碳化硅行业深度报告：新材料定义新机遇 SiC引领行业变革

       10月8日，民生证券发布一篇电子行业的研究报告，该机构指出：新材料定义新机遇，SiC引领行业变革，报告具体内容如下：

　　碳化硅：第三代半导体突破性材料。SiC是第三代半导体材料，其具备极好的耐压性、导热性和耐热性，是制造功率器件、大功率射频器件的突破性材料。根据Wolfspeed预计，2022年全球碳化硅器件市场规模达43亿美元，2026年碳化硅器件市场规模有望成长至89亿美元。当前SiC功率器件价格较高，是硅基IGBT的3~5倍左右，但凭借优异的系统节能特性，SiC器件开始在新能源汽车、光伏、储能等领域替代硅基器件。

　　SiC引领行业变革，新需求快速涌现。新能源汽车是碳化硅功率器件下游第一大应用市场，根据我们测算，2026年全球应用于新能源汽车主驱逆变器的SiC器件市场规模有望达44亿美元。为了提升电动汽车充电速度、缓解里程焦虑，小鹏、比亚迪（002594）、长城、保时捷、现代等整车厂陆续推出800V高压平台车型，有望推动SiC器件在新能源汽车中渗透率进一步提升。

　　国际巨头垄断行业，国产厂商加速破局。当前全球SiC衬底总年产能约在40~60万片等效6英寸，无法满足下游旺盛需求。根据Yole预测，随着衬底厂商技术进步、产能进一步扩张，2025年6英寸导电型衬底价格有望降至590美元，这将带动SiC器件渗透率提升，有望在未来与Si-IGBT双雄并驱。此外，当前Wolfspeed、II-IV、罗姆三家海外大厂占据了全球89%导电型衬底市场，意法半导体、英飞凌、安森美、Wolfspeed等六家海外大厂占据了全球99%碳化硅功率器件市场，行业格局被海外大厂垄断，国内厂商正在加速破局。

　　新需求带来新机遇，技术进步推动新未来。对于SiC衬底制造来说，PVT法生长速率慢、制备难度大、晶锭良率低，因此产能提升较慢，但衬底制造各环节均有工艺改善空间，溶液生长法、激光切割等技术的进步等有望推动衬底产能进一步提升，衬底有望持续降本。对于SiC器件制造来说，由于SiC材料透明、离子扩散温度高等特性，在器件制造过程中光刻对准、高能离子注入、高温退火工艺、栅氧质量控制、蚀刻工艺等环节相较硅基器件难度较大，器件制造扩产较为困难。对于SiC功率模块来说，由于SiC器件耐受工作温度较高，AMB基板凭借更高的热导率等性能优势，成为SiC器件导热基板材料首选。

1 碳化硅：第三代半导体突破性材料

1.1 优质的新型半导体衬底材料

半导体材料根据时间先后可以分为三代。第一代为锗、硅等普通单质材料，其 特点为开关便捷，一般多用于集成电路。第二代为砷化镓、磷化铟等化合物半导体， 主要用于发光及通讯材料。第三代半导体主要包括碳化硅、氮化镓等化合物半导体 和金刚石等特殊单质。凭借优秀的物理化学性质，碳化硅材料在功率、射频器件领 域逐渐开启应用。 第三代半导体耐压性较好，是大功率器件的理想材料。第三代半导体主要是碳 化硅和氮化镓材料， SiC 的禁带宽度为 3.2eV，GaN 的禁带宽度为 3.4eV，远超 过 Si 的禁带宽度 1.12eV。由于第三代半导体普遍带隙较宽，因此耐压、耐热性较 好，常用于大功率器件。其中碳化硅已逐渐走入大规模运用，在功率器件领域，碳 化硅二极管、MOSFET 已经开始商业化应用。

基于上述特性，以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件在性能方 面更加具有优势：（1）更强的高压特性。碳化硅的击穿电场强度是硅的 10 余倍， 使得碳化硅器件耐高压特性显著高于同等硅器件。（2）更好的高温特性。碳化硅相较硅拥有更高的热导率，使得器件散热更容易，极限工作温度更高。耐高温特性可 以带来功率密度的显著提升，同时降低对散热系统的要求，使终端可以更加轻量和 小型化。（3）更低的能量损耗。碳化硅具有 2 倍于硅的饱和电子漂移速率，使得 碳化硅器件具有极低的导通电阻，导通损耗低；碳化硅具有 3 倍于硅的禁带宽度， 使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅减少，从而降低功率损耗；碳化硅器件在关 断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，大幅提高实际应用的开关频率。 根据ROHM的数据，相同规格的碳化硅基MOSFET导通电阻是硅基MOSFET 的 1/200，尺寸是是硅基 MOSFET 的 1/10。对于相同规格的逆变器来说，使用碳 化硅基 MOSFET 相比于使用硅基 IGBT 系统总能量损失小于 1/4。

碳化硅优良的频率、散热特性，使得其在射频器件上也得到广泛应用。碳化硅、 氮化镓材料的饱和电子漂移速率分别是硅的 2.0、2.5 倍，因此碳化硅、氮化镓器 件的工作频率大于传统的硅器件。然而，氮化镓材料存在耐热性能较差的缺点，而 碳化硅的耐热性和导热性都较好，可以弥补氮化镓器件耐热性较差的缺点，因此业 界采取半绝缘型碳化硅做衬底，在衬底上生长氮化镓外延层后制造射频器件。

按照电学性能的不同，碳化硅衬底可分为半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化 硅衬底两类，这两类衬底经外延生长后分明用于制造功率器件、射频器件等分立器 件。其中，半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件、光电器件等。通 过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进 一步制成 HEMT 等氮化镓射频器件。导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。 与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上， 需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造肖特 基二极管、MOSFET、IGBT 等功率器件。

外延工艺是指在碳化硅衬底的表面上生长一层质量更高的单晶材料，如果在 半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，则称为异质外延；如果在导电型碳化硅 衬底表面生长一层碳化硅外延层，则称为同质外延。 外延层的生长可以消除衬底生长中的某些缺陷，生长的外延层质量相对较好。 碳化硅晶体生长的过程中会不可避免地产生缺陷、引入杂质，导致衬底材料的质量 和性能都不够好。而外延层的生长可以消除衬底中的某些缺陷，使晶格排列整齐。 例如衬底缺陷中的 BPD（基平面位错）约 95%转化为 TED（贯穿刃型位错），而 BPD 可导致器件性能退化，TED 基本不影响最终碳化硅器件的性能。

1.2 碳化硅功率器件性能优异

由于碳化硅材料具有高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿强度、高热导 率等特点，碳化硅是功率器件理想的制造材料。当前碳化硅材料功率器件主要分为 二极管和晶体管，其中，二极管主要包括肖特基二极管（SBD）、结势垒肖特基二 极管（JBS）、PiN 功率二极管（PiN）；晶体管主要包括金属氧化物半导体场效应 晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、结型场效应晶体管（JFET）、双 极型晶体管（BJT）、晶闸管。

碳化硅 MOSFET 主要分为平面结构和沟槽结构。平面型碳化硅 MOSFET 的 结构特点是工艺简单、单元的一致性较好、雪崩能量比较高；缺点是当电流被限制 在靠近 P 体区域的狭窄的 N 区中流过时会产生 JFET 效应，增加通态电阻，且寄 生电容较大。 沟槽型碳化硅 MOSFET 是将栅极埋入基体中，形成垂直的沟道，这种结构的 特点是可以增加单元密度，没有 JFET 效应，沟道晶面实现最佳的沟道迁移率，导 通电阻比平面结构要明显的降低；缺点是由于要开沟槽，工艺变得复杂，且单元的 一致性较差，雪崩能量比较差。

沟槽型碳化硅 MOSFET 专利壁垒较高。目前国际上量产平面型碳化硅 MOSFET 的碳化硅厂商主要有 Wolfspeed、意法半导体、Microsemi、罗姆等， 国内量产的有 APS、瀚薪、派恩杰、清纯半导体等 Fabless 厂商。而目前可量产的 SiC 沟槽结构较为稀缺，全球量产沟槽型碳化硅 MOSFET 的仅有罗姆的双沟槽结 构、英飞凌的半包沟槽结构、日本住友的接地双掩埋结构等。

相比平面型 MOSFET，沟槽型碳化硅 MOSFET 在成本和性能上都具有较强 优势。以罗姆的第三代碳化硅 MOSFET（第一代沟槽型碳化硅 MOSFET）为例，其芯片面积仅为罗姆第二代平面型碳化硅 MOSFET 的 75%，且同一芯片尺寸下其 导通电阻降低了 50%。而罗姆的第二代沟槽型碳化硅 MOSFET 相比第一代沟槽型 碳化硅 MOSFET 导通电阻亦可再降低 40%。

1.3 星辰大海，蓝海市场空间广阔

最早商业化碳化硅产品的是美国的 CREE 公司，其发展历史具有较强的代表 性。碳化硅的产业化基本可分为三个阶段，第一阶段是碳化硅 LED 的诞生及商业 化，第二阶段是射频器件的商业化，第三部分是功率器件的商业化。2002 年 CREE 推出商用肖特基二极管、2011 年推出商用碳化硅 MOSFET 是行业两个重要的发 展节点。2019 年特斯拉在 Model3 新能源汽车上应用碳化硅 MOSFET 产品更是 将行业热情进一步推向高点。CREE 的碳化硅器件项目 2021 年前主要由旗下子公 司 Wolfspeed 负责，目前 CREE 已经出售 LED 业务，并更名为 Wolfspeed，主 营业务变更为碳化硅射频及功率器件。

碳化硅在射频、功率器件领域应用广泛，市场增长空间广阔。根据碳化硅行业 全球龙头厂商 Wolfspeed 的预测，受新能源汽车及发电、电源设备、射频器件等 需求驱动，2026 年碳化硅器件市场规模有望达到 89 亿美元，其中用于新能源汽车和工业、能源的 SiC 功率器件市场规模为 60 亿美元，用于射频的 SiC 器件市场 规模为 29 亿美元。碳化硅在功率及射频器件领域具备较强的优势，具备较强的应 用价值，有望在新能源汽车、工业和能源、射频市场逐步完成对硅基器件的替代。 根据 YOLE 的预测，碳化硅的市占率有望在 2024 年突破 10%。

第三代半导体战略意义重大，世界各个国家和地区均在努力推进发展工作。欧 洲的 SPEED 计划、MANGA 计划，美国的 SWITCHES 计划、NEXT 计划，日本 的新一代功率电子项目都是意在通过政府资助和企业加强投资的方式推动新一代 化合物半导体落地的计划，背后都具有明显的战略意图。第三代半导体的重要性各 国都已明确，中国早在 2016 年的“十三五”规划中就将碳化硅和半导体照明列入 重点项目，随后科技部、发改委等四部门又将碳化硅衬底技术列入重点突破领域。

我国亦在大力推动碳化硅行业发展，国资不断支持国内厂商立项融资。2018 年国内碳化硅相关的投资项目签署额仅 50 亿元，到 2020 年已达 463 亿元，且其 中有接近 90%的项目有政府参与，表明了国家对该领域的大力支持。

1.4 碳化硅产业链价值集中于上游衬底和外延

碳化硅产业链主要包括衬底、外延、器件设计、器件制造、封测等。从工艺流 程上看，碳化硅一般是先被制作成晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬 底；衬底经过外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、沉积等步 骤制造成器件。将晶圆切割成 die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊 外壳中组装成模组。

碳化硅产业链价值集中于上游衬底和外延环节。根据 CASA 的数据，衬底约 占碳化硅器件成本的 47%，外延环节又占据 23%，制造前的成本占据全部成本的 70%。而对于 Si 基器件来说，晶圆制造占据 50%的成本，硅片衬底仅占据 7%的 成本，碳化硅器件上游衬底和外延价值量凸显。由于碳化硅衬底及外延价格相对硅片较为昂贵，碳化硅功率器件现阶段渗透率较低。然而，由于碳化硅器件高效率、 高功率密度等特性，新能源汽车、能源、工业等领域的强劲需求有望带动碳化硅渗 透率快速提升。

碳化硅衬底的尺寸不断增大，当前国际主流尺寸为 6 英寸，正在向 8 英寸迈 进。自从 1991 年第一块商用碳化硅衬底诞生，目前全球主要厂商的衬底尺寸已达 到 6 英寸。而全球碳化硅领域龙头 CREE 公司（现更名为 Wolfspeed）已于 2015 年推出了 8 英寸碳化硅衬底，并于 2022 年 4 月宣布其位于美国纽约州莫霍克谷 （Mohawk Valley）的全球最大 8 英寸碳化硅制造设施正式开业。

单片衬底面积的增长有利于制造成本的下降，同时器件制造过程中衬底边缘 的浪费也将下降。根据 Wolfspeed 数据，一片 6 英寸碳化硅衬底可以产出 448 颗 die，边缘损失为 14%；而一片 8 英寸碳化硅衬底可产出 845 颗 die，边缘损失下 降至 7%，衬底利用率更高。

中国企业在单晶衬底方面以 4 英寸为主，目前国内企业已经开发出了 6 英寸 导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。其中天科合达和天岳先进为主的碳 化硅晶片厂商发展速度较快，市占率提升明显，三安光电（北电新材）在碳化硅方 面也在深度布局。

2 SiC 引领行业变革，新需求快速涌现

2.1 新能源汽车占据碳化硅最大下游应用市场

按照电学性能的不同，碳化硅衬底可分为半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化 硅衬底两类，这两类衬底经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器 件。 其中，半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件。通过在半绝缘型 碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成 HEMT 等氮化镓射频器件。 导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不 同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅 外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造肖特基二极管、MOSFET、IGBT 等 功率器件。

导电型衬底在功率器件中得到广泛应用，下游市场包括新能源汽车、光伏、高 铁、工业电源等领域。导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件，功率器件是电 力电子行业的重要基础元器件之一，广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制 等领域，涉及经济与生活的方方面面。碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、 低损耗等性能，较好地契合功率器件的要求，因而在近年被快速推广应用，例如新 能源汽车、光伏发电等领域。

碳化硅功率器件目前主要应用于逆变器中。逆变器是一种将直流信号转化为 高压交流电的装置，在传统硅基 IGBT 逆变器中，其基本原理为利用方波电源控制 IGBT 的开关，使得原来的直流电路输出方波高电压，经过整形模块的整形后形成 正弦电压，即交流电。由于输出电压和输出频率可以任意控制，所以逆变器被广泛 用于控制交流电机和无刷电机的转速，是新能源发电、不间断电源、电动汽车、轨 道交通、白色家电、电力配送等领域不可或缺的功率转换装置。

汽车是碳化硅功率器件最大的下游应用市场。根据 YOLE 的数据，2021 年全 球碳化硅功率器件市场规模为 10.90 亿美元，其中应用于汽车市场的碳化硅功率 器件市场规模为 6.85 亿美元，占比约为 63%；其次分别是能源、工业等领域， 2021 年市场规模分别为 1.54 亿、1.26 亿美元，占比分别为 14.1%、11.6%。

未来随着碳化硅器件在新能源汽车、能源、工业等领域渗透率不断提升，碳化 硅器件市场规模有望持续提升。根据 Yole 的预测，2027 年全球碳化硅功率器件 市场规模有望达 62.97 亿美元，2021-2027 年 CAGR 达 34%；其中汽车市场碳 化硅功率器件规模有望达 49.86 亿美元，占比达 79.2%，汽车仍为碳化硅功率器 件下游第一大应用市场。

碳化硅在电动汽车领域主要用于：主驱逆变器、车载充电系统(OBC)、电源转 换系统(车载 DC/DC)和非车载充电桩。根据全球碳化硅领域龙头厂商 Wolfspeed 公司的预测，到 2026 年汽车中逆变器所占据的碳化硅价值量约为 83%，是电动 汽车中价值量最大的部分。其次为 OBC，价值量占比约为 15%；DC-DC 转换器 中 SiC 价值量占比在 2%左右。此外，电动汽车充电桩也是 SiC 器件的一大应用领 域。

碳化硅 MOSFET 在电动汽车主驱逆变器中相比 Si-IGBT 优势明显，虽然当 前 SiC 器件单车价格高于 Si-IGBT，但 SiC 器件的优势可降低整车系统成本：（1） 由于碳化硅 MOSFET 相比硅基 IGBT 功率转换效率更高，根据 Wolfspeed 数据， 采用碳化硅 MOSFET 的电动汽车续航距离相比硅基 IGBT 可延长 5-10%，即在 同样续航里程的情况下可削减电池容量，降低电池成本。（2）碳化硅 MOSFET 的 高频特性可使得逆变器线圈、电容小型化，电驱尺寸得以大幅减少，而可听噪声的 降低可以减少电机铁损。（3）碳化硅 MOSFET 可承受更高电压，在电机功率相同 的情况下可以通过提升电压来降低电流强度，从而使得束线轻量化，节省安装空间。

车载充电机(OBC)为电动汽车的高压直流电池组提供了从基础设施电网充电 的关键功能，通过使用车载充电器可将电网中的交流电转换为直流电对电池进行 充电，OBC 是决定了充电功率和效率的关键器件。对于电动汽车车载充电机来说， 碳化硅 MOSFET 相比 Si 基器件同样具有系统优势： （1）更低的系统成本。虽然 SiC 器件相较于 Si 基器件价格较贵，但是使用 SiC 器件的 OBC 可以节省磁感器件和驱动器件成本，从而降低系统成本。 （2）更高的峰值效率。OBC 中使用 SiC 器件后充电峰值效率较使用 Si 基器 件的系统提升 2 个点。 （3）更大的功率密度。使用 SiC 器件的系统功率密度较 Si 基器件提升约 50%， 从而减少 OBC 的重量和体积。

DC-DC 转换器是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器。车载 DC/DC 转换器可将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电，主要给车内动 力转向、水泵、车灯、空调等低压用电系统供电。未来随着电动汽车电池电压升至 800V 高压平台，1200V 的 SiC MOSFET 有望被广泛应用于 DC-DC 转换器中： （1）首先，OBC 与 DC-DC 等功率器件集成化趋势明显，22KW 车载充电机 中，DC-DC 转换器与 OBC 有望集成。（2）其次，双向 DC-DC 转换器中，SiC 的高速恢复特性最为合适； （3）为能够适配原 400V 直流快充桩，搭载 800V 电压平台的新车须配有额 外 DC-DC 转换器进行升压，进一步增加对 DC-DC 的需求。

全球新能源汽车销量不断增长，头部厂商逐渐采用碳化硅器件。根据工信部的 数据，2021 年全球新能源车销量为 675 万辆，同比增长 108%；其中，中国新能 源汽车市场持续突破，2021 年销量达 352 万辆，同比增长 160%以上。 特斯拉是业界首个在电动汽车中采用碳化硅主驱逆变器模块的车企，2018 年， 特斯拉在 Model 3 中首次将 IGBT 模块换成了 SiC 模块。当前越来越多的车厂正 在转向在电驱中使用碳化硅 MOSFET 器件，目前除特斯拉 Model3 外，还有比亚 迪汉 EV、比亚迪新款唐 EV、蔚来 ES7、蔚来 ET7、蔚来 ET5、小鹏 G9、保时捷 Tayan 和现代 ioniq5 等车型已经在电驱中采用了碳化硅器件。

在光伏发电领域，由于使用 SiC 器件可以降低光伏发电系统损耗，未来随着 碳化硅器件成本的不断降低，碳化硅器件有望逐步替代硅基器件，市场规模有望不 断提升。在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右， 却是系统能量损耗的主要来源之一。而根据天科合达招股书显示，使用碳化硅材料， 可将转换效率可从 96%提升至 99%以上，能量损耗降低 50%以上，设备循环寿命 提升 50 倍。根据 CASA 预测，在 2025 年，碳化硅功率器件占比将达到 50%，相 比 2020 年增长 40 个百分点，并将持续扩大占比。

此外，碳化硅材料可以显著提升列车牵引系统节能效果，符合轨道交通大容量、 轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求，有望在轨道交通中得到广泛应用。同时， 由于碳化硅抗高温高压高频的特性，完美切合智能电网发展需求，被应用在固态变 压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动智 能电网的发展和变革。虽然 2018 年碳化硅在轨道交通的应用占比仅为 2%，但 CASA 预测在 2030 年碳化硅在轨道交通功率器件的应用占比将达 30%，渗透率 不断提升。

2.2 汽车高压平台升级，800V 时代 SiC 成为刚需

800V 快充系统推动汽车平台升级。新能源汽车行业一个亟待解决的问题就是 “里程焦虑”，提升充电速度就需要提升充电桩的输出功率，则需要提升充电电压 或电流。根据 Wolfspeed 数据，当前我国商用的主流快充充电桩的功率为 100~150KW，电动汽车充电 400KM 里程所需的时间为 40~27 分钟。若充电桩 采用 350KW 大功率快充系统，400KM 里程所需充电时间可大大缩短至 12~15 分钟。 提升充电功率可以通过提高电流或者电压两种方式来实现。然而，如果通过提 升电流来增大充电功率，会带来以下问题：（1）根据功率计算公式，电流的提升会 导致系统功率损耗增大；（2）电流增大，根据焦耳定律系统发热会加剧，冷却系统 成本增高；（3）所需线束更粗，线束重量将增大。因此提升电压以实现大功率快充 成为行业的多数选择。

电动汽车升级 800V 平台，Si-IGBT 模块面临挑战。虽然使用硅基 IGBT 的功 率模块同样可以做到 1000V 以上的耐受电压，但其仍存在以下缺点：（1）400V 的 Si-IGBT 模块将不再适用，即使换成耐高压的 Si-IGBT，其在 800V 高电压平台 上仍然存在着损耗高、效率低、体积大的缺点；（2）800V 平台上所用 Si-IGBT 数 量要明显大于 400V 平台，车内空间更加紧张。此时， SiC 器件由于自身高耐压 性、低损耗、高功率密度、高热导率等优势，成为 800V 时代新能源汽车的刚需。 如果采用碳化硅系统，800V电动汽车的整车效率将得到显著提升。根据PCIM Europe 的研究，按照 WLTC 工况测试，基于 750V 硅基 IGBT 模块及 1200V 碳 化硅模块仿真，400V 电压平台下，1200V 碳化硅模块相比于 750V 硅基 IGBT 模 块，整车损耗可降低 6.9％；然而在 800V 高压平台下，整车损耗可降低 7.6％。 此外，由于碳化硅器件功率密度更大，采用碳化硅器件的电动汽车、充电桩可以在 较小的体积内达到较大的功率，从而节省车内空间，减轻车身重量。

为了提升电动汽车充电速度、缓解里程焦虑，越来越多的整车厂布局 800V 高 压平台。保时捷 Taycan 是全球首款量产的 800V 高压平台车型，并将最大充电功率提升至 350KW。此外，奥迪 e－tron GT、现代 Ioniq 5 和起亚 EV6 都采用了 800V 高压平台。与此同时，国内的车企亦纷纷向 800V 高压平台迈进。2021 年， 比亚迪、吉利、极狐、广汽、小鹏等都陆续发布了搭载 800V 平台的车型，其中小 鹏、比亚迪等 800V 高压车型有望 2022 年量产。800V 平台的推广有望推动 SiC 器件在电动汽车中的渗透率快速提升。

对于直流快速充电桩来说，充电电压升级至 800V 同样带来充电桩中的 SiC 功 率器件需求大增。电动汽车直流快速充电桩绕过安装在电动汽车上的车载充电机， 直接为电池提供大功率直流充电。相比传统 Si 和 IGBT 器件，基于 SiC 的器件由 于具有工作温度更高、导通损耗更小、漏电流更低、浪涌耐受能力更强、最大额定 电压更高，以及整体功率密度更高的特点，可实现更好的充电性能。

2.3 半绝缘型碳化硅衬底广泛应用于射频器件领域

同属于第三代半导体的氮化镓同样拥有良好的宽带隙特性，同时其兼具第二 代半导体的高频特性，是制造半导体射频器件的良好材料。目前主流的射频器件材 料有砷化镓、硅基 LDMOS、碳化硅基氮化镓等不同类型。其中，砷化镓器件已在 功率放大器上得到广泛应用，硅基 LDMOS 器件也已在通讯领域应用多年，但其 主要应用于小于 4GHz 的低频率领域。碳化硅基氮化镓射频器件同时具备了碳化 硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势，随着信息技术产业 对数据流量、更高工作频率和带宽等需求的不断增长，氮化镓器件在基站中应用越 来越广泛。 氮化镓射频器件正在取代 LDMOS 在通信宏基站、雷达及其他宽带领域的应 用。根据 Yole 预测，至 2025 年，功率在 3W 以上的射频器件市场中，砷化镓器 件市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓射频器件有望替代大部分硅基 LDMOS 份额，占据射频器件市场约 50%的份额。

在应用方面，5G 通信推动着碳化硅成为射频器件的主流材料。5G 通讯高频、 高速、高功率的特点对微波射频器件提出了更高要求，对目前采用的砷化镓和硅基 LDMOS 器件提出了挑战。不同于砷化镓和硅基 LDMOS 器件的固有缺陷，如高 频段性能差、功率效率较差等。由于半绝缘型碳化硅衬底制备的氮化镓射频器件在 高频段表现良好、能抗高温高压，具有高功率处理能力，已逐步成为 5G 时代较大 基站功率放大器的候选技术。

伴随全球氮化镓射频器件市场规模的增长，半绝缘型碳化硅衬底市场预有望 持续增长。半绝缘型衬底主要用于 5G 基站、卫星通信、雷达等方向，随着 5G 建 设的加速，尤其是 Massive MIMO 技术的推广，碳化硅基氮化镓器件市场规模不 断扩大。根据 YOLE 的数据，2020 年封装的氮化镓射频器件市场规模约为 8.91 亿 美元，其中超过 99%都是采用碳化硅衬底，到 2026 年，这部分市场规模有望增 长至 22.22 亿美元，年复合增速 17%。

3 国际巨头垄断行业，各环节产能紧缺持续

3.1 全球衬底产能紧缺，SiC 与 IGBT 双雄并驱

当前新能源汽车、光伏、储能等领域对 SiC 器件需求强劲，其中新能源汽车将 消耗掉全球大部分 SiC 衬底产能，全球衬底产能持续紧缺。 以特斯拉 Model 3 为例，根据特斯拉 Model 3 主驱逆变器拆解来看，其中 包括六个模块，每个模块由 4 个 SiC 小模块并联，型号为意法半导体的 ST GK026。 拆开封装来看，每颗 SiC 小模块有 2 个 SiC 裸晶（Die），因此该逆变器共有 48 颗 电压/电流规格为 650V/100A 的 SiC MOSFET 芯片，单芯片的面积约 33 平方毫 米。

一片 6 英寸 SiC 衬底面积约 17663 平方毫米，根据 Wolfspeed 数据，生产 32 平方毫米大小 SiC MOSFET 过程中 6 英寸衬底边缘损耗为 14%，我们假设 60% 的器件制造良率，则单片 6 英寸衬底可产出约 276 个良品，则单片 6 英寸衬底可 供应约 5.75 辆新能源车的主驱逆变器。根据中研网数据，2022 年全球新能源乘 用车的销量有望达到 1000 万辆左右，若主驱逆变器全部采用 SiC MOSFET，则 共需约 174 万片 6 英寸 SiC 衬底。而目前全球 SiC 衬底总年产能约在 40 万~60 万片等效 6 英寸，SiC 衬底产能持续紧缺，SiC MOSFET 与 Si-IGBT 将在未来长 期并驾齐驱。

由于当前碳化硅行业仍处于较为初期阶段，碳化硅衬底本身生产效率低、良率 低，衬底、外延、器件制造等环节产能仍然紧缺，导致碳化硅器件价格较硅基器件 较高。以特斯拉 Model 3 为例，其主驱动逆变器采用了 48 个 SiC MOSFET，总 成本约为 5000 元，是硅基 IGBT 的 3~5 倍。随着全球碳化硅衬底产能不断增长， 供给不断增加，我们假设碳化硅器件价格保持年降 10%的速度，新能源汽车主驱 逆变器中碳化硅模块的渗透率保持每年 5ppts 的增速，则我们测算 2026 年全球 新能源汽车主驱逆变器中 SiC 器件市场规模约为 44 亿美元。

新能源汽车 OBC 中对 SiC MOSFET 的需求亦有较大增长。对于 800V 高压 平台，新能源汽车需配置 11KW 以上的双向 OBC。根据 Wolfspeed 的数据， 22KW 双向 OBC 中需使用 14 颗 SiC MOSFET，其中 AC-DC 侧需要 6 颗，DCDC 侧需要 8 颗。

由于主驱逆变器中使用的 SiC MOSFET 相较于 OBC 中的 SiC MOSFET 规格 较高，因此汽车 OBC 中的 SiC 器件渗透率有望超过主驱逆变器，我们假设 2026 年新能源汽车 OBC 中 SiC 器件渗透率为 70%，且单车价值量年降 10%，则我们 测算 2026 年全球新能源汽车 OBC 中 SiC 器件市场规模约为 9 亿美元。

新能源汽车、光伏、风电、储能等应用对全球碳化硅器件的需求大增，而衬底 供应商扩产缓慢，每轮扩产需要至少一年半到两年，产能的释放滞后于需求的快速 增长。根据天科合达招股书的披露，从规划建厂到竣工验收并投产需要 8 个季度， 当前供给端的扩产速度无法满足需求端的增长，导致衬底产能较为紧缺。

3.2 国际巨头垄断 SiC 行业，国产厂商逐步破局

Wolfspeed 是全球最大的导电型碳化硅衬底制造商，根据 2021 年 11 月 Wolfspeed investor day 披露数据，2020 年其导电型衬底市占率约为 62%；第 二名是美国Ⅱ-Ⅵ公司，市占率 14%；第三名是 SiCrystal，市占率 13%。前三名 市占率之和接近 90%。 Wolfspeed 公司的前身为 Cree 公司，2019 年 3 月，Cree 公司宣布将照明 产品业务部 Cree Lighting 出售给家族企业 IDEAL INDUSTRIES，Cree Lighting 包括商业应用、工业应用及消费者用 LED 照明灯具、光源和照明解决方案业务。 Cree 完成照明和 LED 业务的出售后，完全转型为一家专注于宽禁带半导体产品 的公司。2021 年 10 月，公司名称从 Cree, Inc. 更改为 Wolfspeed，Wolfspeed 拥有从衬底到器件的全产业链布局，是全球 SiC 行业的龙头。

半绝缘型衬底方面，全球市场依然是 Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ等海外公司主导，但 国内厂商天岳先进迎来突破。根据 Yole 的数据，2020 年 Wolfspeed 在半绝缘型 SiC 衬底市场的占有率为 32%，Ⅱ-Ⅵ为 35%，整体看仍然是西方巨头垄断的市 场。国产 SiC 衬底厂商天岳先进市占率提升迅速，2019 年公司的市占率仅 18%， 但 2020 年已达 30%。随着天岳先进产能进一步扩充，市占率有望进一步提升。

全球碳化硅器件市场格局仍由海外巨头主导。根据 Yole 的数据，2021 年全 球 SiC 功率器件市场规模为 10.90 亿美元，市场份额由海外巨头意法半导体、 Wolfspeed、罗姆、英飞凌、三菱电机、安森美等厂商垄断，全球 TOP 6 占据 99% 的市场份额。

SiC 行业市场空间广阔，全球巨头纷纷规划大规模扩产。Wolfspeed 在纽约 州北部开始运营新的 8 英寸 SiC 晶圆厂。博世正在德国增加近 40000 平方英尺的 新 SiC 专用洁净室。Rohm 在日本开设了一家新工厂，目标是在未来五年内将 SiC 制造量提高 5 倍。英飞凌刚刚开始在马来西亚建设新的 SiC 工厂。东芝计划到 2024 年将 SiC 产量提高 3 倍，到 2026 年提高 10 倍。未来随着全球巨头产能扩张，SiC 器件有望加速应用于下游市场。

4 新需求带来新机遇，技术进步推动新未来

4.1 技术革新带来产能提升，衬底仍存降本空间

对于碳化硅行业来说，目前衬底、器件制造产能受限是行业的主要瓶颈。一块 碳化硅外延片制造过程主要包括：籽晶制造、晶棒制造、切片抛光、外延层生长四 个部分，各个环节的长晶速率、良率等均有较大提升空间。

与硅晶圆相比，碳化硅衬底的生长速率慢、制备难度大，降本较为困难。目前 SiC 衬底制造商生长 SiC 单晶的方法主要有：物理气相传输法(physical vapor transport，PVT)、高温化学气相沉积(high temperature chemical vapor deposition，HTCVD)法和高温溶液生长(high temperature solution growth， HTSG)法。 PVT 法是将纯度较高的 SiC 粉末直接加热升华，然后在籽晶上生长。PVT 法 长晶效率较低，一般来说，硅棒拉晶 2-3 天即可拉出约 2m 长的 8 英寸硅棒，而 碳化硅却需要约 7 天的时间才能生长约 2cm。目前全球大部分 SiC 衬底厂商使用 的都是 PVT 法。 另一种气体法是化学气相沉积法，这种方法是直接加热碳烃和硅烃化合物反 应生产碳化硅，并建立特殊的温度梯度，使得发生反应后的气态碳化硅生长在籽晶 上。这种方法优点是可以制成一体化设备，而且省去了提纯碳化硅粉末的过程。缺 点和物理气相传输法一样，成本高且衬底缺陷多。

碳化硅衬底对晶型要求高，需要在生长过程中精准控制硅碳比、生长温度梯度、 晶体生长速率以及气流气压等各种参数，才能生长出完美晶体。碳化硅有 250 多 种同分异构体，其中可以为我们所利用的是 4H-SiC 晶型，而这种同分异构体合成 条件较为苛刻，需要在特定的温度和分压条件下进行（分压条件即气体 Si 和 C 的 占比）。

而 PVT 法合成碳化硅时附带反应较多，会生成很多种附带产品，且石墨坩埚 壁也可能与气体产生反应。如果不能很好地利用温度控制分压，很可能导致生成的 晶锭上出现诸多的缺陷。由于合成时间较长，很小的缺陷都可能会在生长过程中被 放大，良率也会随之降低，成本就会随之变高。炉内不同位置的压强也与温度变化 有关，良好的温度控制可以减少不理想的分压波动，减少不需要的异构体的产生，以起到提升良率的作用。温场同时还要保障下方的碳化硅能够升华到上方籽晶处 凝华，不会在环境中形成独立的凝聚核破坏生长结构。

由于采用 PVT 升华法生长 SiC 单晶存在生长速度慢、缺陷密度高、扩径困难 等问题，部分企业开始研发溶液法 SiC 晶体生长方法。高温溶液法的基本原理是 利用 Si 和 C 元素在高温溶液中的溶解、再析出来实现 SiC 单晶的生长。该方法可 以在更低的温度下（低于 2000 ℃）实现 SiC 在近热力学平衡状态下生长，且生 长的晶体具有质量高、成本低、易扩径、易实现稳定的 p 型掺杂等优势，有望成 为继 PVT 法之后制备尺寸更大、结晶质量更高且成本更低的 SiC 单晶的方法。日 本住友此前宣布他们利用溶液法生长 6 英寸 SiC 衬底可做到几乎无缺陷，可用面 积达到 99%以上；此外，相比 PVT 法，溶液法长晶速度提高了 5 倍左右。未来若 溶液法大规模商用，则 SiC 衬底有望持续降本。

而在衬底加工环节，切割是整个环节的最大产能瓶颈所在。现有的 SiC 晶圆 切片方法大多使用金刚石线锯，然而，由于碳化硅的高硬度，加工时间较长，需要大量的金刚石线锯来批量生产硅片。目前，当用金刚石线锯切割碳化硅晶锭时，多 达 40%的晶锭以 SiC 粉尘的形式成为废料，由于在切片过程中有大量的材料丢失， 单个晶锭生产出的晶圆数量就较少，这是制造 SiC 功率器件成本高昂的一个主要 因素。 由于切片效率问题，许多国外企业采取更为先进的激光切割和冷分离技术，激 光切割技术则是通过激光处理在内部形成改性层从碳化硅晶体上剥离出晶片。 2016 年 DISCO 开发了新的激光切片技术 KABRA，据 DISCO 称，KABRA 技术 的优势主要有：1）处理时间大大缩短，现有工艺需要 3.1 小时才能切出一片 6 英 寸 SiC 晶圆，而采用 KABRA 技术仅需要 10 分钟；2）不再需要研磨过程，因为 分离后的晶圆波动可以控制；3）生产的晶圆数量比现有工艺增加了 1.4 倍。

2018 年，英飞凌收购了碳化硅晶圆切割领域的新锐公司 Siltectra，进入上游 衬底领域。Siltectra 拥有半导体材料新切割技术——冷切（COLD SPLIT），该技 术能将 SiC 衬底的良率提高 90%，在相同碳化硅晶锭的情况下，它可以提供 3 倍 的材料，可生产更多的器件，最终 SiC 器件的成本可以降低 20-30%。

4.2 器件制造技术尚需积累，国内厂商加速追赶

SiC 器件制造的工艺环节与硅基器件基本类似，包括涂胶、显影、光刻、减薄、 退火、掺杂、刻蚀、氧化、清洗等前道工艺。但由于碳化硅材料特性的不同，厂商 在晶圆制造过程中需要特定的设备以及开发特定的工艺，无法与过去的硅制程设 备、工艺完全通用，因此当前 SiC 晶圆制造产能紧缺。SiC 晶圆制造特定工艺与 Si 工艺的一些差异点主要在于： （1）光刻对准。由于 SiC 晶圆是透明的，因此 CD-SEM 和计量测量变得复 杂，光刻对准、设备传送取片等难度较大。 （2）蚀刻工艺。由于 SiC 在化学溶剂中呈现惰性，因此同光使用干法蚀刻。 则掩膜材料、掩膜蚀刻的选择、混合气体、侧壁斜率的控制、蚀刻速率、侧壁粗糙 度等都需要重新开发。 （3）高温大剂量高能离子注入工艺。由于 SiC 器件的特性，SiC 扩散温度远 高于硅，传统的热扩散在碳化硅中并不实用，掺杂时只能采用高温离子注入的方式。 （4）超高温退火工艺。高温离子注入会破坏材料本身的晶格结构，因此需要 在惰性气体中高温退火来恢复结构，通常退火温度高达 1600-1700 度，使 SiC 表 面再结晶并电激活掺杂剂。 （5）高质量栅极氧化层生长。较差的 SiC/氧化硅界面质量会降低 MOSFET 反转层的迁移率，导致阈值电压不稳定，因此需要开发钝化技术，以提高 SiC/氧 化硅界面质量。

SiC 晶圆制造特定工艺带来特定设备的需求，主要包括高温离子注入机、高温 退火炉、SiC 减薄设备、背面金属沉积设备、背面激光退火设备、SiC 衬底和外延 片表面缺陷检测和计量。其中，是否具备高温离子注入机是衡量碳化硅产线的重要 标准之一。

SiC 器件制造需求大增，国内厂商加速追赶国际龙头。传统功率器件制造商与 新兴 SiC 器件制造商纷纷入局，时代电气、斯达半导、扬杰科技、华润微、士兰微、 积塔半导体、中芯绍兴等传统功率器件厂商纷纷加大 SiC 器件制造产线的研发、 投资力度；长飞先进、泰科天润、基本半导体、世纪金光、中科汉韵、瞻芯等新兴 SiC 器件制造商也异军突起；三安集成亦大力投资长沙 SiC 超级工厂。

4.3 SiC 功率模块放量在即，AMB 基板迎来机遇

陶瓷基板按照工艺主要分为 DBC、AMB、DPC、HTCC、LTCC 等基板，国内 常用陶瓷基板材料主要为氧化铝、氮化铝和氮化硅，其中氧化铝陶瓷基板最常用， 主要采用 DBC 工艺；氮化铝陶瓷基板导热率较高，主要采用 DBC 和 AMB 工艺； 氮化硅可靠性较为优秀，主要采用 AMB 工艺。AMB 工艺生产的陶瓷衬板主要运 用在功率半导体模块上作为硅基、碳化基功率芯片的基底。

DBC 衬板应用场景受限，AMB 衬板性能优势明显。由于 AMB 氮化硅基板有 较高热导率（>90W/mK），可将非常厚的铜金属（厚度可达 0.8mm）焊接到相对 薄的氮化硅陶瓷上，载流能力较高；且氮化硅陶瓷基板的热膨胀系数与第 3 代半 导体衬底 SiC 晶体接近，使其能够与 SiC 晶体材料匹配更稳定，因此成为 SiC 半 导体导热基板材料首选，特别在 800V 以上高端新能源汽车中应用中不可或缺。另 外，目前以硅基材料为主的 IGBT 模块在具有高导热性、高可靠性、高功率等要求 的轨道交通、工业级、车规级领域正逐渐采用 AMB 陶瓷衬板替代原有的 DBC 陶 瓷衬板。

乘借 SiC 功率模块上车东风，AMB 基板市场规模有望实现快速增长。根据 GUII 数据，预计 2026 年全球陶瓷衬板市场规模达 100 亿美元以上，分工艺来看， AMB 基板市场规模复合增速最快，2020-2026 年 CAGR 为 25.5%，2026 年市 场规模有望达 16.4 亿美元。

我国 AMB 陶瓷基板主要依赖进口，国内厂商加速扩产，国产替代进行时。 AMB 基板比较领先的企业包括美国罗杰斯、德国贺利仕科技集团、日本日立新材、 日本电化株式会社、韩国金刚高丽化学等。受益于 SiC 功率模块新机遇，部分国际 企业已在计划对 AMB 进行扩产，如东芝高新材料公司已于去年开设大分工厂，开 始生产氮化硅陶瓷基板；今年 2 月，罗杰斯官宣扩大德国埃申巴赫工厂 AMB 基板 产能。在国际企业积极扩产之时，我国本土也涌现出了一批 AMB 基板生产商包括 博敏电子、富乐华、德汇电子、同欣电子、芯舟电子、华清电子等，国产 AMB 基 板厂商有望随着扩产加速国产替代，实现快速成长。