国产碳化硅行业加速发展

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（Showa Denko）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 年完成阶段性建设并逐步投产，2028 年达产，规划达产后生产 8 寸碳化硅晶圆 4 万片/月。同时，三安光电将利用自有 SiC 衬底工艺，单独建造和运营一个新的 8 英寸 SiC 衬底制造厂，以满足该合资厂的衬底需求。该合资厂将采用 ST 的 SiC 专利制造工艺技术， 专注于为 ST 生产 SiC 器件，湖南三安持股比例为 51%，意法半导体持股比例为 49%。 根据年报，公司 2022 年底湖南三安碳化硅产能 1.2 万片/月，目前产能爬坡至 1.5 万 片/月。湖南三安二期工程将于 2023 年贯通，达产后配套年产能将达到 3 万片/月，销售 收入正随着产能释放实现。