度來(lái)講，我們這個(gè)團(tuán)隊(duì)本身就是‘護(hù)城河’。”

成熟VCSEL產(chǎn)品在可靠性工藝方面往往需多年積累和無(wú)數(shù)糾錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，才能做到低成本、高性能、高良率，高可靠性的大批量產(chǎn)業(yè)化，需要從業(yè)者有工業(yè)界多年累積的豐富經(jīng)驗(yàn)和迅速解決問(wèn)題的能力。而睿熙創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)就包括業(yè)界頂級(jí)VCSEL專家、世界500強(qiáng)VCSEL晶圓廠負(fù)責(zé)人，以及世界500強(qiáng)全球供應(yīng)鏈技術(shù)質(zhì)量部技術(shù)負(fù)責(zé)人兼首席激光專家；創(chuàng)始人從事VCSEL設(shè)計(jì)、外延生長(zhǎng)、關(guān)鍵制程工藝開(kāi)發(fā)超過(guò)20年，經(jīng)驗(yàn)覆蓋自設(shè)計(jì)研發(fā)制造至市場(chǎng)銷售全鏈條。這也是他們這支“明星團(tuán)隊(duì)”一創(chuàng)業(yè)就獲得資本護(hù)駕的原因之一。

另外，VCSEL設(shè)計(jì)研發(fā)領(lǐng)域天然就帶著一堵高墻，它綜合了半導(dǎo)體材料、激光物理、半導(dǎo)體制造工藝、高速射頻電子和光學(xué)技術(shù)等學(xué)科。不僅芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且需要在使用比硅材料脆弱及本征缺陷度高的砷化鎵材料的情況下，滿足高性能和高可靠性要求。

在汪辰杲看來(lái)，設(shè)計(jì)一款VCSEL，10％～20％的設(shè)計(jì)難度來(lái)自性能優(yōu)化，包括高速性能、熱性能、電光性能，而更多的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于解決可靠性問(wèn)題?！癡CSEL的可靠性失效模式非常多，包括外延生長(zhǎng)過(guò)程中的缺陷、芯片制程中的缺陷、機(jī)械損傷、氧化層相關(guān)的可靠性問(wèn)題，還有應(yīng)力和電流導(dǎo)致的缺陷。要解決這么多失效模式，對(duì)VCSEL的設(shè)計(jì)提出了非常高的要求和難度?！?br />
不過(guò)，睿熙科技團(tuán)隊(duì)對(duì)這些挑戰(zhàn)并不畏懼?；仡欘Ｎ蹩萍疾坏饺甑某砷L(zhǎng)史，公司成立次月，第一代應(yīng)用于3D結(jié)構(gòu)光VCSEL芯片下線，性能國(guó)內(nèi)領(lǐng)先；同年12月第二代結(jié)構(gòu)光VCSEL芯片推出；2018年3月，第三代結(jié)構(gòu)光VCSEL和ToF（飛行時(shí)間）VCSEL芯片推出，PCE（功率轉(zhuǎn)換效率）、發(fā)光點(diǎn)均勻性、量產(chǎn)穩(wěn)定性均有很大的提升；2018年4月，自建可靠性實(shí)驗(yàn)室和設(shè)備開(kāi)始運(yùn)行，開(kāi)始積累可靠性數(shù)據(jù)，具備高性能VCSEL芯片量產(chǎn)能力；同月推出大功率2W/3W ToF VCSEL芯片；2019年3月，推出單點(diǎn)大功率小尺寸結(jié)構(gòu)光VCSEL芯片；2019年5月，應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信最新一代應(yīng)用的的25G VCSEL芯片出樣，同月高性能大功率2W/3W ToF VCSEL規(guī)模量產(chǎn)；2020年二季度第一代應(yīng)用于車載激光雷達(dá)的350W首樣芯片推出……據(jù)透露，今年下半年，睿熙還會(huì)有幾個(gè)重要產(chǎn)品線陸續(xù)開(kāi)始量產(chǎn)，屆時(shí)會(huì)帶領(lǐng)公司產(chǎn)值實(shí)現(xiàn)大幅飛躍。

“從整個(gè)VCSEL產(chǎn)業(yè)來(lái)看，供應(yīng)鏈還是比較緊俏的，因此留給國(guó)內(nèi)VCSEL公司很大的成長(zhǎng)空間和市場(chǎng)空間。我們目前的核心競(jìng)爭(zhēng)力還是在VCSEL的設(shè)計(jì)端，美國(guó)高通設(shè)計(jì)的芯片推動(dòng)了全球移動(dòng)科技的進(jìn)程，我們的目標(biāo)就是做中國(guó)光電行業(yè)的‘高通’。”汪辰杲展望道。