碳化硅廠 碳化硅專題：國內(nèi)襯底廠加速布局

1.碳化硅具有耐高溫、高壓等優(yōu)勢，滲透率提升空間大

近年來，第三代半導體發(fā)展迅速。由于第一代及第二代半導體材料自身的物理性能局限，越來越無法滿足新型領域如新能源汽車、智能電網(wǎng)、5G通信等。根據(jù)Yole（悠樂咨詢《全球碳化硅市場2022年度報告》）數(shù)據(jù)，2022年全球第三代半導體材料碳化硅（SiC）滲透率為3%。1)第一代半導體材料以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，廣泛應用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測器中，90%以上的半導體產(chǎn)品是用硅基材料制作的；2)第二代半導體材料以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表，相對硅基器件具有高頻、高速的光電性能，廣泛應用于光電子和微電子領域；3)第三代半導體材料以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、氮化鋁（AlN）、金剛石（C）為代表。因具有大禁帶寬度、高電導率、高熱導率、高抗輻射能力等優(yōu)點，更適合在高壓、高頻、高功率、高溫以及高可靠性領域中應用，例如射頻通信、雷達、電源管理、汽車電子、電力電子等。

與第一代半導體材料Si相比，碳化硅具備更高的擊穿電場強度、飽和電子漂移速率、熱導性和熱穩(wěn)定性。根據(jù)艾瑞咨詢數(shù)據(jù)：1）寬禁帶：高穩(wěn)定性+高擊穿電場強度。碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍，使得其具有更好的穩(wěn)定性，寬禁帶同時也有助于提高擊穿電場強度，使其具有更好的耐熱性和耐高壓性、高頻性。2）熱導率：散熱性能好。SiC熱導率是Si的2-3倍，熱阻更低碳化硅廠，更耐高溫（工作結(jié)溫更高可達200℃以上，極限工作結(jié)可達600℃，而Si的工作極限溫度為150℃），產(chǎn)生的熱量更容易傳輸?shù)缴崞骱铜h(huán)境中。3）高飽和電子漂移速率：能量損耗更低。碳化硅的飽和電子漂移速率為硅的2-3倍，導通電阻更低，能夠大幅度降低導通損耗，同時有更高的切換頻率。在1kV電壓等級下，SiC基單極性器件的導通電阻是Si基器件的1/60。

碳化硅器件更高效節(jié)能、更能實現(xiàn)系統(tǒng)小型化。根據(jù)羅姆官網(wǎng)數(shù)據(jù)，相同規(guī)格下SiC器件體積約為硅基器件的1/10。

2．縱觀產(chǎn)業(yè)鏈，襯底與外延占據(jù)70%的成本

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要分為襯底、外延、器件和應用四大環(huán)節(jié)，襯底與外延占據(jù)70%的碳化硅器件成本。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，碳化硅器件的成本構成中，襯底、外延、前段、研發(fā)費用和其他分別占比為47%，23%，19%，6%，5%，襯底+外延合計約70%，是碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈制造的重要組成部分。襯底和外延層的缺陷水平的降低、摻雜的精準控制及摻雜的均勻性對碳化硅器件的應用至關重要。受制于材料端的制備難度大，良率低，產(chǎn)能小，目前碳化硅襯底及外延層的價值量高于硅材料。碳化硅襯底分為導電型和半絕緣型襯底。在導電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層，可制成二極管、MOSFET等功率器件，主要應用于新能源汽車、光伏發(fā)電等領域；在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，可制成HEMT等微波射頻器件，主要應用于5G通訊、衛(wèi)星等領域。

2.1襯底：晶體生長是核心難點，PVT為主流方法

碳化硅襯底經(jīng)多個工序，PVT為碳化硅晶體生長的主流方法。碳化硅襯底制備目前主要以高純碳粉、硅粉為原料合成碳化硅粉，采用物理氣相傳輸法（PVT法），在單晶爐中生長成為晶體，隨后經(jīng)過切片、研磨、拋光、清洗等步驟制成單晶薄片作為襯底。

晶體生長是核心難點，國內(nèi)襯底良率偏低。1）SiC晶棒生長速度慢。長度約2cm的SiC晶棒大約需要7-10天的生長時間（天科合達招股說明書數(shù)據(jù)），生長速度僅為Si晶棒的幾十分之一；2）晶體生長對各種參數(shù)要求高，工藝復雜。在晶體生長過程中需要精確控制硅碳比、生長溫度梯度等參數(shù)，并且生長過程不可見。我們認為長晶難點在于工藝而非設備本身，目前部分碳化硅襯底廠商選擇自研長晶設備，也有部分廠商選擇外購模式。根據(jù)公司年報及招股說明書，天科合達成立沈陽分公司生產(chǎn)擁有自主知識產(chǎn)權的碳化硅單晶生長爐，2019年對外銷售23臺。天岳先進的碳化硅單晶生長爐主要找北方華創(chuàng)采購，但熱場設計、控制軟件以及組裝調(diào)試工作均由公司自行完成，并且擁有“碳化硅單晶大直徑、高厚度、低缺陷制備技術”專利。

根據(jù)晶升股份招股說明書，預計北方華創(chuàng)占國內(nèi)碳化硅廠商采購份額50%以上，晶升股份市占率約為27.47%-29.01%，二者占國內(nèi)長晶爐超77%。

2.2外延：處產(chǎn)業(yè)鏈中間環(huán)節(jié)，設備交付周期長

外延是指在碳化硅襯底上，經(jīng)過外延工藝生長出特定單晶薄膜。1）隨著器件耐壓性能的提高，對應的外延層厚度增加，對厚度和電阻率均勻性以及缺陷密度的控制就變得困難。根據(jù)今日半導體數(shù)據(jù)，一般電壓600V左右時，所需外延層厚度約在6微米；電壓在1200-1700V時，所需外延層厚度達10-15微米；若電壓達到一萬伏以上時，可能需要100微米以上的外延層厚度。2）CVD（化學氣相沉積）是外延生長中最常用的方法。國內(nèi)碳化硅外延技術在高壓應用領域受限制，厚度和參雜濃度均勻性是關鍵的參數(shù)。外延層對器件性能影響大，處產(chǎn)業(yè)鏈中間環(huán)節(jié)。外延缺陷會對器件擊穿電壓造成影響，使得器件良率提升難度大；同時，外延層的質(zhì)量又受到晶體和襯底加工質(zhì)量的影響，處產(chǎn)業(yè)鏈中間環(huán)節(jié)。

碳化硅外延市場由Wolfspeed和昭和電工（ShowaDenko）雙寡頭壟斷。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2020年全球碳化硅外延市場中，Wolfspeed占52%，昭和電工占43%，CR2共占95%。

國內(nèi)各廠商加快生產(chǎn)線建設。天域半導體建設碳化硅外延材料研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目，預計2025年竣工并投產(chǎn)，實現(xiàn)營收8.7億元，2028年全面達產(chǎn)產(chǎn)能100萬片/年；瀚天天成二期22年3月竣工驗收，23年達產(chǎn)產(chǎn)能為20萬/年；三期于22年啟動建設，預計達產(chǎn)產(chǎn)能140萬片/年。

外延設備是核心，國外廠商壟斷。外延設備被行業(yè)四大龍頭企業(yè)德國的Aixtron、意大利的LPE、日本的TEL和Nuflare所壟斷，主流SiC高溫外延設備交付周期已拉長至1.5-2年左右（TEL因價格和技術IP問題，較少出現(xiàn)在國內(nèi)市場；Nuflare設備多數(shù)交付給Wolfspeed和II-VI）。德國Aixtron：多片機產(chǎn)能較大，缺點是控制難度較高；意大利LPE：單片機，生長速率最高，缺點是需要經(jīng)常降溫清理腔體。日本TEL：雙腔體，對提高產(chǎn)量有一定的作用；日本Nuflare：垂直機臺，高速旋轉(zhuǎn)可達到一分鐘1000轉(zhuǎn)，保證均勻性控制較好的同時可以避免一些顆粒物的產(chǎn)生，缺陷較低。根據(jù)公司年報及官網(wǎng)，北方華創(chuàng)SiC外延爐已實現(xiàn)量產(chǎn)，截至2022年9月累計訂單數(shù)超100臺；中微公司目前已啟動外延生產(chǎn)設備的開發(fā)，預計2023年將交付樣機至客戶端開展生產(chǎn)驗證。

3.競爭格局集中，國內(nèi)襯底廠商奮起直追

襯底市場競爭格局集中，海內(nèi)外廠商發(fā)展模式差異大。國外企業(yè)多以IDM模式布局全產(chǎn)業(yè)鏈，如Wolfspeed、羅姆及意法半導體等，而國內(nèi)企業(yè)傾向?qū)Ｗ⒂趩蝹€環(huán)節(jié)制造，如襯底領域的天科合達、天岳先進，外延領域的瀚天天成、東莞天域半導體。

3.1碳化硅襯底市場規(guī)?？焖僭鲩L，導電型CR3約89%

碳化硅襯底的市場規(guī)模有望快速增長。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2022年全球?qū)щ娦吞蓟枰r底和半絕緣型碳化硅襯底市場規(guī)模分別為5.12和2.42億美元，預計到2023年市場規(guī)模將分別達到6.84和2.81億美元。2022-2025年，導電型碳化硅襯底CAGR達34%。根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，海外廠商壟斷碳化硅襯底市場。2020年碳化硅襯底中海外廠商市占率達86%，其中Wolfspeed市占率達45%，Rohm（收購SiCrystal）排名第二，占20%的市場份額。國內(nèi)企業(yè)天科合達、天岳先進分別占據(jù)了5%、3%。

分導電型和半絕緣型市場看：1）2020年全球?qū)щ娦吞蓟枰r底市場中，Wolfspeed市占率達62%，CR3約89%，國內(nèi)份額最大的天科合達僅占4%；2）2020年全球半絕緣型碳化硅襯底市場中，Wolfspeed、II-VI分別占33%、35%的市場份額，CR2約68%，國內(nèi)天岳先進占30%。

國外壟斷廠商運用先發(fā)優(yōu)勢繼續(xù)擴產(chǎn)。Wolfspeed位于紐約的莫霍克谷工廠現(xiàn)已投產(chǎn)（8英寸），預計2023-2024年產(chǎn)能達72萬片/年（相當于150萬片6英寸）。此外，Wolfspeed一期建設投資13億美元在北卡羅來納州查塔姆縣建造的8英寸碳化硅生產(chǎn)工廠，預計2024年完工后帶來超10倍產(chǎn)能擴充；II-VI建設美國賓夕法尼亞州伊斯頓的工廠，預計2027年產(chǎn)能達100萬片/年6英寸；日本羅姆預計2025年襯底產(chǎn)能擴展至30-40萬/年。

3.2國內(nèi)襯底廠商加速布局

國內(nèi)廠商奮起直追。預計天科合達2025年底，6英寸有效產(chǎn)能達55萬片/年；預計天岳先進的上海臨港工廠，2026年達產(chǎn)產(chǎn)能為30萬片/年。我們認為國產(chǎn)襯底廠商進展超預期。2023年4月，天岳先進2022年年報披露與博世集團簽署長期協(xié)議；5月，英飛凌宣布與天科合達和天岳先進2家SiC襯底廠商簽訂長期協(xié)議，并預計2家供應量均將占到英飛凌長期需求量的兩位數(shù)份額。這是國產(chǎn)SiC的里程碑事件，體現(xiàn)國產(chǎn)SiC襯底龍頭獲國際器件大廠認可，襯底良率和性能提升超預期。23年6月，意法半導體宣布將與三安光電在中國成立200mm碳化硅器件制造合資企業(yè)公司，三安光電將建造并單獨運營一座新的200毫米碳化硅襯底制造廠，使用自己的碳化硅襯底工藝來滿足合資企業(yè)的需求。

4.重點公司分析

4.1天岳先進：半絕緣型碳化硅襯底龍頭，產(chǎn)能逐步向?qū)щ娦颓袚Q

天岳先進是半絕緣型碳化硅襯底龍頭，全球市占率保持前三。公司主營業(yè)務是半絕緣型和導電型碳化硅襯底以及晶棒、不合格襯底等其他業(yè)務。截至2020年，公司半絕緣型襯底占銷售收入的82%（招股說明書數(shù)據(jù)）。凈利潤波動較大。2020-2022年，公司凈利潤分別是-6.42、0.90和-1.75億元，2021年凈利潤為正，主要系行業(yè)景氣度較高、公司經(jīng)營規(guī)模擴大、盈利能力增強。2022年凈利潤為負，主要系產(chǎn)線、設備調(diào)整等導致臨時性產(chǎn)能下滑，以及公司為新建產(chǎn)能投產(chǎn)所招聘的人員數(shù)量較大，導致薪酬支出大幅上升，對凈利潤影響較大。根據(jù)年報，公司濟南工廠導電型產(chǎn)品產(chǎn)能產(chǎn)量正快速爬坡。截至2022年末，濟南工廠導電型產(chǎn)品的產(chǎn)量已超過半絕緣型。

研發(fā)費用率持續(xù)提升。2022年公司研發(fā)投入占營業(yè)收入占比提升15.66pct，主要系公司大尺寸及N型產(chǎn)品研發(fā)投入、前沿技術研發(fā)投入等加大，導致研發(fā)費用上升。凈利率、毛利率有所收窄。凈利率方面，2021年，公司凈利率由負轉(zhuǎn)正，從-151%上升至18%，主要系2021年公司經(jīng)營規(guī)模擴大、盈利能力增強。毛利率方面，2019-2021年近三年內(nèi)毛利率基本穩(wěn)定；2022年毛利率為-6%，主要系由疫情及國際形勢變化影響公司新建產(chǎn)能進度。

4.2天科合達：2020年導電型襯底全球市占率達4%

公司主營業(yè)務為碳化硅晶片、其他碳化硅產(chǎn)品（籽晶、晶體）和碳化硅單晶生長爐，其中，碳化硅晶片是公司的核心產(chǎn)品。公司專注碳化硅晶體生長和晶片加工技術，掌握“設備研制—原料合成—晶體生長—晶體切割—晶片加工—清洗檢測”碳化硅晶片生產(chǎn)全流程關鍵技術和工藝。公司營業(yè)收入快速增長，凈利潤由負轉(zhuǎn)正。2017-2019年，公司營業(yè)收入CAGR達153.92%。凈利潤方面，公司自2018年開始轉(zhuǎn)正，凈利潤達194.4萬元，主要系產(chǎn)品良率大幅提高、新增設備產(chǎn)能釋放、市場需求增長迅猛。

公司研發(fā)費用率總體穩(wěn)定，毛利率、凈利率提升。公司毛利自2018年以來轉(zhuǎn)正，主要系技術工藝的提升和規(guī)模效應帶動生產(chǎn)成本下降；凈利率方面，2018-2019年，公司凈利率分別為2.49%、19.36%，盈利能力持續(xù)提升。

4.3東尼電子：1Q23碳化硅業(yè)務收入達2563萬元

東尼電子子公司東尼半導體于2023年1月與下游客戶T簽訂《采購合同》，約定東尼半導體2023年向該客戶交付6英寸碳化硅襯底13.5萬片，含稅銷售金額合計人民幣6.75億元。根據(jù)公告，公司5月份開始交付。根據(jù)公司公告，1Q23碳化硅業(yè)務收入達2563萬元，毛利率2.87%，凈利率為-43.61%。

4.4三安光電：具備SiC全產(chǎn)業(yè)鏈一體化布局

公司6月7日公告，湖南三安與意法半導體將共同設立一家專門從事碳化硅外延、芯片生產(chǎn)的合資代工公司-三安意法半導體重慶有限公司碳化硅廠，合資公司預計投入總金額為32億美元。本次合作體現(xiàn)了公司碳化硅業(yè)務在國際市場的實力。根據(jù)公告，新的SiC制造廠計劃于2025年完成階段性建設并逐步投產(chǎn)，2028年達產(chǎn)，規(guī)劃達產(chǎn)后生產(chǎn)8寸碳化硅晶圓4萬片/月。同時，三安光電將利用自有SiC襯底工藝，單獨建造和運營一個新的8英寸SiC襯底制造廠，以滿足該合資廠的襯底需求。該合資廠將采用ST的SiC專利制造工藝技術，專注于為ST生產(chǎn)SiC器件，湖南三安持股比例為51%，意法半導體持股比例為49%。根據(jù)年報，公司2022年底湖南三安碳化硅產(chǎn)能1.2萬片/月，目前產(chǎn)能爬坡至1.5萬片/月。湖南三安二期工程將于2023年貫通，達產(chǎn)后配套年產(chǎn)能將達到3萬片/月，銷售收入正隨著產(chǎn)能釋放實現(xiàn)。

$天岳先進(SH688234)$$東尼電子(SH603595)$$天科合達(NQ870013)$

此為報告精編節(jié)選，報告原文：

《電子設備-電子行業(yè)化合物半導體系列報告之二，碳化硅：國內(nèi)襯底廠商加速布局-申萬宏源[楊海晏,袁航,李天奇]-20230621【23頁】》

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