天岳先进研究报告：半绝缘型碳化硅衬底龙头向导电型拓展

一、三大成长核心驱动力

1.半绝缘型 SiC 衬底龙头，向导电型衬底拓展

公司半绝缘型碳化硅衬底打破海外垄断。由于半绝缘型碳化硅（Silicon Carbide,SiC）衬底是有源相控阵雷达、毫米波通信设备、激光武器、“航天级” 固态探测器、耐超高辐射装臵等军事装备中的核心组件，2008 年《瓦森纳协定》 就对半绝缘型碳化硅衬底材料进行明确的限制，部分西方发达国家作为协定成 员国对我国实施禁运。公司实现的批量供应半绝缘型碳化硅衬底打破了海外公 司垄断。

公司在量产产品参数上与海外龙头企业接近，但在各尺寸量产时间、大尺 寸产品供应情况及供应链配套等方面仍与全球龙头企业存在一定差距。以半绝 缘型碳化硅衬底为例，在 4 英寸至 6 英寸衬底的量产时间上全球行业龙头企业 分别早于公司 10 年以上及 7 年以上；目前公司尚不具备 8 英寸衬底的产能力， 全球行业龙头企业已于 2019 年或以前具备 8 英寸衬底量产能力。

下游市场整体需求将保持快速增长。根据 Yole 预测，受益于 5G 基站建设 和雷达下游市场的大量需求，用于氮化镓外延的半绝缘型碳化硅衬底市场规模 快速增长，半绝缘型碳化硅衬底市场出货量（折算为 4 英寸）将由 2020 年的 16.56 万片增长至 2025 年的 43.84 万片，期间复合增长率为 21.5%。

公司在半绝缘型衬底领域取得突破之后，持续布局导电型衬底。目前 6 英 寸导电型衬底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 司募投项目达产后新增 30 万片/年的 6 英寸衬底，主要为导电型产品。导电型 衬底主要用于制作功率器件，由于下游新能源汽车、光伏发电和风力发电等应 用快速发展，我们预计潜在市场规模远高于半绝缘型衬底，我们将在下文行业 趋势中做详细分析。

预计到 2026 年，公司的单台长晶炉合格导电型碳化硅衬底设计产出约为 375 片/年，相比目前半绝缘型 111 片/年在长晶效率上有大幅提升，主要原因在 于： 1. 由于工艺和技术提升，公司的长晶效率和长晶质量持续提升，在导电 型碳化硅衬底的工艺开发上，公司目前最新的工艺可使部分炉次的合 格片产出量超过 15 片/炉次，折合单台长晶炉产出约 780 片/年； 2. 导电型衬底单片衬底平均厚度为 350 微米；而公司目前半绝缘型衬底 单片衬底平均厚度为 500 微米；因此同样厚度的晶棒，导电型衬底的 产出率较半绝缘型衬底的产出率高约 40%-50%； 3. 通过提高各生产环节自动化程度，从而加强衬底产品生产的综合效率。

2.良率提高、长晶效率提升、设备国产化等多因素驱动成本持续下行

从 2018 年到 2021 年上半年 ，公司毛利率快速上行是带动公司扣非归母 净利润扭亏并大幅增长的首要原因。2018 年公司主营业务毛利率为 8.5%，到 2021 年上半年大幅提升至 40.0%，从而带动公司扣非归母净利润从 2018 年的 -5296 万元实现扭亏，并在 2021 年上半年实现扣非归母净利润 2317 万元。

公司主营成本主要由直接材料、直接人工和制造费用构成。其中按照 2020 年数据，直接材料费用和制造费用合计占主营成本比例为 93%。通过提高设备 国产化率降低设备成本，通过提升良率、提高长晶速度等方式提升单台长晶炉 年产能，是过去以及未来驱动单位直接材料成本和单位制造费用的主要路径。

下面我们将具体分析各因素对成本下降的影响。 设备国产化率提升大幅降低设备折旧，但是边际效应趋缓：设备折旧是制 造费用的主要构成，从 2018 年到 2021 年，设备折旧占主营业务成本比例 持续大幅下降的主要原因是 2020 年公司扩产，核心设备长晶炉全部切换 成国内设备，单台成本大幅度降低。由于新采购长晶炉已经是 100%国内 供应商，未来随着国产长晶炉占比提升、国产长晶炉价格下降、切割机/研 磨机/抛光机和检测设备的逐渐国产化，设备折旧占主营成本比例还有继续 下降空间，但是下降速度相比 2020 年将趋缓。

对于提升单台长晶炉年产能，依靠提升长晶速度还有空间但是难度较大， 提升良率是未来主要路径：从 2018 年到 2020 年，单台长晶炉年产能从 78 片/台，提升到 111 片/台，主要受长晶速度提高和良率提升带动。公司 的平均长晶周期从 2018 年和 2019 年的 8 天缩短到 2020 年的 7 天，我们 预计通过改进目前采用的 PVT（物理气相传输法）长晶方法，长晶速度还 有提升空间，但是由于材料物理特性决定，提升速度缓慢。（报告来源：未来智库）

良率方面，过 去几年公司良率水平稳步提升，尤其是晶棒良率从 2018 年的 41%提升到 2021 年上半年的 49.9%，直接带动单位直接材料成本和单位制造成本下降。 目前无论是晶棒良率还是衬底良率，公司与 Wolfspeed 相比仍有较大提升 空间。未来随着良率水平提升，将驱动成本大幅度下降。

直接材料的国产化、衬底尺寸的扩大、规模效应、长晶技术的升级可持续 降低衬底成本：

1.直接原材料中虽然碳粉已经实现完全国产化，但是硅粉、 石墨件和石墨毡等其它原材料国产化程度较低，并且国产价格与外资供应 商价格差距较大，以 2020 年硅粉价格为例，国内供应商平均价格比外资 供应商低 12%。

2.从 4 英寸到 6 英寸，再到 8 英寸，相同的晶体制备时间 内衬底面积的倍数提升带来衬底成本的大幅降低。3.随着产能提升，单位 研发费用、单位原材料成本降低等规模效应显现 4. 作为目前主流商用的 PVT 长晶技术的潜在替代技术，液相法能更快速地制备高品质单晶，但是 目前尚有诸多工艺难点待克服。

3.在需求确定性增长背景下的产能大幅扩张

由于半绝缘型衬底主要用于微波射频领域，下游客户高度集中。公司目前 已进入半绝缘衬底下游的主导客户的供应链，目前产能仍然是制约公司营收增 长的首要因素。

2020 年产能快速增长主要用于满足半绝缘型衬底需求，募投项目投产将大 幅增加导电型衬底产能。由于新能源汽车和光伏、风电等领域对于碳化硅器件 倍数增长的需求，公司募投项目主要用于功率器件，根据公司规划，募投项目 全部达产之后将形成 30 万片/年的 6 英寸产能，是公司营收成长的基础。

二、SiC 需求趋势明确，国内产业链加速布局

1.SiC 材料的优势、产业链分析

SiC 材料在部分物理特性上具有独特优势。半导体材料领域共经历三个发 展阶段：第一阶段是以硅、锗为代表的 IV 族半导体；第二阶段是以 GaAs 和 InP 为代表的 III-V 族化合物半导体；第三阶段主要是以 SiC、GaN 为代表的宽 禁带半导体材料。相比硅材料，SiC 材料禁带宽度大，具有击穿电场高、热导 率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，因此采用 SiC 材料制备的半导 体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，适用于高电压、高频率场景，此外， 能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。

与硅相比，碳化硅部分电气特性更为优越：1.低开关损耗和导通损耗，相 比 IGBT 器件， SiC MOS 的拖尾电流大幅减低因此能降低开关损耗；更低的导 通电阻降低了导通损耗。2.耐高压：击穿电场强度大，是硅的 10 倍，用碳化硅 制备器件可以极大地提高耐压容量、工作频率和电流密度。3.耐高温：半导体器件在较高的温度下，会产生载流子的本征激发现象，造成器件失效。禁带宽 度越大，器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的 3 倍，可以保证碳 化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过 300℃，而碳化硅器件的极限工作温度可以达到 600℃以上。

同时，碳化硅的 热导率比硅更高，高热导率有助于碳化硅器件的散热，在同样的输出功率下保 持更低的温度，碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低，有助于实现设备的 小型化。 以碳化硅材料为衬底的产业链主要包括碳化硅衬底材料的制备、外延层的 生长、器件制造以及下游应用市场。在碳化硅衬底上使用化学气相沉积法 （CVD 法）生成所需的薄膜材料，即形成外延片，进一步制成器件。

碳化硅衬底按照电学性能不同分为半绝缘型衬底和导电型衬底。其中半绝 缘型衬底电阻率≥105Ω〃cm，主要用于制造氮化镓射频器件。通过在半绝缘 型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制 成氮化镓射频器件，主要应用于通信和国防等；导电型衬底电阻率区间为 15- 30mΩ〃cm，主要用于制作功率器件，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅 衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层 上制造各类功率器件，主要用于新能源汽车和光伏、风电等新能源领域。

晶体生长缓慢，缺陷控制难度大导致成品良品率低，加工难度大等因素是 造成碳化硅衬底成本高居不下的重要原因：

单晶生长技术：目前主流厂家都采用 PVT 物理气相传输法。碳化硅晶体生 长速度远慢于硅晶体，8 寸硅晶圆 2-3 天可以生长至 1-2 米，而碳化硅 4 寸 晶圆一周只能生长 2-6cm。晶体生长过程中的微管、位错等缺陷都会影响 衬底性能，降低良率。

单晶加工技术：由于碳化硅硬度非常高且脆性高，使得打磨、切割、抛 光都耗时长且良品率低。硅片切割只用几小时，而 6 寸碳化硅片切割要 上百小时并且碎片率高。

衬底是碳化硅功率器件产业链的核心环节，衬底成本下行将带动器件成本 下行。目前碳化硅方案成本高昂的重要原因是衬底材料成本高昂。我们以 SiC JBS（碳化硅结势垒肖特基二极管）为例，成本结构中，衬底约占 50%、外延 片约占 20%、晶圆加工约占 25%、封测约占 5%。目前 4 英寸导电型碳化硅衬 底比较成熟，良率较高，同时价格较低，而 6 英寸衬底价格由于供给少和成片 良率低，价格远远高于 4 寸片。未来推动碳化硅衬底成本降低的三大驱动力： 1.工艺和设备改进以加快长晶速度 2.缺陷控制改进提升良率 3.设备和材料国产 化降低设备成本。随着产业成熟，预计衬底价格未来五年以每年 10%-20%左 右的幅度下降，从而带动碳化硅器件成本下降。

2.半绝缘型衬底：受益于氮化镓射频器件增长及国产替代

半绝缘型碳化硅衬底制备的氮化镓射频器件主要为面向通信基站以及雷 达应用的功率放大器。射频器件在无线通讯中扮演信号转换的角色，是无线 通信设备的基础性零部件，主要包括功率放大器、滤波器、开关、低噪声放 大器、双工器等。目前主流的射频器件有砷化镓、硅基 LDMOS、碳化硅基 氮化镓等不同类型。 氮化镓射频器件逐步取代硅基 LDMOS。根据 Analog Dialogue，砷化镓 器件已在功率放大器上得到广泛应用；硅基 LDMOS 器件也已在通讯领域应 用多年，但其主要应用于小于 4 GHz 的低频率领域；碳化硅基氮化镓射频器件具有良好的导热性能、高频率、高功率等优势。

氮化镓射频器件是迄今为 止最为理想的微波射频器件，因此成为 4G/5G 移动通讯系统、新一代有源相 控阵雷达等系统的核心微波射频器件。氮化镓射频器件正在取代 LDMOS 在 通信宏基站、雷达及其他宽带领域的应用。随着信息技术产业对数据流量、 更高工作频率和带宽等需求的不断增长，氮化镓器件在基站中应用越来越广 泛。根据 Yole 预测，至 2025 年，功率在 3W 以上的射频器件市场中，砷化 镓器件市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓射频器件有望替代大部分硅 基 LDMOS 份额，占据射频器件市场约 50%的份额。

半绝缘型碳化硅衬底的需求量受益于氮化镓射频器件市场规模持续增长。 碳化硅基氮化镓射频器件以无线通信基础设施和国防应用为主。碳化硅基氮 化镓射频器件成为 5G 基站功率放大器的主流选择。在国防军工领域，碳化 硅基氮化镓射频器件已经代替了大部分砷化镓和部分硅基 LDMOS 器件，占 据了大部分市场。对于需要高频高输出的卫星通信应用，氮化镓器件也有望 逐步取代砷化镓的解决方案。

根据 Yole 预测，随着通信基础建设和军事应用的需求发展，全球氮化镓射频器件市场规模将持续增长，预计从 2019 年的 7.4 亿美元增长至 2025 年的 20 亿美元，期间年均复合增长率达到 18%。 半绝缘型衬底进口替代需求强烈。2008 年《瓦森纳协定》对半绝缘型碳 化硅衬底材料进行明确的限制，部分西方发达国家作为协定成员国对我国实 施严格禁运，国内半绝缘型碳化硅衬底的采购主要通过其他渠道进口采购。 而为了保证安全链供应，半绝缘型碳化硅衬底的国产化势在必行。（报告来源：未来智库）

3.导电型衬底：2025 年有望迎来 SiC 替代 IGBT 的“奇点时刻”

电动车 SiC碳化硅方案带来五大优势：目前电动车（不包括 48V MHEV） 系统架构中涉及到功率器件的组件包括：电机驱动系统中的牵引逆变器 （Traction Inverter, DC－AC，直流转交流电）、车载充电系统（OBC，Onboard charger）、800V 高功率电源转换系统（车载 DC-DC 转换器）和非车载 充电桩。

电动汽车采用碳化硅解决方案可以带来五大优势：1.可以提高开关频 率降低能耗。采用全碳化硅方案逆变器开关损耗下降 80%，整车能耗降低 5%- 10%；2.可以缩小动力系统整体模块尺寸，以丰田开发的碳化硅 PCU 为例，其 体积仅为传统硅 PCU 的五分之一 3.在相同续航情况下，使用更小电池，减少 无源器件使用，降低整体物料成本。以电动汽车的 6.6kW 双向 OBC 为例，典 型 DC-AC 部分包括四个 650V IGBT、几个二极管和一个 700-µH 电感，占材 料清单成本的 70%以上。通过使用四个 650V SiC MOSFET 实现，只需要 230 µH的电感。这比基于 IGBT 的设计降低了将近 13%的材料清单成本。4.缩短电 池充电时间，由于更高的充电功率和更小的电池，可以大幅缩短电动车充电时 间。5. 耐高温，在 600 度的工作温度下有高度稳定的晶体结构。

电动车的逆变器、OBC、DCDC、大功率充电桩等对碳化硅需求将大幅度增长。逆变器从整车控制器（VCU）获取扭矩、转速指令，从电池包获取高压 直流电，将其转换成可控制幅值和频率的正弦波交流电，才能驱动电机使车辆 行驶。电动车中，逆变器和电机取代了传统发动机的角色，因此逆变器的设计 和效率至关重要，其好坏直接影响着电机的功率输出表现和电动车的续航能力。

除逆变器之外，碳化硅在 OBC 中已经得到较为广泛的运用，目前有超过 20 家 汽车厂商在 OBC 中使用 SiC 器件，随着车载充电机功率的提高，碳化硅方案 也从二极管向“二极管+SIC MOS”演进； DC－DC 转换器上从 2018 年开始从硅 基 MOS 转向 SiC MOS 方案 。对于充电桩，采用碳化硅模块，充电模块功率 可以达到 60KW 以上，而采用 MOSFET/IGBT 单管的设计还是在 15-30kW 水 平。采用碳化硅功率器件相比硅基功率器件可以大幅降低模块数量，满足快速 增长的超级快充需求。

短期成本高昂，但 SiC 取代 IGBT 的“奇点时刻”有望于 2025 年来临。 从车辆总成本的角度看，碳化硅方案可以给汽车制造商带来成本收益。随着 SiC 成本下降，碳化硅在电动车上的应用将爆发性增长。从物料成本角度看， 目前新能源电动车采用硅基方案的全车功率器件价值约 400 美元左右，我们预 计目前在新能源车全碳化硅方案成本约为 1500-2000 美元，是硅基方案成本的 4-5 倍。随着产业成熟，预计衬底价格未来五年以每年 10%-20%左右的幅度下 降，碳化硅功率器件成本每年能以 10%-15%幅度下降。

假设未来五年 IGBT 价 格每年下降 5%，电池成本每年下降 10%，乐观预计全碳化硅方案相比硅方案 能降低能耗 8%-10%，加上考虑相同续航条件下节省的电池成本，散热系统成 本的缩减、无源器件成本缩减，及更好能效节省的使用成本，我们预期从 2025 年开始，全碳化硅方案相比硅方案就具有综合物料成本优势，开始爆发式增长。 在实现综合成本优势之前，碳化硅会从售价相对高昂的车型开始被采用，这部 分需求也足够拉动行业快速增长。

预计 2026 年碳化硅功率器件市场规模达到 60 亿美元。由于车用需求快 速增加，并且碳化硅在工业和新能源领域替代 IGBT 和高压 MOSFET， Wolfspeed 预计到 2026 年碳化硅功率器件市场规模由 2022 年的 22 亿美元 增加到 60 亿美元，复合增速达到 28%，其中车用占比达到 77%。

三、天岳先进：国内 SiC 衬底领域领军企业

公司是国内领先的碳化硅衬底生产商，主要产品包括半绝缘型和导电型碳 化硅衬底，目前已跻身半绝缘型碳化硅衬底市场份额世界前三。 华为旗下哈勃投资参股，侧面验证竞争优势。作为全球主要的通信设备提 供商，华为对用于基站功率放大器的半绝缘型碳化硅衬底有间接采购需求，华 为通过哈勃的投资形成对供应链的保证，而对于天岳也是竞争优势的认证。

募投项目扩大导电型碳化硅产能，预计 2026 年达产。在全球需求确定性 爆发增长的背景下，全球主要相关公司大规模扩充产能，巨头 Wolfspeed 公司 于 2019 年宣布投资 10 亿美元扩产 30 倍，以满足未来市场需求。公司计划募 集 20 亿元，发行不超过 4297 万股，募集资金主要用于 6 英寸导电型衬底产能， 预计于 2022 年试生产，2026 年 100%达产，达产后新增产能 30 万片/年。（报告来源：未来智库）

四、盈利预测与投资分析

1.营收、毛利率预测及关键假设

由于衬底综合良率从 2018 年的 30%提升到 2021 年上半年的 38%，长 晶周期从 8 天缩短到 7 天，使得半绝缘型衬底产能从 2020 年的 4.8 万 片/年提升到 2021 年的 5.7 万片/年（2021 年上半年数据年化）。2022 年 随着良率提升和新增设备，半绝缘型衬底产能将进一步提升；预计导电 型衬底在 2022 年下半年投产，一期有望在 2023 年达产。价格方面预计 4 英寸半绝缘型衬底和 6 英寸导电型衬底价格每年下降 10%-20%,由于 2019-2021 年导电型衬底是 4 英寸，2022 年投产导电型衬底是 6 英寸， 因此导电型衬底价格从 2021 年到 2022 年大幅提升。

毛利率方面，我们认为公司目前半绝缘型衬底 40%左右的毛利率水平在 行业内属于领先水平。而导电型衬底在 2022 年投产初期，由于良率低 等因素，我们预计毛利率较低，从而拉低整体毛利率。

2.盈利水平和估值的同业比较

我们选取 Wolfspeed 作为海外同业比较的参考样本，因国内没有主营产品 相同的上市公司，我们选取同样为半导体材料公司的沪硅产业和安集科技作为 参考样本，由于公司产品主要是价格较高的半绝缘型衬底，因此以 2020 年毛 利率水平看，公司高于 Wolfspeed，而从 2018-2020 年营收复合增速看，公司 远高于同业。

（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。）