碳化硅性能优异，先进生产力代表。第三代半导体材料是指以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，碳化硅衬底是新近发展的宽禁带半导体的核心材料，以其制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等特点，具有开关速度快、效率高的优势，可大幅降低产品功耗、提高能量转换效率并减小产品体积。
　　产业链价值高地，产能释放最关键环节。衬底是碳化硅产业链的核心，在碳化硅器件的成本占比当中：衬底、外延、前段分别占比47%、23%、19%。我们认为，衬底环节是产业链的价值高地，而衬底行业的发展也是未来碳化硅产业降本、大规模产业化的主要驱动力。
　　产能迭代升级，需求起量在即，国产厂商正崛起。目前碳化硅衬底市场以海外厂商为主导，国内企业市场份额较小。国内尺寸迭代较海外厂商略慢一筹，但近年来发展提速明显。山西烁科为首家宣布可制备8英寸SiC衬底。2021年8月，山西烁科研制出8英寸碳化硅晶体。2022年1月，公司实现8英寸N型碳化硅抛光片小批量生产。截至2022年11月，晶盛机电、天岳先进、天科合达分别宣布掌握8英寸碳化硅衬底制备技术。我们认为，随着国内衬底产品日益成熟、扩产进度逐渐加速，中国衬底厂商有望重塑行业格局，未来在碳化硅衬底环节占领一席之地。
　　投资建议：关注天岳先进、晶盛机电、北方华创、高测股份。
　　风险提示：产能扩张不及预期，行业景气度不及预期风险；技术研发风险

研究报告全文：证券研究报告优于大市维持碳化硅专题之衬底篇占据价值高地国产崛起机遇已至余伟民通信行业首席分析师SAC号码S0850517090006联系人夏凡2022年12月31日投资要点碳化硅性能优异先进生产力代表第三代半导体材料是指以碳化硅氮化镓为代表的宽禁带半导体材料碳化硅衬底是新近发展的宽禁带半导体的核心材料以其制作的器件具有耐高温耐高压高频大功率抗辐射等特点具有开关速度快效率高的优势可大幅降低产品功耗提高能量转换效率并减小产品体积产业链价值高地产能释放最关键环节衬底是碳化硅产业链的核心在碳化硅器件的成本占比当中衬底外延前段分别占比472319我们认为衬底环节是产业链的价值高地而衬底行业的发展也是未来碳化硅产业降本大规模产业化的主要驱动力产能迭代升级需求起量在即国产厂商正崛起目前碳化硅衬底市场以海外厂商为主导国内企业市场份额较小国内尺寸迭代较海外厂商略慢一筹但近年来发展提速明显山西烁科为首家宣布可制备8英寸SiC衬底2021年8月山西烁科研制出8英寸碳化硅晶体2022年1月公司实现8英寸N型碳化硅抛光片小批量生产截至2022年11月晶盛机电天岳先进天科合达分别宣布掌握8英寸碳化硅衬底制备技术我们认为随着国内衬底产品日益成熟扩产进度逐渐加速中国衬底厂商有望重塑行业格局未来在碳化硅衬底环节占领一席之地投资建议关注天岳先进晶盛机电北方华创高测股份风险提示产能扩张不及预期行业景气度不及预期风险技术研发风险请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明2概要1材料特征第三代半导体性能优异2产业链占据价值高地3行业格局国产崛起机遇已至4重点公司分析5投资建议请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明3材料特征第三代半导体正当时常见的半导体材料包括硅Si锗Ge等元素半导体及砷化镓GaAs碳化硅SiC氮化镓GaN等化合物半导体材料从被研究和规模化应用的时间先后顺序来看上述半导体材料被业内通俗地划分为三代碳化硅衬底是新近发展的宽禁带半导体的核心材料以其制作的器件具有耐高温耐高压高频大功率抗辐射等特点具有开关速度快效率高的优势可大幅降低产品功耗提高能量转换效率并减小产品体积资料来源北京通美招股书第三代半导体联合创新孵化中心海通证券研究所请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明4发展历程历久弥新现已步入快车道碳化硅的发展主要可以分为三大阶段第一个阶段是结构基本性质和生长技术的探索阶段时间跨度从1824年发现SiC结构至1955年Lely法的提出第二阶段是物理基本性质研究和英寸级别单晶生长的技术积累阶段在此阶段物理气相传输physicalvaportransport缩写为PVT生长方法基本确定掺杂半绝缘技术被提出至1994年Cree推出了商用的2英寸508mmSiC衬底材料从1994年以后随着国际上半导体照明及2英寸SiC单晶衬底的突破性进展掀起了全球SiC器件及相关技术的研究热潮图中国碳化硅研发之路表碳化硅单晶发展历史60年代中国科学院制得的时间主要研发内容节点时间突破点直径3-4mm6H-SiC晶片1824发现SiC结构技术探索结构基本原理性质和生1824-19551885Acheson法长技术1955Lely法1978ModifiedLely法2011年上海硅盐酸研究所技术积累物理基本性质研究和英1956-19941992掺V半绝缘技术寸级别单晶生长制得的762mm4H-SiC晶1994商用2英寸4H-SiC衬底片2004高纯半绝缘技术研究技术和产业发展尺寸扩大1994-至今20094英寸零微管密度衬底缺陷降低和电学可控20158英寸衬底研发2022年山东大学制得的8英寸4H-SiC衬底4H晶型面积比例达到了100资料来源彭燕陈秀芳谢雪健等半绝缘碳化硅单晶衬底的研究进展邢根源SiC单晶生长设备热场设计及仿真分析杨祥龙陈秀芳谢雪健等8英寸导电型4H-SiC单晶的生长海通证券研究所请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明5材料分类半绝缘型导电型碳化硅衬底主要有2大类型半绝缘型和导电型在半绝缘型碳化硅市场目前主流的衬底产品规格为4英寸在导电型碳化硅市场目前主流的衬底产品规格为6英寸由于下游应用在射频领域半绝缘型SiC衬底外延材料均受到美国商务部出口管制表碳化硅类型及特征电阻率常见产品种类图示产品用途Ohm-cm厚度美国商务部出口管制清单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ECCN3C005包括温度为20时电阻率108半绝缘型镓外延片可进一步制成HEMT等500m不低于10000cm的高电阻碳化硅等材料微波射频器件应用于信息通讯无线电探测等领域ECCN3C0063C001中未指定由3C005指定的衬底和至少一层碳化硅GaN氮化铝或氮化铝镓的外延层组成的材料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ECCN3E001包括高电阻碳化硅及外延材片可进一步制成肖特基二极管导电型00150025350m料等制备技术MOSFETIGBT等功率器件应用在新能源汽车轨道交通以及大功率输电变电等领域资料来源工业和信息化部原材料工业司BIS天岳先进招股书海通证券研究所6请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明材料分类半绝缘型导电型半绝缘SiC作为衬底是GaN异质外延的优选材料在微波领域具有重要的应用前景相比蓝宝石14Si169的晶格失配SiC与GaN材料仅有34的晶格失配加上SiC超高的热导率使其制备的高能效LED和GaN高频大功率微波器件在雷达高功率微波设备和5G通信系统等方面均有极大的优势半绝缘SiC衬底研发工作一直是SiC单晶衬底研发的重点生长半绝缘SiC材料主要有2个难点1降低晶体中由石墨坩埚保温吸附和粉料中掺杂引入的N施主杂质2在保证晶体质量和电学性质的同时引入深能级中心补偿残存的具有电学活性的浅能级杂质目前国内具备半绝缘型SiC生产能力的厂商主要为天岳先进天科合达山西烁科及同光晶体4寸半绝缘型项目Wolfspeed天岳先进天科合达山西烁科同光晶体电阻率1E6cm1E6cm1E10cm1E9cm1E7cm100mm00-100mm100mm00-直径100mm00-05mm100mm00-05mm05mm00-05mm05mm500m15mZ级500m25m厚度500m25m未披露500m25m500m25mP级350m25m弯曲度绝对值未披露25m15m15m25m翘曲度35m40m30m20m30m总厚度变化10m15m5m5m10m多型5000无披露1cm2Z级1cm2Z级微管密度未披露1cm21cm25cm2P级5cm2P级表面粗糙度未披露Ra02nmRa02nmRa02nmRa03nm基平面位错BPD未披露未披露未披露未披露未披露螺位错TSD未披露未披露500cm-2未披露未披露资料来源Wolfspeed官网天岳先进招股书天科合达官网山西烁科官网同光晶体官网彭燕陈秀芳谢雪健等半绝缘碳化硅单晶衬底的研究进展海通证券研究所7请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明材料分类半绝缘型导电型导电型SiC晶体通过向生长气氛中通人氮气实现导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件碳化硅功率器件具有高电压大电流高温高频率低损耗等独特优势将大幅提高现有使用硅基功率器件的能源转换效率对高效能源转换领域产生重大而深远的影响主要应用领域有电动汽车充电桩光伏新能源轨道交通智能电网等由于导电型产品下游主要为电动车光伏等领域的功率器件中应用前景空间更加广阔生产厂商也更加众多6寸导电型项目Wolfspeed天岳先进天科合达山西烁科同光晶体三安光电世纪金光0015-0015-0015-电阻率0015-0024cm0015-0025cm0015-0028cm0015-0025cm0028cm0025cm0028cm150mm150mm02150mm直径150mm00-05mm150mm02mm150mm025mm150mm02mm025mmmm025mm350m350m15mZ级500m25m350m厚度未披露350m25m350m25m25m350m25mP级350m25m25m弯曲度绝对值未披露25m25m25m40m15mZ级20mP级翘曲度40m40m35m35m60m40m25mZ级40mP级总厚度变化10m10m6m5m15m未披露7mZ级10mP级多型500000002cm2Z级1cm2Z级05cm2Z级微管密度1cm205cm21cm21cm22cm2P级5cm2P级1cm2P级表面粗糙度未披露Ra02nmRa02nmRa02nmRa03nmRa02nmRa05nm基平面位错BPD未披露未披露未披露2000cm2未披露5000cm21500cm2螺位错TSD未披露未披露500cm2500cm2未披露500cm212500cm2资料来源Wolfspeed官网天岳先进招股书天科合达官网山西烁科官网同光晶体官网三安光电官网世纪金光官网海通证券研究所8请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明碳化硅晶型4H晶型最优碳化硅的典型结构可分为两类一类是闪锌矿结构的立方碳化硅晶型称为3C-SiC或-SiC另一类是六角型或菱形结构的大周期结构其中典型的有6H-SiC4H-SiC15R-SiC等统称为-SiC3C-SiC制造器件方面具有高电阻率的优势然而Si和SiC晶格常数和热膨胀系数的高度不匹配会导致3C-SiC外延层中产生大量缺陷4H-SiC在制造MOSFET方面非常有潜力因为其晶体生长和外延层生长的工艺表现更为优异电子迁移率方面4H-SiC高于3C-SiC和6H-SiC为4H-SiCMOSFET提供了更好的微波特性图晶型参数对比图SiC晶型差异SiC图SiC同质异构体平衡态分布资料来源MatsunamiHFundamentalresearchonsemiconductorSiCanditsapplicationstopowerelectronicsProcJpnAcadSerBPhysBiolSci2020967235-254doi102183pjab96018CodreanuCAvramMCarbunescuEetalComparisonof3CSiC6HSiCand4HSiCMESFETsperformancesJMaterialsScienceinSemiconductorProcessing200031-2137-142JihoonChoiSiCNanowiresfromgrowthtorelateddevicesOtherUniversiteGrenobleAlpes2013English海通证券研究所9请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明概要1材料特征第三代半导体性能优异2产业链占据价值高地3行业格局产能供不应求国产崛起机遇已至4重点公司分析5投资建议请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明10材料制备流程碳化硅材料的制备主要是以高纯碳粉高纯硅粉为原料合成碳化硅粉在特殊温场下生长不同尺寸的碳化硅晶锭经过多道加工工序产出碳化硅衬底图碳化硅衬底制备过程PVT法HTCVD法液相法高纯碳粉加工切割研磨原料合成晶体生长抛光清洗检测等碳化硅粉碳化硅晶锭碳化硅衬底破碎筛分清洗高纯硅粉切割机感应式长晶炉研磨机电阻式长晶炉抛光机检测设备等资料来源天岳先进招股书海通证券研究所请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明11碳化硅产业链衬底为核心降本为关键图SiC衬底产业链在碳化硅器件的成本占比当中衬底外延前段分别占比472319我们认为衬底衬底厂商是碳化硅产业链的核心环节衬底行业的发展也是未来碳化硅产业降本大规模产业化的主要驱WolfspeedII-IV罗姆等动力天岳先进天科合达烁科晶体同光晶体晶盛机电三安光电世纪金光南砂晶圆中电化合物露笑科技东尼电子图碳化硅器件各环节成本占比中科钢研等长晶炉多线切割研磨抛光Wolfspeed日本高鸟日本不二越韩AymontMeryerBurger国NTS美国斯AixtronNTC德堡LHT天科合达中科高测股份中国院硅酸盐所中中电科四十五所电科四十五所衬底外延前段衬底研发其他总和国电科四十六所湖南宇晶苏州湖南宇晶苏州外延费用北方华创晶盛赫瑞特郝瑞特前段机电资料来源中商情报网天科合达招股书三菱电机富士电机II-VI安森美意法半导体英飞凌瞻芯电子官网新材料研习社微信公众号海通证券研究所请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明12碳化硅产业链成本分析作为半导体材料生产企业原材料和生产设备是衬底厂商的重要生产资料公司生产所需的原材料主要包括碳粉和硅粉等主料和石墨件石墨毡抛光液金刚石粉等辅料生产设备主要包括长晶炉切割研磨设备等据天岳先进招股书公司主营业务成本构成中2018-2021H1直接材料和设备折旧的占比分别为731067776322和6945为生产成本的重要组成部分原材料和生产设备的价格波动会直接影响公司的经营成本目前原材料设备仍存在部分依赖外资供应商的情况据天岳先进招股书公司原材料向外资供应商采购金额占主要原材料采购总额的比例约为77截至2021年6月30日公司现有加工检测设备中无国产替代的进口设备原值为632193万元已有国产替代的进口设备原值为90334万元设备国产化率仅占125图碳化硅衬底成本占比天岳先图原材料外资供应占比天岳先进进1001009095809070856050807685759776524075307064322065106002018201920202021H155碳粉硅粉石墨件石墨毡其他切割钢丝金刚石粉抛光液抛光垫502018201920202021H1资料来源天岳先进招股书海通证券研究所请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明13材料制备原料合成长晶切磨抛原料合成过程是将高纯硅粉和高纯碳粉按工艺配方均匀混合在2000以上的高温条件下于反应腔室内通过特定反应工艺去除反应环境中残余的反应微粉表面吸附的痕量杂质使硅粉和碳粉按照既定化学计量比反应合成特定晶型和颗粒度的碳化硅颗粒再经过破碎筛分清洗等工序制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅粉原料图感应式电阻式碳化硅原料合成炉表高纯碳化硅粉体原料制备方法固相法优点较为经济原料来源广泛且价格较低易于工业化生产碳热还原法自蔓延高温合成法缺点杂质含量高质量较低机械粉碎法液相法优点硅粉体纯度高且为纳米级的微粉是溶胶凝胶法缺点工序较为复杂且易产生对人体有害的物质聚合物热分解法气相法优点粉体纯度较高颗粒尺寸小化学气相沉积法缺点成本高且产量较低不适合批量化的生产等离子体法激光诱导法资料来源汉虹精密官网晶升装备官网马康夫王英民李斌等生长单晶用SiC粉料合成工艺研究进展海通证券研究所请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明14材料制备原料合成长晶切磨抛目前碳化硅单晶生长的方法主要有物理气相传输法PVT高温化学气相沉积法HT-CVD顶部籽晶溶液生长法TSSG表碳化硅晶体制备方法差异PVT优点设备成本低结构简单技术成熟目前主流的晶体生长方法耗材成本低缺点生长速率慢缺陷较难控制长晶过程中可监控生长参数少HTCVD优点缺陷少纯度高掺杂方便缺点设备昂贵反应缓慢耗材成本高原料成本高生长过程中进气口排气口易堵塞设备稳定性低可监控生长参数少TSSG优点生长成本低缺陷密度低比较适合P型晶体生长缺点生长缓慢对材料要求高金属杂质难以控制生长晶体尺寸小目前主要应用在实验研究图PVT法制备原理图HTCVD法制备原理图液相法法制备原理资料来源半导体前沿微信公众号刘军林SiC单晶生长设备热场设计及仿真分析海通证券研究所15请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明材料制备原料合成长晶切磨抛目前主流普遍采用PVT法制备碳化硅单晶PVT法需要在密闭生长腔室内在2300C以上高温接近真空的低压下加热碳化硅粉料使其升华产生包含SiSi2CSiC2等不同气相组分的反应气体通过固-气反应产生碳化硅单晶反应源由于固相升华反应形成的SiC成分的气相分压不同SiC化学计量比随热场分布存在差异需要使气相组分按照设计的热场和温梯进行分布和传输使组分输运至生长腔室既定的结晶位臵为了避免无序的气相结晶形成多晶态碳化硅在生长腔室顶部设臵碳化硅籽晶种子输运至籽晶处的气相组分在气相组分过饱和度的驱动下在籽晶表面原子沉积生长为碳化硅单晶图感应式SiC长晶炉炉图电阻式SiC长晶炉炉图SiC籽晶作用示意资料来源汉虹精密官网Wolfspeed官网海通证券研究所请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明16材料制备原料合成长晶切磨抛切割加工环节中在考虑后续加工余量的前提下使用金刚石细线将碳化硅晶棒切割成满足客户需求的不同厚度的切割并使用全自动测试设备进行翘曲度Warp弯曲度Bow厚度变化TTV等面型检测通过自有工艺配方的研磨液将切割片减薄到相应的厚度并且消除表面的线痕及损伤使用全自动测试设备及非接触电阻率测试仪对全部切割片进行面型及电学性能检测进行研磨后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使研磨片表面达到纳米级平整度使用X射线衍射仪原子力显微镜表面平整度测试仪表面缺陷综合测试仪等仪器设备检测碳化硅抛光片的各项参数指标据此判定抛光片的质量等级目前切磨抛环节设备仍由海外进口为主国内厂商正处于加速研发中图多线切割设备图SiC研磨机检测环节检测特征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检测设备光学显微镜X射线衍射仪原子力显微镜非接触电阻率测试仪表面平整度测试仪表面缺陷综合测试仪资料来源日本高鸟官网国瑞升科技官网海通证券研究所请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明17材料制备原料合成长晶切磨抛相比硅材料碳化硅具有生长慢晶圆小材质硬切割难度大等特点对成本和产能都有较大影响为了更好地提高产能英飞凌几年前就加大了对冷切割技术的投入能有效提升切割效率2018年11月12日英飞凌科技以124亿欧元收购了位于德累斯顿的初创公司SiltectraSiltectra研发了冷切割ColdSplit这一创新技术可高效处理晶体材料并最大限度减少材料损耗据2017年公司披露的文献数据与最先进的线锯工艺相比冷切割技术已经将同一晶体可切出的晶圆数量增加了50以上未来的目标是将该数字提高到65以上国内的激光厂商近年也开始涉足SiC晶锭切割领域据大族激光22年半年报2021年报披露大族半导体SiC晶锭激光切片机SiC超薄晶圆激光切片机正在客户处做量产验证预计未来材料利用率对比传统切割可提升至少50以上据德龙激光公告碳化硅晶锭切片技术公司也已完成工艺研发正在给客户做测试验证图激光冷分离技术图激光技术试用公司资料来源张玺王蓉张序清等碳化硅单晶衬底加工技术现状及发展趋势Yole海通证券研究所请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明18概要1材料特征第三代半导体性能优异2产业链占据价值高地3行业格局国产崛起机遇已至4重点公司分析5投资建议请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明19行业格局产能向大尺寸转移国内厂商进展加速目前碳化硅产业中衬底仍以4-6英寸为主若将尺寸由6英寸提高至8英寸SiC的单片面积将增大778可利用面积大大提高大直径衬底能够有效降低器件制备成本以直径6英寸衬底为例使用直径6英寸衬底相对直径4英寸衬底能够节省大约30的器件制备成本国内尺寸迭代较海外厂商略慢一筹但近年来发展提速明显山西烁科为首家宣布可制备8英寸SiC衬底2021年8月山西烁科研制出8英寸碳化硅晶体2022年1月公司实现8英寸N型碳化硅抛光片小批量生产截至2022年11月晶盛机电天岳先进天科合达分别宣布掌握8英寸碳化硅衬底制备技术图6英寸8英寸碳化硅衬底对比晶盛机电8寸片表海内外厂商8英寸进展时间企业概况量产时间2015Wolfspeed展示了8英寸SiC衬底2022年初2015II-VI展示8英寸导电型SiC衬底2024年2019II-VI推出半绝缘8英寸SiC衬底2024年20218烁科晶体成功研制8英寸SiC晶体烁科晶体8寸片20228晶盛机电展示8英寸SiC衬底202210天岳先进展示8英寸SiC衬底202211天科合达成功研制8英寸SIC衬底资料来源Wolfspeed官网晶盛机电官网天岳先进官网天科合达官网CASA宽禁带半导体技术创新联盟公众号天岳先进公众号晶盛机电公众号烁科晶体官网海通证券研究所20请务必阅读正文之后的信息披露和法律声明