特斯拉带火的碳化硅产业，未来有星辰大海吗？｜九鼎投资观察

作者|九鼎投资 来源|九鼎投资(ID：JD_Capital)

在新的宏观背景下，PE机构如何找到适合自己的“风口”？什么样的投资逻辑能真正穿越周期？

始终坚持行研驱动，是九鼎投资的重要策略之一。在「九鼎投资观察」栏目中，我们会不定期分享在各产业细分领域的深度研究和思考，以把握企业的成长性和确定性投资机会。

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碳化硅又一次成为了社交话题的焦点。

当地时间3月1日，特斯拉在其首次投资者日活动上表示，为进一步降低车辆成本，计划在下一代电动汽车动力系统中减少碳化硅（SiC）晶体管75%的使用量。

受此影响，欧美市场及中国A股市场相关芯片制造商的股价曾纷纷下跌。

碳化硅作为第三代半导体材料，适合制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，一度被视为新能源汽车领域的理想材料。特斯拉，曾打响碳化硅上车的第一枪。

2011年，科锐（Cree，已更名为Wolfspeed）公司推出全球首款碳化硅功率半导体——SiC MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。5年后，特斯拉发布第四款车型Model 3, 该车型的主逆变器安装了24个意法半导体（ST）公司生产的SiC MOSFET功率模块。

此后，SiC不仅成为半导体厂商激烈涌进的热门赛道，也在全球新能源车市场加速上车。

在九鼎投资看来，特斯拉此次宣称将减少碳化硅的用量，对碳化硅行业的影响不大。

首先，碳化硅的确拥有更优性能。据Wolfspeed测算，将纯电动汽车逆变器中的功率组件改成SiC器件时，可显著降低电力电子系统的体积、重量和成本，提升车辆5%-10%的续航。

其次，受益于技术进步和行业规模化的影响，碳化硅功率器件的价格呈下降趋势。

尤其在技术方面，碳化硅器件的原材料——衬底和外延片的单位面积价格会随着尺寸的增大进一步降低。而且，在碳化硅单晶的生长方法上，业界在尝试用最新的液相法替代传统的气相法，以提高碳化硅晶体的良率，降低碳化硅的整体生产成本。

九鼎投资判断，待碳化硅的成本降至一定程度，特斯拉或许还会再增加碳化硅的用量。

像特斯拉这样的“价格屠夫”还是少数。目前，宝马、奔驰、大众等一众车企，已纷纷与Wolfspeed、英飞凌等厂商合作，以确保碳化硅产品的稳定供应。

据法国市场调研机构Yole统计, 全球碳化硅功率器件市场规模预计从2021 年的10.9亿美元，增长至2027年的62.97亿美元，年均复合增长率达 34%。

从细分应用领域来看，2027年，碳化硅在汽车领域的市场规模将达49.86亿美元（占总规模的79.18%），在光伏及储能领域的市场规模预计增长至4.58亿美元。轨道交通领域，预计也会为功率器件市场贡献超过1亿美元的增量空间。

可见，汽车将是未来碳化硅最大的应用市场，碳化硅在其他多个领域也有一定成熟应用。总体上，市场对高性能的碳化硅功率器件保持需求增长状态。

“优等生”和“香饽饽”

电子工业的进程，离不开半导体材料的发展。

最早的电子工业，始于1906年李·德福雷斯特发明的真空管，它具备开关、放大的功能，是最早的电力电子器件。

一个典型的应用是，真空管是世界上第一台电子计算机ENIAC的主要构成部件。当时的ENIAC占地140平方米，重量达30吨，并需要一个小型发电站专门为其供电，1940年的运行成本为当时的40万美元。

由于真空管体积大、易破损、能耗高、老化快等缺点，学界一直在探寻其替代品。如今，作为真空管替代品的半导体器件，在材料上已历经三次大迭代。

和前两代相比，第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，可满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。

作为第三代半导体材料的代表，碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）各有千秋。

例如，氮化镓有着更高的电子迁移率，更适合于高频的应用。目前，氮化镓较多用于射频（RF）电子器件中，在5G通信、国防等领域有广泛的应用。

碳化硅则具有更高的热导率，更适合于更高功率的应用，包括电动汽车和数据中心、一些太阳能设计、铁路牵引、风力涡轮机、网格分布与工业和医疗成像等。这些场景不总是进行高频开关，但需要在很高的电压和优良的散热环境下运行。

第三代半导体材料的另一个优点是，安全、环保，不会像砷化镓（GaAs）、砷化铟（InAs）、磷化铟（InP）等第二代半导体材料对环境和人体产生危害。

相比于碳化硅，氮化镓在材料端制备环节存在更大技术难度和更高的成本。目前，氮化镓器件主要基于碳化硅衬底。

当前，行业内已实现量产的碳化硅功率器件有SBD（肖特基势垒二极管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管），二者分别针对传统硅基FRD（快速恢复二极管）和IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的不足以实现替代。

但碳化硅不是新材料。资料显示，碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物。

作为一种在100多年前就出现的老牌工业材料，为何现在才成为市场关注点？

这是因为，过往以集成电路为主的电子产品，基本不需要面对高温、高压、高频的场景，硅材料基本能应对。而近年随着新能源等产业的发展，新能源汽车、光伏及轨道交通等对半导体材料有着高要求的场景出现了。

就新能源汽车而言，当前续航里程大部分在700公里以内。电池能量密度在短期内的提高程度有限，众厂商将目光投向了补能效率。

此前，多数新能源汽车采用的是400V电压平台。2019年，保时捷发布了全球首款搭载800V电压平台的汽车后，比亚迪、小鹏、吉利等车企纷纷跟进。相比400V电压平台，800V高压平台可支持汽车有更长时间的快速充电。

在800V甚至更高电压水平的平台上，原本的硅基IGBT芯片达到了材料极限，性能更好的碳化硅功率器件成为其理想替代。

弱供给下的软肋：成本、产能

当然，现实与理想存在差距。

在一文中，九鼎投资提到，受限于高成本的制约，碳化硅功率器件在短期内还无法完全取代硅基IGBT。

碳化硅功率器件的成本究竟有多贵？ 

东尼电子（603595.SH）的财报显示，2022年，该公司半导体业务营收1676.56万元，销售碳化硅衬底4190片。由于东尼电子半导体业务全部为碳化硅衬底，计算得出该公司碳化硅衬底的每片单价为4001.33元。

根据中商产业研究院的数据，衬底约占碳化硅器件成本的47%。以此推断，2022年，单个碳化硅器件的出厂价为近万元。

相比之下，硅基器件就便宜多了。美国半导体企业安森美的数据显示，2022年7月28日，在650V产品上，SiC MOSFET的原厂报价，是硅基IGBT的3.2倍。在1200V产品上，前一器件的原厂报价为后者的2.2倍。

除了贵，特斯拉计划减少碳化硅用量背后还有一个原因：碳化硅产能不足。

据市场估算，预计平均2辆特斯拉纯电动车就需要一片6寸SiC晶圆。以年产能100万辆Model 3/Y计，特斯拉一年需要超50万片6寸晶圆，而目前全球SiC晶圆总年产能在40万~60万片。这意味着，全球碳化硅的总产能可能都不够特斯拉一家消耗。

限制碳化硅量产的一个重要因素是技术，尤其是衬底的制备技术。九鼎投资大致梳理了碳化硅衬底的制备流程：

首先，将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合、反应合成碳化硅颗粒。再经过破碎、清洗等工序，制得高纯度碳化硅微粉。

接着，生长碳化硅晶体。以主流的PVT 法（物理气相传输法）为例，将高纯碳化硅微粉和籽晶（生长单晶的“种子”）置于长晶炉加热，形成气相物质。它们在温度梯度下，会在籽晶处结晶，再形成圆柱状碳化硅晶锭。

此后，晶锭经过切割、研磨、抛光等工艺后，得到碳化硅衬底。

上述过程存在诸多难度，如：碳化硅粉料合成过程中的环境杂质多，难以获得高纯度的粉料；碳化硅单晶需在2300℃以上高温环境生长，周期长、控制难度大，易产生微管、包裹物等缺陷；碳化硅单晶有200 多种不同晶型，但仅4H和6H两种晶型适合应用，因此在生长过程中易产生多晶型夹杂缺陷。 

由于衬底制备难度高，碳化硅产品的良率普遍不高。2022年8月，露笑科技（002617.SZ）曾表示，该公司的碳化硅良率为50%，“已达到全球一流水平”。

此外，晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大。

1990年，2英寸的碳化硅晶圆已研制成功。但直到2015年，业界才出现8英寸的碳化硅晶圆，且目前8英寸的碳化硅晶圆质量还不够成熟。当前全球市场上，已成熟产业化的碳化硅晶圆为4英寸和6英寸。

站在厂家的角度，碳化硅产能供给不足还关乎几个方面：耗钱、耗时、耗人。

建设一个晶圆厂分为多个步骤：选址、厂房建设和厂务配套、设备导入/调试、工艺开发与验证、产品研发与验证、以及产能爬坡。

从资金成本来看，据统计，建设一条晶圆产线，4英寸线需1亿元，6英寸线需10亿元，8英寸线则需40亿元。

从时间周期来看，建一个晶圆厂房需8-15个月；一些关键设备的交期达15个月以上；做完两轮验证又需耗时数月。整体上，晶圆厂从开始建设到大规模满产出货，可能需3~5年。

从人的层面来看，九鼎投资了解到，碳化硅行业真正热起来是在2018年前后。尤其在特斯拉将碳化硅带上车之前，市场对于碳化硅的需求很少，相关公司的经营情况不乐观，导致在碳化硅行业坚持下来的高端技术人才并不多。

就算SiC晶圆厂有高端人才，也不代表能量产SiC器件。SiC器件厂商要有成体系的发展，在器件设计、工艺开发、设备、生产、检测、动力、质量、供应链等方面都不能有短板。一般而言，一个晶圆厂的正常运作，需200人以上的团队。

亏损中的碳化硅企业，如何奔向星辰大海？

数据显示，中国目前是碳化硅最大的应用市场，消耗全球约一半的使用量。

但在供给侧，目前以美国、欧洲、日本厂商为主。根据Yole的报告，意法半导体、英飞凌（Infineon）、Wolfspeed、罗姆（Rohm）和安森美（ON）这五家海外公司，占据了2021年全球碳化硅功率器件市场约90%的份额。

尤其是Wolfspeed和罗姆，实现了从碳化硅衬底/外延生产、器件设计、器件及模块制造/封测的全产业链布局。

不过，国际贸易环境的变化，将促使中国企业优先采购本土自主化的芯片产品。在国产替代的机遇下，哪些碳化硅企业能率先跑出来？

沿产业链拆细来看，碳化硅产业链可分为三部分：上游的衬底、外延片；中游的器件；下游的应用。

外延片是在衬底上再生产一层碳化硅。碳化硅晶体生长难度大，在碳化硅有缺陷的衬底上继续生长，原本对器件有影响的缺陷将得到弥补。

根据电阻率的不同，衬底可分为两种，并对应不同的外延和器件产品。

1、半绝缘型碳化硅衬底：电阻率≥10Ω·cm（欧姆·厘米），用于制造氮化镓微波射频器件。微波射频器件是无线通讯领域的基础性零部件。

2、导电型碳化硅衬底：电阻率区间为15~30 mΩ·cm（毫欧·厘米），用于制作碳化硅功率器件。功率器件是电力电子变换装置的核心器件。

在产业链分工上，衬底、外延两道工序可在同一家公司完成，也可由专业做外延片的公司采购上游衬底再加工制得。

在碳化硅产业链上游，九鼎投资认为，衬底和外延材料生产商，以及相关的设备制造商均值得关注。

以半绝缘型碳化硅衬底为例，该市场规模目前相对较小，有较大的成长空间。Yole的报告显示，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预计从2019年的7.4亿美元，增长至2025年的20亿美元，年均复合增长率达18%。半绝缘型碳化硅衬底的需求量，有望因此获益而持续增长。

相比衬底，目前全球碳化硅外延材料市场的国际巨头市占率更高，基本由Wolfspeed和昭和电工双寡头垄断。

九鼎投资在调研中了解到，外延材料的制约在外延设备。中国外延材料生厂商通常需采购国外外延设备，但价格昂贵且交期长。

包括碳化硅产业在内，在整个半导体行业，重资产的设备环节是最后国产化的。

在碳化硅产业链中游的器件环节，以 IDM 模式最为常见，即集合器件设计、制造等多个产业链环节于一体。但也有Fabless模式（只负责器件的电路设计与销售）和Foundry模式（纯代工）。三者各具优劣势：

1、IDM模式，多环节协同优化，有助于充分发掘技术潜力，但公司规模庞大，管理成本和运营费用较高。

2、Fabless模式，资产较轻，初始投资规模小，企业运行费用较低，转型相对灵活。但无法与工艺协同优化，难以完成指标严苛的设计，且需要承担各种市场风险。

3、Foundry模式，不承担由于市场调研不准、产品设计缺陷等决策风险，但投资规模较大，维持生产线正常运作的费用较高，且需要持续投入维持工艺水平。

九鼎投资认为，比起Foundry模式，以IDM和Fabless为运作模式的企业更值得关注。

从公司和人的层面来看，一家优秀的碳化硅企业的关键还包括：

1、持续的技术迭代能力。以碳化硅晶圆制备技术为例，业界已实现2英寸到4英寸和6英寸的过渡，甚至向8英寸转移。可见，碳化硅产业本身处于长期的技术迭代过程中，何况，中国碳化硅企业若想在国际市场占据一席之地，更要有较强的技术迭代能力，在产品上提高性能和降低成本。

2、前瞻性的战略。碳化硅晶圆尺寸越大，单片面积就越大、边缘浪费更小，单位时间内产出的衬底、外延更多，意味着成本越低。但同时技术难度越大，单条产线的投入也越大。因此，不同产线的比例如何权衡是企业必须思考的。

近两年，碳化硅头部企业纷纷开始登陆二级市场。例如，Wolfspeed于2021年在纽交所上市，市值近百亿美元；天岳先进于2022年在科创板上市，被称为“中国碳化硅第一股”，市值超300亿元；天域半导体也于2023年开启上市辅导备案，有望成为中国第一家碳化硅外延片生产商。

但整体而言，碳化硅行业还处于快速发展阶段。即使是头部企业，也未实现完全盈利。Wolfspeed在 2023 财年第二季度（截至2022年12月）实现营收约2.16亿美元，净亏损约0.91亿美元，亏损幅度继续扩大。而天岳先进，在2022年实现营收约4.17亿元，净亏损约1.74亿元，较上年同期由盈转亏。

以上述两家企业为例，根据公开披露，碳化硅企业亏损的主要原因，大都是处于研发投入期或新产能建设期，而这正表达了它们对行业前景的积极态度。

九鼎投资观察到，目前的市场共识是：碳化硅行业在未来自有其星辰大海，也有机会诞生更多百亿甚至千亿市值的中国公司。只是在此之前，作为投资人，除了信心，我们也需要保持足够的耐心。

编者按：本文转载自微信公众号：九鼎投资(ID：JD_Capital)，作者：九鼎投资