2022年天岳先进研究报告 国产半绝缘碳化硅衬底龙头

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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%。

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。

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、高通信频段和高效率等要求。

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。

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。

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。

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。

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。

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 400μm/h，两者相差近 800 倍，规模化生产效率低。

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。

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。

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。

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。

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。

据 CASA 统计，随着碳化硅衬底的成本不断降低，碳化硅、氮化镓器件的价格 近几年亦实现快速下降，2020 年较 2017 年下降了 50%以上，主流产品与硅基器件的 价差也在持续缩小，基本已达到 4 倍以内。考虑系统成本的节省和能耗因素，应用 碳化硅及氮化镓器件的模组已经有一定的竞争力。

新能源汽车市场及新能源发电市场保持较高增速，碳化硅衬底市场有望随碳化 硅器件的不断导入而取得蓬勃发展，市场空间广阔。 根据 Yole 测算，仅碳化硅器件中的功率器件的市场规模将从 2021 年的 10.90 亿 美金增长至 2027 年的 62.97 亿美金，复合年增长率约 34%。

根据 PGC 数据，若器件厂商外采衬底进行晶圆制造，碳化硅衬底约占 SiC MOSFET 器件成本的 30%-40%。据此计算，2027 年 62.97 亿美金的碳化硅功率器件 市场中，导电型碳化硅衬底市场规模约为 19-25 亿美金。

4、 公司立足绝缘型领先地位，发展导电型前景可期

4.1、 绝缘型衬底快速追赶，已成为全球市场主要供应商

半绝缘型衬底和导电型衬底的区别主要在于电阻率。N 型导电的碳化硅衬底， 其电阻率小于 0.03Ω·cm，主要用于同质碳化硅外延制备电力电子器件。半绝缘型 碳化硅衬底电阻率大于 10^5Ω·cm，用于异质生长氮化镓外延制备射频器件。 在常温下，碳化硅是一种半导体，随着温度升高而有所减少，也随晶杂质的种 类和数量而变化。PVT 法制备时碳化硅粉料中一般含有极微量的氮（N），硼（B）、 铝（Al）、铁（Fe）等杂质，其中氮是 n 型掺杂剂，在碳化硅中产生游离的电子，硼、 铝是 p 型掺杂剂，产生游离的空穴。 在制备导电型碳化硅衬底，需在晶体生长时通入氮气，让其产生的电子中和掉 硼、铝产生的空穴，另外的游离电子使碳化硅表现为 n 型导电；在制备半绝缘型碳 化硅衬底时，需要加入钒（V）杂质，钒既可以产生电子，也可以产生空穴，其产生 的电子中和掉硼、铝产生的空穴，其产生的空穴中和掉氮产生的电子，所生长的碳 化硅几乎没有游离的电子或空穴，形成高电阻率的半绝缘型碳化硅晶体。

由于掺钒工艺复杂，半绝缘碳化硅制备难度大、成本高。山东大学是国内在半 绝缘型碳化硅衬底的制备探索较早的单位，2007 年，在国家“863”计划支持下，山 东大学晶体材料国家重点实验室在 2000℃高温和真空的环境下，成功生长出 3 英寸 碳化硅单晶。公司早期与山东大学进行相关产业化合作项目，取得相关技术借鉴， 并通过自主研发，逐步缩小绝缘型衬底与海外大厂的技术指标差距。 公司从 4 英寸到 6 英寸半绝缘型衬底的量产能力演进用时短于海外龙头。2020 年公司开始进行 8 英寸晶体及衬底相关研发工作，现阶段量产衬底尺寸以 4 英寸为 主，与海外龙头厂商尚存一定差距。

据公司招股说明书，公司 6 英寸半绝缘型衬底微管密度、多型面积、电阻率范 围等主要性能指标均与 Wolfspeed 等公司产品接近或更优。

在半绝缘领域，公司产品批量且稳定地供应给通信行业领先企业，用于其新一 代信息通信射频器件的制造，并借此在 2020 年占据全球 30%的市场份额，说明公司 已成为全球半绝缘碳化硅衬底主要供应商之一。

4.2、 通过募投项目进军导电型衬底，斩获大订单前景可期

公司在导电型碳化硅衬底的制备技术上已有所积淀。公司分别作为“863”计划 新材料技术领域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。

公司通过 IPO 募集资金 25 亿元，并将投入 20 亿元用于“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。 据公司 2021 年报，公司募投项目“碳化硅半导体材料项目”已在上海临港正式 开工建设。该项目纳入国家布局，且被上海市政府列为 2021 年、2022 年上海市重大 建设项目。项目主要用于生产 6 英寸导电型碳化硅衬底材料，满足下游电动汽车、 新能源并网、智能电网、储能、开关电源等碳化硅电力电子器件应用领域的广泛需 求。项目预计 2022 年三季度实现一期项目投产，并计划于 2026 年达产，达产后将 新增碳化硅衬底材料产能约 30 万片/年。 公司导电型碳化硅衬底已收获大订单，产业化落地成果已显。据公司 2022 年 7 月 21 日公告：2023 年至 2025 年，公司及公司全资子公司上海天岳将向客户 E 销售 6 英寸导电型碳化硅衬底产品，按照合同约定年度基准单价测算（美元兑人民币汇率 以 6.7 折算），预计含税销售三年合计金额为人民币 13.93 亿元。随着公司“碳化硅 半导体材料项目”产能逐步建设爬坡，公司有望深度受益导电型碳化硅衬底市场的快速增长，实现销售规模与综合实力的长足发展。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）