iPhone X為什么要用VCSEL激光？

本文作者：葉國光

感謝新竹交通大學(xué)郭浩中教授的指導(dǎo)

感謝Picosun公司與AET公司提供的精美工藝圖片

光博會的觀察與最近的光電熱點2017年第十九屆光電博覽會在深圳很熱鬧，可惜LED已經(jīng)不是主角了，關(guān)于光通信、紅外傳感與激光相關(guān)技術(shù)比較火，LED有點被冷遇，幾乎很少人談LED，幾家LED封裝設(shè)備商的積極參與也掩蓋不了冷冷清清的LED相關(guān)產(chǎn)業(yè)的二號館，由各種論壇聚集的聽眾多寡也可以看見產(chǎn)業(yè)冷熱的程度，LED相關(guān)論壇有點冷清，藍(lán)寶石論壇在河北工業(yè)大學(xué)陳洪建教授號召下還算有一點熱度，光通信，激光與紅外傳感相關(guān)論壇簡直是一票難求，很多聽眾都站在走道上聽著講臺上的專家眉飛色舞的講述未來的新科技與新應(yīng)用。而就在光博會結(jié)束后的幾天，2017年9月13日凌晨，蘋果最新手機(jī)iPhone 8與iPhone X同步推出，之前大家預(yù)測的新科技毫無意外地出現(xiàn)在蘋果新手機(jī)上面：它們就是OLED屏、無線充電與3D傳感技術(shù)，OLED已經(jīng)醞釀了幾年，但是成本還是高得讓市場有點難以接受，所以只有iPhone X使用，也許是蘋果不想讓三星掐住脖子任三星予取予求，也許是蘋果在試探市場反應(yīng)，看看市場對OLED到底買不買帳，可以這樣想象，如果iPhone X賣得很差，估計OLED壓力會很大，因為它的價格不值得消費者去多花這么多錢，它只能再提高性價比來符合市場的需求。蘋果的精明之處就在這里，iPhone 8不用OLED而iPhone X使用，這樣會讓三星很難受，蘋果也可以立于不敗之地！但是3D傳感技術(shù)就火了，如圖1所示，幾乎相關(guān)概念的股票因為蘋果都一飛沖天，尤其是面射型激光VCSEL技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)，VCSEL真的這么神奇嗎？它與LED產(chǎn)業(yè)是否有相通之處？今天我就試著向大家介紹這個大家可能比較陌生的產(chǎn)業(yè)。

圖1 3D傳感產(chǎn)業(yè)鏈的蘋果概念股，其中框上紅色外框的是VCSEL相關(guān)產(chǎn)業(yè)iPhone X讓什么火了？為什么是VCSEL？首先幫大家介紹這次討論異?；鸨?D傳感技術(shù)：3D傳感技術(shù)是面部識別的核心，3D激光掃描（3D傳感）背后的想法就是創(chuàng)建一種非接觸、非破壞性技術(shù)來數(shù)字化捕捉物理對象的形狀。在面部識別中，它將創(chuàng)建一個定義人臉外觀的數(shù)字矩陣。舉個例子，它可以使你的手機(jī)更精確地記錄你的下巴，這要比從照片上識別精確得多。而且皮膚的紋理與胡子的長短也可以被捕獲到。當(dāng)然也包括那些組成額頭、臉頰以及其它臉部部分的獨特形狀。至于為什么要用VCSEL激光器？3D攝像頭在傳統(tǒng)攝像頭基礎(chǔ)上引入基于飛行時間測距ToF（Time of Flight）或SL（Structural Light）結(jié)構(gòu)光的3D傳感技術(shù)，目前這兩種主流3D傳感技術(shù)均為主動感知，因此3D攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈相比主要新增加“紅外光源+光學(xué)組件+紅外傳感器”等部分，其中最關(guān)鍵的部分就是紅外光源，主動感知的3D攝像頭技術(shù)通常使用紅外光來檢測目標(biāo)，早期3D傳感系統(tǒng)一般都使用LED作為紅外光源，但是隨著VCSEL技術(shù)的成熟，性價比已經(jīng)接近紅外LED，除此之外，在技術(shù)方面，由于LED不具有諧振腔，導(dǎo)致光束更加發(fā)散，在耦合性方面很差，而VCSEL在精確度、小型化、低功耗、可靠性全方面占優(yōu)的情況下，現(xiàn)在常見的3D攝像頭系統(tǒng)一般都采用VCSEL作為紅外光源，因此最近被談?wù)摰?a href="http://www.ttokpm.com/article/bbs/" target="_blank">最新技術(shù)就是VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）。你不可不知關(guān)于VCSEL的幾個基本原理在介紹VCSEL技術(shù)之前，這幾個基本原理與名詞你不可不知，知道了這些基本知識，關(guān)于VCSEL的技術(shù)原理就非常簡單了。光的反射折射與折射率：我們小時候都有做過光的反射與折射實驗，尤其是筷子在水里面感覺好像被折了一段一樣原因就是光的折射，折射率越大，偏折越厲害，原因是光在介質(zhì)的速度變慢了，介質(zhì)的折射率大小，與光在介質(zhì)中的速度成反比，光在介質(zhì)中的速度(v)愈大，則介質(zhì)的折射率(n)愈??；光在介質(zhì)中的速度(v)愈小，則介質(zhì)的折射率(n)愈大。實驗證實光在介質(zhì)中的速度(v)依次為：v(氣體)＞v(液體)＞v(單晶固體)＞v(非晶固體)。所以光在介質(zhì)的折射率(n)依次為：n(氣體)＜n(液體)＜n(單晶固體)＜n(非晶固體)。DBR（Distributed Bragg Reflector）分布布拉格反光鏡：沿著光前進(jìn)的方向上設(shè)計出特別的不同折射率材料交替的膜層，膜層厚度是該材料四分之一發(fā)光波長厚度（λ/4n, λ是純光波長，n是該材料的折射率），形成折射率大(n大)、折射率小(n小)、折射率大(n大)、折射率小(n小)…的周期性結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示，稱為「DBR光柵(Grating)」。光波在光柵中前進(jìn)的時候，遇到折射率大的介質(zhì)時，光的速度變慢；遇到折射率小的介質(zhì)時，光的速度變快，光波在不同折射率之間的接口都會發(fā)生反射與折射，科學(xué)家經(jīng)過復(fù)雜的光學(xué)計算發(fā)現(xiàn)，DBR光柵可以使「不純的入射光(波長范圍較大)」變成「較純的反射光或穿透光(波長范圍較小)」，如圖2(b)所示，換句話說，DBR光柵的主要功能就是「使光變純(波長范圍變小)與控制光的反射與穿透比率」，激光二極管(LD)的光很純，發(fā)光二極管(LED)的光不純，顯然激光二極管內(nèi)一定有DBR光柵的結(jié)構(gòu)，當(dāng)然LED為了增加亮度，也有在研磨拋光藍(lán)寶石背面之后鍍上DBR反射層，可以增加2~3%的亮度。

圖2 分布布拉格反射鏡DRR原理示意圖激光的諧振效應(yīng)(Resonance)：激光的發(fā)光區(qū)就是它的「諧振腔(Cavity)」，諧振腔其實可以使用一對鏡子組成，如圖3所示，使光束在左右兩片鏡子之間來回反射，不停地通過發(fā)光區(qū)吸收光能，最后產(chǎn)生諧振效應(yīng)，使光的能量放大，一般激光二極管的兩片鏡子就是用DBR鍍膜來控制諧振腔的諧振效應(yīng)。激光二極管的電激發(fā)光(EL：Electroluminescence)：我們以「砷化鎵激光二極管(GaAs laser diode)」為例，先在砷化鎵激光二極管芯片(大約只有一粒砂子的大小)上下各蒸鍍一層金屬電極，對著芯片施加電壓，當(dāng)芯片吸收電能產(chǎn)生「能量激發(fā)(Pumping)」，則會發(fā)出某一種波長(顏色)的光。發(fā)射出來的光經(jīng)由左右兩個反射鏡來回反射產(chǎn)生「諧振放大(Resonance)」，由于右方的反射鏡設(shè)計可以穿透一部分的光，所以高能量的激光光束就會由右方穿透射出，如圖3所示。

圖3 激光二級管發(fā)射激光的原理示意圖VCSEL工藝到底難嗎？除了上面的基本知識，這些與LED技術(shù)相似的工藝術(shù)語你也必須知道，我在此不再多解釋，他們是MOCVD（有機(jī)氣相外延沉積）與MBE（分子束外延）外延技術(shù)，光刻技術(shù)決定芯片圖形與尺寸，ICP-RIE（電感耦合反應(yīng)離子刻蝕）技術(shù)刻蝕出發(fā)光平臺（Mesa），氧化工藝讓諧振腔定義出最佳的VCSEL光電特性，鈍化絕緣工藝讓暴露的半導(dǎo)體材料不受空氣與水汽影響可靠度，最后研磨與切割變成一顆顆芯片，再進(jìn)行測試與出貨給封裝廠，由于結(jié)構(gòu)上跟紅黃LED芯片類似，是上下電極垂直結(jié)構(gòu)，所以一般是先測試芯片特性再進(jìn)行切割與最后分選。圖4就是VCSEL的芯片與封裝示意圖，做LED的人有沒有似曾相識的感覺呢？

圖4 VCSEL的芯片與封裝示意圖，目前主流的VCSEL是To-can封裝與陣列封裝，尤其在高功率傳感系統(tǒng)（車用市場）里面需要用到倒裝flip chip的陣列封裝VCSEL的結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵工藝介紹：VCSEL有幾個關(guān)鍵工藝，這幾個關(guān)鍵工藝決定了器件的特性與可靠性。關(guān)鍵技術(shù)一：VCSEL外延圖5是VCSEL的結(jié)構(gòu)示意圖，以銦鎵砷InGaAs井（well）鋁鎵砷AlGaAs壘（barrier）的多量子阱（MQW）發(fā)光層是最合適的，跟LED用In來調(diào)變波長一樣，3D傳感技術(shù)使用的940納米波長VCSEL的銦In組分大約是20%，當(dāng)銦In組分是零的時候，外延工藝比較簡單，所以最成熟的VCSEL激光器是850納米波長，普遍使用于光通信的末端主動元件。

圖5 VCSEL的外延與芯片結(jié)構(gòu)示意圖發(fā)光層上、下兩邊分別由四分之一發(fā)光波長厚度的高、低折射率交替的外延層形成p-DBR與n-DBR，一般要形成高反射率有兩個條件，第一是高低折射率材料對數(shù)夠多，第二是高低折射率材料的折射率差別越大，出射光方向可以是頂部或襯底，這主要取決于襯底材料對所發(fā)出的激光是否透明，例如940納米激光由于砷化鎵襯底不吸收940納米的光，所以設(shè)計成襯底面發(fā)光，850納米設(shè)計成正面發(fā)光，一般不發(fā)射光的一面的反射率在99.9%以上，發(fā)射光一面的反射率為99%，目前的AlGaAs鋁鎵砷結(jié)構(gòu)VCSEL大部分是用高鋁（90%）的Al0.9GaAs層與低鋁（10%）Al0.1GaAs層交替的DBR，反射面需要30對以上的DBR（一般是30~35對才能到達(dá)99.9%反射率），出光面至少要24~25對DBR（99%反射率），由于后續(xù)需要氧化工藝來縮小諧振腔體積與出光面積，所以在接近發(fā)光層的p-DBR膜層的高鋁層需要使用全鋁的砷化鋁AlAs材料，這樣后面的氧化工藝可以比較快完成。

圖6 外延與氧化工藝是VCSEL良率與光電特性好壞的關(guān)鍵關(guān)鍵技術(shù)二：氧化工藝這個技術(shù)是LED完全沒有的工藝，也是LED紅光發(fā)明人奧隆尼亞克（Nick Holonyak Jr.）發(fā)明的技術(shù)，如圖6所示，主要利用氧化工藝縮小諧振腔體積與發(fā)光面積，但是過去在做氧化工藝的時候，很難控制氧化的面積，只能先用樣品做氧化工藝，算出氧化速率，利用樣品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化工藝時間，這樣的生產(chǎn)非常不穩(wěn)定，良率與一致性都很難控制！精確控制氧化速度讓每個VCSEL芯片的諧振腔體積可以有良好的一致性，沒有過氧化或少氧化的問題，這樣在做陣列VCSEL模組的時候才會有精確的光電特性。即時監(jiān)控氧化面積是最好的方法，如圖7所示，法國的AET Technology公司設(shè)計了一臺可以利用砷化鋁（AlAs）氧化成氧化鋁（AlOx）之后材料折射率改變的反射光譜變化精確監(jiān)控氧化面積，這種精密控制氧化速率的設(shè)備，可以省去過去工程師用試錯修正來調(diào)試參數(shù)，對大量穩(wěn)定生產(chǎn)VCSEL芯片提供了最好的工具。

圖7 法國AET科技公司推出的VCSEL即時監(jiān)控的氧化制程設(shè)備，讓VCSEL量產(chǎn)更穩(wěn)定關(guān)鍵技術(shù)三：保護(hù)絕緣工藝跟LED一樣，最后只能保留焊線電極上沒有絕緣保護(hù)層在上面，由于激光二極管的功率密度更大，所以VCSEL更需要這樣的保護(hù)層，更重要的是為了不讓氧化工藝的AlAs層繼續(xù)向內(nèi)氧化影響諧振腔體積，造成激光特性突變，保護(hù)層的膜層質(zhì)量非常重要，尤其是側(cè)面覆蓋的致密性更為重要，過去都是用等離子加強(qiáng)氣相化學(xué)沉積機(jī)PECVD來鍍這層膜，但是為了要保持致密性需要較厚的膜層，但是膜層太厚會造成應(yīng)力過大影響器件可靠度！于是原子層沉積ALD技術(shù)開始取代PECVD成為最好的鍍膜工藝，如圖8所示，ALD可以沉積跟VCSEL氧化層特性接近的氧化鋁（Al2O3）薄膜，而且側(cè)面鍍膜均勻，致密性高，最重要的是厚度很薄就可以完全絕緣保護(hù)芯片，除了VCSEL工藝以外，LED的倒裝芯片flip chip與IC的Fin-FET工藝都需要這樣的膜層，跟氧化技術(shù)一樣，國內(nèi)還無法提供這樣的設(shè)備，目前芬蘭的Picosun派克森公司與Apply Material美國應(yīng)用材料公司提供這樣的設(shè)備與工藝。

圖8 芬蘭Picosun派克森公司推出的ALD原子層沉積技術(shù)的設(shè)備，可以讓VCSEL的器件更穩(wěn)定從光通信到消費電子，VCSEL激光器迎來爆發(fā)VCSEL曾在光通信應(yīng)用市場里“發(fā)光發(fā)熱”，被廣泛關(guān)注，現(xiàn)在又增加了3D傳感的應(yīng)用，以市場來說，如果以華為、OPPO、VIVO、三星等為首的高端機(jī)型第二梯隊快速響應(yīng)與普及，每年全世界消費10多億部智能手機(jī)，如果每部手機(jī)嵌入2-3顆VCSEL激光器件，就是二三十億顆的市場規(guī)模。如今，全球VCSEL的總收入已接近8億美元，預(yù)計到2020年該值會增長到21億美元。未來，除了光通信與3D傳感，當(dāng)VCSEL激光器量產(chǎn)供應(yīng)鏈形成之后將帶動產(chǎn)品價格的全面平民化，包含AR智能眼鏡、智能駕駛的激光雷達(dá)等一系列顛覆式應(yīng)用將徹底從概念化小眾市場得到快速普及，如圖9所示，VCSEL市場將會進(jìn)一步爆發(fā)。

圖9 VCSEL的應(yīng)用與未來市場趨勢***與大陸VCSEL的發(fā)展現(xiàn)狀如圖10所示，大陸與***VCSEL的產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀很像十年前的LED，目前內(nèi)地跟VCSEL有相關(guān)的公司可謂鳳毛麟角，除了國內(nèi)光通訊器件廠商光迅科技已有VCSEL商業(yè)化產(chǎn)品推出，在消費電子領(lǐng)域，內(nèi)地尚無一家擁有VCSEL芯片量產(chǎn)能力的企業(yè)，當(dāng)然有潛力的公司也不是沒有，大家熟悉的三安光電和華工科技（華工正源）是有潛力的大陸廠家，而擁有四元紅黃MOCVD設(shè)備的公司例如乾照與華燦也有機(jī)會可以跨入這個領(lǐng)域，當(dāng)然技術(shù)是關(guān)鍵，在美國硅谷，有一批華人專注于這個領(lǐng)域，例如Intelligent與Vertilite都是華人核心團(tuán)隊組成的公司，如果可以吸引他們回來，這個行業(yè)在內(nèi)地可能可以發(fā)展的比較快。當(dāng)然***在這方面的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，也得到國際大廠的認(rèn)可，上游方面，全新、聯(lián)亞與光環(huán)科技都積淀了十五年的外延與芯片技術(shù)，LED大廠晶電也早做了布局，專注芯片制造的穩(wěn)懋更是砷化鎵芯片最專業(yè)的代工廠，VCSEL工藝對穩(wěn)懋來說也非難事，除了拿到蘋果3D攝像頭供應(yīng)鏈Lumentum的代工訂單，近期也得到3D傳感模組大廠Heptagon（AMS）的VCSEL芯片代工訂單，另外一家砷化鎵六寸晶圓廠宏捷科也是Princeton Optronics的代工廠家。中游的封裝方面，***累積了長久的精密封裝實力，目前聯(lián)鈞、華信、華星、光環(huán)、矽品與同欣都是有實力可以達(dá)到世界大廠要求的封裝技術(shù)，最后介紹一家堅持15年的專注VCSEL技術(shù)與產(chǎn)品的公司華立捷，這家公司具有上中下游垂直整合的實力，也是目前在VCSEL模組可以跟國際大廠競爭的公司。所以整體來看，***的VCSEL顯現(xiàn)出一定的實力，現(xiàn)在因為蘋果新機(jī)也得到豐碩的果實，大陸這方面就幾乎空白了，大陸有機(jī)會翻轉(zhuǎn)嗎？

圖10 VCSEL的產(chǎn)業(yè)鏈分工示意圖中國大陸砷化鎵材料與VCSEL的機(jī)會三五族材料像砷化鎵或氮化鎵目前已經(jīng)普遍使用在我們的日常生活中，以一支手機(jī)為例，最新的智能手機(jī)3D傳感使用砷化鎵VCSEL，背光與閃光燈使用高亮度氮化鎵LED，大家不熟悉的PA大部分使用砷化鎵功率放大器，PA為目前電子元件中相當(dāng)重要的零組件，多半被設(shè)計放在天線放射器前端，廣泛被應(yīng)用于手機(jī)當(dāng)中，傳統(tǒng)2G手機(jī)僅使用兩顆PA，3G使用四至五顆，4G手機(jī)則是來到七顆，至于5G手機(jī)的用量將更可觀，高頻多頻帶無線通訊后，不管是高中低階， 4G手機(jī)滲透率開始起飛，這也引起了內(nèi)地光電大廠的注意，去年三安光電計劃以2.26億美元收購環(huán)宇通訊半導(dǎo)體的消息，就是三安想要發(fā)力砷化鎵材料的企圖，這家公司主要從事砷化鎵/磷化銦/氮化鎵高階射頻及光電元件化合物半導(dǎo)體晶圓制造代工，同時也有布局光通訊與紅外傳感的關(guān)鍵發(fā)射元器件，三安的企圖心不可謂不小。內(nèi)地電子業(yè)經(jīng)過這么多年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成實力雄厚的紅色供應(yīng)鏈，但是內(nèi)地的產(chǎn)業(yè)特征大多是可以大量制造、量產(chǎn)的產(chǎn)品特性，并非少量多樣化產(chǎn)品且需要高技術(shù)開發(fā)之產(chǎn)品。以砷化鎵PA或VCSEL來說，從認(rèn)證到量產(chǎn)，不同于LED產(chǎn)業(yè)，不是會發(fā)光就可以依照市場不同等級的運(yùn)用去分配出?？冢榛壆a(chǎn)業(yè)的重要應(yīng)用產(chǎn)品是1跟0的概念，能用就能用，不能用就不能用，尤其是PA的品質(zhì)影響甚鉅，VCSEL的質(zhì)量要求也特別高，這些采用砷化鎵PA或VCSEL的品牌大廠對品質(zhì)要求甚嚴(yán)，沒人愿意冒風(fēng)險，對大陸廠商要進(jìn)入這個領(lǐng)域的難度可謂空前巨大。未來三安如果要進(jìn)入這個領(lǐng)域，他們面對的競爭對手是目前多數(shù)智能手機(jī)內(nèi)建PA或RF（射頻）組件的砷化鎵晶圓代工廠穩(wěn)懋科技，穩(wěn)懋已經(jīng)與大廠高通合作，設(shè)計出新一代TruSignal天線效能強(qiáng)化方案，很難撼動它的地位，另外像***宏捷科與全新都有深厚的功底。長路漫漫，對砷化鎵或VCSEL產(chǎn)業(yè)而言，目前大陸的廠家都屬于小學(xué)階段，***是高中階段，美國應(yīng)該是大學(xué)程度了，但是大陸有非常大的市場，尤其是5G來臨對寬帶基礎(chǔ)建設(shè)要求會越來越高，PA與RF組件需求越來越大，而當(dāng)所有手機(jī)都把3D傳感技術(shù)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)配備的時候，VCSEL的市場會比現(xiàn)在大好幾倍，大陸廠家有最新的設(shè)備，有雄厚的資本，缺的就是人才與技術(shù)經(jīng)驗，也許下一波投資與獵頭狂潮將會是VCSEL莫屬了！我們可以拭目以待！

圖11 未來VCSEL與3D傳感的潛在應(yīng)用