圆桌论坛之中国VCSEL 产业
材料来源：化合物半导体杂志
VCSEL 技术最初是在通讯设备和�？榱煊虻靡猿墒煊τ�，近几年由于在手机人脸识别的海量需求而成为消费类电子元器件产品，接下来也预期将在汽车电子领域及其它 3D 感测市场得到广泛应用。业者关心在这一巨大市场需求趋势下，中国作为全球应用市场的领导者能否因此带动本土全产业链取得相应的巨大进步，包括 VCSEL 激光器芯片的设计、制造工艺和材料及相应的制造设备等等，在各个产业链重要环节有哪些重要技术难点需要攻关？就此，我们采访了几位业内专家。
陆敏博士：中国的供应链准备情况如何？我们是否已经能我们是否已经能够提供国产化的 VCSEL 芯片，它是否已经足够成熟了，国内与国际上知名公司进行比较，差距在哪里？这个问题偏产业，请 Ryan 博士先分享。
Ryan 博士 ：VCSEL 产业链主要包括设计 -外延 - 封装 - 测试 - 应用推广几大环节。近几年，国内这几大环节发展很快。设计这块，国内崛起了多家设计公司，纵慧已经完全做到自主设计，自有知识产权，产品性能业界领先，所以器件设计环节我们与国外的差距较小。外延环节，国内处于起步发展阶段。
纵慧在外延这块走得相对靠前，在国内率先建立了 6 英寸外延产线能力，已经导入量产。在外延材料生长方面我们有很多积累，但更基层的材料比如衬底、气源对国外的依赖比较高，这也是整个产业链需要关注的点。制程这块，大陆处在发展阶段，与欧美、台湾成熟的厂商 / 代工厂有一定差距，需要一定时间和经验积累去赶上。封装测试国内资源比较多，像 3D 传感模组级别的封装，国内模组厂已经非常成熟了。
应用这块 ：国外前沿应用开拓更活跃，会带动对 VCSEL 新技术的开发，牵引作用相对较强 ；国内优势是市场需求量非常大，一旦出现很强的刚性需求，相应的产业链响应能力很强。国产 VCSEL 和进口 VCSEL 在性能和可靠性方面，以纵慧为代表的国产 VCSEL 已经基本能与国际先进水平比肩，差距可能主要在公司体系制度，体量规模，出货记录等方面。
目前纵慧有几千万颗 VCSEL的出货量，国内第一，在国际上处于第一梯队，不过与国外最大厂的出货量相比还有一定差距。
陆敏博士：VCESL 在光通讯领域时间更长，请佟博士分享一下在光通讯领域产业链的情况。
佟博士 ：目前国内做 VCSEL厂商有 20 家，做 DFB 的大约有15 家。20 家里面做通讯的比较少，主要还是像纵慧这样做光应用的比较多，因为这块市场比较大。高速通讯的市场尤其是 850 VCSEL 市场要小很多，国内厂商我知道的只有 2、3 家做高速 850光互联芯片的，做的比较好的是泰州华芯半导体，目前已经实现了 25 Gbit/s 的长寿命的，可靠性也通过了头部厂家的验证，还有三安光电，也是能够实现了 25G，也做了很多可靠性测试，其他就比较少了。这两家公司特点是，都是自己做外延。从外延到全套的工艺都是全的。
陆敏博士 ：外延主要是砷化镓的衬底，这个衬底的国产化率是多少？
佟博士 ：镓砷铟磷衬底的国产化率是很不错的，零几年中科镓英等好几家公司就在做衬底，做得都很不错，包括华为也战略投资了好几家做镓砷衬底、铟磷衬底、碳化硅衬底的公司，衬底的问题不太大，问题较大的是原材料大部分需要进口，国内也有公司在做但用的情况还不太清楚，另外一个卡脖子的问题是砷化物和磷化物的 MOCVD 主要还是从德国 Aixtron 进口，不像氮化物的设备基本已经实现国产，现在很多公司还能买砷化物、磷化物 MOCVD，但很多研究所已经买不进来了，所以相对于材料来讲这个是很大的问题。
陆敏博士 ：纵慧的器件芯片是代工的，为什么选择代工？以后有没有计划自己建厂？自己建厂生产会不会更有成本优势？
Ryan 博士 ：我们主要面向消费电子市场，用的 6 寸砷化镓这样的工艺平台。而射频器件也是用 6 寸砷化镓这样的工艺，射频器件的量比 VCSEL 要大很多，产业链相对很成熟；全球大的代工厂的制程完备、产能也都很充足；价格方面因为有射频器件量的带动，比自己建厂更有成本优势。因此在 3D 消费电子 VCSEL 这块今后我们也会沿用代工模式。
陆敏博士 ：VCSEL 技术目前在市场正逐步渗透，原来主要在通讯，现在在消费电子，接下来也会在汽车电子领域，在 3D 感测市场也逐渐在渗透，想请 Ryan 博士分享一下，您预计 VCSEL 需求在未来 3-5 年内会是什么样的情况？
Ryan 博士 ：我从三个领域分享一下。首先是手机，目前这是存量最大的一个市场，其次是除手机之外的消费电子，第三个是车载电子。手机这块的 3D 感测可以看到苹果走得很坚决，iPhone 12 除了前置 Face ID, 后置现在也上了 LiDAR Scanner 3D 传感方案，他们在整个 3D、AR、VR 这块的布局很深远的，很坚定地在走这个路线。安卓手机阵营也在慢慢沿着这个潮流往前走，但目前安卓手机的渗透率相对较低一点，一些厂商还是在观望，看看是否有爆款应用出现。
其他消费电子比如智能家居，包括扫地机器人，智能门锁之类的，现在 3D 传感应用的量慢慢在起来。另外像一些机器人，无人机等领域，也在开始启用3D 传感方案。
第三块大的领域—汽车电子领域应用主要是激光雷达，这块市场潜力是非常大的 ；尤其是等高端辅助驾驶或是无人驾驶开始普及起来的话，这将是一个海量的市场，但可能还需要几年时间成熟，才能到大规模上量的阶段。激光雷达各种方案大家在市场上可以看到很多，目前处在一个群雄逐鹿的阶段，VCSEL 的方案在激光雷达各种方案里从可靠性以及性价比来看还是很有竞争力的，我们看好这块市场。
陆敏博士 ：刚刚说到安卓阵营在观望，汽车电子领域也有微波的技术。您认为影响 VCSEL 技术市场市场渗透程度和渗透速度的原因是什么，是成本吗？
Ryan 博士 ：我们认为主要是需求本身吧，终端用户有没有看到刚需或是爆款应用 ; 苹果 Face ID 解锁是一个很好的应用例子，具有非常方便实用的功能，所以苹果一直很坚定地在采用 3D 传感方案。后置的 3D 传感方案带来的功能，比如 3D 建模、AR/VR 的游戏、摄影的背景虚化这样一些应用也开始慢慢起来了。尤其是游戏这块，随着 3D传感技术平台的成熟，大家可以开发游戏的种类会越来越多，这块的前景是非常好的。但是可能还需要一些时间的积累，目前还没有出现比较多爆款游戏让大家感觉一定要去买这样一个功能 ；而手机厂会不会上这样的硬件最终还是看用户会不会为这样的功能买单。至于成本方面，如果有量的带动，成本是有可调整空间的。
陆敏博士 ：消费电子是一个成本敏感的领域，如果成本有更多压缩空间，对市场应该会有更大的推动作用。成本肯定和良率有关，您认为在 VCSEL 制程里有哪些关键工艺会影响它的良率？
Ryan 博士 ：最重要的是外延本身，即外延的设计和生长出来的质量怎么样，对 VCSEL 良率有很大的、直接的影响，所以这也是外延这块我们选择自己掌控设计与生长的原因。制程过程中刻蚀、薄膜沉积，还有氧化的工艺，对器件的性能和良率也是比较关键的。
陆敏博士 ：说到制程，有请牛津的邓博士分享一下吧。
邓博士 ：说到市场的发展，Ryan 博士和佟教授已经讲的很清楚了，Ryan 博士和佟教授比我们更理解真正的市场需求，根据 YOLE 的市场估计，在下面 2-5 年之内，这个市场的主要需求还是来自手机市场，随着 Android 手机开始采用 VCSEL 器件，VCSEL 的需求才会有一个比较大的增长，另外，VCSEL 应用在自动汽车的 LiDars 上也在慢慢成熟，比如 AMS 和 Lumentum 都发布了他们已经可以提供这一类的器件。
从市场对 VCSEL 器件技术要求来说 Ryan 和佟教授比我们懂得更多，从我的理解呢，主要分为三个部分 ：器件的性能，可靠性和成品率，我们作为设备供应商，我们可以考虑的或者是能够提供的就是怎样提高刻蚀或者沉积可控性，低损伤，侧壁的光滑程度，我主要讲一下刻蚀，沉积部分由黄博士来补充。
器件的性能，前面提到，和优化的器件设计以及高质量的外延是息息相关的，也是最主要的因素。但是高质量的刻蚀对器件性能也是会有影响的，器件的可靠性和成品率这个和器件的制作工艺紧密相关，比如刻蚀的均匀性和重复性�；谖颐嵌哉庑┑睦斫�，我们牛津仪器在工艺研发上下了很大的功夫，刚才黄博士已经介绍了我们可以提供的用于 VCSEL 的刻蚀和沉积工艺。
就刻蚀工艺来说，我们是首先进行了大量的工艺优化，比如哪个气体更适合这个工艺，可以得到非常光滑的侧壁，因为我们认为光滑的侧壁对下一步的氧化很重要，还比如怎样得到一个非常小的 footing ？大家知道用氯基类的气体刻蚀 GaAs/ InGaAs, 是一个化学反应占主导的刻蚀，所以 footing 会很大，因为 VCSEL 的刻蚀主要是刻蚀 DBR 层，层间的厚度大概在 100-200 甚至 300 纳米，所以大的 footing 可能会导致你的刻蚀会停在不同的界面上，我们所提供的工艺注意了这一点，如黄博士所展示的，我们不仅可以得到 low footing，并且还可以控制这个 footing，这是我们牛津仪器的特有工艺，相关的专利正在申请之中。
另外我们在设备的硬件上也进行了优化，使 6 寸 wafer工艺的均匀性从原来的 5% 左右提高到小于 3%，多数时候不到 2%。在这个基础之上，我们进行了马拉松工艺测试，通过这个马拉松，我们进一步改善了工艺和系统硬件，以达到 SEMI S2 的标准，我们的马拉松测试一共用了 1425片 wafer，一共刻蚀了 7450 微米深，所有的工艺和硬件都达到了我们事前跟进 SMEI S2 设定的目标，所有我们牛津仪器在 VCSEL 这个市场上的投入是非常大的，也是我们公司主要专注的一个方向。
黄博士 ：关于可靠性和成本 , 不管是薄膜沉积，或刻蚀都拥有相似的策略与规划。牛津仪器投入大量的马拉松测试和设备的开发。达到设备成本 CoO 降低与可靠性提升的目标，大家可以回想另一个观点 ：硅基半导体市场为什么芯片可以卖得便宜，为什么 VCSEL 的价格目前还偏高，最关键在于良率和量产成本，我们做过初步的运算，发现成本下降的速度会随着放大的产能达成曲线交叉，代工或芯片制造从原本一个月几百片，到上万片的时候，就可以实现成本下降，不管是 PECAD, ALD，或是刻蚀设备，都拥有相类似的成本控制模型。
陆敏博士 ：请佟博士分享一下长波长 VCSEL 目前的成熟度和最有前途的设计方案或波段
佟博士 ：如果是从传感应用角度，长波长 VCSEL 现在已经验证到 3-5 米波段也都有的，如果是从光通讯来说，1.3 微米和 1.5微米波长来说，目前来说性能比较好的还是键合的方式。但 1.3 微米 GaInNAs 量子阱具有潜在优势，因为它能够和 GaAs 基 DBR 兼容，大面积生长，这样可以实现 6 英寸 wafer 的批量制备，这样就有可能让 1.3 微米的低成本高速器件得以实现。
键合是把磷化铟跟砷化镓键合在一起，它能否规�；桃涤τ没谷【鲇谒� 1.3 微米 DFB 在成本方面的竞争，毕竟后者现在成本已经降了很多了。但 1.3 微米不仅铟磷衬底成本高，工艺复杂也导致器件高成本。当然键合的成本也不是很低，所以未来如果 1.3 微米的 DFB 想追求更高速率比如 50Gbit/s 以上的速率，在 150 微米以下更短腔长方面遇到技术瓶颈，这时候就有可能会有一个驱动力，让人们回过头来考虑 VCSEL 能否克服这个瓶颈。那个时候GaInNAs 可能会有一定的发展优势，目前来看，还是键合为主。
陆敏博士 ：请佟博士也分享一下目前短波方向的发展状况
佟博士 ：这种 VCSEL 的结构，短波方向不仅红光、绿光都能做，包括有机激光也是利用这种结构，还有蓝光 VCSEL、镓氮基的 VCSEL，国内国外也有很多人在做。虽然我本人不做镓氮基 VCSEL，但我也看了一些文献，镓氮基 VCSEL 应用主要是光存储、显示、光通讯、照明等，但从它自身特点而言，我认为最可能的应用是可见光通讯上，在显示上以 VCSEL的功率可能还达不到应用要求，而且成本还高 ；光存储的市场现在也在萎缩 ；如果它能实现很高的速率的话，最有可能还是在 LIFI。
目前基于 LED 的可见光通信速率也就是几百兆比特每秒的水平，LED 的速率肯定不如激光器，如果 VCSEL 能把高速这个问题解决了，它有可能是实现了一个可见光的、跟我们现在的照明灯集成在一起，可以实现 G 或几十 G 比特每秒的传输率，那么未来可能在 6G或者其他场景会有更好的应用。目前，沙特 Kaust 大学做到 GHz 的带宽，如果能进一步提高，就有望在 LIFI 以及未来 6G（30 米以下的传输距离）上有一个规模化的应用。
陆敏博士 ：请邓博士分享更大尺寸的材料和器件的情况。
邓博士 ：IQE（去年 11 月份）报道了用Ge 衬底替代 GaAs 衬底，用 Ge 衬底，就有机会把现在 6 寸的 VCSEL 芯片提高到 8 甚至是 12 寸，这样可以大大提高产能，据他们的报道 Ge 衬底的平整度比 GaAs 的衬底要高几个数量级，但是这个什么时候可以市场化，还不是很清楚，从对 VCSEL 的新要求，从近期可以看到的就是对长波段的 VCSEL 需求，已经有好多科学家和研究小组在这个领域进行研究，如果想得到对人眼安全的激光器，可能需要引入新的半导体材料比如在 InGaAs 中加入 N, Sb-GaInAsNSb, 但这个现在还在研究阶段，怎样变成产业化的产品和降低成本还面临一个巨大的挑战，佟教授已经介绍了很多 PCSEL，最近我们也会被经常问到 PCSEL的器件工艺，怎样把光子晶体那么小尺寸的图形刻蚀出来以及转移到整片 Wafer 上是一个挑战，我让黄博士介绍一下我们是怎样应对的吧。
黄博士 ：牛津在 VCSEL 组件开发上，尤其是针对刻蚀 MESA 的 footing 控制，或纳米等级细线宽的工艺调制，都已经有一定的基础和数据库，最关键的是我们一直和目前的用户持续合作和开发下一代产品所需的工艺菜单，对应一些特殊的应用 , 例如光子晶体结构等，由于涉及各个公司的专利和保密协定 , 这里就不方便跟大家做进一步讨论，我们对设备和工艺的菜单有很明确的了解。任何特殊应用都可以从资料库里找到相应的数据 , 回应客户的需求。
陆敏博士 ：我还想问黄博士一个问题，我看到斜切面用 IBE 来刻蚀，第一个问题是你用的什么粒子？第二个问题是 IBE 的损伤会比较大，您做的时候如何控制损伤问题？
黄博士 ：的确最后有一个比较特殊的应用，针对侧面出光的铟磷 (InP DFB Laser),藉由 IBE 斜向刻蚀达到正面出光效果。因为 IBE 是一个高度直线性的刻蚀源、在比较高的真空条件之下 (10-4 Torr)，让等离子体是直线飞行去刻蚀倾斜的芯片达到倾斜的效果。使用的气体为了增加刻蚀速度，主要是氯基配合氩气来达成。确实它的轰击是比较大的，特别是氩气所造成的物理性轰击，对于损伤控制，通常有两种方法避开 ：第一个是我们使用的是高的等离子体密度搭配低偏压的加速 ,让加速碰撞性低一点 ；第二个从组件端设计 , 让斜面刻蚀在组件的非有源区 ( 被动区 )，保护铟磷的有源区域或者是有光电特性的位置不受等离子体轰击，这样可以大大降低电性损伤的疑虑。
陆敏博士 ：最后一个问题想问 Ryan 博士，在您的报告中看到有多结 VCSEL 很有新意，它的功率会大大增加，但我有一个疑问，多结意味着外延和外延的复杂性以及制备的复杂性都会增加，如果不用多结，用单结阵列不会更好吗？多结的应用场景主要在哪些领域？
Ryan 博士 ：多结的优势是在光功率密度，就是在同等面积下，用多结能够输出更高的光功率。如果只是在水平方向扩展的话，把芯片做大，光功率是可以增大，但光功率密度没法得到一个大幅度的提升。多结外延生长的确会复杂一些，但我们经过持续的研发投入，这个问题已经解决了，工艺生长的控制没有大的问题。制程这块，刻蚀的深度需要做一些调整，对刻蚀的均匀性要求也会更高一点。多结 VCSEL 的应用主要在对功率密度要求较高，距离比较远的一些场景 ；比如面向消费电子在 3~5 米之外进一步拓展到 5~10 米的应用场景 ；或是面向汽车电子激光雷达的几十米甚至上百米的应用场景。
终上各位专家之高见，纵观 VCSEL 激光器芯片的整个国内产业链，在器件设计环节我们与国外的差距相对较小。在工艺和制造环节，国内处于起步发展阶段，陆续有国内产线在投建，有些已经导入量产，但整体与欧美、台湾成熟的厂商 / 代工厂有一定差距，需要一定时间去追赶，当然也需要人才的招募和培养及更多资本投入。另外，在更基层的材料比如衬底、气源对国外的依赖比较高，这也是目前整个产业链的关键点。相比之下，芯片制造的后段即封测方面，国内资源比较多，像 3D 传感模组封装方面国内模组厂已经非常成熟了。总之，期望国内巨大的应用市场优势驱动 VCSEL 各产业链环节本土化提升，以求全面提高产品质量的同时逐步降低成本，推动 VCSEL 行业的大发展。
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