电子-第三代半导体专家十问十答：SiC GaN 路在何方

免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。2023年10月25日│美国动态点评研究员SACNo.S0570523020002SFCNo.ASI353+(852)36586000purdyho@SiC商业化进程领先GaN三年，预计2026年投资扩产或转向SiC商业化进程领先GaN三年，预计2026年投资扩产或转向GaN斯拉的功率器件应用加速了SiC应用于新能源车的进程。SiC相较GaN有三年的商业化领先，全球市场由Wolfspeed、Coherent、安森美等公司垄断。在小米推出手机快充后，GaN产业规模迅速扩大，产业龙头有住友化学、英飞凌、三安光电等。GaN相较SiC长晶速度快、成本更低，GaN可以利用现有的硅（Si）工艺和设备，在普通的硅衬底上生长。而SiC则需要采用高纯度的SiC衬底，大幅提高了材料成本。GaN未来的增长动能取决于能否在工业、汽车领域应用，但GaN上车仍处于送样测试阶段，车规级器件放量预计会在2028年左右。展望未来，SiC和GaN或将形成各自的市场格局，预计2026年随着SiC产能饱和，大型公司可能将目光转向GaN领域投资扩产。SiC领域M&A活跃，Coherent通过合资子公司提前锁定日本市场在SiC领域，融资并购活动主要是公司为了掌握核心技术提升良率，从而实现规模效应来降本增效，或是为了锁定产能确保衬底供应的稳定性。2008年罗姆公司收购SiCrystal，2019年意法半导体收购Norstel，以及2021年安森美收购了GTAdvanced，在后续业务实践中都实现了双赢。2022年II-VI收购Coherent后，新公司命名为Coherent，并加速SiC业务布局。今年10月11日，三菱电机和Denso分别投资5亿美元在Coherent子公司SiliconCarbideLLC各占股12.5%，签署6英寸和8英寸SiC晶圆的长期供应协议，提前锁定日本市场。国内SiC龙头在质量和工艺取得突破，降本增效取决于多方面因素国内SiC衬底龙头在质量方面实现较大突破，但在工艺上仍有差距。1）技术来源：国内60余家SiC衬底企业，主要的技术和人才来源于天科合达和天岳先进；2）质量：我们认为国内SiC衬底质量能与国外巨头相媲美，具备竞争力；3）工艺：海外内龙头企业在长晶速度上距离也缩小。专家表示，国内长晶速度在每周20-30mm（切20-30片Wolfspeed和Coherent长晶速度在每10余天长40-50mm（切40-50片4）长晶设备：国内PVT设备国产率高，性价比较高；5）能源：由于长晶炉内温度高达2400摄氏度，能耗大。而国内太阳能、风电水电充足，有潜在降本可能性；6）技术人才：国外龙头企业的技术团队更加稳定。长晶技术为大尺寸SiC衬底研发核心挑战，激光切割或为下一代技术主流国内晶圆尺寸在从4到6英寸过渡，6英寸去年开始大规模量产，8英寸全球只有Wolfspeed在纽约的莫霍克谷工厂有小批量试产，良率为公司核心机密未披露。8英寸晶圆性价比较低，面积约为6英寸晶圆的1.8倍，但价格高达2000美元为6英寸片价格的2.5倍。长晶技术是研发8英寸SiC衬底的核心挑战，由于长晶过程类似“黑匣子”，在高成品率和拉晶长度之间取合适平衡需要大量的工艺经验积累，还需要对材料、坩埚、热场、SiC粉末等不断进行优化和升级。后续切磨抛过程中，8英寸由于其更大尺寸，在切割过程中出现的应力、翘曲等问题亟需技术迭代，激光切割技术或为下一代主流方案。风险提示：SiC长晶技术研发不达预期、SiC器件降本不达预期、价格竞争愈演愈烈等。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。2023年10月20日，海外科技团队举办了第三代半导体专家交流会，邀请了BelGaN创始人周贞宏博士。会上专家主要分析了国内外衬底公司竞争格局与降本增效手段，也讨论了衬底生长和切磨抛设备的国产化替代，以及碳化硅（SiC）衬底的拉晶工艺技术难点。专家同时也展望砷化镓（GaN）生产工艺优势所带来的高性价比，在未来或能成为SiC替代品。三菱电机（MitsubishiElectric）和电装公司（DENSOCorporation）各自决定投资5亿美元，将分别取得Coherent旗下SiC业务公司SiliconCarbideLLC12.5%的非控股权益。与此同时，Coherent也将与三菱电机和电装公司签订长期供应协议，以应对其6英寸和8英寸晶圆和外延片的强劲需求。三菱电机一直在高速列车、高压工业应用和车规级SiC功率模块领域处于全球领先地位，而电装公司则是全球第二大、日本最大的汽车零部件制造商，同时也在积极推进SiC逆变器和电驱技术。Coherent作为一家全球领先的材料、网络和激光公司，于2023年5月将其SiC业务部门分拆成SiliconCarbideLLC，专注于SiC晶片和外延片的生产。我们认为，这次合作对三家企业都至关重要，实现了共赢局面。在SiC功率器件的生产成本中，衬底价格占据了60%的份额。对于像三菱和电装这样的行业领军者而言，确保衬底供应的稳定性非常关键，以避免潜在的量产风险。同时，II-VI（即Coherent的前身）在收购Coherent和Finisar时分别投入70亿和32亿美元，急需现金流来扩大产能。在SiC领域，资本运作非常普遍。例如，2009年罗姆收购了SiCrystal，2019年安芯收购了Norstel后又将其出售给意法半导体，以及2021年安森美收购了GTAdvanced。如果企业不能克服技术难题，且赶上行业龙头高速扩张的步伐，实现良率提升和规模效应降低成本，无论是初创公司还是行业巨头，都可能面临失去客户的潜在风险。资料来源：Yole，华泰研究资料来源：WolfspeedInvestorDay2022，华泰研究资料来源：WolfspeedInvestorDay2022，华泰研究国内SiC衬底制造企业在质量方面已实现了较大突破，但在工艺上仍存在一些差距。为提高市场份额，一些公司通过政府补贴等方式降低价格。然而，降低成本和提高效益仍然受限于产能扩充、工艺经验积累、能源利用、技术人才储备和企业运营等因素。在国际市场竞争中，为了取得优势，企业需投入更多资源和资金。一些大型企业，如三安光电和比亚迪半导体，正积极扩大产能，提高生产效率。然而，对于中小企业而言，在激烈的市场竞争中脱颖而出，需不断获得投资支持，不断提升产能和效益。可以从以下几个方面考察：1.技术来源：国内大约有60家SiC衬底企业，它们的技术和人才主要来自于天科合达和天岳先进。这两家公司都有着丰富的技术积累，是国内SiC技术的重要来源。2.质量层面：国内SiC衬底的质量能与国外巨头相媲美，具备一定竞争力。3.工艺层面：国内SiC衬底与国外龙头企业在长晶速度上差距较小。国内领军企业每周生长的晶碇厚度为20-30mm，可以切割成20-30片。Wolfspeed和Coherent等国外企业每十几天可以长出40-50mm的晶碇，可以切割成40-50片。4.长晶设备层面：国内SiC衬底的物理气相传输（PhysicalVaporTransport,PVT）长5.能源层面：国内领军企业可以在太阳能、风电和水电充足的地区建立厂房，相对于国外企业拥有潜在的成本优势。由于长晶炉内的温度高达2400摄氏度，能耗相当巨6.技术人才：国内SiC衬底制造领域的技术人才相对分散，许多初创公司的合伙人都来自天科合达或天岳先进。然而，与之相比，国外龙头企业的技术团队更加稳定，其稳定性带来了更多的工艺经验积累。国内市场主要由两类公司组成：一类是生产传统Si单晶炉的上市公司，另一类则是专注于SiC长晶炉的初创企业。上市公司北方华创及晶升股份为国内SiC单晶炉第一梯队厂商，具备国内领先的SiC长晶炉技术。其中，北方华创的SiC单晶炉国内市场份额超过50%，主要依赖天岳先进提供的长晶设备，主要应用于生产4-6英寸的半绝缘型SiC衬底。而晶升股份则占据了约28%的国内市场份额，是三安光电的主要供应商，其长晶设备主要用于制造6英寸的导电型SiC衬底未上市公司宁波恒普真空科技公司已向下游SiC厂商交付小批量单晶炉，而其他初创公司包括连城数控、哈尔滨科友半导体、山东力冠微电子装备等。。在海外市场，衬底厂商主要以Wolfspeed为首，多为自主研发长晶炉设备。免责声明和披露以及分析师声明是报告的一部分，请务必一起阅读。资料来源：北方华创，华泰研究资料来源：TEL，华泰研究资料来源：Axecelis官网，华泰研究国内SiC长晶主要集中在4寸和6寸晶圆上，国内6寸晶圆去年才刚开始大规模量产，8寸晶圆在国内尚未进入量产阶段，目前只有Wolfspeed和Coherent等少数厂商有一些生产规模。SiC长晶的难点主要在于高温环境下的工艺控制，SiC的熔点约为2700度，相比之下，Si的熔点在1410摄氏度，这需要设备具备承受极高温度并能长时间保持均匀性的特性，对设备提出了极大的挑战。在生产过程中，温度的控制非常关键，一般无法用探头直接观察长晶的过程，因此很多时候，生产过程就像一个黑匣子，中间出了问题，只能在晶体完全生长后才能发现。因此，保持高成品率对于SiC长晶非常关键，即使需要降低晶体长度以减少损失，也是为了确保产品质量。在这方面，拥有多年经验的Wolfspeed和Coherent等厂商在SiC长晶领域具有深厚的技术积累和生产经验。长晶技术在SiC材料制备中扮演着关键角色，它直接影响晶圆的质量和生产成本。长晶技术的发展历程从最初的1寸、2寸、4寸逐渐演变到如今的6寸、8寸。安芯在收购Norstel后，利用其4寸长晶技术，成功提升了6寸晶圆的生产能力。与此同时，在将Norstel出售给意法半导体后，意法公司实现了8寸长晶技术的突破。然而，长晶技术的扩产不仅需要大量资金的投入，还需要持续不断地优化工艺和设备。长晶长度是衡量长晶技术水平的重要指标，它直接影响晶圆的利用率和切割效率。长晶长度受多种因素的限制，包括成本、工艺和材料等。目前，国内的长晶长度通常在20-30毫米左右，而一些国外厂商可达到更高的水平，不过最终结果还是要看实际的成品率。即便长晶长度再高，如果成品率不高，降低成本也将难以实现。为了提高成品率和长晶长度，需要积累大量的经验和数据，且还需要对材料、坩埚、热场和SiC粉等进行不断的优化和升级，以确保在高温条件下的均匀性和稳定性。随着晶圆尺寸的增大，热场均匀性的控制难度也会增加，这也是一个面临的挑战。资料来源：公司官网，华泰研究8英寸硅晶片的批量生产尚未实现，而且良率情况仍然不明朗。各公司将良率数据视为机密信息，也被视为核心竞争力。对于6英寸硅晶片而言，良率已经超过了50%，相较于前几年有了显著提升。在晶体生长过程后，硅晶片还需要经历切割和抛光阶段。8英寸SiC衬底的研发挑战主要集中在衬底生长、切割加工和氧化工艺等方面。衬底生长需要开发出适用于8英寸晶片的种子晶体，并解决温度分布不均、气相原料分布和输运效率等问题。切割加工则需要解决大尺寸衬底在切割过程中可能出现的应力、翘曲和开裂等问题。氧化工艺方面需要精确控制气流和温度分布，以提高晶片质量。切割工艺有多种方法，其中常见的是金刚石平行切割，可以同时切割20-30片晶片，每片之间间隔1毫米。如果切割线断裂或者卡住，将会严重影响晶片的良率。切割线的选择至关重要，因为SiC是仅次于金刚石的世界第二硬材料。切割线的损耗也是整体成本的一部分，就像是锯木头时所使用的锯片宽度。因此，一些公司采用了无线切割技术，以增加晶片的数量。例如，被英飞凌收购的德国初创公司Silectra开发了激光切割技术。相较于其他公司的30片，英飞凌能切割出60片，成本降低了一半。切割完成后，SiC晶片还需要经过抛光工序，如果控制不当，晶片容易碎裂。金刚石的使用量、浓度和粘度等都是经验问题。最终的产品是适用于外延生长的硅晶片。从晶体生长到最终产品，需要经过多道工序，每一道工序都会影响成本和良率。资料来源：英飞凌官网，华泰研究资料来源：WolfspeedInvestorDay2022，华泰研究国内已有一些公司在激光切片技术领域取得了进展，并正致力于产业化。切割、磨削和抛光设备在半导体制程中扮演着关键角色，涉及到硅片制造、晶圆制造和封装等关键工序。国内的切割、磨削和抛光设备市场规模约为30亿元，主要由国际巨头如日本的DISCO等公司垄断。国内厂商的参与相对较晚，在技术要求较高的晶圆减薄、划片等工具方面，与行业龙头相比仍存在较大差距。然而，随着国内晶圆厂的快速发展以及对供应链自主可控性需求的增加，国内切割、磨削和抛光设备的本土替代品有望加速推出。这方面的技术突破更多集中在芯片生产领域。在线切割工艺方面，8英寸晶圆的切割时间明显长于6英寸晶圆，且线卡住的风险也更高。因此，8英寸晶圆的价格远高于6英寸，其面积约为6英寸的1.8倍左右，因此市场价格应该是6英寸的翻倍以上。以6英寸晶圆为例，价格大约为800美元，而8英寸晶圆则高达2000美元。从经济角度来看，目前，6英寸晶圆较为划算，市场供应也更加充足。但在国内市场，6英寸晶圆即便亏本也仍在销售，因此8英寸晶圆离实现量产还有较大距离。在全球范围内，除了Wolfspeed外，其他厂商都仍处于研发阶段。资料来源：Wolfspeed2022InvestorDay，华泰研究降低半导体生产成本的关键在于实现规模效应。规模扩大不仅提高了生产效率，还降低了设备运营成本。规模效应在半导体产业中起着至关重要的作用。此外，还有其他因素影响成本，包括产品合格率、采用的技术路线、耗材的使用以及能源成本等。在一些地区，电价较低，但可能会面临人才匮乏的挑战。因此，这些公司的竞争力主要受制于这些因素。SiC技术主要分为两类产品：二极管和MOSFET。在二极管领域，国内市场竞争激烈，行业龙头三安光电实现了从材料到制造的全产业链布局。而在MOSFET领域，全球市场仍由海外巨龙垄断，国产替代趋势明显。海外巨头包括英飞凌、安森美、意法半导体等，国内华润微、士兰微已进入全球MOSFET器件市占率前十名。电动汽车对器件的可靠性要求高，需要经过长期的验证和测试。根据PntPower分析，特斯拉Model3的主驱逆变器中共使用了48个MOSFET，如果其中一个出现故障，整车需要进行返修，这将导致较大的损失。与此不同，消费类快充器件则更容易更换。因此，国内厂商通常从车载充电器OBC入手，逐步拓展市场。从可靠性的角度来看，发动机内的器件出现问题会导致汽车无法行驶。因此，海外大厂在这方面具有先发优势，已与多个海外车型建立了合作关系。与此同时，中国汽车制造商比亚迪也主要采用了海外大厂的器件。相较之下，国内厂商仍处于送样测试阶段，尚未证明能否满足车规级产品的大规模生产需求和可靠性标准。资料来源：意法半导体，华泰研究GaN相对于SiC进入市场较晚。在2018年，特斯拉采用了SiC技术，而到了2021年，GaN技术才进入了手机快充领域。在GaN技术的量产中，目前主要采用平面工艺，而垂直结构的研发仍在进行中，尤其是在高压场景下，比如1200V。相较而言，平面结构的器件面积较大，同时也存在一定数量的缺陷。相比之下，垂直结构更为可靠，而且占用空间更小。因此，许多器件制造商将重点放在了垂直结构的SiC技术上，包括英飞凌、罗姆和博世等公司。与此不同，意法半导体和安森美半导体选择采用平面结构的SiC技术。而GaN技术主要以平面结构为主。未来的市场格局仍需持续观察，但在晶棒生产上GaN相较于SiC挑战更小。GaN与SiC长晶的主要差异在于长晶技术和能源消耗成本。在长晶方面，GaN可以利用现有的硅（Si）工艺和设备，在普通的硅衬底上生长。而SiC则需要采用高纯度的SiC衬底，大幅提高了材料成本。此外，GaN的生产速率高于SiC，因此拓宽晶圆尺寸相对更为容易。从能源消耗的角度看，使用物理气相运输法（PVT）生长SiC晶圆需要将长晶炉内温度升至2500摄氏度，而采用氢化物气相外延法（HydrideVaporPhaseEpitaxy,HVPE）生长GaN晶圆的温度则在1000摄氏度以内，这种能耗差异也导致了性价比上的差异。国内厂商英诺赛科在GaN量产工艺上取得进展，我们认为，GaN的价格与Si的价格相近，所以未来硅被GaN替代的速率会加快。预计在2028到2030年之间，GaN技术将开始量产并逐步应用于汽车领域。英飞凌曾投资近10亿美元收购了GaNsystem，并获得宝马价值1亿美元的订单。GaN技术具有SiC技术的性能，且价格更接近传统硅基技术。然而，要验证GaN技术的可靠性和稳定性还需要花费相当长的时间。目前，各个市场都在持观望态度。特斯拉也正在探索降低SiC用量的方法，包括从平面结构转向垂直结构、采用SiC和硅基IGBT的混合方案，以及开发GaN技术。特斯拉已在Starlink项目中使用了GaN技术，用于功率和射频控制，下一步可能会将其应用于汽车领域。GaN技术在汽车应用中的价格优势明显，可做到与硅基技术相媲美甚至更低。这是因为GaN器件相较于硅基器件面积更小，成本主要集中在氮化镓外延层。随着生产规模的扩大，GaN技术的价格预计会进一步降低。例如，英诺赛科提供的GaN产品在性能上与SiC相当，但价格却相对较低。硅基器件被GaN技术替代的速度可能会加快，这也是英飞凌收购GaNsystem的原因之一。从投资角度来看，建议密切关注国际大型企业和初创企业在氮化镓技术领域的动态。毕竟，氮化镓技术仍处于初级阶段，因此存在许多投资机会。虽然氮化镓技术是一种风险投资，但在时机成熟时，可能会迎来跨越式发展。资料来源：安森美公众号，华泰研究资料来源：Yole，华泰研究资料来源：Yole，华泰研究SiC长晶技术研发不及预期：长晶技术作为SiC降本增效的核心挑战，若研发遇到困难或延迟，将导致产品良率提升不及预期，进而延缓规模化进程，或影响行业利润。SiC器件降本不及预期：相较硅基IGBT，SiC器件的高价格限制了其在下游应用的推广和普及。若SiC衬底和器件成本下降速度不及预期，或行业市场规模增长不及预期的风险。SiC商业化推进及下游渗透不及预期：SiC应用广泛，覆盖新能源车、光伏、工控、射频等领域。新能源作为行业核心驱动力，若新能源汽车的发展速度低于预期，或SiC在新能源车中替代率低于预期，将对板块产品销售产生影响。分析师声明本人，何翩翩，兹证明本报告所表达的观点准确地反映了分析师对标的证券或发行人的个人意见；彼以往、现在或未来并无就其研究报告所提供的具体建议或所表迖的意见直接或间接收取任何报酬。一般声明及披露本报告由华泰证券股份有限公司（已具备中国证监会批准的证券投资咨询业务资格，以下简称“本公司”）制作。本报告所载资料是仅供接收人的严格保密资料。本报告仅供本公司及其客户和其关联机构使用。本公司不因接收人收到本报告而视其为客户。本报告基于本公司认为可靠的、已公开的信息编制，但本公司及其关联机构(以下统称为“华泰”)对该等信息的准确性及完整性不作任何保证。本报告所载的意见、评估及预测仅反映报告发布当日的观点和判断。在不同时期，华泰可能会发出与本报告所载意见、评估及预测不一致的研究报告。同时，本报告所指的证券或投资标的的价格、价值及投资收入可能会波动。以往表现并不能指引未来，未来回报并不能得到保证，并存在损失本金的可能。华泰不保证本报告所含信息保持在最新状态。华泰对本报告所含信息可在不发出通知的情形下做出修改，投资者应当自行关注相应的更新或修改。本公司不是FINRA的注册会员，其研究分析师亦没有注册为FINRA的研究分析师/不具有FINRA分析师的注册资华泰力求报告内容客观、公正，但本报告所载的观点、结论和建议仅供参考，不构成购买或出售所述证券的要约或招揽。该等观点、建议并未考虑到个别投资者的具体投资目的、财务状况以及特定需求，在任何时候均不构成对客户私人投资建议。投资者应当充分考虑自身特定状况，并完整理解和使用本报告内容，不应视本报告为做出投资决策的唯一因素。对依据或者使用本报告所造成的一切后果，华泰及作者均不承担任何法律责任。任何形式的分享证券投资收益或者分担证券投资损失的书面或口头承诺均为无效。除非另行说明，本报告中所引用的关于业绩的数据代表过往表现，过往的业绩表现不应作为日后回报的预示。华泰不承诺也不保证任何预示的回报会得以实现，分析中所做的预测可能是基于相应的假设，任何假设的变化可能会显著影响所预测的回报。华泰及作者在自身所知情的范围内，与本报告所指的证券或投资标的不存在法律禁止的利害关系。在法律许可的情况下，华泰可能会持有报告中提到的公司所发行的证券头寸并进行交易，为该公司提供投资银行、财务顾问或者金融产品等相关服务或向该公司招揽业务。华泰的销售人员、交易人员或其他专业人士可能会依据不同假设和标准、采用不同的分析方法而口头或书面发表与本报告意见及建议不一致的市场评论和/或交易观点。华泰没有将此意见及建议向报告所有接收者进行更新的义务。华泰的资产管理部门、自营部门以及其他投资业务部门可能独立做出与本报告中的意见或建议不一致的投资决策。投资者应当考虑到华泰及/或其相关人员可能存在影响本报告观点客观性的潜在利益冲突。投资者请勿将本报告视为投资或其他决定的唯一信赖依据。有关该方面的具体披露请参照本报告尾部。本报告并非意图发送、发布给在当地法律或监管规则下不允许向其发送、发布的机构或人员，也并非意图发送、发布给因可得到、使用本报告的行为而使华泰违反或受制于当地法律或监管规则的机构或人员。本报告版权仅为本公司所有。未经本公司书面许可，任何机构或个人不得以翻版、复制、发表、引用或再次分发他人(无论整份或部分)等任何形式侵犯本公司版权。如征得本公司同意进行引用、刊发的，需在允许的范围内使用，并需在使用前获取独立的法律意见，以确定该引用、刊发符合当地适用法规的要求，同时注明出处为“华泰证券研究所”，且不得对本报告进行任何有悖原意的引用、删节和修改。本公司保留追究相关责任的权利。所有本报告中使用的商标、服务标记及标记均为本公司的商标、服务标记及标记。中国香港本报告由华泰证券股份有限公司制作,在香港由华泰金融控股（香港）有限公司向符合《证券及期货条例》及其附属法律规定的机构投资者和专业投资者的客户进行分发。华泰金融控股（香港）有限公司受香港证券及期货事务监察委员会监管，是华泰国际金融控股有限公司的全资子公司，后者为华泰证券股份有限公司的全资子公司。在香港获得本报告的人员若有任何有关本报告的问题,请与华泰金融控股（香港）有限公司联系。香港-重要监管披露•华泰金融控股（香港）有限公司的雇员或其关联人士没有担任本报告中提及的公司或发行人的高级人员。•有关重要的披露信息，请参华泰金融控股（香港）有限公司的网页.hk/stock_disclosure其他信息请参见下方“美国-重要监管披露”。美国在美国本报告由华泰证券（美国）有限公司向符合美国监管规定的机构投资者进行发表与分发。华泰证券（美国）有限公司是美国注册经纪商和美国金融业监管局（FINRA）的注册会员。对于其在美国分发的研究报告，华泰证券（美国）有限公司根据《1934年证券交易法》（修订版）第15a-6条规定以及美国证券交易委员会人员解释，对本研究报告内容负责。华泰证券（美国）有限公司联营公司的分析师不具有美国金融监管（FINRA）分析师的注册资格