今天我们分析一下半导体产业链，这条产业链分为很多环节，比如材料、设备、芯片设计、芯片制造、封装测试。我们先来分析其中一种材料，叫做碳化硅 SiC。

01SiC 基本情况及产业链

这个碳化硅是第三代半导体材料，第一代半导体材料主要是硅、锗制作的，第二代是以砷化镓为代表的化合物半导体材料，我们今天说的碳化硅、氮化镓属于第三代半导体材料。

第一代半导体材料广泛应用于低压、低频、低功率场景，难以满足高功率及高频器件需要。

第二代半导体是制作半导体发光二极管和通信器件的核心材料，但砷化镓有毒，而且禁带宽度较小、击穿电场较低，同样难以满足需要。

只有以碳化硅、砷化镓为代表的第三代半导体，适合制备耐高压、高频的功率器件。因为它们最大的优势就在于较宽的禁带宽度，保证其可击穿更高的电场强度。

啥是禁带宽度？这是个半导体行业的术语，就是说半导体平时不导电，只有获得足够多的能量才能导电，这个能量的最小值就是禁带宽度。

所以要制备耐高压、高频的功率器件，就需要更高的禁带宽度。而碳化硅器件刚好满足这些要求，不但具有耐高温、高压、高频的特点，还具有开关速度快，效率高的优势。

因此碳化硅器件可以大幅降低产品功耗，提高能量转换效率，减少产品体积。该产品被广泛应用于 5G 通信、国防军工、航空航天以及新能源汽车领域。

碳化硅产业链目前分为衬底材料制备、外延层生长、器件制造以及下游应用几个环节。

通常首先采用物理气相传输法（PVT 法）制备碳化硅单晶，再在衬底上使用化学气相沉积法（CVD 法）等生成外延片，最后制成相关器件。

在整个碳化硅器件产业链中，由于衬底制造工艺难度大，产业链价值量主要集中于上游衬底环节，目前占整个产业链价值量的 50%左右。

碳化硅衬底可分为导电型和半绝缘型。半绝缘型具有较高的电阻率，主要用于制造氮化镓微波射频器件，是无线通讯领域的基础零部件。

导电型的电阻率较低，由导电型碳化硅衬底生长出的碳化硅外延片，可以进一步制作功率器件，广泛应用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域。

目前碳化硅衬底正在越做越大，行业内主要量产的产品尺寸为 4 英寸和 6 英寸，行业领先者 Cree 公司已经成功研发出了 8 英寸产品。

大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向。因为衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量就越多，单位芯片成本越低。而且衬底尺寸越大，边缘浪费就越小，有利于进一步降低芯片成本。

02下游需求带动碳化硅高度景气

首先说导电型碳化硅，导电型碳化硅衬底主要用于制作功率器件，应用场景有电动汽车、数字新基建、工业电机等，是电力电子行业的核心。

随着新能源汽车发展，功率器件需求不断增加。然而目前功率器件主要由硅基材料(第一代半导体材料)制成，其性能难以满足当前需要，碳化硅功率器件更适合新能源汽车领域的应用。

根据 Yole 数据，2019 年碳化硅功率器件的市场规模为 5.41 亿美元，预计 2025 年将增长至 25.62 亿美元，复合年增长率达 30%。

碳化硅功率器件市场的高速增长，也将推动导电型碳化硅衬底需求释放。

新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体（IGBT）应用的组件包括：电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载 DC/DC）和非车载充电桩。

其中 OBC、车载 DC/DC 和电机驱动系统里的电机控制器主要采用硅基 IGBT 器件，随着越来越多车企提高新能源车电池电压，以及提高性能降低成本，碳化硅器件有望替代。

由于衬底在整个产业链价值量占比约 50%，根据券商预计，到 2025 年新能源汽车 SiC 衬底需求空间为 37.5-45 亿元。

除新能源汽车外，光伏产业也打开了碳化硅衬底的市场空间。

碳化硅器件在光伏中主要应用于光伏逆变器，目前的光伏逆变器大多还是采用传统的硅基器件，由于碳化硅器件可以有效提高光伏发电转换效率，所以发生替代也是大势所趋。

近年来我国光伏装机容量持续增长，有望在 2025 年达到 101GW。同时有机构预测，到 2048 年光伏逆变器中碳化硅器件占比可达到 85%。

说完了导电型碳化硅，再说说半绝缘型碳化硅。5G 等无线通讯需求的增长，推动了半绝缘型碳化硅衬底的快速发展。

半绝缘型碳化硅衬底主要用于制造氮化镓射频器件，是实现信号发送和接收的基础部件，对于无线通讯来说至关重要。

相比于 2G、3G、4G，5G 的频率较高，传输距离较短，对功率要求非常高。

碳化硅基氮化镓器件突破了前两代半导体材料的缺陷，可以有效满足 5G 基站的要求。目前已逐步成为 5G 功率放大器，尤其是宏基站功率放大器的主流技术路线。

据 Yole 预测，2025 年全球射频器件市场将超过 250 亿美元，其中射频功率放大器市场规模将从 2018 年的 60 亿美元增长到 2025 年的 104 亿美元。

随着氮化镓射频器件在功率放大器中的渗透率持续提高，半绝缘型碳化硅晶片的需求量也将大幅增长。到 2025 年，半绝缘型碳化硅衬底市场规模有望达到 40.35 亿元。

03碳化硅衬底存在技术壁垒

碳化硅产业链中衬底的技术壁垒最高，在产业链中价值最大，整个产业链发展的核心受益环节就是这个衬底。碳化硅衬底生产过程与硅基衬底类似，但是难度更大。

碳化硅衬底的制作流程一般包括原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、晶片研磨、抛光、清洗等环节。

其中晶体生长阶段为整个流程的核心，该步骤决定了碳化硅衬底的电学性质。

碳化硅材料在一般条件下很难液相生长，如今市场流行的气相生长法，生长温度在 2300℃以上，而且需要精确调控生长温度，整个操作过程几乎难以观测，稍有差错就会导致产品报废。

相比之下，硅材料只需要 1600℃，要求低很多。

制备碳化硅衬底还面临长晶速度慢，晶型要求高等困难。碳化硅晶圆生长约需要 7 至 10 天，而硅棒拉晶只需要 2 天半。

而且碳化硅是硬度仅次于金刚石的材料，切割、研磨、抛光时候也会损失掉的很多，产出比只有 60%。

我们知道碳化硅衬底的尺寸做大是趋势，随着尺寸不断增大，扩径技术的要求也越来越高。需要综合多方面的技术控制要素，才能实现晶体的迭代扩径生长。

综合以上这些信息我们可以感受到，这个碳化硅衬底就不是个便宜货。

据产业调研，目前 6 寸导电型衬底片的市场零售价约 1000 美元/片, 目前 4、6 寸片价格是硅的 60 倍以上。

但是由于高频、高压的性能可以节省系统成本，但目前碳化硅的系统成本仍是硅的 2-8 倍。所以目前碳化硅虽好，还很难对硅基功率器件形成大规模替代。

但随着技术的发展，碳化硅衬底的制造成本有望逐渐降低，到 2025 年有望下降到 500 美元以下，硅基和碳化硅基成本差距会在 2 倍以内，一些高电压大电流的功率器件才会被碳化硅基替代和渗透。

04行业竞争格局

上面提到的 Cree 是碳化硅晶片的全球龙头，2020 年上半年出货量占据全球 45%。

同时，欧洲拥有完整的碳化硅产业链、外延、器件以及应用产业链。主要企业有 Siltronic、意法半导体、IQE、英飞凌等，在全球电力电子市场拥有强大的话语权。

日本是设备和模块开发方面的绝对领先者，代表企业有松下、罗姆、住友电气、三菱等。

国内碳化硅企业也在加大投入，加速追赶。经过多年的技术自主研发，国内碳化硅衬底龙头已经掌握了 2–6 英寸的衬底制备方法，产品质量达到国际先进水平，而且在逐步提高市场份额。

根据国内的行业分析报告，2020 年山东天岳市占率为 2.6%，天科合达市占率由 2019 年的 3%上升至 2020 年的 5.3%。

国内企业一方面正在努力完善产业链，实现 6 英寸碳化硅衬底量产，另一方面也在推进 8 英寸碳化硅衬底的研发，缩小与国际巨头的差距。

比较有代表性的公司有露笑科技、三安光电、天科合达、山西烁科、山东天岳。

露笑科技主要从事碳化硅业务、光伏发电业务、漆包线业务。目前主要营收是由漆包线业务贡献，其次是光伏发电业务，碳化硅业务还没开始体现在财报上。

碳化硅项目 2020 年 11 月破土动工，2021 年 9 月份基本可实现 6 英寸导电型碳化硅衬底的小批量生产。而且公司开始大幅增加研发投入，研发费用较去年同比增加 148.07%，加速转型成为高端制造企业。

不过有一个稳定收益的主营业务也很重要，因为可以持续给新业务提供现金流。露笑科技主业经营有点不稳，现在又搞出这样一个需要巨大投入的新业务，对资金链也是个不小的冲击。

三安光电主要从事化合物半导体涉及的部分核心原材料、外延片生长和芯片制造，是产业链的核心环节，附加值较高。

而且公司作为国内产销规模最大的化合物半导体企业，具备较强的研发实力，而且还在继续巩固自己的护城河。

所以三安光电转型升级做碳化硅产业链，就显得比较合理。2021 半年报披露，公司的碳化硅二极管上半年新开拓客户 518 家，出货超过 180 家，超过 60 种产品量产。

个人觉得三安光电的碳化硅布局，会比露笑科技走得顺，因为三安光电深耕半导体多年，无论是研发实力，资金实力还是客户认可程度，都比露笑科技更强。

其他三家虽然均未上市，但都是正宗的碳化硅业内公司。相信未来他们会来到资本市场的，所以我们有必要提前认识一下。

天科合达是国内最早实现碳化硅晶片产业化生产的公司，率先研制出 6 英寸碳化硅晶片。

山西烁科成立于 2018 年，虽然成立较晚，但已经实现了碳化硅全产业链完全自主可控，公司的一期生产基地具备年产 7.5 万片衬底的产能，年收入在 3 亿元以上，比天河科达还大。

山东天岳也是碳化硅衬底行业内的老牌企业，经过十多年的技术发展，公司已经掌握了多个环节的核心技术。根据 Yole 的统计，2019 年和 2020 年公司已跻身半绝缘型碳化硅衬底市场的世界前三。

这些公司有一个共同点，这些公司的碳化硅业务要么还没有盈利，要么只是微利，营收也不大。

毕竟这个碳化硅还处于早期阶段，大规模替代硅基衬底还为时过早，有前景是肯定的，但降低成本才是能够大规模商用的关键。