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打通“芯片+封装+光学集成”,瑞识科技发布全系列高性能VCSEL 产品

2017年,iPhone X的亮相让提供人脸解锁的3D感测技术成为行业热门,也让3D感测模块中的核心半导体激光器VCSEL屡被业界提及。而就在近日,有行业专家在关于2020年新款iPhone的产品趋势预测中再次表示,预期2020年下半年iPhone的3款新机都将配备前置3D摄像头,当中2款新机会配备后置ToF,同时配备前后VCSEL。

该位专家同时还预测称,包括iPhone在内,配备前后VCSEL的手机出货量,将在2020年显著增长450%-500%,数量将增至7500万到8000万台。

另据集邦咨询LED研究中心(LED inside)最新红外线感测市场报告指出,在2019年智能手机整体出货预估衰退的情况下,手机品牌厂商针对下半年旗舰机祭出规格竞赛,3D感测模组成为其中一项重要配备,并将VCSEL作为其在未来机型中的官方标配。受此趋势带动,预估2019年手机3D感测中的VCSEL市场产值有望增长至11.39亿美元。

随着VCSEL技术的成熟,以其作为核心元件的光学感测技术进入了行业级应用,同时已在激光打印机、光学鼠标、汽车激光雷达(LiDAR)、辅助驾驶、气体传感器、活体检测、虹膜识别、AR/VR、机器人视觉、医疗美容等领域得以初探,涉及行业上下游纷纷受益。有投资机构预测,VCSEL市场有望从2017年的3.3亿美元增至2023年的35亿美元,年复合增长率48%。

实际上,尽管VCSEL的商业机会被各界一致看好,但国内能量产VCSEL的非常鲜有。该技术瓶颈较高,对芯片设计能力需求很高,同时受限于高昂成本、专利壁垒等因素,导致国内VCSEL发展速度远不及预期。部分国内芯片设计厂家虽有涉足,但技术实力相对落后,良品率和可靠性不足,因而难以摆脱对国外成熟供应商的依赖。另外,在更多实际的应用中,客户需要的是简单易用、光电热整体优化好的光源方案(封装好的光芯片,并装配好光学透镜),而不是单独的VCSEL光芯片。目前能提供完整光源方案的公司极少,很大程度上限制了VCSEL技术在应用端的渗透速度。

而就在近日,专注于半导体光学领域的瑞识科技,重磅发布了自主研发的全系列高性能VCSEL产品,有望大幅提升VCSEL技术的易用性,加速VCSEL在多种应用领域的渗入。瑞识科技已打通“芯片+封装+光学集成“的全链条,掌握完全自主的芯片设计和光学整合优化等关键技术,拥有国内外技术发明专利几十项。2018年底,瑞识科技曾首次发布”高芯占比“的VCSEL ToF模组,同时依托团队独创“1.5次光学集成技术”,开发了专门针对3D传感应用的FRay系列LED泛光源产品。

据了解,瑞识此次发布的VCSEL光源模组产品主要分为两大系列,配备Diffuser元件封装的TRay系列产品和VCSEL芯片直接封装的VRay系列产品(图1)。产品的光功率覆盖了从5mW到5W,波长规格除了850nm和940nm,同时还配置了808nm和795nm两种规格供客户选用。产品尺寸均与目前业内通用尺寸pin to pin,产品适用性强。同时,产品的发光角度也有多种规格,可以满足大部分客户应用场景的需求。

图1:瑞识VCSEL产品矩阵

除了规格齐全,瑞识VCSEL光源模组产品在性能和可靠性方面均处于行业领先水平。据瑞识科技产品负责人透露,瑞识量产的VCSEL芯片的光电转换效率(PCE)已超过45%,封装后的光源产品光电转换效率超过40%。在产品可靠性方面,瑞识科技充分考虑了热稳定性和结构稳定性,采用高导热率的氮化铝陶瓷基板,并在封装工艺上针对VCSEL高热密度特征进行了优化,能保证芯片热量高效率导出,提升产品的长期工作可靠性。同时,由于瑞识产品采用的基板均为一体式支架,支架和底部陶瓷基板一体成型,结构稳定,杜绝了支架和底部陶瓷基板剥离的风险。

图2.瑞识VCSEL产品实物图:TRay(左),VRay Lens (中)、VRay Flat (右)

值得一提的是,瑞识此次发布的系列VCSEL光源产品中所采用的核心元器件- VCSEL芯片,是由该团队自主研发生产、拥有完全知识产权、性能达到业界领先水平的产品。瑞识科技已经成功开发全系列VCSEL芯片产品。产品系列涵盖了不同波长,包括850nm、940nm,光功率从几毫瓦到数瓦(见图3),应用场景从3D结构光到接近传感、红外泛光源以及3D ToF感应。

图3:瑞识VCSEL芯片产品系列实物图

据瑞识科技芯片产品负责人贺永祥博士介绍,为满足应用端对芯片性能的要求,瑞识团队经过数轮对材料设计及加工工艺的优化,包括外延材料中的分布布拉格反射层的掺杂以及邻近量子阱有源区的精细结构设计的优化,开发出光电转换效率(PCE)高达52%、业界顶尖水平的VCSEL外延材料。基于顶尖性能的外延材料,瑞识VCSEL芯片系列产品性能全面达到业界领先水平。以可用于3D ToF的3W规则阵列VCSEL芯片为例,光电转换效率(PCE)可高达45%,在6英寸晶圆上性能分布均匀,几乎所有芯片都有40%或以上的转换效率,并且在25℃到50℃温度范围内,关键光电性能相当稳定。瑞识在追求VCSEL芯片优异性能的同时,可靠性的优化也始终融入在外延材料的设计和制造工艺的设计之中。在已完成的VCSEL芯片加速老化和高温高湿等可靠性测试中未见明显劣化,等效寿命在正常使用条件下大于10年。

图4:瑞识科技VCSEL芯片6英寸晶圆量产PCE分布图(左图)和产品光电曲线(右图)

瑞识科技团队具有丰富的VCSEL芯片量产供应链整合经验,目前已完成从外延生长到晶圆制造,芯片性能测试,以及可靠性验证等具有业界一流能力的本土供应链的整合,从而能够提供芯片量产产能,品质管控以及量产良率的有力保证。同时,为了保证瑞识VCSEL光源模组的量产品质,瑞识科技在成立之初就自建了芯片封装产线并已通过ISO9001质量体系认证,配置了专业的VCSEL光源的量产检测设备,实现了对产品量产品质和供应链管理的自主掌控。

为更好服务客户不同场景的各种应用需求,加速VCSEL技术的应用,瑞识建立了完整且反应快捷的定制化服务机制,客户可以根据需求定制光源产品的尺寸、波长,封装形式、发光角度和光功率。在Diffuser定制方面瑞识与VIAVI公司合作,共同为客户提供定制化的服务。VIAVI全球市场及销售副总裁Sinclair Vass先生表示:“我们非常愿意跟瑞识一起,在Diffuser应用领域做更多的尝试,通过VIAVI专业的Diffuser的设计和瑞识行业领先的VCSEL技术,实现更多富有挑战的应用方式“。

“我们致力于打破国外制造商在核心半导体光器件行业垄断的竞争格局,为中国行业创新发展贡献力量。“瑞识科技CEO汪洋博士在采访中表示,“光学+人工智能”是第四次工业革命的核心,光学传感器是人工智能数据的主要来源,我们正在进入消费光子的时代。作为消费光子领域的创新者和推动者,瑞识科技秉承工匠精神,追求极致工艺和产品可靠性,努力让先进光学技术走进我们每个人的生活当中。以“芯片+封装+光学集成”三大核心技术,瑞识科技将为客户提供真正好用、便宜、可量产的半导体光源产品和光学解决方案。

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