?第三代半導體之碳化硅行業分析報告

隨著國家“雙碳戰略”的推進，新能源產業和電動汽車產業蓬勃發展，產生了對功率轉換裝置如太陽能逆變器，電動汽車充電樁，車載充電器和馬達驅動器等的巨大需求，半導體功率器件是上述各種功率轉換裝置的核心。而碳化硅（SiC）材料具有耐高溫和高壓的特點，基于SiC的器件還具有高開關頻率和低靜態功耗，在高電壓和大電流的領域，SiC都被認為是將取代硅成為功率器件的主流材料。

一、?碳化硅技術的發展

1.1后摩爾時代的第三代半導體

半導體材料目前已經發展至第三代。傳統硅基半導體由于自身物理性能不足以及受限于摩爾定律，逐漸不適應于半導體行業的發展需求，砷化鎵、碳化硅、氮化鎵等化合物半導體也因而誕生。從技術來看，半導體材料目前已發展了三代。 第一代半導體材料以傳統的硅（Si）和鍺（Ge）為代表，是集成電路制造的基礎，廣泛應用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測器中，90%以上的半導體產品是用硅基材料制作的； 第二代半導體材料以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）和磷化鎵（GaP）為代表，相對硅基器件具有高頻、高速的光電性能，廣泛應用于光電子和微電子領域； 第三代半導體材料以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石（C）、氮化鋁（AlN）等新興材料為代表。

圖?1 半導體發展路線

相較前兩代半導體，第三代半導體物理性能相對更出色，有望在各個領域實現對前兩代全面替代。在禁帶寬度、介電常數、導熱率及最高工作溫度等方面，碳化硅、氮化鎵性能更為出色，在5G通信、新能源汽車、光伏等領域，頭部企業逐步使用第三代半導體。在高壓、高頻、高溫領域以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導體襯底材料市場規模有望迎來快速發展機遇，待成本下降有望實現全面替代。 ? 表?1 第三代半導體簡介（左）和各代半導體物理性能對比（右）

1.2SiC是第三代半導體材料的代表

第三代半導體經典的應用是碳化硅。本報告也主要側重對碳化硅的發展狀況進行介紹和分析。 碳化硅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，當時誤認為是金剛石的混合體，故取名金剛砂，1893年艾奇遜研究出來了工業冶煉碳化硅的方法，也就是大家常說的艾奇遜爐，一直沿用至今。自碳化硅被發現后數十年，發展進程一直較為緩慢。直到科銳（即Cree，現更名為Wolfspeed）成立并開始碳化硅的商業化，碳化硅行業在此后25年開始進入快速發展階段。 碳化硅具有眾多技術優勢，寬禁帶特性有助于提高碳化硅器件的穩定性，使其具備良好的耐高溫性、耐高壓性和抗輻射性，顯著提升器件功率密度，從而利于系統散熱與終端小型輕便化；高擊穿電場強度特性有助于提高碳化硅器件的功率范圍，降低通電電阻，使其具備耐高壓性和低能耗性，利于器件薄化的同時提高系統驅動力；高飽和電子漂移速率特性意味著較低的電阻，顯著降低能量損失，簡化周邊被動器件，大幅提升開關頻率同時提高整機效率。 ? 表2碳化硅技術優勢

基于以上特性，以碳化硅為襯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優勢：（1）更強的高壓特性。碳化硅的擊穿電場強度是硅的10余倍，使得碳化硅器件耐高壓特性顯著高于同等硅器件。（2）更好的高溫特性。碳化硅相較硅擁有更高的熱導率，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以帶來功率密度的顯著提升，同時降低對散熱系統的要求，使終端可以更加輕量和小型化。（3）更低的能量損耗。碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率，使得碳化硅器件具有極低的導通電阻，導通損耗低；碳化硅具有3倍于硅的禁帶寬度，使得碳化硅器件泄漏電流比硅器件大幅減少，從而降低功率損耗；碳化硅器件在關斷過程中不存在電流拖尾現象，開關損耗低，大幅提高實際應用的開關頻率。 根據ROHM的數據，相同規格的碳化硅基MOSFET導通電阻是硅基MOSFET的1/200，尺寸是是硅基MOSFET的1/10。對于相同規格的逆變器來說，使用碳化硅基MOSFET相比于使用硅基IGBT系統總能量損失小于1/4。 ?

1.3SiC的分類

根據襯底材料的不同，碳化硅主要可以分為半絕緣型和導電型，兩類襯底的主要區別是電化學性能不同，這兩類襯底經外延生長后分明用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應用于制造氮化鎵射頻器件、光電器件等。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。 導電型碳化硅襯底主要應用于制造功率器件。與傳統硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導電型襯底上生長碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。 ? 表3碳化硅的分類

二、碳化硅市場規模與價值鏈

2.1碳化硅總體市場規模

2027年全球SiC功率半導體市場規模有望突破60億美元。根據Yole統計，2027年全球SiC功率半導體市場規模由2021年的10.90億美元增至62.97億美元，2021-2027年每年以34%年均復合增長率快速增長。 第三代半導體材料滲透率逐年提升，2023年有望接近5%。根據Yole統計，Si仍是半導體材料主流，占比95%。第三代半導體滲透率逐年上升，SiC滲透率在2023年有望達到3.75%，GaN滲透率在2023年達到1.0%，第三代半導體滲透率總計4.75%。

圖2全球SiC功率半導體市場規模預測（單位：百萬美元）（左）和2017-2023年全球主要半導體材料滲透率及預測（右） ?

2.2碳化硅價值鏈

碳化硅產業鏈主要包括襯底、外延、器件設計、器件制造、封測等。從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠，然后經過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經過外延生長得到外延片。外延片經過光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件。將晶圓切割成die，經過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。

圖?3 碳化硅產業鏈 以襯底和外延為核心，碳化硅產業鏈路徑明確。碳化硅產業鏈分為襯底、外延、器件和應用四部分。其中，襯底、外延、前段、研發費用和其他分別在碳化硅器件制造成本中占比47%，23%，19%，6%，5%。

圖?4 2021年碳化硅產業鏈制造成本占比圖（左）和碳化硅產業價值鏈（右） 傳統的硅基器件和碳化硅器件在成本分布上有較大不同，這也改變了產業鏈上不同參與方的價值分配。對于硅基器件來說，晶圓制造占據50%的成本，硅片襯底僅占據7%的成本，碳化硅器件上游襯底和外延價值量凸顯。

圖?5 碳化硅器件成本分布（左）和硅基器件的成本結構（右）

2.3襯底

（1）襯底制備工藝 襯底（substrate）是由半導體單晶材料制造而成的晶圓片，襯底可以直接進入晶圓制造環節生產半導體器件，也可以進行外延工藝加工生產外延片。 目前主流制造碳化硅襯底的方式是物理氣相傳輸法（PVT法），在高溫真空環境下將粉料升華，通過溫場的控制在籽晶表面生長出碳化硅晶體。主要工序涉及原料合成、晶體生長、晶錠加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片拋光、拋光片清洗等環節。 ? ?

圖?6 碳化硅襯底制作工藝流程（左）和物理氣相傳輸法生產碳化硅晶體（右） （2）襯底市場概況 2020-2025年全球SiC襯底市場規模CAGR超30%。根據Yole數據，2020年半絕緣型SiC襯底市場規模為10.62億美元，預計2025年將增長至28.39億美元，CAGR約21.7%。2020年導電型SiC襯底市場規模為7.31億美元，預計2025年將增長至44.67億美元，CAGR約43.6%。 襯底占據碳化硅產業的主要價值量，但國內廠商占比低。SiC襯底占據產業鏈主要價值量，占比47%，雖然預期未來隨著產能擴張和良率提升，有望降至30%。目前大部分市場份額均在海外廠商手中。以2020年全球導電型碳化硅襯底市場為例，Wolfspeed一家獨占了62%的市場份額，CR3高達89%，國內份額最大的企業天科合達僅占4%。

圖?7 2020年全球導電型碳化硅襯底市占率 （3）襯底市場競爭格局 目前碳化硅襯底市場以海外廠商為主導，國內企業市場份額較小。碳化硅襯底產品的制造涉及設備研制、原料合成、晶體生長、晶體切割、晶片加工、清洗檢測等諸多環節，需要長期的工藝技術積累，存在較高的技術及人才壁壘。 根據華經產業研究院援引Yole數據，2020年上半年，碳化硅襯底市場（半絕緣和導電型）Wolfspeed市占率達到45%以上，國內龍頭天科合達和山東天岳的合計市場份額不到10%。山東天岳、爍科晶體（中電科孵化）、河北同光（中科院半導體所孵化）現有主要產品為高純半絕緣襯底，而天科合達（中科院物理所孵化）、世紀金光主要產品為導電型襯底。? 海通證券認為，隨著國內襯底產品日益成熟、擴產進度逐漸加速，中國襯底廠商有望重塑行業格局，未來在碳化硅襯底環節占領一席之地。 （4）襯底制造難點 碳化硅襯底之所以產能受限，價格昂貴，主要原因是碳化硅襯底工藝復雜，制作難度大。碳化硅襯底是一種由碳和硅兩種元素組成的化合物半導體單晶材料。目前行業內主要以高純碳粉、高純硅粉為原料合成碳化硅粉，在特殊溫場下，采用成熟的物理氣相傳輸法（PVT法），在晶體生長爐中生長不同尺寸的碳化硅晶錠，最后經過加工、切割、研磨、拋光、清洗等多道工序產出碳化硅襯底。 穩定量產性能穩定的高品質碳化硅晶片的技術難點有：1）由于晶體需要在2000℃以上的高溫密閉環境生長，對控溫要求極高；2）由于碳化硅存在200多種晶體結構，但只有少數幾種結構的單晶型碳化硅才是所需的半導體材料，在晶體生長過程中需要精確控制硅碳比、生長溫度梯度、晶體生長速率以及氣流氣壓等參數；3）氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長的擴徑技術難度極大；4）在長晶完后，由于碳化硅硬度與金剛石接近，切割、研磨、拋光技術難度大。 上述技術難點造成了碳化硅生產過程中良率較低。良率主要由2個環節構成：（1）晶棒良品率=半導體級晶棒產量/（半導體級晶棒產量+非半導體級晶棒產量）×100%；（2）襯底良品率=合格襯底產量/（合格襯底產量+不合格襯底產量）×100%。一方面。碳化硅的晶型多達200多種，而想要生成所需要的單一晶型（主流為4H晶型），需要非常精確的控制。另一方面，SiC襯底作為莫氏硬度達9.2的高硬度脆性材料，加工過程中存在易開裂問題，加工完成后的襯底易存在翹曲等質量問題。英飛凌為了提高產量，就曾在2018年收購了SiC晶圓切割領域的新銳公司Siltectra。 據目前國內主要的碳化硅襯底制造商天岳先進的招股書披露，2018-2020年和2021年H1公司的晶棒良率分別為41%、38.57%、50.73%和49.90%，襯底良率分別為72.61%、75.15%、70.44%和75.47%，綜合良率目前大約為37.7% ? 、

圖?8 碳化硅切割良率痛點（左）和天岳先進良率（右） ? （5）碳化硅襯底產業趨勢 ①　襯底產能向大尺寸轉移 當前國際主流尺寸為6英寸，目前碳化硅襯底的尺寸正在不斷增大，正在向8英寸邁進。自從1991年第一塊商用碳化硅襯底誕生，目前全球主要廠商的襯底尺寸已達到6英寸。而全球碳化硅領域龍頭CREE公司（現更名為Wolf speed）已于2015年推出了8英寸碳化硅襯底，并于2022年4月宣布其位于美國紐約州莫霍克谷（Mohawk Valley）的全球最大8英寸碳化硅制造設施正式開業。

圖?9 CREE 公司（現更名Wolf Speed）公司碳化硅襯底尺寸演進 單片襯底面積的增長有利于制造成本的下降，同時器件制造過程中襯底邊緣的浪費也將下降。根據Wolf speed數據，一片6英寸碳化硅襯底可以產出448顆die，邊緣損失為14%；而一片8英寸碳化硅襯底可產出845顆die，邊緣損失下降至7%，襯底利用率更高。 ?

圖?10 碳化硅襯底尺寸升級后邊緣更低 ? 國內尺寸迭代較海外廠商略慢一籌，但近年來發展提速明顯。山西爍科為首家宣布可制備8英寸SiC襯底。2021年8月，山西爍科研制出8英寸碳化硅晶體。2022年1月，公司實現8英寸N型碳化硅拋光片小批量生產。?截至2022年11月，晶盛機電、天岳先進、天科合達分別宣布掌握8英寸碳化硅襯底制備技術。

圖?11 晶盛機電和爍科晶體的8英寸碳化硅襯底

表 4海內外廠商8英寸碳化硅襯底進展

②　目前襯底需求缺口較大，但產能在持續擴張，價格將逐漸走低 據統計，2021年全球碳化硅晶圓產能約為40-60萬片，有效產能僅20-30萬片，其中，新能源汽車和光伏占碳化硅市場77%，相比碳化硅晶圓需求，存在巨大的供給缺口。預計2025年，全球6英寸碳化硅晶圓產能預測約242萬片，全球6英寸碳化硅晶圓需求保守預測約為365萬片，其中車用碳化硅晶圓需求占比約60%，光伏、儲能等代表行業碳化硅晶圓需求占比約40%，仍存在123萬片的供給缺口。面對下游應用領域擴張和客戶國產化需求的快速增長，國內相關企業正在積極布局擴產應對。 據CASAResearch整理，國際龍頭紛紛大力完善產業布局，強化競爭優勢，持續加大襯底產能的擴張。據各公司官網披露，Wolfspeed投資近10億美元進行擴產，預計在2017-2024間整體產能，將擴大30倍；ROHM計劃在2017年-2024，年間產能擴充16倍；II-VI計劃5年內產能擴充5-10倍。根據Yole，全球半絕緣型碳化硅襯底市場出貨量（折算為4英寸）將由2020年的16.56萬片增長至2025年的43.84萬片，年復合增長率為21.50%。 ? ?

圖?12 wolf speed產能釋放計劃 就國內來說，國內在建的碳化硅外延項目，對 6 英寸導電型碳化硅襯底拋光片的需求量累計每年超過 150?萬片。同全球的情況一樣，也面臨供需不匹配的問題，因此，襯底以及下游外延片的產能也在持續擴張。天岳先進投資20億元建設上?！疤蓟璋雽w材料項目”，聚焦于6英寸導電型碳化硅襯底材料生產，計劃于2026年達產且達產產能為30萬片/年，目前，天岳先進已獲得13.93億元的導電型碳化硅襯底合同訂單。露笑科技募集資金約25.67億元投資碳化硅項目，計劃達產產能為24萬片/年，目前，露笑科技已獲得超15萬片襯底需求。 ? ? ? 表?5 全球主要碳化硅襯底廠商產能規劃

隨著產能的擴張，半絕緣型及導電型襯底的單價會逐年遞減，海通證券預計隨著全球產能擴張逐步落地，未來3年內襯底單價將會繼續下降，從而有助于加速碳化硅下游滲透率整體提升。另據CASA預測，隨著SiC上游襯底、外延價格下降，預計SiC二極管和SiCMOSFET等器件的價格每年以超過10%的速度下降，并逐步取代Si器件。

圖?13 SIC襯底價格（RMB/c㎡）發展趨勢（左）和 SIC外延價格（RMB/c㎡）發展趨勢（右） ? ③　國內外襯底技術差距依然明顯，但差距正在縮小 ? 國內襯底產品在材料端良率、產能、襯底尺寸、器件代數上相比于國外仍存在一定差距，但是近幾年國內工藝飛速發展，在具體參數上的差距正在縮小。 ? 表?6 國內外碳化硅技術、產能總體差距對比

表?7國內6寸導電型碳化硅合格品參數與海外龍頭對比

2.4外延

（1）外延概況 碳化硅外延片，是指在原有碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。外延生長主要使用CVD（ChemicalVapor Deposition，化學氣相沉積）設備或者MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）設備。

圖14基本半導體外延技術

由于碳化硅器件是直接在外延層制造，外延質量的好壞直接影響了器件的性能和良率。碳化硅外延材料的最基本的參數，也是最關鍵的參數，就是厚度和摻雜濃度。隨著器件需求耐壓性能的不斷提高，對應的外延層厚度就越厚，控制難度也就越高。一般電壓在600V左右時，所需要的外延層厚度約在6微米左右；電壓在1200-1700V之間時，所需要的外延層厚度就達到10-15微米。如果電壓達到一萬伏以上時，可能就需要100微米以上的外延層厚度。而隨著外延層厚度的不斷增加，對厚度和電阻率均勻性以及缺陷密度的控制就變得愈發困難。

表?8 SiC 外延關鍵參數表

（2）外延制備難點：控制缺陷 控制碳化硅外延缺陷是制備高性能器件的關鍵，缺陷會對碳化硅功率器件的性能和可靠性有嚴重影響。TSD和TED基本不影響最終的碳化硅器件的性能，而BPD會引發器件性能的退化。堆垛層錯、胡蘿卜缺陷、三角形缺陷、掉落物等缺陷，一旦出現在器件上，器件就會測試失敗，導致良率降低。 ? 表?9 SiC外延缺陷時對器件的影響

（3）外延市場概況 目前外延設備主要為國外所壟斷，中國企業在4英寸和6英寸上開始布局。外延設備被行業四大龍頭企業Axitron、LPE、TEL和Nuflare所壟斷，中國SiC外延技術發展起步較晚，難以進入技術壁壘較高的外延設備領域，故以外延晶片生產為主要切入方向。目前，碳化硅外延晶片市場呈現出雙寡頭壟斷格局，海外廠商占據主要市場。 根據Yole數據顯示，2020年全球碳化硅外延市場中，Wolfspeed占52%，ShowaDenko占43%，CR2共占95%。中國廠商相較于海外廠商在外延晶片生產技術上稍有落后，目前中國SiC外延晶片主要產線均為4英寸和6英寸。

圖15 2020年全球碳化硅外延晶片市占率

2.5器件

（1）碳化硅器件概況 碳化硅器件是通過CVD在碳化硅襯底上疊層外延膜，經過清洗、氧化、光刻、刻蝕、去光阻、離子注入、化學氣相沉積沉淀氮化硅、拋光、濺鍍、后加工等步驟后在SiC單晶基板上形成元件結構所得。其中，SiC功率器件主要包括SiC二極管、SiC晶體管和SiC功率模塊。 受制于上游材料生產速度慢、良品率低等原因，碳化硅器件具有較高制造成本。此外，碳化硅器件制造具有一定技術難度： 1）需要開發與碳化硅材料特性吻合的特定工藝，如：SiC具有高熔點使傳統熱擴散失效，需要采用離子注入摻雜法，并精準控制溫度、升溫速率、持續時間、氣體流量等參數；SiC對化學溶劑具有惰性，應采用干刻蝕等方法，并優化和開發掩膜材料、氣體混合物、側壁斜率的控制、蝕刻速率、側壁粗糙度等； 2）碳化硅晶片上金屬電極的制造要求接觸電阻低于10-5Ω2，符合要求的電極材料Ni和Al在100℃以上時具有較差熱穩定性，但具有較好熱穩定性的Al/Ni/W/Au復合電極材料接觸比電阻高10-3Ω2； 3）SiC切割磨損高，SiC硬度僅次于金剛石，對切割、研磨、拋光等技術提出了更高的要求。

圖16碳化硅器件生產流程圖（左）和碳化硅器件分類（右） （2）碳化硅器件市場概況 隨著技術突破和成本的下降，SiC功率器件市場規模正在快速上升。根據Yole數據，2017年和2021年碳化硅功率器件市場規模分別約3.11億和9.14億美元，復合增速約31%，預計2023年碳化硅功率器件市場規模約15.82億美元。從市場占有率來看，SiC功率器件全球主要的市場份額主要掌握在STM、Wolfspeed、Rohm、Infineon、Onsemi等行業龍頭手中，CR5達91%。 因為SiC器件對穩定性要求較高，需要較長的驗證周期，因此中國廠商切入進程較慢，還未形成一定規模的市占率，但存在國產廠商如士蘭微、斯達、華潤微、安世等已實現器件規模生產并在功率MOSFET、IGBT單管、IGBT模塊等部分領域躋身全球前十。隨著上游襯底和外延的不斷突破，下游器件廠商同樣存在超車機會。 ?

圖17全球碳化硅功率器件市場規模預測趨勢（左）和2020年全球碳化硅功率器件市占率情況（右） （3）碳化硅器件適用領域 ①　高壓高功率領域 在高壓高功率領域，碳化硅功率器件性能強勁，替代優勢明顯。功率器件是電力電子行業的重要基礎元器件之一，作用是實現對電能的處理、轉換和控制，主要包括功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。碳化硅功率器件具有高電壓、大電流、高溫、高頻率、低損耗等獨特優勢，根據科銳和應用材料公司官網數據顯示，相較于硅基功率器件，碳化硅基MOSFET尺寸可以減少為同電壓硅基MOSFET的十分之一，能量損耗可以減少為同開關頻率硅基IGBT的30%。

圖182021-2027年SiCk功率器件市場預測（左）和SiC功率器件應用領域（右）

②　新能源車領域

電動車領域新應用不斷出現，汽車廠商也積極啟用碳化硅戰略。電動汽車行業是市場空間巨大的新興市場，隨著電動汽車的發展，對功率半導體器件需求量日益增加。目前碳化硅功率器件在電機驅動系統、車載充電系統（OBC）、電源轉換系統（車載DC/DC）和非車載充電樁的使用已經比較普遍。 Cree預測SiC逆變器能夠提升電動車5-10%的續航，并節省400-800美元的電池成本（80kWh電池、102美元/kWh），與新增200美元的SiC器件成本抵消后，能夠實現至少200美元的單車成本下降。2021年特斯拉Model3的主逆變器率先采用24個碳化硅MOSFET功率模塊，比亞迪也迅速跟進，在漢EV上搭載了自主研發的SiC功率模塊。充電樁產品由于成本的原因，目前使用比例還相對較低，但部分廠商已開始利用碳化硅器件的優勢，通過降低冷卻等系統的整體成本找到了利基市場。

圖19電動車中使用的主要功率器件即對應零部件（左）和主逆變器中碳化硅的使用（右） 新能源車銷量持續提升，碳化硅市場空間廣闊。伴隨著各地政府補貼、退稅等政策扶持以及不斷改進完善的充電基礎設施，全球新能源汽車的銷量和占比均在持續上升，2021年新能源車銷售650萬輛，同比增長109%，占比全球汽車銷售總量為9%，預計到2025年，新能源汽車銷量將超過2100萬輛，其中，新能源汽車領域碳化硅滲透率有望超20%。而隨著新能源汽車銷量的增長和碳化硅功率器件對碳化硅晶圓的需求也在不斷提高，據集邦咨詢數據，預計到2025年，全球電動車市場對6英寸碳化硅晶圓的需求為169萬片。 ?

圖20全球新能源車銷量（左）和車用碳化硅市場規模（右） ③　光電儲能領域 光電儲能領域中應用優勢明確，碳化硅器件滲透率快速提升。光伏、風電和儲能逆變器曾普遍采用硅器件，經過40多年的發展，轉換效率和功率密度等已接近理論極限?；诠杌骷膫鹘y逆變器成本約占系統10%左右，卻是系統能量損耗的主要來源之一。碳化硅器件可應用于風電整流器、逆變器、變壓器，降低能損和提高效率的同時可以使得質量和成本分別減少25%和50%?；谔蓟鐼OSFET或碳化硅MOSFET與碳化硅SBD結合的功率模塊的光伏逆變器，轉換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設備循環壽命提升50倍，有利于縮小系統體積、提高功率密度、延長器件使用壽命、降低產品生產成本。預計在住宅和商業設施光伏系統中的組串逆變器里，碳化硅器件會逐步替代硅器件。根據中商產業研究院數據，全球光伏逆變器的出貨量從2017年的119.2千兆瓦增加至2021年的210.4千兆瓦，年均復合增長率約為15%。預計2022年全球光伏逆變器的出貨量將達到256.7千兆瓦。據CASA數據，在光伏逆變器中，碳化硅器件的滲透率有望由2020年的10%，快速提升至2025年的50%，并在2048年達到85%。

圖21全球光伏逆變器中碳化硅器件占比預測（左）和全球光伏逆變器出貨量（右）

三、?主要競爭廠商

目前整個碳化硅產業鏈依舊以海外廠商為主導，國內企業在產業鏈中的襯底、外延以及器件所占市場份額都比較小。但隨著國內襯底產品日益成熟、擴產進度逐漸加速，中國廠商有望重塑行業格局，未來在碳化硅各個環節占領一席之地。

3.1主要襯底廠商

（1）Wolf speed Wolf speed是全球最大SiC襯底供應商，此外其還打造了IDM全產業鏈模式，也是SiC功率器件和SiC基氮化鎵射頻功率解決方案的主要供應商之一。產品圍繞第三代半導體SiC和GaN布局，包括SiC和GaN材料、功率器件、射頻器件等，整體形成了從材料到器件的IDM+全產業鏈模式。 Wolf speed公司的前身為Cree公司，2019年3月，Cree公司宣布將照明產品業務部CreeLighting出售給家族企業IDEALINDUSTRIES，Cree Lighting包括商業應用、工業應用及消費者用LED照明燈具、光源和照明解決方案業務。Cree完成照明和LED業務的出售后，完全轉型為一家專注于寬禁帶半導體產品的公司。2021年10月，公司名稱從Cree,Inc.更改為Wolf speed，Wolf speed擁有從襯底到器件的全產業鏈布局，是全球SiC行業的龍頭。 Wolfspeed注重加強產業鏈上下游協同，形成了一定的產業集群和壁壘。Wolfspeed與大眾汽車合作，成為FAST項目SiC獨家合作伙伴；與德爾福合作，開展汽車SiC器件研究；與ABB合作，推動SiC器件進入電力、機車牽引、新能源汽車領域；與宇通合作，推動SiC在大巴車的應用。 產品優勢方面，Wolfspeed是SiC MOSFET、肖特基二極管和功率模塊的全球領導者。分立SiC MOSFET可實現更高的開關頻率并減小電感器、電容器、濾波器和變壓器等組件的尺寸；SiC肖特基二極管采用MPS（合并PiN肖特基）設計，比標準肖特基勢壘二極管更穩健可靠；SiC功率模塊方面能提供從SiC材料到封裝的垂直整合優勢。目前正在紐約馬西建造世界上最大的SiC制造廠，將顯著提高 SiC和 GaN 業務的產能。 ?

圖?22 2020年導電型襯底市占率（左）和Wolfspeed營收（百萬美元）及增速（右） ? （2）天岳先進 天岳先進是國內半絕緣型SiC襯底絕對龍頭公司，也是全球第三大半絕緣型SiC襯底企業。公司成立于2010年，主營業務是寬禁帶半導體（第三代半導體）碳化硅襯底材料的研發、生產和銷售，產品可應用于微波電子、電力電子等領域。公司主要產品包括半絕緣型和導電型碳化硅襯底。公司已掌握涵蓋了設備設計、熱場設計、粉料合成、晶體生長、襯底加工等環節的核心技術，自主研發了不同尺寸半絕緣型及導電型碳化硅襯底制備技術。2019年及2020年公司已躋身半絕緣型碳化硅襯底市場的世界前三。 目前，公司除半絕緣型碳化硅襯底外，導電型碳化硅襯底材料也已形成小批量銷售。公司臨港工廠募投一期項目于2021年開工，預計于2022年三季度實現投產，2026年達到30萬片/年設計產能，主要生產6英寸導電型碳化硅襯底。2022年4月，公司披露通過16949車規認證。

圖?23 天岳先進襯底研發歷程（左）和2018-2025E年全球及天岳先進絕緣性SiC襯底銷量預測（萬片）（右）） 2021H1天岳先進絕大部分營收來自于半絕緣型襯底。在2021年上半年天岳先進營收構成中，半絕緣型襯底占比高達77%，導電型襯底占比可以忽略不計。2022年7月，公司公告宣布與特定客戶簽訂合同，于2023-2025年向該客戶銷售6英寸導電型碳化硅襯底，銷售額達13.93億元。此次合同的簽訂證明公司在導電型襯底技術上實現突破，未來導電型襯底收入占比有望迎來快速提升。 ? （3）天科合達 公司自2006 年成立以來，一直專注于碳化硅晶體生長和晶片生產領域。先后研制出 2 英寸、3 英寸、4 英寸碳化硅襯底，于 2014 年在國內首次研制出 6 英寸碳化硅晶片，并已形成規?；a能力，工藝技術水平處于國內領先地位。公司已具備成熟的 6 英寸晶片制備技術并實現規?；?，8 英寸產品仍在研發階段。2021年12月，公司披露通過16949車規認證。

圖?24 天科合達SiC研發歷史 據Yole Development統計，2018年天科合達導電型襯底在全球市場的占有率為1.7%，排名全球第六、國內第一。因此天科合達主要專攻導電型襯底。天科合達主要營收來自于SiC晶片的生產和SiC單晶爐銷售。天科合達48%的營業收入來自于SiC晶片，15%來自于SiC單晶生長爐，有80%以上來自于SiC相關產品。

圖?25 2018年導電型SiC襯底天科合達全球第六（左）和2019年天科合達主營構成（右） （4）晶盛機電 晶盛機電是國內領先的高新技術企業，專注于“先進材料、先進裝備”，以“打造半導體材料裝備領先企業，發展綠色智能高科技制造產業”為使命。公司多年深耕半導體材料和裝備技術與工藝，經過多年技術沉淀逐步形成了先進材料、先進裝備雙引擎可持續發展的戰略定位，圍繞硅、藍寶石、碳化硅三大主要半導體材料開發出一系列關鍵設備，并延伸到碳化硅襯底材料領域。 晶盛機電經過多年研發，成功生長出8英寸SiC襯底。公司通過自有籽晶經過多輪擴徑，成功生長出8英寸N型碳化硅晶體，解決了8英寸碳化硅晶體生長過程中溫場不均，晶體開裂、氣相原料分布等難點問題，破解了碳化硅器件成本中襯底材料占比過高的難題，為大尺寸碳化硅襯底的廣泛應用打下基礎。 公司從2017年開始布局碳化硅業務，到2020年建立長晶和加工中試線，SiC晶體直徑也從最初的4英寸增大到如今的8英寸，進一步縮小國內外技術差距，保障我國碳化硅產業在關鍵核心技術上的自主可控。

圖?26 晶盛機電成功研發8英寸SIC晶體 ?

3.2主要外延廠商

（1）東莞天域 天域(TYSiC)成立于2009年，是中國第一家從事碳化硅(SiC)外延晶片市場營銷、研發和制造的民營企業。2010年，天域與中國科學院半導體研究所合作，共同創建了碳化硅研究所。其生產出來的低缺陷、高均勻性6英寸外延片達到了全球領先的技術指標。東莞天域在外延制造技術上位于領先位置，具有低缺陷、高度均勻性6英寸4HSiC外延生長技術。密度小于0.2每平方厘米、可用面積大于98%、BPD小于0.1每平方厘米。外延層載流子濃度均勻性小于2%、外延層厚度均勻性小于1%。天域是國內最早實現6英寸外延晶片量產的公司，目前正在布局積極發展8英寸SiC外延片系列產品批量生產。 ?

圖?27 東莞天域6英寸SiC外延低缺陷密度（左）和6英寸SiC外延高度均勻（右） 公司產品類型涵蓋單極型與雙極型、中低壓及超高壓全系列規格。為全球客戶提供n-型和p-型摻雜外延材料、制作肖特基二極管、JFET、BJT、MOSFET，GTO和IGBT等。普遍應用包括：電源/PFC、光伏、新能源汽車電驅系統及充電樁、風能、高鐵、智能電網及船舶等領域。 ? （2）瀚天天成 瀚天天成是我國第一大SiC半導體純外延晶片生產商，也是國內首家提供商業化6英寸SiC外延晶片生產商。目前可提供標準的3英寸、4英寸和6英寸碳化硅外延晶片，用于肖特基二極管（SBD）、金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）、結型場效應晶體管（JFET）和雙極結型晶體管（BJT）的制作。這些電力電子器件可廣泛應用于包括太陽能逆變器、風力發電、混合動力及電動汽車等綠色能源和節能系統。 目前瀚天天成碳化硅產業園項目已安裝28條產線，預計年底增加至50條產線。2022年預計銷售11萬片左右6英寸碳化硅外延晶片產品，實現產值約11億元。2023年全部達產后，可實現產值約24億元。該項目將極大地促進上游的碳化硅襯底生長加工企業和下游的碳化硅器件制造企業的快速發展，形成完整的碳化硅產業鏈， ? 表?10 瀚天天成部分碳化硅項目建設情況

3.3主要器件廠商

（1）海外龍頭—英飛凌 英飛凌作為歐洲老牌半導體企業，是功率器件龍頭企業，多年來持續發力SiC器件。自1992年開始研發SiC功率器件，并不斷推出SiC領域相關新器件。2020年SiC功率器件市場中，英飛凌以13.3%的市場份額位列全球市場第四位。 英飛凌積極布局產業鏈，與上下游相關企業達成合作意向。與Wolfspeed(Cree)簽訂1億美元合同，鎖定6英寸SiC晶圓；與GTAT簽訂5年期SiC晶棒供應協議；收購賽普拉斯，成為全球第一大車用半導體供應商；與大眾汽車集團合作，成為FSAT項目合作伙伴。 在產品方面，英飛凌憑借更高功率密度，更加小巧、輕便的設計，在電源管理及射頻領域搶占市場先機。目前公司的硅產品包括低壓 MOS、高壓 MOS，以及 IGBT 等。2018 年英飛凌收購了初創公司 Siltectra的冷切割創新技術，可使單片晶圓產出的芯片數量翻倍。在中低功率SiC 器件方面，2020 年英飛凌在 1200V 系列基礎上，發布了 TO-247 封裝的 650V CoolSiC MOSFET，進一步完善了產品組合。 ?

圖?28 英飛凌SIC產品發展路線（左）1700VSiCMOSFETb比1500硅MOSFET提高效率2.5% （2）海外龍頭—羅姆 羅姆成立于1958年，是全球知名的半導體廠商，也是SiC器件市場市場份額占比前三的國外傳統功率龍頭公司。通過在日本國內外工廠投建新廠房和更新制造設備等舉措，致力于不斷增強產能。 羅姆于2019年推出的經典SiC器件產品SiCMOSFET，其中“SCT3xxxxxHR系列”共10個型號，該系列產品支持汽車電子產品可靠性標準AEC_x0002_Q101，而且產品陣容豐富，擁有13個機型。 目前羅姆公司針對SiC主驅逆變器應用研發了最新一代的SiC器件，具有業界頂尖的RonA，現在已經有了樣品，即將推向市場，目前已有多家客戶正進行評估。在封裝方面，羅姆支持雙面散熱模塊，支持銀燒結技術，對可靠性和散熱方面都有非常好的改善。另外，羅姆作為少數幾家IDM模式廠商之一，具備襯底、外延、器件、模塊垂直一體化布局，正著力開發8英寸SiC產品

圖?29 羅姆的產品及下游應用 ? （3）時代電氣 時代電氣主要從事軌道交通裝備產品的研發、設計、制造、銷售并提供相關服務，在軌交裝備行業具有領導地位，擁有“器件+系統+整機”的產業結構，同時公司還積極布局了功率半導體器件、工業變流產品、新能源汽車電驅系統、傳感器件、海工裝備等領域的業務。在功率半導體器件領域，公司產品布局覆蓋 IGBT 及FRD 模塊、SiC 芯片及器件、整流管及晶閘管產品線，產品應用領域包括光伏、軌交、電網、新能源汽車等領域，其中在軌交電網領域公司 2021 年 IGBT 交付量為全國第一。 時代電氣SiC領域布局國內領先。時代自2011年起便與中科院微電子所合作布局碳化硅，自主研發掌握了具有核心自主知識產權的MOSFET芯片及SBD芯片。當前公司產品主要包括SBD芯片及器件、MOSFET芯片及器件、SiC模塊三大產品線，電壓范圍覆蓋650V-3300V，產品廣泛應用于光伏、軌交、電網、新能源汽車、充電樁等領域。2021年12月，公司發布了國內首款基于自主SiC大功率電驅產品C-Power220s，系統最高效率可達94%，能夠適配高端車型，具有功率密度高、系統損耗少、續航能力強等優勢。 表?11 時代電氣SiC領域產品情況介紹

公司目前已經構建了具有全套特色先進SiC工藝技術的4英寸和6英寸平臺，并繼續進行擴產提升。2022年4月公司發布公告，將投資4.6億元升級SiC產線，項目建成后，公司現有的平面柵SiCMOSFET芯片技術能力將提升至滿足溝槽柵SiCMOSFET的研發，現有的4英寸SiC芯片線年1萬片/年的能力提升到6英寸SiC芯片線2.5萬片/年。 （4）斯達半導 斯達半導成立于2005年，是國內IGBT模塊的龍頭企業，主要從事以IGBT為主的功率半導體芯片和模塊的設計、研發生產和銷售，產品應用領域包括工控與電機節能、新能源、變頻白色家電及其他領域。在工控與電機節能領域，公司產品在變頻器、逆變焊機和UPS上有所應用；在新能源領域，公司產品應用于風機逆變器、太陽能逆變器、汽車驅動；在其他領域，公司產品應用于機車牽引、智能電網、艦船電氣化、變頻家電等。當前公司是國內新能源汽車、光伏及風電逆變器、頭部變頻企業IGBT模塊的主要供應商。 公司在IGBT的技術基礎上不斷發展以SiC和主的寬禁帶功率半導體器件關鍵技術。斯達作為國內車規級SiC模塊的重要供應商，車規級SiC模塊已獲得了國內外多家車企和Tier1的項目定點，有較強的市場競爭力。截至2021年9月8日，公司已經獲得總金額超3.4億元的車規級SiCMOSFET模塊訂單，交貨期在2022-2023年。2021年公司通過非公開發行A股募集資金投資5億元于SiC芯片研發及產業化項目，該項目建設周期為3年，將專注于開展SiC功率芯片和產業化，加快公司在SiC芯片上的技術突破，搶占國產替代機會下的市場份額，提升公司的核心競爭力。該項目達產后，公司將形成年產6萬片6英寸SiC芯片的生產能力，進一步為公司SiC領域布局加碼。

四、?總結

隨著新能源產業和電動汽車市場的蓬勃發展，對于功率器件的需求也在快速崛起。隨著半導體材料的不斷發展，傳統硅基半導體受限于摩爾定律，逐漸不適應于半導體行業的發展需求，而第三代半導體因其優越杰出的材料性能，相較前兩代半導體更適用于高壓、高溫場景，且能耗更低，SiC則是第三代半導體的經典應用。經過數十年的發展，碳化硅材料的制備技術日臻成熟，逐漸迎來了應用的黃金期。 ? 由于碳化硅成本高昂和制備工藝復雜，目前階段，碳化硅器件在全球半導體市場的滲透率較低，預計到2023年仍然不足4%，但在未來幾年，碳化硅功率器件將以34%年均復合增長率快速增長，迎來碳化硅市場的爆發。預計到2027年全球SiC功率半導體市場規模有望突破60億美元。 ? 總體來說，碳化硅產業價值鏈比較清晰，主要包括襯底、外延、器件和應用，其中作為基礎材料的襯底和外延占據了制造成本中的70%，這與傳統硅基器件中晶圓制造占一半以上的成本上有著極大不同。碳化硅器件上游襯底和外延價值量凸顯，也讓許多廠商紛紛布局這兩個環節。 ? 就襯底而言，國內外廠商市場占比極不均勻，Wolfspeed、Ⅱ-Ⅳ、SiCrystal等三家海外廠商就占據了全球89%的市場，國內企業市場份額較小。其主要原因是襯底制備工藝復雜、技術要求較高，在長晶、切割等方面良率提升困難，國內廠商技術積累不足，雖然已經有天岳先進、天科合達等國內廠商在技術上進行追趕，但是想要重塑行業格局尚需一定時日。 ? 隨著技術的發展，全球襯底產能逐漸向大尺寸轉移，Wolf speed已經實現8英寸碳化硅襯底的量產，國內尺寸迭代較海外廠商略慢一籌，但是晶盛機電、天岳先進等廠商也宣布掌握了8英寸碳化硅襯底制備技術。與此同時，面對當前碳化硅供不應求的狀況，海內外廠商紛紛布局擴產，在產能上來之后，預計碳化硅價格將迎來一定程度的下降，國內襯底產品與國外襯底產品的技術差距也在縮小，隨著國內碳化硅產能跟上需求，未來國內廠商在碳化硅器件上也會迎來許多機會。 ? 外延和器件產品的市場格局與襯底類似，由于主要外延設備為國外壟斷，國內廠商主要從以外延晶片生產為主要切入方向，目前中國SiC外延晶片主要產線均為4英寸和6英寸，尚未涉及8英寸的量產。 ? SiC器件方面，由于器件對穩定性要求較高，需要較長的驗證周期，因此中國廠商切入進程較慢，還未形成一定規模的市占率，但存在國產廠商如士蘭微、斯達等已實現器件規模生產并在功率MOSFET、IGBT單管、IGBT模塊等部分領域躋身全球前十。隨著碳化硅材料的滲透率不斷上升，未來碳化硅器件在也新能源車、光伏、儲能等領域擁有巨大的市場機會，下游器件廠商也擁有超車機會。 ? 總而言之，碳化硅價值鏈的核心在于材料，在于襯底和外延。因為隨著上游襯底和外延技術的不斷突破，帶動碳化硅材料產能的提升，也會帶動下游碳化硅器件行業的發展。雖然目前國內外廠商在技術、尺寸上仍然有著一定的差距，但是隨著國內廠商不斷深耕技術和工藝，提升襯底制備的良率，突破外延設備的壟斷，帶動國內下游碳化硅器件廠商的發展。未必不能在第三代半導體發展中抓住超車機會。 ? 審核編輯：黃飛

?