3D Sensing核心元件VCSEL.docx

1、3D Sensing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 3D Sensing 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，3D Sensing的主要应用以手机为主，iPhone X 首次搭载 3D 结构光模组，引领 3D Sensing消费市场。苹果 3D Sensing 供应链较为完善，Lumentum、II-VI 、Finisar、IQE等均已加入其中。未来几年 3D Se

2、nsing 市场规模将快速增长，到 2023 年 3DSensing 的市场空间可达 180 亿美元，2018 年-2023 年复合增速达到 44%。其中，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高， 3D Sensing 渗透率有望从 2017 年的 2.1%提高至 2020 年的 28.6%。3、3D Sensing核心元件VCSELVCSEL 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 3D Sensing 走入应用，在活体检测

3、，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，iPhone X 首次搭载 3D 结构光模组，引领 3D Sensing 消费市场。目前，全球 3D Sensing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 3D Sensing 领域。据预测，未来几年 3D Sensing 市场规模将呈几何式增长，到 2020 年 3D Sensing 市场规模可达到 108.49 亿美元 2

4、023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，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高， 3D Sensing 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VCSELVCSEL(Vertical-cavity surface-emitting laser)，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

5、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 150m 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

6、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-emitting laser）和垂直腔面发射半导体激光器 VCSEL 两种类型

7、。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

8、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 26：850nm LED VS 850nm VCSEL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，3D Sensing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，

9、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3D Sensing 市场规模快速增长（$ M ）资料来源：Yole 据 Trend Force 统计，到 2017 年年底，全球 3D Sensing 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 3D Sen

10、sing 市场规模将不断扩大。Trend Force 预测，未来几年 3D Sensing 市场规模将呈几何式增长，到 2020 年，3D Sensing 市场规模可达到 108.49 亿美元。其中，3D Sensing 在智能手机市场上的渗透率不断提高，3D Sensing 渗透率有望从 2017 年的 2.1%提高至 2020 年的 28.6%。据 Deutsche Bank 统计，2017 年搭载 3D Sensing 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 3D Sensing 模组在 Android 手机上进行使用，

11、智能手机市场 3D Sensing 模组需求扩大。据预测，2020 年搭载 3D Sensing 模组的 iPhone 手机数量将达 4.4 亿台，搭载 3D Sensing 的 Android 手机数量将达 4.65亿台，3D Sensing 在智能手机上搭载率将达到 38%。图表 29：2017-2020年全球 3D sensing市场规模预测及智能手机市场占比资料来源：Trend Forc 图表 30：智能手机市场 3D Sensing 模组搭载情况预测资料来源：Deutsche Bank3.3、3D Sensing 技术成熟，苹果 iPhone X 搭载 3D 结构光模组，推动消费升级

12、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 3D Sensing 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 3D Sensing 领域，iPhone X

13、 搭载 3D Sensing 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 iPhone X，其搭载的 3D Sensing 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。iPhone X 采用的 3D Sensing 核心元件包括点阵投影器（Dot projector）、接近传感器（TOF）和泛光照明（Floodilluminator）等。iPhone X

14、 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True Depth设计图表 33：iPhone X红外点阵投影器封装结构图iPh

15、one X 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 3D Sensing 技术，引领 3D Sensing 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Mantis Vision编码结构光方案。OPPO的FIND X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 3D Sensing 设备。3.4、VC

16、SEL 供货商看好手机 3D Sensing 市场，苹果 3D Sensing 供应链趋于完善自苹果手机 iPhone X 搭载 3D Sensing 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

17、过 3 颗。3D Sensing 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 34：3D Sensing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 3D sensing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

18、 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 3D Sensing 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

19、望成为 VCSEL 及 3D Sensing 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 3D Sensing 的增长做出巨大贡献。公司在 3D Sensing 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-VI IncorporatedII-VI Incorporated 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

20、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、 3D sensing 的推动下，仅 VCSEL 产品的市场规模就将达到20 亿美金。在 3D Sensing 方面，随着市场的不断扩大，II-VI Incorporated 增加了研发和生产投入。2017

21、 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-VI Incorporated2018 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 3D Sensing 市场出货量低于预期。但是 II-VI Incorporated 表示，对于未来 3D Sensing 市场仍然看

22、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 3D Sensing 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 3D Sensing 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 VCSELFinisar 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

23、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 3D Sensing 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

24、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 Face ID,，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

25、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 3D Sensing 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 3D Sensing 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 3D Sensing 的应用。 AMS 收购 Princeton 拓展 VCSEL业务2017 年 7 月，AMS 宣布完成收购 Princeton Opt

26、ronics，Inc 100%股权的交易。Princeton Optronics 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，Princeton Optronics 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，Princeton Optronics 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 V

27、CSEL 光源的市场增长。Princeton Optronics 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Alexander Everke 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、VCS

28、EL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

29、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：Strategy AnalysisIQE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iPhone VCSEL激光器供应商之后在短期内股价暴涨大约 400%。据外资

30、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 VCSEL EPI 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

31、系列手机和其他设备的VCSEL 3D 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 iPhone X 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

32、稳懋方面对此仍保持乐观态度，因为目前应用在手机 3D Sensing 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 GaN on Si 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 3D Sensing。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