干货 | Iphone X带火的3D传感的技术核心：VCSEL的前世今生

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 传感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 传感领域。

自iphone X上首次搭载3D摄像头后，业界对VCSEL的关注度只增不减，且VCSEL相关厂商的数量也“直线攀升”。由于iphone X的成功，3D感测技术也颇受终端厂商追捧，华为、小米、oppo均搭载了3D感测技术。

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150μm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，最后将增益芯片安装在热沉上。

VCSEL结构简图

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。

VCSEL发光原理

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。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。

850nm LED VS 850nm VCSEL

三种不同的光源效果

VCSEL广泛的应用范围，3D 传感市场可期

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，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%。

3D感测技术向手机端渗透的出现使得光学产业链有所变动。3D与2D成像零组件有较大差异，一方面，3D成像的光电转换器件仍是平面传感器，类似于可见光CMOS，但是3D成像是通过特殊的技术手段去计算出深度信息，如计算时间、畸变等变量。

另外一方面，为了和2D成像相分离，避免可见光的干扰，3D成像必须使用特殊波段的主动式光源，而2D成像则一般是记录物体反射的可见光，并不如3D成像一样对主动光的散射、平行、波段等有着严苛的要求。此外，两种成像方式由于接受的波段信息不同，使用的图像传感器CIS也不相同。

手机端无论采用结构光方案还是TOF，都离不开核心的红外器件，而手机3D成像模块中，各核心元件价值占比将重构，红外器件相关的厂商将成为产业链核心，会是3D成像红利的最大受益者。

用于成像的发射红外光技术主要有LED和VCSEL两类，但相较而言，VCSEL具有功耗低、效率光等优点，使得其比其他红外光源更加适合移动智能终端。此外，最常用于制造VCSEL的材料为砷化镓（GaAs）、砷化铝镓（AlGaAs）和砷化铟镓（InGaAsN）。砷化镓是镓和砷的混合物，用于制造LED，也是制造VCSEL的关键材料。砷化镓最大的优点是较高的电子迁移率，电子在砷化镓中的移动速度比在硅中快5倍，此外，砷化镓比硅拥有更宽的工作温度范围和更高的辐射硬度，目前，稳懋半导体是全球砷化镓市场最大的厂商之一，中国暂时不存在供应砷化镓的上市公司。

产业链分析

VCSEL供应链共有五个主要组成部分，它们分别为：磊晶设计、芯片生产过程、包装过程、模块和应用、设备提供商。

其中，磊晶是在晶体衬底上沉积的结晶覆盖层，磊晶设计市场主要由海外公司主导，包括IQE PLC、英特磊、全新、联亚和纵慧光电。

而芯片生产过程包括芯片设计、芯片制造和芯片封装，涉及芯片加工市场的主要公司是稳懋半导体、宏捷科技、光环科技和纵慧光电。

光迅科技主要从事光学组件和子系统产品的研发、制造和销售以及提供相关服务，它是国内积极开发VCSEL芯片产品的主要公司之一；三安光电主要从事LED磊晶产品、半导体芯片、复合太阳能电池、蓝宝石基板和高功率聚光太阳能产品的研发、生产和销售。

VCSEL产业链主要厂商

三安光电已成功开发出10Gbps VCSEL芯片和FP激光器，明年将推出25G DFB激光器；昂纳科技也从事VCSEL芯片的研发。

除了上述企业外，仟目激光的主要产品线主要用于3D传感的大功率VCSEL芯片和大功率DFB芯片，目前通过多轮工艺的改进，器件性能和可靠性已经达到国际领先标准，VCSEL已进入量产阶段，大功率DFB芯片也已完成样品流片。

乾照光电拟出资15．97亿元建设VCSEL／高端LED芯片等半导体研发生产项目颇引人关注。据了解，该项目安排在2018年启动，2019年上半年开工建设。

包装加工行业主要由日本公司主导，相关公司包括索尼、日立、松下、富士通、罗姆、NEC株式会社和住友商事。参与封装过程的台湾企业有联钧、华信光电、硅品和通欣电；包装工艺领域也有一些美国公司，如VIVIAI Solutions和CyOptics Inc．。

VCSEL产业链的下游部分包括模块和应用程序，相关公司包括Trilumina、Princeton、Optronics、AMS AG、Lumentum、Finisar、I－VI、华立捷、EMCORE Corp、CyOptics Inc．和Opnext Inc。在设备提供商中，来自马来西亚的槟杰科达是VCSEL行业提供支持的主要企业之一，其主要从事半导体、电信、汽车和消费电子领域的自动化技术和解决方案。

市场前景

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 Sensing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，3DSensing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，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3DSensing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%。

全球3D sensing市场规模预测及智能手机市场占比

智能手机市场3D Sensing模组搭载情况预测