碳化硅行业专题分析：国内衬底厂商加速布局

碳化硅行业专题分析：国内衬底厂商加速布局1.碳化硅具有耐高温、高压等优势，渗透率提升空间大近年来，第三代半导体发展迅速。由于第一代及第二代半导体材料自身的物理性能局限，越来越无法满足新型领域如新能源汽车、智能电网、5G通信等。根据Yole（悠乐咨询《全球碳化硅市场2022年度报告》）数据，2022年全球第三代半导体材料碳化硅（SiC）渗透率为3%。1)第一代半导体材料以硅（Si）、锗（Ge）为代表，广泛应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的；2)第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表，相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，广泛应用于光电子和微电子领域；3)第三代半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、氮化铝（AlN）、金刚石（C）为代表。因具有大禁带宽度、高电导率、高热导率、高抗辐射能力等优点，更适合在高压、高频、高功率、高温以及高可靠性领域中应用，例如射频通信、雷达、电源管理、汽车电子、电力电子等。与第一代半导体材料Si相比，碳化硅具备更高的击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导性和热稳定性。根据艾瑞咨询数据：1）宽禁带：高稳定性+高击穿电场强度。碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，使得其具有更好的稳定性，宽禁带同时也有助于提高击穿电场强度，使其具有更好的耐热性和耐高压性、高频性。2）热导率：散热性能好。SiC热导率是Si的2-3倍，热阻更低，更耐高温（工作结温更高可达200℃以上，极限工作结可达600℃，而Si的工作极限温度为150℃），产生的热量更容易传输到散热器和环境中。3）高饱和电子漂移速率：能量损耗更低。碳化硅的饱和电子漂移速率为硅的2-3倍，导通电阻更低，能够大幅度降低导通损耗，同时有更高的切换频率。在1kV电压等级下，SiC基单极性器件的导通电阻是Si基器件的1/60。碳化硅器件更高效节能、更能实现系统小型化。根据罗姆官网数据，相同规格下SiC器件体积约为硅基器件的1/10。2．纵观产业链，衬底与外延占据70%的成本碳化硅产业链主要分为衬底、外延、器件和应用四大环节，衬底与外延占据70%的碳化硅器件成本。根据中商产业研究院数据，碳化硅器件的成本构成中，衬底、外延、前段、研发费用和其他分别占比为47%，23%，19%，6%，5%，衬底+外延合计约70%，是碳化硅产业链制造的重要组成部分。衬底和外延层的缺陷水平的降低、掺杂的精准控制及掺杂的均匀性对碳化硅器件的应用至关重要。受制于材料端的制备难度大，良率低，产能小，目前碳化硅衬底及外延层的价值量高于硅材料。碳化硅衬底分为导电型和半绝缘型衬底。在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层，可制成二极管、MOSFET等功率器件，主要应用于新能源汽车、光伏发电等领域；在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，可制成HEMT等微波射频器件，主要应用于5G通讯、卫星等领域。2.1衬底：晶体生长是核心难点，PVT为主流方法碳化硅衬底经多个工序，PVT为碳化硅晶体生长的主流方法。碳化硅衬底制备目前主要以高纯碳粉、硅粉为原料合成碳化硅粉，采用物理气相传输法（PVT法），在单晶炉中生长成为晶体，随后经过切片、研磨、抛光、清洗等步骤制成单晶薄片作为衬底。晶体生长是核心难点，国内衬底良率偏低。1）SiC晶棒生长速度慢。长度约2cm的SiC晶棒大约需要7-10天的生长时间（天科合达招股说明书数据），生长速度仅为Si晶棒的几十分之一；2）晶体生长对各种参数要求高，工艺复杂。在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度等参数，并且生长过程不可见。我们认为长晶难点在于工艺而非设备本身，目前部分碳化硅衬底厂商选择自研长晶设备，也有部分厂商选择外购模式。根据公司年报及招股说明书，天科合达成立沈阳分公司生产拥有自主知识产权的碳化硅单晶生长炉，2019年对外销售23台。天岳先进的碳化硅单晶生长炉主要找北方华创采购，但热场设计、控制软件以及组装调试工作均由公司自行完成，并且拥有“碳化硅单晶大直径、高厚度、低缺陷制备技术”专利。根据晶升股份招股说明书，预计北方华创占国内碳化硅厂商采购份额50%以上，晶升股份市占率约为27.47%-29.01%，二者占国内长晶炉超77%。2.2外延：处产业链中间环节，设备交付周期长外延是指在碳化硅衬底上，经过外延工艺生长出特定单晶薄膜。1）随着器件耐压性能的提高，对应的外延层厚度增加，对厚度和电阻率均匀性以及缺陷密度的控制就变得困难。根据今日半导体数据，一般电压600V左右时，所需外延层厚度约在6微米；电压在1200-1700V时，所需外延层厚度达10-15微米；若电压达到一万伏以上时，可能需要100微米以上的外延层厚度。2）CVD（化学气相沉积）是外延生长中最常用的方法。国内碳化硅外延技术在高压应用领域受限制，厚度和参杂浓度均匀性是关键的参数。外延层对器件性能影响大，处产业链中间环节。外延缺陷会对器件击穿电压造成影响，使得器件良率提升难度大；同时，外延层的质量又受到晶体和衬底加工质量的影响，处产业链中间环节。碳化硅外延市场由Wolfspeed和昭和电工（ShowaDenko）双寡头垄断。根据Yole数据，2020年全球碳化硅外延市场中，Wolfspeed占52%，昭和电工占43%，CR2共占95%。国内各厂商加快生产线建设。天域半导体建设碳化硅外延材料研发及产业化项目，预计2025年竣工并投产，实现营收8.7亿元，2028年全面达产产能100万片/年；瀚天天成二期22年3月竣工验收，23年达产产能为20万/年；三期于22年启动建设，预计达产产能140万片/年。外延设备是核心，国外厂商垄断。外延设备被行业四大龙头企业德国的Aixtron、意大利的LPE、日本的TEL和Nuflare所垄断，主流SiC高温外延设备交付周期已拉长至1.5-2年左右（TEL因价格和技术IP问题，较少出现在国内市场；Nuflare设备多数交付给Wolfspeed和II-VI）。德国Aixtron：多片机产能较大，缺点是控制难度较高；意大利LPE：单片机，生长速率最高，缺点是需要经常降温清理腔体。日本TEL：双腔体，对提高产量有一定的作用；日本Nuflare：垂直机台，高速旋转可达到一分钟1000转，保证均匀性控制较好的同时可以避免一些颗粒物的产生，缺陷较低。根据公司年报及官网，北方华创SiC外延炉已实现量产，截至2022年9月累计订单数超100台；中微公司目前已启动外延生产设备的开发，预计2023年将交付样机至客户端开展生产验证。3.竞争格局集中，国内衬底厂商奋起直追衬底市场竞争格局集中，海内外厂商发展模式差异大。国外企业多以IDM模式布局全产业链，如Wolfspeed、罗姆及意法半导体等，而国内企业倾向专注于单个环节制造，如衬底领域的天科合达、天岳先进，外延领域的瀚天天成、东莞天域半导体。3.1碳化硅衬底市场规模快速增长，导电型CR3约89%碳化硅衬底的市场规模有望快速增长。根据中商产业研究院数据，2022年全球导电型碳化硅衬底和半绝缘型碳化硅衬底市场规模分别为5.12和2.42亿美元，预计到2023年市场规模将分别达到6.84和2.81亿美元。2022-2025年，导电型碳化硅衬底CAGR达34%。根据中商产业研究院数据，海外厂商垄断碳化硅衬底市场。2020年碳化硅衬底中海外厂商市占率达86%，其中Wolfspeed市占率达45%，Rohm（收购SiCrystal）排名第二，占20%的市场份额。国内企业天科合达、天岳先进分别占据了5%、3%。分导电型和半绝缘型市场看：1）2020年全球导电型碳化硅衬底市场中，Wolfspeed市占率达62%，CR3约89%，国内份额最大的天科合达仅占4%；2）2020年全球半绝缘型碳化硅衬底市场中，Wolfspeed、II-VI分别占33%、35%的市场份额，CR2约68%，国内天岳先进占30%。国外垄断厂商运用先发优势继续扩产。Wolfspeed位于纽约的莫霍克谷工厂现已投产（8英寸），预计2023-2024年产能达72万片/年（相当于150万片6英寸）。此外，Wolfspeed一期建设投资13亿美元在北卡罗来纳州查塔姆县建造的8英寸碳化硅生产工厂，预计2024年完工后带来超10倍产能扩充；II-VI建设美国宾夕法尼亚州伊斯顿的工厂，预计2027年产能达100万片/年6英寸；日本罗姆预计2025年衬底产能扩展至30-40万/年。3.2国内衬底厂商加速布局国内厂商奋起直追。预计天科合达2025年底，6英寸有效产能达55万片/年；预计天岳先进的上海临港工厂，2026年达产产能为30万片/年。我们认为国产衬底厂商进展超预期。2023年4月，天岳先进2022年年报披露与博世集团签署长期协议；5月，英飞凌宣布与天科合达和天岳先进2家SiC衬底厂商签订长期协议，并预计2家供应量均将占到英飞凌长期需求量的两位数份额。这是国产SiC的里程碑事件，体现国产SiC衬底龙头获国际器件大厂认可，衬底良率和性能提升超预期。23年6月，意法半导体宣布将与三安光电在中国成立200mm碳化硅器件制造合资企业公司，三安光电将建造并单独运营一座新的200毫米碳化硅衬底制造厂，使用自己的碳化硅衬底工艺来满足合资企业的需求。4.重点公司分析4.1天岳先进：半绝缘型碳化硅衬底龙头，产能逐步向导电型切换天岳先进是半绝缘型碳化硅衬底龙头，全球市占率保持前三。公司主营业务是半绝缘型和导电型碳化硅衬底以及晶棒、不合格衬底等其他业务。截至2020年，公司半绝缘型衬底占销售收入的82%（招股说明书数据）。净利润波动较大。2020-2022年，公司净利润分别是-6.42、0.90和-1.75亿元，2021年净利润为正，主要系行业景气度较高、公司经营规模扩大、盈利能力增强。2022年净利润为负，主要系产线、设备调整等导致临时性产能下滑，以及公司为新建产能投产所招聘的人员数量较大，导致薪酬支出大幅上升，对净利润影响较大。根据年报，公司济南工厂导电型产品产能产量正快速爬坡。截至2022年末，济南工厂导电型产品的产量已超过半绝缘型。研发费用率持续提升。2022年公司研发投入占营业收入占比提升15.66pct，主要系公司大尺寸及N型产品研发投入、前沿技术研发投入等加大，导致研发费用上升。净利率、毛利率有所收窄。净利率方面，2021年，公司净利率由负转正，从-151%上升至18%，主要系2021年公司经营规模扩大、盈利能力增强。毛利率方面，2019-2021年近三年内毛利率基本稳定；2022年毛利率为-6%，主要系由疫情及国际形势变化影响公司新建产能进度。4.2天科合达：2020年导电型衬底全球市占率达4%公司主营业务为碳化硅晶片、其他碳化硅产品（籽晶、晶体）和碳化硅单晶生长炉，其中，碳化硅晶片是公司的核心产品。公司专注碳化硅晶体生长和晶片加工技术，掌握“设备研制—原料合成—晶体生长—晶体切割—晶片加工—清洗检测”碳化硅晶片生产全流程关键技术和工艺。公司营业收入快速增长，净利润由负转正。2017-2019年，公司营业收入CAGR达153.92%。净利润方面，公司自2018年开始转正，净利润达194.4万元，主要系产品良率大幅提高、新增设备产能释放、市场需求增长迅猛。公司研发费用率总体稳定，毛利率、净利率提升。公司毛利自2018年以来转正，主要系技术工艺的提升和规模效应带动生产成本下降；净利率方面，2018-2019年，公司净利率分别为2.49%、19.36%，盈利能力持续提升。4.3东尼电子：1Q23碳化硅业务收入达2563万元东尼电子子公司东尼半导体于2023年1月与下游客户T签订《采购合同》，约定东尼半导体2023年向该客户交付6英寸碳化硅衬底13.5万片，含税销售金额合计人民币6.75亿元。根据公告，公司5月份开始交付。根据公司公告，1Q23碳化硅业务收入达2563万元，毛利率2.87%，净利率为-43.61%。4.4三安光电：具备SiC全产业链一体化布局公司6月7日公告，湖南三安与意法半导体将共同设立一家专门从事碳化硅外延、芯片生产的合资代工公司-三安意法半导体重庆有限公司，合资公司预计投入总金额为32亿美元。本次合作体现了公司碳化硅业务在国际市场的实力。根据公告，新的SiC制造厂计划于2025年