VCSEL元件市场现况与发展趋势分析

在现行终端手机3D感测、车用光达及光纤传输的需求带动下,红外线元件市场规模已逐渐茁壮,其中以VCSEL元件成长幅度最显著。

VCSEL元件本身在起始电流、光束角度及形状等特性上具备优势,预期将逐渐成为3D感测模块的使用光线,并带动整体红外线元件市场持续成长。

红外线元件类型与现行测距原理

1. 红外线元件市场规模

现行红外线元件如LED、雷射等,可应用于日常生活中的照明系统和导航装置等,使用领域十分广泛,同时亦能使用在终端手机3D感测模块中,借此促成虚拟实境、人脸辨识及移动支付等相关应用可能。

近年因中、高阶手机产品逐渐搭载3D感测模块,使得红外线元件逐渐成为流行,其3D感测元件结构与原理,大致运用2个以上相机模块及红外线发射零组件,再通过软件模拟计算后,得出物体本身距离与形貌。

进一步探讨全球红外线元件市场,除了传统红外线照明系统以外,还有红外线雷射系统(VCSEL与车用LiDAR)。传统红外线照明系统由于使用LED元件,其发光能量较弱、光束角度偏大,使得整体功能性较为不足,大多只能应用于2D脸部辨识和一般安全监控等。

在红外线雷射部分,由于光源能量较大和角度集中等特色,目前已大范围应用于3D感测技术和车用测距中。

针对全球红外线元件市场发展情形,无论在红外线照明或雷射产品应用中,整体市场需求依旧持续畅旺。

预估2019年整体市场规模预估可突破16.4亿美元,且随着手机3D感测元件应用逐渐发酵,2020年整体规模将逐步成长至约22亿美元。

2. 现行主要测距原理

在3D感测技术应用方面,现行主要测距原理可分为3类:立体视觉(Stereo Vision)、结构光(Structured Light)与飞行时间测距(Time of Flight,ToF)等,各自拥有不同的测量方式和运算原理,最终通过计算方式得出待测物的距离及轮廓。

立体视觉的原理主要基于人眼视差,通过2个(或以上)相机模块同时拍摄,经计算后得到物体距离。结构光主要为主动式深度感测技术,其结构通过IR(红外线)发射器、IR及RGB相机模块等元件组成,利用IR阵列光斑投射后再经计算,得出物体距离。

另外,飞行时间测距也是一种主动式深度感测技术,主要功能为运用IR发射器、IR接收器、RGB相机模块与感光元件等,通过IR发射器将红外线投射后,计算当中路程折返时间,藉此得出物体距离与形貌。

3. 红外线元件类型

一般而言,红外线元件可依不同使用目的,区分为红外线照明与雷射应用等两类,但若以不同产品的发光原理进一步分类,则可分成LED、EEL(边射型雷射)与VCSEL等3种不同类型产品,由于其运用不同的光源特性、电流及频率表现,所以各有相对应的终端应用市场。

LED元件由于发光原理较单纯,只需提供较高操作电流即可驱动发光,但因发出来的光线仍属发散光源,一般而言只能提供普通照明,或进一步使用于2D感测系统中。

EEL与VCSEL由于生成的光线属于雷射光,两者发光原理相较LED生成光线的情形稍有不同,还需利用材料结构设计,经多次反射后才能得到雷射光。

至于EEL与VCSEL差异,在于EEL本身元件结构设计上的因素,其发光的光束角度与形状皆较VCSEL元件大且椭圆,因此现阶段只适合提供一般雷射笔等光源;而VCSEL元件的发光角度与形状较集中,适合发展3D感测技术产品,进一步应用于手机人脸辨识和车用光达测距系统中。

现阶段GaAs的VCSEL元件供应链与厂商动态

1. VCSEL元件应用与供应链现况

现行VCSEL元件因光束角度及形状优势,且有较低的起始电流与较高频宽等特性,非常适合应用于3D感测技术中。从2018年Apple发布iPhone X系列开始,3D感测技术的话题性持续不断,近期配合中、高手机终端产品搭载3D感测人脸辨识功能、车用光达应用及光纤传输系统等应用,使得相关技术及元件需求的讨论程度仍旧不减。

除了因Apple手机带动3D感测人脸辨识应用风潮外,目前GaAs基板的VCSEL元件已逐步延伸至车用光达等领域,尝试通过VCSEL元件光线能量集中、光束角度与形状特性,取代原先较发散的LED光源。

此外,由于5G议题发酵,光通讯领域零组件相关需求,例如光纤的资料传输容量、频宽及距离等,也将是后续发展重点;而VCSEL元件试图取代传统LED光源,提供波长850nm、频宽5~200Gbps范围的光纤应用模块,藉此增进整体5G传输性。

依照不同主要生产领域,VCSEL元件供应链可区分为五大应用别:GaAs基板商、GaAs磊晶厂、IDM厂、制造代工厂及封测代工厂。

针对材料结构层面,由于VCSEL元件结构相当复杂,且材料特性和磊晶层数的要求相当高,需有高难度的磊晶技术才可顺利生产。但VCSEL元件的获利仍较一般红外线元件LED高出许多,使得各磊晶厂商(如IQE、全新光电)、VCSEL等IDM厂(如II-VI、Lumentum)、LED厂(如晶元光电分拆为晶成半导体、Osram等)无不相继投入或转型至VCSEL元件开发,目前整体市场已成百家争鸣局面。

从供应链来看,VCSEL元件必须使用GaAs基板材料,通过磊晶制程成长至复杂的材料结构,才算完成初步作业。

随后再将完成的晶圆送到IDM厂进行加工,或转交委外代工模式,发包给制造和封测代工厂,进行后续制造、封装与测试等步骤,最终生产出1颗完整的VCSEL元件。

2. VCSEL元件等IDM大厂的整并动态

针对VCSEL元件为发展目标的IDM大厂,近年纷纷转由通过并购相关制造代工厂商或其他IDM厂方式,藉此扩大市占率。如同II-VI于2016年1月开始相继并购Epiworks、Anadigics及Kaiam等厂商,并于2019年9月成功完成对Apple手机Face ID模块供应商Finisar的并购案;另一家IDM大厂Lumentum也于2018年3月完成对Oclaro并购。

此外,AMS于2017年2月与3月成功收购Heptagon及Princeton Optronics等企业,但2019年10月初对Osram的并购案却宣告失败,虽然现阶段该并购案仍未成功,但后续AMS尚有机会再次争取并购契机。

整体而言,VCSEL元件等IDM大厂通过整并发展模式,虽有少数并购案因股份未能谈拢而破局,但大部分案件都可成功囊括相关制造代工厂商或IDM厂。

因此若依照初期VCSEL元件制造的发展模式,虽处于群雄割据的混乱情势,但随着几家IDM大厂(如II-VI、Lumentum及AMS等)陆续藉由收购其他相关企业后,目前市场发展已逐渐形成大者恒大局面。这将有助于VCSEL元件在整体发展及规格制定上更加完备,提高后续终端产品应用的市场渗透率。

进一步观察VCSEL元件等IDM大厂的整并动态,可以发现原先专注于生产LED的元件商如Osram及晶元光电等,陆续于2018年3月通过并购(如Osram并购Vixar)或对外宣告分拆制造代工厂方式(晶元光电分拆之晶成半导体),投身于开发VCSEL元件之列。

就当时的时空背景及市场情势而论,厂商会做此决定,主要也是大环境不佳所致。若由产品发展模式来看,LED相关行业已进入相对成熟且衰退阶段,元件价格与获利性已大不如前,加上近年在中国厂商低价竞争的压力下,也迫使部分国际大厂开始寻找其他终端产品应用的可能性。此时,VCSEL雷射发光元件市场,即为一个不错的发展切入机会。

虽然VCSEL雷射元件的发光原理与LED元件大致相同,但其材料结构仍较LED元件复杂许多,而凭借Osram与晶元光电(后已分拆为制造代工厂-

晶成半导体)长期针对LED元件投入的技术研发及磊晶能力,对于转入生产相关雷射元件似乎困难不大。

对于这些制造LED元件的IDM大厂而言,逐渐转向开发VCSEL元件应用的生产模式,将有助提高企业获利性。

未来VCSEL发展趋势与应用领域

由于红外线元件应用市场逐步增长,带动现阶段终端手机3D感测技术、车用光达与光纤传输的蓬勃发展。

未来对VCSEL元件应用发想,可能逐渐朝向光源照明的安防监视器应用、光感测市场的手机指纹辨识模块,以及穿戴装置应用等领域为开发目标。

基于本身物理特性,考量VCSEL元件发生光源容易受到外部光线(日光)干扰问题,因而导致接收端难以精准接收到投射光源,所以针对接收干扰性,VCSEL元件的材料结构必须做出调整,后续将可通过成长其他不同的材料磊晶层,例如InGaAs、AlGaAs等作为发光反应层(Active Layer),

借此延伸开发出不同波长(如650~1,600nm)的VCSEL元件,提供光感测、光通讯及光照明的新应用契机。

来源:拓璞产业研究院

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