海豚投研
2022.03.07 19:10

新能源飞奔背后,“碳化硅” 赛道争夺战谁是下一个王者?

“碳化硅” 一词最开始在生活中出现,可能是特斯拉宣布在 Model3 车型中使用碳化硅(SiC)的功率器件。随着近两年新能源汽车、光伏等行业迎来爆发性的表现,“碳化硅” 赛道也引来资本市场的关注。在不到 2 年的时间里,$Wolfspeed.US 的股价实现了从 27 美元到 142 美元的 5 倍跨越。

资料来源:长桥 APP

原本的电子器件,主要以硅原料来做,比如我们通常说的 “芯片”、“半导体”、“电子零部件” 等。然而随着新能源汽车、光伏等的发展,对于电力转换效率提出了更高的要求。相比于硅材料而言,碳化硅材料具有耐高温、耐高压、耐高频等特性。不仅能适用在新能源汽车等领域中,还能实现节能增效的表现。因此,随着新能源汽车等领域的高速发展,势必会提升对碳化硅(SiC)的需求。

在特斯拉 Model 3 中能直接看到的是最终的产品碳化硅(SiC)器件,而其具体生产还要经历衬底、外延等生产环节,其中最为核心也是价值量最高的环节就是衬底衬底是在碳化硅器件的成本中占比接近 50%,并且衬底的好坏也直接影响外延环节和最终产品的性能。海豚君认为对碳化硅产业链的研究,最核心的部分是衬底。

对于投资,终究要落脚到公司。从衬底市场看,国内也有一部分厂商在生产布局,但和海外厂商仍有明显差距,在 5 年以上。在衬底市场中,Cree(现 Wolfspeed)仍是最有影响力和技术最领先的公司,公司已经与$意法半导体.US $英飞凌.DE $ABB.US 等公司签下了超 10 亿美元的长期订单。在选择投资 SiC 时,Cree(现 Wolfspeed)将是赛道中最为确定的公司

但同时也应该关注到,SiC 赛道仍是处于行业发展期的成长赛道。即使像 Wolfspeed 这样地位的公司,也仍未实现完全盈利。在市场放水的情况下,未来的高成长预期有望带来享受高估值的机会。而在市场收水的预期中,估值仍可能受到下杀的风险。从赛道中优选公司角度,Wolfspeed 是其中最为确定的公司

资料来源:长桥海豚投研整理

在本篇文章中,长桥海豚君主要来解决以下问题:

1、什么是碳化硅(SiC)?为什么新能源汽车、光伏中要用碳化硅(SiC)?

2、是什么构成了碳化硅的核心价值?制备碳化硅的难点在哪?投资碳化硅应该关注什么环节?

3、碳化硅行业中,国内外进展如何?落脚到投资,如何优选碳化硅行业的优质公司?

一、什么是碳化硅(SiC)?

随着特斯拉的车辆中开始使用碳化硅(SiC)器件,碳化硅这个原本比较 “陌生” 的词语也经常能在耳边听到。那么具体什么是碳化硅呢?

碳化硅(SiC),顾名思义,是由碳元素和硅元素组成的一种半导体材料。通常,市场上大多见到的半导体芯片等基本都以硅为主要原材料。而碳化硅(SiC)能用来做半导体材料,主要是其具有耐高温、耐高频、耐高压的特性。

资料来源:长桥海豚投研整理

碳化硅(SiC)其实也不是一种新材料,在 100 多年前就已经出现。那为什么是在发展新能源的当下,成为市场关注点的呢?

在过往以集成电路为主的电子产品中,基本不需要面对高温、高压、高频的场景,硅(Si)材料基本能应对。而随着近年新能源等产业的发展,新能源汽车、光伏及轨道交通等场景中经常要应对较为复杂的场景。

特斯拉率先使用 SiC 逆变器,直接打开了碳化硅(SiC)在新能源汽车的预期空间。将硅(Si)基组件替换成碳化硅(SiC)能明显地提升车辆的续航能力。根据 Wolfspeed 数据,在逆变器中使用 SiC 器件后,能减小整体的体积、重量和成本,在车辆续航上也有 5-10% 的提升

在特斯拉 Model 3 搭载 SiC 逆变器后,其余各大车厂也纷纷跟进对碳化硅(SiC)领域进行布局。据 Yole 预测,在全球电力电子领域中碳化硅(SiC)的市场空间有望从 2019 年的 5.42 亿美元,成长至 2025 年的 25.62 亿美元。在此期间高达 30% 的年均复合增长率,也赋予了碳化硅(SiC)赛道的高成长的预期。

资料来源:Yole、长桥海豚投研整理

二、碳化硅(SiC)行业的最核心环节在哪?

从产业链角度看,碳化硅(SiC)类器件的制造,主要包含 “衬底 - 外延 - 器件制造” 三个步骤。

而在各环节的价值量比较中,SiC 产业呈现明显 “头重脚轻” 的特征,其中衬底和外延有将近 70% 的价值量占比。与硅基器件相比,SiC 类器件的上游材料制造环节具有较高的技术壁垒,这也使得上游材料更大的影响了最终产品的成本项。由此可以看出,衬底及外延环节的降本将是 SiC 产业的主要发展方向。

资料来源:长桥海豚投研整理

1)SiC 衬底:衬底是碳化硅产业中最重要的环节,价值量占比接近 50%。没有 SiC 衬底,就造不出 SiC 器件,所以衬底是最基本的材料基础。

SiC 衬底是将原材料高纯硅粉/碳粉,通过原料合成、晶体生长、晶锭切割、晶圆切割、研磨抛光等环节进行制备。在衬底生产中,最主要的难点在于超高温环境、长晶时间久、加工工艺高。

资料来源:天岳先进、长桥海豚投研

由于衬底是 SiC 器件最大的成本项来源,衬底端价格的下降也是整个行业最主要的关注点。参考产业链信息,目前国内 SiC 衬底主流规格分别为 4 英寸和 6 英寸,衬底价格呈现每年下降 10% 左右的幅度。相对来看,4 英寸衬底的良率达到 70% 以上,而 6 英寸衬底良率还不到 50%。随着产品良率的逐年提升,SiC 衬底的价格有望进一步下探。

而对于未来 SiC 衬底价格能否下降的主要因素在于:①工艺和设备的改进,提升长晶效率;②减少损耗,提升产品良率;③从衬底到最终产品的转换率提升;④增加尺寸提升晶圆利用率

2)SiC 外延:外延环节,在 SiC 制备过程中的价值量占比接近 1/4,是从材料到 SiC 器件制备过程中不可缺少的环节。

外延层的制备,主要是在 SiC 衬底基础上生长出一层单晶薄膜,再用以制造出所需的电力电子器件。目前外延层的制造,最主流方法是化学气相沉积法(CVD 法),利用气态的先驱反应物,通过原子、分子间化学反应的途径生成固态薄膜的技术。

资料来源:长桥海豚投研整理

那为什么器件不直接在 SiC 衬底上做,而要在外延层上做呢?

因为晶体在生长过程中,衬底表面不可避免会有缺陷。如果直接在衬底上做器件,会影响整个衬底的质量,从而对器件的性能有影响。而外延层的设计,使得整个表面更加平整,减少了缺陷,更保障器件的性能。

在碳化硅衬底基础上,对于外延层的选择上,有氮化镓外延也有碳化硅外延,主要取决于最终器件的应用领域。①碳化硅外延,主要用于生产 SBD、IGBT、MOSFET 等高压功率半导体领域;②氮化镓外延,主要用于微波射频领域、光电领域,也有一部分用于中低压功率半导体。

资料来源:天岳先进、长桥海豚投研

外延层制备,能有效提升器件的性能,需要较厚的外延层、整齐的表面和较低的杂质度。而能否做出较好品质的外延层,需要成熟的设备和优质的衬底。这是由于在外延层制备中,衬底的缺陷有可能被复制在表面沉积的外延层,所以衬底的好坏直接也影响外延层的质量

综合整个 SiC 产业链看,衬底将是碳化硅的最核心环节。衬底本身就占到整体产业价值链的 1/2,它还直接影响外延层的质量,实际影响程度将达到 70% 以上。因此海豚君认为,对 SiC 的研究最主要的是围绕衬底环节的研究。

三、核心衬底环节的利益,被哪些公司占据?

衬底,是 SiC 产业链中最核心的环节。而对于投资,还要落脚到公司,那么衬底环节具体是被哪些公司占据主要的市场呢?

出于 SiC 下游应用场景的需求不同,衬底也分为半绝缘型衬底和导电型衬底两部分,两部分市场格局有不同的表现。

1)半绝缘型衬底市场:半绝缘型衬底主要用于微波射频、光电和中低压功率半导体等领域,主要是通过覆盖氮化镓外延涂层,再进行器件制造。在半绝缘型 SiC 衬底市场,主要由 3 个厂商构成了 9 成多的市场份额。但主要市场上仍以美国公司为主,Cree(现 Wolfspeed)和 II-VI 两家美国公司占据了 70% 以上的市场。

资料来源:Yole、长桥海豚投研

从市占率角度看,山东天岳作为一家中国公司,挤进了全球前三,很不容易。但这也并不表明,国内在半绝缘型衬底方面已经追上了美国。从技术追赶时间上看,国内企业和美国企业的差距从过去的 10 多年缩短至 10 年以内。同时也要正视差距,Cree(现 Wolfspeed)和 II-VI 分别于 2015 年和 2019 年实现了 8 寸片量产,而山东天岳目前仍不具备量产能力。

资料来源:长桥海豚投研整理

在半绝缘型衬底方面,虽然山东天岳在全球拥有 30% 的市占率,但主要仍是以 4 英寸和 6 英寸产能为主。而美国 Cree(现 Wolfspeed)和$美国贰陆.US 基本将 4 寸产能完成淘汰,实现了 6 寸产能的转化海豚君从两家公司的 8 寸片量产时间推测,$天岳先进.SH 的 8 寸量产可能要在 2023 年以后。市场占有率反应当前的销售情况,并不能全面反映出技术和能力的差距

2)导电型衬底市场:导电型衬底由于可以应用于高压环境下,所以常被用来制造 IGBT、MOSFET 等高压功率半导体,主要下游应用就是当下大力发展的新能源汽车、光伏等领域。出于对能量转换效率和续航里程的追求,导电型 SiC 衬底将是碳化硅产业的重中之重

在导电型衬底市场中,是美国 Cree(现 Wolfspeed)一家独大的市场格局,市场占有率达到 60% 以上。由于具有绝对领先的市场份额,Cree(现 Wolfspeed)在市场上有明显的定价话语权。市场上前三大厂商也都为国外厂商,三家合计占有 90% 以上的市场。

资料来源:Yole、长桥海豚投研

在导电型 SiC 衬底市场,国内厂商与国外的差距更加明显。国内厂商目前仍主要以 4 寸衬底生产为主,其中天科合达和山东天岳的市占率仅有 1.7% 和 0.5%。海外厂商已经在向 8 寸发力,而国内厂商还在努力将产能从 4 寸片转向 6 寸片。

综合国内外 SiC 产业公司的发展看,国内公司与海外差距仍有 5 年以上。Cree(现 Wolfspeed)目前牢牢占据整个行业领头羊的位置,在技术和地位上都遥遥领先。在新能源发展的当下,Cree(现 Wolfspeed)是当前赛道中最核心的公司,公司已经与意法半导体、英飞凌、ABB 等公司签下了超 10 亿美元的长期订单在选择投资 SiC 时,Cree(现 Wolfspeed)将是赛道中最为确定的公司。

从碳化硅的整个行业看,Wolfspeed 是可以关注的优质资产。但市场收水预期的当下,仍应关注整体市场的系统风险。海豚君会继续关注碳化硅行业发展和 wolfspeed,并在适当时候进行深度覆盖。

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