〈觀察〉除發展Mini LED技術 LED廠擁何利基相繼投入VCSEL領域?

明年起隨著蘋果導入ToF技術,3D感測手機應用商機將正式爆發。(圖:AFP)
明年起隨著蘋果導入ToF技術,3D感測手機應用商機將正式爆發。(圖:AFP)

LED 產業發展成熟,加上中國廠商殺價流血競爭,國內 LED 廠近幾年來營運表現飽受衝擊,不得不尋求新出路,以提升獲利能力;除 Mini LED 儼然已成 LED 產業新藍海外,相中 3D 感測商機,許多廠商也積極佈局 VCSEL 市場,然而,與早已開始代工 VCSEL 的砷化鎵廠相較之下,LED 廠切入此領域擁何利基?

LED、VCSEL 同屬紅外線元件家族

蘋果 2017 年發表 iPhone X 系列,首度導入 3D 臉部辨識技術,也掀起市場對 VCSEL 的討論。VCSEL 全名為垂直共振腔面射型雷射,屬於紅外線雷射系統,若從發光原理來看,紅外線元件可分為 LED(發光二極體)、LD(雷射二極體)2 種光源,LD 又可區分為 EEL(邊射型雷射)、SEL(面射型雷射),而 VCSEL 便是 SEL 技術。

LED 發光原理較為單純,但其屬於發散光源,發光能量較弱、光束角度偏大,功能性較不足,僅能提供普通照明、或應用於 2D 感測系統;至於 EEL 與 SEL 所產生的則是雷射光,但兩者在元件結構設計上,有所不同。

EEL 的雷射從側邊射出,雷射功率較高,雷射構造相對簡單,但光源為橢圓形投射,使光束角度與形狀均大於 SEL 元件。SEL 的雷射光則是從表面射出,雷射功率較低,光源為正圓形投射,光束角度與形狀相對集中,且具備較低功耗、高效率與高速等優勢,適合應用於 3D 感測等領域。

3D 感測應用 推升 VCSEL 需求成長

然而,在 3D 感測應用出現前,VCSEL 其實早就用於光通訊領域,但與 3D 感測應用的特性與訴求,完全不相同,光通訊應用為資料中心,適合短程運輸,並強調高傳輸效能,而隨著 5G 世代來臨,資料中心需求將持續擴增,也帶動 VCSEL 成長動能。

近來勢頭正熱的,無非是 VCSEL 在 3D 感測技術應用,主要可分為兩種,一為飛時測距 (ToF),二是結構光 (Structured light),強調低損耗、精確度高,不易受環境光干擾,逐漸成為 3D 感測應用的主流技術。

VCSEL 元件與 LED 元件發光原理大致相同,但從結構層面來看,VCSEL 元件結構比 LED 更為複雜,材料特性要求高、設計也較困難,且須具備高難度磊晶技術,才可望順利量產,不過,由於 VCSEL 元件獲利表現大幅優於 LED 元件,也因此,包括晶電 (2448-TW) 等國內外磊晶廠,均爭相投入 VCSEL 領域。

LED 廠擁優勢搶商機 切入 VCSEL 領域

VCSEL 元件結構雖較複雜,但與紅光 LED 的磊晶成長過程相似,VCSEL 同樣以 MOCVD(有機金屬氣相沈積法) 機台磊晶,且原材料同為砷化鎵,據悉,紅光機台轉換至 VCSEL 使用,僅需 3 個月時間,若從藍光 MOCVD 機台轉換,則是需 6 個月時間,不需額外添購設備進行磊晶製程,成為磊晶廠投入 VCSEL 的優勢之一。

另一方面,VCSEL 磊晶對厚度、平整度、均勻度等品質要求極高,最上游的磊晶製程,幾乎決定 VCSEL 元件的品質優劣,而晶電擁有長期投入 LED 元件研發與磊晶技術能力,在轉往生產 VCSEL 元件時,過去積累的深厚磊晶實力,是晶電最大優勢。

挾著 LED 本業原就具備的優勢,晶電 6 年前就開始耕耘 VCSEL 領域,去年 10 月將 VCSEL 與 GaN on Si 等半導體代工業務,切割成旗下子公司晶成半導體,擁有母公司晶電的技術基底,是目前唯一可從磊晶 (Epi) 做到晶片 (Chip) 的廠商,可提供整合性代工服務。

如此一來,晶成除可協助客戶做代工,還有晶電許多專利技術能與客戶合作,且過去晶電擁有的晶圓接合與晶粒封裝等 LED 技術,也是許多 VCSEL 代工廠所缺乏的,藉此與其他同業做出差異化。

晶成目前瞄準的應用包括資料通訊傳輸,及 ToF 與結構光等 3D 感測技術。而除晶電分割子公司晶成半導體,強攻 VCSEL 商機外,隆達 (3698-TW) 也同樣著眼 5G、物聯網、AI 等趨勢,相中自動化機器人對 3D 感測需求,佈局 VCSEL 元件應用,積極開發 ToF VCSEL 元件。

蘋果將導入 ToF 技術 3D 感測應用商機爆發

目前 4 吋 VCSEL 應用主要為資料通訊傳輸,6 吋則可用於 3D 感測的 ToF 與結構光。自蘋果 2017 年在 iPhone X 系列前鏡頭,開始導入結構光 VCSEL 技術後,市場掀起 3D 感測應用熱潮,然而,由於結構光技術門檻高,且受限專利問題,非蘋手機陣營並未跟進,VCSEL 的消費性電子產品應用開展,未如預期在 iPhone X 系列推出後順勢起飛。

不過,今年下半年以來,非蘋陣營在 VCSEL 的 3D 感測應用上,開始出現動靜,包括三星、華為、VIVO、LG、OPPO 等,均將 ToF VCSEL 技術導入後鏡頭,且市場傳出,明年蘋果 iPhone 新機,也將加入 ToF 後鏡頭行列。

據研調機構預估,今年 3D 感測手機滲透率約 1 成,市場產值更可望成長至逾 11 億美元。市場也預期,明年起隨著蘋果導入 ToF 技術,3D 感測手機應用商機,將正式爆發,而切入 VCSEL 領域的 LED 廠,在技術到位之下,也將因此受惠。


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