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碳化硅材料:下游需求爆发,国内厂商发力

碳化硅(SiC)材料是第三代化合物半导体的典型代表,特别是在下游需求快速成长的新能源相关应用中,我们认为SiC相比Si基材料优势明显:1)在新能源车领域,SiC器件有望解决续航里程短、补能时间长等痛点;2)在光伏发电方面,SiC器件有望提升逆变器转换效率及使用寿命。根据Wolfspeed预测,2026年SiC相关器件市场有望达到89亿美元,衬底市场有望达到17亿美元,合计市场超百亿。我们认为SiC材料(衬底、外延)作为产业链中的核心环节,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。

摘要

SiC衬底及外延生长技术壁垒高,海外企业技术领先:我们认为,SiC材料制备水平对器件最终性能起决定性作用,技术壁垒较高:SiC晶锭通常需要在高温高压的气相环境中生长;目前领先企业的单晶生长速度在每小时400微米左右,与Si存在数百倍的差距,目前PVT法依然是较主流的技术路线,市场规模较大的导电型产品主流尺寸为6英寸。外延方面,目前行业内平均生长速度为数微米/小时,随着耐压要求提高,外延层制造时间相应加长。目前美国Wolfspeed在SiC材料市场处于主导地位,2020年在衬底市占率超60%。

海外及中国大陆厂商加速扩产,但国内有效产能仍稀缺:根据Wolfspeed测算,2026年全球SiC衬底市场有望达到17亿美元,在400-500美元的衬底均价假设下,届时需求有望达到400万片/年上下。根据我们统计,海外厂商产能正处于加速扩张之中,2024-2025年海外企业规划年产能有望达到约204万片(6英寸等效),是2020年的6倍之多,2022年起部分厂商还有望供应8英寸导电衬底。国内方面,我们看到目前衬底主流产品仍以4英寸为主,大规模量产6英寸企业较少,与海外存在差距;而产能方面大步推进,远期规划年产能超400万片(对应超200亿投资,目前产能仅20-30万片/年)。我们认为并非所有产能都能形成有效转化,未来随着国内项目的陆续投产,部分良率偏低的项目可能会被以兼并重组的方式淘汰。我们认为行业应避免产能无序扩张。

碳化硅材料企业盈利能力及估值展望:我们认为SiC衬底供应商的整体良品率与每个单晶炉年产量是体现公司核心竞争力的关键,中长期来看本土SiC衬底龙头企业的营业利润率有望达到25%-30%。目前二级市场常用P/S法对SiC材料企业估值,而在未来中长期3-5年维度来看,我们认为P/E估值法是行业较为通用的估值方法,受益于新能源应用的持续增长,行业有望持续享受较高的估值水平。

风险

国产厂商良率及产能提升不及预期;碳化硅器件下游需求增长不及预期。

正文

受益于新能源应用快速上量,碳化硅需求前景广阔

碳化硅较硅基具有耐高温、高压等优势,广泛用于电力电子及射频领域

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、高频率、大功率等优势,广泛应用于电力电子与射频等下游。碳化硅材料相比硅基材料具有宽禁带、电子饱和漂移速率高、热导系数高和熔点高等优势,可有效突破传统硅基半导体器件及其材料的物理极限,作为衬底开发出更适应高温、高压、高频率和大功率等条件的半导体器件,广泛应用于新能源车、光伏及射频领域。

半导体器件不能直接制作在碳化硅衬底上,需要先在衬底上生长氮化镓或碳化硅外延层,得到外延片,再在外延片上制作适用于射频或电子电力领域的器件。按照电学性能不同,碳化硅单晶材料可分为半绝缘型衬底和导通型衬底两种,分别对应不同的制作工艺、用于制作不同的器件、适用于不同的场景:

►  半绝缘型衬底(目标应用是GaN-on-SiC):电阻率不低于10^5Ω·cm,注重纯度和晶体质量,对原材料碳化硅粉末纯净度要求高,同时需要在生长过程中加入钒杂质,掺杂工艺难度大。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层制得碳化硅基氮化镓外延片,可进一步制成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,例如5G通讯中的功率放大器和国防中的无线电探测器。

►  导电型衬底(目标应用是SiC-on-SiC):电阻率为15-30mΩ·cm,注重微管密度和低电阻,相对容易获得,但需要对掺杂有较好的控制。通过在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅同质外延片,可进一步制成SBD、MOSFET等功率器件。适用于高温、高压工作环境,且损耗低,主要应用于电子电力领域,例如新能源汽车中的逆变器、转换器、电机驱动器和车载充电机,光伏发电中的二极管、逆变器和变换器,轨道交通中的牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器和电源充电机,智能电网中的高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器和电力电子变压器等。

下游射频领域率先落地,功率领域紧随其后。以碳化硅为衬底的射频及功率器件应用场景广泛,且相较硅基器件具有诸多优势,在射频领域及电力电子领域尤其显著。

►  射频领域:在5G基站建设加速的背景下,碳化硅在射频领域率先落地。根据Yole数据,2019-2025年,全球射频领域碳化硅市场空间预计从7.4亿美元增长至20亿美元,6年CAGR为12%。

► 电子电力领域:未来5年,我们认为随着碳化硅模块在新能源汽车和光伏应用的增加,电子电力领域的需求爆发有望成为驱动市场增长的主要因素。根据Yole数据,2019-2025年,全球电子电力领域碳化硅市场空间预计从5.41亿美元增长至25.62亿美元,6年CAGR为30%。

受益于新能源景气度持续提升,碳化硅衬底需求有望迎来拐点

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

►  新能源车+快充充电桩:为了延长电动车的续航里程,缩短充电时间,我们看到整个车内高压系统逐渐由400V到800V演进,充电桩端电压也逐渐升级。因此,我们认为,在技术层面上急需耐高压、低损耗的新型功率器件。相较硅基器件,碳化硅器件损耗低,可以提高整体功率电子的效率和降低体积,更满足800V高压下新能源车对电能转换效率的要求。近年来,新能源车厂商响应下游需求,纷纷推出应用碳化硅器件的新车型,为碳化硅带来增长机遇。2016年,比亚迪便在车载充电器和转换器上使用碳化硅;2018年,特斯拉在Model 3上率先使用意法半导体和英飞凌的碳化硅逆变器。我们根据各公司公开发布信息整理,未来几年,蔚来、小鹏、JLR和Lotus等国内外厂商的碳化硅新车型有望陆续出货。

►   光伏发电:光伏逆变器通过切换直流输入电流的极性来工作,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。根据中商情报网数据,光伏发电中,基于硅基器件的传统逆变器成本约占整体的10%,却产生了大量系统能量损耗。根据中国汽车工业信息网数据,搭载SiC MOSFET或相关功率模块的光伏逆变器,转换效率可由96%提高到超过99%,能量损耗将降低50%以上,设备使用寿命延长50倍,有利于缩小系统体积、提高功率密度和降低生产成本。由于功率转换效率与开关频率直接相关,碳化硅既可以处理比硅更高的电压,又可以确保转换效率所需的超高转换频率,更适用于光伏发电。根据我们整理,英飞凌在2012年便推出第一款CoolSiC系列器件,随后富士电机、三菱电机、西门子等厂商也纷纷推出各自的碳化硅功率器件/逆变器,提升能量转换能效(如图8)。2021年,世界三大再生能源研究机构之一的德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer ISE)研发出一款“高阻SiC逆变器”,为公用事业规模的光伏项目提供中压系统连接解决方案。

海外龙头企业技术快速迭代,全球产能处于扩张期

物理气相传输法为主流技术,海外企业基本已实现6英寸衬底及外延规模量产

衬底部分

碳化硅衬底经多道加工工序制成,技术壁垒较高。相比半导体级硅片,碳化硅衬底的制造工艺更为复杂,壁垒较高,需要长时间的技术积累。不同于硅及砷化镓的拉晶工艺,碳化硅衬底制备通常需要先将高纯硅粉与碳粉化合以制成高纯碳化硅微粉原料,然后在单晶炉中生长,成为晶锭,随后经过一系列切片、研磨、抛光等步骤制成衬底。

►  原料合成:按一定配比混合高纯硅粉与碳粉,在2000℃的高温环境下经化学反应合成碳化硅颗粒,通过后续破碎、清洗等工艺制成满足长晶要求的高纯碳化硅微粉原料。

►   晶体生长:将高纯碳化硅微粉原料导入晶体生长炉内,生长为碳化硅晶锭。

►   晶锭加工:将制得的碳化硅晶锭进行定向,之后磨平、滚磨,加工成标准直径尺寸的碳化硅晶体。

►   晶棒切割:使用切割设备将碳化硅晶体切割成厚度不超过1mm的薄片。

►  晶片研磨:通过配比好的研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。

►   晶片抛光:通过配比好的抛光液对研磨片进行机械抛光和化学抛光,用来消除表面划痕、 降低表面粗糙度及消除加工应力等。

►   晶片检测:检测碳化硅晶片的微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面划痕等各项参数指标,据此判定晶片的质量等级。

►   晶片清洗:通过特定配比的化学试剂及去离子水对清洗机内的抛光片进行清洗,去除抛光片表面的微尘颗粒、金属离子、有机沾污物等,再将晶片吹干、甩干、封装。

晶体生长是核心难点,物理气相传输为主流工艺。根据Cree和露笑科技公开信息整理,碳化硅熔点高,晶锭通常需要在高温(>2000℃)高压(>350MPa)的环境中生长;传统硅材生长速度是每小时300毫米,但碳化硅单晶每小时只能长400微米,两者相差了近800倍,产出非常受限;碳化硅存在200多种同质异构体,而生长通常在密闭的高温石墨坩埚中进行,无法即时观察晶体的生长状况,难以控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数,容易产生异质晶型,影响良率。因此,长晶是碳化硅衬底制备中的关键瓶颈。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:

►   物理气相传输:PVT法的原理是使原料处于高温区,籽晶处于相对低温区,进而处于温度较高处的原料发生分解,不经液相态直接产生气相物质,这些气相物质在轴向温度梯度的驱动下输运到籽晶处,在籽晶处形核、长大,结晶形成碳化硅单晶。PVT法面临的主要技术挑战有二,一是碳化硅晶体内杂质浓度的控制问题,包括对石墨材料进行再提纯处理、高纯碳化硅微粉原料的获取;二是坩埚内部温度分布不合理,可能引致微管和位错等缺陷问题。由于PVT法生长碳化硅晶体所用关键石墨部件可重复使用20次以上,较大程度上降低了碳化硅晶体生长成本,我们认为其是目前主流的SiC长晶方法。目前国外的Cree、II-VI、SiCrystal、Dow和国内的天岳先进、天科合达等公司均采用此方法。

►  高温化学气相淀积:原理是在1500-2500℃的高温下,导入高纯度的硅烷、乙烷、丙烷或氢气等气体,在生长腔内进行反应,先在高温区形成碳化硅前驱物,再经由气体带动进入低温区的籽晶端前沉积形成单晶。HTCVD法面临的主要技术挑战是沉积温度的控制。研究表面,过高的沉积温度会伴随过快的沉积速率,从而引致晶体结构松散,过低的沉积温度会伴随过慢的沉积速度,从而引致多孔结构。使用HTCVD法生长晶体纯度较高、可实现近匀速晶体生长,但气相物质可同坩埚反应造成气相成分波动,影响生长晶体的质量,且晶体生长成本较高,目前国外的Norstel和日本电装公司采用此方法。

►   液相外延:原理是使碳从坩埚下方的高温部溶解到石墨坩埚内的硅熔体中,使碳化硅籽晶与该碳硅熔体接触,在碳化硅籽晶上进行外延生长从而得到碳化硅单晶。LPE法面临的主要技术挑战是过渡金属的选择。碳在硅溶液里的溶解度过低,因此必须添加过渡金属元素于硅熔体中,提高碳的浓度,提升晶体生长速率。使用LPE法生长出晶体质量高、缺陷密度低,适应高品质碳化硅单晶制备需要,但其生长速度缓慢,生长长度也受限。目前国外的住友金属公司采用LPE方法。

海外企业技术参数领先,国内厂商逐步赶上。根据天岳先进招股说明书,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、弯曲度、翘曲度、表面粗糙度等,而这些参数需要长期的不断尝试以积累经验。综合对比科锐公司、贰陆公司、天科合达等企业公开披露的相同等级4英寸和6英寸产品技术参数,我们认为,经过数十年自主研发与追赶,目前国内外厂商提供的4英寸和6英寸碳化硅衬底产品在质量上正实现加速追赶。

►   直径:直径是横穿圆片表面,通过晶片中心点且不与参考面或圆周上其他基准区相交的直线长度,指标数值偏差范围越窄越优。

►   微管密度:微管是一种晶体内缺陷,指沿c轴方向延伸且径向尺寸在一至几十微米范围的中空管道。微管密度是衡量碳化硅晶片质量的主要技术参数之一,指标数值越小,衬底质量越好。

►   多型面积:多型是由同种化学成分所构成的晶体,指当晶体结构中的结构单位层相同,但结构单位层之间的堆垛顺序或重复方式不同时,形成的结构上不同的变体,指标数值越小,质量和性能越优。

►   电阻率:电阻率是材料中平行于电流的电场强度与电流密度之比,指标数值分布区间范围越窄,电阻率均匀性越高。

►   总厚度变化:总厚度变化是半导体衬底材料在厚度测量值中,最大厚度与最小厚度的差值,指标数值越小,表明衬底厚度越均匀。

►   弯曲度:弯曲度是自由无夹持晶片中位面的中心点与中位面基准平面间的偏离,指标数值越小,表示整体弯曲程度越小,对芯片制造工艺精度的不利影响也越小。

►   翘曲度:翘曲度指晶片中心面与基准平面之间的最大和最小距离的差值,指标数值越低,晶片平面越平整。

►   表面粗糙度:表面粗糙度指表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度,属于微观几何形状误差。指标数值越小,表面越光滑。

21世纪以来海外厂商技术持续进步,碳化硅衬底技术加速发展。1991年,Wolfspeed (Cree) 发布第一个商业化的碳化硅晶圆,开启了碳化硅衬底及器件市场的浪潮,并于1999年和2009年率先突破4英寸和6英寸衬底制备技术。进入21世纪,海内外龙头厂商纷纷布局,主要企业集中生产4英寸、6英寸SiC半绝缘及导电型衬底及器件,部分企业开始布局8英寸导电型衬底。随着碳化硅下游需求日渐升温,近年来,一些碳化硅衬底厂商开始直接面向掌握切片、研磨和抛光技术的企业出售碳化硅晶棒,例如GTAT与英飞凌于2020年签署了五年期的碳化硅晶棒供货协议。

海外龙头Wolfspeed加快专利研发,在碳化硅衬底及外延片制备领域保持领先地位。碳化硅衬底及外延片制备工艺难度大,掌握核心技术、通过客户验证的厂商能够充分受益于下游市场需求增长。Wolfspeed是碳化硅衬底及外延片制备领域的龙头厂商,目前合计拥有2939项专利,其中412项与碳化硅核心技术相关,构建了强大的技术壁垒。通过与英飞凌、安森美和意法半导体等下游半导体器件龙头厂商合作,Wolfspeed成为全球碳化硅材料供给的领跑者。根据Yole数据,1996-2018年,全球96.5%的碳化硅晶圆材料来自于Wolfspeed。

随着尺寸的增大,碳化硅单晶扩径技术的要求越来越高,其中关键的就是籽晶生长。籽晶是具有和所需晶体相同晶体结构的小晶体,是生长单晶的种子。由于碳化硅的硬脆性,在籽晶加工、与石墨托粘结和后续烧结过程中,籽晶表面都易引入深划伤,附着的粘接剂在烧结后也难以彻底去除,在后续晶体生长过程中会诱发位错缺陷产生;此外,由于籽晶面型与石墨托不完全匹配,粘接剂会将籽晶强制粘结到石墨托上而造成籽晶形变,这种形变产生的应力会在后续晶体生长中加剧位错形成。因此,从4英寸到6英寸衬底的跨越过程中,第一个高质量6英寸籽晶的长成需要花费大量时间,籽晶是碳化硅衬底厂商的核心资产。衬底尺寸越大,单位衬底可制造的芯片数量越多,边缘浪费越小,单位芯片成本越低。根据Wolfspeed数据,对于同一规格的芯片,随着晶圆尺寸由6英寸进入8英寸,单位衬底可制造的芯片总数提升了近一倍,边缘芯片数量的占比则缩小了50%,晶圆利用率大幅增加。受益于晶圆尺寸扩张,芯片产出扩大会带来规模效益,同时随着自动化产线建设推进,人工成本将减少、生产效率将提升。因此,相较于6英寸衬底,使用8英寸衬底生产单位芯片所需成本更低,我们认为从6英寸衬底过渡到8英寸或更大尺寸有望是碳化硅产业链发展的趋势。

海外厂商垄断碳化硅衬底市场,受益于电子电力需求爆发,国产替代空间广阔。受限于产能及价格,根据Yole及Wolfspeed数据,2018-2020年,全球碳化硅衬底市场规模从1.79亿美元增长至2.8亿美元,前五大厂商均为海外企业,合计市占率近98%。其中,Wolfspeed市占率最高,近3年均维持在60%左右,其次是II-VI和Rohm,2020年市占率分别为14%和13%。未来几年,我们认为随着国内外新能源车和光伏发电等下游需求不断增长,对功率器件和衬底材料的功率及频率适用性要求也不断提高,碳化硅衬底的市场规模有望快速增长,带来广阔的国产替代空间。Wolfspeed预测,2026年SiC衬底市场规模有望达到17亿美元,2022-2026年复合增速达到25%。

外延部分

与传统硅基器件不同,碳化硅器件不能直接制作在碳化硅单晶材料上,需要对碳化硅衬底进行外延。外延是指在碳化硅衬底的基础上,经过外延工艺生长出特定单晶薄膜,衬底晶圆和外延薄膜合称外延片,碳化硅器件只能在碳化硅外延片的基础上进行制作,因此对外延层质量要求非常高。随着耐压能力的增加,外延厚度随之增加,高质量外延片的制备难度也随之增加。电压在600V左右时,所需要的外延层厚度约6微米;电压在1200-1700V之间时,所需要的外延层厚度达到10-15微米;若电压达到一万伏以上时,需要100微米以上的外延层厚度。目前,在低、中压领域,碳化硅外延技术相对成熟;但在高压领域,我们认为SiC材料需要攻克的难关还很多,主要参数指标包括厚度、掺杂浓度的均匀性、三角缺陷等。

衬底和外延是碳化硅器件生产过程中附加值最高的两大工序。根据CASA Research数据,碳化硅器件的成本构成中,衬底占比47%,外延占比23%,二者合计约70%,是碳化硅器件制造产业链的重要组成部分。我们认为,随着衬底及外延技术不断成熟,未来碳化硅器件前端工艺的价值量占比有望提升,但由于其材料生长工艺壁垒高,所包含必要劳动时间长,长期来看衬底及外延层的价值量有望明显高于硅材料(12英寸硅晶圆衬底+外延的价值量占比约为11%)。

目前,碳化硅外延设备市场呈寡头竞争状态,主要供应商包括德国的Aixtron、意大利的LPE、日本的TEL和Nuflare,国外的Dow Corning、Wolfspeed、ETC以及国内的瀚天天成、天域半导体和中国电科等碳化硅外延片制造商使用的设备均来源于这四家公司。