碳化硅行業分析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《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。根據研究數據，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（ShowaDenko）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碳化硅襯底市場規模快速增長，導電型CR3約89%碳化硅襯底的市場規模有望快速增長。根據研究數據，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%。根據研究數據，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