碳化硅行業(yè)專題分析：國內(nèi)襯底廠商加速布局

碳化硅行業(yè)專題分析：國內(nèi)襯底廠商加速布局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(dǎo)體發(fā)展迅速。由于第一代及第二代半導(dǎo)體材料自身的物理性能局限，越來越無法滿足新型領(lǐng)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(bào)告》）數(shù)據(jù)，2022年全球第三代半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC）滲透率為3%。1)第一代半導(dǎo)體材料以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，廣泛應(yīng)用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測器中，90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是用硅基材料制作的；2)第二代半導(dǎo)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(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域；3)第三代半導(dǎo)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(dǎo)率、高熱導(dǎo)率、高抗輻射能力等優(yōu)點(diǎn)，更適合在高壓、高頻、高功率、高溫以及高可靠性領(lǐng)域中應(yīng)用，例如射頻通信、雷達(dá)、電源管理、汽車電子、電力電子等。與第一代半導(dǎo)體材料Si相比，碳化硅具備更高的擊穿電場強(qiáng)度、飽和電子漂移速率、熱導(dǎo)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(qiáng)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(shí)也有助于提高擊穿電場強(qiáng)度，使其具有更好的耐熱性和耐高壓性、高頻性。2）熱導(dǎo)率：散熱性能好。SiC熱導(dǎo)率是Si的2-3倍，熱阻更低，更耐高溫（工作結(jié)溫更高可達(dá)200℃以上，極限工作結(jié)可達(dá)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(dǎo)通電阻更低，能夠大幅度降低導(dǎo)通損耗，同時(shí)有更高的切換頻率。在1kV電壓等級下，SiC基單極性器件的導(dǎo)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(shí)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(yīng)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(gòu)成中，襯底、外延、前段、研發(fā)費(fèi)用和其他分別占比為47%，23%，19%，6%，5%，襯底+外延合計(jì)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(zhǔn)控制及摻雜的均勻性對碳化硅器件的應(yīng)用至關(guān)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(jià)值量高于硅材料。碳化硅襯底分為導(dǎo)電型和半絕緣型襯底。在導(dǎo)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(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電等領(lǐng)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(yīng)用于5G通訊、衛(wèi)星等領(lǐng)域。2.1襯底：晶體生長是核心難點(diǎn)，PVT為主流方法碳化硅襯底經(jīng)多個(gè)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(diǎn)，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(shí)間（天科合達(dá)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(fù)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(rèn)為長晶難點(diǎn)在于工藝而非設(shè)備本身，目前部分碳化硅襯底廠商選擇自研長晶設(shè)備，也有部分廠商選擇外購模式。根據(jù)公司年報(bào)及招股說明書，天科合達(dá)成立沈陽分公司生產(chǎn)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的碳化硅單晶生長爐，2019年對外銷售23臺。天岳先進(jìn)的碳化硅單晶生長爐主要找北方華創(chuàng)采購，但熱場設(shè)計(jì)、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(shù)”專利。根據(jù)晶升股份招股說明書，預(yù)計(jì)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(shè)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(yīng)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(dǎo)體數(shù)據(jù)，一般電壓600V左右時(shí)，所需外延層厚度約在6微米；電壓在1200-1700V時(shí)，所需外延層厚度達(dá)10-15微米；若電壓達(dá)到一萬伏以上時(shí)，可能需要100微米以上的外延層厚度。2）CVD（化學(xué)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(shù)在高壓應(yīng)用領(lǐng)域受限制，厚度和參雜濃度均勻性是關(guān)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(shí)，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(shè)。天域半導(dǎo)體建設(shè)碳化硅外延材料研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，預(yù)計(jì)2025年竣工并投產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)營收8.7億元，2028年全面達(dá)產(chǎn)產(chǎn)能100萬片/年；瀚天天成二期22年3月竣工驗(yàn)收，23年達(dá)產(chǎn)產(chǎn)能為20萬/年；三期于22年啟動(dòng)建設(shè)，預(yù)計(jì)達(dá)產(chǎn)產(chǎn)能140萬片/年。外延設(shè)備是核心，國外廠商壟斷。外延設(shè)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(shè)備交付周期已拉長至1.5-2年左右（TEL因價(jià)格和技術(shù)IP問題，較少出現(xiàn)在國內(nèi)市場；Nuflare設(shè)備多數(shù)交付給Wolfspeed和II-VI）。德國Aixtron：多片機(jī)產(chǎn)能較大，缺點(diǎn)是控制難度較高；意大利LPE：單片機(jī)，生長速率最高，缺點(diǎn)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(jī)臺，高速旋轉(zhuǎn)可達(dá)到一分鐘1000轉(zhuǎn)，保證均勻性控制較好的同時(shí)可以避免一些顆粒物的產(chǎn)生，缺陷較低。根據(jù)公司年報(bào)及官網(wǎng)，北方華創(chuàng)SiC外延爐已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，截至2022年9月累計(jì)訂單數(shù)超100臺；中微公司目前已啟動(dòng)外延生產(chǎn)設(shè)備的開發(fā)，預(yù)計(jì)2023年將交付樣機(jī)至客戶端開展生產(chǎn)驗(yàn)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(dǎo)體等，而國內(nèi)企業(yè)傾向?qū)Ｗ⒂趩蝹€(gè)環(huán)節(jié)制造，如襯底領(lǐng)域的天科合達(dá)、天岳先進(jìn)，外延領(lǐng)域的瀚天天成、東莞天域半導(dǎo)體。3.1碳化硅襯底市場規(guī)?？焖僭鲩L，導(dǎo)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(yù)計(jì)到2023年市場規(guī)模將分別達(dá)到6.84和2.81億美元。2022-2025年，導(dǎo)電型碳化硅襯底CAGR達(dá)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(dá)86%，其中Wolfspeed市占率達(dá)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(dá)、天岳先進(jìn)分別占據(jù)了5%、3%。分導(dǎo)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(dá)62%，CR3約89%，國內(nèi)份額最大的天科合達(dá)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(jìn)占30%。國外壟斷廠商運(yùn)用先發(fā)優(yōu)勢繼續(xù)擴(kuò)產(chǎn)。Wolfspeed位于紐約的莫霍克谷工廠現(xiàn)已投產(chǎn)（8英寸），預(yù)計(jì)2023-2024年產(chǎn)能達(dá)72萬片/年（相當(dāng)于150萬片6英寸）。此外，Wolfspeed一期建設(shè)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(yù)計(jì)2024年完工后帶來超10倍產(chǎn)能擴(kuò)充；II-VI建設(shè)美國賓夕法尼亞州伊斯頓的工廠，預(yù)計(jì)2027年產(chǎn)能達(dá)100萬片/年6英寸；日本羅姆預(yù)計(jì)2025年襯底產(chǎn)能擴(kuò)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(yù)計(jì)天科合達(dá)2025年底，6英寸有效產(chǎn)能達(dá)55萬片/年；預(yù)計(jì)天岳先進(jìn)的上海臨港工廠，2026年達(dá)產(chǎn)產(chǎn)能為30萬片/年。我們認(rèn)為國產(chǎn)襯底廠商進(jìn)展超預(yù)期。2023年4月，天岳先進(jìn)2022年年報(bào)披露與博世集團(tuán)簽署長期協(xié)議；5月，英飛凌宣布與天科合達(dá)和天岳先進(jìn)2家SiC襯底廠商簽訂長期協(xié)議，并預(yù)計(jì)2家供應(yīng)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(rèn)可，襯底良率和性能提升超預(yù)期。23年6月，意法半導(dǎo)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(dú)運(yùn)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(diǎn)公司分析4.1天岳先進(jìn)：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(jìn)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(wù)是半絕緣型和導(dǎo)電型碳化硅襯底以及晶棒、不合格襯底等其他業(yè)務(wù)。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(dòng)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(kuò)大、盈利能力增強(qiáng)。2022年凈利潤為負(fù)，主要系產(chǎn)線、設(shè)備調(diào)整等導(dǎo)致臨時(shí)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(dǎo)致薪酬支出大幅上升，對凈利潤影響較大。根據(jù)年報(bào)，公司濟(jì)南工廠導(dǎo)電型產(chǎn)品產(chǎn)能產(chǎn)量正快速爬坡。截至2022年末，濟(jì)南工廠導(dǎo)電型產(chǎn)品的產(chǎn)量已超過半絕緣型。研發(fā)費(fèi)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(shù)研發(fā)投入等加大，導(dǎo)致研發(fā)費(fèi)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(fù)轉(zhuǎn)正，從-151%上升至18%，主要系2021年公司經(jīng)營規(guī)模擴(kuò)大、盈利能力增強(qiáng)。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(jìn)度。4.2天科合達(dá)：2020年導(dǎo)電型襯底全球市占率達(dá)4%公司主營業(yè)務(wù)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(shù)，掌握“設(shè)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(guān)鍵技術(shù)和工藝。公司營業(yè)收入快速增長，凈利潤由負(fù)轉(zhuǎn)正。2017-2019年，公司營業(yè)收入CAGR達(dá)153.92%。凈利潤方面，公司自2018年開始轉(zhuǎn)正，凈利潤達(dá)194.4萬元，主要系產(chǎn)品良率大幅提高、新增設(shè)備產(chǎn)能釋放、市場需求增長迅猛。公司研發(fā)費(fèi)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(shù)工藝的提升和規(guī)模效應(yīng)帶動(dòng)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(wù)收入達(dá)2563萬元東尼電子子公司東尼半導(dǎo)體于2023年1月與下游客戶T簽訂《采購合同》，約定東尼半導(dǎo)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(jì)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(wù)收入達(dá)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(dǎo)體將共同設(shè)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(dǎo)體重慶有限公司，合資公司預(yù)計(jì)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(wù)在國際市場的實(shí)力。根據(jù)公告，新的SiC制造廠計(jì)劃于2025年