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產業脈動｜光電半導體創新應用與台灣磊晶設備發展

刊登日期：2021/06/01

摘要

受惠於5G光通訊、光達（LiDAR）、AR/VR、3D量感測等創新應用，垂直共振腔面射雷射（VCSEL）元件需求大增。根據Yole研調，VCSEL市場將以18.3％的複合年增長率從2020年的11億美元增長到2025年的27億美元，元件需求快速成長，同時帶動製程設備市場。其中磊晶屬於前段製程，進行薄膜沉積，技術門檻高，且薄膜品質會影響後續製程成敗，因此是VCSEL生產過程中非常關鍵的技術。2021年More than Moore元件的磊晶設備市場預期達到約15億美元的規模，並將在2025年成長到超過60億美元。然而目前全球設備幾乎被國外大廠壟斷，因此本文將檢視光電半導體的創新應用與磊晶設備市場，並分析領導設備商的關鍵模組技術，針對台灣目前的研發能量，提出未來發展方向。

Abstract

Benefiting from innovative applications such as 5G optical communications, LiDAR, AR/VR, and 3D sensors, the demand for Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) components has increased significantly. According to Yole's research survey, the VCSEL market will grow from USD 1.1 billion in 2020 to USD 2.7 billion in 2025 at a compound annual growth rate of 18.3%. The rapid growing demand for innovative electronic components will drive the development of process equipment market. Among all processes, epitaxy is a front-end process with high technology barrier, and the thin film quality from epitaxy process has great impact in the follow-up manufacturing processes. The epitaxy equipment market for More-than-Moore-components is expected to reach a scale of approximately 1.5 billion US dollars in 2021 and will grow to more than 6 billion US dollars in 2025. However, the current global equipment market is dominated by foreign vendors. Thus, this article will examine the innovative applications of optoelectronic semiconductors and the epitaxial equipment market, analyze the key module technologies of leading equipment vendors, and propose future development directions based on Taiwan’s current R&D energy.

前言
VCSEL元件，屬於面射出光的雷射，具有低電流、低功率損耗、穩定之高溫特性、可製作二維陣列等特點，廣泛用於光通訊與量感測領域。在光通訊應用領域，VCSEL由於其圓形光源發散角小，因此用在光纖耦合上容易對準，可以節省許多光纖對準的封裝成本，在傳輸上具有「高速」與「低價」的優勢。在量感測領域，VCSEL元件是車用光達普及化的關鍵技術，採用近紅外線光源，角度解析度遠精細於毫米波雷達，且體積遠小於機械式光達；此外消費性電子產品中的3D感測與辨識元件，也是貢獻VCSEL市場擴張的主力。供應鏈部份，台灣在代工與封測廠商眾多，磊晶廠則有聯亞光電、全新光電，但磊晶設備多來自進口，設備維護與零件更新仰賴國外技術，因此呼應政府近年積極發展半導體設備國產化，本文將提出磊晶設備關鍵模組自研自製的機會點，以期落實技術自主化、供應在地化，提升設備稼動率與生產效率。

VCSEL元件與應用市場
VCSEL目前被廣泛使用於通訊、3D量感測器，各應用領域的元件特性如表1，於資料通訊所輸出的功率最小，約3-40毫瓦；車用光達與工業加工則為5-40瓦。根據Yole研調，VCSEL市場將以18.3％的複合年增長率從2020年的11億美元增長到2025年的27億美元。以終端應用領域劃分，Marketsandmarkets 指出，2020年以消費性電子產品為最大應用，占總市場的75.9 %，並隨著3D量感測器被智慧型手機廣泛採用而穩居VCSEL最大市占比例，2025年預估占比增加到83.5%。另外值得注意的是車用VCSEL，由於LiDAR逐漸普及於自駕車與輔助駕駛系統，使得車輛VCSEL應用市場成長最為快速，預期2020年到2025年成長率為54.2%如表2所示。

1. VCSEL在消費性電子產品的應用
自2017年以來，越來越多的消費性電子產品開始採用VCSEL，用於人臉辨識、手機解鎖、3D深度與距離感測系統等，尤其在iPhone X採用前置VCSEL，作為點陣投射器與接近感測器之後，各智慧型手機開發商也相繼發表以後置VCSEL作為飛行時間（ToF）的3D感測模組。透過紅外線折返的時間去計算跟物體之間的距離，以得出3D景深圖，具有掃描速度快，探測距離範圍大且遠及成本低的優勢，使得VCSEL逐漸成為智慧型手機的標配。在手機之外，搭載VCSEL的消費性電子產品，還可擴充到掃地機器人避障功能、居家安全與照護監視、立體智慧家電顯示、沉浸式教育、穿戴式AR/VR互動體感遊戲機、空拍機降落偵測等應用。

2. VCSEL在資料通訊的應用
近年隨著5G、物聯網時代來臨，以化合物半導體材料為基材的VCSEL元件，由於具有高頻穩定度高的特性，適用於行動裝置、基地台、功率放大器（power amplifier, PA）等。以波長850nm運作的VCSEL目前技術已經成熟，為光通訊主流，2020年VCSEL在資料傳輸的市場為112.0百萬美元，預期於2025年達到168.8百萬美元，成長率約8.5%。

3.VCSEL在車用產品的應用
隨著先進駕駛輔助系統（ADAS）持續朝完全自動駕駛系統發展，歐美日各國政府針對智動駕駛已訂定明確技術經費投入，VCSEL於車載應用於2020-2025年的成長率高達54.2%。光達是透過雷射光反射進行測距或量測物體物理特性的光學遙測技術，以ToF技術為主流。透過感測器接收的車體與周遭物體間距離、速度等相關資訊，提供車載電腦進行處理分析與調控，進行車載通訊、車外通訊、車間通訊與車路通訊，提升行車安全。VCSEL光達由於大幅縮小機械光達的體積並降低價格，除了已逐漸搭載於量產車款，也開始應用於工業物料搬運、場區管理和配送中心作業、自動化卡車、農業田間作業自動化等系統。