究竟什么是半导体？

文｜高捷资本，作者｜邢凯 ，编辑｜Rita

做一杯咖啡，18个月就可以上市，但做半导体，就像一场马拉松，18个月或许仅能做出来产品。无论是长期大量的资金投入，还是高技术门槛，这都不是一个追风的行业。从这个行业的开端，风投就如影随形。

高捷资本（ECC）三期基金发力AI底层基础，以及产业领域有现实意义场景的应用。半导体领域是我们关注的重点赛道。我们下注核心科技驱动的下一个十年，下注全球科技产业链分工上的中国力量。

硅谷的起源： 出走与裂变

要谈半导体，就离不开硅谷的起源。

上世纪50年代，“硅谷”的称号还未形成，在“硅谷教父”斯坦福大学教授Frederick Terman的推动下，各种风险投资项目成立，学生开始就地创业。

其中就有晶体管之父肖克利和他大名鼎鼎的“肖克利半导体实验室”，改变历史的晶体管就在此诞生。几年之后，人们发现硅比锗更适合于生产晶体管。于是，硅就替代了锗，这，便是“硅谷”的由来了。

在这个科学顶级殿堂中，以诺伊斯为首的八位青年风华正茂，但因不满肖克利只做基础研究而不做商业化落地，他们于1956年出走，并在当时年轻的投行分析师洛克的帮助下，获得了一家叫仙童（Fairchild）摄影器材公司130万美元的资助。

一年后，日后半导体行业的开山鼻祖---仙童半导体公司成立了，并很快获得了 IBM公司的第一张订单---用于电脑存储器上的100个硅晶体管。八位英才也以“仙童八叛徒” (Traitorous Eight)之名留史。

也就是说，从行业的一开始，风险投资就是重要环节。

仙童半导体公司被公认为是硅谷第一家具有现代化意味的初创企业。当仙童在60年代末左右分崩离析的时候，八叛徒中的一些人又开始创建其它公司。创办的公司名单包括但不限于，如今大名鼎鼎的Intel、AMD、KPCB风投、红杉资本以及国家半导体公司。

这种裂变式发展，让硅谷成为全球性创投圣地，而这些公司后来成长为全球性的行业龙头。可以说，仙童半导体公司是1970 年前后半导体浪潮的原点，造就了今天硅谷的科技基础，同时也奠定了半导体和风险投资的不解缘分。

Fairchildfounders in 1961，仙童八叛徒后排从左至右，Victor Grinich, Gordon Moore, Julius Blank, Eugene Kleiner,前排从左至右，Jay Last, Jean Hoerni , Sheldon Roberts, and Robert Noyce. Photo© Wayne Miller/Magnum Photos

大约一个甲子后， 2018年4月16日晚，美国商务部发布公告称，美国政府在未来7年内禁止中兴通讯向美国企业购买核心芯片等敏感产品。虽然下半年获得解禁，但也直接或间接导致了公司2018年净利润同比下降252.88%，创最近5年来最大降幅。

这是“中国芯”被叩痛的第一击，也开启了中国芯片行业的集体审视。一轮数十年对人才培养的缺乏、对产业规律的忽视以及政策导向失误的批判潮开始蔓延。

而今年的一系列“华为事件”更是让民族情绪达到顶峰。中国作为持续增长的全球第一大集成电路市场，集成电路自给能力居然只有不到20%，“缺芯之痛”亟待解决。

批判潮的另一面，是VC的关注风向转向。中国风险投资圈近几年经历了移动互联网发展的洗礼后，不论是行业还是机构都逐渐成熟。在AI、5G等逐渐成为流行概念后，机构们也愈发偏爱垂直领域的科技革新。这其中，芯片必然首当其冲，成为VC的新宠。

半个多世纪后，半导体行业与风险投资的缘分在中国被再次续写。

究竟什么是半导体？

半导体，顾名思义就是导电性介于导体和绝缘体之间的一类物体。通过杂质的掺入而改变材料的导电性能，这便是半导体技术的底层基础。

以此延展，这一特性可以用来制作出各类具备不同IV特性（电流电压特性）的晶体管。将成万上亿只晶体管集成在一起，并实现一定的电路功能，便形成了集成电路。粗略地讲，集成电路经过设计、制造、封装、测试后便形成了一颗完整的芯片，它通常是一个可以立即使用的独立整体。

对于半导体、集成电路和芯片的关系，一个通俗但或许不严谨的比喻是，“半导体是各种做纸的纤维，集成电路是一沓子纸，芯片就是书或者本子。”

制造一块小小的芯片，涉及50多个学科、数千道工序。包括设计、制造和封装三大环节。在此基础上又延伸出上游的材料、EDA（Electronics Design Automation设计辅助工具）、检测服务等细分行业，并最终应用至无数品类的硬件终端。

高捷资本对半导体早期公司的筛选标准

1. 有确定且大量的应用端需求

批量生产导致成本摊薄，这句真理在芯片行业更加凸显。 动辄2-3年的研发周期和百万级别的流片费用，要求了产品必须具有明确且大量的终端应用。

最近报会的很多芯片设计公司，正是借助着近期智能家居终端、TWS耳机等应用端上亿颗/年的强需求而成功。

芯片投资的风险很多在技术层面，但产品定位失误，市场针对性不明确带来的后果也许更加难以估量。

2. 创始团队经历过完整的产品周期product life cycle

技术和产品一定是不同的，产品初样和量产又有质的区别。特别是在化合物半导体和先进半导体光源（如VCSEL）等领域，技术壁垒或许更多地体现在工艺控制和良率稳定性上。这必然要求创始团队拥有完整的产品周期经验。工艺的壁垒往往更高，需要多年的试错、改良、产品化的摸索。

“只有真正走过一遍，才知道哪里是弯路、哪里是捷径”，无数创始人表达过类似观点。这样的护城河往往更宽更深。

3. 具备持续研发和迭代能力

大部分芯片的生命周期并不久，特别是在消费电子领域。 芯片公司的通常策略是通过相对低毛利但走量的产品A支撑现金流，而同时必定不断地研发迭代产品B。

产品A在一个周期后经历红海厮杀，当毛利空间达到临界点被战略性放弃。同时产品B继续承担起营收重任，并把公司综合毛利维持在相对稳定的水平。因此迭代能力和持续战斗力就显得尤为重要。

目前，高捷资本三期基金在半导体领域的战略布局已逐渐形成，投资矩阵涵盖了先进存储、VCSEL、DSP、高性能ADC、高端检测服务、大尺寸化合物外延、物联网连接芯片等数个细分赛道。

其中，先进存储芯片有博维逻辑、VCSEL芯片有瑞识科技，DSP芯片有国防科技大团队的毂梁微，高性能数模转换器ADC芯片有天易合芯、LED驱动芯片及无线充芯片公司美芯晟、以及半导体产业链上下游的 高端检测服务公司胜科纳米，大尺寸化合物外延片生产商唐晶量子、以及半导体设备公司悦芯科技等。

项目之间已形成协同效应。 比如外延片生产商唐晶量子和VCSEL芯片生产商瑞识科技，为上下游企业。

【钛媒体作者介绍：高捷资本（ECC）是国内最早 的一批投资人创立的风险投资机构。我们专注 投资硬科技领域的早期高成长期企业，管理团队有累计超过50年 的投资经验，实现近20个 项目的成功退出，累计基金管理规模超过30亿元 人民币，管理过多支人民币及美元基金，实现了丰厚的回报。公司在北京、深圳和美国硅谷设有办公室。】

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五分钟让你明白何为半导体技术

2020年是中国华为最难熬的一年，而这背后的原因是手机的核心——芯片的制造技术受制于美国，而芯片的制造就是与半导体技术息息相关。

在明白半导体技术之前，我们得先明白什么是半导体。半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。物质存在的形式多种多样，固体、液体、气体、等离子体等等。我们通常把导电性差的材料，如煤、人工晶体、琥珀、陶瓷等称为绝缘体。而把导电性比较好的金属如金、银、铜、铁、锡、铝等称为导体。对于介于导体和绝缘体之间的材料我们简单称为半导体。

1833年，英国科学家电子学之父法拉第最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但法拉第发现硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。不久，1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的第二个特性。1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是半导体的第三种特性。在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即它的导电有方向性，在它两端加一个正向电压，它是导通的；如果把电压极性反过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第四种特性。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。半导体的这四个特性，虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12月才由贝尔实验室完成。 2019年10月，一国际科研团队称与传统霍尔测量中仅获得3个参数相比，新技术在每个测试光强度下最多可获得7个参数：包括电子和空穴的迁移率、在光下的载荷子密度、重组寿命、电子、空穴和双极性类型的扩散长度。

半导体分为元素半导体、无机合成半导体、有机合成半导体、非晶态半导体及本征半导体。元素半导体是指单一元素构成的半导体，其容易受到微量杂质和外界条件的影响而发生变化；无机合成物主要是通过单一元素构成半导体材料，当然也有多种元素构成的半导体材料，其受到元素的特性和制作方式的影响，不是所有的化合物都能够符合半导体材料的要求，这一半导体主要运用到高速器件中;有机化合物是指含分子中含有碳键的化合物，把有机化合物和碳键垂直，叠加的方式能够形成导带，通过化学的添加，能够让其进入到能带，这样可以发生电导率，从而形成有机化合物半导体，这一半导体和以往的半导体相比，具有成本低、溶解性好、材料轻加工容易的特点；非晶态半导体又叫做无定形半导体或玻璃半导体，它主要是通过改变原子相对位置，改变原有的周期性排列，形成非晶硅；本征半导体是指不含杂质且无晶格缺陷的半导体，它通过产生电子-空穴对以实现本征导电。

前面我们了解了半导体的物理概念、发现历史及其分类，对半导体应该已经有了大概认识，这样对后面的半导体的相关技术就会有更好的理解。

一、利用半导体照明

半导体照明的核心技术是半导体发光二极管，英文名简称为LED，其发光的原理是在PN结正向偏置条件下，通过注入到器件有源区的电子空穴对自发幅射复合将电能转换为光能[1]。

目前实现半导体发光有三种主流技术路线：（1）基于三色原理，利用红、绿、蓝三种基色LED合成白光；（2）利用利用紫外LED激发三基色荧光粉，由荧光粉发出的光合成白光；（3）采用蓝光LED激发黄光荧光粉，实现二元混色白光。

利用三基色LED混合白光，不仅可实现理想的白光光谱，而且光源颜色可调，但对三基色LED的性能要求严格，其驱动电路等外围系统也相应复杂，因此，其性价比偏低，但适用于对颜色要求较高的场合；利用紫外LED激发三基色荧光粉实现白光的技术路线，目前尚缺乏大功率紫外LED以及高效率、高可靠性的紫外荧光粉，因此尚不具备实用性；利用蓝光LED激发黄光荧光粉的方案，具有成熟的荧光粉和高效、可靠的蓝光光源，尽管显色指数上略显不足，但该方案具有最高的流明效率，是目前普遍采用的技术路线[1]。

随着半导体照明技术的发明，LED逐渐运用在了室内、室外照明领域。在室内照明领域，LED对于白炽灯而言，具有发光效率高的优点，但对于荧光灯，生产价格更高；在室外照明领域，LED对于霓虹灯，具有多光色且可控的优势[2]。

半导体照明功能性方面具有优势，但在普及性方面，价格偏高，目前LED并无法做到全面普及，但是其具有较大的发展前景。

二、利用半导体制冷

直流电通过半导体PN结时，在两节的接触面上会发生热电效应，它是有五种不同的热电效应组成，而半导体制冷技术主要是其中的珀尔贴效应在制冷方面的应用[3]。

珀尔贴效应是J.C.A.珀耳帖在1834年发现的，是指当有电流通过不同的导体组成的回路时，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。

半导体制冷与传统的制冷不同，它既不用制冷器，也不用机械设备和管路，只要给半导体制冷器通上直流电，它的冷端就会迅速降温，降温速度快并且容易控制、无噪音和污染 、 体积小，解决了许多特殊场合下的制冷问题，并能实现对温度的精确控制。

半导体制冷技术优势大，但其发展时间不长，在普及性方面还有很大的空间。

三、利用半导体制造芯片

目前市场的芯片多种多样，计算芯片、储存芯片、感知芯片、通信芯片、能源芯片等等，这些芯片的制造都离不开半导体，而利用半导体制造芯片，其实就是通过半导体技术来制造芯片的集成电路。

集成电路一般分为混合集成电路和半 导体集成电路。其中，半导体集成电路无论在用 途、功能、产量、市场份额等方面都绝对占有统治地位，以至于人们常常以半导体集成电路作为电 子工业发展水平的里程碑或者标志[4]。

集成电路是一种微型电子器件或部件。把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构，而半导体在这其中所起的作用是形成基片，相当于建房时的地基作用。

目前集成电路的制造面临着诸多挑战，其中就包括高功耗及工艺参数变化两大挑战。随着工艺的提高，芯片工作频率不断提高，芯片功耗不断增加，高功耗对集成电路的IC设计约束越来越大，总结而言，高功耗对IC的供电网络、封散及散热设备、性能、测试及设计复杂度有负面影响[5]。在纳米工艺时代高端芯片都必须进行低功耗设计，才能满足功耗要求，如果不考虑工艺参数变化对低功耗设计的影响，在电路的低功耗设计中，通过调节沟道宽度、长度及阈值电压等手段，提高优化前电路中低性能路径的性能，使电路达到事先设定的性能，其结果就是：在事先设定的性能处，形成了一堵路径墙，但当考虑工艺参数变化后，路径墙中路径的性能就会产生变化，形成一个性能分布，因此必然有近一半路径的性能达不到要求，影响设计的成品率[5]。

半导体技术在生产中运用十分广泛，我所介绍的只是其中的一部分，希望对读者有所帮助。

参考文献：

[1]罗毅, 张贤鹏, 韩彦军,等. 半导体照明关键技术研究[J]. 激光与光电子学进展, 2007(03):17-28.

[2]储于超. 半导体照明市场现况与挑战[C]// 中国照明电器协会. 中国照明电器协会, 2009.

[3]陈振林, 孙中泉. 半导体制冷器原理与应用[J]. 微电子技术, 1999(05):63-65.

[4]郭禾. 半导体集成电路知识产权的法律保护[J]. 中国人民大学学报, 2004(01):103-111.

[5]骆祖莹. 芯片功耗与工艺参数变化:下一代集成电路设计的两大挑战[J]. 计算机学报, 2007(07):1054-1063.

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