特斯拉帶火的碳化硅產(chǎn)業(yè)，未來有星辰大海嗎？｜九鼎投資觀察

作者|九鼎投資 來源|九鼎投資(ID：JD_Capital)

在新的宏觀背景下，PE機構如何找到適合自己的“風口”？什么樣的投資邏輯能真正穿越周期？

始終堅持行研驅動，是九鼎投資的重要策略之一。在「九鼎投資觀察」欄目中，我們會不定期分享在各產(chǎn)業(yè)細分領域的深度研究和思考，以把握企業(yè)的成長性和確定性投資機會。

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碳化硅又一次成為了社交話題的焦點。

當?shù)貢r間3月1日，特斯拉在其首次投資者日活動上表示，為進一步降低車輛成本，計劃在下一代電動汽車動力系統(tǒng)中減少碳化硅（SiC）晶體管75%的使用量。

受此影響，歐美市場及中國A股市場相關芯片制造商的股價曾紛紛下跌。

碳化硅作為第三代半導體材料，適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，一度被視為新能源汽車領域的理想材料。特斯拉，曾打響碳化硅上車的第一槍。

2011年，科銳（Cree，已更名為Wolfspeed）公司推出全球首款碳化硅功率半導體——SiC MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）。5年后，特斯拉發(fā)布第四款車型Model 3, 該車型的主逆變器安裝了24個意法半導體（ST）公司生產(chǎn)的SiC MOSFET功率模塊。

此后，SiC不僅成為半導體廠商激烈涌進的熱門賽道，也在全球新能源車市場加速上車。

在九鼎投資看來，特斯拉此次宣稱將減少碳化硅的用量，對碳化硅行業(yè)的影響不大。

首先，碳化硅的確擁有更優(yōu)性能。據(jù)Wolfspeed測算，將純電動汽車逆變器中的功率組件改成SiC器件時，可顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，提升車輛5%-10%的續(xù)航。

其次，受益于技術進步和行業(yè)規(guī)?；挠绊?，碳化硅功率器件的價格呈下降趨勢。

尤其在技術方面，碳化硅器件的原材料——襯底和外延片的單位面積價格會隨著尺寸的增大進一步降低。而且，在碳化硅單晶的生長方法上，業(yè)界在嘗試用最新的液相法替代傳統(tǒng)的氣相法，以提高碳化硅晶體的良率，降低碳化硅的整體生產(chǎn)成本。

九鼎投資判斷，待碳化硅的成本降至一定程度，特斯拉或許還會再增加碳化硅的用量。

像特斯拉這樣的“價格屠夫”還是少數(shù)。目前，寶馬、奔馳、大眾等一眾車企，已紛紛與Wolfspeed、英飛凌等廠商合作，以確保碳化硅產(chǎn)品的穩(wěn)定供應。

據(jù)法國市場調(diào)研機構Yole統(tǒng)計, 全球碳化硅功率器件市場規(guī)模預計從2021 年的10.9億美元，增長至2027年的62.97億美元，年均復合增長率達 34%。

從細分應用領域來看，2027年，碳化硅在汽車領域的市場規(guī)模將達49.86億美元（占總規(guī)模的79.18%），在光伏及儲能領域的市場規(guī)模預計增長至4.58億美元。軌道交通領域，預計也會為功率器件市場貢獻超過1億美元的增量空間。

可見，汽車將是未來碳化硅最大的應用市場，碳化硅在其他多個領域也有一定成熟應用。總體上，市場對高性能的碳化硅功率器件保持需求增長狀態(tài)。

“優(yōu)等生”和“香餑餑”

電子工業(yè)的進程，離不開半導體材料的發(fā)展。

最早的電子工業(yè)，始于1906年李·德福雷斯特發(fā)明的真空管，它具備開關、放大的功能，是最早的電力電子器件。

一個典型的應用是，真空管是世界上第一臺電子計算機ENIAC的主要構成部件。當時的ENIAC占地140平方米，重量達30噸，并需要一個小型發(fā)電站專門為其供電，1940年的運行成本為當時的40萬美元。

由于真空管體積大、易破損、能耗高、老化快等缺點，學界一直在探尋其替代品。如今，作為真空管替代品的半導體器件，在材料上已歷經(jīng)三次大迭代。

和前兩代相比，第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優(yōu)點，可滿足現(xiàn)代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。

作為第三代半導體材料的代表，碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）各有千秋。

例如，氮化鎵有著更高的電子遷移率，更適合于高頻的應用。目前，氮化鎵較多用于射頻（RF）電子器件中，在5G通信、國防等領域有廣泛的應用。

碳化硅則具有更高的熱導率，更適合于更高功率的應用，包括電動汽車和數(shù)據(jù)中心、一些太陽能設計、鐵路牽引、風力渦輪機、網(wǎng)格分布與工業(yè)和醫(yī)療成像等。這些場景不總是進行高頻開關，但需要在很高的電壓和優(yōu)良的散熱環(huán)境下運行。

第三代半導體材料的另一個優(yōu)點是，安全、環(huán)保，不會像砷化鎵（GaAs）、砷化銦（InAs）、磷化銦（InP）等第二代半導體材料對環(huán)境和人體產(chǎn)生危害。

相比于碳化硅，氮化鎵在材料端制備環(huán)節(jié)存在更大技術難度和更高的成本。目前，氮化鎵器件主要基于碳化硅襯底。

當前，行業(yè)內(nèi)已實現(xiàn)量產(chǎn)的碳化硅功率器件有SBD（肖特基勢壘二極管）和MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管），二者分別針對傳統(tǒng)硅基FRD（快速恢復二極管）和IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的不足以實現(xiàn)替代。

但碳化硅不是新材料。資料顯示，碳化硅是由美國人艾奇遜在1891年電熔金剛石實驗時，在實驗室偶然發(fā)現(xiàn)的一種碳化物。

作為一種在100多年前就出現(xiàn)的老牌工業(yè)材料，為何現(xiàn)在才成為市場關注點？

這是因為，過往以集成電路為主的電子產(chǎn)品，基本不需要面對高溫、高壓、高頻的場景，硅材料基本能應對。而近年隨著新能源等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，新能源汽車、光伏及軌道交通等對半導體材料有著高要求的場景出現(xiàn)了。

就新能源汽車而言，當前續(xù)航里程大部分在700公里以內(nèi)。電池能量密度在短期內(nèi)的提高程度有限，眾廠商將目光投向了補能效率。

此前，多數(shù)新能源汽車采用的是400V電壓平臺。2019年，保時捷發(fā)布了全球首款搭載800V電壓平臺的汽車后，比亞迪、小鵬、吉利等車企紛紛跟進。相比400V電壓平臺，800V高壓平臺可支持汽車有更長時間的快速充電。

在800V甚至更高電壓水平的平臺上，原本的硅基IGBT芯片達到了材料極限，性能更好的碳化硅功率器件成為其理想替代。

弱供給下的軟肋：成本、產(chǎn)能

當然，現(xiàn)實與理想存在差距。

在一文中，九鼎投資提到，受限于高成本的制約，碳化硅功率器件在短期內(nèi)還無法完全取代硅基IGBT。

碳化硅功率器件的成本究竟有多貴？ 

東尼電子（603595.SH）的財報顯示，2022年，該公司半導體業(yè)務營收1676.56萬元，銷售碳化硅襯底4190片。由于東尼電子半導體業(yè)務全部為碳化硅襯底，計算得出該公司碳化硅襯底的每片單價為4001.33元。

根據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，襯底約占碳化硅器件成本的47%。以此推斷，2022年，單個碳化硅器件的出廠價為近萬元。

相比之下，硅基器件就便宜多了。美國半導體企業(yè)安森美的數(shù)據(jù)顯示，2022年7月28日，在650V產(chǎn)品上，SiC MOSFET的原廠報價，是硅基IGBT的3.2倍。在1200V產(chǎn)品上，前一器件的原廠報價為后者的2.2倍。

除了貴，特斯拉計劃減少碳化硅用量背后還有一個原因：碳化硅產(chǎn)能不足。

據(jù)市場估算，預計平均2輛特斯拉純電動車就需要一片6寸SiC晶圓。以年產(chǎn)能100萬輛Model 3/Y計，特斯拉一年需要超50萬片6寸晶圓，而目前全球SiC晶圓總年產(chǎn)能在40萬~60萬片。這意味著，全球碳化硅的總產(chǎn)能可能都不夠特斯拉一家消耗。

限制碳化硅量產(chǎn)的一個重要因素是技術，尤其是襯底的制備技術。九鼎投資大致梳理了碳化硅襯底的制備流程：

首先，將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合、反應合成碳化硅顆粒。再經(jīng)過破碎、清洗等工序，制得高純度碳化硅微粉。

接著，生長碳化硅晶體。以主流的PVT 法（物理氣相傳輸法）為例，將高純碳化硅微粉和籽晶（生長單晶的“種子”）置于長晶爐加熱，形成氣相物質。它們在溫度梯度下，會在籽晶處結晶，再形成圓柱狀碳化硅晶錠。

此后，晶錠經(jīng)過切割、研磨、拋光等工藝后，得到碳化硅襯底。

上述過程存在諸多難度，如：碳化硅粉料合成過程中的環(huán)境雜質多，難以獲得高純度的粉料；碳化硅單晶需在2300℃以上高溫環(huán)境生長，周期長、控制難度大，易產(chǎn)生微管、包裹物等缺陷；碳化硅單晶有200 多種不同晶型，但僅4H和6H兩種晶型適合應用，因此在生長過程中易產(chǎn)生多晶型夾雜缺陷。 

由于襯底制備難度高，碳化硅產(chǎn)品的良率普遍不高。2022年8月，露笑科技（002617.SZ）曾表示，該公司的碳化硅良率為50%，“已達到全球一流水平”。

此外，晶片尺寸越大，對應晶體的生長與加工技術難度越大。

1990年，2英寸的碳化硅晶圓已研制成功。但直到2015年，業(yè)界才出現(xiàn)8英寸的碳化硅晶圓，且目前8英寸的碳化硅晶圓質量還不夠成熟。當前全球市場上，已成熟產(chǎn)業(yè)化的碳化硅晶圓為4英寸和6英寸。

站在廠家的角度，碳化硅產(chǎn)能供給不足還關乎幾個方面：耗錢、耗時、耗人。

建設一個晶圓廠分為多個步驟：選址、廠房建設和廠務配套、設備導入/調(diào)試、工藝開發(fā)與驗證、產(chǎn)品研發(fā)與驗證、以及產(chǎn)能爬坡。

從資金成本來看，據(jù)統(tǒng)計，建設一條晶圓產(chǎn)線，4英寸線需1億元，6英寸線需10億元，8英寸線則需40億元。

從時間周期來看，建一個晶圓廠房需8-15個月；一些關鍵設備的交期達15個月以上；做完兩輪驗證又需耗時數(shù)月。整體上，晶圓廠從開始建設到大規(guī)模滿產(chǎn)出貨，可能需3~5年。

從人的層面來看，九鼎投資了解到，碳化硅行業(yè)真正熱起來是在2018年前后。尤其在特斯拉將碳化硅帶上車之前，市場對于碳化硅的需求很少，相關公司的經(jīng)營情況不樂觀，導致在碳化硅行業(yè)堅持下來的高端技術人才并不多。

就算SiC晶圓廠有高端人才，也不代表能量產(chǎn)SiC器件。SiC器件廠商要有成體系的發(fā)展，在器件設計、工藝開發(fā)、設備、生產(chǎn)、檢測、動力、質量、供應鏈等方面都不能有短板。一般而言，一個晶圓廠的正常運作，需200人以上的團隊。

虧損中的碳化硅企業(yè)，如何奔向星辰大海？

數(shù)據(jù)顯示，中國目前是碳化硅最大的應用市場，消耗全球約一半的使用量。

但在供給側，目前以美國、歐洲、日本廠商為主。根據(jù)Yole的報告，意法半導體、英飛凌（Infineon）、Wolfspeed、羅姆（Rohm）和安森美（ON）這五家海外公司，占據(jù)了2021年全球碳化硅功率器件市場約90%的份額。

尤其是Wolfspeed和羅姆，實現(xiàn)了從碳化硅襯底/外延生產(chǎn)、器件設計、器件及模塊制造/封測的全產(chǎn)業(yè)鏈布局。

不過，國際貿(mào)易環(huán)境的變化，將促使中國企業(yè)優(yōu)先采購本土自主化的芯片產(chǎn)品。在國產(chǎn)替代的機遇下，哪些碳化硅企業(yè)能率先跑出來？

沿產(chǎn)業(yè)鏈拆細來看，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈可分為三部分：上游的襯底、外延片；中游的器件；下游的應用。

外延片是在襯底上再生產(chǎn)一層碳化硅。碳化硅晶體生長難度大，在碳化硅有缺陷的襯底上繼續(xù)生長，原本對器件有影響的缺陷將得到彌補。

根據(jù)電阻率的不同，襯底可分為兩種，并對應不同的外延和器件產(chǎn)品。

1、半絕緣型碳化硅襯底：電阻率≥10Ω·cm（歐姆·厘米），用于制造氮化鎵微波射頻器件。微波射頻器件是無線通訊領域的基礎性零部件。

2、導電型碳化硅襯底：電阻率區(qū)間為15~30 mΩ·cm（毫歐·厘米），用于制作碳化硅功率器件。功率器件是電力電子變換裝置的核心器件。

在產(chǎn)業(yè)鏈分工上，襯底、外延兩道工序可在同一家公司完成，也可由專業(yè)做外延片的公司采購上游襯底再加工制得。

在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈上游，九鼎投資認為，襯底和外延材料生產(chǎn)商，以及相關的設備制造商均值得關注。

以半絕緣型碳化硅襯底為例，該市場規(guī)模目前相對較小，有較大的成長空間。Yole的報告顯示，隨著通信基礎建設和軍事應用的需求發(fā)展，全球氮化鎵射頻器件市場規(guī)模預計從2019年的7.4億美元，增長至2025年的20億美元，年均復合增長率達18%。半絕緣型碳化硅襯底的需求量，有望因此獲益而持續(xù)增長。

相比襯底，目前全球碳化硅外延材料市場的國際巨頭市占率更高，基本由Wolfspeed和昭和電工雙寡頭壟斷。

九鼎投資在調(diào)研中了解到，外延材料的制約在外延設備。中國外延材料生廠商通常需采購國外外延設備，但價格昂貴且交期長。

包括碳化硅產(chǎn)業(yè)在內(nèi)，在整個半導體行業(yè)，重資產(chǎn)的設備環(huán)節(jié)是最后國產(chǎn)化的。

在碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈中游的器件環(huán)節(jié)，以 IDM 模式最為常見，即集合器件設計、制造等多個產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)于一體。但也有Fabless模式（只負責器件的電路設計與銷售）和Foundry模式（純代工）。三者各具優(yōu)劣勢：

1、IDM模式，多環(huán)節(jié)協(xié)同優(yōu)化，有助于充分發(fā)掘技術潛力，但公司規(guī)模龐大，管理成本和運營費用較高。

2、Fabless模式，資產(chǎn)較輕，初始投資規(guī)模小，企業(yè)運行費用較低，轉型相對靈活。但無法與工藝協(xié)同優(yōu)化，難以完成指標嚴苛的設計，且需要承擔各種市場風險。

3、Foundry模式，不承擔由于市場調(diào)研不準、產(chǎn)品設計缺陷等決策風險，但投資規(guī)模較大，維持生產(chǎn)線正常運作的費用較高，且需要持續(xù)投入維持工藝水平。

九鼎投資認為，比起Foundry模式，以IDM和Fabless為運作模式的企業(yè)更值得關注。

從公司和人的層面來看，一家優(yōu)秀的碳化硅企業(yè)的關鍵還包括：

1、持續(xù)的技術迭代能力。以碳化硅晶圓制備技術為例，業(yè)界已實現(xiàn)2英寸到4英寸和6英寸的過渡，甚至向8英寸轉移?？梢姡蓟璁a(chǎn)業(yè)本身處于長期的技術迭代過程中，何況，中國碳化硅企業(yè)若想在國際市場占據(jù)一席之地，更要有較強的技術迭代能力，在產(chǎn)品上提高性能和降低成本。

2、前瞻性的戰(zhàn)略。碳化硅晶圓尺寸越大，單片面積就越大、邊緣浪費更小，單位時間內(nèi)產(chǎn)出的襯底、外延更多，意味著成本越低。但同時技術難度越大，單條產(chǎn)線的投入也越大。因此，不同產(chǎn)線的比例如何權衡是企業(yè)必須思考的。

近兩年，碳化硅頭部企業(yè)紛紛開始登陸二級市場。例如，Wolfspeed于2021年在紐交所上市，市值近百億美元；天岳先進于2022年在科創(chuàng)板上市，被稱為“中國碳化硅第一股”，市值超300億元；天域半導體也于2023年開啟上市輔導備案，有望成為中國第一家碳化硅外延片生產(chǎn)商。

但整體而言，碳化硅行業(yè)還處于快速發(fā)展階段。即使是頭部企業(yè)，也未實現(xiàn)完全盈利。Wolfspeed在 2023 財年第二季度（截至2022年12月）實現(xiàn)營收約2.16億美元，凈虧損約0.91億美元，虧損幅度繼續(xù)擴大。而天岳先進，在2022年實現(xiàn)營收約4.17億元，凈虧損約1.74億元，較上年同期由盈轉虧。

以上述兩家企業(yè)為例，根據(jù)公開披露，碳化硅企業(yè)虧損的主要原因，大都是處于研發(fā)投入期或新產(chǎn)能建設期，而這正表達了它們對行業(yè)前景的積極態(tài)度。

九鼎投資觀察到，目前的市場共識是：碳化硅行業(yè)在未來自有其星辰大海，也有機會誕生更多百億甚至千億市值的中國公司。只是在此之前，作為投資人，除了信心，我們也需要保持足夠的耐心。

編者按：本文轉載自微信公眾號：九鼎投資(ID：JD_Capital)，作者：九鼎投資