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拓展消费电子应用,乾照光电3D传感VCSEL已具备大规模量产能力
来源:    发布时间:2019-12-20

本文选自麦姆斯咨询。问题为麦姆斯咨询提问,由扬州乾照光电副总经理兼乾照激光核心技术负责人马祥柱回答。

厦门乾照光电股份有限公司(以下简称“乾照光电”)是国内LED芯片上市企业,公司主营半导体光电产品的研发、生产和销售,包括全色系LED及砷化镓(GaAs)空间太阳能电池外延片和芯片,公司是国内红黄光LED领域的龙头企业,产业化基地分布在厦门、扬州、南昌。

凭借在GaAs光电器件领域的多年积累,目前乾照光电已建成包括3D传感垂直腔面发射激光器(VCSEL)外延生长、芯片流片、点测分选和可靠性验证等完整一站式VCSEL产线。目前用于3D传感的VCSEL产品已开始面向3D结构光、ToF和距离传感器等客户小批量出货。据悉,乾照光电已具备大规模量产和出货VCSEL的能力。

在此背景下,麦姆斯咨询于近日采访了乾照光电的全资子公司——扬州乾照光电有限公司副总经理兼乾照激光核心技术负责人马祥柱,具体了解这家LED企业的激光芯片拓展之路。

问:您好!作为国内领先的LED上市企业,是什么驱动乾照光电将产品线从LED拓展到VCSEL?

答:乾照光电是国内红黄光LED龙头企业,在GaAs光电器件领域有着多年经验,红黄光LED和VCSEL同属GaAs材料体系,因此公司研发和量产VCSEL有技术和产线优势。乾照光电2017年对VCSEL展开了密集调研,获悉VCSEL在已经兴起的3D传感领域有着非常广泛的应用。次年,公司正式投入15.97亿元用于投建VCSEL、高端LED芯片等高端半导体项目,由全资子公司乾照半导体承办,并成立合资子公司——乾照激光。

问:目前国内的VCSEL创业团队大多有着欧美技术背景,乾照光电VCSEL的技术团队构成如何?

答:在战略投资VCSEL项目时,乾照光电充分信赖和依靠自身的技术团队,同时乾照光电也是一个开放的平台,我们最终选择的模式是“企业孵化+科研院所合作”的产学研相结合模式,将乾照光电的量产经验与科研院所的理论底蕴相结合。

问:作为国内知名的LED上市企业,乾照光电借助已有的产线优势,搭建完成国内自主且完整的VCSEL产线,目前的产线组成和量产情况如何?以及未来的产能规划?

答:目前主要是根据客户需求,按订单生产,正在小批量出货。同时,乾照光电已具备大规模量产和出货的能力:(1)公司用于GaAs的外延炉有数十台,包括大型的6英寸外延炉,产量有足够的保证,在GaAs外延方面,团队有十余年的量产经验;(2)芯片流片线在研发样品和小批量出货的过程中,得到了充分磨合,良率稳步提升;(3)乾照光电可提供一站式的VCSEL测试和可靠性验证,包括加速老化、冷热冲击、可焊性实验、恒温恒湿实验、静电实验等。在一轮轮的产品出样和迭代周期中,对于VCSEL,乾照光电已具备量产的几大必需能力:响应及时、迭代迅速、工艺稳定、可靠性保障、大规模出货。

图1 乾照光电VCSEL产线设备

问:目前乾照光电正在出货的VCSEL产品和应用主要有哪些?性能和良率如何?

答:目前,乾照光电针对3D传感的结构光和ToF方案,以及距离传感器,都已有了相应成熟的批量产品。

(1)针对结构光客户,乾照光电已配合数家客户进行随机列阵定制,并已为部分客户小批量供货。得益于完整和高效的VCSEL产线,乾照激光产品迭代迅速,供货有保障:常规的VCSEL随机列阵,定制周期较短,包括方案评估、光刻图形定制、芯片研发和生产等环节。已通过验证的客户,重复订单,从下单到出货不到3周。

(2)针对ToF方案客户,公司内部已开发的产品波长覆盖940nm和850nm,功率覆盖单孔的5mW到高功率的8W均匀列阵。批量出货产品的光电转换效率可达40%~45%。

图2 乾照光电均匀列阵产品

(3)如果客户有其他规格芯片需求(如尺寸、功率、波长等),我司也乐于提供定制化服务。

问:结构光和ToF这两种3D传感方案对VCSEL列阵的要求有何异同?

答:结构光和ToF方案的客户都会关注VCSEL的波长、效率和可靠性等方面的表现。但结构光方案对于VCSEL的远场发散角和近场光斑均匀性都有更高的要求,同时某些方案中的图形定制对最小发光孔的间距有特殊要求。而ToF方案在远距离方案应用更多,这类方案客户更加注重VCSEL的光功率和芯片工作的响应速度。

问:当前国内外厂商都在推动VCSEL产品的迭代更新,乾照光电在这方面有哪些规划?

答:目前,乾照光电正在开发下一代产品:倒装VCSEL芯片。相对于正装,倒装VCSEL预计可以大幅提高性能,公司已开始进行倒装VCSEL产品的技术储备,保守估计,2020年下半年,有望完成倒装VCSEL芯片的可靠性测试并实现批量供应。

问:VCSEL在车载激光雷达领域也有着非常广阔的应用前景,请问贵司有哪些布局?

答:首先在产品上,乾照光电目前可提供的VCSEL产品最高功率规格是8W,可应用于近距离的车载雷达,未来在完成倒装工艺基础上,公司会进一步开发20~30W乃至更高功率的VCSEL产品,从而为激光雷达的方案公司提供区别于边射激光器方案的新选择。其次,目前公司已通过车规级产线资质审核,获得了IATF16949认证,有利于激光雷达客户的车规审核。

问:制造更高功率VCSEL产品的主要挑战有哪些?乾照光电是否已有在研的技术方案?

答:高功率VCSEL研发的难点主要在于发光孔增多的情况下,如何处理热效应的问题。对此乾照光电在外延方向上优化外延量子阱,提高内量子效率,以及优化外延材料的热阻,改善器件散热特性;在芯片方向通过优化芯片设计结构,提高光电效率。同时为了进一步提高产品的散热特性,乾照光电目前已布局研发VCSEL倒装工艺,从而改善产品高温特性。

问:近年国内VCSEL初创公司迅速成长,已逐步打入国内主流智能手机制造商供应链,乾照光电如何看待国内外当前的竞争环境?在友商羽翼渐丰的态势下,如何保证自己的竞争优势?

答:目前国内的VCSEL厂商主要以无晶圆厂(Fabless)模式为主,乾照光电凭借自主完整的VCSEL产线和优秀的研发工程团队,能够实现快速的产品迭代和高效的VCSEL定制流程。同时乾照光电与Fabless模式的友商并不是相互竞争的关系,有很多合作的领域和机会。乾照光电的重点在于打造和不断完善国内这条自主和完整的VCSEL产线,未来的主要方向也在于提升厂内产能、良率和迭代周期。

问:这两年ToF方案,越来越受到大家的关注,预计明年苹果也会推出自己的ToF方案,并且该ToF方案会不同于现有大众熟悉的方案,贵司在VCSEL上有相应的准备吗?

答:乾照光电当前已收到部分客户对下一代ToF方案的需求,并于2019年Q4正式立项。此项目具有较大的挑战性,相对于市场当前的ToF有所不同,未来在3D传感和消费电子领域,可能发生质的飞跃和改变。在2020年的工作中,公司会重点集中研发力量和工程力量,去满足客户需求。目前还处于保密阶段。

问:乾照光电已拥有完整的VCSEL产线,未来的定位是趋向于提供现成的VCSEL芯片,还是同时提供代工服务?

答:从技术上来说,国际一流厂商Lumentum、Finisar、ams等,有非常多的地方值得我们学习;从未来发展来看,受贸易战等因素的影响,国产替代也将是大势所趋。国内激光产业的发展,我们需要向欧美前辈学习,也需要共同进步。

激光产业,未来前景广阔,市场巨大。而乾照光电搭建的是一个开放式的平台,不仅可以为相关终端、方案商、模组商、封装商等提供现成或定制的VCSEL产品,也愿意为Fabless模式的厂商提供不同系列激光产品的代工服务,包括外延生长和流片代工,助力国内激光产业的蓬勃发展。同时,我们也欢迎业界同仁前来指导和交流。