手機3D感測模組 VCSEL元件將成主流

文╱拓墣產業研究院研究員王尊民

工商時報【文╱拓墣產業研究院研究員王尊民】

在手機3D感測、車用光達及光纖傳輸的需求帶動下,紅外線元件市場規模已逐漸茁壯,其中以VCSEL(垂直共振腔面射型雷射)元件成長幅度最顯著。VCSEL元件在起始電流、光束角度及形狀等特性上具備優勢,預期將逐漸成為3D感測模組的主流,並帶動整體紅外線元件市場持續成長。

紅外線元件類型與測距原理

紅外線元件市場規模

現行紅外線元件如LED及雷射,可應用於日常生活中的照明、導航等,使用領域十分廣泛,亦能使用在手機3D感測模組中,而中、高階手機越來越普遍使用的3D感測模組,使得紅外線元件流行起來。3D感測元件結構與原理,大致是運用2個以上相機模組及紅外線發射零組件,透過軟體模擬計算後,得出物體本身距離與形貌,也藉此讓虛擬實境、人臉辨識及行動支付等相關應用在手機上成為可能。

全球紅外線元件市場除了傳統紅外線照明系統以外,還有紅外線雷射系統(VCSEL與車用光達LiDAR)。傳統紅外線照明系統使用LED元件,發光能量較弱、光束角度偏大,使得整體功能性較為不足,大多只能應用於2D臉部辨識和一般安全監控等,紅外線雷射則光源能量較大和角度集中等特色,目前已大範圍應用於3D感測技術和車用測距中。

全球紅外線元件市場來說,無論是紅外線照明或紅外線雷射,整體市場需求依舊持續暢旺,預估2019年整體市場規模可突破16.4億美元,且隨著手機3D感測元件應用逐漸發酵,2020年整體規模將成長至約22億美元。

現行主要測距原理

3D感測主要測距原理可分為三類:立體視覺(Stereo Vision)、結構光(Structured Light)與飛行時間測距(Time of Flight,ToF),各自擁有不同的測量方式和運算原理,最終透過計算得出待測物的距離及輪廓。

立體視覺的原理基於人眼視差,透過2個(或以上)相機模組同時拍攝,經計算後得到物體距離,結構光為主動式深度感測技術,透過紅外線發射器、紅外線及RGB相機模組等元件組成,利用紅外線陣列光斑投射後再經計算,得出物體距離。

另外,飛行時間測距也是主動式深度感測技術,原理為運用紅外線發射器、紅外線接收器、RGB相機模組與感光元件等,透過紅外線發射器投射後,計算當中路程折返時間,藉此得出物體距離與形貌。

紅外線元件類型

紅外線元件除可依不同使用目的區分為紅外線照明與雷射應用之外,也能以不同產品的發光原理來分類為LED、EEL(邊射型雷射)與VCSEL這三種不同類型產品,運用不同的光源特性、電流及頻率表現,各有相對應的終端應用市場。

LED元件由於發光原理單純,只需提供較高操作電流即可驅動發光,但LED發出來的光仍屬發散光源,一般而言只能提供普通照明,或使用於2D感測系統中。

EEL與VCSEL生成的光線屬於雷射光,差異在於EEL元件結構設計,使其發光的光束角度與形狀皆比VCSEL元件大、形狀則為橢圓型,也讓EEL現階段只適合提供於雷射筆等光源,VCSEL元件的發光角度與形狀都很集中,比EEL適合應用在3D感測,進一步應用於手機人臉辨識和車用光達測距系統中。

GaAs的VCSEL元件供應鏈與廠商動態

元件應用與供應鏈現況

現行VCSEL元件因光束角度及形狀優勢,且有較低的起始電流與較高頻寬等特性,非常適合應用於3D感測技術中。從2018年蘋果推出iPhone X開始,3D感測技術的話題性持續不斷,除了中、高階手機搭載3D感測以提供人臉辨識功能之外,VCSEL也可應用在車用光達、光纖傳輸系統等,使得相關技術及元件需求的討論程度仍舊不減。

VCSEL元件光線能量集中、光束角度與形狀特性,已逐步延伸至車用光達等領域,取代原先較發散的LED光源,此外,由於5G議題發酵,光通訊的資料傳輸容量、頻寬及距離等,都是後續發展重點,而VCSEL元件試圖取代傳統LED光源,提供波長850nm、頻寬5∼200Gbps範圍的光纖應用模組,藉此增進整體5G傳輸性。

VCSEL以GaAs基板基礎,依照不同主要生產領域,VCSEL元件供應鏈可區分為五大應用別:GaAs基板商、GaAs磊晶廠、IDM廠、製造代工廠及封測代工廠。

針對材料結構層面,VCSEL元件結構複雜,而且材料特性和磊晶層數的要求相當高,必須搭配一定的磊晶技術才能順利量產,讓VCSEL元件的獲利仍較一般紅外線元件LED高出許多,使得各磊晶廠商(如IQE、全新光電)、VCSEL等IDM廠(如II-VI、Lumentum)、LED廠(如晶元光電分拆為晶成半導體、歐司朗Osram)無不相繼投入或轉型至VCSEL元件開發,市場已成百家爭鳴。

從供應鏈來看,VCSEL元件必須使用GaAs基板材料,透過磊晶製程成長至複雜的材料結構,才算完成初步作業,再將完成的晶圓送到IDM廠加工,或轉交委外代工模式,發包給製造和封測代工廠,進行後續製造、封裝與測試等,最終生產出1顆完整的VCSEL元件。

IDM大廠的整併動態

瞄準發展VCSEL元件為主的IDM大廠,近年紛紛透過併購相關製造代工業者或其他IDM廠的方式,藉此擴大市占率。如同II-VI於2016年1月開始陸續併購Epiworks、Anadigics及Kaiam等廠商,並於2019年9月成功完成併購蘋果Face ID模組供應商Finisar;另一家IDM大廠Lumentum也於2018年3月完成收購Oclaro。

此外,AMS分別在2017年2月、3月成功收購Heptagon、Princeton Optronics,但2019年10月初併購歐司朗案卻宣告失敗,但後續AMS尚有機會再次爭取併購契機。整體而言,IDM大廠透過整併發展VCSEL元件,雖有少數併購案因股權分配沒有談攏而破局,大部分案件都可成功合併相關製造代工廠商或IDM廠。

VCSEL元件市場初期處於群雄割據的混亂情勢,但隨著幾家IDM大廠(如II-VI、Lumentum及AMS等)陸續收購其他相關企業後,目前市場發展已逐漸形成大者恆大局面,將有助於VCSEL元件的發展與規格制定上更加完備,提高終端產品應用的市場滲透率。

進一步觀察VCSEL元件等IDM大廠的整併動態,可以發現原先專注於生產LED的元件商如歐司朗Osram及晶元光電,陸續於2018年3月透過併購(如歐司朗併購Vixar)或對外宣告分拆製造代工廠方式(晶元光電分拆出晶成半導體),投身於開發VCSEL元件之列。

就當時的時空背景及市場情勢,廠商會做此決定也是大環境不佳所致,由產品發展模式來看,LED已進入成熟、甚至開始衰退的階段,元件價格與獲利都大不如前,又有近年中國廠商低價競爭的壓力,迫使部分國際大廠開始尋找其他終端產品應用的可能性。此時,VCSEL元件就是一個不錯的切入機會。

發展趨勢 與應用領域

VCSEL雷射元件的發光原理與LED元件大致相同,但材料結構比LED元件複雜許多,歐司朗Osram與晶元光電(後已分拆為製造代工廠晶成半導體)憑藉長期針對LED元件投入的技術研發及磊晶能力,轉入生產雷射元件似乎困難不大,對於這些製造LED元件的IDM大廠而言,逐漸轉向開發VCSEL元件應用的生產模式,將有助提高企業獲利能力。

手機3D感測技術、車用光達與光纖傳輸的蓬勃發展,帶動由於紅外線元件應用市場增長,未來對VCSEL元件應用發想,可能逐漸朝向光源照明的安防監視器應用、光感測市場的手機指紋辨識模組,以及穿戴裝置應用等領域為開發目標。

基於本身物理特性,VCSEL元件發光源容易受到外部光線(如日光)的干擾,導致接收端難以精準接收到投射光源,針對接收干擾性,VCSEL元件的材料結構必須做出調整,後續將可透過成長其他不同的材料磊晶層,例如InGaAs、AlGaAs等作為發光反應層(Active Layer),藉此延伸開發出不同波長(如650∼1,600nm)的VCSEL元件,提供光感測、光通訊及光照明的新應用契機。

你可能還想看