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    公司新聞

    數據通信和移動應用“雙翼驅動”,托舉VCSEL“乘勢高飛”

    摘要:近日,《化合物半導體》編輯團隊拜訪武漢仟目激光有限公司……
           根據Yole Développement的《VCSEL——2021年技術和市場趨勢》報告顯示,在數據通信和移動應用這兩個最重要應用方向的推動下,全球 VCSEL 市場預計將在2026年達到24億美元,復合年增長率為13.6%(2021-2026年)。

           
    近日,《化合物半導體》編輯團隊拜訪了武漢仟目激光有限公司(以下簡稱仟目激光)。成立于2017年的仟目激光,是一家從事半導體激光器生產制造的企業,能為客戶提供從芯片性能設計、加工工藝、批量生產、銷售至售后的完整供應鏈服務。

           
    特別值得一提的是,仟目激光在VCSEL的兩大重要領域各有一張“王牌”——公司創始人之一楊旭博士主導3D傳感和大功率邊發射激光器,楊旭博士就讀于清華大學和中佛羅里達大學,博士師從導師Dr.Dennis Deppe,正是商業VCSEL方案的發明者;資深研發總監郭丁凱博士主導數據通信,郭丁凱博士畢業于美國馬里蘭大學,曾在美國英特格公司從事半導體芯片工藝和新型材料的研究,后在艾邁斯-歐司朗半導體專門從事垂直腔面發射激光器(VCSEL)的設計,優化和量產。

    郭丁凱博士和楊旭博士分別就VCSEL兩大熱門領域的技術重點,給出經驗分享。

     

    業內VCSEL企業產品良率已達95%

           

    1、VCSEL通過面陣可以實現比較高的功率,但高功率工作下要求瞬間注入電流很大,對雷達電路部分比較有挑戰,有沒有什么方案能夠解決這個問題?

     

    回答:車載雷達方案整體廠商會選擇相應的電路驅動、芯片、光路原件、信號處理等部分來完成雷達整體方案。

     

    2、現在大陸市場VCSEL企業,產品的良率大概能做到什么程度?氧化技術雖然帶來很多好處,但對可靠性有影響,質子注入技術可以改善這一點。你們認為質子注入技術對于高可靠VCSEL產品是否是必須的、繞不開的工藝?

     

    回答:最開始把氧化工藝真正運用到VCSEL芯片中是我的導師Dr. Deppe。他于1994年首次將氧化物結構引入到VCSEL芯片中,大幅提高了VCSEL的多項性能。該技術開啟了VCSEL商業化的進程,其后該技術成為20多年來工業界制造VCSEL的關鍵技術標準之一。目前業內優秀工廠的良率已經可以做到95%。多年前我在Dr. Deppe研究課題組里從事下一代非氧化物VCSEL的研發。相較于此代氧化物VCSEL芯片,它的光功率提升了一倍,熱阻為現有氧化物VCSEL的一半,同時器件的可靠性得到了大幅提升。它通過光刻工藝來提升器件的排布密度得到了更小的器件尺寸,是下一代VCSEL的發展方向。質子植入只是一種工藝,現在仍作為現有VCSEL里的輔助工藝采用,并非是繞不開的工藝。

     

    國產高功率VCSEL的優勢在于性能、成本和服務

     

    3、高功率VCSEL陣列、高功率DFB陣列,尤其是多結的,都用于激光雷達,他們各自的優勢是什么?誰更有優勢?

     

    回答:DFB屬于邊發射激光器。每個邊發射激光器就是一個發光點,需要將單管激光器進行一維排列、光學整形,并用機械旋轉的方式獲得整個空間的掃描。而VCSEL則采用面陣,可以在單顆芯片上做到二維可尋址,也就是分區點亮。不需要機械轉鏡,配合接收端的SPAD/SiPM可以做全固態激光雷達,具有更高的穩定性和可靠性。

     

    但從功率密度上講,邊發射的激光器仍然比VCSEL具有一定優勢。

     

    4、一方面,高速VCSEL在短距離光互連有優勢,被廣泛用于數據中心服務器間(<300米)光互連。由于數據中心在500m-2km的光互連比重正在增加,因為傳統VCSEL(850nm)難以支持這個距離的傳輸,1060nm GaAs VCSEL、1310nm InP VCSEL以及1310nm InP DML在500m-2km的光互連誰會成為未來的主流?

     

    回答:首先就剛才提到另外兩個波段(1060nm 和1310nm),VCSEL在這兩個波段實現非常難,因為材料體系決定了在這個波長做VCSEL很難,即使現在有做出來的,但是效率較低,且量產比較很難實現,所以認為在這個波段就不要用VCSEL,用InP DFB就好。

     

    5、另一方面,目前高速850nm VCSEL 100Gbit/s的產品已經出來了,華為也證明了PAM4調制200Gbit/s,850nm VCSEL未來最高可能達到的速率是多少?目前來看哪一種技術路線更有優勢?

     

    回答:現在最高速的應該是博通,他們有單波100G的樣品出來,還沒有量產。就相當于100G*4的樣品出來,這已經是屬于比較難達到的速率了,如果不進行一個結構上大變的話,再提高速率其實會越來越難。理論上能達到的速率單波100G應該是可以的。

      

    6、手機人臉識別用的高功率VCSEL,國際市場Lumentum和II-VI占了80%以上,國內的廠家目前機會還不多,原因是什么?如何才能更有機會替代他們?

     

    回答:其實國內也有手機的廠商在用我們的芯片,像之前的魅族,我們現在和一線的廠商都在進行各種方案的開發定制當中,但現在手機做解鎖和TOF不像當時的大家預測的上的量那么大,但在接近傳感依舊具有不小的量。我覺得國內的芯片廠商還是有機會的,一個是我們的性能與國外大廠是可比的,在同一水平上。第二個我們在國內有成本上的優勢。第三是服務上響應度上會更迅速,所以未來我們還是有機會的,尤其是在成本和服務。

     

    VCSEL在固態激光雷達的方向有助力

     

    7、VCSEL 技術及工藝能否用于制作氮化鎵、碳化硅、鈣鈦礦等大功率激光器件的制作?

     

    回答:氮化鎵有400多波長的,但是效率不太高,屬于比較小眾的一個區域,碳化硅也聽說過、鈣鈦礦沒有聽說。

     

    8、905波段人眼安全度低于1550,但905波段的功率遠高于1550,而且905波段有相對便宜的硅APD探測器,您認為未來自動駕駛上是否會因為人眼安全問題而放棄905波段,而采用1550波段呢?

     

    回答:1550波段確實是有從安全上來考慮的話,他確實是對人眼安全更好。但1550的波段的激光器,它一般采用光纖激光器,現在成本偏高,如果成本能夠降低,未來的話有可能會采用1550的波段。905波段確實能夠功率比較容易做高,比1550nm波段的功率提高要容易,而高功率是激光雷達滿足測距的要求的必要條件。

     

    9、VCSEL對于固態雷達上的應用是有效的,如何使用在線式旋轉機械結構的激光雷達,如何有效改善使用的穩定性?

     

    回答:旋轉機械式的雷達,由于具有機械結構,其穩定性需要考慮,在汽車上顛簸幾萬小時之后,機械部件失效的概率會比較大,所以大家才會想要做這種固態的雷達。然后要做純固態的時候,發現VCSEL特別適合用于做純固態,所以我們VCSEL整個發展的方向也是配合激光雷達往純固態的方向去發展,如果要把VCSEL用在機械旋轉式雷達時,由于其功率比起現有的邊發射是有一定的劣勢,所以說這一塊考慮的不是主要的方向。

     

    10、目前國內應用或者探索VCSEL方案的車載激光雷達公司都有哪些呢?能麻煩您簡單介紹一下嗎?

     

    回答:目前主流的禾賽、速騰聚創、大疆Livox、華為等都有在進行VCSEL的固態激光雷達方案探索。從機械式、轉鏡、MEMS、FLASH、OPA、FMCW等主流的方案都在研發和生產過程中。

     

    傳感與通信技術的進步為VCSEL帶來巨大市場價值

     

    11、砷化鎵和磷化銦作為第二代半導體的“老兵”,在可見光及紅外光電及微波射頻領域一直默默貢獻重要力量,隨著高速光通訊、智能感知等新興應用的推廣及普及,“老材料”又被再次引發諸多關注,請談談砷化鎵和磷化銦相關技術和未來產業化的發展?

     

    回答:我們知道,在光通信中與光纖的窗口范圍所匹配的光電器件的活性層材料只能是InGaAs或者InGaAsP等三、四元化合物;與之晶格匹配的襯底材料,只能是InP襯底晶體。高速通信也需要InP的HBT晶體管。但是目前InP的單晶襯底材料仍然昂貴,是砷化鎵的10倍,是硅的40倍。

     

    12、近年來,有研究在硅基上做出了磷化銦的外延,采取了微通道技術。對于類似的異質外延,請談談是否有前景?

     

    回答:我們現在所謂的第三代半導體,并不是說第三代是第二代的下一代,二者是平行的,所謂的第三代半導體是寬禁帶,只是說它和第一、二代半導體相比帶隙更寬,那么既然它們禁帶寬度更寬的話,它就是有一些特定的應用,比如快速充電等一些高功率的應用。但是第三代很難用在光通信和雷達領域。

     

    第二代半導體火起來的原因,還是因為這個市場一個是通信領域,一個是雷達領域,傳感領域現在火起來了,所以說我們砷化鎵、磷化銦才會越來越多,會受到一個大家的關注。

     

    同時磷化銦材料比較脆,它的一般采用2寸3寸4寸工藝,砷化鎵材料比磷化銦更堅固,可以上6寸的工藝,而且是現在的主流工藝。磷化銦主流是三寸。

     

    13、請介紹一下貴公司的業務發展情況,以及對VCSEL未來重點發展方向的看法。

     

    回答:仟目激光目前可以為客戶提供定制化設計,為智能手機的面部識別、虛擬現實、增強現實技術、自動駕駛等應用提供高效率的VCSEL,滿足客戶的不同需求。

    VCSEL在體積、功耗、光束質量等特性方面具有無可比擬的獨特優勢,在其誕生四十余年間,不斷推動著傳感、通信等領域關鍵核心系統向著低功耗與小型化方向發展。

     

    傳感與通信技術的進步,對行業發展影響深遠。作為這兩大領域的核心元器件,VCSEL技術具有重要研究意義。目前消費電子3D傳感、自動駕駛激光雷達等市場空間廣闊,未來將帶動高溫高功率VCSEL激光列陣技術的發展,為高溫VCSEL帶來巨大的市場價值。

    其實,除了VCSEL的布局以外,公司早在2018年就成功流片了基于砷化鎵材料的DFB邊發射激光芯片,如之前提到的,DFB在工業制造與激光雷達領域也有相應的優勢。所以,在未來無論激光雷達還是工業類的客戶,仟目都希望以完整的產品線、可靠的質量滿足客戶的各種場景下對于激光芯片的需求。

     

     

    by:化合物半導體雜志

     

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