大咖热议｜VCSEL多极化渗透的机遇与挑战

作者：闻远

12月2日，《 》杂志社携手牛津仪器举办以“VCSEL的未来机遇及挑战”为主题的在线研讨会，来自 业内的行业专家发表了精彩主题演讲，吸引了500多名观众在线围观。演讲嘉宾包括：维高应科光电有限公司（VIGO）亚太区总经理廖明智博士、牛津仪器（Oxford Instruments）光电产品经理邓丽刚博士，以及老鹰半导体首席科学家莫庆伟博士。

演讲后，由《化合物半导休》主编陆敏博士主持的圆桌论坛形式深刻剖析了VCSEL广阔的市场机遇和技术挑战。

VCSEL疆界不断延伸

VCSEL（垂直腔面发射激光器）是一种半导体器件，顾名思义，其激光垂直于顶面射出，与一般切开式独立芯片工艺激光由边缘射出的边射型激光不同。它具有光电转换效率高、发散角小、光束质量好、波长稳定性好、可靠性高、阈值电流小、功耗低等优点，且易于与光纤耦合，易于单纵模发射和实现高调制频率，加上易于制备二维发光阵列，大批量生产成本可控，是3D成像、识别感测模组的关键器件，广泛应用于光通信和互连、数据采集和传输、消费电子3D成像、数据中心及云计算、物联网、自动驾驶、生物医学、工业等领域。

Yole最新报告《VCSEL——2021年技术和市场趋势》指出，在数据通信和移动应用推动下，预计全球VCSEL市场将在2026年达到24亿美元，年复合增长率为13.6%。其最大市场手机和消费电子预计同期将达17亿美元，年复合增长率为16.4%。目前，数据通信是VCSEL第二大市场，预计2021年将产生4.3亿美元的收入，2026年将达到5.66亿美元，年复合增长率为5.6%。

VCSEL市场预测

报告指出，多结技术代表VCSEL行业的下一个飞跃，将加速VCSEL在汽车领域的应用，激光雷达（LiDAR）就是一个典型的应用场景；数字时代推进的光通信及消费电子终端的迅速发展，特别是5G基站网络结构的变化增加了对高速光模块的需求，这些都将为VCSEL带来更多市场机遇，当然也有一些技术挑战。

缺乏标准，定制影响推广

廖明智博士从一张4年前的iPhone 12照片开始，解读了VCSEL市场掀起的风潮，特别是近年来一些厂商发布的车用激光雷达技术；深入探讨了目前VCSEL制造方面的一些问题，以及VCSEL技术在相关领域发展进程中扮演的角色。

VCSEL浪潮从这里开始

他指出，iPhone的Face ID拉开了VCSEL在消费浪潮中广泛应用的序幕，这一趋势过去几年一直在进一步延伸和渗透。相应应用反过来也对VCSEL的性能、可靠性和成本提出了更多和更高要求。

在制造模式上，Apple基本上采取通信元件的做法，有外延、芯片、封装厂商，Apple作为应用厂商负责整个生态圈。而非Apple手机的CPU目前还不支持激光雷达功能，不过很快就会看到更多的应用。如果VCSEL要继续往下走，整个供应链必须有更多的合作，才能够把市场打开。

关于车载VCSEL应用，他表示，有几个重要参数需要考虑，包括视野、发射角度、探测范围和对象。相比消费类产品，激光雷达的发射范围有明显不同的要求，前者10m范围、小功率就能够满足需求，而VCSEL用于自动驾驶车辆其探测距离和功率都必须大幅提高，性能及可靠性的要求也要显著提升。

VCSEL器件的重要参数考量

另外，生产厂商的产能以及制造芯片和模块的成本是不是能够符合VCSEL器件进入市场的基本要求，也是VCSEL未来发展的一个重要考量。目前，VCSEL还缺少相关标准，生产厂商只能根据客户要求定制，影响了产量和成本效益。

他认为，VCSEL应用有方兴未艾之势，厂商如雨后春笋般出现，不过行业还处于黎明前的黑暗，因为任何商业上切实可行的作法必须经业内专家反复钻研，并由市场来检验。

多管齐下保证刻蚀工艺质量

邓丽刚博士着重介绍了怎样根据应用来优化VCSEL刻蚀工艺，探讨了影响刻蚀工艺结果和器件性能的一些因素，并给出了更适合控制批量生产的终点检测方式，以保障产品的高度一致性，提高产品良品率。

工艺参数对蚀刻工艺的影响

她认为，精确控制形貌对于VCSEL刻蚀工艺至关重要，而侧壁和表面的光滑程度在VCSEL工艺要求中更是重中之重。在器件刻蚀时，并不是单纯为了做出刻蚀结果，而是希望刻蚀出来的器件能够工作，其光学性质和电学性质都要好。要达到这一点，就要准确控制尺寸，因为尺寸会影响转换功率和效率，即输入输出比，也会影响阈值电流，还包括激发和每个激光束的质量和偏振模式。

在刻蚀深度方面，不同客户有不同要求，但对做工艺的人来说，最重要的是要有重复性，能够保证每次都刻到同样的深度。当然，不仅仅要刻蚀到同一个深度，还要选择低损伤刻蚀，保证不出现大损伤。另外，因为形貌会影响电场分布均匀性及绝缘问题。也必须保证刻蚀表面和侧壁光滑，有残留就会增加其电阻值或影响击穿电流。这些都是需要在做工艺之前考虑的因素。

可控的Mesa尺寸工艺

她还谈到，在刻蚀之前要先做掩模，其质量对下一步刻蚀非常重要，因为选择的掩模材料应该不会被刻蚀气体刻蚀掉，但这并不意味着掩模在刻蚀中不会被刻蚀。由于离子轰击，掩模在刻蚀中会被打掉一些，使其形状受到影响。VCSEL结构刻蚀有两个要求，有些客户需要倾斜刻蚀，有些客户要求垂直刻蚀，必须分别对待。

她强调，掩模的准备很重要，在掩模刻蚀中要调节好气体配比和功率等。掩模准备时，如果侧壁不光滑，呈现锯齿状，就会像复印机一样将锯齿状掩模图像复印到下面，这种侧壁粗糙很难在后续刻蚀工艺优化中解决，所以一定要保证做掩模侧壁非常光滑，这样下一步工艺就会相对容易。

VCSEL从消费走进汽车

莫庆伟博士主要介绍了VCSEL技术在智能感测及汽车雷达中的应用，系统分析了VCSEL独特的芯片架构、优异的光电性能和日趋成熟的规模量产情况，以及以车用激光雷达为代表的一些崭新应用场景对VCSEL芯片及封装、驱动和集成技术形成的挑战和潜在的解决方案。

VCSEL基本结构

他表示，激光雷达现在还有很多技术路线之争，基于VCSEL和SPAD（单光子阵列）的紧凑型全固态解决方案只是众多方案之一，很多人对这个方案抱有极大的希望。与Apple的激光雷达扫描模式不一样，Ouster选择了VCSEL加SPAD，其架构基于纯芯片，没有移动机械结构，且只有纯芯片方案才能够受益于摩尔定律，VCSEL和半导体晶圆工艺非常吻合。摩尔定律的每一步都伴随半导体芯片的发展，会让VCSEL加SPAD的生态方案受益。当然，现在的竞争者还有905nm、1500nm和MEMS等，各有利弊。

另一种基于VCSEL加SPAD阵列的类似解决方案，能够实现二维扫描，做出的激光雷达方案体积非常小，已用在了长城摩卡SUV。它已不是实验室的一个概念，真正用到了量产车型上，让整个业界充满了期待。

另外，Valeo 2021年也推出了第二代SCALA，同时还推出了一个近场激光雷达，除了前照，后者可以在车辆4个角代替现有毫米波雷达或超声波雷达，实现防撞避障、倒车等功能。这对未来VCSEL在汽车上的应用意义非常重要，能够让使用场景变得更加丰富。激光雷达不一定要马上做到100m-300m，50m也有很多用处，可以将其集成在后视镜中，既体积小又漂亮，而VCSEL加SPAD是小体积方案的首选。

他指出，纵观从Apple刷脸到背后的激光雷达扫描，VCSEL正逐步从消费电子走进汽车。行业对VCSEL的要求包括高清晰度、小体积、高功率密度和高效率，支持消费电子的长续航时间，以及通信应用的高速度，尤其是大功率短脉冲，皮秒级的上升沿和下降沿。所以，越来越丰富的应用场景正在倒逼VCSEL要做些什么。

机遇突显，挑战犹存

研讨会最后的圆桌论坛——VCSEL的未来机遇及挑战由陆敏博士主持。4位博士畅所欲言，各抒己见，表达对VCSEL技术应用愿景的期许。

邓丽刚博士：在VCSEL领域，目前国内企业比国外企业活跃很多，新的设计和方案层出不穷，期待国内VCSEL行业能够做到更快、更强、更高效、更集成。

莫庆伟博士：未来社会的技术和科技的主旋律是5G加AI，VCSEL非常碰巧可以同时服务于5G和AI，所以对VCSEL的未来前景充满期待。

VCSEL的期许

廖明智博士：一句话就是，一家烤肉万家香。VCSEL应用已经看到光明前景，希望所有厂商都能够投入其中，共襄盛举，更希望国内有主导性的厂商集合大家一起把事情做好，更快实现目标和愿景。

陆敏博士：VCSEL是一个比较传统的激光技术，恰恰遇到了新的半导体时代。它有各种应用场景，除了消费类和车用，还有工业应用、IoT、智能家居等，所以我们对VCSEL寄予很大希望，在大家的努力下它将迎来美好的明天！

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