碳化硅分立器件行业市场前瞻与投资战略规划

碳化硅分立器件行业市场前瞻与投资战略规划一、 市场规模快速增长，本土厂商进展顺利（一）半导体材料量价齐升，硅片为单一最大品类1、先进制程持续升级，半导体材料同步提升进入21世纪以来，5G、人工智能、自动驾驶等新应用的兴起，对芯片性能提出了更高的要求，同时也推动了半导体制造工艺和新材料不断创新，国内外晶圆厂加紧对于半导体新制程的研发，台积电已于2020年开启了5nm工艺的量产，并于2021年年底实现3nm制程的试产，预计2022年开启量产。此外台积电表示已于2021年攻克2nm制程的技术节点的工艺技术难题，并预计于2023年开始风险试产，2024年逐步实现量产。随着芯片工艺升级，晶圆厂商对半导体材料要求越来越高。2、半导体景气度超预期，晶圆厂商积极扩产目前部分终端需求仍然强劲，晶圆代工厂产能利用率维持历史高位，预计全年来看结构性缺货状态依旧严峻。据SEMI于2022年3月23日发布的最新一季全球晶圆厂预测报告，全球用于前道设施的晶圆厂设备支出预计将同比增长18%，并在2022年达到1070亿美元的历史新高。由于半导体材料与下游晶圆厂具有伴生性特点，本土材料厂商将直接受益于中国大陆晶圆制造产能的大幅扩张。成熟制程供需持续紧张，国内晶圆厂扩产规模维持高位。受益于成熟制程旺盛需求及大陆地区稳定的供应链，大陆晶圆厂快速扩产。根据SEMI报告，2022年全球有75个正在进行的晶圆厂建设项目，计划在2023年建设62个。2022年有28个新的量产晶圆厂开始建设，其中包括23个12英寸晶圆厂和5个8英寸及以下晶圆厂。分区域来看，中国晶圆产能增速全球最快，预计22年8寸及以下晶圆产能增加9%，12寸晶圆产能增加17%。3、工艺升级+积极扩产，半导体材料市场规模快速增长随着下游电子设备硅含量增长，半导体需求快速增长。在半导体工艺升级+积极扩产催化下，半导体材料市场快速增长。据SEMI报告数据，2021年全球半导体材料市场收入达到643亿美元，超过了此前2020年555亿美元的市场规模最高点，同比增长159%。晶圆制造材料和封装材料收入总额分别为404亿美元和239亿美元，同比增长155%和165%。此外，受益于产业链转移趋势，2021年国内半导体材料销售额高达1193亿美元，同比增长22%，增速远高于其他国家和地区。4、半导体材料市场较为分散，硅片为单一最大品类半导体材料种类繁多，包括硅片、电子特气、掩模版、光刻胶、湿电子化学品、抛光液、抛光垫、靶材等。据SEMI数据显示，硅片为半导体材料领域规模最大的品类之一，市场份额占比达329%，排名第一，其次为气体，占比约141%，光掩模排名第三，占比为126%。此外，抛光液和抛光垫、光刻胶配套试剂、光刻胶、湿化学品、溅射靶材的占比分别为72%、69%、61%、4%和3%。（二）硅片：供需持续紧张，加速硅片是半导体上游产业链中最重要的基底材料之一。硅片是以高纯结晶硅为材料所制成的圆片，一般可作为集成电路和半导体器件的载体。与其他材料相比，结晶硅的分子结构较为稳定，导电性极低。此外，硅大量存在于沙子、岩石、矿物中，更容易获取。因此，硅具有稳定性高、易获取、产量大等特点，广泛应用于IC和光伏领域。1、半导体硅片纯度极高，大尺寸为大势所趋硅片可以根据晶胞排列是否有序、尺寸、加工工序和掺杂程度的不同等方式进行分类。根据晶胞排列方式的不同，硅片可分为单晶硅和多晶硅。硅片是硅单质材料的片状结构，有单晶和多晶之分。单晶是具有固定晶向的结晶体材料，一般用作集成电路的衬底材料和制作太阳能电池片。多晶是没有固定晶向的晶体材料，一般用于光伏发电，或者用于拉制单晶硅的原材料。单晶硅用作半导体材料有极高的纯度要求，IC级别的纯度要求达9N以上（999999999%），区熔单晶硅片纯度要求在11N（99999999999%）以上。根据尺寸大小的不同，硅片可分为50mm（2英寸）、75mm（3英寸）、100mm（4英寸）、150mm（6英寸）、200mm（8英寸）及300mm（12英寸）。英寸为硅片的直径，目前8英寸和12英寸硅片为市场最主流的产品。8英寸硅片主要应用在90nm-025m制程中，多用于传感、安防领域和电动汽车的功率器件、模拟IC、指纹识别和显示驱动等。12英寸硅片主要应用在90nm以下的制程中，主要用于逻辑芯片、储存器和自动驾驶领域。大尺寸为硅片主流趋势。硅片越大，单个产出的芯片数量越多，制造成本越低，因此硅片厂商不断向大尺寸硅片进发。1980年4英寸占主流，1990年发展为6英寸，2000年开始8英寸被广泛应用。根据SEMI数据，2008年以前，全球大尺寸硅片以8英寸为主，2008年后，12英寸硅片市场份额逐步提升，赶超8英寸硅片。2020年，12英寸硅片市场份额已提升至681%，为目前半导体硅片市场最主流的产品。后续18英寸硅片将成为市场下一阶段的目标，但设备研发难度大，生产成本较高，且下游需求量不足，18英寸硅片尚未成熟。根据加工工序的不同，硅片可分为抛光片、外延片、SOI硅片等高端硅片。其中抛光片应用范围最为广泛，是抛光环节的终产物。抛光片是从单晶硅柱上直接切出厚度约1mm的原硅片，切出后对其进行抛光镜面加工，去除部分损伤层后得到的表面光洁平整的硅片。抛光片可单独使用于电动汽车功率器件和储存芯片中，也可用作其他硅片的衬底，成为其他硅片加工的基础。外延片是一种将抛光片在外延炉中加热后，通过气相沉淀的方式使其表面外延生长符合特定要求的多晶硅的硅片。该技术可有效减少硅片中的单晶缺陷，使硅片具有更低的缺陷密度和氧含量，从而提升终端产品的可靠性，常用于制造CMOS芯片。根据掺杂程度的不同，半导体硅片可分为轻掺和重掺。重掺硅片的元素掺杂浓度高，电阻率低，一般应用于功率器件。轻掺硅片掺杂浓度低，技术难度和产品质量要求更高，一般用于集成电路领域。由于集成电路在全球半导体市场中占比超过80%，目前全球对轻掺硅片需求更大。2、受益晶圆厂积极扩产，硅片市场快速增长含硅量提升驱动行业快速增长。伴随5G、物联网、新能源汽车、人工智能等新兴领域的高速成长，汽车电子行业成为半导体硅片领域新的需求增长点。据ICInsights数据，2021年全球汽车行业的芯片出货量同比增长了30%，达524亿颗。但全球汽车缺芯情况在2020年短暂缓解后，于2022年再度加剧，带动下游硅片市场需求量上升。据SEMI数据显示，2021年全球半导体硅片市场规模为126亿美元，同比增长125%。3、半导体硅片要求高，多重因素构筑行业壁垒（1）技术壁垒半导体硅片行业是一个技术高度密集型行业，主要体现在：硅片尺寸越大，拉单晶难度越高，对温度控制和旋转速度要求越高；减少半导体硅片晶体缺陷、表面颗粒和杂质；提高半导体硅片表面平整度、应力和机械强度等方面。（2）资金壁垒半导体硅片行业是一个资金密集型行业，要形成规模化、商业化生产，所需投资规模巨大，如一台关键设备价值达数千万元。（3）人才壁垒半导体硅片的研发和生产过程较为复杂，涉及固体物理、量子力学、热力学、化学等多学科领域交叉。（4）认证壁垒鉴于半导体芯片的高精密性和高技术性，芯片生产企业对应半导体硅片的质量要求极高，因此对于半导体硅片供应商的选择相当谨慎，并设有严格的认证标准和程序。二、 碳化硅二极管介绍及行业情况（一）碳化硅二极管介绍碳化硅是第三代半导体材料，与第一二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料。目前碳化硅器件主要用于600伏及以上的应用领域，特别是一些对能量效率和空间尺寸要求较高的应用，如电动汽车充电装置、电动汽车动力系统、光伏微型逆变器领域、服务器电源领域、变频家电领域等。碳化硅二极管作为最早发明且发展较快的一类碳化硅功率分立器件，已经在新能源汽车、工业控制等领域实现商业化。碳化硅二极管以碳化硅肖特基二极管为主，碳化硅肖特基二极管的导通压降低于硅基功率二极管，因而损耗相对较小。同时，碳化硅肖特基二极管的导通电压具备正温度系数特性，能将电流流向均衡地在器件内部进行分配，使得器件的各个部位保持温度均匀，因而可以适用于高温环境。此外，碳化硅肖特基二极管的反向漏电流和反向恢复时间远小于硅基功率二极管，可大幅降低开关损耗，且拥有较高的开关频率，可以适用于高电压领域。（二）碳化硅二极管行业概况碳化硅材料作为第三代半导体的代表之一，在最近几年经历了长足的发展。首先，下游终端客户对于碳化硅器件的认可越来越多，受到整体效率提升的影响以及能效相关产业政策等影响，碳化硅器件在传统服务器电源、电信电源、充电桩、车载充电机、太阳能逆变器等多个领域被采用。（三）碳化硅二极管行业发展状况及未来发展趋势由于第三代半导体材料生产技术要求较高、晶圆加工难度较大，因此生产成本较高。碳化硅器件还未全面推广，但随着规模日渐增大，性价比逐渐提升，凭借其优秀的物理特性未来逐渐替代硅基功率器件的空间较大。碳化硅二极管自诞生以来，经历了前期缓慢的积累，现在已经进入了快速发展的周期。从应用领域来看，碳化硅二极管已经被广泛应用于可再生能源、电动车和充电装置、5G通信、服务器电源和UPS等领域。随着国内外碳化硅产业链日趋成熟，成本有望持续下降，下游接受度也开始提升，产品应用场景将逐步拓宽，预计未来市场规模具备较大的增长性。（四）碳化硅功率器件替代硅基功率器件的类型和趋势碳化硅功率器件目前主要包括碳化硅二极管和碳化硅MOSFET两类，而硅基功率器件除功率二极管和MOSFET外，还主要包括晶闸管和IGBT等器件，产品类型更为丰富。一般来说，碳化硅功率器件替代硅基功率器件的领域主要为高温、高压和高频等方面的产品，主要原因系碳化硅功率器件在高工作温度、高工作电压和高工作频率下性能更加优异，且在性价比上具备一定的竞争力。（五）碳化硅功率器件在成本和技术方面的可行性鉴于碳化硅功率器件在高温、高压和高频状态下的优异性能，碳化硅功率器件将主要在高压和高频领域逐步替代部分硅基功率器件，在技术方面已具备可行性。尽管成本仍是阻碍碳化硅功率器件快速替代硅基功率器件的主要因素，但是碳化硅功率器件已在部分高端应用领域具备一定的性价比竞争力，在成本方面也具备可行性。目前碳化硅功率器件的成本仍高于同类型的硅基功率器件，例如碳化硅二极管的价格一般是硅基功率器件的4-5倍，所以碳化硅功率器件替代硅基同类产品主要发生在性能要求较高的高端应用领域，例如电动车、高端服务器电源、高端电信电源等领域。具体而言，650V和1200V的碳化硅二极管已经开始逐步替代硅基功率二极管，帮助用户提升电源整体转换效率，进一步实现节能目标。而650V和1200V的碳化硅MOSFET在电动汽车等应用领域已经开始逐步被采用。随着碳化硅功率器件的市场规模逐渐增大，碳化硅器件晶圆的市场供给也将逐步增多，同时国内市场正在加大对碳化硅等第三代半导体材料的产业研发和投入，碳化硅功率器件的成本将存在一定的下降空间。然而，考虑到硅基功率器件的产品性能将不断提升，成本也将持续优化，碳化硅功率器件和硅基功率器件将会在较长的期间共存。根据Yole的测算，从2019年到2024年，碳化硅功率器件占整体功率半导体市场的比例将从3%上升到9%。三、 半导体材料为芯片之基，覆盖工艺全流程半导体材料包括晶圆制造材料和封装材料。其中晶圆制造材料包括硅片、掩模版、电子气体、光刻胶、CMP抛光材料、湿电子化学品、靶材等，封装材料包括封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板、芯片粘结材料和其他封装材料。具体来说，在芯片制造过程中，硅晶圆环节会用到硅片；清洗环节会用到高纯特气和高纯试剂；沉积环节会用到靶材；涂胶环节会用到光刻胶；曝光环节会用到掩模板；显影、刻蚀、去胶环节均会用到高纯试剂，刻蚀环节还会用到高纯特气；薄膜生长环节会用到前驱体和靶材；研磨抛光环节会用到抛光液和抛光垫。在芯片封装过程中，贴片环节会用到封装基板和引线框架；引线键合环节会用到键合丝；模塑环节会用到硅微粉和塑封料；电镀环节会用到锡球。四、 功率半导体行业概况功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换等。功率半导体广泛应用于电子制造行业，传统应用领域包括消费电子、网络通信、电子设备等产业，随着社会经济的快速发展及技术工艺的不断进步，新能源汽车及充电桩、智能装备制造、物联网、新能源发电、轨道交通等新兴应用领域逐渐成为功率半导体的重要应用市场。根据功率半导体分立器件产业及标准化白皮书，功率半导体按器件集成度可以分为功率分立器件和功率IC两大类，其中功率分立器件主要包括功率二极管、晶闸管、晶体管等产品。随着半导体材料的优化突破，新一代以碳化硅为材料的功率半导体分立器件已逐步实现产业化，并快速渗透进入应用市场。功率半导体的应用十分广阔，涉及电路控制和电能转换的产品均离不开功率半导体的使用。目前，功率半导体已广泛用于消费电子、工业控制、网络通信、电力能源、汽车电子、国防、航空航天等领域。近年来数字经济、人工智能、光伏能源、新能源汽车等产业的快速发展，均为功率半导体带来了新的需求增长点，其市场规模不断增长。根据Omdia和中信建投研究所的数据及预测，2020年全球功率半导体市场规模为452亿美元（主要包括功率器件、功率IC和功率模组），预计2024年将达到522亿美元。目前全球功率半导体市场仍主要被欧、美、日等国外品牌主导。中国的功率半导体行业在国家相关政策支持、加速及资本推动等因素合力下，近年来成为半导体行业快速发展的主要市场之一。在国家对半导体产业的政策扶持及资本驱动下，国内厂商在晶圆制造和封装测试等领域已取得重要突破，基本完成国内产业链布局。根据Omdia数据及预测，中国功率半导体市场预计2024年将达206亿美元，中国作为全球最大的功率半导体市场，发展前景十分广阔。五、 光刻胶：半导体工艺核心材料，道阻且长光刻胶是光刻工艺最重要的耗材。光刻胶是一种通过特定光源照射下发生局部溶解度变化的光敏材料，主要作用于光刻环节，承担着将掩模上的图案转化到晶圆的重要功能。进行光刻时，硅片上的金属层涂抹光刻胶，掩膜上印有预先设计好的电路图案，光线透过掩膜照射光刻胶。如果曝光在紫外线下的光刻胶变为溶剂，清除后留下掩膜上的图案，此为正性胶，反之为负性胶。（一）先进制程推动产品迭代，半导体光刻胶壁垒最高光刻胶可以根据曝光光源波长、显示效果和化学结构三种方式进行分类。根据曝光波长的不同，目前市场上应用较多的光刻胶可分为g线、i线、KrF、ArF和EUV5种类型。光刻胶波长越短，加工分辨率越高，不同的集成电路工艺在光刻中对应使用不同波长的光源。随着芯片制程的不断进步，每一代新的光刻工艺都需要新一代的光刻胶技术与之相匹配。g/i线光刻胶诞生于20世纪80年代，当时主流制程工艺在08-12m，适用于波长436nm的光刻光源。到了90年代，制程进步到035-05m，对应波长更短的365nm光源。当制程发展到035m以下时，g/i线光刻胶已经无法制程工艺的需求，于是出现了适用于248纳米波长光源的KrF光刻胶，和193纳米波长光源的ArF光刻胶，两者均是深紫外光刻胶。EUV（极紫外光）是目前最先进的光刻胶技术，适用波长为135nm的紫外光，可用于10nm以下的先进制程，目前仅有ASML集团掌握EUV光刻胶所对应的光刻机技术。根据显示效果的不同，光刻胶可分为正性和负性。如果光刻胶是正性的，在特定光线照射下光刻胶会发生反应并变成溶剂，曝光部分的光刻胶可以被清除。如果为负性光刻胶，曝光的光刻胶反应不再是溶剂，未曝光的光刻胶被清除。光分解型光刻胶采用含有重氮醌类化合物材料作为感光剂，光线照射后发生光分解反应，由油性变为水性溶剂，可制造正性光刻胶。光交联型光刻胶采用聚乙烯醇月桂酸酯作为光敏材料，光线照射后形成一种网状结构的不溶物，可起到抗蚀作用，适用于制成负性光刻胶。化学放大型光刻胶使用光致酸剂作为光引发剂，光线照射后，曝光区域的光致酸剂会产生一种酸，并在后热烘培工序期间作为催化剂移除树脂的保护基团，使树脂变得可溶。化学放大光刻胶对深紫外光源具有良好的光敏性，具有高对比度、分辨率等优点。（二）光刻胶市场稳定增长，ArFi占比最高半导体光刻胶市场增速稳定。伴随芯片制程工艺的升级，光刻胶市场需求量也随之增加。根据TECHECT数据，2021年全球光刻胶市场规模约为19亿美元，同比增长11%，预计2022年将达到2134亿美元，同比增长1232%。具体来看，在7nm制程的EUV技术成熟之前，ArFi光刻胶仍是市场主流，占比高达368%，KrF和g/i光刻胶分别占比为358%和147%。（三）多重因素构筑壁垒，日企垄断高端市场1、工艺壁垒光刻胶多用于微米和纳米级别的图形加工，因此产品品质要求极高，微粒子及金属离子含量极低，制造工艺复杂，研发和生产都有较高的技术壁垒。此外，因为应用需求众多，光刻胶品类也很多，因此需要通过调整光刻胶的配方以满足对应的需求。2、配套光刻机光刻胶需要通过相应的光刻机进行测试和调整，目前仅有荷兰ASML集团有能力制造光刻机，但对我国实施技术封锁。国内仅有一家企业可制造光刻机，且技术水准与ASML集团仍有较大差距。3、原材料壁垒光刻胶是主要由光引发剂、光刻胶树脂、单体、溶剂及其他助剂形成的溶液。其中树脂和光引发剂是光刻胶最核心的部分，树脂决定光刻胶的硬度、柔韧性、附着力等基本属性，光引发剂则决定了光刻胶的感光度、分辨率。目前上游原材料主要被陶氏杜邦、富士胶片等日韩美企业垄断。4、客户认证壁垒由于光刻胶的品质会直接影响芯片性能、良率等，试错成本高，客户验证需要经过PRS（基础工艺考核）、STR（小批量试产）、MSTR（中批量试产）、RELEASE（量产）四个阶段，验证周期在两年以上。日本企业龙头地位稳固，CR5高达80%。全球半导体光刻胶2021年行业前六家企业占比约为88%，市场集中度高。日本东京应化、日本JSR、日本住友化学、日本富士胶片四大日本企业分别占据27%、13%、12%、8%市场份额，美国陶氏杜邦占据17%的市场份额，韩国东进占据11%的市场份额。六、 日韩厂商高度垄断，国内厂商加速突破前五大制造商格局稳定，外资垄断现象持续。据SEMI数据，2020年全球前五大硅片制造商分别为日本信越化学、环球晶圆、德国世创、SUMCO和韩国SKSiltron，共占据866%的市场份额。国内市场在大尺寸硅片上对外资企业依然具有依赖性，主要进口地区为日本、中国台湾和韩国。国产厂商加大研发投入，加速实现。由于硅片供应紧缺，海外大厂会优先保障海外晶圆厂硅片供给，给国内硅片厂带来了加速替代的机遇。国内供应商产品技术水平快速提升，国内晶圆厂对国产半导体材料的验证及导入正在加快，如沪硅产业、立昂微、中环股份等企业已顺利通过验证。中国大陆硅片整体产能加大投入，加速追赶国际龙头厂商。