磷化铟与光芯片

1为什么是磷化铟

光纤的窗口决定了波长

石英光纤在 1310 纳米附近色散最小，在 1550 纳米附近损耗最低。数据中心和电信网络的激光器因此工作在这两个波长附近。光子的能量与波长成反比：

激光器靠电子从导带跃迁到价带时发光，发出的光子能量约等于半导体的禁带宽度。所以需要一种禁带宽度在 0.8—0.95 eV 的半导体，而且必须是直接带隙：电子跃迁时不需要声子参与，发光效率才高。硅的禁带约 1.12 eV，而且是间接带隙，几乎不发光；砷化镓是直接带隙，但禁带约 1.42 eV，对应约 873 纳米；砷化镓体系做成的是 850 纳米的 VCSEL，用于短距离的多模光纤。

晶格匹配

磷化铟本身的禁带是 1.344 eV（300 K），也不在这个范围。它的作用是做衬底：在它上面外延生长铟镓砷磷（InGaAsP）或铟镓铝砷（InGaAlAs）等四元合金，调节组分，可以让禁带落在约 0.75 eV 到 1.3 eV 以上（InGaAsP 约 0.75—1.35 eV，InGaAlAs 的上限更高），同时保持晶格常数与磷化铟（5.8687 Å）相同。晶格常数不匹配的外延层会产生位错，位错是非辐射复合中心，激光器的寿命和效率都会下降。所以 1310 和 1550 纳米的激光器和探测器，基本都长在磷化铟衬底上。

探测器的逻辑相同：铟镓砷（In₀.₅₃Ga₀.₄₇As）与磷化铟晶格匹配，禁带约 0.75 eV，能吸收 1310 和 1550 纳米的光，是光模块接收端 PIN 和 APD 探测器的吸收层。

失效条件：硅光方案把调制器、波导、探测器（锗探测器）做在硅上，但发光仍然要靠磷化铟激光器，只是数量变少（第 3 章）。在硅上直接外延或键合 III-V 材料的研究在推进，若能大规模量产，对磷化铟衬底的需求结构会改变。

2晶体、外延与芯片

铟 + 红磷→多晶合成→单晶生长→衬底→MOCVD 外延→芯片工艺→激光器 / 探测器

晶体为什么难长

磷化铟的熔点是 1,062 °C。难点在磷：在熔点附近，磷的平衡蒸气压约 26 个大气压（一份晶体生长专利给出的数值），熔体会不断分解出磷蒸气。生长时必须让炉内的压力高于这个值，才能保持化学计量比。常用的方法有两类：

• 液封直拉法（LEC）：在高压炉里，用一层熔融的氧化硼盖住熔体，抑制磷挥发，再像直拉硅一样提拉单晶。温度梯度大，晶体里的热应力大，位错密度较高。
• 垂直梯度凝固法（VGF）与垂直布里奇曼法（VB）：熔体装在坩埚里，从底部的籽晶开始缓慢凝固。温度梯度小，位错密度低，但生长慢，而且容易出现孪晶，一旦出现，整根晶锭的单晶率就下降。

磷化铟比硅软、比砷化镓脆，切片和抛光时容易碎；晶锭的直径也比硅小得多。衬底尺寸长期以 2 英寸和 3 英寸为主，正在向 4 英寸和 6 英寸过渡。面积随直径的平方增加，6 英寸的面积是 3 英寸的 4 倍。

外延与芯片

衬底之后，用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在衬底上长出多层量子阱结构，原料是三甲基铟、三甲基镓等金属有机源和磷烷、砷烷。三甲基铟和三乙基铟本身也在中国 2025 年第 10 号公告的出口管制清单上（见小金属页第 6 章）。再经光刻、刻蚀、镀膜、解理，做成几种芯片：

每只模块用多少颗芯片，取决于具体设计：800G DR8 用 8 颗 100G EML 的说法来自 FS.com 的产品资料；硅光模块常用两颗 CW 激光器，也有单激光器设计。下一章的换算把这些都作为可调参数。

3从一片衬底到多少只光模块

一片圆形晶圆能放下多少颗长方形芯片，可以用一个常用的近似公式估算：直径 、边缘排除宽度 、单颗芯片面积 时，

第一项是面积之比，第二项扣掉边缘放不下的不完整芯片。再乘以良率，得到合格芯片数；除以每只光模块需要的芯片数，得到模块数。拖动下面的参数。

默认参数下，一片 3 英寸衬底能出几千颗合格的 EML，够装几百只 800G 光模块。反过来看，如果一年要出货几千万只高速光模块，就需要每年几万到十几万片衬底，具体取决于方案和良率。这解释了两件事：

• 衬底的金额小，数量却是硬约束。每只模块分摊的衬底成本很低（第 4 章），但没有衬底，后面的外延、芯片和模块都无法开工。
• 硅光方案减少了每只模块的磷化铟用量。同样 8 个通道，EML 方案要 8 颗激光芯片，硅光方案只要 1—2 颗 CW 激光器；CW 激光器的单颗面积较大、功率要求高，但总的磷化铟面积仍然少得多。所以硅光比例上升时，同样数量的模块对衬底的需求下降。

失效条件：上面是按理想面积估算，实际用量明显更高。据 Omdia 估计（财联社转引），2025 年全球磷化铟衬底需求约 200 万片（折合 2 英寸），比按光模块数量的理想换算高一个数量级：衬底还用于电信、传感和研发，实际良率更低，部分芯片面积更大。另外，实际产出还受晶圆边缘质量、外延的均匀性和测试产能限制；大尺寸衬底在初期良率较低，面积增加 4 倍不等于合格芯片增加 4 倍。

4成本结构：利润在哪个环节

把链上几个环节的利润率放在一起（口径不同，只比较数量级）：

衬底厂的毛利率最低，而且受出口许可影响（AXT 2025 年的下降主要来自许可）；数据中心激光器芯片的毛利率最高。原因和半导体材料页第 4 章相同：

• 衬底占芯片成本的比例小。按第 3 章的换算，一片衬底分摊到几千颗芯片上，每颗芯片的衬底成本只是芯片售价的很小一部分。TrendForce 报道，管制后 6 英寸磷化铟晶圆的平均价格上涨 250%，到约 5,000 美元一片；按原价约 1,430 美元计，每片多出约 3,600 美元；一片 6 英寸衬底能出上万颗合格芯片（第 3 章），分摊到每颗芯片只多出几毛钱到一美元左右。
• 芯片的设计、外延和工艺需要长期积累，并要通过模块厂和云服务商的认证；高速 EML 和大功率 CW 激光器的合格供应商很少，所以有定价权。
• 衬底是标准化程度较高的产品，但合格的供应商只有三家左右，扩产慢；它的议价能力在短缺时上升，JX 金属在宣布扩产时表示将与客户讨论价格调整（Semiconductor Today）。

失效条件：利润率随周期和政策变化。如果衬底短缺持续，衬底价格可以继续上涨，利润会向上游转移；如果芯片厂大量扩产、价格竞争加剧，芯片环节的高毛利也会下降。纵向一体化（住友电工自产衬底和芯片、Coherent 自产衬底）会让利润在公司内部转移，不出现在单一环节的报表上。

5供给瓶颈：集中度、许可与扩产

集中度：几种口径

各家口径差别很大：有的按产量、有的按销售额，有的只算对外销售，有的包括自用；JX 金属的份额从约 10% 到约四成不等。共同点是三家合计约九成。另有两点影响市场上实际可买到的衬底：住友电工有相当一部分衬底用于自己的光芯片和光模块；AXT 的生产主体在中国，出口要逐笔申请许可。国内还有云南锗业的子公司云南鑫耀等厂商。

许可：出货的节奏

AXT 的经历说明了许可怎样决定出货：2025 年 2 月磷化铟列入管制清单后，它的北京子公司在 6 月拿到首批出口许可；第三季度获批一批大订单后，磷化铟收入环比增长超过 250%，达到三年来的最高；第四季度拿到的许可少于预期，部分许可在 2026 年初到达（公司业绩发布）。需求没有变，出货随许可的到达时间波动。

扩产：各家的计划

扩产计划都很大，为什么短缺仍会持续几年？下面的示意模型说明时滞的作用：需求按固定速度增长；供给在决定扩产后要经过时滞 才开始增加，之后按扩产速度增长。拖动参数看缺口。

失效条件：需求的增速不是固定的。硅光比例上升（第 3 章）、云服务商资本开支放缓，都会使对磷化铟的需求增速低于光模块的增速；反过来，共封装光学（CPO）若比预期更早放量，需求会更快。

6需求：数据中心、硅光与 CPO

光模块的需求来自 GPU 集群的网络：每台服务器、每台交换机之间都要用光模块和光纤连接，集群越大、带宽越高，需要的光模块越多（详见光通信页第 4 章）。几组数据：

• 以太网光模块：LightCounting 的估计在 2026 年内多次上调。4 月估计 2025 年销售额增长约 82%、2026 年增长 65%；7 月称供应链压力进一步加大，把 2026 年的预测上调到 73%；10 月的口径是 2025 年增长近 90%，2026 年预计增长 120%（Lightwave 报道）。
• 共封装光学（CPO）与近封装光学（NPO）：TrendForce 预计，两者合计的市场从 2025 年约 1 亿美元增长到 2030 年超过 390 亿美元。CPO 把光引擎和交换芯片封装在一起，光源通常是外置的大功率激光器，所以需要的是 CW 激光器而不是 EML：源杰科技在研面向 CPO/NPO 的 300 毫瓦 CW 光源，Lumentum 也在推面向 CPO 的超高功率激光器（界面新闻）。
• 电信：光纤到户（PON）和 5G 前传使用 DFB、EML 和 APD，需求平稳，毛利较低（源杰科技 2025 年电信业务毛利率约 31%，收入基本持平）。

需求结构的变化方向是：每通道速率提高（100G → 200G）、硅光和 CPO 比例上升。前者要求更高性能的 EML 和更大功率的 CW 激光器，良率更低，单颗芯片面积可能更大；后者减少每只模块的激光器颗数。两者对衬底用量的影响方向相反，最终用量取决于两者的比例。

失效条件：数据中心需求集中在少数云服务商和 GPU 厂商，资本开支的变化会很快传到光模块订单；光模块的库存周期也会放大波动。

7案例

8重点关注公司

按细分环节列出各环节的主要厂商，地区以中国大陆（A 股）、美国、韩国、日本为主；欧洲的头部厂商（德国 Aixtron、英国 IQE）注明地区后列入。排序看产业地位，不看公司规模。

本表只说明公司在细分环节的产业地位，不给股价、估值和买卖意见，不构成投资建议。份额和产能注明来源与年份；营收占比按最近财年年报口径，没有可靠数据时写"未单独披露"。