3D Sensing核心元件VCSEL.docx

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3DSensing核心元件VCSEL

相比于LED和EEL，VCSEL作为3D摄像头红外光源，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。

随着VCSEL芯片技术的成熟，以其作为核心元件的3DSensing走入应用，在活体检测，虹膜识别，AR/VR技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。

近期，3DSensing的主要应用以手机为主，iPhoneX首次搭载3D结构光模组，引领3DSensing消费市场。

苹果3DSensing供应链较为完善，Lumentum、II-VI、Finisar、IQE

等均已加入其中。

未来几年3DSensing市场规模将快速增长，到2023年3D

Sensing的市场空间可达180亿美元，2018年-2023年复合增速达到44%。

其

中，3DSensing在智能手机市场上的渗透率不断提高，3DSensing渗透率有

望从2017年的2.1%提高至2020年的28.6%。

3、3DSensing核心元件—VCSEL

VCSEL集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身，相比于LED和边发射激光器EEL，在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。

随着VCSEL芯片技术的成熟，以其作为核心元件的3DSensing走入应用，在活体检测，虹膜识别，AR/VR技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域得到发展。

近期，3DSensing的主要应用以手机为主，iPhoneX首次搭载3D结构光模组，引领3DSensing消费市场。

目前，全球3DSensing供应链趋于完善，VCSEL设计厂商Lumentum、II-VI、Finisar、AMS，VCSEL外延片供应商IQE、全新光电以及台湾晶圆代工厂稳懋、晶电等均纷纷布局3DSensing领域。

据预测，未来几年3DSensing市场规模将呈几何式增长，到2020年3DSensing市场规模可达到108.49亿美元2023年3D传感的市场空间达到180亿美元，2018年-2023年复合增速达到44%。

其中，3DSensing在智能手机市场上的渗透率不断提高，3DSensing渗透率有望从2017年的2.1%提高至2020年的28.6%。

3.1、新型半导体激光器—VCSEL

VCSEL（Vertical-cavitysurface-emittinglaser），即垂直腔面发射激光器，与传统的边发射激光器不同，其激光出射方向垂直于衬底表面。

VCSEL基本结构与工作原理

VCSEL器件有两种基本结构，一种是顶发射结构：

采用MOCVD技术在n型GaAs衬底上生长而成，以DBR作为激光腔镜，量子阱有源区夹在n-DBR和p-DBR之间。

由于量子阱厚度小，单程增益小，因此反射镜的反射率较高，一般全返腔镜反射率>99.9%，输出腔镜反射率通过理论计算设定最佳的耦合输出率（一般也大于99%），然后在衬底和p-DBR外表面制作金属接触层。

并在p-DBR或n-DBR上制作一个圆形出光窗口，获得圆形光束，窗口直径从几微米可到百微米量级，最后在和导热性好的热沉键合，提高芯片的散热性能。

另一种是底发射结构，一般用于产生976-1064nm波段，通常将衬底减薄到150μm以下以减少衬底吸收损耗，再生长一层增透膜以提高激光光束质量，最后将增益芯片安装在热沉上。

图表24：

VCSEL结构简图

资料来源：

中国知网

VCSEL作为一种半导体激光器，形成激光发光需要完成能量激发和共振放大两个步骤。

首先要实现能量激发，通过外加能量（光能或电能）激发半导体的电子由价带跳到导带，当电子由导带跳回价带时，将能量以光能的形式释放出来。

然后在发光区外加一对激光腔镜，使光束在左右两片镜片之间反复来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大最终形成激光。

图表25：

VCSEL发光原理

资料来源：

OFweek

半导体激光器主要分为边发射半导体激光器EEL（edge-emittinglaser）和垂直腔面发射半导体激光器VCSEL两种类型。

边发射半导体激光器具有高的光电转换效率和高的输出功率。

但是边发射半导体激光器发散角较大，并且平行

和垂直于pn结的两个方向发射角相差较大，这一缺陷极大的限制了边发射半导体激光器的应用范围。

垂直腔面发射半导体激光器具有较好的光束质量和圆对称的光斑分布，发散角较小。

KUZNETSOV等研究人员制备得到的光泵浦垂直腔面发射半导体激光器，其集高输出功率和高转换效率和高质量光束等优点于一身。

EEL和和VCSEL参数对比

VCSEL具有完美的光束质量、小的发散角和圆对称光场分布使其与光纤的耦合效率较高，其与多模光纤的耦合效率可大于90%。

其较小的有源层体积，使其产生激光的阈值电流较低。

极短的谐振腔长度，使得纵模间距变大，易于实现单纵模激光运转。

具有垂直于衬底表面光出射方向，易于通过高密度集成实现高功率激光输出。

高的传输速率和调制频率，也有利于高速光纤网路传输通信。

VCSEL在传感器应用方面也展现出优异的性能，相比于早期3D摄像头系统使用的LED红外光源，结构更加简单、体积更小、功耗更低、距离检测更加精确。

图表26：

850nmLEDVS850nmVCSEL

资料来源：

OFweek

图表27：

三种不同的光源效果

3.2、VCSEL广泛的应用范围，3DSensing市场可期

随着VCSEL研究的不断发展，以其作为核心元件的3D摄像头可以更快、更好的走入应用，产品进入市场。

3D成像对比传统的2D成像技术有着更好的技术特性，全面的三维信息可以更好的应用在智能化设备中，如活体检测，虹膜识别，AR/VR技术以及机器人识别和机器人避险、自动驾驶辅助等领域，随着时间演进，到2023年3D传感的市场空间达到180亿美金，2018年-2023年复合增速达到44%。

图表28：

2018-2023年3DSensing市场规模快速增长（$M）

资料来源：

Yole

据TrendForce统计，到2017年年底，全球3DSensing市场规模仅为8.19亿美元。

但受益于消费电子市场可预见的爆发式增长，全球3DSensing市场规模将不断扩大。

TrendForce预测，未来几年3DSensing市场规模将呈几何式增长，到2020年，3DSensing市场规模可达到108.49亿美元。

其中，3DSensing在智能手机市场上的渗透率不断提高，3DSensing渗透率有望从2017年的2.1%提高至2020年的28.6%。

据DeutscheBank统计，2017年搭载3DSensing模组的智能手机（仅有iPhone）数量为3800万台，在智能手机上搭载率仅为3%。

2018年随着3DSensing模组在Android手机上进行使用，智能手机市场3DSensing模组需求扩大。

据预测，2020年搭载3DSensing模组的iPhone手机数量将达4.4亿台，搭载3DSensing的Android手机数量将达4.65亿台，3DSensing在智能手机上搭载率将达到38%。

图表29：

2017-2020年全球3Dsensing市场规模预测及智能手机市场占比

资料来源：

TrendForc

图表30：

智能手机市场3DSensing模组搭载情况预测

资料来源：

DeutscheBank

3.3、3DSensing技术成熟，苹果iPhoneX搭载3D结构光模组，推动消费升级

3D成像，3D成像就是在二维图像，包括颜色，亮度，细节的基础上增加了景深的信息，在拍照的同时，获取对象的景深数据，应用于人脸识别，虹膜识别，手势控制，机器视觉，计算摄影。

3D摄像头模组：

RGB摄像头+深度摄像头，并搭载核心3DSensing算法一起来提供3D成像。

其中深度摄像头在整个3D摄像头模组中起了非常关键的作用，可提供场景的深度图像，是图像由二维转换为三维的关键技术点。

为了实现3D成像，目前需要解决的是深度摄像头的方案，目前已有的3D成像方案有：

结构光法，飞行时间法（TOF）和双目测距法。

3.3.1、苹果积极布局3DSensing领域，iPhoneX搭载3DSensing人脸识别

在光学领域，苹果始终保持行业领先地位。

当下热门的3D摄像头技术，苹果早在2010年便展开布局。

如今，苹果已收购多家相关技术领域的公司。

图表31：

苹果近几年收购的3D成像技术公司

2017年苹果推出十周年纪念版机型iPhoneX，其搭载的3DSensing人脸识别成为业界热捧的智能手机新功能。

该产品再次引领手机产业开启新一轮10年周期的升级风潮。

iPhoneX采用的3DSensing核心元件包括点阵投影器（Dotprojector）、接近传感器（TOF）和泛光照明（Floodilluminator）等。

iPhoneX红外点阵投影器通过采用VCSEL二极管配合主动式衍射光学元件和折叠光学元件得以实现。

其中，VCSEL芯片安装在氮化铝的DPC陶瓷基板上，氮化铝基板贴装于HTCC陶瓷基座底部。

主动式光学元件的电极和陶瓷基板中的IC通过组件侧方的金属连接器相连。

系统工作时，由VCSEL芯片发出红外光束，经过折叠光学元件引导至主动式衍射光学元件，再由主动式衍射光学元件将光束分成30000个点光束发射而出。

这种非常独特的装配方案获得了最优化的热管理性能，并能为所有的光学元件提供更高的对准精度。

图表32：

苹果TrueDepth设计

图表33：

iPhoneX红外点阵投影器封装结构图

iPhoneX泛光照明器采用近红外VCSEL，通过发射辅助红外光确保系统在较暗环境下正常运行。

TOF接近传感器可测得用户和手机距离，当用户在接听电话时，会自动关闭屏幕。

苹果作为手机行业龙头，率先在智能手机上大规模采用3DSensing技术，引领3DSensing消费市场。

最近，最新发布的安卓手机小米8探索版中也搭载了MantisVision编码结构光方案。

OPPO的FINDX手机也采用3D结构光模组，通过向人脸投射15000个光点，建立毫米级精度的3D深度图，并快速与用户信息进行比对。

同样，华为预计今年下半年相关机型也将会搭载3DSensing设备。

3.4、VCSEL供货商看好手机3DSensing市场，苹果3DSensing供应链趋于完善

自苹果手机iPhoneX搭载3DSensing摄像头引爆市场后，国内各手机品牌在新推出的智能手机上也纷纷搭载3D结构光组件。

据估计，2018年全球手机镜头颗数总量可达约37亿颗，YoY达11.5%，2020年达45亿颗，摄像头总量增加高于智能手机增速。

这主要由于双或多摄像头普及率越来越高，且每台手机搭载不同功能的镜头数量越来越多。

三星和华为出产的手机预计有90%以上将搭载双或多摄像模块。

预计2020年每台手机将搭载2.94颗，到2021年每台手机搭载颗数将超过3颗。

3DSensing产业的良好前景，已引起了国内厂商注意，晶电、三安等厂商积极进入该市场。

图表34：

3DSensing产业链相关零部件对应市场规模

图表35：

VCSEL产业链主要厂商

图表36：

苹果3Dsensing零部件价值量详细拆分

3.4.1.VCSEL设计环节：

Lumentum、II-VI、Finisar等积极布局

专业光学厂商——Lumentum

公司2015年从光通讯领域龙头、全球最大光纤零件供应商JDSU拆分出来，是一家专业光学厂商，产品主要应用于数据通信、电信网络、商用激光器以及消费电子领域的3D传感。

Lumentum深耕VCSEL多年，在2005年、2007

年通过收购Agility和Picolight两家公司获得短波VCSEL技术。

目前，Lumentum凭借其先进的技术和丰富的制造经验，已成为VCSEL的全球领先供应商。

公司于2017年成功进入苹果公司3DSensing供应链，今年3月，Lumentum溢价27%收购Oclaro，预计将于今年下半年完成所有程序。

Oclaro的加入可以增加Lumentum的产品种类、扩大其业务范围。

同时，Oclaro将自身具有优势的磷化铟激光器、光子集成电路和相干器件模块研发制造等技术带入Lumentum，可更好地驱动创新、加速产品发展，使其有望成为VCSEL及3DSensing行业的领先者。

Lumentum已经开始为部分安卓客户提供VCSEL，但是部分安卓客户仍选择边缘发射器，目前VCSEL对于公司的营收贡献较小，但公司预计VCSEL将对2019财年增长及3DSensing的增长做出巨大贡献。

公司在3DSensing上保

持超过平均利润率的水平，并将于下半年的新品发布会上发布新产品。

全球工程材料制造领导者——II-VIIncorporated

II-VIIncorporated是全球领先的工业材料制造商，其业务范围涉及工业、军事、医疗雷达设备、光通讯产品、复合半导体衬底产品以及材料处理和加工元件的工程设计材料和光电感应部件。

在半导体激光器应用上，II-VIIncorporated已和客户开发出DFB激光器（边缘发射器），并且也看到了光纤激光器的新性能所带来的收益。

但II-VIIncorporated仍认为，VCSEL目前仍是搭载3D感应的首选激光平台，其激光部门已推出了多款VCSEL产品，且已被部分VR产品采用。

公司预计到2020年，在AR/VR、3Dsensing的推动下，仅VCSEL产品的市场规模就将达到20亿美金。

在3DSensing方面，随着市场的不断扩大，II-VIIncorporated增加了研发和生产投入。

2017年8月，公司以8000万美金收购Kaiam的6寸晶圆厂，旨在扩产自己的VCSEL晶圆产线，用于制造砷化镓、碳化硅和磷化铟材料复合半导体器件。

此次收购将强化公司在VCSEL方面竞争力，拓展在6英寸砷化镓、碳化硅和磷化铟器件方面制造能力。

同此，也使得公司能够切入快速增长领域，如3D传感、5G、电动汽车以及数据中心通信等。

II-VIIncorporated2018财年第3季度在半导体终端设备市场的销售额几乎翻了一番，但其新兴的3DSensing市场出货量低于预期。

但是II-VIIncorporated表示，对于未来3DSensing市场仍然看好，并相信公司的战略基础是完整正确的。

目前，公司正在加快建设技术层面和产品路线图，这能使公司可以建立并提升差异化能力。

同时，公司将继续和3DSensing客户合作，扩大市场渗透率并且组建更广泛的产品组合，实现包括汽车和工业市场在内的多元化销售终端市场。

同时认为未来3DSensing将在自动驾驶汽车和家庭自动化上大放异彩，预期将在2019年后期看到显著的成果。

苹果3.9亿美元投资Finisar用于扩产VCSEL

Finisar公司是全球最大、技术最先进的光通讯器件供应商，为电讯设备及服务商、光学显示、安全系统、医疗器械、环保设备、航空及防御体系提供光学组件、模块及子系统。

在VCSEL技术及其产品应用方面，Finisar提供3大

系列VCSEL器件，包括高能、单模、多模，产品种类近30种，并且器件耦合性好、发散性低，光束发散角度控制在12-15度，产品最高工作温度高达60度。

在VCSEL制造技术和生产能力方面，公司保持每年1.5亿件VCSEL出货量。

2017年12月，Finisar成功打入苹果3DSensing供应链。

苹果公司通过旗下先进制造基金向Finisar授予3.9亿美元预付款，主要用于支持Finisar研发和批量生产VCSEL激光器。

Finisar于2017年8月开始已经开始批量供应3DSensing方面应用的VCSEL激光器芯片，并利用苹果的投资在德克萨斯州的Sherman市重新开设一家原已关闭的工厂。

该厂房将专门用于开发和生产VCSEL6寸晶圆。

该芯片可实现深度感知和接近感知，可应用于FaceID,，Animoji和ARKit等功能，并预计于今年下半年该厂房可以开始批量供应。

同时，Finisar开启在中国无锡制造基地厂房的三期工程。

Finisar无锡制造基地的只要制造成品中包括可调合并行收发器、WSS模块、ROADM线路卡、无源器件以及VCSEL和探测器的高端光子系统等。

在2018财年第4季度，公司的财务表现不佳，但2019财年的收入增长和毛利率已出现改善趋势，预计2019第2季度VCSEL激光阵列用于3DSensing的需求会增加，因为有客户在此区间会推出新产品。

公司除了在消费和汽车应用VCSEL外，也已开始开展其他领域的应用，在年底有望于获得使用6英寸晶圆的认证，这可以显著提升公司的产量。

目前，Finisar认为，近期的3DSensing主要应用以手机为主，但是预计在2019年到2020年初，将会看到汽车等其他领域对3DSensing的应用。

AMS收购Princeton拓展VCSEL业务

2017年7月，AMS宣布完成收购PrincetonOptronics，Inc100%股权的交易。

PrincetonOptronics公司致力于开发并供应高性能VCSEL，VCSEL能够为智能手机、消费类产品、汽车和工业应用带来差异化的高性能。

在手机和消费

类市场，PrincetonOptronics公司树立了能效和光束发散精确控制的行业标杆，为其应用创造了优势。

在汽车和工业市场，PrincetonOptronics公司的技术可以实现高温运行，并能提供高功率脉冲激光器和激光器阵列，以支持未来的汽车和工业应用。

VCSEL预计将在人机界面应用的光学传感器解决方案中获得大量应用。

未来几年，智能手机应用中日益广泛采用的3D传感将加速VCSEL光源的市场增长。

PrincetonOptronics公司通过与台湾、美国以及英国的合作伙伴，打造了大规模外包供应链。

AMS首席执行官AlexanderEverke对此次收购评价道：

“AMS本身能够提供包括滤波器在内的光学传感器，收购Heptagon公司（2016年10月）后获得了光路光学相关技术和产品组合，此次收购增加的光源技术及产品将进一步扩展AMS光学传感器解决方案的供应能力。

凭借扩充的产品线，AMS将能够为移动3D传感和成像、汽车自动驾驶等未来增长市场，设计并制造最完整最差异化的光学解决方案。

图表37：

VCSEL设计厂商近期动态

3.4.2、VCSEL外延片供应商：

IQE、全新等积极布局

IQE：

苹果iPhone系列VCSEL外延片唯一供应商

IQE公司是一家位于英国威尔士海港城市卡迪夫的硅晶圆公司，其致力于半导体产业科技前沿超过25年，被认为是半导体行业先进晶圆产品和晶圆制造服务的全球领先供应商。

IQE的核心业务是外延技术，是各种终端市场应用的

技术推动者。

IQE制造的晶圆产品被全球主要芯片公司用于生产能够实现各种高科技应用的芯片，主要经营市场包括无线通信，先进太阳能（CPV），高分辨率红外系统，高效LED照明，高效电源开关以及一系列使用先进光子激光器和探测器的消费和工业应用。

IQE是VCSEL产品的市场和技术领导者，具备能够实现光学互连的化合物半导体技术。

2013年，IQE与飞利浦签订磊晶片供应合约，并共同开发终端市场应用的垂直腔面发射激光器（VCSEL）产品。

截至2017年中旬IQE在外

延片市场份额上占比已达到60%，近期其法人代表更是向相关媒体透露公司在VCSEL晶圆市场占有约80%的份额，并且在终端市场供应几乎所有公司。

图表38：

2017年外延片市场占比情况

资料来源：

StrategyAnalysis

IQE公司生产的硅晶圆为3D传感器使用的VCSEL所必须部分。

公司在2017年传闻成为苹果公司新iPhoneVCSEL激光器供应商之后在短期内股价暴涨大约400%。

据外资分析师分析，2019年IQE的传感器业务仅来自苹果的营收就有希望达到5000万美元。

随着VCSEL技术的不断成熟和应用范围扩展，VCSEL的市场需求不断扩大，IQE公司通过了产能扩张计划。

18年2月，IQE宣布公司将增加一条新的生产线来生产相关的VCSEL元件，目前公司仍是苹果公司iPhone系列唯一的已知VCSELEPI外延片供应商。

全新光电：

有望成为第二家苹果VCSEL外延片供应商

台湾厂商全新光电已积淀了将近15年的外延与芯片技术，目前也已经送样VCSEL外延片至苹果公司，虽然仍需等待苹果公司的产品审核，但公司已将加入苹果iPhone系列手机和其他设备的VCSEL3D传感器供应链列为2018年公司主要业务目标之一。

一旦此次审核通过，全新光电有望成为苹果公司除IQE之外的第二家VCSEL外延片供应商。

有消息透露公司将于2018年第2第3季度开始生产6英寸VCSEL外延片。

图表39：

EPI外延片供应商布局

3.4.3、亚洲晶圆代工厂商积极发展VCSEL谋求市场份额

台湾晶圆代工厂商稳懋于去年借助美国厂商Lumentum，成功打入苹果公司iPhoneX人脸识别系统中的3DSensing元件供应链，公司去年业绩也因此增长迅猛。

虽然苹果公司为了分散供应链风险开始寻求其他多家供应商，但稳懋方面对此仍保持乐观态度，因为目前应用在手机3DSensing元件上的VCSEL都是利用6英寸设备生产，而其他厂商从4英寸设备改为6英寸需要技术革新和时间，短期之内不会对稳懋造成实质性竞争威胁。

稳懋今年将支出约70亿元新台币用于采购设备和添置生产线以满足下半年客户产能需求。

此外，晶电近日宣布分割半导体代工业务，成立全权控股子公司“晶成”，晶成将专注于VCSEL及GaNonSi电力电子元件等半导体代工业务，VCSEL事业方面4英寸将以数据通讯为主，而6英寸则锁定3DSensing。

晶电的VCSEL

产品目前以供应资料中心传输应用为主，公司表示，将持续更改机台、扩大VCSEL产能建置，预计今年将有更多机台投入VCSEL量产并提升VCSEL产能25%。

除原有应用于资料传输的VCSEL磊芯片外，晶电将于今年推展应用于感测的VCSEL产品。

据外资预估，晶电将从第2季开始生产苹果iPhone使用的VCSEL，而Android的VCSEL产品将于下半