綠碳化硅微粉 特斯拉帶火的碳化硅產(chǎn)業(yè)，未來有星辰大海嗎？

摘要：碳化硅行業(yè)正快速發(fā)展，或可誕生更多百億甚至千億市值的中國公司。

在新的宏觀背景下，PE機(jī)構(gòu)如何找到適合自己的“風(fēng)口”？什么樣的投資邏輯能真正穿越周期？

始終堅(jiān)持行研驅(qū)動(dòng)，是九鼎投資的重要策略之一。在「九鼎投資觀察」欄目中，我們會(huì)不定期分享在各產(chǎn)業(yè)細(xì)分領(lǐng)域的深度研究和思考，以把握企業(yè)的成長(zhǎng)性和確定性投資機(jī)會(huì)。

碳化硅又一次成為了社交話題的焦點(diǎn)。

當(dāng)?shù)貢r(shí)間3月1日，特斯拉在其首次投資者日活動(dòng)上表示，為進(jìn)一步降低車輛成本，計(jì)劃在下一代電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中減少碳化硅（SiC）晶體管75%的使用量。

受此影響，歐美市場(chǎng)及中國A股市場(chǎng)相關(guān)芯片制造商的股價(jià)曾紛紛下跌。

碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料，適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，一度被視為新能源汽車領(lǐng)域的理想材料。特斯拉，曾打響碳化硅上車的第一槍。

2011年，科銳（Cree，已更名為Wolfspeed）公司推出全球首款碳化硅功率半導(dǎo)體——SiC MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。5年后，特斯拉發(fā)布第四款車型Model 3, 該車型的主逆變器安裝了24個(gè)意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的SiC MOSFET功率模塊。

此后，SiC不僅成為半導(dǎo)體廠商激烈涌進(jìn)的熱門賽道，也在全球新能源車市場(chǎng)加速上車。

在九鼎投資看來，特斯拉此次宣稱將減少碳化硅的用量，對(duì)碳化硅行業(yè)的影響不大。

首先，碳化硅的確擁有更優(yōu)性能。據(jù)Wolfspeed測(cè)算，將純電動(dòng)汽車逆變器中的功率組件改成SiC器件時(shí)，可顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，提升車輛5%-10%的續(xù)航。

其次，受益于技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)規(guī)?；挠绊懀蓟韫β势骷膬r(jià)格呈下降趨勢(shì)。

尤其在技術(shù)方面，碳化硅器件的原材料——襯底和外延片的單位面積價(jià)格會(huì)隨著尺寸的增大進(jìn)一步降低。而且，在碳化硅單晶的生長(zhǎng)方法上，業(yè)界在嘗試用最新的液相法替代傳統(tǒng)的氣相法，以提高碳化硅晶體的良率，降低碳化硅的整體生產(chǎn)成本。

九鼎投資判斷，待碳化硅的成本降至一定程度，特斯拉或許還會(huì)再增加碳化硅的用量。

像特斯拉這樣的“價(jià)格屠夫”還是少數(shù)。目前，寶馬、奔馳、大眾等一眾車企，已紛紛與Wolfspeed、英飛凌等廠商合作，以確保碳化硅產(chǎn)品的穩(wěn)定供應(yīng)。

據(jù)法國市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole統(tǒng)計(jì), 全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)從2021 年的10.9億美元，增長(zhǎng)至2027年的62.97億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 34%。

從細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域來看，2027年，碳化硅在汽車領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)49.86億美元（占總規(guī)模的79.18%），在光伏及儲(chǔ)能領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)增長(zhǎng)至4.58億美元。軌道交通領(lǐng)域，預(yù)計(jì)也會(huì)為功率器件市場(chǎng)貢獻(xiàn)超過1億美元的增量空間。

可見，汽車將是未來碳化硅最大的應(yīng)用市場(chǎng)，碳化硅在其他多個(gè)領(lǐng)域也有一定成熟應(yīng)用。總體上綠碳化硅微粉，市場(chǎng)對(duì)高性能的碳化硅功率器件保持需求增長(zhǎng)狀態(tài)。

“優(yōu)等生”和“香餑餑”

電子工業(yè)的進(jìn)程，離不開半導(dǎo)體材料的發(fā)展。

最早的電子工業(yè)，始于1906年李·德福雷斯特發(fā)明的真空管，它具備開關(guān)、放大的功能，是最早的電力電子器件。

一個(gè)典型的應(yīng)用是，真空管是世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC的主要構(gòu)成部件。當(dāng)時(shí)的ENIAC占地140平方米，重量達(dá)30噸，并需要一個(gè)小型發(fā)電站專門為其供電，1940年的運(yùn)行成本為當(dāng)時(shí)的40萬美元。

由于真空管體積大、易破損、能耗高、老化快等缺點(diǎn)，學(xué)界一直在探尋其替代品。如今，作為真空管替代品的半導(dǎo)體器件，在材料上已歷經(jīng)三次大迭代。

和前兩代相比，第三代半導(dǎo)體材料具有高熱導(dǎo)率、高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點(diǎn)，可滿足現(xiàn)代電子技術(shù)對(duì)高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。

作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）各有千秋。

例如，氮化鎵有著更高的電子遷移率，更適合于高頻的應(yīng)用。目前，氮化鎵較多用于射頻（RF）電子器件中，在5G通信、國防等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

碳化硅則具有更高的熱導(dǎo)率，更適合于更高功率的應(yīng)用，包括電動(dòng)汽車和數(shù)據(jù)中心、一些太陽能設(shè)計(jì)、鐵路牽引、風(fēng)力渦輪機(jī)、網(wǎng)格分布與工業(yè)和醫(yī)療成像等。這些場(chǎng)景不總是進(jìn)行高頻開關(guān)，但需要在很高的電壓和優(yōu)良的散熱環(huán)境下運(yùn)行。

第三代半導(dǎo)體材料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，安全、環(huán)保，不會(huì)像砷化鎵（GaAs）、砷化銦（InAs）、磷化銦（InP）等第二代半導(dǎo)體材料對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生危害。

相比于碳化硅，氮化鎵在材料端制備環(huán)節(jié)存在更大技術(shù)難度和更高的成本。目前，氮化鎵器件主要基于碳化硅襯底。

當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的碳化硅功率器件有SBD（肖特基勢(shì)壘二極管）和MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管），二者分別針對(duì)傳統(tǒng)硅基FRD（快速恢復(fù)二極管）和IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的不足以實(shí)現(xiàn)替代。

但碳化硅不是新材料。資料顯示，碳化硅是由美國人艾奇遜在1891年電熔金剛石實(shí)驗(yàn)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室偶然發(fā)現(xiàn)的一種碳化物。

作為一種在100多年前就出現(xiàn)的老牌工業(yè)材料，為何現(xiàn)在才成為市場(chǎng)關(guān)注點(diǎn)？

這是因?yàn)?，過往以集成電路為主的電子產(chǎn)品，基本不需要面對(duì)高溫、高壓、高頻的場(chǎng)景，硅材料基本能應(yīng)對(duì)。而近年隨著新能源等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新能源汽車、光伏及軌道交通等對(duì)半導(dǎo)體材料有著高要求的場(chǎng)景出現(xiàn)了。

就新能源汽車而言，當(dāng)前續(xù)航里程大部分在700公里以內(nèi)。電池能量密度在短期內(nèi)的提高程度有限，眾廠商將目光投向了補(bǔ)能效率。

此前，多數(shù)新能源汽車采用的是400V電壓平臺(tái)。2019年，保時(shí)捷發(fā)布了全球首款搭載800V電壓平臺(tái)的汽車后，比亞迪、小鵬、吉利等車企紛紛跟進(jìn)。相比400V電壓平臺(tái)，800V高壓平臺(tái)可支持汽車有更長(zhǎng)時(shí)間的快速充電。

在800V甚至更高電壓水平的平臺(tái)上，原本的硅基IGBT芯片達(dá)到了材料極限，性能更好的碳化硅功率器件成為其理想替代。

弱供給下的軟肋：成本、產(chǎn)能

當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)與理想存在差距。

在《為什么說以新能源車為代表的萬億市場(chǎng)，正在開啟國產(chǎn)IGBT的時(shí)代交鋒 ？| 九鼎投資觀察》一文中，九鼎投資提到，受限于高成本的制約，碳化硅功率器件在短期內(nèi)還無法完全取代硅基IGBT。

碳化硅功率器件的成本究竟有多貴？

東尼電子（603595.SH）的財(cái)報(bào)顯示，2022年，該公司半導(dǎo)體業(yè)務(wù)營收1676.56萬元，銷售碳化硅襯底4190片。由于東尼電子半導(dǎo)體業(yè)務(wù)全部為碳化硅襯底，計(jì)算得出該公司碳化硅襯底的每片單價(jià)為4001.33元。

根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，襯底約占碳化硅器件成本的47%。以此推斷，2022年，單個(gè)碳化硅器件的出廠價(jià)為近萬元。

相比之下，硅基器件就便宜多了。美國半導(dǎo)體企業(yè)安森美的數(shù)據(jù)顯示，2022年7月28日，在650V產(chǎn)品上，SiC MOSFET的原廠報(bào)價(jià)，是硅基IGBT的3.2倍。在1200V產(chǎn)品上，前一器件的原廠報(bào)價(jià)為后者的2.2倍。

除了貴，特斯拉計(jì)劃減少碳化硅用量背后還有一個(gè)原因：碳化硅產(chǎn)能不足。

據(jù)市場(chǎng)估算，預(yù)計(jì)平均2輛特斯拉純電動(dòng)車就需要一片6寸SiC晶圓。以年產(chǎn)能100萬輛Model 3/Y計(jì)，特斯拉一年需要超50萬片6寸晶圓，而目前全球SiC晶圓總年產(chǎn)能在40萬~60萬片。這意味著，全球碳化硅的總產(chǎn)能可能都不夠特斯拉一家消耗。

限制碳化硅量產(chǎn)的一個(gè)重要因素是技術(shù)綠碳化硅微粉，尤其是襯底的制備技術(shù)。九鼎投資大致梳理了碳化硅襯底的制備流程：

首先，將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合、反應(yīng)合成碳化硅顆粒。再經(jīng)過破碎、清洗等工序，制得高純度碳化硅微粉。

接著，生長(zhǎng)碳化硅晶體。以主流的PVT 法（物理氣相傳輸法）為例，將高純碳化硅微粉和籽晶（生長(zhǎng)單晶的“種子”）置于長(zhǎng)晶爐加熱，形成氣相物質(zhì)。它們?cè)跍囟忍荻认?，?huì)在籽晶處結(jié)晶，再形成圓柱狀碳化硅晶錠。

此后，晶錠經(jīng)過切割、研磨、拋光等工藝后，得到碳化硅襯底。

上述過程存在諸多難度，如：碳化硅粉料合成過程中的環(huán)境雜質(zhì)多，難以獲得高純度的粉料；碳化硅單晶需在2300℃以上高溫環(huán)境生長(zhǎng)，周期長(zhǎng)、控制難度大，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷；碳化硅單晶有200 多種不同晶型，但僅4H和6H兩種晶型適合應(yīng)用，因此在生長(zhǎng)過程中易產(chǎn)生多晶型夾雜缺陷。

由于襯底制備難度高，碳化硅產(chǎn)品的良率普遍不高。2022年8月，露笑科技（002617.SZ）曾表示，該公司的碳化硅良率為50%，“已達(dá)到全球一流水平”。

此外，晶片尺寸越大，對(duì)應(yīng)晶體的生長(zhǎng)與加工技術(shù)難度越大。

1990年，2英寸的碳化硅晶圓已研制成功。但直到2015年，業(yè)界才出現(xiàn)8英寸的碳化硅晶圓，且目前8英寸的碳化硅晶圓質(zhì)量還不夠成熟。當(dāng)前全球市場(chǎng)上，已成熟產(chǎn)業(yè)化的碳化硅晶圓為4英寸和6英寸。

站在廠家的角度，碳化硅產(chǎn)能供給不足還關(guān)乎幾個(gè)方面：耗錢、耗時(shí)、耗人。

建設(shè)一個(gè)晶圓廠分為多個(gè)步驟：選址、廠房建設(shè)和廠務(wù)配套、設(shè)備導(dǎo)入/調(diào)試、工藝開發(fā)與驗(yàn)證、產(chǎn)品研發(fā)與驗(yàn)證、以及產(chǎn)能爬坡。

從資金成本來看，據(jù)統(tǒng)計(jì)，建設(shè)一條晶圓產(chǎn)線，4英寸線需1億元，6英寸線需10億元，8英寸線則需40億元。

從時(shí)間周期來看，建一個(gè)晶圓廠房需8-15個(gè)月；一些關(guān)鍵設(shè)備的交期達(dá)15個(gè)月以上；做完兩輪驗(yàn)證又需耗時(shí)數(shù)月。整體上，晶圓廠從開始建設(shè)到大規(guī)模滿產(chǎn)出貨，可能需3~5年。

從人的層面來看，九鼎投資了解到，碳化硅行業(yè)真正熱起來是在2018年前后。尤其在特斯拉將碳化硅帶上車之前，市場(chǎng)對(duì)于碳化硅的需求很少，相關(guān)公司的經(jīng)營情況不樂觀，導(dǎo)致在碳化硅行業(yè)堅(jiān)持下來的高端技術(shù)人才并不多。

就算SiC晶圓廠有高端人才，也不代表能量產(chǎn)SiC器件。SiC器件廠商要有成體系的發(fā)展，在器件設(shè)計(jì)、工藝開發(fā)、設(shè)備、生產(chǎn)、檢測(cè)、動(dòng)力、質(zhì)量、供應(yīng)鏈等方面都不能有短板。一般而言，一個(gè)晶圓廠的正常運(yùn)作，需200人以上的團(tuán)隊(duì)。

虧損中的碳化硅企業(yè)，如何奔向星辰大海？

數(shù)據(jù)顯示，中國目前是碳化硅最大的應(yīng)用市場(chǎng)，消耗全球約一半的使用量。

但在供給側(cè)，目前以美國、歐洲、日本廠商為主。根據(jù)Yole的報(bào)告，意法半導(dǎo)體、英飛凌（Infineon）、Wolfspeed、羅姆（Rohm）和安森美（ON）這五家海外公司，占據(jù)了2021年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)約90%的份額。

尤其是Wolfspeed和羅姆，實(shí)現(xiàn)了從碳化硅襯底/外延生產(chǎn)、器件設(shè)計(jì)、器件及模塊制造/封測(cè)的全產(chǎn)業(yè)鏈布局。

不過，國際貿(mào)易環(huán)境的變化，將促使中國企業(yè)優(yōu)先采購本土自主化的芯片產(chǎn)品。在國產(chǎn)替代的機(jī)遇下，哪些碳化硅企業(yè)能率先跑出來？

沿產(chǎn)業(yè)鏈拆細(xì)來看，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈可分為三部分：上游的襯底、外延片；中游的器件；下游的應(yīng)用。

外延片是在襯底上再生產(chǎn)一層碳化硅。碳化硅晶體生長(zhǎng)難度大，在碳化硅有缺陷的襯底上繼續(xù)生長(zhǎng)，原本對(duì)器件有影響的缺陷將得到彌補(bǔ)。

根據(jù)電阻率的不同，襯底可分為兩種，并對(duì)應(yīng)不同的外延和器件產(chǎn)品。

1、半絕緣型碳化硅襯底：電阻率≥10?Ω·cm（歐姆·厘米），用于制造氮化鎵微波射頻器件。微波射頻器件是無線通訊領(lǐng)域的基礎(chǔ)性零部件。

2、導(dǎo)電型碳化硅襯底：電阻率區(qū)間為15~30 mΩ·cm（毫歐·厘米），用于制作碳化硅功率器件。功率器件是電力電子變換裝置的核心器件。

在產(chǎn)業(yè)鏈分工上，襯底、外延兩道工序可在同一家公司完成，也可由專業(yè)做外延片的公司采購上游襯底再加工制得。

在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上游，九鼎投資認(rèn)為，襯底和外延材料生產(chǎn)商，以及相關(guān)的設(shè)備制造商均值得關(guān)注。

以半絕緣型碳化硅襯底為例，該市場(chǎng)規(guī)模目前相對(duì)較小，有較大的成長(zhǎng)空間。Yole的報(bào)告顯示，隨著通信基礎(chǔ)建設(shè)和軍事應(yīng)用的需求發(fā)展，全球氮化鎵射頻器件市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)從2019年的7.4億美元，增長(zhǎng)至2025年的20億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)18%。半絕緣型碳化硅襯底的需求量，有望因此獲益而持續(xù)增長(zhǎng)。

相比襯底，目前全球碳化硅外延材料市場(chǎng)的國際巨頭市占率更高，基本由Wolfspeed和昭和電工雙寡頭壟斷。

九鼎投資在調(diào)研中了解到，外延材料的制約在外延設(shè)備。中國外延材料生廠商通常需采購國外外延設(shè)備，但價(jià)格昂貴且交期長(zhǎng)。

包括碳化硅產(chǎn)業(yè)在內(nèi)，在整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)，重資產(chǎn)的設(shè)備環(huán)節(jié)是最后國產(chǎn)化的。

在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中游的器件環(huán)節(jié)，以 IDM 模式最為常見，即集合器件設(shè)計(jì)、制造等多個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)于一體。但也有Fabless模式（只負(fù)責(zé)器件的電路設(shè)計(jì)與銷售）和Foundry模式（純代工）。三者各具優(yōu)劣勢(shì)：

1、IDM模式，多環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化，有助于充分發(fā)掘技術(shù)潛力，但公司規(guī)模龐大，管理成本和運(yùn)營費(fèi)用較高。

2、Fabless模式，資產(chǎn)較輕，初始投資規(guī)模小，企業(yè)運(yùn)行費(fèi)用較低，轉(zhuǎn)型相對(duì)靈活。但無法與工藝協(xié)同優(yōu)化，難以完成指標(biāo)嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)，且需要承擔(dān)各種市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

3、Foundry模式，不承擔(dān)由于市場(chǎng)調(diào)研不準(zhǔn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷等決策風(fēng)險(xiǎn)，但投資規(guī)模較大，維持生產(chǎn)線正常運(yùn)作的費(fèi)用較高，且需要持續(xù)投入維持工藝水平。

九鼎投資認(rèn)為，比起Foundry模式，以IDM和Fabless為運(yùn)作模式的企業(yè)更值得關(guān)注。

從公司和人的層面來看，一家優(yōu)秀的碳化硅企業(yè)的關(guān)鍵還包括：

1、持續(xù)的技術(shù)迭代能力。以碳化硅晶圓制備技術(shù)為例，業(yè)界已實(shí)現(xiàn)2英寸到4英寸和6英寸的過渡，甚至向8英寸轉(zhuǎn)移?？梢?，碳化硅產(chǎn)業(yè)本身處于長(zhǎng)期的技術(shù)迭代過程中，何況，中國碳化硅企業(yè)若想在國際市場(chǎng)占據(jù)一席之地，更要有較強(qiáng)的技術(shù)迭代能力，在產(chǎn)品上提高性能和降低成本。

2、前瞻性的戰(zhàn)略。碳化硅晶圓尺寸越大，單片面積就越大、邊緣浪費(fèi)更小，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出的襯底、外延更多，意味著成本越低。但同時(shí)技術(shù)難度越大，單條產(chǎn)線的投入也越大。因此，不同產(chǎn)線的比例如何權(quán)衡是企業(yè)必須思考的。

近兩年，碳化硅頭部企業(yè)紛紛開始登陸二級(jí)市場(chǎng)。例如，Wolfspeed于2021年在紐交所上市，市值近百億美元；天岳先進(jìn)于2022年在科創(chuàng)板上市，被稱為“中國碳化硅第一股”，市值超300億元；天域半導(dǎo)體也于2023年開啟上市輔導(dǎo)備案，有望成為中國第一家碳化硅外延片生產(chǎn)商。

但整體而言，碳化硅行業(yè)還處于快速發(fā)展階段。即使是頭部企業(yè)，也未實(shí)現(xiàn)完全盈利。Wolfspeed在 2023 財(cái)年第二季度（截至2022年12月）實(shí)現(xiàn)營收約2.16億美元，凈虧損約0.91億美元，虧損幅度繼續(xù)擴(kuò)大。而天岳先進(jìn)，在2022年實(shí)現(xiàn)營收約4.17億元，凈虧損約1.74億元，較上年同期由盈轉(zhuǎn)虧。

以上述兩家企業(yè)為例，根據(jù)公開披露，碳化硅企業(yè)虧損的主要原因，大都是處于研發(fā)投入期或新產(chǎn)能建設(shè)期，而這正表達(dá)了它們對(duì)行業(yè)前景的積極態(tài)度。

九鼎投資觀察到，目前的市場(chǎng)共識(shí)是：碳化硅行業(yè)在未來自有其星辰大海，也有機(jī)會(huì)誕生更多百億甚至千億市值的中國公司。只是在此之前，作為投資人，除了信心，我們也需要保持足夠的耐心。

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