雷射二極體產業概況之評析

本文嘗試對雷射二極體產業概況及台灣廠商投入的情況作一簡介，根據Strategies Unlimited 資料，自1999年至2004年，全球LD的市場規模可由1999年的29.2億成長至2004年的76.3億美元，平均年成長率約21%，主要應用市場為光通訊及光儲存產業，在銷售量方面以光儲存用途佔絕大多數，約90%，在市場銷售值方面則以光通訊用途為最大，佔約63%，光儲存用途排第二，比重約23%。而未來LD發展方向仍將以光通訊及光資訊為主，光通訊方面以VCSEL的發展最受注意，特別是製程技術改善、降低成本及長波長的發展等，將與光區域網路的發展息息相關，在光資訊方面，藍光LD的發展也將牽動下一世代DVD光碟機的技術。

台灣廠商近年投入LD產業者眾，成立的時間大多不超過5年，我們發現可將其分成兩類：（一）LED上游廠商及GaAS磊晶廠已大多投入LD市場，且其切入方向集中在VCSEL及LD的上游。（二）若干來自工研院及中華電信研究所的經營團隊，自1996年起陸續成立一些公司，以LD的模組組裝為主要發展方向，因此我們發現台灣LD廠的未來發展機會及方向似將以承接美、日釋出的訂單為主，不論在上游磊晶或下游模組部份皆是，我們認為這些廠商成功的關鍵及觀察重點應是：是否與國外廠商策略聯盟？有無集團資源支持？有無良好客戶關係？是否已有產品量產出貨及營收是否成長？等因素，建議觀察的重點為LED及GaAs上游集團如全新、晶元、國聯、華上、博達等，及若干具利基及技術的下游模組廠如光環、全磊、和心、鴻亞等。

自1960年美國物理學家梅曼首先利用光及共振腔產生雷射光以來，雷射已成為各個領域不可或缺的關鍵零組件，例如光纖傳送的光發射模組、DVD及CD-ROM等儲存工具、癌細胞的治療工具、各種軟硬材料的切割、測量距離等，特別在通訊及資訊儲存上的用途，對人類生活更有重要且突破性的影響力，我們在此段將介紹雷射光的定義、基本性質及各式雷射。

雷射為一產生電磁輻射的裝置，具有相當高的輻射能，英文簡寫為LASER ( Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation )，意思為由受激發射光放大，也就是說它是一種能使光放大的裝置，它的組成包括活性介質、幫泵能源及光腔，發出的光能在光腔中反覆來回振盪，產生共振，使光不斷放大，而產生單色且相干的雷射光。

雷射光的波長範圍從紫外線涵蓋可見光至紅外線為止，大約是從200~30000 nm (10^-9 m )，而可見光波長範圍約為380~760 nm。

雷射光與自然光或其它光源產生的光的性質有明顯的不同，我們將其整理如下：

1. 雷射光具有很高的單色性，即其頻率寬度很窄。
2. 雷射光線為平行光線，意即其指向性很高，經過長距離後，它仍能維持細小光束而不散開。
3. 雷射光的集光性佳，故能量密度較高。
4. 雷射光為純正弦波的振盪性光波，其頻率及相位皆整齊，與自然光的雜亂完全不同。
5. 雷射光的相干涉性高，不論在時間及空間的相干性表現皆良好。
6. 光能能在短時間內集中，脈波間隔10^-12秒內，光的能量可集中。

這些性質是自然光或其它光源所不具備的，也就是雷射光這些特殊的性質，使其在某些應用上特別重要，且無法取代。

常見的雷射分類方式是以其介質分類，我們可將其分為半導體雷射及非半導體雷射兩類，半導體雷射即為雷射二極體，我們將在下段介紹；非半導體雷射包括CO2雷射、石榴石YAG雷射、He-Ne雷射、染料雷射等，其應用主要為工業用途如量測、控制、切割等及醫療、研發用途等。

由上段我們知道雷射二極體 ( Laser Diode: LD )是雷射光源的一種，它具有許多優點，如體積小、重量輕、低趨動電流、振盪效率良好、可由電流直接調變、壽命長及可大量生產、成本較低等，是其他雷射光源所缺少的，因此在光通訊及資訊方面的用途廣泛，是我們研究的重點，我們在此段將就對LD的應用市場概況及分類作簡單介紹。首先我們將LD的分類列於下圖一：

圖一:雷射二極體分類

資料來源：寶來證券整理

將雷射光按波長分類於下圖二，主要是因為不同的波長代表不同的應用，我們將LD可能運用的領域與波長的大略關係列於下表，我們發現LD在短波長（<1000 nm）上的應用以光資訊為主，普遍使用在CD-ROM、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM等光碟機的讀取頭上，在長波長方面（>1000 nm）則以光通訊用途為主，因不同波長的光在光纖中傳輸的衰減率不同，如下圖三所示，在波長為1550 nm附近的光的衰減率最低，適合用作長距離通訊用，1310 nm則適用在中距離傳輸，850 nm則適用在短距離傳輸。

圖二:LD分類及用途

資料來源：寶來證券整理

圖三:光在光纖傳輸的衰減率

資料來源：寶來證券整理

根據Laser Focus World 2000年2月份資料，我們將全球雷射二極體市場規模匯於下圖四，預估自2000年至2003年的平均年成長率在18%以上。

圖四:LD市場規模

資料來源：Laser Focus World 02/2000

另外根據Strategies Unlimited 2000年3月份資料，它將全球LD分為通訊用及非通訊兩類，我們將它的預測值繪於下圖五，它預估自1999年至2004年全球LD的市場規模可由1999年的29.2億成長至2004年的76.3億美元，平均年成長率約21%，其中通訊用途成長率較高，在22%以上，非通訊用途則在18%以上。

圖五:通訊用及非通訊用LD市場規模

資料來源：Strategies Unlimited 03/2000

此外我們將Laser Focus World 在1998年初對1998年LD市場的預測列表如下，我們發現全球1998年LD的市場銷售數約為2.66億個，其中91%，約2.41億個用在光儲存用途上，佔絕大多數，預測1998年LD市場總值約21.33億，其中佔最大比率的是光通訊用途，佔約63%，約13.5億美元，其在1998年的市場數量約為215萬個，佔全體出貨個數比重不到1%，顯示其單價甚高，光儲存用途的LD市場總值約5億美元，佔比重約23%，排名第二，這兩個用途合佔市值比重約86%，為主要的應用市場。

表一:1998LD市場應用預測表

資料來源：Laser Focus World , 1998

在我們探討LD未來發展方向及台灣廠商可能切入方向前，我們先在此段對LD的基本原理作一介紹，我們將從能階的概念開始，介紹LD的基本結構及特性，然後依據LD的不同分類方法，對各類LD作簡單介紹，最後簡介LD的製程。

就能階的觀念來看，每一種原子都有特定的能階，電磁波與原子的交互作用可以分成三種：

1. 吸收 ：物質從外部取得電能或光能後，部份電子由較低的能階躍升到較高的能階。
2. 自發發射：經吸收後，電子被激發至較高的能階，經過一短暫時間後，它會自然回到較穩定的低能階，此時會釋放出能量，以光或熱的型式四散發射，普通光源及LED的發光過程即是如此，所發出的光並非單色光，具有一定的頻寬。
3. 受激發光：躍升到較高能階的電子，除了自發發射外，部份也會受入射光的作用而回到較低能階，此為受激激發，這會使入射光的強度增大，為雷射光運作的重要原理，為達成發出雷射光的條件，首先必需要有特殊的介質，使光在經過該介質時能使其強度放大，此介質通常稱為活性層，它具有居量反置的特性及較高的折射率，形成光腔，使光能在此處來回振盪，產生共振而不斷使光放大，產生雷射光，因此光腔的材料、結構、設計及製作是LD品質的關鍵。

從上述我們知道當電子由較高能階掉回較低能階時，即可釋出能量，但並非所有半導體皆能發光，如矽、鍺即無法發光，但化合物半導體如砷化鎵等可發光，且其發光波長與其禁止帶能隙間具有如下的關係：

因此LD發光的波長可藉調整化合物成份而改變，但除了考慮能隙外，基板的晶格常數必需能與該化合物相符，我們將LD最簡單的結構繪於下圖六，我門發現LD與LED最大的不同即在於LD多出光腔的結構。

圖六:LD簡單結構圖

資料來源：寶來證券整理

若我們將LD依據其發射光的方向作分類，則可分為邊射型EELD ( Edge Emitting Laser Diode ) 及面射型VCSEL ( Vertical Cavity Surface Emitting Laser ) 兩種，對邊射型雷射再依據其光腔設計的不同，可分成Fabry-Perot及DFB ( Distributed FeedBack ) 兩種，茲簡介如下：　

(一)FabryPerot：

為傳統的LD，如上圖六所示，其光腔與磊晶層平行，反射面係利用晶體自然斷裂面再經鍍上反射膜後，形成與磊晶層垂直的反射鏡面，光在活性層兩側鏡面間即光腔內來回反射，最後由側面發生雷射光。

(二)DFB：

一般LD的光腔採用平行鏡面，DFB則採用光柵，如下圖七所示，在活性層進行的光，分別受到光柵的影響，特定波長的光因建設性的干涉而增大，其它波長的光則因此減弱消失，光柵製作則以光蝕刻技術，在與磊晶層平行的方向製成，其較不受溫度影響，且較易作成單頻雷射，適用在長距離通訊用途。

圖七:DFB型LD簡單結構圖

資料來源：寶來證券整理

(三)VCSEL：

它是一種相當新的技術，自1977年提出概念後，直到1996年才由Honeywell製造出第一個商品化的產品，顯示它是一個相當新的產品，未來發展潛力雄厚，是台灣廠商目前著墨的重點，它的簡單結構如下圖八所示：

圖八:VCSEL簡單結構圖

資料來源：工業材料 10/1998

我們看到它的主要特徵是利用上下兩個布拉格反射鏡DBR ( Distributed Bragg Reflector ) 來形成光腔，中間夾著發光的區域，光則在光腔內來回放大，最後產生雷射光，從上方發出，VCSEL製造的關鍵在布拉格反射鏡的結構，如下圖九所示：

圖九:VCSEL之布拉格反射鏡結構簡圖

資料來源：工業材料 10/1998

每一個DBR是由許多層一對一對擁有不同折射率的材料組成，每層厚度為λ/4 （λ是光在每層材料中的波長），一對反射層的折射率相差越大，其反射率越大，而可以用較少的層數達成放大的效果，DBR可以用磊晶生長技術直接長在基板上，但因半導體的折射率較差，因此至少需20對以上的DBR才可符合要求，通常一個VCSEL至少要成長100層以上精確均勻的磊晶，顯示其難度甚高。

在製造VCSEL元件時，其結構可分成四種：乾式蝕刻（Etched Air-Post）、離子佈植（Ion-Implanted）、埋入再長成型（Regrowth Buried Heterostructure）及氧化物侷陷型（Oxide Confined），目前商用產品大多用離子佈植型，這種製程簡單，易於量產，雖然無法達到光侷限效果，但其元件特性良好，且可靠度高，但目前新發展更進步的製程為氧化侷限型，如下圖十所示，其元件特性較離子佈植型佳，因其發光區較窄，因此可得到較低的臨界電流，高量子效率及低臨界電壓，但其缺點是技術層次較高，特別是氧化速率的控制。

圖十:氧化侷限型VCSEL簡圖

資料來源：光學工程 12/1999及寶來證券整理

因VCSEL光腔長度甚短，因此臨界電流較低，故所需操作電流比邊射型雷射低，且元件壽命較長，綜合其優點如下：

1. 低發散之圓型雷射光束，易與光纖耦合。
2. 元件製程與矽半導體製程類似，可大量生產，降低成本。
3. 在元件尚未切割及封裝前，可對整個晶片檢測其良率，可降低大量生產的成本。
4. 可作成雷射陣列，利於串接或並列式光纖傳輸。
5. 臨界電流低。
6. 單一波長。
7. 單一縱向模態。

1996年850nm波長的VCSEL元件已問市，其目標市場是高速（>1G bps）、中距離（<500m）的光纖數據傳輸市場，因其具有上述優點，因此在光通訊及光資訊用途的應用廣被看好，自1998年通過IEEE802.3Z標準後，高速乙太網路模組市場量成長快速，模組即使用850nmVCSEL元件，Electronicast預測從1998年至2008年全球VCSEL-based光傳送模組總市場規模將達到59.2億美元，如下圖十一，年平均成長率約為50%，目前VCSEL已有850 nm及980nm的產品，未來將朝1310nm及1550nm高波長及680nm應用於塑膠光纖產品發展，此外VCSEL元件已使用在1.25G、2.5G、10Gbps及Fibre Channel的傳輸上，在可大量生產及具成本降低的優勢下，未來發展可期。

圖十一:VCSEL光傳送模組市場規模預測圖

資料來源：Electronicast , 1999

VCSEL的製程基本上與LED相似，大多是利用MOCVD或MBE方法磊晶，在製程上也大致可分為上、中、下游的結構，即上游的設計磊晶、中游的蝕刻切割及下游的封裝測試等，因台灣具備完整的LED上中下游產業結構，似乎是台灣LED廠商發展的新機會。

我們在了解LD的分類、應用市場及基本原理後，配合應用市場的發展趨勢，我們依據LD主要應用市場，即分別就光資訊及光通訊兩領域，推測未來全球LD的發展方向如下：

一、光資訊：

1. 朝短波長發展：如LD從CD-ROM所使用的780nm縮短至DVD-ROM所使用的650 nm，在波長縮短及聚焦距離縮短下，使光碟的容量高出許多，應用更加廣泛，未來下一世代的DVD似將採用405 nm波長的藍光雷射，以追求更大的容量，這也將是LD未來發展的重要發向。
2. 功率更大：若只是用在DVD-ROM上，即只須讀取功能的LD，其光輸出功率只須5mW即可，但若要使用在可複寫型DVD-RAM上，則LD的光輸出功率要求需在30mW以上，且隨著DVD-RAM的讀寫速度提升，LD所需的輸出功率也需提高。
3. 壽命更長：特別是在藍光LD上更是發展的重點。
4. 降低成本：在較成熟產品如CD-ROM上的LD有降低成本的必要。

二、光通訊

1. 朝可調變多波長發展：在DWDM系統中，需要數個具不同波長的光束，LD作為光源，為追求較經濟可行的光發射模組，未來將朝可調變波長方向發展，VCSEL甚將利用微機電的技術，調整光腔長度來調整共振波長。
2. 降低成本：未來在光區域網路逐漸成型的趨勢下，作為光源的LD必須降低成本以滿足消費者的需求。
3. 朝VCSEL發展：在光區域網路逐漸成型的趨勢下，大量生產是不可避免的，而目前只有VCSEL這種技術具大量生產及降低成本的潛力，因此將是未來幾年發展的重點。
4. 提高良率：據業界表示，目前國外VCSEL從投料至成品的良率約為10%，成本效益尚未完全發揮，未來重點在量產技術的突破，這將是台灣廠商可努力的方向。
5. VCSEL元件將朝高波長及低波長發展，其結構也將朝氧化侷限型發展。
6. 由一個單點朝陣列式發展。

我們在本文上述的基礎上，整理報章雜誌對台灣與LD相關的廠商資訊作整理如下：

1. LD上游磊晶：以聯亞、嘉信、全磊、光環、友嘉較早，全新、晶元、晶誼、國聯、勝陽、華上、博達、連威及聯詮等則較晚進入該市場，台達電、錸德、華新也有相關投資動作。
2. LD下游模組：鴻亞、和心、台達電、聯鈞、光環、得迅、前鼎、冠德、捷耀、東盈等。

因各公司資訊不公開，我將它們可得的資訊整理如下表二：

表二:台灣LD廠商概況表

資料來源：寶來證券整理

我們發現台灣廠商成立的時間大多不超過5年，LED上游廠商如國聯、晶元及華上等及GaAs的廠商如全新、博達等皆投入LD市場，且其切入方向集中在VCSEL及LD的上游，此外有若干自工研院及中華電信研究所的經營團隊，自1996年起陸續成立一些公司，則以LD的模組組裝為主要發展方向，因此我們似乎可發現台灣LD廠的未來發展機會及方向似將以承接美、日釋出的訂單為主，不論在上游磊晶或下游模組部份皆是。

在我們了解全球LD的發展方向及台灣廠商概況後，我們認為台灣LD相關廠商成功的關鍵或觀察的重點為：

是否與國外廠商策略聯盟：因國內廠商在LD上游技術仍不成熟，因此最好能與國外廠商合作，運用本身在LED或GaAs的量產技術及經驗，大量生產降低成本，建立本身的利基，這部份似乎以全新及晶誼較佔優勢，在下游廠商部份，因國內上游廠商尚未壯大，因此與國外廠商合作，確保上游材料來源是很重要的，以鴻亞較佔優勢。

有無集團資源支持：在上下游整合及客戶開發上較具優勢。

有無良好客戶關係：若LD上下游廠商可獲得客戶訂單的支持，則較有成功的機會，例如在780nm及650nm的LD開發上，其主要市場是光碟機，而全球光碟機的生產重鎮即在日本、韓國及台灣，特別是在CD-ROM及DVD-ROM價格快速下降時，降低零件成本便相當重要，這也將市台灣廠商的機會，因此若與日韓光碟機大廠關係較佳者，將較有機會承接可能釋出的訂單，全新、博達、晶元及華上在這部份皆不弱。

是否已有產品量產出貨：因LD產品不論是上游磊晶或下游模組，製作過程皆較複雜，因此是否取得認證及客戶信賴是非常重要的，且目前台灣投入者眾，可能有部份公司面臨一些障礙，因此建議仍以財務上是否有營收，營收是否成長為判斷依據之一，這部份以有宣布營收者如全新、光環、鴻亞等較佳。

綜合上述，建議觀察的重點為LED及GaAs上游集團如全新、晶元、國聯、華上、博達等，及若干具利基及技術的下游模組廠如光環、全磊、和心、鴻亞等。