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千人计划专家王俊:高功率激光芯零突破,VCSEL首条全产线国产化
2018-09-01 15:05:44   来源:麦姆斯咨询   评论:0   点击:

麦姆斯咨询:王俊带领长光华芯逐步成长为全球少数几家、国内唯一一家研发并量产高功率半导体激光器芯片的公司,打破了核心半导体激光芯片长期被国外芯片制造商垄断的局面。

微访谈:长光华芯常务副总经理兼CTO王俊

采访背景:

2017年9月,iPhone X的发布引爆了3D传感市场,在此后不到一年的时间内,华为(nova 3)、OPPO(Find X)、vivo(NEX)和小米(小米8探索版)这四家中国安卓智能手机市场份额排名前四的厂商,相继推出了搭载3D传感功能的新款智能手机,速度和普及之快,大大超出了之前的市场预期。而3D传感模块的核心组件主要包括红外光源、光学组件和红外传感器等,其中,高质量的红外光源——VCSEL(垂直腔面发射激光器),无疑是需要重点攻克的难关!继光通讯之后,VCSEL终于寻觅到一款“杀手级”应用——3D传感。

2017年和2023年VCSEL市场预测

2017年和2023年VCSEL市场预测

数据来源:《VCSEL技术、产业和市场趋势》

根据Yole最新发布的《VCSEL技术、产业和市场趋势》报告获悉,2017年VCSEL整体市场规模达到了3.3亿美元,预计VCSEL出货量将从2017年的6.52亿颗增长至2023年的33亿多颗,到2023年整体市场规模将增长至35亿美元,2017~2023年的复合年增长率高达48%。

苏州长光华芯光电技术有限公司(以下简称:长光华芯),是一家专注于高功率半导体激光器芯片及相关光电器件和应用系统的领先供应商。长光华芯常务副总经理兼首席技术官(CTO)王俊博士是科技部评审专家,国家“千人计划”特聘专家,江苏省双创人才,江苏省“双创团队”领军人才,姑苏创业创新领军人才,苏州市“重大创新团队”领军人才。王俊博士有近二十年的半导体激光器从业经验,带领长光华芯逐步成长为全球少数几家、国内唯一一家研发并量产高功率半导体激光器芯片的公司,打破了核心半导体激光芯片长期被国外芯片制造商垄断的局面。

近期,长光华芯实现了国内首条VCSEL(垂直腔面发射激光器)全产线的国产化。为此,麦姆斯咨询采访了长光华芯常务副总经理兼首席技术官(CTO)王俊博士,并参观了长光华芯完整的3英寸 VCSEL工艺生产线和6英寸样品线。充分感受到其团队技术积累之深、研发氛围之浓、攻坚能力之强,凭借对生产的高效管控,实现了VCSEL芯片产品良率和性能的快速提升。第三季度公司6英寸产线就会投入使用,VCSEL芯片产能进一步提升。同时公司近期1.5亿B轮融资也将助力VCESL业务的发展。长光华芯VCSEL工艺的全线贯通标志着中国VCSEL首条全产线的成功国产化,凭借着完整工艺生产线优势,长光华芯必将推动中国VCSEL芯片的创新应用发展,以及“3D成像和传感”产业链的进一步完善!

长光华芯常务副总经理兼CTO王俊博士

长光华芯常务副总经理兼CTO王俊博士

麦姆斯咨询:您作为科技部评审专家、国家“千人计划”专家、高功率半导体激光器顶尖人才,是什么推动您毅然选择放弃外国国籍归国,研发高功率半导体激光器中国“芯”?

王俊:回到国内是由于随着近几年激光行业的发展,国内对于高功率半导体激光器有着巨大的需求,但这一领域长期被国外的顶尖公司占据,尤其是核心芯片技术被国外垄断,并且有着严格的出口控制。而长光华芯的目标就是打破这个格局,为国内用户提供性能优异且质量可靠的国产“芯”。

麦姆斯咨询:不久前,长光华芯完成了1.5亿元B轮融资,请您介绍下此轮融资情况及资金用途。

王俊:今年7月,长光华芯顺利完成1.5亿元B轮融资,本轮融资的投资方为:国投创业、中科院创投、苏州橙芯创投。

长光华芯能够获得投资方的认可基于三个方面的原因:首先就是优秀的团队。第二就是长光华芯这些年积累的核心技术优势,目前公司是国内唯一实现高功率半导体激光芯片量产化的公司,打破了国外对高功率激光芯片的封锁垄断。第三,公司依托现有的完整半导体激光芯片工艺平台,积极横向拓展VCSEL芯片市场,并已建成国内首条具有完整生产工艺的VCSEL芯片产线。长光华芯本轮融资将助力公司VCSEL的快速发展。

麦姆斯咨询:长光华芯一直专注于高功率半导体激光器关键技术、关键器件的自主开发,是全球少数几家能够研发并量产高功率半导体激光器芯片的公司,请问在激光器芯片国产化的道路上攻克了哪些技术难题和挑战?

王俊:在高功率半导体激光器的研制和生产方面,国产半导体激光芯片的功率和寿命与国外先进水平仍有较大差距,主要原因在于外延生长技术、腔面钝化技术以及器件制作工艺水平的不足,因此解决这几个难题是我们的首要目标。在外延结构设计方面,我司采用非对称超大光腔波导结构设计,降低内部损耗,提高效率、功率与亮度。在腔面膜处理方面采用腔面钝化处理技术和窗口结构,有效降低腔面表面复合和腔面温度,提高芯片腔面灾变(COMD)水平。目前公司已累计销售激光芯片200万片,是全球少数几家能够研发并量产高功率半导体激光器芯片的公司。这些技术积累为VCSEL芯片的研发和量产打下了坚实的基础。

苏州长光华芯高功率激光芯片

苏州长光华芯高功率激光芯片

麦姆斯咨询:长光华芯现已建成半导体激光器芯片设计、MOCVD(外延)、光刻、解理/镀膜、封装测试、光纤耦合等完整的工艺平台和量产线,请您详细介绍一下公司建立激光器芯片完整的工艺平台的原因,及其带来的优势。

王俊:长光华芯的目标就是做好国产的半导体激光器,而这个目标需要对激光芯片生产工艺过程中的每一个环节尽可能实现可控。目前,国内部分宣传可以做国产芯的企业往往只具有芯片设计的能力,而最核心的外延和流片环节都是外包给其他厂商。这样的模式很不利于芯片的工艺改进,从芯片设计到完成后性能反馈周期过长。国外顶尖的半导体激光器公司如Lumentum、贰陆(II-VI)等,都拥有完整的芯片生产工艺平台,能够高效地对工艺流程进行控制,缩短芯片研发和改良周期。因此,在拥有完整激光芯片生产工艺平台的基础上,长光华芯能加快芯片研发和改良,从而在产品性能上和国际顶尖的公司进行竞争。而拥有完整的半导体激光芯片工艺平台使得公司的VCSEL芯片的研发和量产进展迅速,并且可快速响应客户的定制化需求。

长光华芯VCSEL生产线

长光华芯VCSEL生产线

麦姆斯咨询:早期的3D传感系统一般都使用LED作为红外光源,自iPhone X发布后,VCSEL作为其红外光源仿佛一夜之间就火了,您能详细解释为何选择VCSEL作为光源吗?

王俊:VCSEL能被大家选择,最根本的是其在技术和成本上有明显优势。首先在技术上光电转换效率更高(相对于LED), VCSEL阵列线宽较窄(0.35nm)且波长对温度漂移较小(0.07nm/℃),尺寸紧凑,可靠性也更高,特别适用于手机等电量“紧缺”的移动设备;而在成本方面,比起其它激光器,调整准直VCSEL更加容易,这样就能够生产低成本的基于VCSEL的收发器;同时在制造工艺上,VCSEL与边发射半导体激光器(EEL)、发光二极管(LED)等工艺有兼容,且VCSEL批量制造更加容易。

麦姆斯咨询:与EEL(边发射半导体激光器)相比,VCSEL有哪些优势和劣势?长光华芯在EEL领域深厚的技术积累,对VCSEL的研发和量产有哪些帮助?

王俊:结构上,VCSEL与边发射激光器(EEL)完全不同,VCSEL的光发射垂直于半导体衬底,而发射激光器光发射(EEL)平行于衬底方向。VCSEL具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易于大批量生产等优点。

VCSEL的生产工艺与EEL领域的芯片生产工艺是兼容的,而且VCSEL更容易量产,因此在相似生产工艺和平台的基础上,长光华芯的VCSEL研发进展迅速。在量产上,借助已有平台,公司已建成3英寸VCSEL芯片生产线,在2018年第三季度还会有6寸线投入使用,届时VCSEL的供货能力会大大增加。

麦姆斯咨询:目前,长光华芯正在开发的VCSEL产品有哪些系列?性能和良率如何?量产计划和客户进展情况如何?

王俊:目前,长光华芯主要提供的是850~940nm波段的VCSEL产品,其中针对飞行时间(ToF)和结构光(Structured light)的方案都有,同时我们也乐于接受客户的定制化需求,开发周期为1~2个月。对于主要指标,如光电转换效率,长光华芯VCSEL芯片的光电转换效率已达42%。同时,在产品良率上,长光华芯依托完整工艺平台基础,不断快速改进,确保性能和良率的持续提升。

目前VCSEL的3英寸批量生产线已建成,并与多家客户接洽,接到客户的定制指标需求,部分定制产品已进入到送样认证阶段,公司在2018年第三季度还会有6寸线投入使用。

长光华芯VCSEL光电转换效率42%

长光华芯VCSEL光电转换效率42%

麦姆斯咨询:请您阐述一下结构光(Structured light)方案和飞行时间(ToF)方案对VCSEL的不同需求。另外,对于双目立体视觉方案,VCSEL会取代LED吗?

王俊:结构光方案中需要识别光源每个发光点的信息,因此,结构光面阵中每个点的位置是随机分布的。结构光对面阵中每个点的功率和发散角均匀性稳定性也有严格的要求,相比ToF光更强调芯片的功率。而ToF需要的VCSEL阵列通常是周期排列的,且对芯片均匀性要求不高。

对于双目立体视觉方案,VCSEL一定会取代LED。VCSEL相对LED具有效率高、功率高、窄光谱、发散角小等优势,且随着VCSEL工艺与产线的成熟,价格逐渐与LED相当。因此,VCSEL取代LED只是时间问题。

麦姆斯咨询:手机3D传感系统中的面阵VCSEL发射模组和芯片的价格为多少?您预计未来价格下降趋势如何?3D传感系统有无可能成为中高端智能手机的标配?

王俊:当前,针对不同方案的面阵VCSEL会存在价格上差异,综合来说用于结构光会高于用于ToF方案的VCSEL芯片。另一方面,针对不同价位手机,其相应的光学模组性能上的差异也会带来不同价格。未来,随着越来越多厂家参与到VCSEL的市场,其价格必然成下降的趋势。而竞争的核心在于谁能提供更高性能的VCSEL产品。未来的一段时间,3D传感系统极有可能会在越来越多的中高端手机中得到应用。

麦姆斯咨询:目前主流的VCSEL大多采用TO-can封装与阵列封装,在高功率传感系统(激光雷达等)中会需要采用Flip Chip(倒装芯片)等形式的阵列封装,长光华芯的VCSEL芯片可提供哪些封装形式?不同种类的封装有哪些性能和应用差异?

王俊:封装形式的选取通常要考虑芯片的散热性能、成本以及与下游产品的兼容性。长光华芯的VCSEL芯片采用COS的形式封装。也就是将VCSEL芯片封装在带有电极的热沉上。具有散热效率高、成本低和易于电路板焊接等优势。

麦姆斯咨询:长光华芯目前正依托与苏州高新区共建的苏州半导体激光创新研究院,打造半导体激光芯片研究平台(含VCSEL芯片),请您详细介绍一下研究院的建设情况,以及VCSEL制造线的产能规划。

王俊:2018年3月15日,慕尼黑上海光博会期间,苏州长光华芯光电技术有限公司与苏州高新区政府在上海签署协议,宣布双方在苏州高新区共建半导体激光创新研究院,总投资5亿元,建设国内一流的半导体激光芯片研发平台。

目前,公司已建成3英寸VCSEL芯片生产线,在2018年第三季度还会有6寸线投入使用。研究院建立后的重要规划就是进一步改良VCSEL的生产工艺,同时增加相应的VCSEL生产设备,如增加了MOCVD晶圆生长炉、步进光刻机、氧化炉等,预计VCSEL的产能会进一步提升。

半导体激光创新研究院效果图

半导体激光创新研究院效果图

麦姆斯咨询:外延是影响VCSEL良率和光电特性的关键工艺之一,与3英寸或4英寸晶圆外延相比,6英寸晶圆的外延精确控制和稳定性是当前面临的主要挑战。请您介绍一下长光华芯在这方面的技术积累和突破。

王俊:6寸VCSEL晶圆的生长的确是一个难题,全球可以提供6寸外延片的厂商也屈指可数。长光华芯在硬件和外延团队都具有优势。首先,在一年以前,长光华芯已经布局6英寸外延项目,陆续采购多台量产的MOCVD设备,足够未来1年内VCSEL量产对晶圆的需求。同时,长光华芯具有多年高功率边发射半导体激光器的量产与研发经验,拥有多名资深的外延设备调试和工艺调试专家。目前我们已经研发和生产的晶圆在波长均匀性等方面与海外一流公司的水平基本相当。

麦姆斯咨询:除了外延,氧化工艺也很重要,需要精确地控制氧化速度,使VCSEL谐振腔体保持良好的一致性。这对实现VCSEL阵列精确的光电特性至关重要,长光华芯在这方遇到了哪些问题,又是如何解决的?

王俊:长光华芯在氧化工艺研发过程中遇到了氧化片内不均匀的问题。这个问题的解决主要从两方面入手,一是依托自身完整的工艺平台,研究外延组成分布、氧化温度场、气流场等工艺参数对氧化孔径的影响,从而来提高氧化的均匀性;另一方面,公司也购买了业内知名厂家的氧化炉设备,来进一步解决量产需求下的氧化工艺的精确控制。

长光华芯外延工艺

长光华芯外延工艺

麦姆斯咨询:半导体激光器对温度高度敏感,温度升高会导致大规模光衰减,VCSEL技术对可靠性要求非常严苛,长光华芯如何解决这一挑战?

王俊:关于温度升高导致光组件效率降低的问题,表现在三个方面:第一温度升高导致激光芯片波长增长,与系统光学元件波长不匹配导致功率下降。VCSEL结构本就具有波长稳定的先天优势,波长温飘是普通激光器的1/4左右;第二,芯片温升导致芯片效率降低。这点长光华芯具有专业的器件结构设计和外延生长团队,通过对芯片结构进行优化,在底层提高芯片的高温特性;第三方面,散热也是影响高温特性的因素,长光华芯采用高热导的COS对芯片进行散热封装,可有效降低芯片的工作温度。通过以上几方面的技术改进提高芯片的高温可靠性。

麦姆斯咨询:除了光通信和消费类3D传感,VCSEL在自动驾驶领域的LiDAR(激光雷达)方面也极具应用前景。长光华芯是否在布局应用于汽车激光雷达的VCSEL或EEL?如果有,目前进展如何?是否已与激光雷达厂商建立了合作关系?

王俊:目前,长光华芯的主要精力投入到手机端940nm波段VCSEL产品上,同时我们也接受其它波段的VCSEL芯片的定制需求。针对自动驾驶领域的激光雷达芯片,已有客户来咨询并且实地考察。这也是长光华芯的发展方向,目前已在我们的研发计划中,预计在2019年下半年有相关产品推出。

长光华芯百瓦级激光雷达芯片和自动驾驶

长光华芯百瓦级激光雷达芯片和自动驾驶

麦姆斯咨询:近年,中国政府大力支持砷化镓(GaAs)产业和电信组件产业,积极布局VCSEL市场,其结果必然加剧VCSEL领域的激烈竞争。现有的激光组件制造商、砷化镓外延厂、拥有MOCVD设备的LED厂商,以及“雨后春笋般”的初创企业都在积极布局参与竞争,您如何评价国内外的产业竞争格局?

王俊:VCSEL作为光源,本身就具有极好的优势,尤其是苹果公司产品采用其作为3D人脸识别的光源,更是让众多企业看到了其广阔的应用前景。当前,受到国家大力扶持半导体产业发展政策浪潮的影响,同时基于庞大的市场需求,大量资本涌入到这个行业中来,各种宣传自主芯片的企业出现。

长光华芯欢迎国内其他厂家参与到这个市场,通过互相竞争推动整个产业的共同发展。半导体激光芯片产业是一个高端人才密集型、高技术密集型、资本密集型的一个领域,需要长期的坚持和投入,要充分认识到我们与国际顶尖公司的差距,一步步踏实地提升产品性能。进入到这个领域的企业,需要长期的技术积累和完整的工艺平台支撑,才能够长久的发展壮大。

麦姆斯咨询:最后请您畅谈一下长光华芯未来五年规划。

王俊:长光华芯未来5~10年的目标是在高能激光、激光雷达和光通讯领域成为中国“激光芯”,代表国家参与全球竞争。

长光华芯具体的发展战略是“一平台,一支点,横向扩展,纵向延伸”战略布局。“一平台”是与苏州高新区共建的半导体激光创新研究院,“一支点”是公司已经具备的高功率半导体激光芯片的优势。“横向扩展”指积极进入以VCSEL为代表的激光雷达芯片和光通讯芯片,“纵向延伸”是利用公司高功率半导体激光芯片优势,延伸提供激光系统服务终端用户。目前公司已分别成立了相应的VCSEL和激光系统事业部,未来长光华芯会为客户提供更加优质产品和服务。

延伸阅读:

《VCSEL技术、产业和市场趋势》

《3D成像和传感-2018版》

《苹果iPhone X的ToF接近传感器和泛光照明器》

《苹果iPhone X红外点阵投影器》

《苹果iPhone X近红外3D摄像头传感器》

《英特尔RealSense主动红外立体深度摄像头:D435》

《英特尔RealSense 3D摄像头与意法半导体红外激光发射器》

《汽车和工业应用的激光雷达-2018版》

《汽车激光雷达专利全景分析-2018版》

《自动驾驶汽车传感器-2018版》

《汽车MEMS和传感器市场及技术趋势-2017版》

《大陆集团最先进的ADAS激光雷达:SRL1》

《LeddarTech固态激光雷达(LiDAR)模组:LeddarVu》

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