2022年全球第三代半导体龙头Wolfspeed专题研究 全球最大的碳化硅衬底供应商

碳化硅行业分析

行业概览-碳化硅（SiC）简介及特点

什么是碳化硅？ 由碳元素和硅元素组成，本质上是化合物半导体材料，和氮化镓（GaN）同属于宽禁带半导体（国内分类为第三代半导体）范畴，在部分领域（如：功率器件） 可对前两代半导体材料实现替代，但无法实现完全替代。

碳化硅材料特点： 同第一代以硅、锗为代表的单元素半导体和第二代以砷化镓、磷化铟为代表的化合物半导体相比，碳化硅具有卓越的物理性质，可满足在高压（高击穿电场强 度、高禁带宽度）、高温（高热导率、高禁带宽度）、高频（高饱和电子漂移速率）等环境下工作的需求并拥有更高的功率密度和更低的导通损耗。

同第四代以氧化稼、金刚石为代表的超宽禁带半导体相比，碳化硅的技术相对更为成熟，良率处于较快提升期，成本下降趋势明显，商业化前景广阔。而氧化 稼虽然拥有更宽的禁带，但其导热性差并且面临P型掺杂难度大等问题，目前仍处于发展的早期阶段，对良率和成本的控制较差；根据日本NCT公司预测， 2030年氧化稼晶圆的市场规模约为4.2亿美元，从规模上看短期和中期不具备对碳化硅的大规模替代。金刚石在材料、器件等领域仍有众多问题需要攻克，目 前不具备商业化条件。

市场空间

碳化硅：根据Yole，2021年全球碳化硅功率半导体市场规模为10.9亿美元，2027年该规模为62.97亿美元，2021-2027年总市场规模CAGR为34%。细分来看，2021年应用于汽车领域的规模为6.85亿美元，占比约63%，2027年该规模为49.86亿美元，占比约79%； 2021-2027年汽车领域CAGR为39%；由于 传统燃油车缺乏应用场景和需求，因此新能源车是碳化硅最主要的应用领域，也是增速最快的领域。 氮化镓：2020年全球氮化镓器件市场规模约8.91亿美元，2026年约24亿美元，2020-2026年CAGR为18%。

产业链分析-总览

产业链上游为材料厂商，可进一步细分为衬底和外延；中游为器件厂商，具体包括碳化硅器件的设计、制造、封测；下游为各领域中的应用厂商，包括新能源 车企、光伏企业等。 一种材料，两种衬底：碳化硅衬底可分为导电型衬底和半绝缘型衬底，在前者的基础上可生成碳化硅同质外延片并最终用于功率器件的制造，而在后者的基础 上只能生成氮化镓外延片并最终用于射频器件的制造。 原则上衬底和外延使用同一种材质（避免晶格失配，提高外延膜质量），但是由于氮化镓衬底制备的高成本，目前氮化镓器件普遍采用异质衬底制备，主要包 括蓝宝石、碳化硅、硅。 根据Yole，2026年全球氮化镓器件市场规模约为24亿美元，2020-2026年CAGR为18%，规模和增速较碳化硅功率器件偏低，考虑到蓝宝石和硅等其他衬底的 应用分散了半绝缘型碳化硅衬底的市场，我们认为以导电型衬底为基础的功率器件路线是更优质的赛道。

产业链分析-衬底

衬底是整个产业链中价值量占比最大的环节，占碳化硅器件成本的比重达47%。 从制造流程上看，首先需要将高纯碳粉和硅粉按比例在高温下进行合成为碳化硅粉，再通过特定工艺进行晶体生长形成碳化硅晶锭并进一步加工形成晶棒，在 晶棒的基础上进行切割形成晶片，最后经过研磨、抛光、清洗等步骤形成衬底。 从衬底制备的上游看，碳粉和硅粉是核心材料，但占原材料采购金额的比重较低，为10%左右，约70%以上的原材料成本被石墨件（寿命1-2个月）、石墨毡 （寿命3-4个月）等耗材（主要为热场和保温材料）占据。 硅粉方面，相关海外厂商主要为德国瓦克；碳粉方面，相关海外厂商主要为日本东洋碳素和德国西格里；目前国内厂商在这两个领域均有所建树，可以保证材 料的自主可控，天岳先进的碳粉采购100%为国产。石墨件和石墨毡方面海外厂商优势更加明显，尤其在石墨毡领域，国内衬底厂商几乎完全依赖进口。

产业链分析-外延

外延环节占碳化硅器件成本的比重约为23%，同衬底相比，技术壁垒偏低。 外延指在衬底上生长一层单晶材料，使晶格排列整齐，降低缺陷密度，提高功率器件的稳定性。 外延厚度决定电压，1μm厚度对应100V左右。电压越高，厚度增加，制备难度越大，通常600V的低压器件需要6 μm厚的外延层，1200-1700V的中压器件需要 10-15 μm的外延层。 工艺方面，CVD（化学气相沉积法）是最普遍的制备方法，其原理是将衬底加热后通入反应源气体SiH4和C3H8，当反应源气体被热分解成单个原子或原子团后， 通过扩散和迁移最终于衬底表面沉积薄膜。

产业链分析-器件

器件包括设计、制造、封装三大环节，三大环节占碳化硅器件成本比重约为25%-30%。 从产品种类来看，主要包括SiC二极管、SiC MOSFET两种分立器件、集SiC二极管同SiC MOSFET于一体的SiC模块以及将SiC二极管同Si IGBT集成的SiC混合模 块四种产品。 SiC MOSFET主要用来替代Si IGBT，目前有2种技术路线：平面型（Wolfspeed、意法半导体主推）和沟槽型（英飞凌和罗姆主推）；安森美的前三代技术均为 平面型，下一代将会进入沟槽型的设计。目前平面型的技术更为成熟，是市场主流。对比Si MOSFET的发展，沟槽型比平面型有显著的性能提升，但是目前由 于SiC MOSFET栅极氧化层在实际工作中易被击穿且可靠性较差，沟槽型并没有显示出优势；而平面型仍能在现有技术上不断迭代，性能提升仍有空间；从长 期看，沟槽型将会成为主流和各大厂商发力的重点。

竞争格局

衬底：Wolfspeed是绝对的龙头，占据62%的市场份额，高意和被罗姆收购的SiCrystal市占率分别为14%和13%，国内企业天科合达占有4%的全球份额，位居 全球第五。 外延：形成Wolfspeed和Showa Denko的双寡头格局，两家企业分别占据52%和43%的市场份额，形成寡头垄断。 器件：意法半导体先发优势明显（较早绑定下游客户），全球份额稳定在42%；功率半导体龙头英飞凌的市场份额提升较快，从2020年的16%提高到2021年的 23%；安森美重点发力碳化硅，未来可能是破局的黑马，公司给出的指引显示2022年碳化硅业务将会是2021年的3倍，2023年碳化硅业务总营收为10亿美元， 对比来看，意法半导体给出的指引为2023年碳化硅业务营收达10亿美元，英飞凌的指引则为2025年碳化硅业务营收达10亿。

行业驱动力

技术进步（降本、提高良率）： 扩径：碳化硅晶圆尺寸的迭代成为降本的主要途径，尺寸从上世纪90年代的1英寸逐渐演进为8英寸（200mm），尺寸越大，单片晶圆可切割的die越多，同时 边缘损耗越少。目前6英寸仍是主流尺寸，2022年4月Wolfspeed的全球首个8英寸碳化硅晶圆厂小批量生产。长晶：中科院物理所和日本住友等推进LPE法的研究，LPE法对温度要求低，仅为1000°C左右，长晶速度更快。 切割：未来激光剥离技术取代目前的多线切割会使效率高2-3倍，英飞凌通过开发冷裂技术减少晶锭在切割过程中的材料损失，预计2024年可以商业化。 应用领域拓展，新能源成主要商业化落地场景：2001年英飞凌推出全球首个碳化硅SBD以来，碳化硅始终没有找到可以大规模商业化的场景，随着2018年特斯 拉首次在Model 3上使用碳化硅模块，碳化硅产业化速度明显加快，随着800V高压平台陆续上车，碳化硅的需求会出现爆发。

供需分析-供给端

碳化硅衬底作为紧缺材料，由于产能有限，而下游需求旺盛，目前处 于供不应求的状态。 Wolfspeed、高意、罗姆三家衬底大厂纷纷加码衬底产能建设，抢占 市场先机。2022年9月公告将在美国建设号称世界上最大的碳化硅衬 底工厂，建成后现有产能将扩大10倍；预计一期工程2024年完成。 从供给规格来看，全球目前共有13家企业或机构成功研发8英寸碳化 硅衬底，但能够量产的比例偏低，未来衬底会从6英寸逐渐向8英寸过 渡，但短期将仍以6英寸供给为主。

公司基本情况

前十大股东持股情况及管理层持股情况

股权结构方面，前十大股东都是机构投资者。占整体持股约65.96%。其中，Captial Group持股比例从2017年不足5%一直逐年增持到现时的23.68%。

基本面分析-业务分类

Wolfspeed不仅在器件端打造了设计、制造、封测及销售的IDM模式，亦在衬底、外延环节自主生产，成为了全球最大的碳化硅衬底供应商。 整体形成了从材料到器件的IDM+全产业链模式。由于2022财年开始加大功率器件对车企的供给，功率器件业务占比超过材料业务成为第一大业务。

主营业务回顾及分析-碳化硅材料

碳化硅材料包括衬底和外延， Wolfspeed的材料收入主要来自于衬底。 Wolfspeed材料产品包括：碳化硅裸晶圆、外延片、碳化硅晶圆上的外延层。 Wolfspeed与器件供应商们达成的长期晶圆供应协议的最新总额已经超过 13 亿美元。

主营业务回顾及分析-功率器件

Wolfspeed在功率器件领域暂时优势并不明显，主要在车规级领域的验证不及意法半导体，切入器件时间不及英飞凌， SiC MOSFET 技术未来或是沟槽型主导。 但制作器件必不可少的需要衬底和外延，也是未来决定器件价格及品质的关键，因此，掌握衬底和外延技术领先的Wolfspeed有争夺市占率的潜力。 Wolfspeed功率产品包括：碳化硅肖特基二极管、分离式MOSFET器件、功率模块、栅极驱动板。

主营业务回顾及分析-射频器件

Wolfspeed在射频器件领域的切入是2018年以3.45亿欧元收购英飞凌射频业务。 Wolfspeed射频产品包括：主要包括 28V、40V、50V 宽带应用场景的 GaN HEMT 器件以及适用于不同波段的碳化硅基氮化镓和 LDMOS 功率晶体管的产品组合。 Wolfspeed所在的射频器件市场竞争十分激烈，射频器件所用的半绝缘型衬底壁垒没有功率器件所用的导电型衬底高。

报告节选：

（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。）