在現(xiàn)行終端手機(jī)3D感測(cè)、車用光達(dá)及光纖傳輸?shù)男枨髱?dòng)下，紅外線元件市場(chǎng)規(guī)模已逐漸茁壯，其中以VCSEL元件成長(zhǎng)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(shì)，預(yù)期將逐漸成為3D感測(cè)模塊的使用光線，并帶動(dòng)整體紅外線元件市場(chǎng)持續(xù)成長(zhǎng)。
紅外線元件類型與現(xiàn)行測(cè)距原理
1. 紅外線元件市場(chǎng)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(shí)亦能使用在終端手機(jī)3D感測(cè)模塊中，借此促成虛擬實(shí)境、人臉辨識(shí)及移動(dòng)支付等相關(guān)應(yīng)用可能。
近年因中、高階手機(jī)產(chǎn)品逐漸搭載3D感測(cè)模塊，使得紅外線元件逐漸成為流行，其3D感測(cè)元件結(jié)構(gòu)與原理，大致運(yùn)用2個(gè)以上相機(jī)模塊及紅外線發(fā)射零組件，再通過軟件模擬計(jì)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(chǎng)，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(shí)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(cè)技術(shù)和車用測(cè)距中。
針對(duì)全球紅外線元件市場(chǎng)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(chǎng)需求依舊持續(xù)暢旺。
預(yù)估2019年整體市場(chǎng)規(guī)模預(yù)估可突破16.4億美元，且隨著手機(jī)3D感測(cè)元件應(yīng)用逐漸發(fā)酵，2020年整體規(guī)模將逐步成長(zhǎng)至約22億美元。
2. 現(xiàn)行主要測(cè)距原理
在3D感測(cè)技術(shù)應(yīng)用方面，現(xiàn)行主要測(cè)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(shí)間測(cè)距(Time of Flight，ToF)等，各自擁有不同的測(cè)量方式和運(yùn)算原理，最終通過計(jì)算方式得出待測(cè)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(gè)(或以上)相機(jī)模塊同時(shí)拍攝，經(jīng)計(jì)算后得到物體距離。結(jié)構(gòu)光主要為主動(dòng)式深度感測(cè)技術(shù)，其結(jié)構(gòu)通過IR(紅外線)發(fā)射器、IR及RGB相機(jī)模塊等元件組成，利用IR陣列光斑投射后再經(jīng)計(jì)算，得出物體距離。
另外，飛行時(shí)間測(cè)距也是一種主動(dòng)式深度感測(cè)技術(shù)，主要功能為運(yùn)用IR發(fā)射器、IR接收器、RGB相機(jī)模塊與感光元件等，通過IR發(fā)射器將紅外線投射后，計(jì)算當(dāng)中路程折返時(shí)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(yùn)用不同的光源特性、電流及頻率表現(xiàn)，所以各有相對(duì)應(yīng)的終端應(yīng)用市場(chǎng)。
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(dòng)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(cè)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(jì)，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(jì)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(cè)技術(shù)產(chǎn)品，進(jìn)一步應(yīng)用于手機(jī)人臉辨識(shí)和車用光達(dá)測(cè)距系統(tǒng)中。
現(xiàn)階段GaAs的VCSEL元件供應(yīng)鏈與廠商動(dòng)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(shì)，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(cè)技術(shù)中。從2018年Apple發(fā)布iPhone X系列開始，3D感測(cè)技術(shù)的話題性持續(xù)不斷，近期配合中、高手機(jī)終端產(chǎn)品搭載3D感測(cè)人臉辨識(shí)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(jī)帶動(dòng)3D感測(cè)人臉辨識(shí)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(diǎn)；而VCSEL元件試圖取代傳統(tǒng)LED光源，提供波長(zhǎng)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(cè)代工廠。
針對(duì)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(chǎng)已成百家爭(zhēng)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(zhǎng)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(cè)代工廠，進(jìn)行后續(xù)制造、封裝與測(cè)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(dòng)態(tài)
針對(duì)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(kuò)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(duì)Apple手機(jī)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(duì)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(duì)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(jī)會(huì)再次爭(zhēng)取并購契機(jī)。
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(shì)，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(chǎng)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(chǎng)滲透率。
進(jìn)一步觀察VCSEL元件等IDM大廠的整并動(dòng)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(shí)的時(shí)空背景及市場(chǎng)情勢(shì)而論，廠商會(huì)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(duì)成熟且衰退階段，元件價(jià)格與獲利性已大不如前，加上近年在中國廠商低價(jià)競(jìng)爭(zhēng)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(shí)，VCSEL雷射發(fā)光元件市場(chǎng)，即為一個(gè)不錯(cuò)的發(fā)展切入機(jī)會(huì)。
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(zhǎng)期針對(duì)LED元件投入的技術(shù)研發(fā)及磊晶能力，對(duì)于轉(zhuǎn)入生產(chǎn)相關(guān)雷射元件似乎困難不大。
對(duì)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(shì)與應(yīng)用領(lǐng)域
由于紅外線元件應(yīng)用市場(chǎng)逐步增長(zhǎng)，帶動(dòng)現(xiàn)階段終端手機(jī)3D感測(cè)技術(shù)、車用光達(dá)與光纖傳輸?shù)呐畈l(fā)展。
未來對(duì)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(cè)市場(chǎng)的手機(jī)指紋辨識(shí)模塊，以及穿戴裝置應(yīng)用等領(lǐng)域?yàn)殚_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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)(如650～1,600nm)的VCSEL元件，提供光感測(cè)、光通訊及光照明的新應(yīng)用契機(jī)。
來源：拓璞產(chǎn)業(yè)研究院
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