【导读】在手机3D感测、车用激光雷达(LiDAR)及光纤传输的需求带动下，红外线元件市场规模已逐渐茁壮，其中以VCSEL（垂直腔面发射激光器）元件成长幅度最显著。VCSEL元件在起始电流、光束角度及形状等特性上具备优势，预期将逐渐成为3D感测模组的主流，并带动整体红外线元件市场持续成长。
在手机3D感测、车用激光雷达(LiDAR)及光纤传输的需求带动下，红外线元件市场规模已逐渐茁壮，其中以VCSEL（垂直腔面发射激光器）元件成长幅度最显著。VCSEL元件在起始电流、光束角度及形状等特性上具备优势，预期将逐渐成为3D感测模组的主流，并带动整体红外线元件市场持续成长。
红外线元件类型与测距原理
红外线元件市场规模
现行红外线元件如LED及雷射，可应用于日常生活中的照明、导航等，使用领域十分广泛，亦能使用在手机3D感测模组中，而中、高阶手机越来越普遍使用的3D感测模组，使得红外线元件流行起来。3D感测元件结构与原理，大致是运用2个以上相机模组及红外线发射零组件，透过软件模拟计算后，得出物体本身距离与形貌，也借此让虚拟现实、人脸识别及移动支付等相关应用在手机上成为可能。
全球红外线元件市场除了传统红外线照明系统以外，还有红外线雷射系统（VCSEL与车用光达LiDAR）。传统红外线照明系统使用LED元件，发光能量较弱、光束角度偏大，使得整体功能性较为不足，大多只能应用于2D脸部辨识和一般安全监控等，红外线雷射则光源能量较大和角度集中等特色，目前已大范围应用于3D感测技术和车用测距中。
全球红外线元件市场来说，无论是红外线照明或红外线雷射，整体市场需求依旧持续畅旺，预估2019年整体市场规模可突破16.4亿美元，且随着手机3D感测元件应用逐渐发酵，2020年整体规模将成长至约22亿美元。
现行主要测距原理
3D感测主要测距原理可分为三类：立体视觉（Stereo Vision）、结构光（Structured Light）与飞行时间测距（Time of Flight，ToF），各自拥有不同的测量方式和运算原理，最终透过计算得出待测物的距离及轮廓。
立体视觉的原理基于人眼视差，通过2个（或以上）相机模组同时拍摄，经计算后得到物体距离，结构光为主动式深度感测技术，透过红外线发射器、红外线及RGB相机模组等元件组成，利用红外线阵列光斑投射后再经计算，得出物体距离。
另外，飞行时间测距也是主动式深度感测技术，原理为运用红外线发射器、红外线接收器、RGB相机模组与感光元件等，透过红外线发射器投射后，计算当中路程折返时间，借此得出物体距离与形貌。
红外线元件类型
红外线元件除可依不同使用目的区分为红外线照明与雷射应用之外，也能以不同产品的发光原理来分类为LED、EEL（边射型雷射）与VCSEL这三种不同类型产品，运用不同的光源特性、电流及频率表现，各有相对应的终端应用市场。
LED元件由于发光原理单纯，只需提供较高操作电流即可驱动发光，但LED发出来的光仍属发散光源，一般而言只能提供普通照明，或使用于2D感测系统中。
EEL与VCSEL生成的光线属于雷射光，差异在于EEL元件结构设计，使其发光的光束角度与形状皆比VCSEL元件大、形状则为椭圆型，也让EEL现阶段只适合提供于雷射笔等光源，VCSEL元件的发光角度与形状都很集中，比EEL适合应用在3D感测，进一步应用于手机人脸识别和车用光达测距系统中。
GaAs的VCSEL元件供应链与厂商动态
元件应用与供应链现况
现行VCSEL元件因光束角度及形状优势，且有较低的起始电流与较高频宽等特性，非常适合应用于3D感测技术中。从2018年苹果推出iPhone X开始，3D感测技术的话题性持续不断，除了中、高阶手机搭载3D感测以提供人脸辨识功能之外，VCSEL也可应用在车用光达、光纤传输系统等，使得相关技术及元件需求的讨论程度仍旧不减。
VCSEL元件光线能量集中、光束角度与形状特性，已逐步延伸至车用光达等领域，取代原先较发散的LED光源，此外，由于5G议题发酵，光通讯的资料传输容量、频宽及距离等，都是后续发展重点，而VCSEL元件试图取代传统LED光源，提供波长850nm、频宽5～200Gbps范围的光纤应用模组，借此增进整体5G传输性。
VCSEL以GaAs基板基础，依照不同主要生产领域，VCSEL元件供应链可区分为五大应用别：GaAs基板商、GaAs磊晶厂、IDM厂、制造代工厂及封测代工厂。
针对材料结构层面，VCSEL元件结构复杂，而且材料特性和磊晶层数的要求相当高，必须搭配一定的磊晶技术才能顺利量产，让VCSEL元件的获利仍较一般红外线元件LED高出许多，使得各磊晶厂商（如IQE、全新光电）、VCSEL等IDM厂（如II-VI、Lumentum）、LED厂（如晶元光电分拆为晶成半导体、欧司朗Osram）无不相继投入或转型至VCSEL元件开发，市场已成百家争鸣。
从供应链来看，VCSEL元件必须使用GaAs基板材料，透过磊晶制程成长至复杂的材料结构，才算完成初步作业，再将完成的晶圆送到IDM厂加工，或转交委外代工模式，发包给制造和封测代工厂，进行后续制造、封装与测试等，最终生产出1颗完整的VCSEL元件。
IDM大厂的整并动态
瞄准发展VCSEL元件为主的IDM大厂，近年纷纷透过并购相关制造代工业者或其他IDM厂的方式，借此扩大市占率。如同II-VI于2016年1月开始陆续并购Epiworks、Anadigics及Kaiam等厂商，并于2019年9月成功完成并购苹果Face ID模组供应商Finisar；另一家IDM大厂Lumentum也于2018年3月完成收购Oclaro。
此外，AMS分别在2017年2月、3月成功收购Heptagon、Princeton Optronics，但2019年10月初并购欧司朗案却宣告失败，但后续AMS尚有机会再次争取并购契机。整体而言，IDM大厂透过整并发展VCSEL元件，虽有少数并购案因股权分配没有谈拢而破局，大部分案件都可成功合并相关制造代工厂商或IDM厂。
VCSEL元件市场初期处于群雄割据的混乱情势，但随着几家IDM大厂（如II-VI、Lumentum及AMS等）陆续收购其他相关企业后，目前市场发展已逐渐形成大者恒大局面，将有助于VCSEL元件的发展与规格制定上更加完备，提高终端产品应用的市场渗透率。
进一步观察VCSEL元件等IDM大厂的整并动态，可以发现原先专注于生产LED的元件商如欧司朗Osram及晶元光电，陆续于2018年3月透过并购（如欧司朗并购Vixar）或对外宣告分拆制造代工厂方式（晶元光电分拆出晶成半导体），投身于开发VCSEL元件之列。
就当时的时空背景及市场情势，厂商会做此决定也是大环境不佳所致，由产品发展模式来看，LED已进入成熟、甚至开始衰退的阶段，元件价格与获利都大不如前，又有近年中国厂商低价竞争的压力，迫使部分国际大厂开始寻找其他终端产品应用的可能性。此时，VCSEL元件就是一个不错的切入机会。
发展趋势与应用领域
VCSEL雷射元件的发光原理与LED元件大致相同，但材料结构比LED元件复杂许多，欧司朗Osram与晶元光电（后已分拆为制造代工厂晶成半导体）凭借长期针对LED元件投入的技术研发及磊晶能力，转入生产雷射元件似乎困难不大，对于这些制造LED元件的IDM大厂而言，逐渐转向开发VCSEL元件应用的生产模式，将有助提高企业获利能力。
手机3D感测技术、车用光达与光纤传输的蓬勃发展，带动由于红外线元件应用市场增长，未来对VCSEL元件应用方向，可能逐渐朝向光源照明的安防监视器应用、光感测市场的手机指纹识别模组，以及穿戴装置应用等领域为开发目标。
基于本身物理特性，VCSEL元件发光源容易受到外部光线（如日光）的干扰，导致接收端难以精准接收到投射光源，针对接收干扰性，VCSEL元件的材料结构必须做出调整，后续将可透过成长其他不同的材料磊晶层，例如InGaAs、AlGaAs等作为发光反应层（Active Layer），借此延伸开发出不同波长（如650～1,600nm）的VCSEL元件，提供光感测、光通讯及光照明的新应用契机。
