中金 | 碳化硅材料：乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追

碳化硅（SiC）材料是第三代化合物半导体的典型代表，尤其是在下游需求快速增长的新能源相关应用领域。我们认为SiC相对于Si基材料具有明显优势：1）在新能源汽车领域，SiC器件有望解决续航里程短、能量补充时间长等痛点； 2）在光伏发电方面，SiC器件有望提高逆变器的转换效率和使用寿命。根据 Wolfspeed 的预测，2026 年 SiC 相关器件市场规模有望达到 89 亿美元，衬底市场规模有望达到 17 亿美元，总市场规模超过 100 亿美元。我们认为，作为产业链核心环节的SiC材料（基板、外延）有望充分受益，相关A股标的市场关注度有望迎来快速提升。

概括

SiC衬底和外延生长技术壁垒高，海外公司技术领先：我们认为SiC材料制备水平对器件最终性能起着决定性作用，技术壁垒高：SiC锭通常需要在高温高压的气相环境中生长；目前领先公司的单晶生长速度约为每小时400微米，比Si低数百倍。目前PVT方式仍是主流技术路线，市场规模较大的导电产品主流尺寸为6英寸。在外延方面，目前业界的平均增长率为每小时几微米。随着耐压要求的提高，外延层的制作时间也相应延长。目前，美国Wolfspeed在SiC材料市场处于主导地位，2020年基板市场占有率超过60%。

海外及中国大陆厂商加速扩产，但国内有效产能依然稀缺：据Wolfspeed测算，2026年全球SiC衬底市场规模有望达到17亿美元。假设平均衬底价格为400美元-500，预计届时需求将达到17亿美元。 400万件/年。据我们统计，海外厂商的产能正在加速扩张。 2024-2025年海外企业规划年产能预计达到204万片左右（折合6英寸），是2020年的6倍，部分厂商从2022年开始，预计供应8-英寸导电基板。在国内，我们看到目前主流的基板产品仍然是4英寸，而大规模量产6英寸的企业较少，与海外相差甚远；产能有了长足的发展，远期规划年产能超过400万件（对应投资超200亿，目前产能仅为20万-30万件/年）。我们认为，并非所有产能都能有效转化。未来，随着国内项目的陆续投产，部分收益率较低的项目可能会通过兼并重组的方式被淘汰。我们认为行业应避免产能无序扩张。

碳化硅材料公司盈利能力及估值前景：我们认为SiC衬底供应商的整体良率和每台单晶炉的年产量是体现公司核心竞争力的关键。营业利润率预计将达到25%-30%。目前二级市场普遍采用P/S法对SiC材料企业进行估值。从未来3-5年的中长期来看，我们认为市盈率估值法是行业较为普遍的估值方法，受益于新能源应用的持续增长，行业预计将继续享有高估值水平。

国内厂商良品率和产能并未如预期增加；下游对碳化硅器件的需求增长低于预期。

受益于新能源应用快速增长，碳化硅需求前景广阔

碳化硅与硅基相比具有耐高温、耐高压的优点，广泛应用于电力电子和射频领域。

碳化硅是第三代化合物半导体的典型代表。具有耐高温、耐高压、高频、大功率等优点。广泛应用于下游电力电子和射频领域。与硅基材料相比，碳化硅材料具有禁带宽度宽、电子饱和漂移率高、热导率高、熔点高等优点。高温、高压、高频和大功率半导体器件广泛应用于新能源汽车、光伏和射频领域。

图 1：碳化硅材料的特点和优势

资料来源：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，中金公司研究部

半导体器件不能直接在碳化硅衬底上制造。需要在衬底上生长氮化镓或碳化硅外延层得到外延片，然后在外延片上制作适合射频或电子电源的器件。根据电性能不同，碳化硅单晶材料可分为半绝缘衬底和导电衬底两种，分别对应不同的制造工艺，用于制造不同的器件，适用于不同的场景：

► 半绝缘衬底（目标应用为 GaN-on-SiC）：电阻率不低于 10^5Ω·cm，注重纯度和晶体质量，对原料碳化硅粉末纯度要求高，需在成长过程。添加钒杂质使掺杂过程变得困难。碳化硅基氮化镓外延片是在半绝缘碳化硅衬底上生长氮化镓外延层得到的，可进一步制作成HEMT等微波射频器件。适用于高频高温工作环境，主要应用于射频领域，如5G通信中的功率放大器、国防中的无线电探测器等。

► 导电基板（目标应用为SiC-on-SiC）：电阻率为15-30mΩ·cm，重点关注微管密度和低电阻，相对容易获得，但需要更好地控制掺杂。碳化硅同质外延片是在导电碳化硅衬底上生长碳化硅外延层得到的，可以进一步制作成SBD、MOSFET等功率器件。适用于高温高压低损耗工作环境，主要应用于电子电源领域，如新能源汽车中的逆变器、变流器、电机驱动器和车载充电器，光伏发电逆变器中的二极管、逆变器和变流器、牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、轨道交通电力电子变压器和充电机、高压直流换流阀、柔性直流输电换流阀、柔性交流输电装置、高压直流断路器和电力电子变压器等。

图 2：SiC 基板及其应用场景比较（半绝缘与导电）

资料来源：Yole、Shure、Rumyantsev、Levinstein。碳化硅半导体材料与器件[M]．电子工业出版社，2012.，中金公司研究部

下游射频领域处于领先地位，功率领域紧随其后。基于碳化硅的射频和功率器件应用场景广泛，相比硅基器件具有很多优势，尤其是在射频和电力电子领域。

► 射频领域：在5G基站加速建设的背景下，碳化硅率先登陆射频领域。据Yole数据显示，2019年至2025年，全球射频领域碳化硅市场空间预计将从7.4亿美元增长至20亿美元，六年CAGR达12%。

► 电子功率领域：未来五年，我们认为随着碳化硅组件在新能源汽车和光伏领域应用的增加，电子功率领域的爆发性需求有望成为推动市场增长的主要因素.据Yole数据显示，2019年至2025年，全球电子电力领域碳化硅市场空间预计将从5.41亿美元增长至25.62亿美元，六年CAGR达30%。

图3：2019-2025E全球射频和电子功率领域碳化硅市场空间及增长率

资料来源：Yole，中金公司研究部

受益于新能源景气度不断提升，碳化硅衬底需求有望迎来拐点

新能源汽车和光伏应用渗透加速，碳化硅基板需求迎来拐点。随着SiC SBD、SiC MOSFET和碳化硅基功率模块在新能源汽车及配套充电桩、光伏等领域的加速渗透，我们认为2022年碳化硅衬底需求有望迎来拐点.

图4：中国新能源汽车及光伏产业市场快速增长

资料来源：乘用车协会、中国汽车协会、光伏行业协会、中金公司研究部

► 新能源汽车+快充桩：为了延长电动汽车的续航里程，缩短充电时间，我们看到整车高压系统从400V逐步演进到800V，终端电压充电桩的数量也在逐步升级。因此，我们认为在技术层面迫切需要耐高压、低损耗的新型功率器件。与硅基器件相比，碳化硅器件损耗低，可提高整体电力电子效率并减小体积，更好地满足新能源汽车对800V高压下的功率转换效率要求。近年来，新能源汽车厂商针对下游需求推出了采用碳化硅器件的新车型，为碳化硅带来了增长机会。 2016年，比亚迪在车载充电器和转换器中使用了碳化硅； 2018年，特斯拉率先在Model 3上使用了意法半导体和英飞凌的碳化硅逆变器。根据各公司发布的信息，未来几年，蔚来、小鹏、小鹏等国内外厂商的碳化硅新车型，捷豹路虎和莲花预计将陆续发货。

图 5：在相同电压和开关频率下，SiC 器件的损耗低于汽车逆变器中的 Si 基器件

资料来源：德尔福、Wolfspeed、中金公司研究部

图6：SiC在新能源汽车中的应用及出货规模

资料来源：IDTechEx、CASA Research、公司网站、中金公司研究部

► 光伏发电：光伏逆变器的工作原理是切换直流输入电流的极性，使其接近交流输出。为了提高效率、工作电压和功率容量，逆变器需要平衡开关频率。据中国商业智能网数据显示，在光伏发电中，基于硅基器件的传统逆变器成本占总成本的10%左右，但会产生大量的系统能量损失。据中国汽车工业信息网数据显示，搭载SiC MOSFET或相关功率模块的光伏逆变器，其转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备使用寿命延长50倍，有利于缩小系统体积，提高功率密度，降低生产成本。由于功率转换效率与开关频率直接相关，碳化硅既能承受比硅更高的电压，又能保证转换效率所需的超高开关频率，更适用于光伏。按照我们的安排，英飞凌在2012年推出了第一款CoolSiC系列器件，随后富士电机、三菱电机、西门子等厂商也相继推出了自己的碳化硅功率器件/逆变器，以提高能量转换效率（如图） . 8）。 2021年，全球三大可再生能源研究机构之一的德国弗劳恩霍夫ISE将研发“高阻SiC逆变器”，为公用事业级光伏项目提供中压。系统连接解决方​​案。

图 7：通过 SiC 器件提高光伏逆变器性能

资料来源：中国汽车工业信息网、中金公司研究部

图8：光伏逆变器中SiC应用方案回顾

资料来源：各公司官网，中金公司研究部

海外龙头企业技术快速迭代，全球产能处于扩张期

物理气相传输为主流技术，海外公司已基本实现6英寸基板量产和外延

基板部分

碳化硅衬底是通过多个工艺步骤制成的，技术壁垒相对较高。与半导体级硅片相比，碳化硅衬底的制造工艺更为复杂，壁垒更高，需要长期的技术积累。与硅和砷化镓的拉晶工艺不同，碳化硅衬底的制备通常需要将高纯硅粉和碳粉结合，制成高纯碳化硅粉末原料，然后在单晶炉中生长成为晶锭，然后通过一系列的切片、研磨、抛光等步骤制成基板。

图9：碳化硅衬底生产工艺

资料来源：天科和大招股说明书、天悦高级招股说明书、中金公司研究部

► 原料合成：将高纯硅粉和碳粉按一定比例混合，在2000℃高温下化学反应合成碳化硅颗粒，制成符合晶体要求的高纯碳化硅通过后续的破碎、清洗等工序生长微粉化原料。

► 晶体生长：将高纯碳化硅微粉原料引入晶体生长炉中，生长成碳化硅锭。

► 铸锭加工：将制备好的碳化硅铸锭定向、研磨、轧制，加工成标准直径的碳化硅晶体。

► 锭切割：使用切割设备将碳化硅晶体切成厚度不超过1mm的薄片。

► 晶圆研磨：使用比例均匀的研磨液将晶圆研磨至所需的平整度和粗糙度。

► 晶圆抛光：用比例均匀的抛光液对磨片进行机械抛光和化学抛光，以消除表面划痕，降低表面粗糙度，消除加工应力。

► 晶圆检测：检测碳化硅晶圆的微管密度、晶体质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲、曲率、厚度变化、表面划痕等参数，并据此判断晶圆的质量等级。

► 晶圆清洗：将清洗机中的抛光片用特定比例的化学试剂和去离子水清洗，以去除抛光片表面的细小灰尘颗粒、金属离子、有机污染物等，然后进行晶圆清洗。吹干和摇晃。干燥和包装。

晶体生长是核心难点，物理气相传输是主流工艺。据科锐和露笑科技公开资料显示，碳化硅熔点较高，晶锭通常需要在高温（>2000℃）高压（>350MPa）环境下生长；传统的硅材料生长速度为每小时300毫米，但碳化硅单晶每小时只能生长400微米，两者相差近800倍，产量非常有限；碳化硅的异构体有200多种，生长通常在封闭的高温石墨坩埚中进行，不能立即进行硅碳比、生长温度梯度、晶体等参数难以控制通过观察晶体的生长速度和气压，容易产生异质晶型，影响产量。因此，晶体生长是制备 SiC 衬底的关键瓶颈。根据《碳化硅半导体材料与器件》[1]，碳化硅晶体生长工艺主要有四种：

► 物理气相迁移：PVT法的原理是将原料保持在高温区，将晶种保持在相对低温区，然后将较高温度的原料分解，生成气相物质不经过液相直接生成。这些气相物质在轴向上。在温度梯度的驱动下，它被输送到晶种，在晶种中成核生长，结晶形成碳化硅单晶。 PVT方法面临两个主要的技术挑战。一是控制碳化硅晶体中的杂质浓度，包括石墨材料的再提纯和高纯度碳化硅粉体原料的获取；二是坩埚内部温度分布不合理，可能造成微管、位错等缺陷。由于PVT法生长碳化硅晶体所使用的关键石墨成分可以重复使用20次以上，大大降低了碳化硅晶体生长的成本，我们认为它是目前主流的SiC晶体生长方法。目前，国外的Cree、II-VI、SiCrystal、陶氏和国内的天悦先进、天科和达等公司都采用这种方法。

► 高温化学气相沉积：原理是在1500-2500℃的高温下引入高纯度硅烷、乙烷、丙烷或氢气等气体，在生长室中反应，首先在生长室中形成碳化硅前驱体。高温区，然后通过气体驱动形成单晶，然后进入低温区的晶种端。 HTCVD方法面临的主要技术挑战是沉积温度的控制。在研究表面时，沉积温度过高会伴随沉积速度过快，导致晶体结构松散，沉积温度过低会伴随沉积速度过慢，导致多孔结构。采用HTCVD法生长晶体纯度高，可以实现近乎均匀的晶体生长，但气相物质会与坩埚发生反应，引起气相成分波动，影响生长晶体的质量，降低晶体生长成本高。目前，Norstel 和 Denso Corporation 在国外使用这种方法。

► 液相外延：原理是将坩埚下方高温部分的碳溶解到石墨坩埚中的硅熔体中，使碳化硅晶种与碳硅熔体接触，在其上进行外延生长。碳化硅晶种得到碳化硅单晶。 LPE 工艺面临的主要技术挑战是过渡金属的选择。碳在硅溶液中的溶解度太低，因此必须在硅熔体中加入过渡金属元素，以提高碳浓度，提高晶体生长速度。 LPE法用于生长质量高、缺陷密度低的晶体，适合制备高质量的碳化硅单晶，但生长速度慢，生长长度有限。目前国外住友金属公司采用LPE法。

图10：碳化硅晶体生长主流工艺对比

资料来源：舒尔、鲁缅采夫、莱文斯坦。碳化硅半导体材料与器件[M]．电子工业出版社，2012.，半导体行业观察，中金公司研究部

海外企业技术参数领先，国内厂商逐渐赶超。据天越先进招股书介绍，碳化硅衬底产品的核心技术参数包括直径、微管密度、多型面积、电阻率范围、总厚度变化、曲率、翘曲、表面粗糙度等，而这些参数需要很长时间才能得出继续努力积累经验。综合对比科锐、尔路、天科和达等公司公开披露的4寸和6寸同档次产品的技术参数，我们认为经过几十年的自主研发和追赶，目前的4寸国内外厂商提供的产品和6英寸碳化硅衬底产品在质量上正在加速追赶。

► 直径：直径是穿过晶片表面、穿过晶片中心且不与参考表面或圆周上的其他参考区域相交的直线的长度。指标值的偏差范围越窄越好。

► 微管密度：微管是晶内缺陷，是指沿c轴方向延伸的空心管，其径向尺寸在1到几十微米之间。微管密度是衡量碳化硅晶片质量的主要技术参数之一。指数值越小，基材的质量越好。

► 多晶型区：多晶型是由相同化学成分组成的晶体，是指当晶体结构中的结构单元层相同，但结构单元层之间的堆叠顺序或重复方式不同时，所得结构为不同的。的变体，指标值越小，质量和性能越好。

► 电阻率：电阻率是平行于材料中电流的电场强度与电流密度的比值。指标值的分布范围越窄，电阻率的均匀性就越高。

► 总厚度变化：总厚度变化是厚度测量值中半导体基板材料的最大厚度与最小厚度之差。指数值越小，基板的厚度越均匀。

► 曲率：曲率是自由未夹紧晶片的中平面中心点与中平面参考平面之间的偏差。指标值越小，整体曲率越小，对芯片制造工艺精度的不利影响越大。小的。

► 翘曲：翘曲是指晶圆中心平面与参考平面之间的最大和最小距离之差。指数值越低，晶片平面越平滑。

► 表面粗糙度：表面粗糙度是指表面的小间距和小峰谷的凹凸不平，属于微观几何误差。指数值越小，表面越光滑。

图11：国内外厂商碳化硅衬底质量对比

资料来源：天科和大招股说明书、天悦高级招股说明书、中金公司研究部

21世纪以来，海外厂商技术不断提升，碳化硅衬底技术发展加速。 1991年，Wolfspeed（科锐）发布了第一块商业化的碳化硅晶圆，开启了碳化硅衬底和器件市场的浪潮，并在1999年和2009年率先突破了4英寸和6英寸衬底制备技术。进入21世纪，国内外领先厂商纷纷布局。主要企业以生产4英寸和6英寸SiC半绝缘导电基板及器件为主，部分企业已开始布局8英寸导电基板。随着下游对碳化硅需求的不断增加，近年来，一些碳化硅衬底制造商开始将碳化硅锭直接销售给掌握切片、研磨和抛光技术的企业。比如GTAT和英飞凌在2020年签署了一份为期五年的碳化硅锭供应协议。

图12：国内外碳化硅厂商衬底和器件产品迭代过程

资料来源：各公司官网，中金公司研究部

海外领跑者Wolfspeed加速专利研发，在碳化硅衬底和外延片制备领域保持领先地位。碳化硅衬底和外延片的制备工艺难度较大，掌握核心技术并通过客户验证的厂商可以充分受益于下游市场需求的增长。 Wolfspeed 是碳化硅衬底和外延片制备领域的领先制造商。目前，共拥有专利2939项，其中涉及碳化硅核心技术的专利412项，构筑了强大的技术壁垒。通过与英飞凌、安森美、意法半导体等领先的下游半导体器件制造商合作，Wolfspeed已成为全球碳化硅材料供应的领导者。据Yole数据显示，从1996年到2018年，全球96.5%的碳化硅晶圆材料来自Wolfspeed。

图 13：Wolfspeed 的专利状态（截至 2021 年 12 月 31 日）

资料来源：Wolfspeed官网，中金公司研究部

随着尺寸的增大，对碳化硅单晶扩径技术的要求越来越高，关键是晶种的生长。晶种是与所需晶体具有相同晶体结构的小晶体，是生长单晶的种子。由于碳化硅的硬而脆的特性，在晶种加工、与石墨夹持器粘合及后续烧结过程中，容易在晶种表面引入较深的划痕，附着的粘合剂难以完全去除烧结后。在此过程中，会诱发位错缺陷；另外，由于晶种的表面类型与石墨载体不完全匹配，粘合剂会迫使晶种与石墨载体粘合，导致晶种变形，这种变形产生的应力将在随后的晶体生长中加剧位错的形成。因此，在从 4 英寸到 6 英寸衬底的跨越过程中，需要花费大量时间来生长出第一颗高质量的 6 英寸晶种，这是 SiC 衬底制造商的核心资产。基板尺寸越大，每块基板可以制造的芯片越多，边缘浪费越小，每块芯片的成本就越低。根据 Wolfspeed 数据，对于相同规格的芯片，随着晶圆尺寸从 6 英寸到 8 英寸的变化，每单位基板可制造的芯片总数几乎翻了一番，边缘芯片的比例缩小了 50 %。利用率显着增加。受益于晶圆尺寸的扩大，芯片产量的扩大将带来规模经济。同时，随着自动化生产线建设的推进，将降低人工成本，提高生产效率。因此，与6英寸基板相比，使用8英寸基板生产单元芯片的成本更低，我们认为从6英寸基板向8英寸或更大尺寸的过渡有望实现碳化硅产业链的发展趋势。

图 14：Wolfspeed 相信 8 英寸基板将提高晶圆利用率

资料来源：Wolfspeed，中金公司研究部

图 15：Wolfspeed 发现 8 英寸基板的成本显着降低

资料来源：Wolfspeed，中金公司研究部

海外厂商垄断了碳化硅衬底市场。受益于电子电力需求的爆发式增长，国产替代品空间广阔。受限于产能和价格，根据Yole和Wolfspeed的数据，2018-2020年全球碳化硅衬底市场从1.79亿美元增长到2.8亿美元。前五名厂商均为海外企业，合计市场占有率近98%。 .其中Wolfspeed市场占有率最高，近三年一直保持在60%左右，其次是II-VI和Rohm，2020年市场占有率分别为14%和13%。未来几年，我们认为，随着国内外对新能源汽车和光伏发电下游需求的不断增长，对功率器件和基板材料的功率频率适用性要求也越来越高，碳化硅基板的市场规模为预计将快速增长。 ，带来广阔的国内替代空间。 Wolfspeed预测，2026年SiC衬底市场规模有望达到17亿美元，2022-2026年复合增长率为25%。

图 16：按收入划分的全球碳化硅基板市场竞争格局

资料来源：Yole、Wolfspeed、中金公司研究部

外延

与传统的硅基器件不同，碳化硅器件不能直接在碳化硅单晶材料上制作，需要在碳化硅衬底上外延。外延是指在碳化硅衬底的基础上，通过外延工艺生长特定的单晶薄膜。衬底晶片和外延膜统称为外延晶片。碳化硅器件只能在碳化硅外延片的基础上制造。因此，外延层的质量要求非常高。随着耐压能力的提高，外延厚度增加，制备高质量外延片的难度也随之增加。当电压为600V左右时，所需的外延层厚度为6微米左右；当电压在1200-1700V之间时，所需的外延层厚度达到10-15微米；如果电压达到10000伏以上，则需要100微米以上厚度的外延层。目前，在中低压领域，SiC外延技术比较成熟；但在高压领域，我们认为SiC材料还有很多困难需要克服。主要参数包括厚度、掺杂浓度均匀性、三角缺陷等。

图 17：SiC 外延工艺示意图

资料来源：Wolfspeed，中金公司研究部

衬底和外延是碳化硅器件生产中附加值最高的两个工艺。 CASA Research数据显示，在碳化硅器件的成本构成中，衬底占47%，外延占23%，两者加起来约占70%，是碳化硅器件制造产业链的重要组成部分.我们认为，随着衬底和外延技术的不断成熟，未来碳化硅器件的前端工艺价值有望提升。但由于其材料生长工艺壁垒高，所需的劳动时间较长。从长远来看，基板和外延层12英寸硅片基板+外延的价值预计将显着高于硅材料（12英寸硅片基板+外延的价值约占11%） .

图 18：SiC 功率半导体器件成本结构（2020 年）

资料来源：CASA 研究部、英飞凌、中金公司研究部

图 19：硅功率半导体器件成本结构（2020 年，65nm）

资料来源：公司公告、中金公司研究部

目前，碳化硅外延设备市场处于寡头竞争状态。主要供应商包括德国Aixtron、意大利LPE、日本TEL、Nuflare，国外道康宁、Wolfspeed、ETC，国内韩天成、天宇半导体、中国。电科等SiC外延片厂商使用的设备均来自这四家公司。

图 20：SiC 外延厂商技术对比

资料来源：Yole，中金公司研究部

梳理产能扩张：龙头Wolfspeed启动五年30倍扩张计划，海外产能扩张整体提速

目前海外企业有大规模扩产计划，2022-2024年碳化硅衬底产能将逐步释放。其中，Cree预计到2024年产能将扩大30倍；罗姆预计到2024年产能将扩大5倍； II-VI计划将产能扩大5-10倍；住友电工2020年4英寸GaN-on-SiC生产线。每年增长10倍。据我们统计，目前海外企业2024-2025年总产能将达到204万片（6英寸当量），是2020年的6倍。

► Cree（Wolfspeed）：Cree 是 SiC 衬底的全球领导者，占据超过 60% 的市场份额。 2019年5月，科锐宣布未来5年投资10亿美元扩大SiC产能，其SiC、GaN器件、SiC衬底产能将扩大至一季度最大30倍2017财年。10亿美元投资中的4.5亿美元将用于在纽约州新建一座“North Fab”工厂，该工厂将于2020财年第四季度开工，2022财年投产。预计成为全球首家8英寸功率及射频器件量产厂商； 4.5亿美元用于将现有的杜伦工厂扩建为拥有先进技术的自动化200mm SiC生产工厂和材料超级工厂，其余1亿美元用于其他领域的相关业务投资。

► II-VI：II-VI于2001年底收购了Litton-Airtron的SiC研发部门，在SiC领域拥有近20年的研究经验，并成功开发出8英寸SiC晶圆。根据 Yole 数据，2020 年约 14% 的市场份额。从 2014 年到 2020 年，其 SiC 衬底产能每 18-24 个月翻一番。到2018年，其SiC外延产能将扩大4倍。 2020年，计划5年内将产能扩大5-10倍。英寸碳化硅衬底。 2020年4月，公司在福州亚洲区域总部正式成立SiC导电基板后端加工线，并在上海举行技术研发中心落成典礼。

► Rohm（SiCrystal）：2009年收购SiCrystal，向上游延伸至SiC衬底。子公司SiCrystal约占市场份额的13%。计划从2019年到2025年将产量扩大6倍，从年产能约5万片增加到30万片到40万片。 2018年，罗姆投资200亿日元在筑后工厂新建6英寸SiC晶圆生产线，2020年投产，年产能约15万片；并计划到2024财年在宫崎县投资约600亿日元，2016年将SiC功率控制芯片扩大至16倍。

► SK Siltron：全球排名前五的硅片制造商之一，2019 年以 4.5 亿美元收购杜邦的碳化硅晶圆部门。 2021年7月，SK宣布计划投资3亿美元在美国扩大碳化硅产能。公司计划到2025年将产能从目前的3万片年产能扩大到7.5万片。

► 昭和电工：2012年至2019年，昭和电工六倍扩大碳化硅外延片产能。 2012年9月，昭和电工将4英寸碳化硅外延片产能提高2.5倍至每月1500片，并宣布将加快6英寸碳化硅外延片的开发。 2016年6月，昭和电工继续扩大碳化硅外延片产能，开始量产HGE（High Grade Epitaxy），月产3000片。 2017年9月和2018年1月，昭和电工又进行了两次扩建。 2018年7月，昭和电工进一步扩大产能，将HGE产能从每月5,000片提升至每月7,000片。 2019年2月，昭和电工将碳化硅外延片产能提升至每月9000片。

► X-Fab：X-Fab是全球首家提供150mm SiC工艺的代工厂。 2019年第一季度，其拉伯克工厂的SiC芯片制造能力翻了一番，达到每月26,000片芯片，并向上延伸以增加外延服务能力。 X-Fab于2020年启动SiC内延生产线，客户数量增加到23家，流片数量从106个增加到216个，8个客户在产，4个客户使用X-Fab提供的外延片。

图 21：全球 SiC 衬底产能分布

资料来源：CASA Research、Yole、公司网站、中金公司研究部

图 22：海外 SiC 企业产能回顾（当量月产能 1000 片 6 英寸）

资料来源：Wolfspeed，中金公司研究部

注：2022-2025年各公司产能提升采用线性扩张假设

此外，随着市场需求确定性的增加，为提前锁定上游材料供应，海外功率器件厂商纷纷采取收购、合作等方式整合上下游产业链资源，加快布局。例如，英飞凌2018年11月收购了拥有碳化硅晶圆冷切技术的初创公司Siltectra，预计2023年左右开始量产8英寸基板； 2019年12月，意法半导体完成对瑞典碳化硅Norstel AB的收购，晶圆制造商Norstel AB已于2021年8月成功制备8英寸碳化硅基板； 2020年8月，II-VI还宣布收购碳化硅外延片及器件公司Asctron AB的全部已发行股份，建立SiC垂直集成平台； 2021年8月，安森美达成协议以4.15亿美元收购GTAT，交易预计于2022年上半年完成。安森美还计划投资扩大GTAT的研发力度，推进150mm和200mm SiC晶体增长技术，同时还投资于更广泛的 SiC 供应链，包括 Fab 产能和封装。同时，英飞凌、意法半导体、安森美等功率器件厂商也与上游企业签订长期供货协议，保障碳化硅基板的供应。

图 23：海外 SiC 资源整合

资料来源：各公司官网，中金公司研究部

国内厂商大踏步追赶，看好SiC材料投资机会

国内厂商现状：供应链逐步本土化，技术与海外企业仍有较大差距

在大尺寸产品的迭代中，国内厂商明显落后于海外领先厂商。经过多年的发展，国内外厂商均具备量产4英寸和6英寸碳化硅基板的能力，晶体生长技术路线差别不大（主要是PVT法）。量产时间明显落后：4英寸方面，海外厂商Cree、II-VI、SiCrystal十多年前实现量产，国内厂商天越先进、天科合达分别在2013年和2017年全面实现导电。型大批量生产。 6英寸导电基板方面，海外厂商已实现量产，国内厂商天科和达将在2020年实现量产。根据天岳的先期招股书，公司率先实现6英寸导电基板小批量销售2021 年的一半。

在8英寸导电基板方面，Wolfspeed和II-VI已经研发成功并开始建设生产线。据Wolfspeed测算，其8英寸工厂预计2022年投产并量产，2024年达产。国内厂商天科和达2020年与天悦先进展开研发。目前，国内外厂商国外正加快全产业链碳化硅衬底制造生产线布局，大尺寸碳化硅衬底市场竞争日趋激烈。

图24：国内碳化硅厂家衬底产品迭代过程

资料来源：各公司官网，中金公司研究部

目前，国内基板企业正在逐步向6英寸生长技术过渡，商用基板已经实现了小于1/cm2的微管密度、95%的基板可用面积、1×103左右的位错/cm2 。在研发层面，实现了高质量6英寸SiC衬底材料的制备，微管密度0.5/cm2，螺位错密度1200/cm2。但国内SiC衬底单晶质量与国外存在明显差异，存在单晶性能一致性差、成品率低、成本高等问题。良率和晶体生长率方面，作为国内领先的半导体衬底企业，根据天岳先导，其2020年平均晶体生长周期为7天，2021年上半年晶锭良率50 %，且基板良率75%，良率与Cree、II-VI等国外先进厂商仍有一定差距。根据我们的产业链研究，部分厂商还处于技术积累期，导致成品率相对较低，在10%-20%左右，这也间接导致碳化硅基板成本较高。

梳理国内产能：项目布局海量，有效产能严重不足

国内企业正在积极开发和布局碳化硅材料。随着下游应用的放量，我国本土企业也在积极参与碳化硅基板国产化进程。据我们统计，目前中国大陆市场公开信息碳化硅衬底计划投资超过200亿元，未来远期规划年产能超过400万片，而全国碳化硅衬底2020年基板产量仅11万片基板方面，国内仅有天科合达、天悦先进、三安光电、露笑科技、世纪金光、同光晶元、中电科硕科等厂商具备少量量产能力，它们主要在4英寸基板上生产，其中大部分是导电基板，年生产能力约为20万至30万片。其中，天悦先进2020年产能约4.8万片，募集资金在上海临港建设30万片。年产能碳化硅生产线；天科和达2014年建成年产7万片2-4英寸碳化硅生产线，2021年9月在江苏徐州建成7万片碳化硅基板生产线。建成年产生产线12万片碳化硅，计划1.5年内在深圳建设碳化硅单晶及外延片生产线；同光水晶2021年9月年产4-6英寸碳化硅基板10万片，项目预计2022年投产，2020年4月达产，计划年产碳化硅60万片2025年。2020年，中电科技有限公司将在2020年投产10万片4-6英寸N型碳化硅衬底和5万片4-6英寸碳化硅衬底。绝缘碳化硅衬底项目目前正处于产能提升阶段。此外，露笑科技将在2021年投产2.5万片6英寸碳化硅导电基板，年产能，三安光电将投产3.6万片6英寸碳化硅基板。碳化硅基板均处于产能爬坡阶段；外延方面，国内东莞天宇和韩天成有一定的量产能力，生产规模较小，20万片/年左右。

图25：国内主要公司SiC衬底和外延片产能规划

资料来源：CASA Research、公司公告、中金公司研究部

国内企业大幅扩产可能导致产能过剩，但实际有效产能不足。根据 Wolfspeed 和 Yole 的估计，如果我们假设单颗芯片的平均成本下降到 400 美元，2026 年全球 SiC 衬底市场规模有望达到 17 亿美元（导电+高纯半绝缘） -500（2021-2026年复合）对应基板年出货量约377万片/年。考虑到80%以上的良率，相应基板的年设计产能约为470万片/年。根据目前各碳化硅厂商的产能统计，海外计划总产能约200万片/年，国内厂商计划未来每年供应400万片等效6英寸基板，远超过需求。但是，尽管中国的计划产能和投资都很高，但我们认为有效产能严重不足，实际上能够实现大规模量产的企业寥寥无几。因此，很难得出全球碳化硅行业衬底晶圆供应已经供过于求的结论。 .如果只关注中国国内市场需求，我们认为中国大部分优质碳化硅基板仍需进口，国内自给缺口仍较大。未来，随着国内项目陆续投产，我们认为可能会通过兼并重组淘汰部分收益率较低的项目，实现行业规模化发展。企业应避免低端产能无序扩张。

图 26：全球市场对 SiC 衬底的估计需求（按销售额）

资料来源：Yole，中金公司研究部

量化思考#1：不同因素对SiC衬底企业盈利能力的影响

根据我们的研究，我们认为影响SiC衬底厂商营业利润率的核心因素在于生产衬底的整体良率（整体良率=铸锭良率x衬底良率）和每台单晶炉年良率（件）（合格+不合格），供应商的盈利能力对以上两个因素高度敏感。 SiC衬底的运营成本包括直接材料（高纯碳粉、高纯硅粉、石墨零件、石墨毡等）、直接人工、制造成本（各环节机器设备折旧、能源消耗等）等），其中直接材料、直接人工和能源消耗成本为可变成本，设备成本为固定成本。我们认为，单晶炉作为SiC衬底厂商的主要设备，已经被国产产品所取代。国内主要供应商北方华创和京盛机电具备制造SiC单晶炉的能力。 SiC衬底厂商已经开始通过采购国产炉管来进行晶体生长，因此我们认为单晶炉价格逐渐成为制约SiC衬底厂商盈利的关键因素。可变成本中的直接材料、直接人工和能源消耗成本与公司生产的晶圆片数（合格和不合格）呈正相关，尽管提高公司良率可能会增加直接材料等成本（公司提高晶锭良率需要a 加强石墨零件净化控制，缩短单一坩埚材料的使用寿命），但企业间直接材料、直接人工、能源消耗等原材料的技术和成本相对较小。另外，根据我们的测算，公司营业利润率对单晶炉台数的敏感度小于单晶炉年产量（件）（合格+不合格），我们认为这是由于仅增加单晶炉数量对收入贡献较大，但无法提升公司边际盈利能力。因此，我们认为整体良率和每台单晶炉的年产量（或晶体生长率）是体现公司核心竞争力的关键。提高整体良率和每台单晶炉的年产量，可以提高公司单位成本的产量。合格晶圆数量是提高公司营业利润率的核心因素。

我们对2021年市场环境下典型基板供应商的营业利润率进行了敏感性分析，结果如下图27所示。如果假设该公司2021年拥有100台单晶炉，其整体良率30%，每台单晶炉年产量900台（合格+不合格）有望达到盈亏平衡点。我们认为仅靠增加单晶炉数量仍难以盈利，整体良率低于30%。我们测算，如果每台单晶炉年产量达到1200台，整体良品率达到70%，预计可实现42%的营业利润率。因此，我们认为中国SiC衬底制造商需要快速提高整体良率和每台单晶炉的年产量，才能在市场上更具竞争力。

图表 27：2021 年营业利润率敏感性分析和盈亏平衡分析

资料来源：狼速公告、天科和达公告、天悦进阶公告、中金公司研究部

注：总良率 = 锭良率 x 基板良率

量化思维#2：碳化硅基板企业盈利前景及估值方法

我们认为，虽然部分SiC衬底供应商已经公布了A股IPO材料（如天悦先进、天科和达等），但目前6英寸导电/半绝缘衬底单片成本明细明细很容易获得, 然而，计算碳化硅衬底公司未来的稳态盈利能力仍然很复杂。主要考虑以下因素： 1）市场空间与单个基板的售价有关。图 28) 具有一定的不确定性； 2）未来龙头企业的市场份额存在一定的不确定性。但定性上，根据我们上述分析的结论，碳化硅衬底的整体良率和单炉的晶体生长速度仍然是衬底供应商利润率的决定因素。为简化计算，我们直接参考 Wolfspeed 指导的数据，对碳化硅衬底供应商的盈利能力进行展望。根据 Wolfspeed 的计算，假设其市场份额为 40%，未来稳定盈利期的非 GAAP 毛利率为 50%-54%，营业费用率在 23%- 的水平25%。我们认为，考虑到海外企业整体人均工资和日常运营费用高于中国本土厂商，中国企业的运营利润率预计将高于海外龙头企业20%-25% .

图 28：单片 N 型 6 英寸 SiC 衬底价格预测

资料来源：狼速公告、天科和达公告、天悦进阶公告、中金公司研究部

图表 29：Wolfspeed 的盈利前景

资料来源：Wolfspeed 企业公告、中金公司研究部

从估值方法上看，由于碳化硅材料企业短期内研发投入较大，部分后入者经营规模仍较小，参考行业龙头Wolfspeed在估值方法上二级市场，我们认为 P/S 法更合理。考虑到行业投资回报率较高，我们认为具有一定经营规模的碳化硅材料（基板或外延）供应商有望实现稳定盈利。因此，从3-5年的中长期来看，我们认为市盈率估值法是业内较为普遍的估值方法。从下游需求增速来看，我们认为作为碳化硅行业主要驱动力之一的新能源汽车出货增速可能放缓至20%-25%（根据中金公司预测）组），但仍然相当可观；全球新增装机增速预计在10%-20%范围内（根据中国金电新集团的预测），但考虑到储能应用的快速增长和逆变器更换周期等因素，碳化硅器件市场需求有望继续快速增长，带动基板市场的持续扩张。因此，我们看好碳化硅材料行业的长期增长，认为中长期行业仍有望享有较高的估值水平。

[1] 资料来源：舒尔、鲁缅采夫、莱文斯坦。碳化硅半导体材料与器件[M]．电子工业出版社，2012。

本文摘自：2021年1月13日已发布的《碳化硅材料：乘着碳中和东风，国内厂商迎头赶上》

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