摘要：碳化矽行業正快速發展，或可誕生更多百億甚至千億市值的中國公司。
在新的宏觀背景下，PE機構如何找到適合自己的“風口”？什麽樣的投資邏輯能真正穿越周期？
始終堅持行研驅動，是九鼎投資的重要策略之一。在「九鼎投資觀察」欄目中，我們會不定期分享在各產業細分領域的深度研究和思考，以把握企業的成長性和確定性投資機會。
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碳化矽又一次成爲了社交話題的焦點。
當地時間3月1日，特斯拉在其首次投資者日活動上表示，爲進一步降低車輛成本，計劃在下一代電動汽車動力系統中減少碳化矽（SiC）晶體管75%的使用量。
受此影響，歐美市場及中國A股市場相關芯片制造商的股價曾紛紛下跌。
碳化矽作爲第三代半導體材料，適合制作高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，一度被視爲新能源汽車領域的理想材料。特斯拉，曾打響碳化矽上車的第一槍。
2011年，科銳（Cree，已更名爲Wolfspeed）公司推出全球首款碳化矽功率半導體——SiC MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）。5年後，特斯拉發布第四款車型Model 3, 該車型的主逆變器安裝了24個意法半導體（ST）公司生產的SiC MOSFET功率模塊。
此後，SiC不僅成爲半導體廠商激烈湧進的熱門賽道，也在全球新能源車市場加速上車。
在九鼎投資看來，特斯拉此次宣稱將減少碳化矽的用量，對碳化矽行業的影響不大。
首先，碳化矽的確擁有更優性能。據Wolfspeed測算，將純電動汽車逆變器中的功率組件改成SiC器件時，可顯著降低電力電子系統的體積、重量和成本，提升車輛5%-10%的續航。
其次，受益于技術進步和行業規模化的影響，碳化矽功率器件的價格呈下降趨勢。
尤其在技術方面，碳化矽器件的原材料——襯底和外延片的單位面積價格會隨着尺寸的增大進一步降低。而且，在碳化矽單晶的生長方法上，業界在嘗試用最新的液相法替代傳統的氣相法，以提高碳化矽晶體的良率，降低碳化矽的整體生產成本。
九鼎投資判斷，待碳化矽的成本降至一定程度，特斯拉或許還會再增加碳化矽的用量。
像特斯拉這樣的“價格屠夫”還是少數。目前，寶馬、奔馳、大衆等一衆車企，已紛紛與Wolfspeed、英飛淩等廠商合作，以確保碳化矽现有產品的穩定供應。
據法國市場調研機構Yole統計, 全球碳化矽功率器件市場規模預計從2021 年的10.9億美元，增長至2027年的62.97億美元，年均複合增長率達 34%。
從細分應用領域來看，2027年，碳化矽在汽車領域的市場規模將達49.86億美元（占總規模的79.18%），在光伏及儲能領域的市場規模預計增長至4.58億美元。軌道交通領域，預計也會爲功率器件市場貢獻超過1億美元的增量空間。
可見，汽車將是未來碳化矽最大的應用市場，碳化矽在其他多個領域也有一定成熟應用。總體上，市場對高性能的碳化矽功率器件保持需求增長狀態。
一、“優等生”和“香饽饽”
電子工業的進程，離不開半導體材料的發展。
最早的電子工業，始于1906年李·德福雷斯特發明的真空管，它具備開關、放大的功能，是最早的電力電子器件。
一個典型的應用是，真空管是世界上第一台電子計算機ENIAC的主要構成部件。當時的ENIAC占地140平方米，重量達30噸，並需要一個小型發電站專門爲其供電，1940年的運行成本爲當時的40萬美元。
由于真空管體積大、易破損、能耗高、老化快等缺點，學界一直在探尋其替代品。如今，作爲真空管替代品的半導體器件，在材料上已曆經三次大叠代。
和前兩代相比，第三代半導體材料具有高熱導率、高擊穿場強、高飽和電子漂移速率和高鍵合能等優點，可滿足現代電子技術對高溫、高功率、高壓、高頻以及抗輻射等惡劣條件的新要求。
作爲第三代半導體材料的代表，碳化矽（SiC）和氮化镓（GaN）各有千秋。
例如，氮化镓有着更高的電子遷移率，更適合于高頻的應用。目前，氮化镓較多用于射頻（RF）電子器件中，在5G通信、國防等領域有廣泛的應用。
碳化矽則具有更高的熱導率，更適合于更高功率的應用，包括電動汽車和數據中心、一些太陽能設計、鐵路牽引、風力渦輪機、網格分布與工業和醫療成像等。這些場景不總是進行高頻開關，但需要在很高的電壓和優良的散熱環境下運行。
第三代半導體材料的另一個優點是，安全、環保，不會像砷化镓（GaAs）、砷化铟（InAs）、磷化铟（InP）等第二代半導體材料對環境和人體產生危害。
相比于碳化矽，氮化镓在材料端制備環節存在更大技術難度和更高的成本。目前，氮化镓器件主要基于碳化矽襯底。
當前，行業內已實現量產的碳化矽功率器件有SBD（肖特基勢壘二極管）和MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管），二者分別針對傳統矽基FRD（快速恢複二極管）和IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的不足以實現替代。
但碳化矽不是新材料。資料顯示，碳化矽是由美國人艾奇遜在1891年電熔金剛石實驗時，在實驗室偶然發現的一種碳化物。
作爲一種在100多年前就出現的老牌工業材料，爲何現在才成爲市場關注點？
這是因爲，過往以集成電路爲主的電子现有產品，基本不需要面對高溫、高壓、高頻的場景，矽材料基本能應對。而近年隨着新能源等產業的發展，新能源汽車、光伏及軌道交通等對半導體材料有着高要求的場景出現了。
就新能源汽車而言，當前續航裏程大部分在700公裏以內。電池能量密度在短期內的提高程度有限，衆廠商將目光投向了補能效率。
此前，多數新能源汽車采用的是400V電壓平台。2019年，保時捷發布了全球首款搭載800V電壓平台的汽車後，比亞迪、小鵬、吉利等車企紛紛跟進。相比400V電壓平台，800V高壓平台可支持汽車有更長時間的快速充電。
在800V甚至更高電壓水平的平台上，原本的矽基IGBT芯片達到了材料極限，性能更好的碳化矽功率器件成爲其理想替代。
二、弱供給下的軟肋：成本、產能
當然，現實與理想存在差距。
在《爲什麽說以新能源車爲代表的萬億市場，正在開啓國產IGBT的時代交鋒 ？》一文中，九鼎投資提到，受限于高成本的制約，碳化矽功率器件在短期內還無法完全取代矽基IGBT。
碳化矽功率器件的成本究竟有多貴？
東尼電子（603595.SH）的財報顯示，2022年，該公司半導體業務營收1676.56萬元，銷售碳化矽襯底4190片。由于東尼電子半導體業務全部爲碳化矽襯底，計算得出該公司碳化矽襯底的每片單價爲4001.33元。
根據中商產業研究院的數據，襯底約占碳化矽器件成本的47%。以此推斷，2022年，單個碳化矽器件的出廠價爲近萬元。
相比之下，矽基器件就便宜多了。美國半導體企業安森美的數據顯示，2022年7月28日，在650V现有產品上，SiC MOSFET的原廠報價，是矽基IGBT的3.2倍。在1200V现有產品上，前一器件的原廠報價爲後者的2.2倍。
除了貴，特斯拉計劃減少碳化矽用量背後還有一個原因：碳化矽產能不足。
據市場估算，預計平均2輛特斯拉純電動車就需要一片6寸SiC晶圓。以年產能100萬輛Model 3/Y計，特斯拉一年需要超50萬片6寸晶圓，而目前全球SiC晶圓總年產能在40萬~60萬片。這意味着，全球碳化矽的總產能可能都不夠特斯拉一家消耗。
限制碳化矽量產的一個重要因素是技術，尤其是襯底的制備技術。九鼎投資大致梳理了碳化矽襯底的制備流程：
首先，將高純矽粉和高純碳粉按一定配比混合、反應合成碳化矽顆粒。再經過破碎、清洗等工序，制得高純度碳化矽微粉。
接着，生長碳化矽晶體。以主流的PVT 法（物理氣相傳輸法）爲例，將高純碳化矽微粉和籽晶（生長單晶的“種子”）置于長晶爐加熱，形成氣相物質。它們在溫度梯度下，會在籽晶處結晶，再形成圓柱狀碳化矽晶錠。
此後，晶錠經過切割、研磨、抛光等工藝後，得到碳化矽襯底。
上述過程存在諸多難度，如：碳化矽粉料合成過程中的環境雜質多，難以獲得高純度的粉料；碳化矽單晶需在2300℃以上高溫環境生長，周期長、控制難度大，易產生微管、包裹物等缺陷；碳化矽單晶有200 多種不同晶型，但僅4H和6H兩種晶型適合應用，因此在生長過程中易產生多晶型夾雜缺陷。
由于襯底制備難度高，碳化矽现有產品的良率普遍不高。2022年8月，露笑科技（002617.SZ）曾表示，該公司的碳化矽良率爲50%，“已達到全球一流水平”。
此外，晶片尺寸越大，對應晶體的生長與加工技術難度越大。
1990年，2英寸的碳化矽晶圓已研制成功。但直到2015年，業界才出現8英寸的碳化矽晶圓，且目前8英寸的碳化矽晶圓質量還不夠成熟。當前全球市場上，已成熟產業化的碳化矽晶圓爲4英寸和6英寸。
站在廠家的角度，碳化矽產能供給不足還關乎幾個方面：耗錢、耗時、耗人。
建設一個晶圓廠分爲多個步驟：選址、廠房建設和廠務配套、設備導入/調試、工藝開發與驗證、现有產品研發與驗證、以及產能爬坡。
從資金成本來看，據統計，建設一條晶圓產線，4英寸線需1億元，6英寸線需10億元，8英寸線則需40億元。
從時間周期來看，建一個晶圓廠房需8-15個月；一些關鍵設備的交期達15個月以上；做完兩輪驗證又需耗時數月。整體上，晶圓廠從開始建設到大規模滿產出貨，可能需3~5年。
從人的層面來看，九鼎投資了解到，碳化矽行業真正熱起來是在2018年前後。尤其在特斯拉將碳化矽帶上車之前，市場對于碳化矽的需求很少，相關公司的經營情況不樂觀，導致在碳化矽行業堅持下來的高端技術人才並不多。
就算SiC晶圓廠有高端人才，也不代表能量產SiC器件。SiC器件廠商要有成體系的發展，在器件設計、工藝開發、設備、生產、檢測、動力、質量、供應鏈等方面都不能有短板。一般而言，一個晶圓廠的正常運作，需200人以上的團隊。
三、虧損中的碳化矽企業，如何奔向星辰大海？
數據顯示，中國目前是碳化矽最大的應用市場，消耗全球約一半的使用量。
但在供給側，目前以美國、歐洲、日本廠商爲主。根據Yole的報告，意法半導體、英飛淩（Infineon）、Wolfspeed、羅姆（Rohm）和安森美（ON）這五家海外公司，占據了2021年全球碳化矽功率器件市場約90%的份額。
尤其是Wolfspeed和羅姆，實現了從碳化矽襯底/外延生產、器件設計、器件及模塊制造/封測的全產業鏈布局。
不過，國際貿易環境的變化，將促使中國企業優先采購本土自主化的芯片现有產品。在國產替代的機遇下，哪些碳化矽企業能率先跑出來？
沿產業鏈拆細來看，碳化矽產業鏈可分爲三部分：上遊的襯底、外延片；中遊的器件；下遊的應用。
外延片是在襯底上再生產一層碳化矽。碳化矽晶體生長難度大，在碳化矽有缺陷的襯底上繼續生長，原本對器件有影響的缺陷將得到彌補。
根據電阻率的不同，襯底可分爲兩種，並對應不同的外延和器件现有產品。
1、半絕緣型碳化矽襯底：電阻率≥105Ω·cm（歐姆·厘米），用于制造氮化镓微波射頻器件。微波射頻器件是無線通訊領域的基礎性零部件。
2、導電型碳化矽襯底：電阻率區間爲15~30 mΩ·cm（毫歐·厘米），用于制作碳化矽功率器件。功率器件是電力電子變換裝置的核心器件。
在產業鏈分工上，襯底、外延兩道工序可在同一家公司完成，也可由專業做外延片的公司采購上遊襯底再加工制得。
在碳化矽產業鏈上遊，九鼎投資認爲，襯底和外延材料生產商，以及相關的設備制造商均值得關注。
以半絕緣型碳化矽襯底爲例，該市場規模目前相對較小，有較大的成長空間。Yole的報告顯示，隨着通信基礎建設和軍事應用的需求發展，全球氮化镓射頻器件市場規模預計從2019年的7.4億美元，增長至2025年的20億美元，年均複合增長率達18%。半絕緣型碳化矽襯底的需求量，有望因此獲益而持續增長。
相比襯底，目前全球碳化矽外延材料市場的國際巨頭市占率更高，基本由Wolfspeed和昭和電工雙寡頭壟斷。
九鼎投資在調研中了解到，外延材料的制約在外延設備。中國外延材料生廠商通常需采購國外外延設備，但價格昂貴且交期長。
包括碳化矽產業在內，在整個半導體行業，重資產的設備環節是最後國產化的。
在碳化矽產業鏈中遊的器件環節，以 IDM 模式最爲常見，即集合器件設計、制造等多個產業鏈環節于一體。但也有Fabless模式（只負責器件的電路設計與銷售）和Foundry模式（純代工）。三者各具優劣勢：
1、IDM模式，多環節協同優化，有助于充分發掘技術潛力，但公司規模龐大，管理成本和運營費用較高。
2、Fabless模式，資產較輕，初始投資規模小，企業運行費用較低，轉型相對靈活。但無法與工藝協同優化，難以完成指標嚴苛的設計，且需要承擔各種市場風險。
3、Foundry模式，不承擔由于市場調研不准、现有產品設計缺陷等決策風險，但投資規模較大，維持生產線正常運作的費用較高，且需要持續投入維持工藝水平。
九鼎投資認爲，比起Foundry模式，以IDM和Fabless爲運作模式的企業更值得關注。
從公司和人的層面來看，一家優秀的碳化矽企業的關鍵還包括：
1、持續的技術叠代能力。以碳化矽晶圓制備技術爲例，業界已實現2英寸到4英寸和6英寸的過渡，甚至向8英寸轉移。可見，碳化矽產業本身處于長期的技術叠代過程中，何況，中國碳化矽企業若想在國際市場占據一席之地，更要有較強的技術叠代能力，在现有產品上提高性能和降低成本。
2、前瞻性的戰略。碳化矽晶圓尺寸越大，單片面積就越大、邊緣浪費更小，單位時間內產出的襯底、外延更多，意味着成本越低。但同時技術難度越大，單條產線的投入也越大。因此，不同產線的比例如何權衡是企業必須思考的。
近兩年，碳化矽頭部企業紛紛開始登陸二級市場。例如，Wolfspeed于2021年在紐交所上市，市值近百億美元；天嶽先進于2022年在科創板上市，被稱爲“中國碳化矽第一股”，市值超300億元；天域半導體也于2023年開啓上市輔導備案，有望成爲中國第一家碳化矽外延片生產商。
但整體而言，碳化矽行業還處于快速發展階段。即使是頭部企業，也未實現完全盈利。Wolfspeed在 2023 財年第二季度（截至2022年12月）實現營收約2.16億美元，淨虧損約0.91億美元，虧損幅度繼續擴大。而天嶽先進，在2022年實現營收約4.17億元，淨虧損約1.74億元，較上年同期由盈轉虧。
以上述兩家企業爲例，根據公開披露，碳化矽企業虧損的主要原因，大都是處于研發投入期或新產能建設期，而這正表達了它們對行業前景的積極態度。
九鼎投資觀察到，目前的市場共識是：碳化矽行業在未來自有其星辰大海，也有機會誕生更多百億甚至千億市值的中國公司。只是在此之前，作爲投資人，除了信心，我們也需要保持足夠的耐心。