麦姆斯咨询 | 2020-08-28至2020-08-30 | 中国物联网国际创新园(点此查看)

VCSEL是红外光源中最为“年轻”却具有极大发展潜力的器件。本课程深入剖析VCSEL的基础理论、产业链重要环节(设计、仿真、制造、封测)、发光模组重要元器件、重要应用(智能手机3D摄像头、车载激光雷达、TWS耳机)等。

主办单位:麦姆斯咨询

协办单位:上海传感信息科技有限公司、华强电子网


一、课程简介

红外光源是以产生红外辐射为主要用途的非照明用电光源。红外辐射是波长大于红色光波长的一定范围的电磁辐射,波长为0.78~1000μm,分为三个波段:近红外、中红外、远红外。在近红外光源方面,主要有红外发光二极管(IR LED)、边缘发射激光器(EEL)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)三种代表器件。起初,它们是为了光通信应用而生,如今已经广泛用于数据通信/电信、消费电子(如智能手机和平板电脑)、汽车和工业等众多领域,实现了更多的高价值功能,并各自找到了适合自己的发展之路。


IR LED、EEL、VCSEL出光质量比较

IR LED、EEL、VCSEL出光质量比较(来源:II-VI官网)


典型VCSEL结构示意图

典型VCSEL结构示意图


在上述三种红外光源中,VCSEL最为“年轻”却具有极大的发展潜力。自1977年日本东京工业大学的伊贺健一提出VCSEL概念起,VCSEL以较低的功耗和有竞争力的价格等优势被应用于短距离光通信领域。2017年,苹果(Apple)公司发布了十周年纪念版的手机:iPhone X,前置摄像头系统实现了基于散斑结构光的3D人脸识别(Face ID)功能。该摄像头系统集成了三种不同的VCSEL芯片,应用于人脸识别的3D摄像头和飞行时间(ToF)接近传感器。而安卓(Android)手机阵营的迅速跟进,不仅布局前置3D人脸识别,还大力发展后置3D ToF摄像头,促使VCSEL市场呈现爆炸式增长势头。预计2020年,VCSEL市场规模约为10亿美元,到2025年将超过30亿美元,复合年增长率高达20+%。这种蓬勃发展的趋势吸引资本方对VCSEL产业链各个层面进行投资,包括芯片设计和制造公司、设备和材料供应商、外延和代工厂、系统集成和OEM厂商等。


安卓(Android)智能手机3D ToF摄像头供应链举例(来源:麦姆斯咨询)

安卓(Android)智能手机3D ToF摄像头供应链举例(来源:麦姆斯咨询)


然而,上述应用仅是一个开端,智能手机和平板电脑增强现实(AR)应用、汽车ADAS和自动驾驶有望成为VCSEL市场增长的下一轮驱动力。例如,2020年苹果公司发布的新款iPad Pro搭载了基于直接飞行时间法(dToF)技术的激光雷达(LiDAR),其可寻址VCSEL由Lumentum提供,整个VCSEL采用共负极设计,正极有四个区域,驱动信号可以分别控制正极四个区域中的一个;美国数字激光雷达企业Ouster选择VCSEL作为发射端光源,SPAD(单光子雪崩光电二极管)作为接收端探测器,从而实现了性能、成本、可靠性三方面的突破。


苹果新款iPad Pro中的VCSEL

苹果新款iPad Pro中的VCSEL


Ouster数字激光雷达采用“VCSEL + SPAD”的技术路径

Ouster数字激光雷达采用“VCSEL + SPAD”的技术路径


从“数据通信”走向“3D成像与传感”,VCSEL技术和产业链是否已经做好了充分准备?在本次培训中,麦姆斯咨询邀请在VCSEL产业中拥有丰富实践经验的讲师,为大家带来极具分量的VCSEL知识分享。课程内容包括:(1)VCSEL基础理论:半导体激光器综述;(2)VCSEL产业链重要环节知识:仿真与设计、外延生长及芯片制造工艺、测试(包括芯片级和封装成品测试);(3)VCSEL发光模组的重要元器件:微纳光学元件(如DOE、Diffuser);(4)VCSEL重要应用:智能手机3D摄像头、车载激光雷达、真无线立体声(TWS)耳机等。


二、培训对象

本课程主要面向VCSEL、EEL及LED产业链上下游厂商,以及VCSEL应用(3D摄像头、激光雷达、智能硬件、数据通信等)厂商的技术人员和管理人员、高校师生,同时也欢迎其他希望了解VCSEL产业的非技术背景人员参加,如销售和市场人员、投融资机构人员、政府管理人员等。


三、培训时间

2020年8月28日~8月30日

授课结束后,为学员颁发麦姆斯咨询的结业证书。


四、培训地点

无锡市新吴区(具体地点以培训前一周的邮件通知为准)


五、课程内容

课程一:半导体激光器综述

讲师:常州纵慧芯光半导体科技有限公司 联合创始人兼亚太区CEO 陈晓迟

半导体激光器是利用半导体材料中的电子光跃迁引起光子受激发射而产生的光振荡器和光放大器的总称,VCSEL则是半导体激光器家族的重要一员。本课程从半导体物理基础理论入手,用通俗易懂的教学方式,带领学员们学习半导体激光器的工作原理,以及VCSEL技术发展和产业现状,为掌握后续课程打下牢固的“地基”。

课程大纲:

(1)半导体物理基础理论:晶格结构、电子状态、能带、杂质和缺陷能级、载流子统计分布、非平衡载流子及载流子的运动规律;

(2)PN结、异质结、金属和半导体接触;

(3)半导体光谱和光学性质:电子与光子相互作用、半导体材料的发射光谱和吸收光谱、受激发射与光放大增益、异质结光波导;

(4)发光二极管(LED) vs. 激光二极管(LD);

(5)半导体激光器基本原理、器件结构、激射条件;

(6)半导体激光器分类(如VCSEL、EEL等)、特点及应用;

(7)VCSEL技术路线图、产业现状及市场趋势;

(8)激光辐射人眼安全知识(人眼结构、激光危害及安全等级、相关标准)。


课程二:VCSEL设计

讲师:宁波睿熙科技有限公司 联合创始人兼副总经理 汪辰杲

VCSEL通常由四个部分构成:有源区、分布式布拉格反射镜(DBR)、衬底及金属镀层。N型和P型DBR包围有源区(量子阱),形成光腔。由于垂直于衬底的出光特性,VCSEL芯片体积易于减小并实现阵列化。本课程从VCSEL工作原理及设计理论出发,深入讲解VCSEL总体结构和核心部分的设计,并结合不同的形态、出光口、波长、功率和3D传感方案来分析VCSEL设计差异,开启VCSEL设计的精彩之旅!

课程大纲:

(1)VCSEL工作原理及主要特点;

(2)VCSEL设计理论:速率方程、光电特性分析、模式增益、镜面反射、有效腔体结构、边界效应;

(3)VCSEL总体结构设计;

(4)VCSEL反射镜设计;

(5)VCSEL光腔设计;

(6)VCSEL热管理方法;

(7)单点VCSEL vs. 阵列VCSEL;

(8)顶部出光VCSEL vs. 底部出光VCSEL;

(9)短波长VCSEL vs. 长波长VCSEL;

(10)小功率VCSEL vs. 大功率VCSEL;

(11)结构光VCSEL vs. 飞行时间(ToF)VCSEL;

(12)全球主要VCSEL厂商及产品。


课程三:VCSEL外延生长及芯片制造工艺

讲师:华芯半导体科技有限公司 副总经理 李军

VCSEL产业链对VCSEL制备技术的依赖程度最高。这是因为VCSEL制备工艺非常复杂,累计工序超过100道。其中,外延生长是VCSEL制备工艺的核心环节,其工艺水平对产品性能有着决定性的影响。本课程从VCSEL外延生长和芯片制造工艺、关键设备和材料、晶圆级测试和可靠性监控等方面详细讲解VCSEL制备过程的要点和难点。

课程大纲:

(1)VCSEL外延生长:外延结构、生长流程、外延设备、常见问题及解决方案;

(2)VCSEL外延结构的测试与表征;

(3)VCSEL芯片制造工艺:芯片结构、单项制造工艺(光刻、刻蚀、氧化、沉积、蒸镀、减薄等)、典型VCSEL芯片工艺流程、制造设备、常见问题及解决方案;

(4)VCSEL晶圆级测试:测试项目及意义、测试设备、常见问题及解决方案;

(5)VCSEL良率和光电特性的提升方法;

(6)VCSEL制备的可靠性监控:监控项目及意义、判定标准、监控方法、常见失效及解决方案;

(7)VCSEL制备的材料选择:硅片、外延材料、光刻胶、蚀刻剂等;

(8)全球VCSEL外延及芯片制造代工厂。


课程四:VCSEL成品测试

讲师:柯泰测试技术有限公司 光电事业部总监 段力维

测试是保证VCSEL产品性能的关键环节之一,但是在新兴的3D传感应用领域,VCSEL成品测试技术并不成熟,这直接影响到芯片、模组及系统厂商的产品推进速度。本课程希望为您答疑解惑:VCSEL成品测试有哪些关键项目?VCSEL测试方法及流程如何?常见VCSEL测试设备有哪些?……通过本课程学习,您还可以节省VCSEL产品开发中的隐性成本,并提升效率。

课程大纲:

(1)VCSEL动态特性和静态特性;

(2)VCSEL小信号调制特性;

(3)LED测试 vs. VCSEL测试;

(4)单点VCSEL测试 vs. 阵列VCSEL测试;

(5)VCSEL及发光模组的测试项目及意义、测试方法及流程,包括ToF方案和结构光方案;

(6)VCSEL测试效率提升方法;

(7)常见VCSEL测试设备及能力介绍;

(8)全球VCSEL测试产业链及主要厂商。


课程五:VCSEL仿真分析

讲师:COMSOL 应用工程师 金屹磊

VCSEL厂商一直在寻求使芯片体积更小、制备更简单、成本更低的新方法,同时改善芯片的电流处理能力,从而提高芯片效率和可靠性。如果想实现上述目标,那么建立精确的数学模型是关键要素。本课程主要讲解VCSEL热耗散与器件结构设计的关系分析,并带领学员实际操练以了解VCSEL散热问题的仿真解决方案。

课程大纲:

(1)COMSOL Multiphysics软件平台的核心功能;

(2)VCSEL热耗散与器件结构设计的关系分析;

(3)利用COMSOL Multiphysics实现VCSEL散热分析;

(4)COMSOL Multiphysics软件实操练习:VCSEL散热问题解决。


课程六:VCSEL消费类应用及VCSEL发光模组中的微纳光学元件

讲师:天津驭光科技有限公司 总经理 朱庆峰

2014年,VCSEL才开始大批量进入消费类应用——智能手机,实现接近传感和自动对焦功能,预示着VCSEL成功开拓新市场。2017年,苹果(Apple)公司十周年纪念版iPhone X的发布,则全面引爆VCSEL市场。本课程带领您“解锁”VCSEL各种消费类应用的要求,还会剖析VCSEL发光模组中的微纳光学元件(如DOE)。

课程大纲:

(1)VCSEL在消费类领域的主要应用:人脸识别/解锁、增强现实(AR)/虚拟现实(VR)、手势识别、接近传感/距离测量等;

(2)消费类产品对VCSEL提出的要求:光电转换效率、功率、尺寸、散热性、可靠性、人眼安全保护、价格;

(3)结构光、iToF和dToF等3D视觉方案中的VCSEL差异分析;

(4)真无线立体声(TWS)蓝牙耳机中的VCSEL应用分析;

(5)VCSEL发光模组中的微纳光学元件作用及工作原理。


课程七:VCSEL汽车应用

讲师:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 副研究员 张建伟

汽车应用几乎都会出现在主流VCSEL厂商的产品发展蓝图上。随着自动驾驶进程的加快,VCSEL市场的下一个“引爆点”即将落地。那么,VCSEL在汽车领域有哪些成功案例和潜在机会?相比消费类领域,汽车应用对VCSEL性能要求如何?应用于车载激光雷达的VCSEL有哪些关键技术?本课程为您答疑解惑!

课程大纲:

(1)VCSEL在汽车领域的主要应用:车内驾驶员/乘客监控、手势识别、车载激光雷达等;

(2)车载激光雷达对VCSEL提出的要求:如光电转换效率、斜率效率、脉冲宽度、调制频率、峰值功率、散热性、可靠性、人眼安全;

(3)在车载激光雷达应用中,VCSEL、EEL和光纤激光器的发展状况分析;

(4)应用于车载激光雷达的高功率VCSEL设计、制备和封装等关键技术;

(5)全球车载激光雷达领域的VCSEL供应商及产品分析。


六、师资介绍

陈晓迟麦姆斯咨询“2019年度最受欢迎讲师”,博士,常州纵慧芯光半导体科技有限公司(简称:纵慧芯光)联合创始人和亚太区CEO。他博士毕业于美国斯坦福大学,师从全球著名科学家James Harris教授(美国工程院院士),拥有9年以上的光电芯片研发制造经验,在Optics Express、Applied Physics Letters、IEIE Transactions on Smart Processing & Computing、CLEO、IEEE Photonics Conference、Group IV Photonics、SPIE、MRS等国际权威期刊和会议上发表论文近30篇,曾任世界著名芯片晶圆生产厂商GlobalFoundries高级研发工程师,参与全球最先进芯片生产工艺7nm研发工作。他对光电芯片有资深研究,熟知当前最新的3D传感技术应用、芯片工艺制造等。上游VCSEL芯片已经限制了3D摄像头模组厂商的业务发展,他能根据当前状况为国内的模组厂商提出相应的解决方案,并成功带领纵慧芯光于2018年进入顶级智能手机供应链(纵慧芯光也是到目前为止中国唯一一家在智能手机领域大规模出货的VCSEL厂商)。


汪辰杲,博士,VCSEL器件青年专家,具有世界500强企业VCSEL器件研发与生产的资深经验。他本科就读于上海交通大学应用物理专业,本科毕业荣获“上海优秀毕业生”称号。本科毕业后,赴美留学深造,专攻半导体光学,荣获光学科学与工程博士学位,研究成果扎实,并在美国积累了10年以上科学研究及世界500强企业研发生产的工作经验。回国后作为最年轻的联合创始人之一,他与其他三位合伙人共同创立宁波睿熙科技有限公司,并担任产品总监一职,带领团队在VCSEL芯片生产方面取得突破性进展,填补了国内VCSEL技术空白。在过去一年多,他带领团队攻克多项技术难关,已成功开发出应用于手机3D传感和成像的阵列VCSEL芯片,以及应用于光通信的单点高速率VCSEL芯片。产品性能已达到国际一流水平,实现小批量量产出货,获得市场肯定,成为国内VCSEL技术产品带头人。


李军,中国科学院凝聚态物理学硕士和中国人民大学MBA。在半导体激光器芯片设计、外延、芯片制程、封装等领域拥有15年的技术经验和积累,在企业管理领域拥有12年的管理经验。作为华芯半导体科技有限公司(简称:华芯半导体)技术负责人,他先后开发出具有国际先进水平的940nm、808nm、635nm半导体激光器芯片。目前,他在华芯半导任副总经理,负责VCSEL芯片的生产制造。


段力维,担任柯泰测试技术有限公司光电事业部总监,从事光通信及消费类VCSEL测试方案的开发和应用。目前,柯泰测试已为VCSEL产业链多家企业和客户提供测试解决方案和咨询服务。他曾供职于烽火通信、Oplink等公司,在光通信行业有10年以上的测试经验。


金屹磊,硕士,毕业于兰州大学,拥有丰富的数值仿真及建模经验,在传热相关的仿真领域研究颇深,主要负责COMSOL软件的传热流体、岩土工程、渗流等相关领域的技术支持和仿真咨询工作。


朱庆峰,拥有清华大学精密仪器系本科及硕士学位、英国赫瑞-瓦特大学(Heriot-Watt University)管理学硕士学位。加入驭光科技之前,他曾在世界500强科技企业斯伦贝谢从事数据解释软件和算法工作及研发管理16年,拥有多项美国及欧洲发明专利。他组建驭光科技北京、天津、合肥研发团队,领导3D投射模组与系统方案的研发及产品化,产品已经应用于刷脸支付、智能家居、安防、工业检测等多个领域。


张建伟麦姆斯咨询“2019年度优秀讲师”,博士,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所副研究员,在VCSEL领域有近十年的研究经验,目前,他主要开展窄脉冲、高功率VCSEL激光器以及高温工作VCSEL激光器的外延结构优化及工艺制备。实现980nm VCSEL串接列阵模块脉冲激光功率210W;实现910nm VCSEL串接列阵模块脉冲激光功率大于100W;实现VCSEL发光单元在高温(≥80℃)下的极低阈值电流(≤0.3mA),所报道的成果曾受国际知名同行杂志Semiconductor Today专题报道。他作为项目负责人在VCSEL激光器研究方向承担了科技部重点研发计划项目、国家自然基金面上项目、吉林省重点科技研发计划等10余项国家级或省部级项目,发表论文20余篇,获授权发明专利5项,获得省部级奖项2项。


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