磊晶龍頭 IQE 積極投入 VCSEL 元件,結構複雜度仍具挑戰拓墣產研 (2019-10-22 08:00:16)

VCSEL(垂直腔面發射激光器)磊晶龍頭大廠 IQE,公布 2019 上半年營收為 6,672 萬英鎊,相較 2018 年同期 7,340 萬英鎊衰退 9.1%。


分析 2019 上半年 IQE 營收衰退原因,主要由於 2019 年終端產品手機出貨量下滑、中美貿易戰及地域政治緊張如英國脫歐、日韓貿易爭端等因素所致,使上半年 IQE 無線通訊(3,015 萬英鎊)及 CMOS(109 萬英鎊)領域營收雙雙下滑,但光通訊營收(3,548 萬英鎊)卻依然強勁,較同期成長 18.0%;由此可見,VCSEL 元件於終端市場應用(如手機、車用領域)需求,未來仍舊持續看好。

VCSEL 元件獲利性高於 LED 元件,目前磊晶市場已形成百家爭鳴局面

VCSEL 元件發展態勢,從 2018 年蘋果發表的 iPhone X 系列開始,直到今日話題性仍然不斷;主要由於近期手機終端產品之 3D 感測人臉辨識功能及車用光達(LiDAR)應用等需求,使相關技術及元件需求的討論程度仍舊不減。

若回到技術層面,可發現由於 VCSEL 元件結構相當複雜,材料特性、磊晶層數之要求必須相當高,且需有高難度的磊晶技術才可順利生產;但由於營收考量,VCSEL 元件獲利性仍較一般紅外光元件發光二極體(LED)高出許多,使各家磊晶廠商如 IQE、全新等、LED 廠如晶電、Lumentum 等無不相繼投入或轉型至 VCSEL 元件開發,以期取得較高營收表現,目前整體市場已形成百家爭鳴局面。

由於兩側反射層構造複雜,VCSEL 元件結構需考量於材料設計及磊晶品質

由於 VCSEL 元件的運行原理與市售 LED 元件十分相似,主要皆透過 N 型半導體(本體或經參雜後所得較多帶電子之半導體材料)與 P 型半導體(本體或經參雜後所得較多帶電洞的半導體材料)相互接合後,形成 PN 接面(PN Junction)再通電元件,隨後經過一連串物理變化,最終生成光源。

進一步探討 VCSEL 與 LED 元件兩者間的結構差異,LED 元件單純透過 N 型及 P 型半導體結構接合即可,而 VCSEL 元件除了相同使用兩者接合,還需再利用兩側分散式布拉格反射器(Distributed Bragg Reflector,DBR)等構造,使其生成之光源再經由數次反射後,提高整體光源能量,最後光源應用於其他終端產品如手機、汽車等領域。

因此 VCSEL 元件結構除了 N 型及 P 型半導體,還需透過磊晶成長方式將兩側 DBR 堆疊(層數高達 50~100 層)其中,形成光線之反射區域,使生成的光源能量得以強化;相形之下,VCSEL 元件結構比 LED 元件更複雜,材料設計較困難,且磊晶品質(厚度、平整性與均勻度)要求極高,由整體結構示意圖可略知一二。



▲ GaAs 基板 VCSEL 元件結構示意圖。(Source:拓墣產業研究院整理,2019.10)

(首圖來源:IQE)

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