半导体行业之VCSEL行业专题研究报告

引言：

全球范围内自动驾驶量产车项目当前处于快速开发之中，随着激光雷达成本下探至数百美元区间且达到车规级要求，未来在汽车应用市场将呈爆发式增长。Yole的研究报告表明，至2025年全球乘用车新车市场L3级自动驾驶的渗透率将达约6%，即每年将近600万辆新车将搭载激光雷达，这将刺激VCSEL的市场需求。

根据Yole数据，2020年，VCSEL激光器全球市场规模约为11.39亿美元，其中，消费电子、通信市场分别为8.44亿美元和2.77亿美元，占比为74%和24%。据Yole预测，VCSEL激光器在2025年市场规模将增长至27亿美元，年复合增长18.4%。

来源：广州正闻投资管理有限公司

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VCSEL优点和分类

（一）定义

VCESL全称为垂直腔面发射激光器，是一种在与半导体外延片垂直方向上形成光学谐振腔、发出的激光束与衬底表面垂直的半导体激光器结构。相比于LED 和边发射激光器EEL，VCSEL在精确度、小型化、低功耗、可靠性等角度全方面占优。

（二）产品优点

与其它半导体激光器性能对比，VCSEL优点如下：

l.出射光束为圆形，发散角小，容易与光纤及其他光学元件耦合且效率高。

2.可实现高速调制，能够应用于长距离、高速率的光纤通信系统。

3.有源区体积小，易实现单纵模、低阈值的工作。

4.电光转换效率可大于50%，预期工作寿命达10万小时及以上。

5.容易实现二维阵列，应用于平行光学逻辑处理系统，实现高速、大容量数据处理，并可应用于高功率器件。

6.器件在封装前可对芯片进行检测，进行产品筛选，极大降低产品的成本。

7.可以应用到层叠式光集成电路上，也可采用微机械等技术。

（三）相关分类

1.根据结构分类

VCSEL器件按结构分为顶发射结构、底发射结构。

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。

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。

2.按应用分类

VCSEL按应用可分为PS系列、TOF系列、SL系列。

PS系列VCSEL是小功率VCSEL芯片，可用于接近式传感器领域，替代传统的LED光源，应用领域包括短距离传感、3D传感、生物医学等。

TOF系列VCSEL，可通过飞行时间传感技术（D-TOF、i-TOF）还原光源照射物的3D形状，应用领域包括人脸识别、辅助摄像、激光雷达、AR/VR等。

SL系列VCSEL即结构光（SL）VCSEL激光器，通过分析照射物的反射光斑形变，计算物体距离、形状等信息,应用领域包括人脸识别、AR/VR等。

（四）发展历程

1977年，日本东京工业大学教授Kenichi Iga提出了一种VCSEL 的概念，并在1979 年采用GaInAsP 材料体系在77 K 温度下首次实现脉冲输出。

1986年实现低阈值的微腔操作，该期间采用两种不同类型的膜以四分之一波长的厚度交替生长而成的DBR能实现光强反射，反射率达到了99%以上。

1988年，VCSELs 器件采用多层SiO2/TiO2介质膜DBR，首次实现了850nm的室温连续激射。

在VCSEL 发展之初，主要在降低阈值、扩大输出波长范围和高速调制等方面进行研究，直到1996 年才对提高VCSEL 输出功率方面展开了研究。2008年左右，美国普林斯顿光电公司研制出连续输出功率达到231W。2014 年，中科院长春光机所采用4个高功率VCSEL单管串联连接形成列阵，将脉冲输出功率提高到210W。

1996年VCSEL实现商用，开始小规模的应用于光通信领域，2004年，VCSEL首次进入消费电子产品。但技术一直进展缓慢，主要原因为：一方面是本身VCSEL的制造难度高，包括外延工艺、氧化工艺、保护绝缘等工艺等需要深厚的技术积累；另一方面是市场规模偏小，相关的应用也没有提供到足够的推动力。直到2017年发布的iPhoneX前置3D结构光人脸识别在业界引起了轩然大波，VCSEL开始迎来了转折点。目前，VCSEL在5G通信领域、消费电子领域、智能家居、无人零售、自动驾驶等都迎来发展。

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VCSEL技术原理和趋势

（一）技术原理

VCSEL形成激光发光主要通过能量激发和共振放大两个环节。首先需实现能量激发，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。

（二）技术趋势

1.高传输速率

在数据通信领域，5G应用将大大增加数据的流量，对数通VCSEL的带宽提出更高的要求。当前主流单通道的VCSEL传输速率为25G/s，下一代VCSEL将会提高到50G/s。

2.高发射功率、高散热

芯片的功率将会越来越大，将增加其在更长工作距离的应用，如应用到车载激光雷达，期望工作距离在几百米。同时，更大功率的应用也对芯片和封装的散热设计提出新的要求。

3.多结、可寻址技术

多PN结的VCSEL激光器，优点是发光效率比较高，斜率效率更高，意味着仅需超低的正向脉冲电流即可达到与单结 VCSEL 相同的光功率，可大幅降低了所需的电流，进而提高了驱动器的切换速度。多结VCSEL虽然性能突出，但其多个PN结之间的连通难度也比较高，国外有Vixar和Lumentum等先后发布，国内主要为常州众慧、中山新亮、新亮光子。

2020年苹果公司发布的新款iPad Pro和iPhone 12 Pro系列手机都搭载了基于dToF技术的激光雷达，其中集成的可寻址VCSEL阵列由Lumentum提供。可寻址VCSEL阵列具有以下优点：（1）有效控制出光区域，可提升峰值功率；（2）通过合适的系统设计，可实现系统级抗干扰能力；（3）具有更好的发光效率，可节约系统功耗；（4）散热性能更好。

4.倒封装技术

传统VCSEL阵列都安装在基座上，并利用键合线进行电气连接。而倒装为新兴的焊接技术，将工作面上制有凸点电极的芯片朝下，与基板布线直接键合，具备如下优点：尺寸小、薄、实现密度更高、减少其他电器使用、散热能力提高、无需引线键合、成本降低。核心难点为凸点制作、倒装焊接。

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VCSEL制造壁垒

VCSEL的制造难度高，包括外延工艺、氧化工艺、保护绝缘等工艺均等需要深厚的技术积累，尤其外延生长技术为其生产的核心壁垒，该良率水平直接影响企业生产成本。

VCSEL是通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）工艺在衬底上沉积复杂的多层膜结构而形成的。外延层主要由产生光子的有源层和分布布拉格反射镜（DBR）组成，有源层夹在上、下两个分布布拉格反射镜之间，形成类三明治型结构，由于每个分布布拉格反射镜由许多外延层构成，每个外延层的折射率和厚度需定制化，对外延生长质量要求很高。

目前，VCSEL外延技术基本被国际及台湾厂商垄断，国内VCSEL企业主要以芯片设计、委托台湾厂商制造为主，国内少数企业如纵慧芯光、华芯半导体等已自主建设产线。

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VCSEL市场当前规模偏小，但呈快速增长态势

（一）市场发展现状

目前，VCSEL尚处于成长期，市场规模较小且以消费电子、通信为主要细分市场。根据Yole数据，2020年，VCSEL激光器全球市场规模约为11.39亿美元，其中，消费电子、通信市场分别为8.44亿美元和2.77亿美元，占比为74%和24%。据Yole预测，VCSEL激光器在2025年市场规模将增长至27亿美元，年复合增长18.4%。

2.高端VCSEL被国外垄断，国产替代写入规划

据长江证券研究所数据，当前小于 10Gb/s 的光芯片国产化率达到80% ，10Gb/s 速率的光芯片国产化率接近50% ，而25Gb/s 及以上的速率的光芯片则高度依赖出口，国产化率仅3%，国内高速光芯片核心技术主要掌握在美日厂商手中。

2018年1月，工信部颁布《光器件产业发展路线图，将光芯片国产化上升为国家战略。根据规划，到2022年我国25G及以上速率VCSEL芯片国产占有率达到30-40%。

（二）市场发展趋势

1.3D传感消费电子带动VCSEL市场

3D成像必须主动发射特殊波段的红外光，发射端由红外光发射器、准直透镜和衍射光栅构成，用于成像的红外发射器主要有 LED 和 VCSEL两类。

相比较，VCSEL在技术和成本优势明显。在技术上，VCSEL 线宽较窄且波长对温度漂移较小，测量精度高，抗环境光干扰；阈值电流也较小，在相同的输出功率下具有更高的效率；而在成本上，比起其它激光，VCSEL调整准直更加容易，可生产低成本的基于VCSEL的收发器；且制造工艺与发光二极管（LED）兼容，批量制造成本较低。

在整个消费电子领域，包括手机、AR/VR、物联网等使用场景对3D 机器视觉的需求不断增长。根据 Yole 预测，2019 年，全球 3D 传感市场规模约为 50 亿美元，到 2025年，将增长至 150 亿美元，年复合增长率达到20.09%。VCSEL可作为3D传感技术的基础传感器，将迎来快速发展。

2.自动驾驶激光雷达应用刺激VCSEL需求

全球范围内自动驾驶量产车项目当前处于快速开发之中，随着激光雷达成本下探至数百美元区间且达到车规级要求，未来在汽车应用市场将呈爆发式增长。Yole的研究报告表明，至2025年全球乘用车新车市场L3级自动驾驶的渗透率将达约6%，即每年将近600万辆新车将搭载激光雷达，这将刺激VCSEL的市场需求。

随着汽车激光雷达的市场需求增长，多结VCSEL阵列成为全球领先厂商的重点布局产品。相比单结VCSEL，多结VCSEL可以：（1）提升PCE（电光转换效率），降低功耗；（2）提供更高的功率密度，对光学系统设计更加友好；（3）提高斜率效率，对激光驱动器更加友好；（4）提供更高的峰值功率，扩大测距工作范围；（5）降低激光器的“每瓦成本（Cost per Watt）”。2020~2021年，全球主要厂商陆续发布了双结和三结VCSEL产品，而领头羊Lumentum则在2021年3月首发五结和六结VCSEL阵列，每个发射孔的光功率超过2W，从而使得1平方毫米VCSEL阵列的峰值功率超过800W。

用于3D测距的激光光源种类有几种，如旋转式的FPLD、照射式的EEL、VCSEL等，不同的光源在扫描方式和发射距离上各有差距。

3.数据中心的发展有望提升VCSEL需求

数据中心内部连接距离相对短，以850nm的VCSEL和1310nm的DFB芯片为主。随着数据中心承载的功能逐渐增加，数据中心内部传统的三层网络架构（接入层、中层的汇聚层）逐渐难以适应内部流量集中的趋势，新型分布式数据中心叶脊式网络架构兴起。在该结构下，根据Ovum、长江证券研究所测算，全球将新增100个数据中心（100万台服务器），则市场空间高达120亿美元，对应VCSEL芯片在数据中心内部的市场规模约为42亿美元。

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VCSEL市场竞争格局

国内VCSEL行业起步较晚，此前能够大规模生产VCSEL的厂家大部分集中于欧美日。随着2017年11月带人脸识别功能的iPhoneX的发布、中美贸易战的发生，以及工信部等相关部门颁布多个行业相关指导文件，并将光芯片上升为国家战略，国内涌现出一批初创企业和部分老牌厂商进入VCSEL芯片市场，但总体上以芯片设计为主、由台湾公司代工，而较少有自己的工厂和产线。国内主要参与者如下：

传感应用的VCSEL芯片代表厂商

中国VCSEL厂商以创业型为主，源于众多国际大厂海归专家与本土人才共同掀起创业热潮，主要集中在长三角和珠三角地区。长三角地区包括纵慧芯光、睿熙科技、长光华芯、华芯半导体、度亘激光、老鹰半导体；珠三角地区包括博升光电、柠檬光子、瑞识科技、新亮智能；此外还有总部位于武汉的仟目激光。此外，中国LED上市厂商（例如三安光电、乾照光电、华灿光电）也积极投身于VCSEL热潮之中。

在2020-2021年期间，多结VCSEL阵列已成为全球各大厂商陆续重点布局的产品，有专家表示，未来5-10年VCSEL有望逐渐取代EEL成为主流的激光元器件。除了汽车场景，大功率、高性能VCSEL的研发，让工业应用成为VCSEL另一个主要发力的方向，例如工业加热、环境监测、智能物流等基础设施。

从数据通信到智能手机，从扫地机器人到自动驾驶汽车，VCSEL应用不断“开疆拓土”，未来发展前景可期。2021年7月底，根据全球权威机构Yole发表的《VCSEL-2021年技术和市场趋势》报告显示，在手机消费、通信设备、汽车工业等多产业的推动下，全球VCSEL市场预计将从2021年的12亿美元增长到2026年的24亿美元，期间复合年增长率为13.6%。

其中，手机消费市场预计将增长到17亿美元，复合年增长率为16.4%；电信和其设施市场将增长至5.66亿美元，复合年增长率为5.6%；工业应用市场预计将增长至2100万美元，复合年增长率为6.3%；安防市场预计将增长至700万美元，复合年增长率为17.1%；医疗市场预计将增长至200万美元，复合年增长率为32.4%；汽车和其通信设备市场预计将增长至5700万美元，复合年增长率为121.9%，主要应用于激光雷达和驾驶员监控等汽车场景。

VCSEL市场规模5年内或将翻一番 来源：Yole

1.光迅科技

公司成立于2001年，前身是1976年成立的邮电部固体器件研究所，2009年8月登陆深圳证券交易所，成为国内首家上市的光电子器件公司，并先后成立光迅美国公司、光迅欧洲公司、光迅香港公司和光迅丹麦有限公司，实施本土化经营。

根据光迅科技在投资者互动平台回复，其25G光芯片已经规模出货，产品工艺稳步提升，公司根据战略发展需要，主要进入通信领域，暂未计划进入消费市场。

2.长光华芯

长光华芯成立于2012年，中国科学院长春光精密机械与物理研究所原为其重要股东（后转至长光集团）。公司专注于半导体激光芯片的研发、设计及制造，主营产品包括高功率单管系列产品、高功率巴条系列产品、高效率VCSEL系列产品及光通信芯片系列产品等，逐步实现高功率半导体激光芯片的国产化及进口。长光华芯的高效率VCSEL覆盖PS系列、TOF系列、SL系列，2020年VCSEL产品贡献收入为340万元，占比仅为1.38%。

华为旗下哈勃投资于2020年12月投资长光华芯7600万元，长光华芯于2020年12月上市辅导备案，于2021年9月16日申请科创板获审核通过。

3.纵慧芯光

纵慧芯光成立于2015年，提供高功率和高速VCSEL解决方案、设计和制造VCSEL，拥有自身的外延产线和封测产线，主攻消费电子领域，包括手机、扫地机器人、人脸支付、智能门锁等应用场景。公司VCSEL已成功进入华为智能手机，并在国内快速布局大量专利。

纵慧芯光已连续获得了两次大规模融资，2020年6月，获得了华为旗下哈勃科技投资；2021年8月底，获得比亚迪、高榕资本、一村资本、前海母基金等投资。

4.华芯半导体

华芯半导体成立于2015年，主营产品为高亮度LED、蓝绿光半导体激光管、VCSEL光子芯片、DFB光子芯片、EML光子芯片以及高亮度半导体激光芯片等，具备从外延结构设计、材料生长到芯片制成等实力，可定制化满足客户需求。

华芯半导体曾接受媒体采访时表示，其已经为业界提供了包括850nm 6G/10G/25G VCSEL外延片和芯片，940nm 5mW-4W VCSEL芯片及外延片，蓝光外延片和芯片等系列解决方案，满足数据通信、3D感测及测距、激光雷达等应用的要求。

5.睿熙科技

睿熙科技成立于2017年，专注于VCSEL芯片及衍生产品的研发及量产，现有产品覆盖消费电子、数据通信以及车载三大领域。在消费电子领域，芯片出光功率从10 mW至8 W以上，波长包括940 nm和850 nm，支持结构光、iToF、dToF等多种3D传感解决方案；此外，其25G通信产品现阶段已经进入量产阶段，车载产品能量转换效率可达35%+，已与全球头部车载镜头供应商合作。

2020年9月，公司完成2亿元人民币A+轮融资，将主要用于下一阶段芯片的量产以及流片研发投入，投资机构包括上海自贸区基金、鋆昊资本、燕创资本、普华资本。

6.柠檬光子

柠檬光子成立于2018年，主攻高性能半导体激光芯片及其模组和光引擎，包括VCSEL垂直腔面发射激光器、EEL边发射激光器等产品，可应用于3D传感、AR/VR、机器人、激光雷达、消费电子、智能制造、物联网、数据中心等领域。2020年4月，柠檬光子推出高性能大功率808 nm和850 nm VCSEL芯片系列产品。