$三安光电(SH600703)$  

年AI技术迎来爆发，产生了对数据带宽大幅增长的需求，因此研发可满足高容量、低延迟数据传输需求的VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔面发射激光器）也成为了光互联、光数据网络应用中的重点。而作为VCSEL激光器的常用衬底材料，砷化镓衬底的市场规模也将随着逐步扩大，根据 Yole 测算，预计到 2025 年全球折二英寸砷化镓衬底市场销量将超过 3,500万片。

何为VCSEL激光芯片？

半导体激光芯片根据谐振腔制造工艺的不同分为边发射激光芯片 （EEL，Edge Emitting Lasers）和面发射激光芯片（VCSEL，Vertical Cavity Surface Emitting Laser）两种。与沿平行于衬底表面发射激光的EEL芯片不同，VCSEL芯片是在芯片的上下两面镀光学膜（布拉格反射镜），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，且激光光斑呈对称圆形、发散角小、散度小，有着光束质量高、低阈值电流、稳定单波长工作、可高频调制、容易二维集成、没有腔面阈值损伤、制造成本低等优点，主要应用于500米以内的短距离传输，如数据中心机柜内部传输、消费电子领域（3D感应面部识别）等。

为什么需要使用砷化镓衬底？

在VCSEL阵列中，为了减少发射单元之间的高频串扰，要求相邻单元之间具有很高的电阻，以实现单元之间的电隔离，因此VCSEL阵列必须生长在高电阻率衬底上，而砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料，同时砷化镓材料作为第二代半导体材料的代表，用作VCSEL的衬底材料，还具有以下几个关键的优势：

高效：砷化镓是一种直接带隙半导体材料，这意味着当电子从价带到导带跃迁时可以直接释放光子，从而实现高效的光发射。

可靠：砷化镓与构成VCSEL其他部分的材料（如AlGaAs等）具有良好的晶格匹配性和化学稳定性，有助于减少缺陷密度，提高器件的性能和可靠性。例如，在制造过程中，可以通过分子束外延生长多个周期的AlGaAs/GaAs层堆叠在一起的DBR（分布反射型）结构。

波长范围宽：砷化镓拥有1.43eV的禁带宽度，可以提供较宽的波长范围，尤其对于特定的工作波长范围（例如800nm附近），砷化镓及其合金是理想的选择。它们可以有效地产生这些波段的光，适用于许多实际应用，如3D传感、光通信等。

高速高频：砷化镓具有较高的电子迁移率，且击穿电压可以承受20V，可以用在高于250GHz的场合。

砷化镓基VCSEL在人工智能领域的应用

VCSEL 具有效率高、光束质量好、精度高、功耗低、小型化、高可靠、调制速率快、可大量生产、制造成本低等优势，是激光雷达和 3D 传感等模组的核心部件，在智能家居、车载应用、AR游戏等新兴市场中发光发热

1.雷达系统

VCSEL激光雷达是一种通过发射与接收激光束，分析激光遇到目标对象后折返的时间差或相位差而实现测距的雷达系统，具有高精度、高速率、广角度等优势。随着人工智能的发展，这种类型的雷达广泛应用于自动驾驶汽车、机器人导航、智能家居以及工业自动化等领域，为系统提供实时的环境感知能力，帮助机器理解周围环境并做出相应的决策。比如目前已经有许多智能扫地机器人采用了VCSEL激光雷达，从而得以更精确的规划路线。

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2.3D传感

VCSEL在3D传感中扮演着核心角色，尤其是在智能手机和其他移动设备中的人脸识别功能。VCSEL可以提供高精度的红外光源，用于生成点阵投影或散斑图案，进而实现对用户面部特征的精确捕捉和识别。比如2017年，iPhone X上首次搭载结构光人脸识别模块，其中的点阵激光光源就采用了VCSEL。除此之外，这种技术还被广泛应用于增强现实（AR）和虚拟现实（VR）设备中，为用户提供更加沉浸式的体验。

3.数据中心短距离高速传输

在数据通讯领域，VCSEL因其低功耗、高调制速率等优点而被广泛采用，特别是在850nm波段数据传输、短距离的数据中心内部连接和高速网络接口卡（NICs）中，VCSEL发挥了重要作用。