千人計劃專家王俊：高功率雷射芯零突破，VCSEL首條全產線國產化

微訪談：長光華芯常務副總經理兼CTO王俊

採訪背景：

2017年9月，iPhone X的發布引爆了3D傳感市場，在此後不到一年的時間內，華為（nova 3）、OPPO（Find X）、vivo（NEX）和小米（小米8探索版）這四家中國安卓智慧型手機市場份額排名前四的廠商，相繼推出了搭載3D傳感功能的新款智慧型手機，速度和普及之快，大大超出了之前的市場預期。

而3D傳感模塊的核心組件主要包括紅外光源、光學組件和紅外傳感器等，其中，高質量的紅外光源——VCSEL（垂直腔面發射雷射器），無疑是需要重點攻克的難關！繼光通訊之後，VCSEL終於尋覓到一款「殺手級」應用——3D傳感。

根據Yole最新發布的《VCSEL技術、產業和市場趨勢》報告獲悉，2017年VCSEL整體市場規模達到了3.3億美元，預計VCSEL出貨量將從2017年的6.52億顆增長至2023年的33億多顆，到2023年整體市場規模將增長至35億美元，2017~2023年的複合年增長率高達48%。

蘇州長光華芯光電技術有限公司（以下簡稱：長光華芯），是一家專注於高功率半導體雷射器晶片及相關光電器件和應用系統的領先供應商。

長光華芯常務副總經理兼首席技術官（CTO）王俊博士是科技部評審專家，國家「千人計劃」特聘專家，江蘇省雙創人才，江蘇省「雙創團隊」領軍人才，姑蘇創業創新領軍人才，蘇州市「重大創新團隊」領軍人才。

王俊博士有近二十年的半導體雷射器從業經驗，帶領長光華芯逐步成長為全球少數幾家、國內唯一一家研發並量產高功率半導體雷射器晶片的公司，打破了核心半導體雷射晶片長期被國外晶片製造商壟斷的局面。

近期，長光華芯實現了國內首條VCSEL（垂直腔面發射雷射器）全產線的國產化。

為此，麥姆斯諮詢採訪了長光華芯常務副總經理兼首席技術官（CTO）王俊博士，並參觀了長光華芯完整的3英寸 VCSEL工藝生產線和6英寸樣品線。

充分感受到其團隊技術積累之深、研發氛圍之濃、攻堅能力之強，憑藉對生產的高效管控，實現了VCSEL晶片產品良率和性能的快速提升。

第三季度公司6英寸產線就會投入使用，VCSEL晶片產能進一步提升。

同時公司近期1.5億B輪融資也將助力VCESL業務的發展。

長光華芯VCSEL工藝的全線貫通標誌著中國VCSEL首條全產線的成功國產化，憑藉著完整工藝生產線優勢，長光華芯必將推動中國VCSEL晶片的創新應用發展，以及「3D成像和傳感」產業鏈的進一步完善！

麥姆斯諮詢：您作為科技部評審專家、國家「千人計劃」專家、高功率半導體雷射器頂尖人才，是什麼推動您毅然選擇放棄外國國籍歸國，研發高功率半導體雷射器中國「芯」？

王俊：回到國內是由於隨著近幾年雷射行業的發展，國內對於高功率半導體雷射器有著巨大的需求，但這一領域長期被國外的頂尖公司占據，尤其是核心晶片技術被國外壟斷，並且有著嚴格的出口控制。

而長光華芯的目標就是打破這個格局，為國內用戶提供性能優異且質量可靠的國產「芯」。

麥姆斯諮詢：不久前，長光華芯完成了1.5億元B輪融資，請您介紹下此輪融資情況及資金用途。

王俊：今年7月，長光華芯順利完成1.5億元B輪融資，本輪融資的投資方為：國投創業、中科院創投、蘇州橙芯創投。

長光華芯能夠獲得投資方的認可基於三個方面的原因：首先就是優秀的團隊。

第二就是長光華芯這些年積累的核心技術優勢，目前公司是國內唯一實現高功率半導體雷射晶片量產化的公司，打破了國外對高功率雷射晶片的封鎖壟斷。

第三，公司依託現有的完整半導體雷射晶片工藝平台，積極橫向拓展VCSEL晶片市場，並已建成國內首條具有完整生產工藝的VCSEL晶片產線。

長光華芯本輪融資將助力公司VCSEL的快速發展。

麥姆斯諮詢：長光華芯一直專注於高功率半導體雷射器關鍵技術、關鍵器件的自主開發，是全球少數幾家能夠研發並量產高功率半導體雷射器晶片的公司，請問在雷射器晶片國產化的道路上攻克了哪些技術難題和挑戰？

王俊：在高功率半導體雷射器的研製和生產方面，國產半導體雷射晶片的功率和壽命與國外先進水平仍有較大差距，主要原因在於外延生長技術、腔面鈍化技術以及器件製作工藝水平的不足，因此解決這幾個難題是我們的首要目標。

在外延結構設計方面，我司採用非對稱超大光腔波導結構設計，降低內部損耗，提高效率、功率與亮度。

在腔面膜處理方面採用腔面鈍化處理技術和窗口結構，有效降低腔面表面複合和腔面溫度，提高晶片腔面災變(COMD)水平。

目前公司已累計銷售雷射晶片200萬片，是全球少數幾家能夠研發並量產高功率半導體雷射器晶片的公司。

這些技術積累為VCSEL晶片的研發和量產打下了堅實的基礎。

麥姆斯諮詢：長光華芯現已建成半導體雷射器晶片設計、MOCVD（外延）、光刻、解理/鍍膜、封裝測試、光纖耦合等完整的工藝平台和量產線，請您詳細介紹一下公司建立雷射器晶片完整的工藝平台的原因，及其帶來的優勢。

王俊：長光華芯的目標就是做好國產的半導體雷射器，而這個目標需要對雷射晶片生產工藝過程中的每一個環節儘可能實現可控。

目前，國內部分宣傳可以做國產芯的企業往往只具有晶片設計的能力，而最核心的外延和流片環節都是外包給其他廠商。

這樣的模式很不利於晶片的工藝改進，從晶片設計到完成後性能反饋周期過長。

國外頂尖的半導體雷射器公司如Lumentum、貳陸（II-VI）等，都擁有完整的晶片生產工藝平台，能夠高效地對工藝流程進行控制，縮短晶片研發和改良周期。

因此，在擁有完整雷射晶片生產工藝平台的基礎上，長光華芯能加快晶片研發和改良，從而在產品性能上和國際頂尖的公司進行競爭。

而擁有完整的半導體雷射晶片工藝平台使得公司的VCSEL晶片的研發和量產進展迅速，並且可快速響應客戶的定製化需求。

麥姆斯諮詢：早期的3D傳感系統一般都使用LED作為紅外光源，自iPhone X發布後，VCSEL作為其紅外光源仿佛一夜之間就火了，您能詳細解釋為何選擇VCSEL作為光源嗎？

王俊：VCSEL能被大家選擇，最根本的是其在技術和成本上有明顯優勢。

首先在技術上光電轉換效率更高（相對於LED）， VCSEL陣列線寬較窄（0.35nm）且波長對溫度漂移較小（0.07nm/℃），尺寸緊湊，可靠性也更高，特別適用於手機等電量「緊缺」的移動設備；而在成本方面，比起其它雷射器，調整準直VCSEL更加容易，這樣就能夠生產低成本的基於VCSEL的收發器；同時在製造工藝上，VCSEL與邊發射半導體雷射器（EEL）、發光二極體（LED）等工藝有兼容，且VCSEL批量製造更加容易。

麥姆斯諮詢：與EEL（邊發射半導體雷射器）相比，VCSEL有哪些優勢和劣勢？長光華芯在EEL領域深厚的技術積累，對VCSEL的研發和量產有哪些幫助？

王俊：結構上，VCSEL與邊發射雷射器（EEL）完全不同，VCSEL的光發射垂直於半導體襯底，而發射雷射器光發射（EEL）平行於襯底方向。

VCSEL具有體積小、圓形輸出光斑、單縱模輸出、閾值電流小、價格低廉、易於大批量生產等優點。

VCSEL的生產工藝與EEL領域的晶片生產工藝是兼容的，而且VCSEL更容易量產，因此在相似生產工藝和平台的基礎上，長光華芯的VCSEL研發進展迅速。

在量產上，藉助已有平台，公司已建成3英寸VCSEL晶片生產線，在2018年第三季度還會有6寸線投入使用，屆時VCSEL的供貨能力會大大增加。

麥姆斯諮詢：目前，長光華芯正在開發的VCSEL產品有哪些系列？性能和良率如何？量產計劃和客戶進展情況如何？

王俊：目前，長光華芯主要提供的是850~940nm波段的VCSEL產品，其中針對飛行時間（ToF）和結構光（Structured light）的方案都有，同時我們也樂於接受客戶的定製化需求，開發周期為1~2個月。

對於主要指標，如光電轉換效率，長光華芯VCSEL晶片的光電轉換效率已達42%。

同時，在產品良率上，長光華芯依託完整工藝平台基礎，不斷快速改進，確保性能和良率的持續提升。

目前VCSEL的3英寸批量生產線已建成，並與多家客戶接洽，接到客戶的定製指標需求，部分定製產品已進入到送樣認證階段，公司在2018年第三季度還會有6寸線投入使用。

麥姆斯諮詢：請您闡述一下結構光（Structured light）方案和飛行時間（ToF）方案對VCSEL的不同需求。

另外，對於雙目立體視覺方案，VCSEL會取代LED嗎？

王俊：結構光方案中需要識別光源每個發光點的信息，因此，結構光面陣中每個點的位置是隨機分布的。

結構光對面陣中每個點的功率和發散角均勻性穩定性也有嚴格的要求，相比ToF光更強調晶片的功率。

而ToF需要的VCSEL陣列通常是周期排列的，且對晶片均勻性要求不高。

對於雙目立體視覺方案，VCSEL一定會取代LED。

VCSEL相對LED具有效率高、功率高、窄光譜、發散角小等優勢，且隨著VCSEL工藝與產線的成熟，價格逐漸與LED相當。

因此，VCSEL取代LED只是時間問題。

麥姆斯諮詢：手機3D傳感系統中的面陣VCSEL發射模組和晶片的價格為多少？您預計未來價格下降趨勢如何？3D傳感系統有無可能成為中高端智慧型手機的標配？

王俊：當前，針對不同方案的面陣VCSEL會存在價格上差異，綜合來說用於結構光會高於用於ToF方案的VCSEL晶片。

另一方面，針對不同價位手機，其相應的光學模組性能上的差異也會帶來不同價格。

未來，隨著越來越多廠家參與到VCSEL的市場，其價格必然成下降的趨勢。

而競爭的核心在於誰能提供更高性能的VCSEL產品。

未來的一段時間，3D傳感系統極有可能會在越來越多的中高端手機中得到應用。

麥姆斯諮詢：目前主流的VCSEL大多採用TO-can封裝與陣列封裝，在高功率傳感系統（雷射雷達等）中會需要採用Flip Chip（倒裝晶片）等形式的陣列封裝，長光華芯的VCSEL晶片可提供哪些封裝形式？不同種類的封裝有哪些性能和應用差異？

王俊：封裝形式的選取通常要考慮晶片的散熱性能、成本以及與下游產品的兼容性。

長光華芯的VCSEL晶片採用COS的形式封裝。

也就是將VCSEL晶片封裝在帶有電極的熱沉上。

具有散熱效率高、成本低和易於電路板焊接等優勢。

麥姆斯諮詢：長光華芯目前正依託與蘇州高新區共建的蘇州半導體雷射創新研究院，打造半導體雷射晶片研究平台（含VCSEL晶片），請您詳細介紹一下研究院的建設情況，以及VCSEL製造線的產能規劃。

王俊：2018年3月15日，慕尼黑上海光博會期間，蘇州長光華芯光電技術有限公司與蘇州高新區政府在上海簽署協議，宣布雙方在蘇州高新區共建半導體雷射創新研究院，總投資5億元，建設國內一流的半導體雷射晶片研發平台。

目前，公司已建成3英寸VCSEL晶片生產線，在2018年第三季度還會有6寸線投入使用。

研究院建立後的重要規劃就是進一步改良VCSEL的生產工藝，同時增加相應的VCSEL生產設備，如增加了MOCVD晶圓生長爐、步進光刻機、氧化爐等，預計VCSEL的產能會進一步提升。

麥姆斯諮詢：外延是影響VCSEL良率和光電特性的關鍵工藝之一，與3英寸或4英寸晶圓外延相比，6英寸晶圓的外延精確控制和穩定性是當前面臨的主要挑戰。

請您介紹一下長光華芯在這方面的技術積累和突破。

王俊：6寸VCSEL晶圓的生長的確是一個難題，全球可以提供6寸外延片的廠商也屈指可數。

長光華芯在硬體和外延團隊都具有優勢。

首先，在一年以前，長光華芯已經布局6英寸外延項目，陸續採購多台量產的MOCVD設備，足夠未來1年內VCSEL量產對晶圓的需求。

同時，長光華芯具有多年高功率邊發射半導體雷射器的量產與研發經驗，擁有多名資深的外延設備調試和工藝調試專家。

目前我們已經研發和生產的晶圓在波長均勻性等方面與海外一流公司的水平基本相當。

麥姆斯諮詢：除了外延，氧化工藝也很重要，需要精確地控制氧化速度，使VCSEL諧振腔體保持良好的一致性。

這對實現VCSEL陣列精確的光電特性至關重要，長光華芯在這方遇到了哪些問題，又是如何解決的？

王俊：長光華芯在氧化工藝研發過程中遇到了氧化片內不均勻的問題。

這個問題的解決主要從兩方面入手，一是依託自身完整的工藝平台，研究外延組成分布、氧化溫度場、氣流場等工藝參數對氧化孔徑的影響，從而來提高氧化的均勻性；另一方面，公司也購買了業內知名廠家的氧化爐設備，來進一步解決量產需求下的氧化工藝的精確控制。

麥姆斯諮詢：半導體雷射器對溫度高度敏感，溫度升高會導致大規模光衰減，VCSEL技術對可靠性要求非常嚴苛，長光華芯如何解決這一挑戰？

王俊：關於溫度升高導致光組件效率降低的問題，表現在三個方面：第一溫度升高導致雷射晶片波長增長，與系統光學元件波長不匹配導致功率下降。

VCSEL結構本就具有波長穩定的先天優勢，波長溫飄是普通雷射器的1/4左右；第二，晶片溫升導致晶片效率降低。

這點長光華芯具有專業的器件結構設計和外延生長團隊，通過對晶片結構進行優化，在底層提高晶片的高溫特性；第三方面，散熱也是影響高溫特性的因素，長光華芯採用高熱導的COS對晶片進行散熱封裝，可有效降低晶片的工作溫度。

通過以上幾方面的技術改進提高晶片的高溫可靠性。

麥姆斯諮詢：除了光通信和消費類3D傳感，VCSEL在自動駕駛領域的LiDAR（雷射雷達）方面也極具應用前景。

長光華芯是否在布局應用於汽車雷射雷達的VCSEL或EEL？如果有，目前進展如何？是否已與雷射雷達廠商建立了合作關係？

王俊：目前，長光華芯的主要精力投入到手機端940nm波段VCSEL產品上，同時我們也接受其它波段的VCSEL晶片的定製需求。

針對自動駕駛領域的雷射雷達晶片，已有客戶來諮詢並且實地考察。

這也是長光華芯的發展方向，目前已在我們的研發計劃中，預計在2019年下半年有相關產品推出。

麥姆斯諮詢：近年，中國政府大力支持砷化鎵（GaAs）產業和電信組件產業，積極布局VCSEL市場，其結果必然加劇VCSEL領域的激烈競爭。

現有的雷射組件製造商、砷化鎵外延廠、擁有MOCVD設備的LED廠商，以及「雨後春筍般」的初創企業都在積極布局參與競爭，您如何評價國內外的產業競爭格局？

王俊：VCSEL作為光源，本身就具有極好的優勢，尤其是蘋果公司產品採用其作為3D人臉識別的光源，更是讓眾多企業看到了其廣闊的應用前景。

當前，受到國家大力扶持半導體產業發展政策浪潮的影響，同時基於龐大的市場需求，大量資本湧入到這個行業中來，各種宣傳自主晶片的企業出現。

長光華芯歡迎國內其他廠家參與到這個市場，通過互相競爭推動整個產業的共同發展。

半導體雷射晶片產業是一個高端人才密集型、高技術密集型、資本密集型的一個領域，需要長期的堅持和投入，要充分認識到我們與國際頂尖公司的差距，一步步踏實地提升產品性能。

進入到這個領域的企業，需要長期的技術積累和完整的工藝平台支撐，才能夠長久的發展壯大。

麥姆斯諮詢：最後請您暢談一下長光華芯未來五年規劃。

王俊：長光華芯未來5~10年的目標是在高能雷射、雷射雷達和光通訊領域成為中國「雷射芯」，代表國家參與全球競爭。

長光華芯具體的發展戰略是「一平台，一支點，橫向擴展，縱向延伸」戰略布局。

「一平台」是與蘇州高新區共建的半導體雷射創新研究院，「一支點」是公司已經具備的高功率半導體雷射晶片的優勢。

「橫向擴展」指積極進入以VCSEL為代表的雷射雷達晶片和光通訊晶片，「縱向延伸」是利用公司高功率半導體雷射晶片優勢，延伸提供雷射系統服務終端用戶。

目前公司已分別成立了相應的VCSEL和雷射系統事業部，未來長光華芯會為客戶提供更加優質產品和服務。

延伸閱讀：

《VCSEL技術、產業和市場趨勢》

《3D成像和傳感-2018版》

《蘋果iPhone X的ToF接近傳感器和泛光照明器》

《蘋果iPhone X紅外點陣投影器》

《蘋果iPhone X近紅外3D攝像頭傳感器》

《英特爾RealSense主動紅外立體深度攝像頭：D435》

《英特爾RealSense 3D攝像頭與意法半導體紅外雷射發射器》

《汽車和工業應用的雷射雷達-2018版》

《汽車雷射雷達專利全景分析-2018版》

《自動駕駛汽車傳感器-2018版》

《汽車MEMS和傳感器市場及技術趨勢-2017版》

《大陸集團最先進的ADAS雷射雷達：SRL1》

《LeddarTech固態雷射雷達（LiDAR）模組：LeddarVu》

原文連結：http://www.mems.me/mems/micro-interview_201809/6948.html