都说“金九银十”，每年的秋季，各大手机厂商都会发布新品，铆足了劲来攻占第四季度市场，特别是“双十一”购物节的换机潮。

10月26日，小米召开了年度新品发布会，年度旗舰小米14、小米14 Pro等新品正式亮相。相比前两年，这个年度发布会貌似来得有点早。

9月13日凌晨，苹果召开了“好奇心上头”的秋季新品发布会，全新iPhone 15和iPhone 15 Pro系列新机发布。

8月末，华为Mate 60 系列手机“未发先售”。上市近两月，华为Mate 60 系列仍一机难求。

伴随着智能手机的更新迭代，拍照、感应、识别等功能飞速提升，实现了从“聊胜于无”到“不可或缺”的地位跨越。这背后，离不开以VCSEL激光器为核心关键元器件的3D Sensing 摄像头在手机上的应用。

问题来了，什么是VCSEL？ 

半导体分类与VCSEL

在简述VCSEL之前，先简单讲讲半导体及其分类。

半导体，是一种导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，按照功能来分，主要包括集成电路(IC)、光电子器件(OT)、分立器件(DS)、传感器(Sensors)等四大类。在四类构成中，全球集成电路的市场规模占整个半导体行业的80%以上。因此，业内习惯把半导体行业称为集成电路行业，而芯片又是集成电路的载体，所以广义上又将芯片等同于集成电路。

半导体分类如下所示：

（图源：浙商证券）

过去半个多世纪，“摩尔定律”一直驱动着集成电路与芯片行业的飞速发展。不过，随着“摩尔定律”临近极限，以光子技术为基础的创新应用开始在多领域百花齐放。21世纪被称为是光的世纪，是推动世界最前沿科技发展的核心技术之一。

有别于过去半导体产业所奉行的“摩尔定律”，中科创星创始合伙人米磊博士更为光子集成时代提出一个创新的“米70定律”——未来光学成本将占所有科技产品成本的70%，光学技术成为科技产品的关键瓶颈技术，解决光学技术是推动科技进步的核心。

光电子器件（OT）是半导体行业的重要构成。光电子器件是指利用光电效应、光敏效应、热释电效应等原理将光信号转换成电信号或将电信号转换成光信号的器件。根据其功能不同，一般可分为以下几类：

（图源：网络）

其中，半导体激光器俗称激光二极管，通常包括激光芯片、激光器件、激光模块及直接半导体激光器等领域。而直接半导体激光器则是半导体激光行业的终端产品，由半导体激光器模块、输出光学系统、电源系统、控制系统及机械结构等构成，在电源系统和控制系统的驱动和监控下实现激光输出，直接应用于下游激光加工、通讯、传感等应用领域。

激光芯片是半导体激光器的核心元件，主要用于发射信号，将电信号转化为光信号。激光芯片以电激励源方式，以半导体材料为增益介质，将注入电流的电能激发，从而实现谐振放大选模输出激光，实现电光转换。其增益介质与衬底主要为掺杂 III-V 族化合物的半导体材料，如 GaAs（砷化镓），InP（磷化铟）等。

按出光结构，激光器芯片可进一步分为面发射芯片（VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）和边发射芯片（EEL：Edge Emitting Lasers）两种，后者包括FP、DFB和EML芯片。

VCSEL基本结构和工作原理

EEL和VCSEL的结构示意图如下：

（边发射激光芯片（左）和面发射激光片（右）示意图）

EEL芯片是在芯片的两侧镀光学膜形成谐振腔，沿平行于衬底表面发射激光，而VCSEL芯片是在芯片的上下两面镀光学膜，形成谐振腔，由于光学谐振腔与衬底垂直，能够实现垂直于芯片表面发射激光。

VCSEL作为一种半导体激光器，形成激光发光需要完成能量激发和共振放大两个步骤。

首先要实现能量激发，通过外加能量（光能或电能）激发半导体的电子由价带跳到导带，当电子由导带跳回价带时，将能量以光能的形式释放出来。然后在发光区外加一对激光腔镜，使光束在左右两片镜片之间反复来回反射，不停地通过发光区吸收光能，最后产生谐振效应，使光的能量放大最终形成激光。

VCSEL技术与EEL技术对比如下：

（图源：东吴证券）

相比EEL，VCSEL有诸多突出优势。比如：

1：光束质量高。

从上文的示意图可以看出，EEL的出射光斑是椭圆形的，而VCSEL具有较小的发散角，发射光束窄且圆，易与光纤进行耦合，其耦合效率比EEL的大很多。（耦合率越高,传输速率越好。）

2：更易集成小体积大型二维阵列。

VCSEL发光在垂直方向上，而EEL出光方向为侧面；半导体材料的生长都是自下而上的，如果侧面发光，想要做成阵列的话，要把一个个器件竖起来,这是不可能的。因此在做二维阵列这方面，VCSEL有着得天独厚的优势。(这也就是为什么用VCSEL来做FACE ID的光源的原因之一。)

3：能耗低。

VCSEL的阈值电流很小，在1-2mA之间，在较低的电流下则可以正常工作，因此能耗低。

VCSEL芯片工艺过程

VCSEL整个工艺过程主要由结构设计、外延生长、晶圆制造、封装测试四个环节组成，产业链高度细分、专业化程度高、拥有较高的技术门槛。

VCSEL基本工艺流程如下：

（图源：光电子先导院）

外延工艺至关重要，外延结构的优劣基本决定了VCSEL器件的性能。外延片的生长过程主要利用MOCVD（金属有机化学气相沉积）设备完成，在衬底表面生长出跟衬底具有相同晶格排列的特定薄膜层。

目前，我国VCSEL激光器产业链下游应用环节发展较快，但在技术门槛较高的中上游环节，具备外延生长、芯片制备等批量生产能力的企业比较稀缺。

值得一提的是，陕西光电子先导院孵化企业——西安唐晶量子，主要从事半导体激光器外延片的生长研发及销售，是国内极少数具备批量量产GaAs VCSEL和GaAs HBT外延片的厂家。

目前，陕西光电子先导院已完成了VCSEL工艺平台的开发，可协助客户完成相应的研发导入。

（图：先进光子器件工程创新平台）

上面简单介绍了半导体分类、VCSEL基本结构和原理，以及生产工艺。那么，具有诸多突出优势的VCSEL市场前景如何？主要应用在哪些领域？小编将在下篇文章中继续为大家分解。