在現(xiàn)行終端手機3D感測、車用光達(dá)及光纖傳輸?shù)男枨髱酉拢t外線元件市場規(guī)模已逐漸茁壯,其中以VCSEL元件成長幅度最顯著。
VCSEL元件本身在起始電流、光束角度及形狀等特性上具備優(yōu)勢,預(yù)期將逐漸成為3D感測模塊的使用光線,并帶動整體紅外線元件市場持續(xù)成長。
紅外線元件類型與現(xiàn)行測距原理
1. 紅外線元件市場規(guī)模
現(xiàn)行紅外線元件如LED、雷射等,可應(yīng)用于日常生活中的照明系統(tǒng)和導(dǎo)航裝置等,使用領(lǐng)域十分廣泛,同時亦能使用在終端手機3D感測模塊中,借此促成虛擬實境、人臉辨識及移動支付等相關(guān)應(yīng)用可能。
近年因中、高階手機產(chǎn)品逐漸搭載3D感測模塊,使得紅外線元件逐漸成為流行,其3D感測元件結(jié)構(gòu)與原理,大致運用2個以上相機模塊及紅外線發(fā)射零組件,再通過軟件模擬計算后,得出物體本身距離與形貌。
進(jìn)一步探討全球紅外線元件市場,除了傳統(tǒng)紅外線照明系統(tǒng)以外,還有紅外線雷射系統(tǒng)(VCSEL與車用LiDAR)。傳統(tǒng)紅外線照明系統(tǒng)由于使用LED元件,其發(fā)光能量較弱、光束角度偏大,使得整體功能性較為不足,大多只能應(yīng)用于2D臉部辨識和一般安全監(jiān)控等。
在紅外線雷射部分,由于光源能量較大和角度集中等特色,目前已大范圍應(yīng)用于3D感測技術(shù)和車用測距中。
針對全球紅外線元件市場發(fā)展情形,無論在紅外線照明或雷射產(chǎn)品應(yīng)用中,整體市場需求依舊持續(xù)暢旺。
預(yù)估2019年整體市場規(guī)模預(yù)估可突破16.4億美元,且隨著手機3D感測元件應(yīng)用逐漸發(fā)酵,2020年整體規(guī)模將逐步成長至約22億美元。
2. 現(xiàn)行主要測距原理
在3D感測技術(shù)應(yīng)用方面,現(xiàn)行主要測距原理可分為3類:立體視覺(Stereo Vision)、結(jié)構(gòu)光(Structured Light)與飛行時間測距(Time of Flight,ToF)等,各自擁有不同的測量方式和運算原理,最終通過計算方式得出待測物的距離及輪廓。
立體視覺的原理主要基于人眼視差,通過2個(或以上)相機模塊同時拍攝,經(jīng)計算后得到物體距離。結(jié)構(gòu)光主要為主動式深度感測技術(shù),其結(jié)構(gòu)通過IR(紅外線)發(fā)射器、IR及RGB相機模塊等元件組成,利用IR陣列光斑投射后再經(jīng)計算,得出物體距離。
另外,飛行時間測距也是一種主動式深度感測技術(shù),主要功能為運用IR發(fā)射器、IR接收器、RGB相機模塊與感光元件等,通過IR發(fā)射器將紅外線投射后,計算當(dāng)中路程折返時間,藉此得出物體距離與形貌。
3. 紅外線元件類型
一般而言,紅外線元件可依不同使用目的,區(qū)分為紅外線照明與雷射應(yīng)用等兩類,但若以不同產(chǎn)品的發(fā)光原理進(jìn)一步分類,則可分成LED、EEL(邊射型雷射)與VCSEL等3種不同類型產(chǎn)品,由于其運用不同的光源特性、電流及頻率表現(xiàn),所以各有相對應(yīng)的終端應(yīng)用市場。
LED元件由于發(fā)光原理較單純,只需提供較高操作電流即可驅(qū)動發(fā)光,但因發(fā)出來的光線仍屬發(fā)散光源,一般而言只能提供普通照明,或進(jìn)一步使用于2D感測系統(tǒng)中。
EEL與VCSEL由于生成的光線屬于雷射光,兩者發(fā)光原理相較LED生成光線的情形稍有不同,還需利用材料結(jié)構(gòu)設(shè)計,經(jīng)多次反射后才能得到雷射光。
至于EEL與VCSEL差異,在于EEL本身元件結(jié)構(gòu)設(shè)計上的因素,其發(fā)光的光束角度與形狀皆較VCSEL元件大且橢圓,因此現(xiàn)階段只適合提供一般雷射筆等光源;而VCSEL元件的發(fā)光角度與形狀較集中,適合發(fā)展3D感測技術(shù)產(chǎn)品,進(jìn)一步應(yīng)用于手機人臉辨識和車用光達(dá)測距系統(tǒng)中。
現(xiàn)階段GaAs的VCSEL元件供應(yīng)鏈與廠商動態(tài)
1. VCSEL元件應(yīng)用與供應(yīng)鏈現(xiàn)況
現(xiàn)行VCSEL元件因光束角度及形狀優(yōu)勢,且有較低的起始電流與較高頻寬等特性,非常適合應(yīng)用于3D感測技術(shù)中。從2018年Apple發(fā)布iPhone X系列開始,3D感測技術(shù)的話題性持續(xù)不斷,近期配合中、高手機終端產(chǎn)品搭載3D感測人臉辨識功能、車用光達(dá)應(yīng)用及光纖傳輸系統(tǒng)等應(yīng)用,使得相關(guān)技術(shù)及元件需求的討論程度仍舊不減。
除了因Apple手機帶動3D感測人臉辨識應(yīng)用風(fēng)潮外,目前GaAs基板的VCSEL元件已逐步延伸至車用光達(dá)等領(lǐng)域,嘗試通過VCSEL元件光線能量集中、光束角度與形狀特性,取代原先較發(fā)散的LED光源。
此外,由于5G議題發(fā)酵,光通訊領(lǐng)域零組件相關(guān)需求,例如光纖的資料傳輸容量、頻寬及距離等,也將是后續(xù)發(fā)展重點;而VCSEL元件試圖取代傳統(tǒng)LED光源,提供波長850nm、頻寬5~200Gbps范圍的光纖應(yīng)用模塊,藉此增進(jìn)整體5G傳輸性。
依照不同主要生產(chǎn)領(lǐng)域,VCSEL元件供應(yīng)鏈可區(qū)分為五大應(yīng)用別:GaAs基板商、GaAs磊晶廠、IDM廠、制造代工廠及封測代工廠。
針對材料結(jié)構(gòu)層面,由于VCSEL元件結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜,且材料特性和磊晶層數(shù)的要求相當(dāng)高,需有高難度的磊晶技術(shù)才可順利生產(chǎn)。但VCSEL元件的獲利仍較一般紅外線元件LED高出許多,使得各磊晶廠商(如IQE、全新光電)、VCSEL等IDM廠(如II-VI、Lumentum)、LED廠(如晶元光電分拆為晶成半導(dǎo)體、OSRAM等)無不相繼投入或轉(zhuǎn)型至VCSEL元件開發(fā),目前整體市場已成百家爭鳴局面。
從供應(yīng)鏈來看,VCSEL元件必須使用GaAs基板材料,通過磊晶制程成長至復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu),才算完成初步作業(yè)。
隨后再將完成的晶圓送到IDM廠進(jìn)行加工,或轉(zhuǎn)交委外代工模式,發(fā)包給制造和封測代工廠,進(jìn)行后續(xù)制造、封裝與測試等步驟,最終生產(chǎn)出1顆完整的VCSEL元件。
2. VCSEL元件等IDM大廠的整并動態(tài)
針對VCSEL元件為發(fā)展目標(biāo)的IDM大廠,近年紛紛轉(zhuǎn)由通過并購相關(guān)制造代工廠商或其他IDM廠方式,藉此擴大市占率。如同II-VI于2016年1月開始相繼并購Epiworks、Anadigics及Kaiam等廠商,并于2019年9月成功完成對Apple手機Face ID模塊供應(yīng)商Finisar的并購案;另一家IDM大廠Lumentum也于2018年3月完成對Oclaro并購。
此外,AMS于2017年2月與3月成功收購Heptagon及Princeton Optronics等企業(yè),但2019年10月初對Osram的并購案卻宣告失敗,雖然現(xiàn)階段該并購案仍未成功,但后續(xù)AMS尚有機會再次爭取并購契機。
整體而言,VCSEL元件等IDM大廠通過整并發(fā)展模式,雖有少數(shù)并購案因股份未能談攏而破局,但大部分案件都可成功囊括相關(guān)制造代工廠商或IDM廠。
因此若依照初期VCSEL元件制造的發(fā)展模式,雖處于群雄割據(jù)的混亂情勢,但隨著幾家IDM大廠(如II-VI、Lumentum及AMS等)陸續(xù)藉由收購其他相關(guān)企業(yè)后,目前市場發(fā)展已逐漸形成大者恒大局面。這將有助于VCSEL元件在整體發(fā)展及規(guī)格制定上更加完備,提高后續(xù)終端產(chǎn)品應(yīng)用的市場滲透率。
進(jìn)一步觀察VCSEL元件等IDM大廠的整并動態(tài),可以發(fā)現(xiàn)原先專注于生產(chǎn)LED的元件商如Osram及晶元光電等,陸續(xù)于2018年3月通過并購(如Osram并購Vixar)或?qū)ν庑娣植鹬圃齑S方式(晶元光電分拆之晶成半導(dǎo)體),投身于開發(fā)VCSEL元件之列。
就當(dāng)時的時空背景及市場情勢而論,廠商會做此決定,主要也是大環(huán)境不佳所致。若由產(chǎn)品發(fā)展模式來看,LED相關(guān)行業(yè)已進(jìn)入相對成熟且衰退階段,元件價格與獲利性已大不如前,加上近年在中國廠商低價競爭的壓力下,也迫使部分國際大廠開始尋找其他終端產(chǎn)品應(yīng)用的可能性。此時,VCSEL雷射發(fā)光元件市場,即為一個不錯的發(fā)展切入機會。
雖然VCSEL雷射元件的發(fā)光原理與LED元件大致相同,但其材料結(jié)構(gòu)仍較LED元件復(fù)雜許多,而憑借Osram與晶元光電(后已分拆為制造代工廠-
晶成半導(dǎo)體)長期針對LED元件投入的技術(shù)研發(fā)及磊晶能力,對于轉(zhuǎn)入生產(chǎn)相關(guān)雷射元件似乎困難不大。
對于這些制造LED元件的IDM大廠而言,逐漸轉(zhuǎn)向開發(fā)VCSEL元件應(yīng)用的生產(chǎn)模式,將有助提高企業(yè)獲利性。
未來VCSEL發(fā)展趨勢與應(yīng)用領(lǐng)域
由于紅外線元件應(yīng)用市場逐步增長,帶動現(xiàn)階段終端手機3D感測技術(shù)、車用光達(dá)與光纖傳輸?shù)呐畈l(fā)展。
未來對VCSEL元件應(yīng)用發(fā)想,可能逐漸朝向光源照明的安防監(jiān)視器應(yīng)用、光感測市場的手機指紋辨識模塊,以及穿戴裝置應(yīng)用等領(lǐng)域為開發(fā)目標(biāo)。
基于本身物理特性,考量VCSEL元件發(fā)生光源容易受到外部光線(日光)干擾問題,因而導(dǎo)致接收端難以精準(zhǔn)接收到投射光源,所以針對接收干擾性,VCSEL元件的材料結(jié)構(gòu)必須做出調(diào)整,后續(xù)將可通過成長其他不同的材料磊晶層,例如InGaAs、AlGaAs等作為發(fā)光反應(yīng)層(Active Layer),
借此延伸開發(fā)出不同波長(如650~1,600nm)的VCSEL元件,提供光感測、光通訊及光照明的新應(yīng)用契機。
來源:拓璞產(chǎn)業(yè)研究院
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