為什么說不能用投集成電路的邏輯來投光芯片

  本文內(nèi)容來自德聯(lián)資本副總裁 方宏

  近兩年來，半導(dǎo)體投資已成為投資圈的一大熱點，從大的領(lǐng)域來分，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)可以分為集成電路(約占80%)、光芯片(約占10%)、分立器件(約占6%)和非光傳感芯片(約占4%)四個領(lǐng)域。在這四個領(lǐng)域里，光芯片是近兩年來增速最快的領(lǐng)域(如下圖所示，因疫情影響，可能整體增速會有所調(diào)整);同時也是目前國產(chǎn)化率相對來說最低的領(lǐng)域之一。光芯片投資，是當下半導(dǎo)體投資的非常重要方向。

數(shù)據(jù)來源：WSTS December 2019 Update

  國內(nèi)有很多在集成電路及相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著非常豐富經(jīng)驗的專業(yè)投資機構(gòu)，而由于光芯片在中國起步較晚，近五年左右才開始陸續(xù)有一批優(yōu)秀的海歸人才回國創(chuàng)立光芯片公司。對光芯片的投資，大家基本是參照集成電路投資的經(jīng)驗，摸索前行。

  德聯(lián)資本在光芯片領(lǐng)域的探索，其實也是伴隨著這批優(yōu)秀的創(chuàng)業(yè)公司的成長而來的。目前我們已投的三家光芯片分別是：激光發(fā)射端的檸檬光子(主要產(chǎn)品VCSEL、EEL、HCSEL)、光電調(diào)制端的極刻光核(基于鈮酸鋰薄膜的高速電光調(diào)制芯片)、光探測器端的飛芯光電(車載、手機用激光雷達探測芯片)。

  結(jié)合這幾年的經(jīng)驗，我們覺得光芯片的投資與集成電路的投資還是有非常顯著的差別的，以下做一些粗淺分析，供大家探討交流。

  對工藝的高度依賴和上游代工的非標準化

  光芯片對工藝的高度依賴和上游代工的非標準化，是與集成電路設(shè)計最大的差別。通常我們會關(guān)注芯片的設(shè)計、制造、市場等方面，集成電路投資通常從市場端出發(fā)，分析細分賽道的市場空間、客戶屬性、競爭格局、產(chǎn)業(yè)規(guī)律等，同時關(guān)注設(shè)計部分，包括團隊的背景、產(chǎn)品的定義、技術(shù)的儲備、以及量產(chǎn)的驗證等，在這些點上光芯片和集成電路的投資邏輯是一致的。

  區(qū)別在于，光芯片上游代工的非標準化。市場上雖然有IQE、聯(lián)亞、全新等外延廠商，也有穩(wěn)懋、宏捷等晶圓代工的供應(yīng)商，但由于光芯片本身結(jié)構(gòu)多樣且復(fù)雜，制造工藝的know-how非常多，且對工藝的要求側(cè)重點也各不相同，從而導(dǎo)致各類產(chǎn)品在制造模式上的巨大差異。對創(chuàng)業(yè)公司而言，選擇委外代工、聯(lián)合開發(fā)還是自建產(chǎn)線，路徑不同，差異顯著。

  舉例來說，VCSEL的多層外延結(jié)構(gòu)使得其對外延要求很高，但光刻環(huán)節(jié)則相對標準化;EEL芯片層數(shù)較少，性能體現(xiàn)在光刻環(huán)節(jié)、光柵的刻蝕以及端面的鍍膜上。而EEL應(yīng)用到光通訊或大功率上，又有所區(qū)別，通信用DFB要求極窄的波長或者波長穩(wěn)定性，那制造光柵所選用的全息、EBL或者納米壓印環(huán)節(jié)是至關(guān)重要的;大功率泵浦源用EEL，在腔面鍍膜方面又有著關(guān)鍵的工藝機密。如果對于硅光(包括一些改性的硅基底)而言，或者在一些新型材料(如鈮酸鋰薄膜)上制造光波導(dǎo)，就更需要一些特殊工藝的探索。這些工藝上的非標準化，實際上給中早期光芯片公司的投資帶來巨大挑戰(zhàn)，投資人需要從技術(shù)原理、芯片結(jié)構(gòu)以及工藝流程出發(fā)，深入了解從產(chǎn)品設(shè)計到制造的關(guān)鍵技術(shù)門檻和市場競爭優(yōu)勢。

  初創(chuàng)公司在前期制定相應(yīng)戰(zhàn)略時，需要考慮是選擇Fabless模式、還是IDM模式、或者介于兩者之間的模式(部分環(huán)節(jié)代工+部分環(huán)節(jié)自建產(chǎn)線)。哪些環(huán)節(jié)必須自建產(chǎn)線，哪些環(huán)節(jié)可以使用標準化代工，哪些環(huán)節(jié)更適合與上游代工廠聯(lián)合開發(fā)，有很多種選擇方案。而初創(chuàng)公司在資金的充足度、市場推廣的不確定性、工藝人員的招聘、下游大客戶對自建產(chǎn)線穩(wěn)定性和工藝爬坡的認可度等方面，其實都有很大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)對創(chuàng)始人來說，需要充分的經(jīng)驗和足夠高的視角;對投資人來說，也提出了極高的要求。投資人需要基于對該芯片的設(shè)計結(jié)構(gòu)、工作原理的充分認知，再結(jié)合產(chǎn)品應(yīng)用場景、客戶痛點、以及競爭格局的分析，從而找到初創(chuàng)公司的機會點，判斷團隊是否具備足夠的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，以及團隊在各方面條件相對受限的前提下，提出的戰(zhàn)略步驟是否真正合理。

  市場上也有少部分創(chuàng)業(yè)團隊為迎合投資人刻意去做一些在產(chǎn)線設(shè)備布局方面的規(guī)劃。比如有些投資人就認為，光芯片企業(yè)必須去建MOCVD外延環(huán)節(jié)，建的比不建的靠譜;一聽到外延、光刻在外面代工，光學封裝自己做，就覺得技術(shù)含量可能不高等，這類簡單的判斷都是值得商榷的。

  所以說，光芯片的投資，要從產(chǎn)品的工作原理、設(shè)計要點和工藝瓶頸，著手進行分析，這就和集成電路標準化代工的模式形成了巨大的差異。

  細分領(lǐng)域市場有限，橫向拓展受技術(shù)跨度和工藝要求的制約明顯

  目前市場上比較熱的幾個光芯片的應(yīng)用場景包括：應(yīng)用于消費電子的傳感VCSEL、HCSEL;應(yīng)用于通信的VCSEL、DFB、EML、硅光芯片、鈮酸鋰薄膜芯片等;應(yīng)用于工業(yè)加工或泵浦的大功率EEL、HCSEL。對這些細分領(lǐng)域來說，每個應(yīng)用場景市場空間都相對有限，很難找到像集成電路中模擬或存儲芯片那么大的市場空間。

  這些芯片的設(shè)計和制造都有極高門檻，相互跨越存在很大挑戰(zhàn)，大功率EEL芯片、傳感光芯片、以及通信用光芯片之間存在很多設(shè)計和工藝方面的差別，且各自的工藝難點不同，需要的核心技術(shù)人員、關(guān)鍵設(shè)備也都存在很大的差異，即使對VCSEL而言，做通信與做傳感也是不一樣的技術(shù)挑戰(zhàn)。這些光芯片有些重在外延，有些重在光刻，有些重在光柵制備，有些甚至重在鍍膜封裝等，對大部分初創(chuàng)公司而言，中短期內(nèi)是很難在多個方向進行橫向拓展的。除非創(chuàng)始團隊本身就在這幾個領(lǐng)域的國外龍頭公司都有過非常豐富的經(jīng)驗積累，如檸檬光子，兩位創(chuàng)始人在大功率EEL、傳感VCSEL和新一代的HCSEL領(lǐng)域都有直接的產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗。需要強調(diào)的是，這種產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗一定是包括設(shè)計和工藝在內(nèi)的一線量產(chǎn)經(jīng)驗。

  放眼全球，目前做光芯片的公司還沒有像集成電路那樣的巨無霸，龍頭企業(yè)Lumentum 2019財年的營收也僅為15億美元左右。對初創(chuàng)公司而言，想做到像Lumentum那樣橫跨大功率、通信、傳感三大領(lǐng)域也是極難的，當然Lumentum也是在長期的發(fā)展過程中逐漸通過并購而來的。這也正是光芯片投資的尷尬之處，技術(shù)門檻極高，單一市場空間又相對有限，傳感VCSEL目前能看到起量的，也僅僅是在手機3D識別和人臉支付領(lǐng)域，車載激光雷達、車內(nèi)手勢識別等方向都還待應(yīng)用推廣。大功率EEL，主要是光纖激光器的泵浦源應(yīng)用，直接半導(dǎo)體激光器在激光熔覆等領(lǐng)域應(yīng)用正在逐漸得到推廣。通信是個大市場，隨著5G基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，通信VCSEL、DFB和EML的國產(chǎn)化會有一定的機遇。面向新興材料的硅光芯片、鈮酸鋰薄膜調(diào)制芯片等，也會逐漸在市場上得以應(yīng)用。

  總體而言，光芯片的應(yīng)用潛力巨大，高技術(shù)門檻又使得橫向拓展非常不易，使得市場上真正有多方面產(chǎn)品線實踐經(jīng)驗和量產(chǎn)能力的團隊非常稀缺，這是不同于集成電路領(lǐng)域的又一方面。

  可靠性挑戰(zhàn)比集成電路高，可靠性瓶頸與芯片結(jié)構(gòu)強相關(guān)

  從應(yīng)用側(cè)來看，光芯片和集成電路都有可靠性要求，應(yīng)用場景不同，要求也有所不同。從產(chǎn)品側(cè)來看，光芯片的可靠性問題要比集成電路顯得突出許多：一方面，大功率EEL芯片，由于長時間高功率發(fā)射聚集在出射端面上，導(dǎo)致端面損傷現(xiàn)象非常顯著，能否緩解這種端面損傷效應(yīng)，成為評價公司在這類產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)能力上最重要的標志，這也是Lumentum等公司最核心的工藝機密。

  即使在傳感或通信用的非大功率光芯片上，由于材料體系的不同(各種摻雜的GaAs、InP)，以及在外延過程中復(fù)雜的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，都會導(dǎo)致光芯片隨著使用時間的延長以及使用環(huán)境的影響，在性能上有不同程度的惡化。這點與集成電路成熟的硅基工藝有較大差別。

  如何提高光芯片的可靠性，對初創(chuàng)公司來說是極大的挑戰(zhàn)，這種挑戰(zhàn)并不僅來自于設(shè)計和工藝方面，更多來自于下游大客戶的反復(fù)驗證、不斷改進和快速迭代。而這對初創(chuàng)公司來說又是一個悖論，下游大客戶本身就比較難接受一個初創(chuàng)公司在一些可靠性要求極高的應(yīng)用場景中去替換核心光芯片，比如長距離通信、大功率泵浦源等，包括手機傳感，能有一兩次送樣測試機會已經(jīng)難能可貴，出現(xiàn)幾次可靠性問題故障，則會讓下游大客戶直接對初創(chuàng)公司喪失信心。如何讓下游大客戶盡力幫公司試用和驗證芯片，反復(fù)迭代，提高可靠性和穩(wěn)定性，則成為產(chǎn)品打磨并最終推向市場至關(guān)重要的一種資源。我們傾向于有直接下游戰(zhàn)略客戶介入的初創(chuàng)公司，只有這種深度綁定，才有機會在產(chǎn)品初期就能獲得多次的應(yīng)用驗證，從而在可靠性方面快速提升。

  綜上所述，在過去兩年以及可預(yù)見的接下來幾年里，光芯片是增長速度最快、且急需國產(chǎn)化替代的半導(dǎo)體領(lǐng)域。但光芯片投資對投資機構(gòu)而言，依然很有挑戰(zhàn)，需要具備足夠的專業(yè)知識和行業(yè)經(jīng)驗，綜合判斷產(chǎn)品設(shè)計和工藝的可行性、建廠和代工戰(zhàn)略的合理性等，在此基礎(chǔ)上，我們更看好在相對多方面產(chǎn)品線上有一線量產(chǎn)經(jīng)驗、可靠性驗證能得到下游大客戶充分支持、并在下一代創(chuàng)新性產(chǎn)品路線上有所積累的團隊。相信這類優(yōu)秀的光芯片創(chuàng)業(yè)公司能在這一輪國產(chǎn)化替代的大趨勢下做大做強，并在此基礎(chǔ)上，盡快參與到全球化競爭中去，甚至引領(lǐng)下一代激光應(yīng)用的新方向。

  作者簡介：方宏博士畢業(yè)于北京交通大學通信專業(yè)，師從著名光電子專家簡水生院士，目前專注于半導(dǎo)體、5G、光電等領(lǐng)域的投資。曾供職于中國計量科學研究院、平安銀行總行等機構(gòu)，擁有十年光電、射頻微波等領(lǐng)域的科研和產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗。投資項目有得一微電子、檸檬光子、極刻光核、飛芯光電、西安睿奧、安其威微電子、芯州科技等。擁有北京交通大學工學博士學位和北京大學金融碩士學位。