新材SiC如何扬帆第三代半导体浪潮

       以碳化硅为代表的半导体新材料风口已至，经历了15年的技术沉淀，天科合达终于迎来高速成长期。面对需求释放和外资巨头的强势扩张，它将如何继续保持优势，扬帆第三代半导体浪潮？
      
       2016年，在新能源汽车中，一种名叫碳化硅功率器件的的零部件突然火了起来：
       2016年4月，特斯拉Tesla Model 3中率先采用了以碳化硅SiC MOSFET为功率模块的逆变器；
       今年7月，比亚迪新上市的汉EV旗舰车成为首款采用SiC碳化硅模块的国产新能源汽车；
       9月，博世Bosch也首次展示了应用于新能源汽车电机的SiC碳化硅功率器件；
       截至当前，全球已有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件。
       那么，碳化硅究竟是什么，又为何引得车企争相热捧？
       半导体新材SiC 静待爆发
       目前全球95%以上的集成电路元器件以第一代半导体硅为衬底制造，但是硅基功率器件在600V以上高电压和高功率场合下达到性能极限，难以满足如今市场对高频、高温、高功率及小型化产品的需求。以SiC碳化硅为代表的第三代半导体材料凭借禁带宽度宽、击穿电场高和导热率高等优异特性迅速崛起，正成为下一个半导体材料风口。
       以博世的SiC碳化硅功率器件为例，与传统Si硅基产品相比，使用碳化硅功率器件可使汽车电机的能耗降低，功率提升，汽车续航里程能随之提高6%。
       据IHS数据，2018年碳化硅功率器件市场规模约3.9亿美元，预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元，9年间复合增速达40%。电动汽车、动力电池、光伏风电、航空航天等领域对于效率和功率的要求提升驱动着碳化硅器件市场快速增长，传导到产业链上游，从而也打开了碳化硅晶片制造领域的市场空间。
       由于应用前景广阔，世界各国都将第三代半导体材料的发展放在战略性高度。美国的SWITCHES计划、欧盟的SPEED计划、MANGA计划以及日本的“实现低碳社会的新一代功率电子项目”都旨在促进碳化硅产业链的发展，以巩固各国在第三代半导体领域的领先地位。
       目前全球的碳化硅产业，美国、欧洲、日本三足鼎立。美国占据全球碳化硅产量的70%-80%，其中，美国Cree公司的碳化硅晶片全球市场占有率高达6成，属于绝对龙头；欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大话语权；日本则在设备和模块开发方面占据绝对领先优势。
       碳化硅晶片领域的高集中度，特别是美国企业的压倒性优势让产业链风险更为突出。逆全球化背景下，碳化硅的国产化势在必行。
       在国内市场，以天科合达为首的一批企业，正聚焦第三代半导体碳化硅材料，致力于碳化硅晶片、晶体和碳化硅单晶生长炉的研发制造。2014年，天科合达成为国内首家研制成功6英寸碳化硅晶片的公司，成为这一细分赛道龙头。据Yole统计，2018年天科合达的导电型碳化硅晶片的全球市占率为1.7%，排名全球第六、国内第一。
       成为龙头之前，天科合达也经历过一段厚积薄发的过程。2017年以前，由于研发的持续投入，以及受碳化硅半导体材料工业化应用进程较慢的影响，公司经历了持续亏损。然而2017至2019年，天科合达的营收从0.24亿增至1.55亿，三年增长了5.5倍；净利润从-2035万元提升至3004万元，扣非净利润也从-2572万元增至1219万元，实现大幅增长。
       从利润常年为负到如今扭亏为盈，天科合达到底经历了什么？面对亟待爆发的碳化硅晶片行业，天科合达将如何继续保持龙头优势，扬帆第三代半导体浪潮？
       中科院加持 筑技术壁垒
       SIC碳化硅产业的难度大部分集中在碳化硅晶片的长晶和衬底制作方面。
       碳化硅200多种晶体结构中，只有少数几种晶体结构的单晶型碳化硅才符合产品需求；而且碳化硅晶体的制作环境非常苛刻，需要在2000°C以上的高温环境生长，生产过程中的碳硅比例、温度、晶体生长速率、气流气压等参数必须严格控制，否则很容易产生多晶型杂质。而硬度堪比金刚石的碳化硅也给切割、研磨、抛光工艺带来很大挑战。
       没有成熟的技术和工业借鉴，天科合达率先从中科院物理所引入“碳化硅单晶生长和晶片加工技术”，历经15年，通过“产、学、研”结合的方式深耕碳化硅晶体生长、晶片加工和晶体生长设备研制领域。
       和硅片一样，往大尺寸发展是碳化硅的必然趋势。晶片尺寸越大，一块晶片可切割出的芯片数量越多，可以很大程度为下游器件制造降本增效。
       但是尺寸越大对晶体生产加工的技术要求也越高。目前，国际碳化硅晶片厂商主要提供4至6英寸碳化硅晶片，Cree、II-VI等国际龙头企业已经开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。近几年，天科合达的碳化硅晶片产品主要以4英寸为主，逐步向6英寸过渡，8英寸晶片的研发工作已经于2020年1月启动。
        通过不断摸索，天科合达已经掌握了碳化硅晶片生产的全流程关键技术和工艺。但是，碳化硅衬底材料制造技术的高门槛也曾让前期的研发投入高企。
       2017年，天科合达的研发占营收比重高达61.84%，近两年比例也维持在16.15%和18.81%的水平。前期相对缓慢的工业化进程，使得天科合达长期处于不盈利的状态，直到2018年其净利润才转正。截至2020Q1，天科合达仍有-1522.49万元的累计未分配利润。
       虽然前期投入较大，但作为半导体新材料赛道里的明日之星，天科合达仍然是各路资本眼里的“香饽饽”。
       除了第八师国资委实控的天富集团和中科院物理所位列第一、第二大股东，分别持股24.15%和7.73%，2019年天科合达还通过增资方式引入了战略投资者集成电路基金和华为全资子公司哈勃投资，二者分别持股5.08%和4.82%。
        从供给端来看，国内能够向下游企业稳定供应4英寸及6英寸碳化硅衬底的生产厂商相对有限，目前天科合达和山东天岳的受关注度最高。但就研发进度来看，山东天岳2019年研制成功6英寸碳化硅晶片，比天科合达晚了5年。
       在需求端，随着碳化硅在终端产品的逐渐渗透，国内越来越多的功率器件企业开始涉足碳化硅半导体器件领域。
       截至2018年末，产业链中游的中电科五十五所、泰科天润、株洲中车时代、三安集成等企业已投资建成碳化硅器件生产线（包括中试线）。2019年以来，中科钢研、泰科天润、芯聚能等多家公司宣布了碳化硅器件生产线投资建设计划，华润微电子（688396.SH）等硅基功率器件企业的碳化硅器件生产业务也在计划中。
       高技术壁垒+高成长性，天科合达的扩张之路即将开始。
       SiC增速迅猛 产能亟扩
       天科合达的营收由三部分构成：碳化硅晶片为核心产品占比48.12%；籽晶、宝石等其他碳化硅产品占比36.65%；碳化硅单晶生长炉占比15.23%。
       2017至2019年间，天科合达碳化硅晶片销售量分别为0.51万片、1.70万片、3.25万片，晶片销售额从1020.9万上升至7439.73万元，年复合增速达170%。
       销售额增加的同时，4英寸碳化硅生产工艺的成熟及规模化生产助推着晶片成本进一步下降，2017至2019年，碳化硅晶片的成本已从2245元降至1842元/片。2020年一季度，随着价格较高的半绝缘型晶片和6英寸晶片销售占比上升，碳化硅晶片的盈利能力进一步显现。目前，碳化硅晶片的毛利率已经从2017年的-12.1%显著提高到29.5%。
       而随着销量大幅增加，产能不足的问题也迎面而来。
       虽然天科合达在过去三年持续扩大产能，实现了晶片产量的大幅增长，但是其产能利用率一直在97.95%、97.69%、98.28%的高位徘徊。
       下游市场亟待爆发，而碳化硅晶片制造的高门槛也意味着后来者很难短时间内抢占市场，天科合达亟需通过产能释放来吸收下游需求。随着6英寸碳化硅晶片制作工艺的成熟，此次，天科合达计划在公开市场募集5亿元，用于6英寸碳化硅晶片扩产项目，预计项目投产后将年产12万片6英寸碳化硅晶片。
       放眼全球市场，国际龙头Cree公司也在碳化硅晶片扩张业务上动作频频。 2019年，Cree宣布了迄今为止最大的投资——10亿美元碳化硅产能扩张计划，这笔投资将为Cree带来碳化硅晶片制造产能和碳化硅材料生产的30倍增长。而Cree与英飞凌、安森美、ST等国际半导体龙头签署的巨额碳化硅供应协议也提前确定了碳化硅材料的市场渗透进程。
       碳化硅晶片制造在第三代半导体浪潮中占据着战略性地位。作为这个细分赛道上的龙头，天科合达背负着国产化的重要使命。随着碳化硅技术的成熟和发展，下游碳化硅应用的风口已至，突破产能瓶颈的天科合达将有机会充分受益。