iPhone X为什么要用VCSEL激光？

本文作者：叶国光

感谢新竹交通大学郭浩中教授的指导

感谢Picosun公司与AET公司提供的精美工艺图片

光博会的观察与最近的光电热点2017年第十九届光电博览会在深圳很热闹，可惜LED已经不是主角了，关于光通信、红外传感与激光相关技术比较火，LED有点被冷遇，几乎很少人谈LED，几家LED封装设备商的积极参与也掩盖不了冷冷清清的LED相关产业的二号馆，由各种论坛聚集的听众多寡也可以看见产业冷热的程度，LED相关论坛有点冷清，蓝宝石论坛在河北工业大学陈洪建教授号召下还算有一点热度，光通信，激光与红外传感相关论坛简直是一票难求，很多听众都站在走道上听着讲台上的专家眉飞色舞的讲述未来的新科技与新应用。而就在光博会结束后的几天，2017年9月13日凌晨，苹果最新手机iPhone 8与iPhone X同步推出，之前大家预测的新科技毫无意外地出现在苹果新手机上面：它们就是OLED屏、无线充电与3D传感技术，OLED已经酝酿了几年，但是成本还是高得让市场有点难以接受，所以只有iPhone X使用，也许是苹果不想让三星掐住脖子任三星予取予求，也许是苹果在试探市场反应，看看市场对OLED到底买不买帐，可以这样想象，如果iPhone X卖得很差，估计OLED压力会很大，因为它的价格不值得消费者去多花这么多钱，它只能再提高性价比来符合市场的需求。苹果的精明之处就在这里，iPhone 8不用OLED而iPhone X使用，这样会让三星很难受，苹果也可以立于不败之地！但是3D传感技术就火了，如图1所示，几乎相关概念的股票因为苹果都一飞冲天，尤其是面射型激光VCSEL技术的相关产业，VCSEL真的这么神奇吗？它与LED产业是否有相通之处？今天我就试着向大家介绍这个大家可能比较陌生的产业。

图1 3D传感产业链的苹果概念股，其中框上红色外框的是VCSEL相关产业iPhone X让什么火了？为什么是VCSEL？首先帮大家介绍这次讨论异常火爆的3D传感技术：3D传感技术是面部识别的核心，3D激光扫描（3D传感）背后的想法就是创建一种非接触、非破坏性技术来数字化捕捉物理对象的形状。在面部识别中，它将创建一个定义人脸外观的数字矩阵。举个例子，它可以使你的手机更精确地记录你的下巴，这要比从照片上识别精确得多。而且皮肤的纹理与胡子的长短也可以被捕获到。当然也包括那些组成额头、脸颊以及其它脸部部分的独特形状。至于为什么要用VCSEL激光器？3D摄像头在传统摄像头基础上引入基于飞行时间测距ToF（Time of Flight）或SL（Structural Light）结构光的3D传感技术，目前这两种主流3D传感技术均为主动感知，因此3D摄像头产业链与传统摄像头产业链相比主要新增加“红外光源+光学组件+红外传感器”等部分，其中最关键的部分就是红外光源，主动感知的3D摄像头技术通常使用红外光来检测目标，早期3D传感系统一般都使用LED作为红外光源，但是随着VCSEL技术的成熟，性价比已经接近红外LED，除此之外，在技术方面，由于LED不具有谐振腔，导致光束更加发散，在耦合性方面很差，而VCSEL在精确度、小型化、低功耗、可靠性全方面占优的情况下，现在常见的3D摄像头系统一般都采用VCSEL作为红外光源，因此最近被谈论的最新技术就是VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）。你不可不知关于VCSEL的几个基本原理在介绍VCSEL技术之前，这几个基本原理与名词你不可不知，知道了这些基本知识，关于VCSEL的技术原理就非常简单了。光的反射折射与折射率：我们小时候都有做过光的反射与折射实验，尤其是筷子在水里面感觉好像被折了一段一样原因就是光的折射，折射率越大，偏折越厉害，原因是光在介质的速度变慢了，介质的折射率大小，与光在介质中的速度成反比，光在介质中的速度(v)愈大，则介质的折射率(n)愈小；光在介质中的速度(v)愈小，则介质的折射率(n)愈大。实验证实光在介质中的速度(v)依次为：v(气体)＞v(液体)＞v(单晶固体)＞v(非晶固体)。所以光在介质的折射率(n)依次为：n(气体)＜n(液体)＜n(单晶固体)＜n(非晶固体)。DBR（Distributed Bragg Reflector）分布布拉格反光镜：沿着光前进的方向上设计出特别的不同折射率材料交替的膜层，膜层厚度是该材料四分之一发光波长厚度（λ/4n, λ是纯光波长，n是该材料的折射率），形成折射率大(n大)、折射率小(n小)、折射率大(n大)、折射率小(n小)…的周期性结构，如图2(a)所示，称为「DBR光栅(Grating)」。光波在光栅中前进的时候，遇到折射率大的介质时，光的速度变慢；遇到折射率小的介质时，光的速度变快，光波在不同折射率之间的接口都会发生反射与折射，科学家经过复杂的光学计算发现，DBR光栅可以使「不纯的入射光(波长范围较大)」变成「较纯的反射光或穿透光(波长范围较小)」，如图2(b)所示，换句话说，DBR光栅的主要功能就是「使光变纯(波长范围变小)与控制光的反射与穿透比率」，激光二极管(LD)的光很纯，发光二极管(LED)的光不纯，显然激光二极管内一定有DBR光栅的结构，当然LED为了增加亮度，也有在研磨抛光蓝宝石背面之后镀上DBR反射层，可以增加2~3%的亮度。 

图2 分布布拉格反射镜DRR原理示意图激光的谐振效应(Resonance)：激光的发光区就是它的「谐振腔(Cavity)」，谐振腔其实可以使用一对镜子组成，如图3所示，使光束在左右两片镜子之间来回反射，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，一般激光二极管的两片镜子就是用DBR镀膜来控制谐振腔的谐振效应。激光二极管的电激发光(EL：Electroluminescence)：我们以「砷化镓激光二极管(GaAs laser diode)」为例，先在砷化镓激光二极管芯片(大约只有一粒砂子的大小)上下各蒸镀一层金属电极，对着芯片施加电压，当芯片吸收电能产生「能量激发(Pumping)」，则会发出某一种波长(颜色)的光。发射出来的光经由左右两个反射镜来回反射产生「谐振放大(Resonance)」，由于右方的反射镜设计可以穿透一部分的光，所以高能量的激光光束就会由右方穿透射出，如图3所示。

图3 激光二级管发射激光的原理示意图VCSEL工艺到底难吗？除了上面的基本知识，这些与LED技术相似的工艺术语你也必须知道，我在此不再多解释，他们是MOCVD（有机气相外延沉积）与MBE（分子束外延）外延技术，光刻技术决定芯片图形与尺寸，ICP-RIE（电感耦合反应离子刻蚀）技术刻蚀出发光平台（Mesa），氧化工艺让谐振腔定义出最佳的VCSEL光电特性，钝化绝缘工艺让暴露的半导体材料不受空气与水汽影响可靠度，最后研磨与切割变成一颗颗芯片，再进行测试与出货给封装厂，由于结构上跟红黄LED芯片类似，是上下电极垂直结构，所以一般是先测试芯片特性再进行切割与最后分选。图4就是VCSEL的芯片与封装示意图，做LED的人有没有似曾相识的感觉呢？

图4 VCSEL的芯片与封装示意图，目前主流的VCSEL是To-can封装与阵列封装，尤其在高功率传感系统（车用市场）里面需要用到倒装flip chip的阵列封装VCSEL的结构与关键工艺介绍：VCSEL有几个关键工艺，这几个关键工艺决定了器件的特性与可靠性。关键技术一：VCSEL外延图5是VCSEL的结构示意图，以銦镓砷InGaAs井（well）铝镓砷AlGaAs垒（barrier）的多量子阱（MQW）发光层是最合适的，跟LED用In来调变波长一样，3D传感技术使用的940纳米波长VCSEL的銦In组分大约是20%，当銦In组分是零的时候，外延工艺比较简单，所以最成熟的VCSEL激光器是850纳米波长，普遍使用于光通信的末端主动元件。

图5 VCSEL的外延与芯片结构示意图发光层上、下两边分别由四分之一发光波长厚度的高、低折射率交替的外延层形成p-DBR与n-DBR，一般要形成高反射率有两个条件，第一是高低折射率材料对数够多，第二是高低折射率材料的折射率差别越大，出射光方向可以是顶部或衬底，这主要取决于衬底材料对所发出的激光是否透明，例如940纳米激光由于砷化镓衬底不吸收940纳米的光，所以设计成衬底面发光，850纳米设计成正面发光，一般不发射光的一面的反射率在99.9%以上，发射光一面的反射率为99%，目前的AlGaAs铝镓砷结构VCSEL大部分是用高铝（90%）的Al0.9GaAs层与低铝（10%）Al0.1GaAs层交替的DBR，反射面需要30对以上的DBR（一般是30~35对才能到达99.9%反射率），出光面至少要24~25对DBR（99%反射率），由于后续需要氧化工艺来缩小谐振腔体积与出光面积，所以在接近发光层的p-DBR膜层的高铝层需要使用全铝的砷化铝AlAs材料，这样后面的氧化工艺可以比较快完成。

图6 外延与氧化工艺是VCSEL良率与光电特性好坏的关键关键技术二：氧化工艺这个技术是LED完全没有的工艺，也是LED红光发明人奥隆尼亚克（Nick Holonyak Jr.）发明的技术，如图6所示，主要利用氧化工艺缩小谐振腔体积与发光面积，但是过去在做氧化工艺的时候，很难控制氧化的面积，只能先用样品做氧化工艺，算出氧化速率，利用样品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化工艺时间，这样的生产非常不稳定，良率与一致性都很难控制！精确控制氧化速度让每个VCSEL芯片的谐振腔体积可以有良好的一致性，没有过氧化或少氧化的问题，这样在做阵列VCSEL模组的时候才会有精确的光电特性。即时监控氧化面积是最好的方法，如图7所示，法国的AET Technology公司设计了一台可以利用砷化铝（AlAs）氧化成氧化铝（AlOx）之后材料折射率改变的反射光谱变化精确监控氧化面积，这种精密控制氧化速率的设备，可以省去过去工程师用试错修正来调试参数，对大量稳定生产VCSEL芯片提供了最好的工具。

图7 法国AET科技公司推出的VCSEL即时监控的氧化制程设备，让VCSEL量产更稳定关键技术三：保护绝缘工艺跟LED一样，最后只能保留焊线电极上没有绝缘保护层在上面，由于激光二极管的功率密度更大，所以VCSEL更需要这样的保护层，更重要的是为了不让氧化工艺的AlAs层继续向内氧化影响谐振腔体积，造成激光特性突变，保护层的膜层质量非常重要，尤其是侧面覆盖的致密性更为重要，过去都是用等离子加强气相化学沉积机PECVD来镀这层膜，但是为了要保持致密性需要较厚的膜层，但是膜层太厚会造成应力过大影响器件可靠度！于是原子层沉积ALD技术开始取代PECVD成为最好的镀膜工艺，如图8所示，ALD可以沉积跟VCSEL氧化层特性接近的氧化铝（Al2O3）薄膜，而且侧面镀膜均匀，致密性高，最重要的是厚度很薄就可以完全绝缘保护芯片，除了VCSEL工艺以外，LED的倒装芯片flip chip与IC的Fin-FET工艺都需要这样的膜层，跟氧化技术一样，国内还无法提供这样的设备，目前芬兰的Picosun派克森公司与Apply Material美国应用材料公司提供这样的设备与工艺。

图8 芬兰Picosun派克森公司推出的ALD原子层沉积技术的设备，可以让VCSEL的器件更稳定从光通信到消费电子，VCSEL激光器迎来爆发VCSEL曾在光通信应用市场里“发光发热”，被广泛关注，现在又增加了3D传感的应用，以市场来说，如果以华为、OPPO、VIVO、三星等为首的高端机型第二梯队快速响应与普及，每年全世界消费10多亿部智能手机，如果每部手机嵌入2-3颗VCSEL激光器件，就是二三十亿颗的市场规模。如今，全球VCSEL的总收入已接近8亿美元，预计到2020年该值会增长到21亿美元。未来，除了光通信与3D传感，当VCSEL激光器量产供应链形成之后将带动产品价格的全面平民化，包含AR智能眼镜、智能驾驶的激光雷达等一系列颠覆式应用将彻底从概念化小众市场得到快速普及，如图9所示，VCSEL市场将会进一步爆发。

图9 VCSEL的应用与未来市场趋势***与大陆VCSEL的发展现状如图10所示，大陆与***VCSEL的产业链现状很像十年前的LED，目前内地跟VCSEL有相关的公司可谓凤毛麟角，除了国内光通讯器件厂商光迅科技已有VCSEL商业化产品推出，在消费电子领域，内地尚无一家拥有VCSEL芯片量产能力的企业，当然有潜力的公司也不是没有，大家熟悉的三安光电和华工科技（华工正源）是有潜力的大陆厂家，而拥有四元红黄MOCVD设备的公司例如乾照与华灿也有机会可以跨入这个领域，当然技术是关键，在美国硅谷，有一批华人专注于这个领域，例如Intelligent与Vertilite都是华人核心团队组成的公司，如果可以吸引他们回来，这个行业在内地可能可以发展的比较快。当然***在这方面的发展已经非常成熟，也得到国际大厂的认可，上游方面，全新、联亚与光环科技都积淀了十五年的外延与芯片技术，LED大厂晶电也早做了布局，专注芯片制造的稳懋更是砷化镓芯片最专业的代工厂，VCSEL工艺对稳懋来说也非难事，除了拿到苹果3D摄像头供应链Lumentum的代工订单，近期也得到3D传感模组大厂Heptagon（AMS）的VCSEL芯片代工订单，另外一家砷化镓六寸晶圆厂宏捷科也是Princeton Optronics的代工厂家。中游的封装方面，***累积了长久的精密封装实力，目前联钧、华信、华星、光环、矽品与同欣都是有实力可以达到世界大厂要求的封装技术，最后介绍一家坚持15年的专注VCSEL技术与产品的公司华立捷，这家公司具有上中下游垂直整合的实力，也是目前在VCSEL模组可以跟国际大厂竞争的公司。所以整体来看，***的VCSEL显现出一定的实力，现在因为苹果新机也得到丰硕的果实，大陆这方面就几乎空白了，大陆有机会翻转吗？

图10 VCSEL的产业链分工示意图中国大陆砷化镓材料与VCSEL的机会三五族材料像砷化镓或氮化镓目前已经普遍使用在我们的日常生活中，以一支手机为例，最新的智能手机3D传感使用砷化镓VCSEL，背光与闪光灯使用高亮度氮化镓LED，大家不熟悉的PA大部分使用砷化镓功率放大器，PA为目前电子元件中相当重要的零组件，多半被设计放在天线放射器前端，广泛被应用于手机当中，传统2G手机仅使用两颗PA，3G使用四至五颗，4G手机则是来到七颗，至于5G手机的用量将更可观，高频多频带无线通讯后，不管是高中低阶， 4G手机渗透率开始起飞，这也引起了内地光电大厂的注意，去年三安光电计划以2.26亿美元收购环宇通讯半导体的消息，就是三安想要发力砷化镓材料的企图，这家公司主要从事砷化镓/磷化铟/氮化镓高阶射频及光电元件化合物半导体晶圆制造代工，同时也有布局光通讯与红外传感的关键发射元器件，三安的企图心不可谓不小。内地电子业经过这么多年的发展，已经发展成实力雄厚的红色供应链，但是内地的产业特征大多是可以大量制造、量产的产品特性，并非少量多样化产品且需要高技术开发之产品。以砷化镓PA或VCSEL来说，从认证到量产，不同于LED产业，不是会发光就可以依照市场不同等级的运用去分配出海口，砷化镓产业的重要应用产品是1跟0的概念，能用就能用，不能用就不能用，尤其是PA的品质影响甚钜，VCSEL的质量要求也特别高，这些采用砷化镓PA或VCSEL的品牌大厂对品质要求甚严，没人愿意冒风险，对大陆厂商要进入这个领域的难度可谓空前巨大。未来三安如果要进入这个领域，他们面对的竞争对手是目前多数智能手机内建PA或RF（射频）组件的砷化镓晶圆代工厂稳懋科技，稳懋已经与大厂高通合作，设计出新一代TruSignal天线效能强化方案，很难撼动它的地位，另外像***宏捷科与全新都有深厚的功底。长路漫漫，对砷化镓或VCSEL产业而言，目前大陆的厂家都属于小学阶段，***是高中阶段，美国应该是大学程度了，但是大陆有非常大的市场，尤其是5G来临对宽带基础建设要求会越来越高，PA与RF组件需求越来越大，而当所有手机都把3D传感技术当标准配备的时候，VCSEL的市场会比现在大好几倍，大陆厂家有最新的设备，有雄厚的资本，缺的就是人才与技术经验，也许下一波投资与猎头狂潮将会是VCSEL莫属了！我们可以拭目以待！

图11 未来VCSEL与3D传感的潜在应用