深度报告-20220829-开源证券-天岳先进-688234.SH-公司首次覆盖报告_半绝缘碳化硅衬底龙头_进军导电型衬底大市场_25页_2mb.pdf

电子 /半导体 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 天岳先进 （ 688234.SH） 2022年 08 月 29日 投资评级： 增持 （ 首次 ） 日期 2022/8/26 当前股价 (元 ) 97.29 一年最高最低 (元 ) 126.65/41.00 总市值 (亿元 ) 418.07 流通市值 (亿元 ) 34.55 总股本 (亿股 ) 4.30 流通股本 (亿股 ) 0.36 近 3个月换手率 (%) 542.9 股价走势图 数据 来源： 聚源 半绝缘碳化硅衬底龙头，进军导电型衬底大市场 公司首次覆盖报告 刘翔（分析师） 盛晓君（联系人） 证书编号： S0790520070002 证书编号： S0790120080051 公司是国内碳化硅衬底领先企业，首次覆盖给予“ 增持 ”评级 公司成立于 2010 年，专注第三代半导体碳化硅衬底产业，主要产品包括碳化硅半绝缘型和导电型衬底。 当前碳化硅衬底在射频及功率器件的渗透率逐步提升，市场 空间有望快速 增长 。公司在半绝缘型衬底的销售规模与技术水平位居 全球前列，正通过 IPO 募投项目进军导电型衬底市场，有望取得长足发展。 我们预计2022-2024 年公司实现 收入 7.15/12.10/15.71 亿元，实现 净利润 1.18/1.61/2.39 亿元，当前股价对应 PS为 58.5/34.6/26.6 倍 ，首次覆盖给予“ 增持 ”评级 。 第三代半导体材料给功率器件带来性能革新，市场 快速增长可期 碳化硅属于第三代半导体材料， 具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点， 以其作为衬底和外延材料制作成的功率器件适用于高压、高频、高温的应用场景，相较于硅器件，可以显著降低开关损耗。因此，碳化硅 功率器件 下游主要用于新能源光伏、新能源汽车等行业 。 采用 碳化硅 模块的主驱逆变器渗透率预计将不断提升 ， 碳化硅 功率器件与 碳化硅 衬底市场快速增长可期 。 公司半绝缘型衬底技术和规模领先，开发导电型衬底进军功率器件大市场 公司在半绝缘衬底领域有深厚的技术积累， 2011-2018 年，公司将半绝缘型和导电型衬底的量产能力从 2英 寸扩展到 6英寸，逐步缩小与海外龙头厂商差距。 据Yole数据， 2019年及 2020年，公司已跻身半绝缘型碳化硅衬底市场的全球前三，技术水平和量产 规模 位居世界前列 。 此外， 公司已成功掌握了导电型碳化硅衬底材料制备的技术和产业化能力。据公司招股书，公司 6英寸导电型衬底产品指标与海外大厂接近。公司 6英寸导电型产品已送样至多家国内外知名客户，并中标国家电网的采购计划 ， 公司 亦 已启动 8 英寸导电型衬底研发工作 。 公司 将投入20亿元 IPO募集资金 用于“碳化硅半导体材料项目”，发力导电型碳化硅衬底的研发和产业化 ，夯实自身技术与量产能力 。 风险提示： 公司导电型衬底开发及客户认证不及预期；下游 通信 、新能源汽车等行业发展增速不及预期；行业竞争加剧，利润率下滑。 财务摘要和估值指标 指标 2020A 2021A 2022E 2023E 2024E 营业收入 (百万元 ) 425 494 715 1,210 1,571 YOY(%) 58.2 16.25 44.79 69.19 29.90 归母净利润 (百万元 ) -642 90 118 161 239 YOY(%) -219.7 114.0 30.9 36.9 48.0 毛利率 (%) 35.3 28.4 30.4 31.2 34.5 净利率 (%) -151.0 18.2 16.5 13.3 15.2 ROE(%) -30.1 4.0 5.0 6.4 8.7 EPS(摊薄 /元 ) -1.49 0.21 0.27 0.38 0.56 P/E(倍 ) -65.2 464.8 355.1 259.3 175.2 P/B(倍 ) 19.6 18.8 17.9 16.7 15.3 数据 来源： 聚源 、 开源证券研究所 -72%-48%-24%0%24%48%2021-08 2021-12 2022-04天岳先进 沪深 300开源证券 证券研究报告 公司首次覆盖报告 公司研究 公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 目 录 1、 国产半绝缘碳化硅衬底龙头，进军导电型发力功率大市场 . 4 1.1、 自主研发结硕果，半绝缘型碳化硅衬底不断突破 . 4 1.2、 良率提升及规模扩大，助力财务指标不断改善 . 6 1.3、 募投发力导电型碳化硅衬底，进军功率半导体大市场 . 8 2、 碳化硅材料赋能功率和射频器件，带来性能升级 . 8 2.1、 碳化硅材料助力功率半导体器件性能腾飞 . 8 2.2、 SiC衬底 +GaN外延大幅提升射频器件性能 . 11 3、 碳化硅衬底是最核心环节，海外企业占据先发优势 . 13 3.1、 碳化硅衬底制备难度高，行业技术进步明显 . 13 3.2、 海外碳化硅衬底尺寸逐步转向 8寸，制备成本降低有望加快渗透 . 15 4、 公司立足绝缘型领先地位，发展导电型前景可期 . 18 4.1、 绝缘型衬底快速追赶，已成为全球市场主要供应商 . 18 4.2、 通过募 投项目进军导电型衬底，斩获大订单前景可期 . 20 5、 盈利预测与投资建议 . 21 5.1、 核心假设 . 21 5.2、 盈利预测与投资建议 . 21 6、 风险提示 . 22 附：财务预测摘要 . 23 图表目录 图 1： 公司产品包括半绝缘型和导电型衬底 . 4 图 2： 董事长宗艳民持有公司 30.09%股权 . 4 图 3： 公司 不断取得技术进步 . 5 图 4： 公司 2019年全球市占率为 18% . 5 图 5： 公司 2020年全球市占率为 30% . 5 图 6： 公司取得 多项科研荣誉 . 6 图 7： 公司研发费用逐年增加 . 6 图 8： 公司 2021年研发费用率超过贰陆公司 . 6 图 9： 公司总收入保持增长 . 7 图 10： 公司衬底产品销量不断提升 . 7 图 11： 公司产品良率提升明显 . 7 图 12： 公司主营业务毛利率 较 2018年提升明显 . 7 图 13： 公司毛利率在 2021年同比下滑主要系其他业务拖累 . 8 图 14： 公司净利润在 2021年扭亏为盈 . 8 图 15： SiC MOSFET 可做到更高的开关频率 . 9 图 16： SiC MOSFET 拥有更高的效率 . 9 图 17： SiC SBD耐压和高频性能比硅基器件更优 . 9 图 18： SiC SBD比 FRD的反向恢复损耗显著降低 . 9 图 19： Rohm的碳化硅功率模块使得逆变器的开关损耗大大减少 . 10 图 20： Rohm的 SiC功率模块使得逆变器的尺寸和重量大大减少 . 10 图 21： GaN HEMT 器件能实现高频和高功率 . 12 公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 图 22： 2020年衬底成本占碳化硅器件成本的 47% . 13 图 23： 碳化硅衬底由高纯碳粉和硅粉制备而来 . 13 图 24： SiC衬底主要通过 PVT 法制备 . 14 图 25： PVT 法制备时热场温度极高 . 14 图 26： 碳化硅衬底中含有多种晶体缺陷 . 14 图 27： TSD/TED/BPD 三种主要的衬底缺陷密度大幅降低 . 15 图 28： SiC衬底在向大尺寸发展 . 16 图 29： 三代半功率器件售价下降趋势明显（单位：元 /A） . 17 图 30： 2021-2027 年全球 SiC器件市场预计将保持快速增长 . 17 图 31： SiC衬底约占 SiC MOSFET 器件成本的 30-40% . 18 图 32： 通过不同的掺杂分别制造导电型和半绝缘型 SiC . 19 图 33： 公司从 4英寸进化到 6英寸所用时间较短 . 19 表 1： 第三代半导体在高压、高频、高温环境下表现优异 . 8 表 2： SiC模块在主驱逆变器中渗透率逐渐提升 . 11 表 3： GaN-on-SiC主要用于射频器件制作 . 12 表 4： 碳化硅的表面缺陷会影响器件的电学性能 . 15 表 5： 海外厂商规划量产 8英寸衬底 . 16 表 6： 国内厂商积极布局 8英寸碳化硅衬底的研发 . 16 表 7： 公司 6英寸半绝缘型衬底产品指标与海外大厂接近 . 19 表 8： 公司 6英寸导电型衬底产品指标与海外大厂接近 . 20 表 9： 公司所在细分赛道增速更快，估值高于可比公司 . 21 公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 1、 国产 半绝缘碳化硅衬底龙头，进军导电型发力功率大市场 1.1、 自主研发 结硕果，半绝缘型碳化硅衬底不断突破 公司前身天岳有限成立于 2010 年， 2020 年 11 月天岳有限整体变更为股份有限公司，并于 2021 年 12 月登陆科创板上市。公司成立以来专注第三代半导体碳化硅衬底产业，主要产品包括碳化硅半绝缘型和导电型衬底 。 图 1： 公司产品包括半绝缘型和导电型衬底 资料来源： 公司招股书、 开源证券研究所 公司实控人为宗艳民，哈勃投资等产业力量入股。 公司实控人为董事长宗艳民，持有公司 30.09%的股权。华为通过哈勃投资，持有公司 6.34%股权。 图 2： 董事长宗艳民持有公司 30.09% 股权 资料来源： 公司招股书、 开源证券研究所 公司通过自主研发，不断提升技术水平和产品品质。 2011-2018年，公司将半绝缘型和导电型衬底的量产能力从 2 英寸扩展到 6 英寸，逐步缩小与海外龙头厂商差距。目前公司已启动 8 英寸导电型衬底研发工作，有望借助 IPO 募投项目形成量产能力。 公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 图 3： 公司不断取得技术进步 资料来源：公司招股书 公司半绝缘型衬底的研发 和量产能力处于 国际先进水平。 半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延，可用于制造 HEMT 等微波射频器件，应用于 5G 通讯设备、雷达等市场。由于半绝缘型衬底可用于有源相控阵雷达等军事应用，国外部分发达国家对我国实施技术封锁和产品禁运。 2008年，瓦森纳协定对半绝缘型碳化硅衬底材料进行了明确的限制。公司通过自主研发，实现半绝缘型碳化硅衬底的量产供货，实现了我国核心战略材料的自主可控，有力保障国内产品的供应。据 Yole数据， 2019年及 2020年，公司已跻身半绝缘型碳化硅衬底市场的全球前三，技术水平和量产能力位居世界前列。 图 4： 公司 2019年全球市占率为 18% 图 5： 公司 2020年全球市占率为 30% 数据 来源： 公司招股书、 开源证券研究所 数据 来源： 公司招股书、 开源证券研究所 公司深植研发基因，承担科研重任。 宗艳民先生带领团队先后攻克原料提纯、碳化硅材料生长及缺陷控制、衬底加工等难题，实现 2-6英寸宽禁带半导体材料研发或产业化。公司历年来承担了国家核高基重大专项、国家新一代宽带无线移动通信网重大专项、国家新材料专项、国家高技术研究发展计划项目、国家重大科技成果转化专项等多项国家和省部级项目。公司曾取得国家科学技术进步一等奖等荣誉，技术实力走在国内碳化硅衬底领域前列。 天岳先进 , 18%贰陆公司 , 27%科锐公司 , 42%其他 , 14%天岳先进 , 30%贰陆公司 , 35%科锐公司 , 33%其他 , 3%公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 图 6： 公司取得多项 科研 荣誉 资料来源： 公司官网、 开源证券研究所 公司保持高强度研发投入，研发费用率较高。 公司研发投入逐年加大， 2021年研发费用投入 7374万元，同比增长 62.05%，主要系公司 4英寸衬底项目在 2018-2020年陆续结项， 2021 年的研发重点在 6 英寸及以上大尺寸项目。大尺寸项目耗用材料如石墨件及保温材料单价较高，造成研发材料投入增长较快，研发费用大幅增加。2021年公司研发费用率达 14.93%，超过贰陆公司研发费用率，与 Wolfspeed公司的研发费用率尚有一定差距。 图 7： 公司研发费用逐年增加 图 8： 公司 2021年 研发费用率 超过贰陆公司 数据 来源： Wind、 开源证券研究所 数据 来源： Wind、 开源证券研究所 1.2、 良率提升及规模扩大，助力财务指标不断改善 公司主营业务收入占比提升，不合格衬底销售占比总体呈下降趋势。 公司主营业务 产品 为半绝缘型和导电型衬底， 其他业务产品主要为 无法达到半导体级要求的晶棒、不合格衬底等。公司总营收不断提升，其中 其他业务 占比总体呈下降趋势，从 2018年的 37.55%下降到 2021年的 21.62%，显示出公司总体制造良率的不断提升。公司产品销量和销售规模不断提升， 2021年公司销售收入达 4.94亿元 ，衬底销售达57205片， 同比增长 47.19%。 主营业务中半绝缘型衬底销售占比高。 公司 2021年上半年，公司半绝缘型衬底销售收入占主营业务收入比例达 99.68%，导电型衬底销售额占比 0.32%。 0204060802018 2019 2020 2021研发费用（百万元）0%10%20%30%40%2018 2019 2020 2021 Wolfspeed 贰陆公司 天岳先进公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 图 9： 公司总收入保持增长 图 10： 公司衬底产品销量不断提升 数据来源： Wind、 开源证券研究所 数据来源：公司招股书、 公司年报、 开源证券研究所 受益于销量提升带来的规模效应及良率提升，公司盈利能力显著提升。 公司持续改进生长工艺，晶体生长周期下降，晶棒和衬底环节良率提升明显：晶棒良率由2018 年的 41%提升至 2021 年上半年的 49.90%；衬底良率由 2018 年的 72.61%提升至 2021年上半年的 75.47%。良率提升直接降低生产过程废品率，单位衬底分摊的成本下降，利润率提升明显。公司主营业务（半绝缘型衬底 +导电型衬底）的毛利率由2018 年的 8.45%提升至 2021 年的 32.83%，提升 24.38 个 pct，已 接近 海外先进企业Wolfspeed 及贰陆公司的毛利率水准。公司综合毛利率由 2018 年的 25.57%提升至2021年的 28.43%，提升 2.86个 pct。 图 11： 公司产品良率提升明显 图 12： 公司主营业务毛利率 较 2018年 提升明显 数据 来源： 公司招股书、 开源证券研究所 数据 来源： Wind、 开源证券研究所 2021年公司毛利率同比下降，主要受可用来制作成莫桑石的晶棒产品降价的影响。 受 市场宏观环境等因素影响 ， 饰品类消费市场需求有所下滑，可用来制作成莫桑石的晶棒产品的毛利下滑；此外，公司产能向大尺寸及导电型产品切换， 新 产品短期内生产规模较小导致单位成本较半绝缘产品高，对毛利产生一定影响。 2021年公司扭亏为盈，实现 8995万元的净利润。 2019年 -2020年公司尚未盈利主要系实施股权激励确认高额股份支付费用所致，扣非后 2019-2020年均已实现营利。 01002003004005006002018 2019 2020 2021碳化硅衬底收入（百万元） 其他业务（百万元）0100002000030000400005000060000700002018 2019 2020 2021销量（片）65%67%69%71%73%75%77%30%35%40%45%50%55%2018 2019 2020 2021H1晶棒良率（左轴） 衬底良率（右轴）0%20%40%60%2018 2019 2020 2021科锐公司 Wolfspeed 公司贰陆公司天岳先进公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 图 13： 公司毛利率在 2021 年同比下滑 主要系其他业务拖累 图 14： 公司净利润在 2021年扭亏为盈 数据 来源： Wind、 开源证券研究所 数据 来源： Wind、 开源证券研究所 1.3、 募投发力导电型碳化硅衬底，进军功率半导体大市场 公司通过 IPO募资将发力导电型碳化硅衬底的研发和产业化，进军市场空间更为广阔的功率半导体市场。 公司在半绝缘型碳化硅衬底已积累了较为深厚的竞争优势，通过 IPO募资 20亿元投入导电型碳化硅衬底项目建设。 导电型碳化硅衬底用于制造 SiC MOSFET及 SiC SBD 等功率半导体器件，广泛应用于新能源汽车及充电桩、新能源发电及储能、 UPS 等市场，市场空间相较半绝缘型衬底更为广阔。 公司在导电型碳化硅衬底的制备技术上已有所积淀，公司作为 863 计划中导电型碳化硅衬底相关研究课题和 2013 年新材料研发及产业化专项项目中导电型碳化硅衬底相关项目的牵头单位之一，已成功掌握导电型碳化硅衬底材料制备的技术和产业化能力，所制备的衬底正在电力电子领域客户中进行验证。 公司有望借助上市募集资金，进一步夯实自身在导电型碳化硅衬底的技术实力，掘金宽禁带半导体在电力电子领域的广阔市场。 2、 碳化硅 材料赋能功率和射频器件，带来性能 升级 2.1、 碳化硅材料助力功率半导体器件性能腾飞 碳化硅属于第三代半导体材料，以其作为衬底和外延材料制作成的功率器件性能优异。 碳化硅具有高临界磁场、高电子饱和速度与极高热导率等特点，使得其器件适用于高压、高频、高温的应用场景，相较于硅器件，可以显著降低开关损耗。因此，碳化硅可以制造高耐压、大功率的电力电子器件，下游主要用于新能源光伏、新能源汽车等行业。 表 1： 第三代半导体在高压、高频、高温环境下表现 优异 第一代 第二代 第三代 关键指标 Si GaAs GaN SiC 指标含义 禁带宽度（ eV) 1.1 1.4 3.4 3.3 宽度越宽，耐压性越好。第三代半导体：耐高压 电子饱和漂移速度 1.0 1.0 2.7 2.2 漂移速度越大，高频性能0%10%20%30%40%50%60%70%2018 2019 2020 2021综合毛利率 碳化硅衬底毛利率其他业务毛利率-800-600-400-20002002018 2019 2020 2021归母净利润（百万元） 扣非归母净利润（百万元）公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 （ 107cm/s) 越好。 第三代半导体：高频控制 热导率（ W/cmk) 1.5 0.5 1.3 4.9 热导率越高，散热越快。第三代半导体：散热快 主要应用 集成电路 微波射频器件 微波射频器件 功率器件 资料来源： 与非网、 开源证券研究所 以 碳化硅衬底 材料制作的功率半导体器件主要有 SiC MOSFET和 SiC SBD。 SiC MOSFET 是一种功率开关器件，其与硅基 IGBT 电压等级、功率输出范围相近，其开关频率更高，并且在相同开关频率下损耗更小。 图 15： SiC MOSFET可做到更高的开关频率 图 16： SiC MOSFET拥有更高的 效率 资料来源： Nitzsche M, Cheshire C, Fischer M, et al. Comprehensive comparison of a SiC MOSFET and Si IGBT based inverter.2019 资料来源： Nitzsche M, Cheshire C, Fischer M, et al. Comprehensive comparison of a SiC MOSFET and Si IGBT based inverter.2019 SBD是肖特基二极管，常用于高频整流等场景。在采用 碳化硅衬底 材料制作 SBD以后，其绝缘击穿场强大幅提升，因此其耐压性能大幅提升。与硅基 PND/FRD 相比Err（恢复损耗）显著降低，开关频率也可提高。因此可使用小型变压器和电容器，有助于设备小型化。 图 17： SiC SBD耐压和高频性能比硅 基器件更 优 图 18： SiC SBD比 FRD的反向恢复损耗显著降低 资料来源： 罗姆 R课堂 资料来源： 罗姆 R课堂 公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 以新能源汽车应用为例， 碳化硅 器件的性能优势将给主驱逆变器、 OBC等设备带来全方位的性能提升。 采用 碳化硅 的功率模块与硅基 IGBT 功率模块相比，可大幅减少开关损失，给新能源汽车电驱系统带来直接的效率提升，进而减少电力损失，增加新能源汽车的续航能力。采用 Rohm 全 碳化硅 模块的逆变器相对于采用硅基功率模块的逆变器减少了 75%的开关损失。 图 19： Rohm的 碳化硅 功率模块使得逆变器的开关损耗大大减少 资料来源： Techweb 在相同功率等级下，全 碳化硅 模块的封装尺寸显著小于 Si 模块。 碳化硅 用在车用逆变器上，能够大幅度降低逆变器尺寸及重量，做到轻量化。以 Rohm 给全球顶级电动方程式赛车 Formula E提供的全 碳化硅 功率模块为例，该模块使得逆变器的重量减少了 6千克，尺寸缩小了 43%。 图 20： Rohm的 SiC功率模块使得逆变器的尺寸和重量大大减少 资料来源： Techweb 由于 SiC MOSFET 的优异特性，主要汽车厂商积极布局，采用 碳化硅 模块的主驱逆变器渗透率预计将不断提升。此外， 碳化硅 器件在车载 OBC、 DC/DC等系统也已开启渗透。新能源汽车渗透普及亟需解决的问题就是提高充电效率、缩短充电时间 ， 高压快充日渐普及，对 OBC 所用功率半导体的性能和稳定性要求也越来越高，因此 SiC MOSFET 已经开启了 OBC领域的渗透。 公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 表 2： SiC模块在主驱逆变器中渗透率逐渐提升 Model / Platform OEM / Tier 1 Inverter Tech Release Year Lucid Air Lucid Motors SiC MOSFET 2021 e-platform 3.0 BYD SiC MOSFET 2022 Renault SiC MOSFET 2025/2026 E-GMP Hyundai SiC MOSFET 2021 Taycan Porsche Si IGBT 2020 Ultium GM SiC MOSFET 2022 e-tron GT Audi SiC MOSFET 2021 Mach E Ford SiC MOSFET(Rear only) 2021 Modular eDrive KiT ZF SiC MOSFET Mirai(FCEV) Toyota SiC MOSFET 2020 3 Tesla SiC MOSFET 2018 Y Tesla SiC MOSFET 2020 S(2021) Tesla SiC MOSFET 2021 X(2021) Tesla SiC MOSFET 2021 极氪 001 吉利 SiC MOSFET 2021 阿尔法 S Hi 版 北汽极狐、华为 SiC MOSFET 2021 全栈动力域高压平台 华为 SiC MOSFET 2021 悍马 EV 通用 GMC SiC MOSFET 2023 理想 理想 SiC MOSFET 2023 Trinity 大众 SiC MOSFET 2026 MMA 奔驰 SiC MOSFET 2025 汉 比亚迪 SiC MOSFET 2020 EV6 起亚 SiC MOSFET 2021 IONIQ 5 现代 SiC MOSFET 2021 G9 小鹏 SiC MOSFET 2022 机甲龙 长城 SiC MOSFET 2021 AION Y 广汽埃安 SiC MOSFET 2021 零跑汽车 SiC MOSFET 2023 岚图 FREE 东风岚图 SiC MOSFET 2021 ET7 蔚来 SiC MOSFET 2021 ET5 蔚来 SiC MOSFET 2022 资料来源： IDTechEx、 开源证券研究所 2.2、 SiC衬底 +GaN外延大幅提升射频器件性 能 射频功率放大器是无线发射机的重要组成部分，在发射机的前级电路中，调制振荡电路所产生的射频信号功率很小，需要经过一系列的功率放大，获得足够的射频功率以后，才能馈送到天线上辐射出去。 GaN HEMT是新一代射频功率放大器 。相较于硅材料， GaN材料具备 更 高的耐压强度，击穿场强大约是硅的 10 倍。此外，在逐渐提升电压的情况下，作为峰值电子速度的饱和电子速度也达到了硅的 2倍以上。因此 GaN 射频器件优点在于可高电压运行，且易实现高效运行。相较于硅基器件（ Si LDMOS）和第二代半导体砷化镓（ GaAs）器件， GaN HEMT在基站端更能有效满足 5G 的高功率、高通信频段和高公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 效率等要求。 图 21： GaN HEMT器件能实现高频和高功率 资料来源： Yole 不同于 Si和 SiC芯片， GaN 的外延片通常用的是异质衬底，例如蓝宝石、碳化硅、硅等。相对于常规半导体材料 , GaN单晶的生长进展缓慢 ,晶体尺寸小且成本高 ,使得 GaN单晶衬底及同质外延器件的发展落后于基于异质外延器件的应用。 表 3： GaN-on-SiC主要用于射频器件制作 优点 缺点 应用 GaN-on-SiC 与 GaN晶格失配较小； 导电、热导率高； 可靠性和使用寿命更好； 成本明显高于 GaN-on-Si； SiC折射率较大、缺陷密度高、热失配较大；外延生长前需要对衬底做表面处理； 受限于 SiC衬底尺寸， 8英寸还未开始推广； 广泛应用于 5G基站、国防领域射频前端的 功率 放大器； 今后会向功率应用方向迈进； 电动车应用 (OBC、 DC/DC等 )； GaN-on-Si 性能优于硅基 LDMOS； 成本相对较低，生长速度较快，可制作大尺寸外延片； 良好导电性、导热性和热稳定性； 性能略逊色于 SiC基底器件； Si与 GaN热失配和晶格失配很大； 质量水平显著低于 SiC基底；质量中最大的问题是可靠性；良率仅为 60%； 小功率射频，中小功率器件； GaN-on-Sapphire 蓝宝石化学稳定性好，可用于高温生长，透光，技术成熟； 器件质量、稳定性都好； 机械强度高，易于处理和清洗； 与 GaN晶格失配和热失配大 ； 不导电、倒装焊工艺复杂、价格较昂贵且导热性能差； 无法应用到射频和功率领域； 广泛应用于 LED产业，主流为 4英寸 。 资料来源： 半导体行业观察 公众号 、 开源证券研究所 SiC衬底上外延生长 GaN材料结合了 SiC优异的导热性和 GaN的高功率密度和低损耗的能力。与 Si 衬底相比， SiC 衬底上的器件可以在高电压和高漏极电流下运行，结温将随射频功率而缓慢升高，因此射频性能更好，是射频应用的合适材料。 公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 3、 碳 化硅衬底是最核心环节，海外企业占据先发优势 3.1、 碳化硅衬底制备难度高 ，行业技术进步明显 据前瞻产业研究院数据 ， 2020年 衬底成本 占据碳化硅器件成本的 47% ，其 成本高企、产量低是现阶段限制三代半器件快速渗透普及的主要因素 。 图 22： 2020年 衬底成本占碳化硅器件成本的 47% 数据来源： 前瞻产业研究院、 开源证券研究所 碳化硅 衬底的制造需经过原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切割及晶片研磨、抛光、清洗的步骤，其中晶体生长是难度最大、良率最低的环节。 图 23： 碳化硅衬底 由高纯碳粉和硅粉制备而来 资料来源： 公司招股书 不同于 硅基 材料， 碳化硅 材料无法用熔体提拉法制备，主要是因为在现有的实验条件所能达到的压力条件下， 碳化硅 没有熔点，只是在 1800以上时升华为气态。因此现有 碳化硅 单晶的制备常使用 PVT（物理气相传输）法。该方法通过感应加热的方式在密闭生长腔室内在 2300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 Si、 Si2C、 SiC2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。 为了避免无序的气相结晶形成多晶态碳化硅，生长腔室顶部设置有碳化硅籽晶，运输至籽晶处的气相组分在气相组组分过饱和的驱动下在籽晶表面原子沉积，生长为与籽晶晶格一致的碳化硅单晶。 衬底 , 47%外延 , 23%前段 , 19%研发费用 , 6% 其他 , 5%衬底 外延 前段 研发费用 其他公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 图 24： SiC衬底主要通过 PVT法制备 图 25： PVT法制备时热场温度极高 资料来源： Matthias Bickermann, Tania Paskova, in Handbook of Crystal Growth: Bulk Crystal Growth (Second Edition), 2015 资料来源： softIMPACT官网 作为现阶段最为成熟的制备碳化硅方法， PVT法仍会产生较多结晶缺陷拉低生产良率，此外该方法生长速度慢，导致碳化硅衬底量产成本高企。 PVT 法不可实施监控，相当于黑匣子操作。碳化硅单晶在其结晶取向上的不同密排结构存在多种原子连接键合方式，从而形成 200 多种碳化硅同质异构体的晶型，极易发生不同晶型之间的转化，导致生长出来的晶体晶型杂乱、结晶缺陷多，质量难以提高。此外该方法生长速度较慢，硅单晶的生长速度约为 300mm/h，碳化硅单晶的生长速度约为400 m/h，两者相差近 800 倍，规模化生产效率低。 图 26： 碳化硅衬底中含有多种晶体缺陷 资料来源： 开翠红等，基于碳化硅衬底的宽禁带半导体外延， 人工晶体学报 ， 2021 碳化硅晶锭和衬底片中均含有多种晶体缺陷，如堆垛层错（ SF）、微管（ Micropipe）、贯穿螺型位错（ TSD）、贯穿刃型位错（ TED）、基平面位错（ BPD）等等。在外延生长过程中，衬底中的 TSD约 98%转化为 TSD，其余转换为 Frank SFs； TED则 100%转化为 TED； BPD约 95%转化为 TED，少量维持 BPD。 TSD 和 TED 基本不影响最终的碳化硅器件的性能，而 BPD 会引发器件性能的退化，因此人们对 BPD的关注度比较高。堆垛层错，胡萝卜缺陷，三角形缺陷，掉落物等缺陷一旦出现在器件上，即会导致器件测试失败，致使良率降低。 公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 表 4： 碳化硅的表面缺陷会影响器件的电学 性能 缺陷 /器件 SBD MOSFET， JFET pin， BJT，晶闸管， IGBT TSD（无蚀坑） 无 无 无，但会引发局部载流子寿命降低 TSD（无蚀坑） 无 无 无，但会引发局部载流子寿命降低 BPD （包括界面位错、半环阵列） 无，但会引发 MPS二极管退化 无，但会引发体二极管退化 双击退化 （导通电阻及漏电流增加） 内生堆垛层错 VB降低（ 20%50%） VB降低（ 20%50%） VB降低（ 20%50%） 胡萝卜缺陷、三角形缺陷 VB降低（ 30%70%） VB降低（ 30%70%） VB降低（ 30%70%） 掉落物缺陷 VB降低（ 50%90%） VB降低（ 50%90%） VB降低（ 50%90%） 资料来源：基本半导体 官网 、开源证券研究所 目前微管缺陷已在业界被较好地控制，天岳先进的微管密度也已降低 至0.5以下 ，达到国际先进水平。 TSD/TED/BPD 三种主要的缺陷仍是影响碳化硅衬底良率的主要因素，其密度在过去大幅降低，使得碳化硅衬底的大规模产业化成为可能 。 图 27： TSD/TED/BPD三种主要的衬底缺陷密度大幅降低 资料来源： Krishna Shenai, et al, In-Situ Characterization of Defect Dynamics in 4H-SiC Power Diodes under High-Voltage Stressing. 2015 除了前道长晶环节，碳化硅的后道切、磨、抛相对单晶硅材料亦有更高的加工难度。 碳化硅晶体的莫氏硬度为 9.2，稍次于金刚石，目前主要用金刚石磨料对碳化硅晶体进行切割、研磨和机械抛光。经过金刚石加工的碳化硅衬底表面存在加工损伤层，该层将直接影响衬底外延层的质量，进而影响器件性能。此外，由于碳化硅硬度接近金刚石，衬底后道加工时间长，导致加工后的衬底翘曲度和总厚度变化偏大。 3.2、 海外碳化硅衬底尺寸逐步转向 8寸，制备成本降低有望加快渗透 大尺寸是碳化硅衬底制备技术的 重要发展方向。 衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多、单位芯片成本越低。衬底的尺寸越大，边缘的浪费就越小，有利于进一步降低芯片的成本。 公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 图 28： SiC衬底在向大尺寸发展 资料来源： CASA 第三代半导体 产业发展报告 ， 2020 当前全球市场上， 6英寸 碳化硅 衬底已经实现商业化，海外主流几家大厂商推出8 英寸衬底样品。随着 6 英寸 碳化硅 单晶衬底和外延晶片的缺陷降低和质量提高、 8英寸产线有望逐步实现规模化生产， 碳化硅 器件制造成本将持续下降，推进 碳化硅器件和模块的加速渗透。 表 5： 海外厂商规划量产 8英寸 衬底 国际厂商 规划 三菱电机 计划制造 8英寸 SiC衬底 意法半导体 在意大利的卡塔尼亚建立新基地生产 Norstel研发的 8英寸 SiC衬底，目标是到 2024 年实现 40%碳化硅衬底的自主供应 罗姆 2015年，展示了 8英寸 SIC衬底；罗姆将在 2025年正式批量生产 8英寸 SiC产品 II-VI 2015年 7月， II-VI展示了 8英寸导电型 SiC衬底， 2019年又推出了半绝缘 8英寸 SiC衬底。未来 5年内，将 SiC衬底的生产能力提高 5至 10倍，其中包括量产 8英寸衬底 Wolfspeed 将于 2024年量产 8英寸碳化硅等产品 Soitec Soitec将新建 2家工厂，其中一家工厂将生产 6英寸和 8英寸 SiC晶圆，该厂将在 2022年 3月前开始建设，以便在 2023/2024财年投入使用 住友矿山 将考虑开发量产效率更高的 8英寸晶圆，并在海外建设生产基地 昭和电工、 Mipox、中央玻璃株式会社 由昭和电工、 Mipox、中央玻璃株式会社共同承接“ 8寸 SiC衬底”项目，项目总预算约为 258亿日元 资料来源： 各公司官网、第三代半导体风向 公众号 、 开源证券研究所 相比之下，国内企业在大尺寸碳化硅衬底的量产进度上仍与海外龙头企业有较大差距。目前国内碳化硅衬底出货以 4 英寸为主，部分企业具备 6 英寸碳化硅衬底的量产能力， 8英寸基本处于研发阶段。 表 6： 国内厂商积极布局 8英寸碳化硅衬底的研发 国 内 厂商 规划 天岳先进 已实现 6英寸半绝缘型和导电型的量产， 8英寸导电型衬底进入研发阶段 烁科晶体 完全掌握 4-6英寸衬底片 “切 、 磨 、 抛 ”工艺 ， 同时 8英寸衬底片已经研发成功 ， 实现了 8英寸 N型碳化硅抛光片小批量生产 天科合达 2020年启动了 8英寸 SiC晶片的研发。 公司首次覆盖报告 请务必参阅正文后面的信息披露和法律声明 国 内 厂商 规划 露笑科技 2021年推进 8英寸 SiC衬底片的技术研发工作。公司联手合肥地方国资，拟分三期投资合计 100亿元，分阶段实现 6英寸及 8英寸导电型碳化硅衬底晶片及外延晶片大规模量产。 超芯星 专注 6-8 英寸碳化硅衬底产品，拥有 2条技术路线并且已经取得产业化突破 科友半导体 已完成 6英寸第三代半导体衬底制备，正在进行 8英寸研制 资料来源： 各公司官网、第三代半导体风向 公众号 、 开源证券研究所 据 CASA 统计，随着 碳化硅