iPhone X為什么要用VCSEL激光？

本文作者：葉國(guó)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(huì)的觀察與最近的光電熱點(diǎn)2017年第十九屆光電博覽會(huì)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(diǎn)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(hào)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(diǎn)冷清，藍(lán)寶石論壇在河北工業(yè)大學(xué)陳洪建教授號(hào)召下還算有一點(diǎn)熱度，光通信，激光與紅外傳感相關(guān)論壇簡(jiǎn)直是一票難求，很多聽眾都站在走道上聽著講臺(tái)上的專家眉飛色舞的講述未來(lái)的新科技與新應(yīng)用。而就在光博會(huì)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(cè)的新科技毫無(wú)意外地出現(xiàn)在蘋果新手機(jī)上面：它們就是OLED屏、無(wú)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(chǎng)有點(diǎn)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(chǎng)反應(yīng)，看看市場(chǎng)對(duì)OLED到底買不買帳，可以這樣想象，如果iPhone X賣得很差，估計(jì)OLED壓力會(huì)很大，因?yàn)樗膬r(jià)格不值得消費(fèi)者去多花這么多錢，它只能再提高性價(jià)比來(lái)符合市場(chǎng)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(huì)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?yàn)樘O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(gè)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(shí)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(lái)數(shù)字化捕捉物理對(duì)象的形狀。在面部識(shí)別中，它將創(chuàng)建一個(gè)定義人臉外觀的數(shù)字矩陣。舉個(gè)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(shí)別精確得多。而且皮膚的紋理與胡子的長(zhǎng)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(dú)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(shí)間測(cè)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(dòng)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(dòng)感知的3D攝像頭技術(shù)通常使用紅外光來(lái)檢測(cè)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(jià)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://srfitnesspt.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(gè)基本原理在介紹VCSEL技術(shù)之前，這幾個(gè)基本原理與名詞你不可不知，知道了這些基本知識(shí)，關(guān)于VCSEL的技術(shù)原理就非常簡(jiǎn)單了。光的反射折射與折射率：我們小時(shí)候都有做過(guò)光的反射與折射實(shí)驗(yàn)，尤其是筷子在水里面感覺(jué)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(shí)驗(yàn)證實(shí)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(jì)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(zhǎng)厚度（λ/4n, λ是純光波長(zhǎng)，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(shí)候，遇到折射率大的介質(zhì)時(shí)，光的速度變慢；遇到折射率小的介質(zhì)時(shí)，光的速度變快，光波在不同折射率之間的接口都會(huì)發(fā)生反射與折射，科學(xué)家經(jīng)過(guò)復(fù)雜的光學(xué)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，DBR光柵可以使「不純的入射光(波長(zhǎng)范圍較大)」變成「較純的反射光或穿透光(波長(zhǎng)范圍較小)」，如圖2(b)所示，換句話說(shuō)，DBR光柵的主要功能就是「使光變純(波長(zhǎng)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(shí)可以使用一對(duì)鏡子組成，如圖3所示，使光束在左右兩片鏡子之間來(lái)回反射，不停地通過(guò)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(lái)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(duì)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(huì)發(fā)出某一種波長(zhǎng)(顏色)的光。發(fā)射出來(lái)的光經(jīng)由左右兩個(gè)反射鏡來(lái)回反射產(chǎn)生「諧振放大(Resonance)」，由于右方的反射鏡設(shè)計(jì)可以穿透一部分的光，所以高能量的激光光束就會(huì)由右方穿透射出，如圖3所示。

圖3 激光二級(jí)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(shí)，這些與LED技術(shù)相似的工藝術(shù)語(yǔ)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(tái)（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(cè)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(cè)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(méi)有似曾相識(shí)的感覺(jué)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(chǎng)）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(gè)關(guān)鍵工藝，這幾個(gè)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(lái)調(diào)變波長(zhǎng)一樣，3D傳感技術(shù)使用的940納米波長(zhǎng)VCSEL的銦In組分大約是20%，當(dāng)銦In組分是零的時(shí)候，外延工藝比較簡(jiǎn)單，所以最成熟的VCSEL激光器是850納米波長(zhǎng)，普遍使用于光通信的末端主動(dòng)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(zhǎng)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(gè)條件，第一是高低折射率材料對(duì)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(duì)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(jì)成襯底面發(fā)光，850納米設(shè)計(jì)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(duì)以上的DBR（一般是30~35對(duì)才能到達(dá)99.9%反射率），出光面至少要24~25對(duì)DBR（99%反射率），由于后續(xù)需要氧化工藝來(lái)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(gè)技術(shù)是LED完全沒(méi)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(guò)去在做氧化工藝的時(shí)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(shí)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(gè)VCSEL芯片的諧振腔體積可以有良好的一致性，沒(méi)有過(guò)氧化或少氧化的問(wèn)題，這樣在做陣列VCSEL模組的時(shí)候才會(huì)有精確的光電特性。即時(shí)監(jiān)控氧化面積是最好的方法，如圖7所示，法國(guó)的AET Technology公司設(shè)計(jì)了一臺(tái)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(guò)去工程師用試錯(cuò)修正來(lái)調(diào)試參數(shù)，對(duì)大量穩(wěn)定生產(chǎn)VCSEL芯片提供了最好的工具。

圖7 法國(guó)AET科技公司推出的VCSEL即時(shí)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(méi)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(guò)去都是用等離子加強(qiáng)氣相化學(xué)沉積機(jī)PECVD來(lái)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(huì)造成應(yīng)力過(guò)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(guó)內(nèi)還無(wú)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(guó)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(fèi)電子，VCSEL激光器迎來(lái)爆發(fā)VCSEL曾在光通信應(yīng)用市場(chǎng)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(chǎng)來(lái)說(shuō)，如果以華為、OPPO、VIVO、三星等為首的高端機(jī)型第二梯隊(duì)快速響應(yīng)與普及，每年全世界消費(fèi)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(chǎng)規(guī)模。如今，全球VCSEL的總收入已接近8億美元，預(yù)計(jì)到2020年該值會(huì)增長(zhǎng)到21億美元。未來(lái)，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(dòng)產(chǎn)品價(jià)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(chǎng)得到快速普及，如圖9所示，VCSEL市場(chǎng)將會(huì)進(jìn)一步爆發(fā)。

圖9 VCSEL的應(yīng)用與未來(lái)市場(chǎng)趨勢(shì)***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(guó)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(fèi)電子領(lǐng)域，內(nèi)地尚無(wú)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(méi)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(huì)可以跨入這個(gè)領(lǐng)域，當(dāng)然技術(shù)是關(guān)鍵，在美國(guó)硅谷，有一批華人專注于這個(gè)領(lǐng)域，例如Intelligent與Vertilite都是華人核心團(tuán)隊(duì)組成的公司，如果可以吸引他們回來(lái)，這個(gè)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(guó)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(duì)穩(wěn)懋來(lái)說(shuō)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(zhǎng)久的精密封裝實(shí)力，目前聯(lián)鈞、華信、華星、光環(huán)、矽品與同欣都是有實(shí)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(jiān)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(shí)力，也是目前在VCSEL模組可以跟國(guó)際大廠競(jìng)爭(zhēng)的公司。所以整體來(lái)看，***的VCSEL顯現(xiàn)出一定的實(shí)力，現(xiàn)在因?yàn)樘O果新機(jī)也得到豐碩的果實(shí)，大陸這方面就幾乎空白了，大陸有機(jī)會(huì)翻轉(zhuǎn)嗎？

圖10 VCSEL的產(chǎn)業(yè)鏈分工示意圖中國(guó)大陸砷化鎵材料與VCSEL的機(jī)會(huì)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(jì)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(lái)到七顆，至于5G手機(jī)的用量將更可觀，高頻多頻帶無(wú)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(jì)劃以2.26億美元收購(gòu)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(shí)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(guò)這么多年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展成實(shí)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(lái)說(shuō)，從認(rèn)證到量產(chǎn)，不同于LED產(chǎn)業(yè)，不是會(huì)發(fā)光就可以依照市場(chǎng)不同等級(jí)的運(yùn)用去分配出?？?，砷化鎵產(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(duì)品質(zhì)要求甚嚴(yán)，沒(méi)人愿意冒風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)大陸廠商要進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域的難度可謂空前巨大。未來(lái)三安如果要進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，他們面對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(jì)出新一代TruSignal天線效能強(qiáng)化方案，很難撼動(dòng)它的地位，另外像***宏捷科與全新都有深厚的功底。長(zhǎng)路漫漫，對(duì)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(guó)應(yīng)該是大學(xué)程度了，但是大陸有非常大的市場(chǎng)，尤其是5G來(lái)臨對(duì)寬帶基礎(chǔ)建設(shè)要求會(huì)越來(lái)越高，PA與RF組件需求越來(lái)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(shí)候，VCSEL的市場(chǎng)會(huì)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(yàn)，也許下一波投資與獵頭狂潮將會(huì)是VCSEL莫屬了！我們可以拭目以待！

圖11 未來(lái)VCSEL與3D傳感的潛在應(yīng)用