2016年，在新能源汽車中，一種名叫碳化硅功率器件的的零部件突然火了起來：

2016年4月，特斯拉Tesla Model 3中率先采用了以碳化硅SiC MOSFET為功率模塊的逆變器；

今年7月，比亞迪新上市的漢EV旗艦車成為首款采用SiC碳化硅模塊的國產(chǎn)新能源汽車；

9月，博世Bosch也首次展示了應(yīng)用于新能源汽車電機(jī)的SiC碳化硅功率器件；

截至當(dāng)前，全球已有超過20家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件。

那么，碳化硅究竟是什么，又為何引得車企爭相熱捧？

半導(dǎo)體新材SiC 靜待爆發(fā)

目前全球95％以上的集成電路元器件以第一代半導(dǎo)體硅為襯底制造，但是硅基功率器件在600V以上高電壓和高功率場合下達(dá)到性能極限，難以滿足如今市場對(duì)高頻、高溫、高功率及小型化產(chǎn)品的需求。以SiC碳化硅為代表的第三代半導(dǎo)體材料憑借禁帶寬度寬、擊穿電場高和導(dǎo)熱率高等優(yōu)異特性迅速崛起，正成為下一個(gè)半導(dǎo)體材料風(fēng)口。

以博世的SiC碳化硅功率器件為例，與傳統(tǒng)Si硅基產(chǎn)品相比，使用碳化硅功率器件可使汽車電機(jī)的能耗降低，功率提升，汽車?yán)m(xù)航里程能隨之提高6％。

據(jù)IHS數(shù)據(jù)，2018年碳化硅功率器件市場規(guī)模約3．9億美元，預(yù)計(jì)到2027年碳化硅功率器件的市場規(guī)模將超過100億美元，9年間復(fù)合增速達(dá)40％。電動(dòng)汽車、動(dòng)力電池、光伏風(fēng)電、航空航天等領(lǐng)域?qū)τ谛屎凸β实囊筇嵘?qū)動(dòng)著碳化硅器件市場快速增長，傳導(dǎo)到產(chǎn)業(yè)鏈上游，從而也打開了碳化硅晶片制造領(lǐng)域的市場空間。

由于應(yīng)用前景廣闊，世界各國都將第三代半導(dǎo)體材料的發(fā)展放在戰(zhàn)略性高度。美國的SWITCHES計(jì)劃、歐盟的SPEED計(jì)劃、MANGA計(jì)劃以及日本的“實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)的新一代功率電子項(xiàng)目”都旨在促進(jìn)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，以鞏固各國在第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

目前全球的碳化硅產(chǎn)業(yè)，美國、歐洲、日本三足鼎立。美國占據(jù)全球碳化硅產(chǎn)量的70％－80％，其中，美國Cree公司的碳化硅晶片全球市場占有率高達(dá)6成，屬于絕對(duì)龍頭；歐洲擁有完整的碳化硅襯底、外延、器件以及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，在全球電力電子市場擁有強(qiáng)大話語權(quán)；日本則在設(shè)備和模塊開發(fā)方面占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)先優(yōu)勢。

碳化硅晶片領(lǐng)域的高集中度，特別是美國企業(yè)的壓倒性優(yōu)勢讓產(chǎn)業(yè)鏈風(fēng)險(xiǎn)更為突出。逆全球化背景下，碳化硅的國產(chǎn)化勢在必行。

在國內(nèi)市場，以天科合達(dá)為首的一批企業(yè)，正聚焦第三代半導(dǎo)體碳化硅材料，致力于碳化硅晶片、晶體和碳化硅單晶生長爐的研發(fā)制造。2014年，天科合達(dá)成為國內(nèi)首家研制成功6英寸碳化硅晶片的公司，成為這一細(xì)分賽道龍頭。據(jù)Yole統(tǒng)計(jì)，2018年天科合達(dá)的導(dǎo)電型碳化硅晶片的全球市占率為1．7％，排名全球第六、國內(nèi)第一。

成為龍頭之前，天科合達(dá)也經(jīng)歷過一段厚積薄發(fā)的過程。2017年以前，由于研發(fā)的持續(xù)投入，以及受碳化硅半導(dǎo)體材料工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程較慢的影響，公司經(jīng)歷了持續(xù)虧損。然而2017至2019年，天科合達(dá)的營收從0．24億增至1．55億，三年增長了5．5倍；凈利潤從－2035萬元提升至3004萬元，扣非凈利潤也從－2572萬元增至1219萬元，實(shí)現(xiàn)大幅增長。

從利潤常年為負(fù)到如今扭虧為盈，天科合達(dá)到底經(jīng)歷了什么？面對(duì)亟待爆發(fā)的碳化硅晶片行業(yè)，天科合達(dá)將如何繼續(xù)保持龍頭優(yōu)勢，揚(yáng)帆第三代半導(dǎo)體浪潮？

       中科院加持 筑技術(shù)壁壘

SIC碳化硅產(chǎn)業(yè)的難度大部分集中在碳化硅晶片的長晶和襯底制作方面。

碳化硅200多種晶體結(jié)構(gòu)中，只有少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶型碳化硅才符合產(chǎn)品需求；而且碳化硅晶體的制作環(huán)境非?？量?，需要在2000°C以上的高溫環(huán)境生長，生產(chǎn)過程中的碳硅比例、溫度、晶體生長速率、氣流氣壓等參數(shù)必須嚴(yán)格控制，否則很容易產(chǎn)生多晶型雜質(zhì)。而硬度堪比金剛石的碳化硅也給切割、研磨、拋光工藝帶來很大挑戰(zhàn)。

沒有成熟的技術(shù)和工業(yè)借鑒，天科合達(dá)率先從中科院物理所引入“碳化硅單晶生長和晶片加工技術(shù)”，歷經(jīng)15年，通過“產(chǎn)、學(xué)、研”結(jié)合的方式深耕碳化硅晶體生長、晶片加工和晶體生長設(shè)備研制領(lǐng)域。

和硅片一樣，往大尺寸發(fā)展是碳化硅的必然趨勢。晶片尺寸越大，一塊晶片可切割出的芯片數(shù)量越多，可以很大程度為下游器件制造降本增效。

但是尺寸越大對(duì)晶體生產(chǎn)加工的技術(shù)要求也越高。目前，國際碳化硅晶片廠商主要提供4至6英寸碳化硅晶片，Cree、II－VI等國際龍頭企業(yè)已經(jīng)開始投資建設(shè)8英寸碳化硅晶片生產(chǎn)線。近幾年，天科合達(dá)的碳化硅晶片產(chǎn)品主要以4英寸為主，逐步向6英寸過渡，8英寸晶片的研發(fā)工作已經(jīng)于2020年1月啟動(dòng)。

通過不斷摸索，天科合達(dá)已經(jīng)掌握了碳化硅晶片生產(chǎn)的全流程關(guān)鍵技術(shù)和工藝。但是，碳化硅襯底材料制造技術(shù)的高門檻也曾讓前期的研發(fā)投入高企。

2017年，天科合達(dá)的研發(fā)占營收比重高達(dá)61．84％，近兩年比例也維持在16．15％和18．81％的水平。前期相對(duì)緩慢的工業(yè)化進(jìn)程，使得天科合達(dá)長期處于不盈利的狀態(tài)，直到2018年其凈利潤才轉(zhuǎn)正。截至2020Q1，天科合達(dá)仍有－1522．49萬元的累計(jì)未分配利潤。

雖然前期投入較大，但作為半導(dǎo)體新材料賽道里的明日之星，天科合達(dá)仍然是各路資本眼里的“香餑餑”。

除了第八師國資委實(shí)控的天富集團(tuán)和中科院物理所位列第一、第二大股東，分別持股24．15％和7．73％，2019年天科合達(dá)還通過增資方式引入了戰(zhàn)略投資者集成電路基金和華為全資子公司哈勃投資，二者分別持股5．08％和4．82％。

從供給端來看，國內(nèi)能夠向下游企業(yè)穩(wěn)定供應(yīng)4英寸及6英寸碳化硅襯底的生產(chǎn)廠商相對(duì)有限，目前天科合達(dá)和山東天岳的受關(guān)注度最高。但就研發(fā)進(jìn)度來看，山東天岳2019年研制成功6英寸碳化硅晶片，比天科合達(dá)晚了5年。

在需求端，隨著碳化硅在終端產(chǎn)品的逐漸滲透，國內(nèi)越來越多的功率器件企業(yè)開始涉足碳化硅半導(dǎo)體器件領(lǐng)域。

截至2018年末，產(chǎn)業(yè)鏈中游的中電科五十五所、泰科天潤、株洲中車時(shí)代、三安集成等企業(yè)已投資建成碳化硅器件生產(chǎn)線（包括中試線）。2019年以來，中科鋼研、泰科天潤、芯聚能等多家公司宣布了碳化硅器件生產(chǎn)線投資建設(shè)計(jì)劃，華潤微電子（688396．SH）等硅基功率器件企業(yè)的碳化硅器件生產(chǎn)業(yè)務(wù)也在計(jì)劃中。

高技術(shù)壁壘＋高成長性，天科合達(dá)的擴(kuò)張之路即將開始。

SiC增速迅猛 產(chǎn)能亟擴(kuò)

天科合達(dá)的營收由三部分構(gòu)成：碳化硅晶片為核心產(chǎn)品占比48．12％；籽晶、寶石等其他碳化硅產(chǎn)品占比36．65％；碳化硅單晶生長爐占比15．23％。

2017至2019年間，天科合達(dá)碳化硅晶片銷售量分別為0．51萬片、1．70萬片、3．25萬片，晶片銷售額從1020．9萬上升至7439．73萬元，年復(fù)合增速達(dá)170％。

銷售額增加的同時(shí)，4英寸碳化硅生產(chǎn)工藝的成熟及規(guī)?；a(chǎn)助推著晶片成本進(jìn)一步下降，2017至2019年，碳化硅晶片的成本已從2245元降至1842元／片。2020年一季度，隨著價(jià)格較高的半絕緣型晶片和6英寸晶片銷售占比上升，碳化硅晶片的盈利能力進(jìn)一步顯現(xiàn)。目前，碳化硅晶片的毛利率已經(jīng)從2017年的－12．1％顯著提高到29．5％。

而隨著銷量大幅增加，產(chǎn)能不足的問題也迎面而來。

雖然天科合達(dá)在過去三年持續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)了晶片產(chǎn)量的大幅增長，但是其產(chǎn)能利用率一直在97．95％、97．69％、98．28％的高位徘徊。

下游市場亟待爆發(fā)，而碳化硅晶片制造的高門檻也意味著后來者很難短時(shí)間內(nèi)搶占市場，天科合達(dá)亟需通過產(chǎn)能釋放來吸收下游需求。隨著6英寸碳化硅晶片制作工藝的成熟，此次，天科合達(dá)計(jì)劃在公開市場募集5億元，用于6英寸碳化硅晶片擴(kuò)產(chǎn)項(xiàng)目，預(yù)計(jì)項(xiàng)目投產(chǎn)后將年產(chǎn)12萬片6英寸碳化硅晶片。

放眼全球市場，國際龍頭Cree公司也在碳化硅晶片擴(kuò)張業(yè)務(wù)上動(dòng)作頻頻。 2019年，Cree宣布了迄今為止最大的投資——10億美元碳化硅產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃，這筆投資將為Cree帶來碳化硅晶片制造產(chǎn)能和碳化硅材料生產(chǎn)的30倍增長。而Cree與英飛凌、安森美、ST等國際半導(dǎo)體龍頭簽署的巨額碳化硅供應(yīng)協(xié)議也提前確定了碳化硅材料的市場滲透進(jìn)程。

碳化硅晶片制造在第三代半導(dǎo)體浪潮中占據(jù)著戰(zhàn)略性地位。作為這個(gè)細(xì)分賽道上的龍頭，天科合達(dá)背負(fù)著國產(chǎn)化的重要使命。隨著碳化硅技術(shù)的成熟和發(fā)展，下游碳化硅應(yīng)用的風(fēng)口已至，突破產(chǎn)能瓶頸的天科合達(dá)將有機(jī)會(huì)充分受益。