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。
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。
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%。
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。
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。
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。
精选报告来源：【未来智库】
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