國產碳化硅行業加速發展

1. 碳化硅具有耐高溫、高壓等優勢，滲透率提升空 間大

近年來，第三代半導體發展迅速。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、5G 通信等。根據 Yole（悠樂咨 詢《全球碳化硅市場 2022 年度報告》）數據，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、 熱導性和熱穩定性。根據艾瑞咨詢數據： 1）寬禁帶：高穩定性+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，更耐高溫（工作結溫 更高可達 200℃以上，極限工作結可達 600℃，而 Si 的工作極限溫度為 150℃），產生的 熱量更容易傳輸到散熱器和環境中。 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能、更能實現系統小型化。根據羅姆官網數據，相同規格下 SiC 器 件體積約為硅基器件的 1/10。

2．縱觀產業鏈，襯底與外延占據 70%的成本

碳化硅產業鏈主要分為襯底、外延、器件和應用四大環節，襯底與外延占據 70%的碳 化硅器件成本。根據中商產業研究院數據，碳化硅器件的成本構成中，襯底、外延、前段、 研發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 化硅產業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據），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，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。 根據公司年報及招股說明書，天科合達成立沈陽分公司生產擁有自主知識產權的碳化 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采 購，但熱場設計、控制軟件以及組裝調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。

根據晶升股份招股說明書，預計北方華創占國內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%，二者占國內長晶爐超 77%。

2.2 外延：處產業鏈中間環節，設備交付周期長

外延是指在碳化硅襯底上，經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。 根據今日半導體數據，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。 外延層對器件性能影響大，處產業鏈中間環節。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，外延層的質量又受到晶體和襯底加工質量的影響，處產 業鏈中間環節。

碳化硅外延市場由 Wolfspeed 和昭和電工（Showa Denko）雙寡頭壟斷。根據 Yole 數據，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%。

國內各廠商加快生產線建設。天域半導體建設碳化硅外延材料研發及產業化項目，預 計 2025 年竣工并投產，實現營收 8.7 億元，2028 年全面達產產能 100 萬片/年；瀚天天 成二期 22 年 3 月竣工驗收，23 年達產產能為 20 萬/年；三期于 22 年啟動建設，預計達 產產能 140 萬片/年。

外延設備是核心，國外廠商壟斷。外延設備被行業四大龍頭企業德國的 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，較少出現在國內市場；Nuflare 設備多數交付給 Wolfspeed 和 II-VI）。 德國 Aixtron：多片機產能較大，缺點是控制難度較高；意大利 LPE：單片機，生長 速率最高，缺點是需要經常降溫清理腔體。日本 TEL：雙腔體，對提高產量有一定的作用； 日本 Nuflare：垂直機臺，高速旋轉可達到一分鐘 1000 轉，保證均勻性控制較好的同時 可以避免一些顆粒物的產生，缺陷較低。 根據公司年報及官網，北方華創 SiC 外延爐已實現量產，截至 2022 年 9 月累計訂單 數超 100 臺；中微公司目前已啟動外延生產設備的開發，預計 2023 年將交付樣機至客戶 端開展生產驗證。

3. 競爭格局集中，國內襯底廠商奮起直追

襯底市場競爭格局集中，海內外廠商發展模式差異大。國外企業多以 IDM 模式布局全 產業鏈，如 Wolfspeed、羅姆及意法半導體等，而國內企業傾向專注于單個環節制造，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?？焖僭鲩L，導電型 CR3 約 89%

碳化硅襯底的市場規模有望快速增長。根據中商產業研究院數據，2022 年全球導電型 碳化硅襯底和半絕緣型碳化硅襯底市場規模分別為 5.12 和 2.42 億美元，預計到 2023 年市 場規模將分別達到6.84 和2.81 億美元。2022-2025年，導電型碳化硅襯底CAGR 達34%。 根據中商產業研究院數據，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。國內企業天科合達、天岳先進分別占據了 5%、3%。

分導電型和半絕緣型市場看：1）2020 年全球導電型碳化硅襯底市場中，Wolfspeed 市占率達 62%，CR3 約 89%，國內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%， 國內天岳先進占 30%。

國外壟斷廠商運用先發優勢繼續擴產。Wolfspeed 位于紐約的莫霍克谷工廠現已投產 （8 英寸），預計 2023-2024 年產能達 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 英寸碳化硅生產工 廠，預計2024 年完工后帶來超10 倍產能擴充；II-VI 建設美國賓夕法尼亞州伊斯頓的工廠， 預計 2027 年產能達 100 萬片/年 6 英寸；日本羅姆預計 2025 年襯底產能擴展至 30-40 萬 /年。

3.2 國內襯底廠商加速布局

國內廠商奮起直追。預計天科合達 2025 年底，6 英寸有效產能達 55 萬片/年；預計天 岳先進的上海臨港工廠，2026 年達產產能為 30 萬片/年。 我們認為國產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份額。這是國產 SiC 的里程 碑事件，體現國產 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，產能逐步向導電型 切換

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%（招股說明書數據）。 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，主要系行業景氣度較高、公司經營規模擴大、盈利能力增強。2022 年凈利 潤為負，主要系產線、設備調整等導致臨時性產能下滑，以及公司為新建產能投產所招聘 的人員數量較大，導致薪酬支出大幅上升，對凈利潤影響較大。 根據年報，公司濟南工廠導電型產品產能產量正快速爬坡。截至 2022 年末，濟南工 廠導電型產品的產量已超過半絕緣型。

研發費用率持續提升。2022 年公司研發投入占營業收入占比提升 15.66pct，主要系 公司大尺寸及 N 型產品研發投入、前沿技術研發投入等加大，導致研發費用上升。 凈利率、毛利率有所收窄。凈利率方面，2021 年，公司凈利率由負轉正，從-151%上 升至 18%，主要系 2021 年公司經營規模擴大、盈利能力增強。毛利率方面，2019-2021 年近三年內毛利率基本穩定；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%

公司主營業務為碳化硅晶片、其他碳化硅產品（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”碳化硅晶片生產全流 程關鍵技術和工藝。 公司營業收入快速增長，凈利潤由負轉正。2017-2019 年，公司營業收入 CAGR 達 153.92%。凈利潤方面，公司自 2018 年開始轉正，凈利潤達 194.4 萬元，主要系產品良 率大幅提高、新增設備產能釋放、市場需求增長迅猛。

公司研發費用率總體穩定，毛利率、凈利率提升。公司毛利自 2018 年以來轉正，主要 系技術工藝的提升和規模效應帶動生產成本下降；凈利率方面，2018-2019 年，公司凈利 率分別為 2.49%、19.36%，盈利能力持續提升。

4.3 東尼電子：1Q23 碳化硅業務收入達 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。根據公告，公司 5 月份開始交付。 根據公司公告，1Q23 碳化硅業務收入達 2563萬元，毛利率 2.87%，凈利率為-43.61%。

4.4 三安光電：具備 SiC 全產業鏈一體化布局

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 片生產的合資代工公司-三安意法半導體重慶有限公司，合資公司預計投入總金額為 32 億 美元。 本次合作體現了公司碳化硅業務在國際市場的實力。 根據公告，新的 SiC 制造廠計劃 于 2025 年完成階段性建設并逐步投產，2028 年達產，規劃達產后生產 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 SiC 器件，湖南三安持股比例為 51%，意法半導體持股比例為 49%。 根據年報，公司 2022 年底湖南三安碳化硅產能 1.2 萬片/月，目前產能爬坡至 1.5 萬 片/月。湖南三安二期工程將于 2023 年貫通，達產后配套年產能將達到 3 萬片/月，銷售 收入正隨著產能釋放實現。