Состояние и перспективы рынка VCSEL

Состояние и перспективы рынка VCSEL

Выпуск 13(6687) от 04 июля 2019 г.
РУБРИКА: КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Технологии излучающих с поверхности полупроводниковых лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL) достаточно хорошо отработаны и надежны и, как и сами лазеры, присутствуют на рынке уже более 20 лет. В течение последних 10 лет VCSEL занимали стабильное положение на рынках средств передачи данных, а также средств оптического обнаружения с малой добавленной стоимостью. Все резко изменилось в 2017 г., когда корпорация Apple представила смартфоны iPhone X со встроенными VCSEL для распознавания лиц и 3D-измерений.

Вслед за Apple в IV кв. 2018 г. осваивать VCSEL стали практически все крупные изготовители комплектного оборудования (ОЕМ), такие как Huawei, Oppo, Vivo и Xiaomi. Таким образом, распознавание лиц становится де-факто одной из важных функций старших моделей смартфонов. Она применяется уже более чем в 10 флагманских моделях как средство биометрии, заменяющее подэкранные датчики отпечатков пальцев. Из числа крупных поставщиков смартфонов 3D-сканирование лица пользователя не использует только корпорация Samsung – ​она по-прежнему совершенствует располагаемые под экраном датчики отпечатков пальцев, местоположение которых отмечается на экране смартфона соответствующим символом. Насколько правильна такая позиция – ​покажет время.

Также недавно на задней панели смартфонов появилась 3D-камера на основе принципа пролетного времени (time of flight, ToF), действующего в рамках фотоприложений (а именно, эффекта боке). Samsung и ряд китайских производителей решили реализовать подобные функции в своих старших моделях смартфонов. Этим они увеличили доступный рынок VCSEL и открыли путь к созданию более сложных приборов и доминированию различных спецификаций собственно VCSEL. На самом деле в современных смартфонах может использоваться до четырех VCSEL-приборов: для бесконтактного сканирования, освещения, точечной проекции и расширения возможностей фотосъемки.

Тем не менее общая ценность VCSEL автоматически не возрастает в четыре раза. По данным последнего исследования Yole DОveloppement (г. Лион, Франция) относительно тенденций развития рынка и технологий VCSEL в 2019 г. (VCSELs – ​Market and Technology Trends 2019), эта ценность будет стабилизироваться по мере увеличения вариантов использования VCSEL-функции (бесконтактный датчик приближения, распо-знавание лиц, 3D-сканирование задней панелью). Кроме того, цены на VCSEL достаточно быстро снижаются, кривая освоения их производства промышленными фирмами оказалась короткой, так же коротка и кривая освоения по всей цепи поставок (подложки, нанесение эпитаксиальных слоев, производство собственно приборов, интеграция при корпусировании).

Быстрое снижение себестоимости VCSEL – ​естественный процесс, обусловленный накоплением опыта и увеличением инвестиций. Переход к формированию структур VCSEL на пластинах большего диаметра (на 150-мм пластинах вместо 100-мм) при использовании процессов одного и того же уровня зрелости приводит к сокращению издержек производства. Этим подходом уже воспользовались несколько поставщиков. Кроме того, освоение реакторов химического осаждения из паровой фазы методом разложения металлоорганических соединений (MOCVD) нового поколения приведет к увеличению выхода годных. Но это станет возможным только после определенного периода освоения и дальнейшего накопления ноу-хау в области производства VCSEL. Причем это явно не решение «под ключ» – ​для достижения оптимальных эксплуатационных характеристик и высокого выхода годных потребуются месяцы, а возможно, и годы работы. Это подтверждается тем фактом, что до сих пор длится конкуренция в сфере выпуска приборов, способных конкурировать с первыми образцами VCSEL Lumentum, поставляемыми корпорации Apple для ее смартфонов iPhone X.

Конкуренты Apple разработали собственную версию функции фронтального 3D-сканирования на основе принципа структурированного света с достаточно высокой точностью. Но сейчас внедряются и другие технологии. Например, корпорация LG использует для распознания лиц фронтальную ToF-камеру. Это, безусловно, обеспечит большую точность и потенциально – ​более простую архитектуру модуля. После появления первой «победной конструкции» ToF-камеры в начале 2019 г. появились решения на основе ToF для задней стороны смартфонов. Подобные решения уже реализуются корпорациями Huawei и Oppo. Недавно их примеру последовала корпорация Samsung. При этом объявление Samsung о внедрении новой функции в смартфоны среднего класса было сделано, в частности, для изучения реакции пользователей не только на размещение подобных решений на задней стороне смартфона, но и на выход предлагаемых решений за пределы фотографирования с расширенными возможностями. Речь идет о приложениях виртуальной и дополненной реальностей, а также интеграции 3D-ориентированных приложений.

Помимо применения в мобильных и потребительских приборах (рост продаж в 2018–2024 гг. в 6,1 раза), VCSEL перспективны для использования еще в ряде областей. К ним можно отнести автомобильную промышленность и транспорт, где за ближайшие пять лет объем продаж VCSEL увеличится в 300 раз. Правда, это в большей мере долгосрочная тенденция. Достаточно высокие темпы роста потребления VCSEL (в 2,7 раза) покажет промышленная электроника (в основном за счет внедрения лидаров в робототехнические системы, действующие в промышленных средах).

В целом в 2024 г. объем рынка VCSEL достигнет 3,775 млрд долл., а среднегодовые темпы роста в сложных процентах (CAGR) за период 2018–2024 гг. превысят 30% (см. рисунок).

В секторе VCSEL, как и в полупроводниковой промышленности в целом, продолжается процесс слияний и поглощений (см. таблицу).

В ближайшие годы процесс слияний и поглощений продолжится, но сделки станут более специализированными, ориентированными на одну область или приложение. В первую очередь к таким областям относятся автомобильная и медицинская электроника, а также средства передачи данных.

В настоящее время крупные инвестиции в сфере VCSEL связаны с капитальными расходами и расширением производственных мощностей по всей цепочке поставок. Так, корпорация IQE построила новое специализированное предприятие в Уэльсе, а AMS инвестировала в расширение своих мощностей по обработке пластин в Сингапуре. Осуществляют капиталовложения в сектор VCSEL и другие интегрированные производители и кремниевые заводы, в том числе «с нуля».

 

Eloy Jean-Christophe. VCSELs: Striving Towards Further Growth… i-Micronews, May 29, 2019: https://www.i-micronews.com/vcsels-striving-towards-further-growth/?utm_source=ZohoCampaigns&utm_campaign=i-MN_31May2019_Asia&utm_medium=email


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Наталья Истомина

VCSEL – ​лазеры, у которых, в отличие от лазера с торцевым излучением, канал излучения расположен вертикально. Потенциал использования VCSEL связан с их компактностью, низким пороговым током генерации (0,5–2 мА), малой мощностью потребления, эффективным вводом излучения в волокно, меньшей зависимостью энергетических характеристик от температуры.

Развитие VCSEL шло по пути создания изделий на основе AlGaAs/GaAs и на основе In P. Первый тип (коротковолновые VCSEL, работающие в первом окне прозрачности ë ~ 0,85 мкм) используется в различных компьютерных оптических интерфейсах, второй тип (длинноволновые VCSEL, ë ~ 1,3 мкм и ë ~ 1,55 мкм) применяют в телекоммуникационных волоконных системах связи. Однако VCSEL по сравнению с традиционными полупроводниковыми лазерными торцевыми излучателями имеют меньшую мощность, и это ограничивает их использование в системах связи, позволяя применять только для локальных телекоммуникационных сетей и узлов радиофотонной обработки сигналов.

Перспективы VCSEL связаны с использованием их в качестве источников накачки для создания кольцевых гироскопов, для создания гироскопов на ядерном магнитном резонансе. Отсюда их широкое использование в робототехнике.

Фундаментальные технологии VCSEL уже шагнули в производство, промышленные технологии их изготовления достигли высокой воспроизводимости, увеличивается число приложений VCSEL в потребительских товарах (бесконтактный датчик приближения, распознавание лиц, 3D-сканирование задней панелью).


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ