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BULLETIN : iPhone X火了的3D傳感技術,為什麼要用VCSEL雷射?
Posted by admin on 09/22/2017 (12965 reads)

iPhone X火了的3D傳感技術,為什麼要用VCSEL雷射?

2017-09-22 葉國光 

本文作者:葉國光

 

感謝新竹交通大學郭浩中教授的指導


感謝Picosun公司與AET公司提供的精美工藝圖片


光博會的觀察與最近的光電熱點

2017年第十九屆光電博覽會在深圳很熱鬧,可惜LED已經不是主角了,關於光通信、紅外傳感與激光相關技術比較火,LED有點被冷遇,幾乎很少人談LED,幾家LED封裝設備商的積極參與也掩蓋不了冷冷清清的LED相關產業的二號館,由各種論壇聚集的聽眾多寡也可以看見產業冷熱的程度,LED相關論壇有點冷清,藍寶石論壇在河北工業大學陳洪建教授號召下還算有一點熱度,光通信,激光與紅外傳感相關論壇簡直是一票難求,很多聽眾都站在走道上聽著講台上的專家眉飛色舞的講述未來的新科技與新應用。

而就在光博會結束後的幾天,2017年9月13日凌晨,蘋果最新手機iPhone 8與iPhone X同步推出,之前大家預測的新科技毫無意外地出現在蘋果新手機上面:它們就是OLED屏、無線充電與3D傳感技術,OLED已經醞釀了幾年,但是成本還是高得讓市場有點難以接受,所以只有iPhone X使用,也許是蘋果不想讓三星掐住脖子任三星予取予求,也許是蘋果在試探市場反應,看看市場對OLED到底買不買帳,可以這樣想像,如果iPhone X賣得很差,估計OLED壓力會很大,因為它的價格不值得消費者去多花這麼多錢,它只能再提高性價比來符合市場的需求。蘋果的精明之處就在這裡,iPhone 8不用OLED而iPhone X使用,這樣會讓三星很難受,蘋果也可以立於不敗之地!

但是3D傳感技術就火了,如圖1所示,幾乎相關概念的股票因為蘋果都一飛沖天,尤其是面射型激光VCSEL技術的相關產業,VCSEL真的這麼神奇嗎?它與LED產業是否有相通之處?今天我就試著向大家介紹這個大家可能比較陌生的產業。

 

圖1 3D傳感產業鏈的蘋果概念股,其中框上紅色外框的是VCSEL相關產業

iPhone X讓什麼火了?為什麼是VCSEL?

首先幫大家介紹這次討論異常火爆的3D傳感技術:3D傳感技術是面部識別的核心,3D激光掃描(3D傳感)背後的想法就是創建一種非接觸、非破壞性技術來數字化捕捉物理對象的形狀。在面部識別中,它將創建一個定義人臉外觀的數字矩陣。舉個例子,它可以使你的手機更精確地記錄你的下巴,這要比從照片上識別精確得多。而且皮膚的紋理與鬍子的長短也可以被捕獲到。當然也包括那些組成額頭、臉頰以及其它臉部部分的獨特形狀。

至於為什麼要用VCSEL激光器?3D攝像頭在傳統攝像頭基礎上引入基於飛行時間測距ToF(Time of Flight)或SL(Structural Light)結構光的3D傳感技術,目前這兩種主流3D傳感技術均為主動感知,因此3D攝像頭產業鏈與傳統攝像頭產業鏈相比主要新增加“紅外光源+光學組件+紅外傳感器”等部分,其中最關鍵的部分就是紅外光源,主動感知的3D攝像頭技術通常使用紅外光來檢測目標,早期3D傳感系統一般都使用LED作為紅外光源,但是隨著VCSEL技術的成熟,性價比已經接近紅外LED,除此之外,在技術方面,由於LED不具有諧振腔,導致光束更加發散,在耦合性方面很差,而VCSEL在精確度、小型化、低功耗、可靠性全方面佔優的情況下,現在常見的3D攝像頭系統一般都採用VCSEL作為紅外光源,因此最近被談論的最新技術就是VCSEL( Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。

你不可不知關於VCSEL的幾個基本原理

在介紹VCSEL技術之前,這幾個基本原理與名詞你不可不知,知道了這些基本知識,關於VCSEL的技術原理就非常簡單了。

光的反射折射與折射率:

我們小時候都有做過光的反射與折射實驗,尤其是筷子在水里面感覺好像被折了一段一樣原因就是光的折射,折射率越大,偏折越厲害,原因是光在介質的速度變慢了,介質的折射率大小,與光在介質中的速度成反比,光在介質中的速度(v)愈大,則介質的折射率(n)愈小;光在介質中的速度(v )愈小,則介質的折射率(n)愈大。

實驗證實光在介質中的速度(v)依次為:v(氣體)>v(液體)>v(單晶固體)>v(非晶固體)。所以光在介質的折射率(n)依次為:n(氣體)<n(液體)<n(單晶固體)<n(非晶固體)。

DBR(Distributed Bragg Reflector)分佈布拉格反光鏡:

沿著光前進的方向上設計出特別的不同折射率材料交替的膜層,膜層厚度是該材料四分之一發光波長厚度(λ/4n, λ是純光波長,n是該材料的折射率),形成折射率大(n大)、折射率小(n小)、折射率大(n大)、折射率小(n小)…的周期性結構,如圖2(a)所示,稱為「DBR光柵(Grating)」。光波在光柵中前進的時候,遇到折射率大的介質時,光的速度變慢;遇到折射率小的介質時,光的速度變快,光波在不同折射率之間的接口都會發生反射與折射,科學家經過複雜的光學計算發現,DBR光柵可以使「不純的入射光(波長范圍較大)」變成「較純的反射光或穿透光(波長范圍較小)」,如圖2(b)所示,換句話說,DBR光柵的主要功能就是「使光變純(波長范圍變小)與控制光的反射與穿透比率」,激光二極管(LD)的光很純,發光二極管(LED)的光不純,顯然激光二極管內一定有DBR光柵的結構,當然LED為了增加亮度,也有在研磨拋光藍寶石背面之後鍍上DBR反射層,可以增加2~3%的亮度。 

 

圖2分佈布拉格反射鏡DRR原理示意圖

激光的諧振效應(Resonance):

激光的發光區就是它的「諧振腔(Cavity)」,諧振腔其實可以使用一對鏡子組成,如圖3所示,使光束在左右兩片鏡子之間來回反射,不停地通過發光區吸收光能,最後產生諧振效應,使光的能量放大,一般激光二極管的兩片鏡子就是用DBR鍍膜來控制諧振腔的諧振效應。

激光二極管的電激發光(EL:Electroluminescence):

我們以「砷化鎵激光二極管(GaAs laser diode)」為例,先在砷化鎵激光二極管芯片(大約只有一粒砂子的大小)上下各蒸鍍一層金屬電極,對著芯片施加電壓,當芯片吸收電能產生「能量激發(Pumping)」,則會發出某一種波長(顏色)的光。發射出來的光經由左右兩個反射鏡來回反射產生「諧振放大(Resonance)」,由於右方的反射鏡設計可以穿透一部分的光,所以高能量的激光光束就會由右方穿透射出,如圖3所示。

 

圖3激光二級管發射激光的原理示意圖

VCSEL工藝到底難嗎?

除了上面的基本知識,這些與LED技術相似的工藝術語你也必須知道,我在此不再多解釋,他們是MOCVD(有機氣相外延沉積)與MBE(分子束外延)外延技術,光刻技術決定芯片圖形與尺寸,ICP-RIE(電感耦合反應離子刻蝕)技術刻蝕出發光平台(Mesa),氧化工藝讓諧振腔定義出最佳的VCSEL光電特性,鈍化絕緣工藝讓暴露的半導體材料不受空氣與水汽影響可靠度,最後研磨與切割變成一顆顆芯片,再進行測試與出貨給封裝廠,由於結構上跟紅黃LED芯片類似,是上下電極垂直結構,所以一般是先測試芯片特性再進行切割與最後分選。圖4就是VCSEL的芯片與封裝示意圖,做LED的人有沒有似曾相識的感覺呢?

 

圖4 VCSEL的芯片與封裝示意圖,目前主流的VCSEL是To-can封裝與陣列封裝,尤其在高功率傳感系統(車用市場)裡面需要用到倒裝flip chip的陣列封裝

VCSEL的結構與關鍵工藝介紹:

VCSEL有幾個關鍵工藝,這幾個關鍵工藝決定了器件的特性與可靠性。

關鍵技術一:VCSEL外延

圖5是VCSEL的結構示意圖,以銦鎵砷InGaAs井(well)鋁鎵砷AlGaAs壘(barrier)的多量子阱(MQW)發光層是最合適的,跟LED用In來調變波長一樣,3D傳感技術使用的940納米波長VCSEL的銦In組分大約是20%,當銦In組分是零的時候,外延工藝比較簡單,所以最成熟的VCSEL激光器是850納米波長,普遍使用於光通信的末端主動元件。

 

圖5 VCSEL的外延與芯片結構示意圖

發光層上、下兩邊分別由四分之一發光波長厚度的高、低折射率交替的外延層形成p-DBR與n-DBR,一般要形成高反射率有兩個條件,第一是高低折射率材料對數夠多,第二是高低折射率材料的折射率差別越大,出射光方向可以是頂部或襯底,這主要取決於襯底材料對所發出的激光是否透明,例如940納米激光由於砷化鎵襯底不吸收940納米的光,所以設計成襯底面發光,850納米設計成正面發光,一般不發射光的一面的反射率在99.9%以上,發射光一面的反射率為99%,目前的AlGaAs鋁鎵砷結構VCSEL大部分是用高鋁(90%)的Al0.9GaAs層與低鋁(10%)Al0.1GaAs層交替的DBR,反射面需要30對以上的DBR(一般是30~35對才能到達99.9%反射率),出光面至少要24~25對DBR(99%反射率),由於後續需要氧化工藝來縮小諧振腔體積與出光面積,所以在接近發 層的p-DBR膜層的高鋁層需要使用全鋁的砷化鋁AlAs材料,這樣後面的氧化工藝可以比較快完成。

 

圖6外延與氧化工藝是VCSEL良率與光電特性好壞的關鍵

關鍵技術二:氧化工藝

這個技術是LED完全沒有的工藝,也是LED紅光發明人奧隆尼亞克(Nick Holonyak Jr.)發明的技術,如圖6所示,主要利用氧化工藝縮小諧振腔體積與發光面積,但是過去在做氧化工藝的時候,很難控制氧化的面積,只能先用樣品做氧化工藝,算出氧化速率,利用樣品的氧化速率推算同一批VCSEL外延片的氧化工藝時間,這樣的生產非常不穩定,良率與一致性都很難控制!精確控制氧化速度讓每個VCSEL芯片的諧振腔體積可以有良好的一致性,沒有過氧化或少氧化的問題,這樣在做陣列VCSEL模組的時候才會有精確的光電特性。即時監控氧化面積是最好的方法,如圖7所示,法國的AET Technology公司設計了一台可以利用砷化鋁(AlAs)氧化成氧化鋁(AlOx)之後材料折射率改變的反射光譜變化精確監控氧化面積,這種精密控制氧化速率的設備,可以省去過去工程師用試錯修正來調試參數,對大量穩定生產VCSEL芯片提供了最好的工具。

 

圖7法國AET科技公司推出的VCSEL即時監控的氧化製程設備,讓VCSEL量產更穩定

關鍵技術三:保護絕緣工藝

跟LED一樣,最後只能保留銲線電極上沒有絕緣保護層在上面,由於激光二極管的功率密度更大,所以VCSEL更需要這樣的保護層,更重要的是為了不讓氧化工藝的AlAs層繼續向內氧化影響諧振腔體積,造成激光特性突變,保護層的膜層質量非常重要,尤其是側面覆蓋的緻密性更為重要,過去都是用等離子加強氣相化學沉積機PECVD來鍍這層膜,但是為了要保持緻密性需要較厚的膜層,但是膜層太厚會造成應力過大影響器件可靠度!於是原子層沉積ALD技術開始取代PECVD成為最好的鍍膜工藝,如圖8所示,ALD可以沉積跟VCSEL氧化層特性接近的氧化鋁(Al2O3)薄膜,而且側面鍍膜均勻,緻密性高,最重要的是厚度很薄就可以完全絕緣保護芯片,除了VCSEL工藝以外,LED的倒裝芯片flip chip與IC的Fin-FET工藝都需要這樣的膜層,跟氧化技術一樣,國內還無法提供這樣的設備,目前芬蘭的Picosun派克森公司與Apply Material美國應用材料公司提供這樣的設備與工藝。

 

圖8芬蘭Picosun派克森公司推出的ALD原子層沉積技術的設備,可以讓VCSEL的器件更穩定

從光通信到消費電子,VCSEL激光器迎來爆發

VCSEL曾在光通信應用市場裡“發光發熱”,被廣泛關注,現在又增加了3D傳感的應用,以市場來說,如果以華為、OPPO、VIVO、三星等為首的高端機型第二梯隊快速響應與普及,每年全世界消費10多億部智能手機,如果每部手機嵌入2-3顆VCSEL激光器件,就是二三十億顆的市場規模。如今,全球VCSEL的總收入已接近8億美元,預計到2020年該值會增長到21億美元。未來,除了光通信與3D傳感,當VCSEL激光器量產供應鏈形成之後將帶動產品價格的全面平民化,包含AR智能眼鏡、智能駕駛的激光雷達等一系列顛覆式應用將徹底從概念化小眾市場得到快速普及,如圖9所示,VCSEL市場將會進一步爆發。

 

圖9 VCSEL的應用與未來市場趨勢

台灣與大陸VCSEL的發展現狀

如圖10所示,大陸與台灣VCSEL的產業鏈現狀很像十年前的LED,目前內地跟VCSEL有相關的公司可謂鳳毛麟角,除了國內光通訊器件廠商光迅科技已有VCSEL商業化產品推出,在消費電子領域,內地尚無一家擁有VCSEL芯片量產能力的企業,當然有潛力的公司也不是沒有,大家熟悉的三安光電和華工科技(華工正源)是有潛力的大陸廠家,而擁有四元紅黃MOCVD設備的公司例如乾照與華燦也有機會可以跨入這個領域,當然技術是關鍵,在美國矽谷,有一批華人專注於這個領域,例如Intelligent與Vertilite都是華人核心團隊組成的公司,如果可以吸引他們回來,這個行業在內地可能可以發展的比較快。

當然台灣在這方面的發展已經非常成熟,也得到國際大廠的認可,上游方面,全新、聯亞與光環科技都積澱了十五年的外延與芯片技術,LED大廠晶電也早做了佈局,專注芯片製造的穩懋更是砷化鎵芯片最專業的代工廠,VCSEL工藝對穩懋來說也非難事,除了拿到蘋果3D攝像頭供應鏈Lumentum的代工訂單,近期也得到3D傳感模組大廠Heptagon(AMS)的VCSEL芯片代工訂單,另外一家砷化鎵六寸晶圓廠宏捷科也是Princeton Optronics的代工廠家。中游的封裝方面,台灣累積了長久的精密封裝實力,目前聯鈞、華信、華星、光環、矽品與同欣都是有實力可以達到世界大廠要求的封裝技術,最後介紹一家堅持15年的專注VCSEL技術與產品的公司華立捷,這家公司具有上中下游垂直整合的實力,也是目前在VCSEL模組可以跟國際大廠競爭的公司。

所以整體來看,台灣的VCSEL顯現出一定的實力,現在因為蘋果新機也得到豐碩的果實,大陸這方面就幾乎空白了,大陸有機會翻轉嗎?

 

圖10 VCSEL的產業鏈分工示意圖

中國大陸砷化鎵材料與VCSEL的機會

三五族材料像砷化鎵或氮化鎵目前已經普遍使用在我們的日常生活中,以一支手機為例,最新的智能手機3D傳感使用砷化鎵VCSEL,背光與閃光燈使用高亮度氮化鎵LED,大家不熟悉的PA大部分使用砷化鎵功率放大器,PA為目前電子元件中相當重要的零組件,多半被設計放在天線放射器前端,廣泛被應用於手機當中,傳統2G手機僅使用兩顆PA,3G使用四至五顆,4G手機則是來到七顆,至於5G手機的用量將更可觀,高頻多頻帶無線通訊後,不管是高中低階, 4G手機滲透率開始起飛,這也引起了內地光電大廠的注意,去年三安光電計劃以2.26億美元收購環宇通訊半導體的消息,就是三安想要發力砷化鎵材料的企圖,這家公司主要從事砷化鎵/磷化銦/氮化鎵高階射頻及光電元件化合物半導體晶圓製造代工,同時也有佈局光通訊與紅外傳感的關鍵發射元器件,三安的企圖心不可謂不小。

內地電子業經過這麼多年的發展,已經發展成實力雄厚的紅色供應鏈,但是內地的產業特徵大多是可以大量製造、量產的產品特性,並非少量多樣化產品且需要高技術開發之產品。以砷化鎵PA或VCSEL來說,從認證到量產,不同於LED產業,不是會發光就可以依照市場不同等級的運用去分配出海口,砷化鎵產業的重要應用產品是1跟0的概念,能用就能用,不能用就不能用,尤其是PA的品質影響甚鉅,VCSEL的質量要求也特別高,這些採用砷化鎵PA或VCSEL的品牌大廠對品質要求甚嚴,沒人願意冒風險,對大陸廠商要進入這個領域的難度可謂空前巨大。未來三安如果要進入這個領域,他們面對的競爭對手是目前多數智能手機內建PA或RF(射頻)組件的砷化鎵晶圓代工廠穩懋科技,穩懋已經與大廠高通合作,設計出新一代TruSignal天線效能強化方案,很難撼動它的地位,另外像台灣宏捷科與全新都有深厚的功底。

長路漫漫,對砷化鎵或VCSEL產業而言,目前大陸的廠家都屬於小學階段,台灣是高中階段,美國應該是大學程度了,但是大陸有非常大的市場,尤其是5G來臨對寬帶基礎建設要求會越來越高,PA與RF組件需求越來越大,而當所有手機都把3D傳感技術當標準配備的時候,VCSEL的市場會比現在大好幾倍,大陸廠家有最新的設備,有雄厚的資本,缺的就是人才與技術經驗,也許下一波投資與獵頭狂潮將會是VCSEL莫屬了!

我們可以拭目以待!

 

圖11 未來VCSEL與3D傳感的潛在應用



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