第三代半导体SIC行业投资机会分析:10年20倍成长
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发布时间：2022-08-17 10:33
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时间：2023-10-11 17:16
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1.1 第三代半导体 SIC 材料的性能优势
SIC 材料具有明显的性能优势。SiC 和 GaN 是第三代半导体材料，与第一 二代半导体材料相比，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率等 性能优势，所以又叫宽禁带半导体材料，特别适用于 5G 射频器件和高电压功率 器件。
1.2 SIC 器件的性能优势
SIC 的功率器件如 SIC MOS，相比于 Si 基的 IGBT，其导通电阻可以做的更 低，体现在产品上面，就是尺寸降低，从而缩小体积，并且开关速度快，功耗相 比于传统功率器件要大大降低。
在电动车领域，电池重量大且价值量高，如果在 SIC 器件的使用中可以降低 功耗，减小体积，那么在电池的安排上就更游刃有余；同时在高压直流充电桩中 应用 SIC 会使得充电时间大大缩短，带来的巨大 社会 效益。
根据 Cree 提供的测算: 将纯电动车 BEV 逆变器中的功率组件改成 SIC 时, 大 概可以减少整车功耗 5%-10%；这样可以提升续航能力，或者减少动力电池成本。
1.3.制约产业发展的主要瓶颈在于成本和可靠性验证
行业发展的瓶颈目前在于 SIC 衬底成本高：目前 SIC 的成本是 Si 的 4-5 倍， 预计未来 3-5 年价格会逐渐降为 Si 的 2 倍左右，SIC 行业的增速取决于 SIC 产业 链成熟的速度，目前成本较高，且 SIC 器件产品参数和质量还未经足够验证；
SIC MOS 的产品稳定性需要时间验证：根据英飞凌 2020 年功率半导体应用 大会上专家披露，目前 SiC MOSFET 真正落地的时间还非常短，在车载领域才刚 开始商用（Model 3 中率先使用了 SIC MOS 的功率模块），一些诸如短路耐受时 间等技术指标没有提供足够多的验证，SIC MOS 在车载和工控等领域验证自己的 稳定性和寿命等指标需要较长时间。
1.4 SIC 产业链三大环节
SIC 产业链分为三大环节：上游的 SIC 晶片和外延→中间的功率器件的制造 （包含经典的 IC 设计→制造→封装三个小环节）→下游工控、新能源车、光伏风 电等应用。目前上游的晶片基本被美国 CREE 和 II-VI 等美国厂商垄断；国内方 面，SiC 晶片商山东天岳和天科合达已经能供应 2 英寸~6 英寸的单晶衬底，且营 收都达到了一定的规模（今年均会超过 2 亿元 RMB）；SiC 外延片：厦门瀚天天 成与东莞天域可生产 2 英寸~6 英寸 SiC 外延片。
2.1 应用：新能源车充电桩和光伏等将率先采用
SiC 具有前述所说的各种优势，是高压/高功率/高频的功率器件相对理想的 材料, 所以 SiC 功率器件在新能源车、充电桩、新能源发电的光伏风电等这些对 效率、节能和损耗等指标比较看重的领域，具有明显的发展前景。
高频低压用 Si-IGBT,高频高压用 SiC MOS,电压功率不大但是高频则用 GaN。当低频、高压的情况下用 Si 的 IGBT 是最好，如果稍稍高频但是电压不 是很高，功率不是很高的情况下，用 Si 的 MOSFET 是最好。如果既是高频又是 高压的情况下，用 SiC 的 MOSFET 最好。电压不需要很大，功率不需要很大， 但是频率需要很高，这种情况下用 GaN 效果最佳。
以新能源车中应用 SIC MOS 为例，根据 Cree 提供的测算: 将纯电动车 BEV 逆变器中的功率组件改成 SIC 时, 大概可以减少整车功耗 5%-10%；这样可以提升 续航能力，或者减少动力电池成本。
同时 SIC MOS 在快充充电桩等领域也将大有可为。快速充电桩是将外部交 流电,透过 IGBT 或者 SIC MOS 转变为直流电, 然后直接对新能源 汽车 电池进行 充电，对于损耗和其自身占用体积问题也很敏感，因此不考虑成本，SIC MOS 比 IGBT 更有前景和需求，由于目前 SIC 的成本目前是 Si 的 4-5 倍，因此会在 高功率规格的快速充电桩首先导入。在光伏领域，高效、高功率密度、高可靠 和低成本是光伏逆变器未来的发展趋势，因此基于性能更优异的 SIC 材料的光 伏逆变器也将是未来重要的应用趋势。
SIC 肖特基二极管的应用比传统的肖特基二极管同样有优势。碳化硅肖特基 二极管相比于传统的硅快恢复二极管（SiFRD），具有理想的反向恢复特性。在 器件从正向导通向反向阻断转换时，几乎没有反向恢复电流，反向恢复时间小 于 20ns，因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高的频率，在相同频率下具有 更高的效率。另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数，随 着温度的上升电阻也逐渐上升，这使得 SIC 肖特基二极管非常适合并联实用， 增加了系统的安全性和可靠性。
2.2 空间&增速：SIC 器件未来 5-10 年复合 40%增长
IHS 预计未来 5-10 年 SIC 器件复合增速 40%：根据 IHSMarkit 数据，2018 年碳化硅功率器件市场规模约 3.9 亿美元，受新能源 汽车 庞大需求的驱动，以及光伏风电和充电桩等领域对于效率和功耗要求提升，预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过 100 亿美元，18-27 年 9 年的复合增速接近 40%。
SIC MOS 器件的渗透率取决于其成本下降和产业链成熟的速度，根据英飞凌和国内相关公司调研和产业里的专家的判断来看，SIC MOS 渗透 IGBT 的拐点可能在 2024 年附近。预计 2025 年全球渗透率 25%，则全球有 30 亿美金 SIC MOS 器件市场，中国按照 20%渗透率 2025 年则有 12 亿美金的 SIC MOS 空间。即不考虑SIC SBD 和其他 SIC 功率器件，仅测算替代 IGBT 那部分的 SIC MOS 市场预计2025 年全球 30 亿美金，相对 2019 年不到 4 亿美金有超过 7 倍成长，且 2025-2030 年增速延续。
2.3 格局：SIC 器件的竞争格局
目前，碳化硅器件市场还是以国外的传统功率龙头公司为主，2017 年全球市场份额占比前三的是科锐，罗姆和意法半导体，其中 CREE 从 SIC 上游材料切入到了 SIC 器件，相当于其拥有了从上游 SIC 片到下游 SIC 器件的产业链一体化能力。
国内的企业均处于初创期或者刚刚介入 SIC 领域，包括传统的功率器件厂商华润微、捷捷微电、扬杰 科技 ，从传统的硅基 MOSFET、晶闸管、二极管等切入 SIC 领域，IGBT 厂商斯达半导、比亚迪半导体等，但国内当前的 SIC 器件营收规模都比较小（扬杰 科技 最新披露 SIC 营收 2020 年上半年 19.28 万元左右）；
未上市公司和单位中做的较好的有前面产业链总结中提到的一些，包括：
泰科天润：可以量产 SiC SBD，产品涵盖 600V/5A～50A、1200V/5A～50A 和1700V/10A 系列；并且早在 2015 年，泰科天润就宣布推出了一款高功率碳化硅肖特基二极管产品，是从事 SIC 器件的较纯正的公司；
中电科 55 所：国内从 4-6 寸碳化硅外延生长、芯片设计与制造、模块封装实现全产业链的单位；
深圳基本半导体：成立于 2016 年，由清华大学、浙江大学、剑桥大学等国内外知名高校博士团队创立，专注于 SIC 功率器件，也是深圳第三代半导体研究院发起单位之一，目前已经开始推出其 1200V 的 SiC MOSFET 产品。
3.1 天科合达
天科合达是国内第三代半导体材料 SIC 晶片的领军企业：公司成立于 2006 年 9 月 12 日，2017 年 4 月至 2019 年 8 月在全国股转系统挂牌转让，2020 年 7 月拟在科创板市场上市。
公司成长速度极快，2017-2019 年公司收入由 0.24 亿增长至 1.55 亿元，两年 复合增长率 154%。
营收构成：SIC 晶片占比约为一半
公司营收由三部分构成：碳化硅晶片占比 48.12%，宝石等其他碳化硅产品 占比 36.65%，碳化硅单晶生长炉占比 15.23%。
设备自制：从设备到 SIC 片一体化布局
公司以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料，采用物理气相传输法（PVT）生长 碳化硅晶体，加工制成碳化硅晶片；其中的碳化硅晶体的生长设备-碳化硅单晶 生长炉公司也能完成自制并对外销售。
行业格局与公司地位
公司地位：2018 年，以导电型的 SIC 来看，天科合达以 1.7%的市场占有率 排名全球第六，排名国内导电型碳化硅晶片第一。
3.2 山东天岳
1、半绝缘 SIC 片的领军企业：公司成立于 2010 年，专注于碳化硅晶体衬底 材料的生产；公司产品主要在半绝缘型的 SIC 片。公司投资建成了第三代半导 体材料产业化基地，具备研发、生产国际先进水平的半导体衬底材料的软硬件 条件，是我国第三代半导体衬底材料行业的先进企业。
2、成长能力：据了解，公司收入从 2018 年收入 1.1 亿左右增加至 2019 年超 过 2.5 亿总收入（其中也有约一半是 SIC 衍生产品宝石等），同比增长 100%以 上。公司的 SIC 片主要集中在半绝缘型，而天科合达主要集中在导电型。
3、华为入股：华为旗下的哈勃 科技 投资持股山东天岳 8.17%。
4、生产能力（公司采用的是长晶炉的数量进行表征）：山东天岳的产能主 要由长晶炉的数量决定，2019 年产线上长晶炉接近 250 台，销售衬底约 2.5 万 片，预计年底前再购置一批长晶炉，目标增加至 550 台以上；
5、销售价格：2018 、2019 年公司衬底平均销售价格大数大约在 6300 元/ 片、8900 元/片，预计今年的平均价格将会突破 9000 元，价格变动的主要原因 是 2,3 寸小尺寸衬底、N 型等相对低价的衬底销售占比逐步降低，高值的 4 寸 高纯半绝缘产品占比逐步提升导致单位售价提高。
6、技术实力：山东天岳的碳化硅技术起源于山东大学晶体国家重点实验 室，公司于 2011 年购买了该实验室蒋明华院士专利，并投入了大量研发，历经 多年工艺积累，将碳化硅衬底从实验室的技术发展成为了产业化技术；山东天 岳除 30 人的研发团队外，还在海外设有 6 个联合研发中心；公司拥有专利近300 项，其中先进发明专利约 50 多项，先进实用性专利约 220 项，申请中的 发明专利约 50 多项。
3.3 斯达半导
1、斯达半导97.5%的收入均是 IGBT，是功率半导体已上市公司中最纯正的 IGBT 标的，2019 收入 7.8 亿（yoy+15.4%），归母净利润 1.35（yoy+39.8%）， IGBT 模块全球市占率 2%，排名全球第八；
2、斯达半导在积极进行第三代半导体 SIC 的布局。公司 SiC 相关的产品 和技术储备在紧锣密鼓的进行：
3、公司在未来重点攻关技术研发与开发计划：
主要提到三项重要产品开发：1、全系列 FS-Trench 型 IGBT 芯片的研 发；2、新一代 IGBT 芯片的研发；3、SiC、GaN 等前沿功率半导体产品的研 发、设计及规模化生产：公司将坚持 科技 创新，不断完善功率半导体产业布 局，在大力推广常规 IGBT 模块的同时，依靠自身的专业技术，积极布局宽禁 带半导体模块（SiC 模块、 GaN 模块），不断丰富自身产品种类，加强自身竞 争力，进一步巩固自身行业地位。
4、公司和宇通客车等客户合作研发 SIC 车用模块
2020 年 6 月 5 日，客车行业规模领先的宇通客车宣布，其新能源技术团队 正在采用斯达半导体和 CREE 合作开发的 1200V SiC 功率模块，开发业界领先 的高效率电机控制系统，各方共同推进 SiC 逆变器在新能源大巴领域的商业化应 用。
宇通方面表示，“斯达和 CREE 在 SiC 方面的努力和创新，与宇通电机控 制器高端化的产品发展路线不谋而合，同时也践行了宇通“为美好出行”的发 展理念，相信三方在 SiC 方面的合作一定会硕果累累。”
我们在之前发布的斯达半导深度报告中测算斯达在不同 SIC 渗透率和不同 SIC 市占率情境下 2025 年收入弹性，中性预计 2025 年斯达在国内的 SIC 器件市 占率为 6-8%。预计 2023-2024 年国内 SIC 产业链如山东天岳、三安光电等更加成 熟后，SIC 将迎来替代 IGBT 拐点，但是 IGBT 和 SIC MOS 等也将长期共存，相 信国内的技术领先优质的 IGBT 龙头斯达半导能够不断储备相关技术和产品，积极拥抱迎接这一行业创新。
3.4 三安光电
1、公司主要从事化合物半导体材料的研发与应用，以砷化镓、氮化镓、碳 化硅、磷化铟、氮化铝、蓝宝石等半导体新材料所涉及的外延片、芯片为核心 主业，产品主要应用于照明、显示、背光、农业、医疗、微波射频、激光通 讯、功率器件、光通讯、感应传感等领域；
2、公司主业 LED 芯片，占公司营收的 80%以上，LED 是基于化合物半导 体的光电器件，在衬底、外延和器件环节具有技术互通性；
3、公司专注于化合物半导体的子公司三安集成，2019 年业务与同期相比呈 现积极变化：
1）射频业务产品应用于 2G-5G 手机射频功放 WiFi、物联网、路由器、通 信基站射频信号功放、卫星通讯等市场应用，砷化镓射频出货客户累计超过 90 家，客户地区涵盖国内外；氮化镓射频产品重要客户已实现批量。生产，产能 正逐步爬坡；
2）2020 年 6 月 18 日公司公告，三安光电决定在长沙高新技术产业开发区 管理委员会园区成立子公司投资建设包括但不限于碳化硅等化合物第三代半导 体的研发及产业化项目，包括长晶—衬底制作—外延生长—芯片制备—封装产 业链，投资总额 160 亿元，公司在用地各项手续和相关条件齐备后 24 个月内完成一期项目建设并实现投产，48 个月内完成二期项目建设和固定资产投资并实现投产，72 个月内实现达产；
3） 三安集成推出的高功率密度碳化硅功率二极管及 MOSFET 及硅基氮化镓功率器件主要应用于新能源 汽车 、充电桩、光伏逆变器等电源市场，客户累计超过 60 家， 27 种产品已进入批量量产阶段。
4） 三安集成 19 年实现销售收入 2.41 亿元，同比增长 40.67%； 三安集成产品的认可度和行业趋势已现，可以预见未来在第三代材料 SiC/GaN 的功率半导体中发展空间非常广阔。
3.5 华润微
1、公司是中国领先的拥有芯片设计、晶圆制造、封装测试等全产业链一体化经营能力的半导体企业，产品聚焦于功率半导体、智能传感器与智能控制领域；
2、产品与制造并行：公司 2019 年收入 57 亿元，其中产品与方案占比43.8%，制造与服务占比 55%，制造与服务业务主要是晶圆制造和封测业务；产品与方案主体主要是功率半导体，占比 90%，包括 MOSFET、IGBT、SBD 和FRD 等产品；
3、公司目前拥有 6 英寸晶圆制造产能约为 247 万片/年，8 英寸晶圆制造产能约为 133 万片/年，具备为客户提供全方位的规模化制造服务能力；
4、SIC 领域积极布局：在 2020 年 7 月 4 日，公司进行了 SIC 产品的发布会，发布了全系列的 1200V/650V 的 SIC 二极管产品，公司有望通过 IDM 模式在 SIC 材料的各个功率半导体产品领域深耕并持续受益于产品升级和国产替代。
3.6 捷捷微电
1、公司是国内晶闸管龙头，持续布局 MOSFET 和 IGBT 等高端功率半导体器件。按照公司年报口径，2019 年功率分立器件收入占比 75%，功率半导体芯片收入占比 23%；公司的功率分立器件，50%左右业务是晶闸管（用于电能变换与控制），还有部分二极管业务，其余是防护器件系列（主要作用是防浪涌冲击、防静电的电子产品内部，保护内部昂贵的电子电路）；
2、公司于 2020 年 2 月 27 日与中芯集成电路制造(绍兴)有限公司（简称“SMEC”）签订了《功率器件战略合作协议》，在 MOSFET、IGBT 等相关高端功率器件的研发和生产领域展开深度合作；公告披露，捷捷微电方保证把SMEC 作为战略合作伙伴，最大化的填充 SMEC 产能，2020 年度总投片不低于80000 片，月度投片不低于 7000 片/月。
3、公*期深耕晶闸管和二极管等分立器件，这些客户和 MOSFET 和IGBT 等相关高端功率器件有重叠，公司从晶闸管领域切入到 MOS 后，在这两个产品大类上也将积极应用第三代半导体 SIC，为后续提升自身器件性能和产品竞争力做好准备。
3.7 扬杰 科技
1、公司是产品线较广的功率分立器件公司。公司产品主要包括功率二极管、整流桥、大功率模块、小信号二三极管，MOSFET，也有极少部分的 IGBT 产品。按照公司年报口径，2019 年功率分立器件收入占比 80%，功率半导体芯片收入占比 13.8%，半导体硅片业务占比 4.55%。
2、公司第三代半导体 SIC 器件目前收入较少。公司积极布局高端功率半导体，筹备建立无锡研发中心，和中芯国际（绍兴）签订保障供货协议，持续扩充 8 寸 MOS 产品专项设计研发团队，已形成批量销售的 Trench MOSFET 和SGT MOS 系列产品。
3、SIC 产品目前占比小：公司 2020 年 9 月公告，目前主营产品仍以硅基功率半导体产品为主，第三代半导体产品的销售收入占比较小，2020 年 1-6 月，公司碳化硅产品的销售收入为 19.28 万元。
4、我们认为同捷捷微电一样，公司是中低端功率器件利基市场龙头，虽然目前 SIC 产品的占比较小，主要是由于国内产业链成熟度的拐点刚刚到来；未来公司将积极布局各种基于 SIC 材料的功率器件，从而提高其产品性能并实现市场占有率持续稳步提升，打开业务天花板和想象空间。
3.8 露笑 科技
1、传统主业是电磁线产品：公司是专业的节能电机、电磁线、涡轮增压器、蓝宝长晶片研发、生产、销售于一体的企业，公司主要产品有各类铜、铝芯电磁线、超微细电磁线、小家电节能电机、无刷电机、数控电机、涡轮增压器和蓝宝石长晶设备等产品。公司是国内主要电磁线产品供应商之一，也是国内最大的铝芯电磁线和超微细电磁线产品生产基地之一。
2、SIC 长晶设备已经开始对外供货：露笑 科技 基于蓝宝石技术储备，经过多年研发已快速突破碳化硅工艺壁垒，在蓝宝石基础上布局碳化硅长晶炉和晶片生产。碳化硅跟蓝宝石从设备、工艺到衬底加工有较强的共同性和技术基础，例如精确的温场控制、精确的压力控制、精确的籽晶晶向生长以及基片加工等壁垒。公司在多年蓝宝石生产技术支持下成功研发出碳化硅自主可控长晶设备，并在 2019 年开始对外供货 SIC 长晶设备。
4、公司布局 SIC 的人才优势：公司引进具有二十多年碳化硅行业从业经验的技术团队，开展碳化硅衬底及外延技术研究，加码布局碳化硅产业。2020 年 4月，公司发布非公开募集资金公告，拟募集资金总额不超过 10 亿元，用于新建碳化硅衬底片产业化项目、碳化硅研发中心项目和偿还银行贷款。随着公司碳化硅产品研发并量产，公司有望取得一定的市场份额。
5、与合肥合作打造第三代半导体 SIC 产业园：2020 年 8 月 8 日与合肥*丰县*在合肥市*签署《合肥*丰县与露笑 科技 股份有限公司共同投资建设第三代功率半导体（碳化硅）产业园的战略合作框架协议》。包括但不限于碳化硅等第三代半导体的研发及产业化项目，包括碳化硅晶体生长、衬底制作、外延生长等的研发生产，项目投资总规模预计 100 亿元。
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（报告观点属于原作者，仅供参考。作者：华安证券，尹沿技）
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