碳化硅：先进生产力代表，冉冉升起的第三代半导体

互推小编 2023-06-30

（报告出品方/分析师：海通证券研究所余伟民）

碳化硅性能优异，先进生产力代表。第三代半导体材料是指以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，因此采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，适用于高电压、高频率场景，还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。

1. 性能优异，先进生产力代表

碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂，1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法，也就是大家常说的艾奇逊炉，一直沿用至今。

自碳化硅被发现后数十年，发展进程一直较为缓慢。直到科锐（现更名为Wolfspeed）成立并开始碳化硅的商业化，碳化硅行业在此后25年开始进入快速发展阶段。

常见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体及砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等化合物半导体材料。从被研究和规模化应用的时间先后顺序来看，上述半导体材料被业内通俗地划分为三代。

图：半导体演变过程

表：半导体材料特性对比

碳化硅优势：稳定高效，适用高压高频领域

第三代半导体材料是指以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，因此采用第三代半导体材料制备的半导体器件不仅能在更高的温度下稳定运行，适用于高电压、高频率场景，还能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。

相比于Si，SiC具有 10 倍的击穿电场强度、 3 倍的禁带、2倍的极限工作温度和超过2倍的饱和电子漂移速率。 SiC 还具有 3 倍的热导率，这意味着 3 倍于Si的冷却能力。

碳化硅优势：节能+减重，新能源领域潜力广阔

罗姆通过输入WLTC（全球统一轻型车辆测试循环）行驶循环的模拟行驶试验条件，对逆变器进行了采用第四代SiC MOSFET和IGBT的行驶电费试验。结果显示，采用SiC MOSFET总电费比IGBT改善6%，市区模式改善10%。改善电力消耗也意味着，维持行车距离不变的情况下可以降低电池电容。

另一方面，碳化硅基逆变器通过提高能量传导效率，可以做到比硅基逆变器更小更轻。罗姆在Formula E电动方程式世界锦标赛中提供的SiC逆变器，将逆变器重量降低至9kg，相较传统逆变器减重6kg。

图：罗姆第四代SiC MOSFET节能情况

图：SiC Inverter重量明显减轻

碳化硅分类

碳化硅衬底主要有2大类型：半绝缘型和导电型。在半绝缘型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为4 英寸。在导电型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为 6 英寸。

由于下游应用在射频领域，半绝缘型SiC衬底、外延材料均受到美国商务部出口管制。

产业趋势：产能向大尺寸转移

目前，碳化硅产业中衬底仍以4-6英寸为主。若将尺寸由6英寸提高至8英寸，SiC的单片面积将增大77.8%，可利用面积大大提高。大直径衬底能够有效降低器件制备成本，以直径 6英寸衬底为例，使用直径 6英寸衬底相对直径 4英寸衬底能够节省大约 30%的器件制备成本。

Wolfspeed、II-IV均在2015年制备成功8英寸SiC样片。此外，罗姆和意法半导体也分别宣布拥有8英寸衬底制作技术。

目前，国内的山西烁科已宣布可制备8英寸SiC衬底。2021年8月，山西烁科研制出8英寸碳化硅晶体。2022年1月，公司实现8英寸N型碳化硅抛光片小批量生产。

产业趋势：衬底供不应求，产能持续扩张

据 CASA Research 整理，国际龙头纷纷大力完善产业布局，强化竞争优势，持续加大衬底产能的扩张。据各公司官网披露，Wolfspeed投资近 10 亿美元进行扩产，预计在2017-2024间整体产能将扩大30倍；ROHM计划在2017年-2024 年间产能扩充 16 倍；II-VI 计划5年内产能扩充 5-10 倍。

产业趋势：规模效应渐显，价格逐渐降低

近年来，半绝缘型及导电型衬底的单价都在逐年递减，我们预计随着全球产能扩张逐步落地，未来3年内衬底单价将会继续下降，从而有助于加速碳化硅下游渗透率整体提升。

据CASA预测，随着SiC上游衬底、外延价格下降，预计 SiC 二极管和 SiC MOSFET 等器件的价格每年以超过 10%的速度下降，并逐步取代 Si 器件。

碳化硅产业链：衬底为核心，降本为关键

在碳化硅器件的成本占比当中：衬底、外延、前段分别占比47%、23%、19%。我们认为，衬底是碳化硅产业链的核心环节，衬底行业的发展也是未来碳化硅产业降本、大规模产业化的主要驱动力。

2. 衬底为核心，技术瓶颈逐步突破

碳化硅的晶体制备方法：PVT法使用最广目前碳化硅单晶的制备方法主要有：物理气相传输法（PVT）；顶部籽晶溶液生长法（TSSG）；高温化学气相沉积法（HT-CVD）。

其中TSSG法生长晶体尺寸较小目前仅用于实验室生长，商业化的技术路线主要是PVT和HT-CVD。与HT-CVD法相比，采用PVT法生长的SiC单晶所需要的设备简单，操作容易控制，设备价格以及运行成本低，因此PVT法为工业生产所采用的主要方法。

碳化硅的晶体制备方法：PVT法使用最广

目前，行业内最常见的制备方法为PVT法。PVT法是以高纯碳粉、高纯硅粉为原料合成碳化硅粉，在特殊温场下，采用成熟的物理气相传输法（PVT法）生长不同尺寸的碳化硅晶锭，经过多道加工工序产出碳化硅衬底，主要工序涉及原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片抛光、抛光片清洗等环节。

碳化硅晶型：4H晶型最优

碳化硅的典型结构可分为两类，一类是闪锌矿结构的立方碳化硅晶型，称为 3C-SiC 或 β-SiC，另一类是六角型或菱形结构的大周期结构其中典型的有 6H-SiC、4H-SiC、15R-SiC 等，统称为 α-SiC。

3C-SiC 制造器件方面具有高电阻率的优势。然而，Si和SiC晶格常数和热膨胀系数的高度不匹配会导致 3C-SiC外延层中产生大量缺陷。

4H-SiC在制造 MOSFET 方面非常有潜力，因为其晶体生长和外延层生长的工艺表现更为优异，电子迁移率方面，4H-SiC 高于 3C-SiC 和 6H-SiC，为 4H-SiC MOSFET 提供了更好的微波特性。

行业痛点之良率：碳化硅衬底良率普遍偏低

良率低主要由2个环节构成：（1）晶棒良品率=半导体级晶棒产量/（半导体级晶棒产量+非半导体级晶棒产量）×100%；（2）衬底良品率=合格衬底产量/（合格衬底产量+不合格衬底产量）×100%。碳化硅的晶型多达200多种，而想要生成所需要的单一晶型（主流为4H晶型），需要非常精确的控制。另一方面，SiC衬底作为莫氏硬度达9.2的高硬度脆性材料，加工过程中存在易开裂问题，加工完成后的衬底易存在翘曲等质量问题。英飞凌为了提高产量，就曾在2018年收购了SiC晶圆切割领域的新锐公司Siltectra。

据天岳先进招股书披露，2018-2020 年和 2021 年 H1 公司的晶棒良率分别为 41%、38.57%、50.73%和49.90%，衬底良率分别为 72.61%、75.15%、70.44%和 75.47%，综合良率目前大约为37.7%

行业痛点之衬底制备：条件苛刻+速度缓慢

根据中国科学技术协会援引未来智库，以主流的 PVT 法为例，SiC 衬底制备面临以下困难：

1）温场控制困难：以目前的主流制备方法物理气相传输法（PVT）为例，SiC 晶棒需要在 2500℃高温下进行生产，而硅晶只需 1500℃，因此需要特殊的单晶炉，且在生产中需要精确调控生长温度，控制难度极大。

2）生产速度缓慢：SiC 晶棒厚度每小时生长速度视尺寸大小约为 0.2~1mm/小时，而硅晶棒可达每小时1~10mm/小时；生产周期方面，SiC晶棒约需要 7 至 10 天，长度约 2cm，而硅晶棒只需要 3~4 天即可长成，长度可达 2m。

3）良品参数要求高，黑匣子良率难以及时控制：SiC 晶片的核心参数包括微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗糙度等，晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数，否则容易产生多晶型夹杂，导致产出的晶体不合格；而在石墨坩埚的黑盒子中无法即时观察晶体生长状况，需要非常精确的热场控制、材料匹配及经验累积。

4）晶体扩径难度大：气相传输法下，SiC 晶体生长的扩径技术难度极大，随着晶体尺寸的扩大，其生长难度工艺呈几何级增长。

技术精进驱动缺陷密度下降，国内工艺飞速发展

表：国内6寸导电型碳化硅合格品参数与海外龙头对比

3. 海外占据领先地位，国内奋起直追

碳化硅市场：海外厂商为主导

目前碳化硅衬底市场以海外厂商为主导，国内企业市场份额较小。碳化硅衬底产品的制造涉及设备研制、原料合成、晶体生长、晶体切割、晶片加工、清洗检测等诸多环节，需要长期的工艺技术积累，存在较高的技术及人才壁垒。

根据华经产业研究院援引Yole数据，2020年上半年，碳化硅衬底市场（半绝缘和导电型）Wolfspeed市占率达到45%以上，国内龙头天科合达和山东天岳的合计市场份额不到10%。山东天岳、烁科晶体（中电科孵化）、河北同光（中科院半导体所孵化）现有主要产品为高纯半绝缘衬底，而天科合达（中科院物理所孵化）、世纪金光主要产品为导电型衬底。

半绝缘型衬底：市场高度集中，TOP3三分天下

从衬底的下游晶圆与器件来看，大量生产厂家仍然位于日本、欧洲与美国；但国内生产厂家在衬底领域已经拥有了一定的市场份额。根据天岳先进招股书援引Yole数据，在2020年半绝缘型碳化硅衬底市场中，贰陆公司（II-IV）、科锐公司（Wolfspeed）以及天岳先进依次占据前三甲的位臵，市场份额分别为35%、33%和30%，市场高度集中。

导电型衬底：科锐（现Wolfspeed）为绝对龙头

导电型产品产业格局呈现美国全球独大的特点，2018 年美国占有全球碳化硅晶片产量的 70%以上，仅 Wolfspeed就占据一半以上市场份额，剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。

导电型衬底下游的功率MOSFET市场中，意法半导体占据主要份额。

4. 下游需求强劲，空间+渗透率双倍增长

碳化硅两大产业链以碳化硅材料为衬底的产业链主要包括碳化硅衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游应用市场。在碳化硅衬底上，主要使用化学气相沉积法（CVD 法）在衬底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，进一步制成器件。

应用领域最终主要分为射频器件（5G、国防等）和功率器件（能源等）。

半绝缘碳化硅应用：碳化硅基氮化镓占据主导地位

在RF GaN行业，一切都始于GaN-on-SiC技术。20多年前推出的GaN-on-SiC现在是RF功率应用中LDMOS和GaAs的重要竞争对手。射频（RF）GaN的两个市场驱动因素仍然是5G电信和国防。卫星通信（SatCom）和消费类手机等新兴细分市场也代表着新的机会。据Yole预测，GaN RF市场的总价值将在2020年-2026年间从8.91亿美元增加到24亿美元以上，复合年增长率（CAGR2020-2026）为18%。

半绝缘碳化硅应用：5G引领增长，GaN器件份额逐步提升

我国5G建设和应用保持在全球领先水平，根据工信部数据，2022年底5G基站总数将突破200万个，而5G建设也是GaN射频器件的主要下游应用领域。

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。根据天岳先进招股书援引Yole，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。

全球氮化镓射频器件市场规模将持续增长，从 2019 年的 7.4 亿美元增长至 2025 年的 20亿美元，期间年均复合增长率达到 18%。

半绝缘碳化硅应用：GaN-on-SiC 或GaN-on-Si？

为了提供满足不断增长的需求所需的带宽，无线行业正在从今天的4G网络全速前进到5G。电信运营商专注于提供最佳的客户体验，同时也需要控制资本和运营支出。因此，具有优良性能和高效率的基础设施和技术极为关键。为了5G更大的带宽和更低的延迟，下一代无线基站（包括宏基站和小型基站）需要采用能够满足这些性能、效率和价值要求的技术，而氮化镓（GaN）已成为一个至关重要的组成部分。GaN解决方案中，有一个常见的讨论：对于RF应用，GaN-on-SiC 或GaN-on-Si 哪个是更好的解决方案？

Wolfspeed的联合创始人兼首席技术官John Palmour表示，与碳化硅相比，硅是一种相对便宜的衬底，但也有一些明显的缺点。与硅相比，SiC器件可以降低系统成本和提高性能，因此，GaN-on SiC目前是一种整体价值更佳的方案。

导电型碳化硅应用：新能源驱动下游高速扩张

根据 Yole 预计，2019 年碳化硅功率器件的市场规模为 5.41 亿美元，预计 2025 年将增长至 25.62 亿美元，复合年增长率约 30%。我们认为，受益于在电动汽车等下游应用的增长，导电型碳化硅衬底市场未来也将快速发展。

从应用端看，5年内新能源汽车的快速增长将成为碳化硅产业的近期增长引擎。2025-2030年，随着充电桩设施完善、光伏技术成熟，预计将会给碳化硅产业带来第二、第三驱动力。

导电型碳化硅应用：新能源车销量+渗透带来双重增长

从应用领域来看，新能源汽车是SiC器件最大的应用市场，据Yole预测，其2025年份额将超过50%。新能源汽车行业的快速发展带动了充电柱的需求增长。

另一方面，我们认为，随着SiC零部件在电动车中不断替代渗透，单车SiC价值量也将逐步增加。

导电型碳化硅应用：特斯拉引领SiC部件，800V带来新机遇

特斯拉在Model3率先使用意法半导体和英飞凌的SiC逆变器。

随着未来越来越多器件采用SiC后，平均2辆纯电动车就需要一片150mm SiC晶圆。

导电型碳化硅应用：充电桩、光伏未来潜力无限

高压领域，SiC还可以应用于电网、光伏、轨道交通等不同领域。

光伏逆变器中碳化硅功率器件的占比有望近年逐步提升，据CASA预测，2025年光伏逆变器中采用SiC的功率器件占比有望提升至50%。

5. 重点公司分析

Wolfspeed：驱动SiC商业化，引领技术革命

科锐公司（现Wolfspeed）的成立标志着SiC商业化的里程碑。目前，Wolfspeed依旧引领者SiC的技术革命和加速扩张。据Wolfspeed官网，公司计划投资高达 10 亿美元扩大其碳化硅和 GaN的产能，预计2017-2024整体产能将扩大30倍。

公司近年加强与上下游产业链的联合，通过合同、联盟或其他方式提前锁定订单，与下游主要企业签订了数个长期供货协议，总金额达到13亿美元。另一方面，公司不断整合业务，2018年3月6日，公司根据与英飞凌的资产购买协议，收购了英飞凌射频功率业务（RF Power）的部分资产；2020年，公司出售 LED 照明业务，专注 SiC 电力电子和 GaN 射频。

2022年4月，全球第一家8英寸SiC衬底工厂，纽约州 Mohawk Valley工厂举行剪彩仪式。

风险提示：新建工厂爬产不及预期。

II-IV：产业布局完善，研发业内领先

公司深耕SiC衬底20年，2015年宣布成功制造8英寸衬底，并计划于2024年正式批量商用。

2022年2月，II-IV的1200V SiC MOSFET达到汽车级别标准，与通用电气建立合作。

未来，公司预计自2022年起在10年内投资10亿用于宽禁带电子技术及相关产业。

风险提示：产能扩张不及预期；行业竞争激烈。

罗姆：推出第四代SiC MOSFET，加快产业渗透

ROHM的SiC产品阵容完善，旗下的SiCrystal位于德国纽伦堡，是一家高质量SiC晶圆厂商。

SiCrystal 计划大力发展其产能和人力，中期目标是通过每年生产数100000个基板来实现九位数的销售额。

风险提示：产能扩张不及预期；营收增长不及预期。

英飞凌：SiC功率领域商业化先驱

英飞凌在碳化硅 (SiC) 技术开发方面拥有超过 20 年历史，目前可提供业内最全面的电源产品组合之一，包括从超低压到高压电源设备。

英飞凌的1700 V、1200 V 和 650 V CoolSiC™ MOSFET产品可应用于光伏逆变器、电池充电、储能、电机驱动器、UPS和辅助电源等领域。

风险提示：上游供货能力不足的风险；行业竞争加剧。

意法半导体：SiC器件龙头，客户分布广泛

2017年11月，意法半导体的碳化硅功率器件开启了SiC在高端汽车中的大规模应用。同时，公司计划在2020至2022年间将SiC器件产能扩大2.5倍。

在2019年12月，意法半导体收购了瑞典SiC晶圆制造商Norstel，加强其内部碳化硅片供应，同时消除对外部晶圆源的依赖。公司预计将在2023年进行8英寸的商业化生产。

风险提示：上游供货能力不足的风险；行业竞争加剧。

天岳先进：中国碳化硅衬底上市第一股

天岳先进成立于2010年，经过十余年的技术发展，公司已掌握涵盖了设备设计、热场设计、粉料合成、晶体生长、衬底加工等环节的核心技术，自主研发了不同尺寸半绝缘型及导电型碳化硅衬底制备技术。公司于2022年1月12日登录科创板。截至2021年，公司实现扭亏为盈，综合毛利率自2019年后逐渐趋稳。2021全年毛利率有所下降主要受可用来制作成莫桑石的晶棒产品降价的影响，目前市场宏观环境等因素影响饰品类消费市场需求有所下滑，可用来制作成莫桑石的晶棒产品的毛利下滑；此外，公司产能向大尺寸及导电型产品切换，这部分产品短期内生产规模较小导致单位成本较半绝缘产品高，对毛利产生一定影响。

公司临港工厂募投一期项目于2021年开工，预计于2022年三季度实现投产，2026年达到30万片/年设计产能，主要生产6英寸导电型碳化硅衬底。2022年4月，公司披露通过16949车规认证。

风险提示：募投项目进展不及预期；国内疫情影响。

天科合达：导电型衬底为主，产能高速扩张

公司自 2006 年成立以来，一直专注于碳化硅晶体生长和晶片生产领域，先后研制出 2 英寸、3 英寸、4 英寸碳化硅衬底，于 2014 年在国内首次研制出 6 英寸碳化硅晶片，并已形成规模化生产能力，工艺技术水平处于国内领先地位。

公司已具备成熟的 6 英寸晶片制备技术并实现规模化供应，8 英寸产品仍在研发阶段。2021年12月，公司披露通过16949车规认证。

风险提示：产能扩张不及预期；良率提升不及预期。

中电科：打造一流半导体科技企业

电子科技集团有限公司是中央直接管理的国有重要骨干企业，是我国军工电子主力军、网信事业国家队、国家战略科技力量。

近年来，中国电科促进资源整合，利用关键领域优势资源打造上市平台，完善化合物半导体产业链布局。

风险提示：资产整合计划不及预期；地缘政治影响。

中瓷电子：并购大股东GaN资产，打造一流半导体科技企业

氮化镓通信基站射频芯片资产业务：氮化镓通信基站射频芯片业务资产及负债专注于氮化镓通信基站射频芯片的设计、生产和销售，主要产品为氮化镓射频芯片，频率覆盖无线通信主要频段，芯片指标达到国内领先水平，是国内少数实现批量供货主体之一。

博威公司主营业务为氮化镓通信基站射频芯片与器件、微波点对点通信射频芯片与器件的设计、封装、测试和销售，主要产品包括氮化镓通信基站射频芯片与器件、微波点对点通信射频芯片与器件等。

国联万众主要从事氮化镓射频芯片和碳化硅功率芯片的设计、测试、销售，主要产品包括氮化镓通信基站射频芯片、碳化硅功率芯片等。

风险提示：并购失败的风险；并购资产业务不达预期。

三安光电：LED领头羊，大力投入SiC衬底业务

公司主要从事全色系超高亮度 LED 外延片、芯片、Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料、微波通讯集成电路与功率器件、光通讯元器件等的研发、生产与销售。2018 年，三安光电在福建泉州南安高新技术产业园区，斥资 333 亿元投资Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料、LED 外延、芯片、微波集成电路、光通讯、射频滤波器、电力电子、SiC 材料及器件、特种封装等产业。2022 年项目建成后，三安光电将实现在半导体化合物高端领域的全产业链布局。

风险提示：衬底业务进展不及预期。