為什么說(shuō)不能用投集成電路的邏輯來(lái)投光芯片

  本文內容來(lái)自德聯(lián)資本副總裁 方宏

  近兩年來(lái)，半導體投資已成為投資圈的一大熱點(diǎn)，從大的領(lǐng)域來(lái)分，半導體產(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(gè)領(lǐng)域。在這四個(gè)領(lǐng)域里，光芯片是近兩年來(lái)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(huì )有所調整);同時(shí)也是目前國產(chǎn)化率相對來(lái)說(shuō)最低的領(lǐng)域之一。光芯片投資，是當下半導體投資的非常重要方向。

數據來(lái)源：WSTS December 2019 Update

  國內有很多在集成電路及相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著(zhù)非常豐富經(jīng)驗的專(zhuān)業(yè)投資機構，而由于光芯片在中國起步較晚，近五年左右才開(kāi)始陸續有一批優(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(shí)也是伴隨著(zhù)這批優(yōu)秀的創(chuàng )業(yè)公司的成長(cháng)而來(lái)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)、光電調制端的極刻光核(基于鈮酸鋰薄膜的高速電光調制芯片)、光探測器端的飛芯光電(車(chē)載、手機用激光雷達探測芯片)。

  結合這幾年的經(jīng)驗，我們覺(jué)得光芯片的投資與集成電路的投資還是有非常顯著(zhù)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(lài)和上游代工的非標準化

  光芯片對工藝的高度依賴(lài)和上游代工的非標準化，是與集成電路設計最大的差別。通常我們會(huì )關(guān)注芯片的設計、制造、市場(chǎng)等方面，集成電路投資通常從市場(chǎng)端出發(fā)，分析細分賽道的市場(chǎng)空間、客戶(hù)屬性、競爭格局、產(chǎn)業(yè)規律等，同時(shí)關(guān)注設計部分，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(diǎn)上光芯片和集成電路的投資邏輯是一致的。

  區別在于，光芯片上游代工的非標準化。市場(chǎng)上雖然有IQE、聯(lián)亞、全新等外延廠(chǎng)商，也有穩懋、宏捷等晶圓代工的供應商，但由于光芯片本身結構多樣且復雜，制造工藝的know-how非常多，且對工藝的要求側重點(diǎn)也各不相同，從而導致各類(lèi)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(kāi)發(fā)還是自建產(chǎn)線(xiàn)，路徑不同，差異顯著(zhù)。

  舉例來(lái)說(shuō)，VCSEL的多層外延結構使得其對外延要求很高，但光刻環(huán)節則相對標準化;EEL芯片層數較少，性能體現在光刻環(huán)節、光柵的刻蝕以及端面的鍍膜上。而EEL應用到光通訊或大功率上，又有所區別，通信用DFB要求極窄的波長(cháng)或者波長(cháng)穩定性，那制造光柵所選用的全息、EBL或者納米壓印環(huán)節是至關(guān)重要的;大功率泵浦源用EEL，在腔面鍍膜方面又有著(zhù)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，就更需要一些特殊工藝的探索。這些工藝上的非標準化，實(shí)際上給中早期光芯片公司的投資帶來(lái)巨大挑戰，投資人需要從技術(shù)原理、芯片結構以及工藝流程出發(fā)，深入了解從產(chǎn)品設計到制造的關(guān)鍵技術(shù)門(mén)檻和市場(chǎng)競爭優(yōu)勢。

  初創(chuàng )公司在前期制定相應戰略時(shí)，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)節代工+部分環(huán)節自建產(chǎn)線(xiàn))。哪些環(huán)節必須自建產(chǎn)線(xiàn)，哪些環(huán)節可以使用標準化代工，哪些環(huán)節更適合與上游代工廠(chǎng)聯(lián)合開(kāi)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(chǎng)推廣的不確定性、工藝人員的招聘、下游大客戶(hù)對自建產(chǎn)線(xiàn)穩定性和工藝爬坡的認可度等方面，其實(shí)都有很大挑戰。這些挑戰對創(chuàng )始人來(lái)說(shuō)，需要充分的經(jīng)驗和足夠高的視角;對投資人來(lái)說(shuō)，也提出了極高的要求。投資人需要基于對該芯片的設計結構、工作原理的充分認知，再結合產(chǎn)品應用場(chǎng)景、客戶(hù)痛點(diǎn)、以及競爭格局的分析，從而找到初創(chuàng )公司的機會(huì )點(diǎn)，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，提出的戰略步驟是否真正合理。

  市場(chǎng)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(xiàn)設備布局方面的規劃。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，建的比不建的靠譜;一聽(tīng)到外延、光刻在外面代工，光學(xué)封裝自己做，就覺(jué)得技術(shù)含量可能不高等，這類(lèi)簡(jiǎn)單的判斷都是值得商榷的。

  所以說(shuō)，光芯片的投資，要從產(chǎn)品的工作原理、設計要點(diǎn)和工藝瓶頸，著(zhù)手進(jìn)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(chǎng)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(chǎng)上比較熱的幾個(gè)光芯片的應用場(chǎng)景包括：應用于消費電子的傳感VCSEL、HCSEL;應用于通信的VCSEL、DFB、EML、硅光芯片、鈮酸鋰薄膜芯片等;應用于工業(yè)加工或泵浦的大功率EEL、HCSEL。對這些細分領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，每個(gè)應用場(chǎng)景市場(chǎng)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(chǎng)空間。

  這些芯片的設計和制造都有極高門(mén)檻，相互跨越存在很大挑戰，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計和工藝方面的差別，且各自的工藝難點(diǎn)不同，需要的核心技術(shù)人員、關(guān)鍵設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。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，中短期內是很難在多個(gè)方向進(jìn)行橫向拓展的。除非創(chuàng )始團隊本身就在這幾個(gè)領(lǐng)域的國外龍頭公司都有過(guò)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。需要強調的是，這種產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗一定是包括設計和工藝在內的一線(xiàn)量產(chǎn)經(jīng)驗。

  放眼全球，目前做光芯片的公司還沒(méi)有像集成電路那樣的巨無(wú)霸，龍頭企業(yè)Lumentum 2019財年的營(yíng)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(cháng)期的發(fā)展過(guò)程中逐漸通過(guò)并購而來(lái)的。這也正是光芯片投資的尷尬之處，技術(shù)門(mén)檻極高，單一市場(chǎng)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(chē)載激光雷達、車(chē)內手勢識別等方向都還待應用推廣。大功率EEL，主要是光纖激光器的泵浦源應用，直接半導體激光器在激光熔覆等領(lǐng)域應用正在逐漸得到推廣。通信是個(gè)大市場(chǎng)，隨著(zhù)5G基礎設施和數據中心的建設，通信VCSEL、DFB和EML的國產(chǎn)化會(huì )有一定的機遇。面向新興材料的硅光芯片、鈮酸鋰薄膜調制芯片等，也會(huì )逐漸在市場(chǎng)上得以應用。

  總體而言，光芯片的應用潛力巨大，高技術(shù)門(mén)檻又使得橫向拓展非常不易，使得市場(chǎng)上真正有多方面產(chǎn)品線(xiàn)實(shí)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。

  可靠性挑戰比集成電路高，可靠性瓶頸與芯片結構強相關(guān)

  從應用側來(lái)看，光芯片和集成電路都有可靠性要求，應用場(chǎng)景不同，要求也有所不同。從產(chǎn)品側來(lái)看，光芯片的可靠性問(wèn)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(cháng)時(shí)間高功率發(fā)射聚集在出射端面上，導致端面損傷現象非常顯著(zhù)，能否緩解這種端面損傷效應，成為評價(jià)公司在這類(lèi)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(guò)程中復雜的特殊結構設計，都會(huì )導致光芯片隨著(zhù)使用時(shí)間的延長(cháng)以及使用環(huán)境的影響，在性能上有不同程度的惡化。這點(diǎn)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(lái)說(shuō)是極大的挑戰，這種挑戰并不僅來(lái)自于設計和工藝方面，更多來(lái)自于下游大客戶(hù)的反復驗證、不斷改進(jìn)和快速迭代。而這對初創(chuàng )公司來(lái)說(shuō)又是一個(gè)悖論，下游大客戶(hù)本身就比較難接受一個(gè)初創(chuàng )公司在一些可靠性要求極高的應用場(chǎng)景中去替換核心光芯片，比如長(cháng)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(huì )已經(jīng)難能可貴，出現幾次可靠性問(wèn)題故障，則會(huì )讓下游大客戶(hù)直接對初創(chuàng )公司喪失信心。如何讓下游大客戶(hù)盡力幫公司試用和驗證芯片，反復迭代，提高可靠性和穩定性，則成為產(chǎn)品打磨并最終推向市場(chǎng)至關(guān)重要的一種資源。我們傾向于有直接下游戰略客戶(hù)介入的初創(chuàng )公司，只有這種深度綁定，才有機會(huì )在產(chǎn)品初期就能獲得多次的應用驗證，從而在可靠性方面快速提升。

  綜上所述，在過(guò)去兩年以及可預見(jiàn)的接下來(lái)幾年里，光芯片是增長(cháng)速度最快、且急需國產(chǎn)化替代的半導體領(lǐng)域。但光芯片投資對投資機構而言，依然很有挑戰，需要具備足夠的專(zhuān)業(yè)知識和行業(yè)經(jīng)驗，綜合判斷產(chǎn)品設計和工藝的可行性、建廠(chǎng)和代工戰略的合理性等，在此基礎上，我們更看好在相對多方面產(chǎn)品線(xiàn)上有一線(xiàn)量產(chǎn)經(jīng)驗、可靠性驗證能得到下游大客戶(hù)充分支持、并在下一代創(chuàng )新性產(chǎn)品路線(xiàn)上有所積累的團隊。相信這類(lèi)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，并在此基礎上，盡快參與到全球化競爭中去，甚至引領(lǐng)下一代激光應用的新方向。

  作者簡(jiǎn)介：方宏博士畢業(yè)于北京交通大學(xué)通信專(zhuān)業(yè)，師從著(zhù)名光電子專(zhuān)家簡(jiǎn)水生院士，目前專(zhuān)注于半導體、5G、光電等領(lǐng)域的投資。曾供職于中國計量科學(xué)研究院、平安銀行總行等機構，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(xué)工學(xué)博士學(xué)位和北京大學(xué)金融碩士學(xué)位。