相中3D传感商机，LED厂商纷纷勇闯VCSEL市场，信心源自哪里？

LED产业已步入成熟稳定阶段，加上业内厂商杀价流血竞争，国内LED厂商近几年来经营状况饱受冲击，不得不寻求新出路，以提升盈利能力；除MiniLED俨然已成LED产业新蓝海外，相中3D传感商机，许多厂商也积极布局垂直腔面发射激光器（VCSEL）市场，然而，相较早已开始代工VCSEL的砷化镓厂商，LED厂商切入此领域有何优势？

LED、VCSEL同属红外光源元件家族

苹果2017年发布iPhone X系列，首度导入3D人脸识别技术，也掀起市场对VCSEL的讨论。VCSEL全名为垂直腔面发射激光器，属于红外激光系统。若从发光原理来看，红外光源元件可分为LED（发光二极管）、LD（激光二极管）2种光源，LD又可区分为EEL（边发射型激光器）、SEL（面发射型激光器），而VCSEL便是SEL技术。

LED发光原理较为单纯，但其属于发散光源，发光能量较弱、光束角度偏大，功能性相对不足，仅能提供普通照明，或应用于2D传感系统；虽然EEL与SEL所产生的都是激光，但两者在器件结构设计上，有所不同。

EEL的激光从侧边射出，激光输出功率较高，器件构造相对简单，但光源为椭圆形投射，使光束角度与形状均大于SEL元件。SEL的激光则是从表面射出，激光输出功率较低，光源为正圆形投射，光束角度与形状相对集中，且具有功耗较低、高效率与高速等优势，适用于3D传感等领域。

红外LED、VCSEL、EEL的主要应用发展

（来源：《红外LED和激光二极管：技术、应用和产业趋势》）

3D传感应用推动VCSEL需求成长

然而，在3D传感应用出现之前，VCSEL其实早就用于光通讯领域，但与3D传感应用的特性与要求完全不同，光通讯主要应用于数据中心，适合短程传输，并强调高传输效能，而随着5G时代的来临，数据中心需求将持续增长，也带动了VCSEL持续增长。

近来势头正热的，当属VCSEL在3D传感技术的应用，主要可分为两类，一为飞行时间测距（ToF），二是结构光（Structured light）。由于VCSEL损耗低、精确度高，不易受环境光干扰，逐渐成为3D传感应用的主流技术。

VCSEL与LED发光原理大致相同，但从结构层面来看，VCSEL器件结构比LED更为复杂，材料特性要求高、设计也较困难，且需要具备高难度的外延生长技术，才有望顺利量产。不过，由于VCSEL获利表现大幅优于LED，因此包括三安光电、台湾晶电等LED大厂均争相投入VCSEL领域。

LED厂凭自有优势切入VCSEL领域，抢占商机

VCSEL器件结构虽较复杂，但与红光LED的外延生长过程相似，VCSEL同样采用MOCVD（有机金属气相沉积法）生长，且原材料同为砷化镓。据悉，红光MOCVD机台转换至VCSEL使用，仅需3个月时间，若从蓝光MOCVD机台转换，则需6个月时间，不需额外添购设备进行外延工艺，成为LED外延厂入局VCSEL领域的优势之一。

另一方面，VCSEL外延对厚度、平整度、均匀度等质量要求极高，最上游的外延工艺，几乎决定VCSEL元件的质量优劣。

据麦姆斯咨询此前报道，三安光电利用其III-V族制造技术和经验，为其他大规模垂直市场服务，成立了子公司三安集成电路，为光学器件（包括VCSEL）提供专用的大批量6英寸GaAs和2英寸/ 4英寸InP化合物半导体代工服务。在三安光电发布的2018年业绩公告中显示，三安集成电路在应用于各类数据中心和5G前端的光通讯VCSEL器件方面，已完成客户25 G相关产品的量产评估，进入小批量试产，未来有望成为光通讯VCSEL芯片的主要供应商。

针对当前市场对新兴VCSEL应用的需求，如人脸识别/手势识别、消费类3D传感、光通信、云服务等，三安集成电路定位于为需要复合代工服务和定制光学产品及组件的客户，提供整体解决方案，助其满足市场需求。

另外，台湾晶电拥有长期投入LED元件研发与外延技术能力，在转向生产VCSEL元件时，过去积累的深厚外延技术经验，是晶电的最大优势。

凭借原本在LED产业就具备的优势，晶电6年前就开始耕耘VCSEL领域，去年10月将VCSEL与硅上氮化镓（GaN-on-Si）等半导体代工业务分割，成立了旗下子公司晶成半导体，并继承了母公司晶电的技术基底，可从外延（Epi）一直做到芯片（Chip），提供整合的代工服务。

如此一来，晶成除可协助客户做代工，还有晶电许多专利技术能与客户合作，且过去晶电拥有的晶圆接合与芯片封装等LED技术，也是许多VCSEL代工厂所缺乏的，借此与其他竞争厂商形成差异化，提供更多的代工价值。

晶成目前瞄准的应用包括数据通讯传输，以及ToF与结构光等3D传感技术。而除晶电分割子公司晶成半导体，抢占VCSEL商机外，台湾隆达电子也同样着眼5G、物联网、AI等趋势，看好自动化机器人对3D传感的需求，布局VCSEL元件应用，积极开发ToF VCSEL元件。

苹果将导入ToF技术，3D传感应用商机爆发

目前4英寸VCSEL应用主要为数据通讯传输，6英寸则可用于3D传感的ToF与结构光。自苹果2017年在iPhone X系列前置摄像头中开始导入结构光VCSEL技术后，市场掀起3D传感应用热潮。然而，由于结构光技术门坎高，且受限专利问题，安卓手机阵营并未跟进，VCSEL在消费类电子产品中的应用，未如预期在iPhone X系列推出后顺势起飞。

3D成像和传感开启新一代视觉革命

（来源：《3D成像和传感-2018版》）

不过，今年下半年以来，安卓阵营在VCSEL的3D传感应用上，开始有所动静，包括三星、华为、VIVO、LG、OPPO等，均将ToF VCSEL技术导入后摄像头，且市场传出，明年苹果iPhone新机，也将加入ToF后摄像头队伍。

根据Yole最新《VCSEL市场与技术趋势-2019版》报告，2018年，移动和消费类VCSEL应用创造了5.53亿美元的市场营收，Yole预计到2024年增长将达到33.82亿美元，复合年增长率达35%。市场也预期，明年起随着苹果导入ToF技术，3D传感手机应用商机，将正式爆发，而切入VCSEL领域的LED厂，在技术到位之下，也将因此受惠。