碳化硅产业链深度解析：碳化硅东风在即，产业链爆发拐点将至

互推小编 2023-06-28

（报告出品方/作者：华安证券，胡杨、高力洋）

碳化硅产业链：乘风新能源市场，百亿赛道加速崛起

第三代半导体简介：衬底材料升级引领半导体新时代

第三代半导体材料碳化硅、氮化镓引领行业升级。半导体产业的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照历史进程分为：第一代半导体材料（大部分为目前广泛使用的高纯度硅），第二代化合物半导体材料（砷化镓、磷化铟），第三代化合物半导体材料以碳化硅和氮化镓为代表。

第三代半导体物理性能相对更出色，有望实现各个领域全面替代。在禁带宽度、介电常数、导热率及最高工作温度等方面碳化硅、氮化镓性能更为出色，在5G通信、新能源汽车、光伏等领域，头部企业逐步使用第三代半导体。在高压、高频、高温领域以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体衬底材料市场规模有望迎来快速发展机遇，待成本下降有望实现全面替代。

应用领域：新能源行业为碳化硅主要应用领域

SiC主要应用于白色家电、电动汽车及工业应用领域。在白色家电中主要应用于家电/个人电脑、不间断电源等；在电动汽车领域主要应用于DC/AC逆变器、DC/DC转换器等；在工业领域中主要应用于电力配送、铁路运输、光伏产业、电机控制、风电涡轮机等。

市场规模：2027年全球SiC功率市场规模有望突破62亿美元，三代半导体渗透率逐年提升

2027年全球SiC功率半导体市场规模有望突破60亿美元。根据Yole，2027年全球SiC功率半导体市场规模由2021年的10.90亿美元增至62.97亿美元，2021-2027年每年以34%年均复合增长率快速增长。汽车应用主导SiC市场，占整个功率SiC器件市场的75%以上。

第三代半导体材料渗透率逐年提升，2023年有望接近5%。根据Yole，Si仍是半导体材料主流，占比95%。第三代半导体渗透率逐年上升，SiC渗透率在2023年有望达到3.75%，GaN渗透率在2023年达到1.0%，第三代半导体渗透率总计4.75%。

政策：大力支持，深入布局

陆续出台相关政策，第三代半导体蓬勃发展。国家持续出台相关政策支持第三代半导体发展，2016 年7月，国务院《关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》明确发展第三代半导体芯片； 2019年11月工信部将第三代半导体产品写入《重点新材料首批次应用示范指导目录》，2019年12 月，在《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中明确要求加快培育布局第三代半导体产业，推动制造业高质量发展；2020年7月为鼓励企业积极发展集成电路，国家减免相关企业税收；2021年3月，十四五规划中特别提出第三代半导体要取得发展； 2021年8月，工信部将第三代半导体纳入“十四五 ”产业科技创新相关发展规划。

全球产业链：美国、日本企业布局领先，国内企业加速追赶

SiC产业链美国、日本等国家地区占据先发优势。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层适用于高频、高温工作环境，主要应用于5G 通信、卫星领域；在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层，适用于高温、高压工作环境，主要应用于新能源汽车、光伏发电领域。从全球产业链来看，美国、日本及欧洲等国家及地区SiC布局相对较早，技术较为领先，国内企业仍处于加速追赶的位置。

碳化硅衬底：产业链价值占比最高，规模化关键一环

制备工艺：主流物理气相传输法（PVT），生产成本低、结构简单、技术成熟

PVT成本低，系商业化主流路线。SiC制备方法主要有三种：物理气相传输法（PVT）、顶部籽晶溶液生长法（TSSG）及高温化学气相沉积法（HT-CVD）。顶部籽晶溶液生长法主要用于实验室生长较小尺寸晶体，而物理气相传输法与高温化学气相沉积法主要用于商业生产。其中PVT法制备SiC所需设备简单且价格低，操作控制相对容易故为商业生产主流方法。

PVT原理：将高纯度碳粉与硅粉，按特定比例混合，形成高纯度SiC微粉与籽晶分别放置生长炉内坩埚下部，顶部后，温度升高至2000℃以上，通过控制讲坩埚下部温度略高于顶部，形成温度差。SiC微粉升华成气态Si2C、SiC2、Si等，后由于温度差在温度较低籽晶处形成SiC晶锭。

衬底类型：根据衬底的电阻率大小可以分为导电型和半绝缘型

根据衬底的不同性质进行分类可以分为：导电型衬底和半绝缘型衬底两大类。不同于传统硅基器件，碳化硅器件不可直接制作于衬底上，需先使用化学气相沉积法在衬底表面生成所需薄膜材料，即形成外延片，再进一步制成器件。其中，导电型衬底即在碳化硅衬底上生长碳化硅外延层，适用于做功率器件，下游应用包括新能源车、光伏发电等。半绝缘型衬底即在碳化硅衬底上生长氮化硅外延层，适用于射频器件，下游应用包括5G通信、卫星等。

物理特征：宽禁带、击穿场强高、导热效率高、饱和电子漂移速率快

碳化硅的禁带宽度更宽，理论工作温度可达400℃以上。更大的禁带宽度，可以保证材料在高温下，电子不易发生跃迁，本征激发弱。从而可以耐受更高的工作温度。

碳化硅的临界击穿场强更大，能够耐受更高的电压，更适用于高电压器件。临界击穿场强指材料发生电击穿的电场强度，一旦超过该数值，材料将失去绝缘性能，进而决定了材料的耐压性能。

碳化硅的高热导率可以有效传导热量，降低器件温度，维持其正常工作。高温是影响器件寿命的主要原因之一，热导率代表了材料的导热能力。

碳化硅的饱和电子漂移速率更高，有助于提高工作频率，将器件小型化。饱和电子漂移速率指电子在半导体材料中的最大定向移动速度，该数值的高低决定了器件的开关频率。

市场规模： 2020-2025年全球SiC衬底市场规模CAGR超30%，衬底占SiC产业价值量接近一半

2020-2025年全球SiC衬底市场规模CAGR超30%。根据Yole数据，2020年半绝缘型SiC衬底市场规模为10.62亿美元，预计2025年将增长至28.39亿美元，CAGR约21.7%。2020年导电型SiC衬底市场规模为7.31亿美元，预计2025年将增长至44.67亿美元，CAGR约43.6%。

衬底在SiC晶圆中价值量最高，价值量占比为46％。据TrendForce数据，在6寸SiC晶圆中，衬底价值量最高，占比达到46%；外延占比23%，芯片器件22%，封测9%。

需求端：受新能源汽车市场规模增长影响，SiC晶圆需求大幅增长

预计国内SiC汽车市场将以30.6%的复合年增长率增长，2020 年市场规模15.8亿元，到2025年将超过45亿元。预计国际SiC汽车市场将以38.0％的复合年增长率增长，到2025将超过100亿元（Yole预计SiC汽车市场将以38％的复合年增长率增长，到2025年将超过15亿美元）。折算成晶圆，国内2020年新能源汽车市场6英寸SiC晶圆需求量超过4万片，预计到2025年需求量将增长到近30万片。国际2020年新能源汽车市场6英寸SiC晶圆需求量超过5万片，到2025年需求量超过60万片。

碳化硅外延：产业链中间环节，直接关乎最终器件性能

外延工艺：产业链条核心技术，关键参数是厚度和掺杂浓度

碳化硅外延片，是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶相同的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。

外延工艺是整个产业中的一种非常关键的工艺。由于现在所有的器件基本上都是在外延上实现，所以外延的质量对器件的性能是影响是非常大的，但是外延的质量它又受到晶体和衬底加工的影响，处在一个产业的中间环节，对产业的发展起到非常关键的作用。

碳化硅外延材料的最基本的参数，也是最关键的参数，就是厚度和掺杂浓度。外延的参数其实主要取决于器件的设计，根据器件的电压等级的不同，外延的参数也不同。

发展历程及趋势：外延技术突破将有效提升器件性能

早期碳化硅是在无偏角衬底上外延生长的，但受多型体混合影响，实际外延效果并不理想，难以进而制备器件。

之后发展了利用台阶流生长方法在不同偏角下斜切碳化硅衬底。台阶控制外延法的优点在于不仅能够实现低温生长，而且能够稳定晶型的控制，但缺陷在于无法阻断基平面位错和对衬底材料造成浪费。

TCS法突破台阶控制外延法的限制，可以同时实现生长速率大幅提升和质量的有效控制，非常有利于SiC厚膜外延生长。

通过外延实现部分器件结构可进一步提升器件性能。主要是通过开发SiC外延沟槽填充技术以实现器件的导通电阻降低。2021年3月3日，瀚天天成宣布突破碳化硅超结深槽外延关键制造工艺。

价格趋势：外延片原材料占比超50%，随着衬底价格降低，外延价格呈下降走势

外延片的成本结构，原材料成本占比是52%，设备折旧成本是15%，剩下的劳动力、洁净室和研发成本的占比分别是14%、12%和7%。

伴随衬底价格降低，未来外延价格有下降趋势。基于SiC衬底，外延环节普遍采用化学气相沉积技术（CVD）获得高质量外延层，随后在外延层上进行功率器件的制造。伴随SiC衬底价格的降低，预计未来外延价格也将呈现下降趋势，据CASA，2020年SiC外延片价格约为128元/平方厘米，预计到2025年，价格将会出现明显下降，至2045年SiC外延片价格将降至71元/平方厘米。

碳化硅器件：性能优势突显，国内外企业群雄并起

适用范围：SiC器件主要应用于高压、大功率领域

依据功率、频率两个维度，我们对主流功率器件的物理特性和适用场合进行了梳理：Si-IGBT在高压领域有优势但无法胜任高频领域的要求；Si-MOSFET能胜任高频领域但对电压有所限制，SiC-MOSFET完美得解决了高压和高频在硅基上难以兼得的问题，在兼容高压中频的基础上SiC-MOSFET并凭借其高效率、小体积的特性成为电动汽车、充电桩、光伏逆变等领域的最佳解决方案。

性能优势：SiC在效率、损耗、尺寸、频率、体积上都更有优势

SiC相比Si更耐高压且小型化使功率密度更高。现有的功率器件大多基于硅半导体材料，由于硅材料物理性能的限制，器件的能效和性能已逐渐接近极限，难以满足迅速增长和变化的电能应用新需求。

碳化硅功率器件有着耐高压、耐高温、低损耗等优异的性能，能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求。相同规格的碳化硅基MOSFET与硅基MOSFET相比，导通电阻可至少降低至原来的1/100。开关损耗减少7倍、尺寸减小5倍、开关频率提升5-10倍、总损耗减少一半、冷却系统体积和重量都减少80%。

市场规模及格局：2030年全球碳化硅功率器件市场规模有望突破500亿元

2020-2025年全球碳化硅市场CAGR达34%。根据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟数据，2020年全球碳化硅功率器件市场规模仅为35亿元，预计到2025年将增至150亿元，2020-2025年CAGR达34%，预计到2030年将增至500亿元，2020-2030年CAGR达30%。

SiC功率市场集中度高，CR3为69%。根据头豹研究院数据显示，2020年全球SiC功率器件市场中，意法半导体以40%的份额占据第一，其次是Wolfspeed、罗姆，市场份额分别为15%，14%，英飞凌市场份额为9%，安森美为9%。

应用领域：新能源车占据主要市场，800V充电带动行业快速增长

新能源汽车占比迅速上升，将占半壁江山。根据TrendForce数据显示，SiC功率应用市场中，新能源汽车领域由2020年的44%上升至2025年的62%，2025年光伏、储能领域占比由2020年22%缩小至12%。充电桩、电源PFC、UPS、电机驱动及轨道交通等领域2025年占比分别为9%、6%、3%、3%及4%。

特斯拉及800V高压充电带动行业实现快速增长。根据Yole，随着2018年特斯拉将SiC应用于主驱逆变器以及2021年800V充电的应用，市场对碳化硅行业的关注实现了快速提升，行业景气度持续高涨。

价格趋势：伴随衬底成本逐步优化，器件价格将有所下降

性价比拐点即将到来，产业处于爆发前夜。650V的SiCSBD的实际成交价格约0.7元/A，1200V的SiCSBD价格约1.2元/A，基本约为公开报价的60%-70%，实际成交价较上年下降了20%-30%，实际成交价与Si器件价差已经缩小至2-2.5倍之间。650V的SiCMOSFET价格0.9元/A，1200V的SiCMOSFET价格1.4元/A，较2019年下降幅度达30%-40%，与Si器件价也缩至2.5-3倍之间。伴随衬底价格下降，供给产能释放良率提升以及大尺寸降本，SiC二极管和SiCMOSFET将加速渗透传统硅基市场，SiC产业处于爆发前夜。