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得碳化硅得天下,今天我们聊聊碳化硅(SiC)

2020/02/24
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小米快充,激活的是第三代半导体材料氮化镓GaN),除了氮化镓,第三代半导体产业化成熟的还有碳化硅(SiC)。“得碳化硅者,得天下”,恰逢国内上市公司露笑科技(002617)正在筹划非公开发行股票,募投方向正是碳化硅(SiC)晶体材料的产业化,本文结合露笑科技电话会议的内容,对第三代半导体材料碳化硅的技术和产品,以及露笑科技在碳化硅领域的产业布局,进行一个全方位的解读。

最近二级市场火热的第三代半导体,在小米快速充电头的助力下引爆,在资本市场上引起的波澜,估计雷军也始料未及。因为小米快充用的是氮化镓(GaN)功率器件,因此大家普遍关注的是第三代半导体材料之一的氮化镓。

而第三代半导体已经产业化应用的,除了氮化镓(GaN),还有另外一种材料——碳化硅(SiC)。

“得碳化硅者,得天下”

这是品利基金投资经理陈启最早喊出的一句口号,以碳化硅为衬底材料,碳化硅基碳化硅、碳化硅基氮化镓,既可以满足功率器件要求,又可以做射频器件,一材两用,足以见得碳化硅材料在第三代半导体中的地位,而且产业化成熟,未来前景可期。

恰逢国内上市公司露笑科技(002617)正在筹划非公开发行股票,募投方向正是第三代半导体材料碳化硅(SiC)晶体材料的

产业化。2 月 23 日,上市公司董秘、财务总监和碳化硅项目负责人,还专门就此次增发和公司碳化硅业务,在财通电新平台上向投资者做了解答。

在资本市场爆发的一周内启动增发,节奏掌握的够准。

本文结合此次电话会议内容,对第三代半导体材料碳化硅的技术和产品,以及露笑科技在碳化硅领域的产业布局,进行一个全方位的解读。

根据公众号“创道咨询”(FinanceDL)昨天的文章《虚虚实实第三代半导体,一文看透几家上市公司概念》,已经对几家涉及第三代半导体概念的上市公司做了一个初步解读,其中就包括露笑科技。

在第三代半导体领域,露笑科技专注的是碳化硅长晶设备和碳化硅晶体材料。长晶设备已经向合作伙伴供货,碳化硅晶体材料是此次募投方向。所以露笑科技在碳化硅领域的阶段定位为早期,技术成熟,市场有待开拓。

今天我们就谈一谈,第三代半导体材料的主角之一,碳化硅(SiC)。

本文尝试将碳化硅技术、产品和市场,以及露笑科技的产业布局,穿插在一起讲,希望能够更形象一些。为了辨识度更高,本文黑色字体为碳化硅通识介绍,蓝色字体为露笑科技相关介绍。

首先,对于第三代半导体材料,主要是区别于一代、二代而言,但基本上都是四族元素(碳、硅、锗)及其化合物:

第一代半导体材料以硅(Si)、锗(Ge)为代表;

第二代半导体材料以砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表;

第三代半导体材料,目前各大厂商摩拳擦掌积极布局的,包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、金刚石(C)等。

图表来源:联储证券

这三代半导体,划分标准主要是按照材料性能指标高低及产业化难易程度,越往高世代,产业化难度越高,材料性能越优异,包括禁带宽度、导热率、击穿电压等。比如本文要讲的碳化硅(SiC),与第一代半导体材料硅(Si)相比,禁带宽度是硅的 3 倍、导热率 3 倍、击穿电场 9 倍、饱和漂移速度 2.7 倍。

 

图表来源:广发证券

我们都知道,半导体的本质就是“开 - 关”特性,反映到数字领域就是“0-1”,构成了所有数字世界的基础。第一代半导体如此,第三代半导体也不例外,要么为了实现数字计算的 01,要么为了实现物理世界的开关。碳化硅(SiC)的优异半导体属性,就是为了在特殊领域实现开 - 关特性,比如耐高温、高压,大电流的高频大功率的器件,比如 5G 毫米波领域……

具体到碳化硅(SiC)材料,由于原子的排列结构不同,可以形成几百种形态各异的晶体结构,比较常用的如α晶型结构(2H、4H、6H、15R)和β晶型结构(3C-SiC)等。

晶体结构的不同,决定了材料的性能不同,应用领域也不同:α晶型 4H 可以用来制造大功率器件;6H 最稳定,可以用来制作光电器件;β晶型结构(3C-SiC)可以用来制造高频器件以及其他薄膜材料的衬底。

此次露笑科技定增的募投方向,就是用于碳化硅(SiC)晶体材料和制备项目,初步拟定产品为 4-6 英寸半绝缘片以及 4H 晶体 N 型导电碳化硅衬底片。

根据露笑科技在此次电话会议上的解答,半绝缘片主要用于军工领域,需求量较小,但毛利率较高;4H 晶体 N 型导电碳化硅衬底片适用于大功率器件(HEMT、SBD、MOSFETIGBT 等),市场需求量大,是公司未来的主力产品;而对于β晶型结构(3C-SiC),公司目前考察市场需求量不大,但不排除未来公司根据市场需求,调节产线的产能分配。

而对于 4 英寸和 6 英寸的问题,国际上不少碳化硅材料企业都转向 6 英寸,这是一个趋势。露笑科技募投方向包括 4 英寸和 6 英寸,主要原因是目前国内碳化硅器件制造领域,还有许多 4 英寸存量产线,有足够的市场需求,短时间内不会马上过渡到 6 英寸。

由此可见,露笑科技此次募投方向,主要还是针对的是碳化硅晶体材料。那么碳化硅产业链条如何呢?每个产业链环节上的公司都有哪些呢?

 

图表来源:广发证券

同其他半导体产业一样,碳化硅产业也包括晶体材料制造(长晶、衬底)、外延片、晶圆制造、封装测试、器件、应用等几个环节。

露笑科技主营业务是蓝宝石衬底生产,主要针对 LED 光电领域。蓝宝石作为一种衬底材料,也在半导体领域发挥了巨大作用,所以此次露笑科技过渡到碳化硅,也算顺理成章。

虽然此次露笑科技的定增募投方向是碳化硅晶体材料项目,但露笑科技从很早之前就开始储备碳化硅长晶技术了。根据此次电话会议和公开资料披露,公司在去年 8 月就向合作伙伴国宏中宇提供了 80 套碳化硅长晶炉成套设备。

不过从产业链参与企业看,产业前段的碳化硅晶体制造环节是技术含量最高的,但这个环节被美国科锐公司(Cree)掌控者,基本上控制了国际碳化硅单晶的市场价格和质量标准,占全球碳化硅单晶 80%以上的市场份额。

国产替代是趋势,露笑科技算是国内为数不多的想瓜分科锐公司市场的参与者,但技术实力确实无法和科锐公司相抗衡。此次电话会议,笔者还特意问了公司碳化硅项目负责人,在知识产权方面,公司是否存在与科锐公司有冲突或者授权的情况。得到的答复是,公司的碳化硅长晶炉设备,是在蓝宝石衬底设备长期技术积累的基础上,依靠自主研发设备升级完成,具有完全的自主知识产权。

如果属实,这确实是一个好消息,体现了公司的技术实力。不过话也说回来了,科锐公司关于碳化硅的核心专利,主要是在 93、94 年申请的,大部分已经到期或者即将到期。

除了露笑科技,国内在碳化硅晶体制造环节参与的公司还有:山东天岳,前段时间被华为公司参股,也成了网红;天科合达,新三板企业,250 台(套)碳化硅单晶生长炉及其配套切、磨、抛设备的碳化硅衬底生产线;与露笑科技合作的中科钢研;三安光电旗下的北电新材也有碳化硅产品……

国际上,除了科锐公司,美国二六(II-VI)、道康宁(Dow Corning)、德国 SiCrystal AG、日本新日铁等公司也都积极参与其中。

碳化硅晶体,属于化合物半导体材料,自然界是没有现成的材料可供开采的,只能通过化学合成,而且合成工艺很复杂,速度超级慢,所以成本较高。

根据露笑科技相关人员介绍,当前碳化硅晶圆的价格高出硅晶圆的数倍,碳化硅 4 英寸晶圆需要 3000 多元,6 英寸晶圆在 7000 元以上。主要原因是碳化硅晶体制造工序复杂,长晶速度慢,产能受限。七八天的时间,才能生长几厘米。

制造碳化硅晶体,需要用到碳化硅长晶炉,涉及到的技术路线包括:物理气相运输法(PVT)、溶液转移法(LPE)、高温化学气相沉积法(HT-CVD)。其中,PVT 因为工艺过程简单,设备价格较低,所以行业采用率也最高。

 

图表来源:广发证券

非化工专业读者简单理解一下原理就好,PVT 方法制造碳化硅晶体,就如同锅底上积累下来的厚厚一层锅灰。在长晶炉里,碳化硅粉体在 2000 多度的高温下被气化,然后因炉内温差,又在炉子的顶端凝结成固体晶体。

就这个速度,几天几夜能长个一两厘米。

露笑科技的碳化硅长晶炉,也是采用的 PVT 法。从公司介绍来看,虽然技术水平没法和科锐公司相提并论,但在国内碳化硅晶体、衬底片加工和制备方面,属于第一梯队。

接下来再看看碳化硅的器件和行业应用方面。

 

图表来源:品利基金

前面提到了,不同的半导体材料属性不同,制作出来的器件性能也不同。因为第三代半导体材料的优异特性,包括禁带宽度、导热率、击穿电压等,都比一、二代半导体材料优越。

碳化硅凭借其宽禁带、耐高温、大电压、高电流、优越的散热性能,特别适合用来制造大功率器件、微波射频器件以及光电器件等。可应用于工业机电、5G 通信、高铁、汽车电子智能电网、光伏逆变、消费电子等领域。

根据露笑科技的介绍,目前硅也在功率器件中有所应用,但受制于产品性能,主要应用于消费电子领域。随着 SiC 产能的提升,如果产品价格逐步下降,SiC 有逐步取代 Si 的趋势。

 

图表来源:广发证券

露笑科技目前生产的碳化硅晶体衬底,主要有几个应用方向,军工、工业、5G 等。根据公司的介绍,碳化硅基氮化镓外延片,可以用于 5G 毫米波射频器件加工领域。而其他功率器件客户群体也巨大,传统的功率器件制造 IDM 公司,都在转型积极布局碳化硅功率器件,市场需求量巨大。

涉及到市场竞争问题,公司不认为会像公司原有业务蓝宝石衬底一样,快速进入红海市场。虽然碳化硅晶体领域,已经有山东天岳、天科合达等公司参与,但市场足够大、技术壁垒足够高,产品处于供不应求状态。

而且碳化硅针对市场领域与蓝宝石不同,蓝宝石主要应用于 LED、消费行业,主要存量博弈,市场有限。碳化硅作为基础材料,下游应用主要在工业领域,市场空间很大,毛利较高,跟蓝宝石完全不同量级。因此,公司的碳化硅业务不会步入蓝宝石后尘。

其他关于露笑科技此次电话会议披露信息:

1)公司布局的重点为碳化硅(SiC)晶体材料(衬底),未来会考虑碳化硅外延片,但没有布局产业链下游的碳化硅功率器件的打算。

2)公司此次增发刚刚开始,尚未确定参与的投资机构,欢迎到公司现场调研,进一步探讨公司产品的一些技术细节。

3)碳化硅的市场需求角度,目前国内的 SiC 衬底片国内只占 5%,而市场需求则占 45%,每年有 35%增幅,供小于求,投资大,周期长,市场参与企业数量不多。

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露笑科技

露笑科技

露笑科技股份有限公司是露笑集团控股的一家全资子公司,位于浙江资本市场第一镇-----诸暨市店口镇。公司创建于2003年,2008年5月,变更为露笑科技股份有限公司,是一家专业从事铜芯、铝芯电磁线生产与销售的规模企业。2011年9月在深交所上市。是国内主要电磁线产品供应商之一,也是国内铝芯电磁线和超微细电磁线产品生产基地之一。

露笑科技股份有限公司是露笑集团控股的一家全资子公司,位于浙江资本市场第一镇-----诸暨市店口镇。公司创建于2003年,2008年5月,变更为露笑科技股份有限公司,是一家专业从事铜芯、铝芯电磁线生产与销售的规模企业。2011年9月在深交所上市。是国内主要电磁线产品供应商之一,也是国内铝芯电磁线和超微细电磁线产品生产基地之一。收起

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公众号科创之道主笔,标准的EE、CS专业理工男。从事研发、咨询、投资工作15年,主要关注领域为半导体、人工智能、物联网、云计算等,目前专注于风险投资和企业服务领域,平时喜欢把一些工作上的感悟随手记下来,希望通过自己的文字,融合IT产业和投融资行业知识,为跨行业沟通搭建一座桥梁。