SiC行业深度报告：SiC东风已来，关注衬底与外延环节的材料+设备国产化机遇

证券研究报告·机械行业深度报告 SiC行业深度报告： SiC东风已来，关注衬底与外延环节的材料+ 设备国产化机遇 证券分析师：周尔双 执业证书编号：S0600515090001zhoues@dwzq.com.cn 证券分析师：刘晓旭liuxx@dwzq.com.cn研究助理：李文意liwenyi@dwzq.com.cn 2023年8月21日 1、关键假设、驱动因素及主要预测关键假设： 1）新能源汽车渗透率持续提升，SiC迎来上车导入期；2）国产材料商、设备商市场份额逐步提升。 驱动因素： 1）新能源汽车渗透率持续提升，我们预计未来三年全球装机量CAGR约30%。 2）衬底环节：国产SiC衬底片厂商良率持续提升、降低衬底成本，提升SiC应用渗透率；长切磨抛设备商打破国外垄断，加速国产化。 3）外延环节：国外外延设备产能不足、交期缓慢，利好国产替代。 主要预测： 1）我们预计到2025年全球/国内6寸碳化硅衬底片新增市场空间约380/156亿元，2023-2025年CAGR为78%/90%。 2）我们预计到2025年全球/国内6寸碳化硅单晶炉新增市场空间约100/40亿元，2023-2025年CAGR为63%/75%。 3）我们预计到2025年全球/国内6寸碳化硅切片设备新增市场空间约30/13亿元，2023-2025年CAGR约48%/58%。 4）我们预计到2025年全球/国内6寸碳化硅磨抛设备的市场空间约56/23亿元，2023-2025年CAGR约81%/94%。 5）我们预计到2025年全球/国内6寸碳化硅外延炉新增市场空间约130/53亿元，2023-2025年CAGR约75%/88%。 6）我们预计到2025年全球/国内6寸碳化硅激光切割设备新增市场空间约5/2亿元，2023-2025年CAGR约60%/71%。 2、我们与市场不同的观点 1）从行业趋势看，SiC上车是大势所趋。全球已有多家车企的多款车型使用SiC，2018年特斯拉率先在Model3上搭载SiC，从此拉开了碳化硅大规模上车序幕，蔚来、比亚迪、吉利、现代汽车等车企纷纷跟进。 2）衬底材料端良率提升是关键，设备端生长、切片、研磨抛光各环节国产化率逐步提升。目前衬底的材料端与 国外龙头差距主要在于良率，设备端国内长晶已基本实现国产化，切片&研磨抛光国产化率有待进一步提升。3）外延设备由国外设备商主导，未来2-3年有望快速实现国产替代。意大利LPE、德国爱思强、日本的Nuflare占比达80%+，设备核心壁垒在于气体流量的控制，国内晶盛机电、北方华创等均在积极推进国产替代。 3、股价催化剂：SiC衬底&外延持续扩产，国产设备商订单落地，设备国产化率提升。 4、风险提示：新能源车销量不及预期的风险、碳化硅渗透率提升不及预期的风险、SiC设备国产化率提升不及预 期、各家厂商技术研发不及预期。2 SiC行业概况：第三代半导体材料性能优越，新能源车等场景带动SiC放量。碳化硅（SiC）具有更高热导率、高击穿场强等优点，适用于制作高温、高频、高功率器件，新能源汽车是未来第一大应用市场，2027年新能源汽车导电型SiC功率器件市场规模有望达50亿美元，占比高达79%，全球已有多家车企的多款车型使用SiC，例 如特斯拉、蔚来、比亚迪等，SiC迎来上车导入期。SiC产业链70%价值量集中在衬底和外延环节，其中衬底、外延成本分别占整个器件的47%、23%，后道的器件设计、制造、封测环节仅占30%。 SiC衬底：材料端良率提升是关键，设备端生长、切片、研磨抛光各环节国产化率逐步提升。（1）衬底：随着下游持续扩产，我们预计全球/国内6寸碳化硅衬底片新增市场空间约380/156亿元，海外龙头起步较早，根据Yole，2020年海外厂商Wolfspeed等CR3达78%，国内龙头天科合达、天岳先进分别仅为3%，国内SiC衬底良率较低约50%，而海外龙头良率已达85%左右。（2）长晶：物理气相传输（PVT）最成熟，难点在于温度控制、 杂质控制、生长速度缓慢等，随着国内SiC衬底加速扩产，我们预计2025年全球/国内6寸碳化硅单晶炉新增市场 空间约100/40亿元，国内厂商已经较好的实现了碳化硅单晶炉的国产化，其中北方华创市占率超50%，晶升股份市占率约28%，晶盛机电设备自产自用。（3）切片：金刚线切割效率高、污染少，正逐渐代替砂浆切割，激光切片损耗少、效率高，有望替代金刚线成为新一代主流切割技术，我们预计到2025年全球/国内6寸碳化硅 切片设备新增市场空间约30/13亿元，金刚线切割方面高测股份已推出分别兼容4-8英寸的SiC金刚线切片机并持续推进国产替代，激光切割方面大族激光和德龙激光市场份额各占约50%。（4）研磨抛光：我们预计2025年全球/国内6寸碳化硅磨抛设备的市场空间约56/23亿元，DISCO为龙头，国内迈为股份对标DISCO，推动设备国 产化。 SiC外延：国外设备商主导，未来2-3年有望快速实现国产替代。SiC外延需严格控制缺陷，工艺难度大，我们预计2025年全球/国内6寸碳化硅外延炉新增市场空间约130/53亿元，目前以意大利LPE（水平气流）、德国爱思强 （垂直气流）、日本的Nuflare（垂直气流）为主，其MOCVD设备的核心差异是对气体流量的控制，国内晶盛机电、北方华创、芯三代、中电48所和深圳纳设智能等均在积极推进国产替代。此外在外延完成后，SiC仍需要激光划片进行晶圆的切割，我们预计2025年全球/国内6寸碳化硅激光切割设备新增市场空间约5/2亿元，国内德龙激光、大族激光市占率各50%。 投资建议：重点推荐晶盛机电（SiC衬底片&外延炉）、迈为股份（SiC研磨机）、高测股份（SiC金刚线切片机）、德龙激光（SiC激光切片&划片机）、北方华创（SiC外延炉），建议关注晶升股份（SiC长晶炉）、大族激光（SiC激光切片&划片机）、纳设智能（未上市，SiC外延炉）等。 风险提示：新能源车销量不及预期的风险、碳化硅渗透率提升不及预期的风险、SiC设备国产化率提升不及预 期、各家厂商技术研发不及预期。3 目录 1SiC行业概况：第三代半导体材料性能优越， 新能源车等场景带动SiC放量 2SiC衬底：材料端良率提升是关键，设备端生长、切片、研磨抛光各环节国产化率逐步提升 3SiC外延：国外设备商主导，未来2-3年有望快速实现国产替代 4本土重点公司 5投资建议 6风险提示 4 1.1第三代半导体材料拥有宽带隙，适用于高温、高频、高功率器件 第一代半导体（间接带隙&窄带隙）：1950年起，以硅（Si）为代表的半导体材料取代了笨重的电子管，推动了以集成电路为核心的微电子产业迅速发展。硅材料属于间接带隙（电子跃迁至导带时需要改变动量，光利用率低）且带隙窄（不耐压），适用于低压、低频、中功率集成电路，在光电子领域和高频高功率器件方面受限。 第二代半导体（直接带隙&窄带隙）：1990年起，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的半导体材料崭露头角，属于直接带隙且具有相对宽的带隙，载流子速度更快、噪音更低。其适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，但受限于材料本身，难以满足更高功率、更高电压、更高频率的器件需求。 第三代半导体（直接带隙&宽带隙）：近年来，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的半导体材料备受关 注，直接带隙&宽带隙的物理特性使其具有更高热导率（2倍+）、高击穿场强（~10倍）、高饱和电子漂移速率 （~2倍）等优点，适用于制作高温、高频、高功率器件，在国防、新能源汽车、光伏储能等领域有广泛应用。 第一代 半导体 第二代 半导体 第三代 半导体 主要材料：Si、Ge 材料特点：低电压、低频、中功率 应用领域：电子信息、新能源、光伏产业等 主要材料：GaAs、InP等砷化物和磷化物 材料特点：高频、低噪声 应用领域：无线通信、光通讯以及国防军工 图：半导体材料从第一代到第三代的发展过程图：半导体材料性能对比 项目 第一代 第二代 第三代 Si GaAs 4H-SiC GaN 禁带宽度(eV) 1.12 1.43 3.2 3.4 饱和电子漂移 速率(107cm/s) 1.0 1.0 2.0 2.5 热导率 (W/cm*K) 1.5 0.54 4 1.3 击穿电场强度(MV/cm) 0.3 0.4 3.5 3.3 电子迁移率 (cm^2/V*s) 1350 8000 3000 2000 5 主要材料：SiC、GaN、ZnO、金刚石等 材料特点：禁带宽度高 应用领域：国防、新能源汽车、光伏储能等 数据来源：《第三代宽禁带功率半导体及应用发展现状》，东吴证券研究所 1.2SiC作为第三代半导体材料具有耐高压、耐高频和耐高温的优势 SiC作为第三代半导体材料具备诸多显著优势：（1）耐高压：SiC材料相比于Si材料具有10多倍的击穿场强，因此可以通过更低的电阻率和更薄的漂移层实现更高的击穿电压，相同的耐压值下，SiC功率模块导通电阻/尺寸仅为Si的1/10，功率损耗大幅减少。（2）耐高频：SiC材料不存在电流拖尾现象，能够提高元件的开关速度，是硅（Si）开关速度的3-10倍，从而适用于更高频率和更快的开关速度。（3）耐高温：SiC材料具有禁带宽度 大(约Si的3倍)、热导率高(约Si的3.3倍），熔点高(2830℃，约Si-1410℃的两倍)的特点，因此SiC器件在减少电流泄露的同时大幅提高工作温度。 图：第三代SiC和第一代Si材料性能对比 a.低功耗：SiC器件导通电阻仅为Si的1/10b.耐高温：SiC的带隙宽度是Si的3倍，可 防止漏电流流动并可在高温下运行 c.高速开关：SiC高电子迁移率更高，开关快d.散热：SiC的热导率约是Si的3倍，散热快 6 数据来源:三菱电机官网，东吴证券研究所 1.3新能源汽车+光伏发电双轮驱动碳化硅产业放量 新能源汽车和光伏发电领域是SiC器件主要应用场景。（1）新能源汽车：SiC器件主要应用在PCU（动力控制 单元，如车载DC/DC）和OBC（充电单元），相比于Si器件，SiC器件可减轻PCU设备的重量和体积，降低开 关损耗，提高器件的工作温度和系统效率；OBC充电时，SiC器件可以提高单元功率等级，简化电路结构，提高功率密度，提高充电速度。（2）光伏发电领域：SiC材料具有更低的导通电阻、栅极电荷和反向恢复电荷特性，使用SiC-Mosfet或SiC-Mosfet与SiC-SBD结合的光伏逆变器，可将转换效率从96%提升至99%+，能量损耗降 低50%+，设备循环寿命提升50倍。 新能源汽车是未来第一大应用市场。2027年全球导电型SiC功率器件市场规模有望达63亿美元，2021-2027年 CAGR达34%；2027年新能源汽车导电型SiC功率器件市场规模有望达50亿美元，占比高达79%。 图：SiC的主要器件和广泛应用场景 图：2021年导电型SiC器件市场规模 单位：百万美元 新能源汽车 126,12% 154,14% 78,7%49,4% 685,63% 充电设施和光伏工业 轨道交通 其他 图：2027年导电型SiC器件市场规模 单位：百万美元 191,113, 新能源汽车 4986,79% 550,9% 458,7% 3%2% 充电设施和光伏工业 轨道交通 其他7 数据来源:Yole，东吴证券研究所 1.4全球已有多款SiC车型量产交付，SiC迎来上车导入期 全球已有多家车企的多款车型使用SiC。2018年特斯拉率先在Model3上搭载SiC，从此拉开了碳化硅大规模上车序幕，蔚来、 比亚迪、吉利、现代汽车等车企纷纷跟进，特斯拉凭借先发优势以及Model3、ModelY等主力车型热销，一直是SiC装车的主力担当。随着比亚迪汉EV、蔚来ES6、理想L9等热门车型的陆续上市，SiC装车量得到进一步扩大。据CleanTechnica，202