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iPhone X火了的3D传感技术,为什么要用VCSEL激光?

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iPhone X火了的3D传感技术,为什么要用VCSEL激光?

发布日期:2018-12-13 作者: 点击:

光博会的观察与最近的光电热门


  2017年第十九届光电博览会在深圳很热烈,可惜LED现已不是主角了,关于光通信、红外传感与激光相关技能比较火,LED有点被冷遇,简直很少人谈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相关工业的二号馆,由各种论坛集合的听众多寡也能够看见工业冷热的程度,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喜形于色的叙述未来的新科技与新运用。


  而就在光博会完毕后的几天,2017年9月13日清晨,苹果最新手机iPhone 8与iPhone X同步推出,之前我们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传感技能,OLED现已酝酿了几年,可是本钱还是高得让商场有点难以承受,所以只要iPhone X运用,也许是苹果不想让三星掐住脖子任三星予取予求,也许是苹果在试探商场反应,看看商场对OLED到底买不买帐,能够这样幻想,假如iPhone X卖得很差,估计OLED压力会很大,由于它的价格不值得顾客去多花这么多钱,它只能再提高性价比来符合商场的需求。苹果的精明之处就在这里,iPhone 8不用OLED而iPhone X运用,这样会让三星很难过,苹果也能够立于不败之地!


  可是3D传感技能就火了,如图1所示,简直相关概念的股票由于苹果都一飞冲天,尤其是面射型激光VCSEL技能的相关工业,VCSEL真的这么神奇吗?它与LED工业是否有相通之处?今日我就试着向我们介绍这个我们或许比较陌生的工业。



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  图1 3D传感工业链的苹果概念股,其中框上赤色外框的是VCSEL相关工业


  iPhone X让什么火了?为什么是VCSEL?


  首要帮我们介绍这次评论反常火爆的3D传感技能:3D传感技能是面部辨认的中心,3D激光扫描(3D传感)背后的主意就是创建一种非触摸、非破坏性技能来数字化捕捉物理方针的形状。在面部辨认中,它将创建一个界说人脸外观的数字矩阵。举个例子,它能够使你的手机更准确地记录你的下巴,这要比从照片上辨认准确得多。并且皮肤的纹理与胡子的长短也能够被捕获到。当然也包括那些组成脑门、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翔时刻测距ToF(Time of Flight)或SL(Structural Light)结构光的3D传感技能,现在这两种干流3D传感技能均为自动感知,因而3D摄像头工业链与传统摄像头工业链相比首要新添加“红外光源+光学组件+红外传感器”等部分,其中最要害的部分就是红外光源,自动感知的3D摄像头技能通常运用红外光来检测方针,前期3D传感体系一般都运用LED作为红外光源,可是随着VCSEL技能的老练,性价比现已挨近红外LED,除此之外,在技能方面,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在准确度、小型化、低功耗、牢靠性全方面占优的情况下,现在常见的3D摄像头体系一般都选用VCSEL作为红外光源,因而最近被谈论的最新技能就是VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。


  你不行不知关于VCSEL的几个基本原理


  在介绍VCSEL技能之前,这几个基本原理与名词你不行不知,知道了这些基本知识,关于VCSEL的技能原理就十分简单了。


  光的反射折射与折射率:


  我们小时分都有做过光的反射与折射试验,尤其是筷子在水里面感觉好像被折了一段相同原因就是光的折射,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。


  试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)散布布拉格反光镜:


  沿着光前进的方向上规划出特别的不同折射率资料替换的膜层,膜层厚度是该资料四分之一发光波长厚度(λ/4n, λ是纯光波长,n是该资料的折射率),构成折射率大(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分,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作反射与折射,科学家经过杂乱的光学核算发现,DBR光栅能够使「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光栅的首要功能就是「使光变纯(波长范围变小)与操控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,明显激光二极管内必定有DBR光栅的结构,当然LED为了添加亮度,也有在研磨抛光蓝宝石背面之后镀上DBR反射层,能够添加2~3%的亮度。



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  图2 散布布拉格反射镜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)」,谐振腔其实能够运用一对镜子组成,如图3所示,使光束在左右两片镜子之间来回反射,不停地经过发光区吸收光能,最终产生谐振效应,使光的能量扩大,一般激光二极管的两片镜子就是用DBR镀膜来操控谐振腔的谐振效应。


  激光二极管的电激起光(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(大约只要一粒砂子的大小)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「能量激起(Pumping)」,则会宣布某一种波长(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「谐振扩大(Resonance)」,由于右方的反射镜规划能够穿透一部分的光,所以高能量的激光光束就会由右方穿透射出,如图3所示。



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  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技能类似的工艺术语你也必须知道,我在此不再多解释,他们是MOCVD(有机气相外延堆积)与MBE(分子束外延)外延技能,光刻技能决议芯片图形与尺度,ICP-RIE(电感耦合反应离子刻蚀)技能刻蚀出发光渠道(Mesa),氧化工艺让谐振腔界说出最佳的VCSEL光电特性,钝化绝缘工艺让暴露的半导体资料不受空气与水汽影响牢靠度,最终研磨与切开变成一颗颗芯片,再进行测验与出货给封装厂,由于结构上跟红黄LED芯片类似,是上下电极垂直结构,所以一般是先测验芯片特性再进行切开与最终分选。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?


  VCSEL的结构与要害工艺介绍:


  VCSEL有几个要害工艺,这几个要害工艺决议了器材的特性与牢靠性。


  要害技能一: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来调变波长相同,3D传感技能运用的940纳米波长VCSEL的銦In组分大约是20%,当銦In组分是零的时分,外延工艺比较简单,所以最老练的VCSEL激光器是850纳米波长,遍及运用于光通信的结尾自动元件。


  发光层上、下两边分别由四分之一发光波长厚度的高、低折射率替换的外延层构成p-DBR与n-DBR,一般要构成高反射率有两个条件,第一是凹凸折射率资料对数够多,第二是凹凸折射率资料的折射率不同越大,出射光方向能够是顶部或衬底,这首要取决于衬底资料对所宣布的激光是否透明,例如940纳米激光由于砷化镓衬底不吸收940纳米的光,所以规划成衬底面发光,850纳米规划成正面发光,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%,现在的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层替换的DBR,反射面需求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),由于后续需求氧化工艺来缩小谐振腔体积与出光面积,所以在挨近发光层的p-DBR膜层的高铝层需求运用全铝的砷化铝AlAs资料,这样后面的氧化工艺能够比较快完成。


  要害技能二:氧化工艺


  这个技能是LED彻底没有的工艺,也是LED红光发明人奥隆尼亚克(Nick Holonyak Jr.)发明的技能,如图6所示,首要使用氧化工艺缩小谐振腔体积与发光面积,可是曩昔在做氧化工艺的时分,很难操控氧化的面积,只能先用样品做氧化工艺,算出氧化速率,使用样品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化工艺时刻,这样的出产十分不安稳,良率与一致性都很难操控!准确操控氧化速度让每个VCSEL芯片的谐振腔体积能够有良好的一致性,没有过氧化或少氧化的问题,这样在做阵列VCSEL模组的时分才会有准确的光电特性。即时监控氧化面积是最好的办法,如图7所示,法国的AET Technology公司规划了一台能够使用砷化铝(AlAs)氧化成氧化铝(AlOx)之后资料折射率改动的反射光谱变化准确监控氧化面积,这种精细操控氧化速率的设备,能够省去曩昔工程师用试错修正来调试参数,对大量安稳出产VCSEL芯片供给了最好的东西。


  要害技能三:维护绝缘工艺


  跟LED相同,最终只能保留焊线电极上没有绝缘维护层在上面,由于激光二极管的功率密度更大,所以VCSEL更需求这样的维护层,更重要的是为了不让氧化工艺的AlAs层持续向内氧化影响谐振腔体积,形成激光特性骤变,维护层的膜层质量十分重要,尤其是旁边面覆盖的细密性更为重要,曩昔都是用等离子加强气相化学堆积机PECVD来镀这层膜,可是为了要保持细密性需求较厚的膜层,可是膜层太厚会形成应力过大影响器材牢靠度!所以原子层堆积ALD技能开端替代PECVD成为最好的镀膜工艺,如图8所示,ALD能够堆积跟VCSEL氧化层特性挨近的氧化铝(Al2O3)薄膜,并且旁边面镀膜均匀,细密性高,最重要的是厚度很薄就能够彻底绝缘维护芯片,除了VCSEL工艺以外,LED的倒装芯片flip chip与IC的Fin-FET工艺都需求这样的膜层,跟氧化技能相同,国内还无法供给这样的设备,现在芬兰的Picosun派克森公司与Apply Material美国运用资料公司供给这样的设备与工艺。


  从光通信到消费电子,VCSEL激光器迎来迸发


  VCSEL曾在光通信运用商场里“发光发热”,被广泛关注,现在又添加了3D传感的运用,以商场来说,假如以华为、OPPO、VIVO、三星等为首的高端机型第二队伍快速响应与遍及,每年全世界消费10多亿部智能手机,假如每部手机嵌入2-3颗VCSEL激光器材,就是二三十亿颗的商场规模。现在,全球VCSEL的总收入已挨近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激光器量产供应链构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推翻式运用将彻底从概念化小众商场得到快速遍及,如图9所示,VCSEL商场将会进一步迸发。



  台湾与大陆VCSEL的开展现状


  如图10所示,大陆与台湾VCSEL的工业链现状很像十年前的LED,现在内地跟VCSEL有相关的公司可谓凤毛麟角,除了国内光通讯器材厂商光迅科技已有VCSEL商业化产品推出,在消费电子领域,内地尚无一家具有VCSEL芯片量产才能的企业,当然有潜力的公司也不是没有,我们了解的三安光电和华工科技(华工正源)是有潜力的大陆厂家,而具有四元红黄MOCVD设备的公司例如乾照与华灿也有时机能够跨入这个领域,当然技能是要害,在美国硅谷,有一批华人专心于这个领域,例如Intelligent与Vertilite都是华人中心团队组成的公司,假如能够招引他们回来,这个职业在内地或许能够开展的比较快。


  当然台湾在这方面的开展现已十分老练,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能,LED大厂晶电也早做了布局,专心芯片制作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,台湾累积了持久的精细封装实力,现在联钧、华信、华星、光环、矽品与同欣都是有实力能够达到世界大厂要求的封装技能,最终介绍一家坚持15年的专心VCSEL技能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,也是现在在VCSEL模组能够跟国际大厂竞赛的公司。


  所以整体来看,台湾的VCSEL显现出必定的实力,现在由于苹果新机也得到丰硕的果实,大陆这方面就简直空白了,大陆有时机翻转吗?


  中国大陆砷化镓资料与VCSEL的时机


  三五族资料像砷化镓或氮化镓现在现已遍及运用在我们的日常日子中,以一支手机为例,最新的智能手机3D传感运用砷化镓VCSEL,背光与闪光灯运用高亮度氮化镓LED,我们不了解的PA大部分运用砷化镓功率扩大器,PA为现在电子元件中适当重要的零组件,多半被规划放在天线放射器前端,广泛被运用于手机当中,传统2G手机仅运用两颗PA,3G运用四至五颗,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手机渗透率开端起飞,这也引起了内地光电大厂的留意,上一年三安光电计划以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资料的妄图,这家公司首要从事砷化镓/磷化铟/氮化镓高阶射频及光电元件化合物半导体晶圆制作代工,同时也有布局光通讯与红外传感的要害发射元器材,三安的妄图心不行谓不小。


  内地电子业经过这么多年的开展,现已开展成实力雄厚的赤色供应链,可是内地的工业特征大多是能够大量制作、量产的产品特性,并非少数多样化产品且需求高技能开发之产品。以砷化镓PA或VCSEL来说,从认证到量产,不同于LED工业,不是会发光就能够依照商场不同等级的运用去分配出海口,砷化镓工业的重要运用产品是1跟0的概念,能用就能用,不能用就不能用,尤其是PA的质量影响甚钜,VCSEL的质量要求也特别高,这些选用砷化镓PA或VCSEL的品牌大厂对质量要求甚严,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。未来三安假如要进入这个领域,他们面对的竞赛对手是现在多数智能手机内建PA或RF(射频)组件的砷化镓晶圆代工厂稳懋科技,稳懋现已与大厂高通协作,规划出新一代TruSignal天线效能强化计划,很难撼动它的地位,另外像台湾宏捷科与全新都有深厚的功底。


  长路漫漫,对砷化镓或VCSEL工业而言,现在大陆的厂家都归于小学阶段,台湾是高中阶段,美国应该是大学程度了,可是大陆有十分大的商场,尤其是5G降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,而当一切手机都把3D传感技能当规范装备的时分,VCSEL的商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,缺的就是人才与技能经验,也许下一波投资与猎头狂潮将会是VCSEL莫属了!


  我们能够拭目以待!






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