第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺元素（Ge）半導(dǎo)體材料，應(yīng)用極為普遍，包括集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程、電腦、手機(jī)、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發(fā)展的新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應(yīng)用；

第二代半導(dǎo)體材料主要是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb），主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件（LED），是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。

Si基器件在600V以上高電壓以及高功率場合達(dá)到其性能的極限；為了提升在高壓/高功率下器件的性能，第三代半導(dǎo)體材料SiC（寬禁帶）應(yīng)運(yùn)而生；

第三代半導(dǎo)體主要是SIC和GaN，第二代和第三代也稱作化合物半導(dǎo)體，即兩種元素組成的半導(dǎo)體材料，區(qū)別于硅/鍺等單質(zhì)半導(dǎo)體：

SIC材料具有明顯的性能優(yōu)勢。SiC和GaN是第三代半導(dǎo)體材料，與第一二代半導(dǎo)體材料相比，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導(dǎo)率等性能優(yōu)勢，所以又叫寬禁帶半導(dǎo)體材料，特別適用于5G射頻器件和高電壓功率器件。

第三代半導(dǎo)體 SiC 器件的性能優(yōu)勢

SIC 的功率器件如 SIC MOS，相比于 Si 基的 IGBT，其導(dǎo)通電阻可以做的更低，體現(xiàn)在產(chǎn)品上面，就是尺寸降低，從而縮小體積，并且開關(guān)速度快，功耗相比于傳統(tǒng)功率器件要大大降低。

在電動車領(lǐng)域，電池重量大且價(jià)值量高，如果在 SIC 器件的使用中可以降低功耗，減小體積，那么在電池的安排上就更游刃有余；同時(shí)在高壓直流充電樁中 應(yīng)用 SIC 會使得充電時(shí)間大大縮短，帶來的巨大社會效益。

根據(jù)Cree提供的測算：將純電動車BEV逆變器中的功率組件改成SIC時(shí)，大概可以減少整車功耗5%-10%；這樣可以提升續(xù)航能力，或者減少動力電池成本。

總結(jié)來說，SiC器件具備的多種優(yōu)勢將帶動電動車?yán)m(xù)航能力的提升：

1）高電能轉(zhuǎn)換效率：SiC屬于寬能隙材料，擊穿場強(qiáng)度大比Si基半導(dǎo)體材料更適用在高功率的應(yīng)用場景；

2）高電能利用效率：SiC屬于寬能隙材料，擊穿場強(qiáng)度大比Si基半導(dǎo)體材料更適用在高功率的應(yīng)用場景；

3）低無效熱耗：開關(guān)頻率高，速度快，所產(chǎn)生無效的熱耗減少，使電路、散熱系統(tǒng)得以簡化。

2019年國際上的功率半導(dǎo)體巨頭不斷推出新的基于SIC材料的功率器件，且推出的幾款SiC SBD及MOSFET均符合車規(guī)級（AEC-Q101）標(biāo)準(zhǔn)，這些產(chǎn)品應(yīng)用于新能源車或者光伏領(lǐng)域等功率器件需求場景，將顯著減少功耗，提高轉(zhuǎn)化效率。

政策支持VS產(chǎn)業(yè)成熟度提升

▌全球?qū)Φ谌雽?dǎo)體均展開全面戰(zhàn)略部署

2014年初，美國宣布成立“下一代功率電子技術(shù)國家制造業(yè)創(chuàng)新中心”，期望通過加強(qiáng)第三代半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，使美國占領(lǐng)下一代功率電子產(chǎn)業(yè)。

這個(gè)正出現(xiàn)的規(guī)模最大、發(fā)展最快的新興市場，并為美國創(chuàng)造出一大批高收入就業(yè)崗位。

日本建立了“下一代功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)開發(fā)聯(lián)盟”由大阪大學(xué)牽頭，協(xié)同羅姆、三菱電機(jī)、松下電器等18家從事SiC和GaN材料、器件以及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的知名企業(yè)、大學(xué)和研究中心；歐洲啟動了產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目“LAST POWER”，由意法半導(dǎo)體公司牽頭，協(xié)同來自意大利、德國等六個(gè)歐洲國家的私營企業(yè)、大學(xué)和公共研究中心，聯(lián)合攻關(guān)SiC和GaN的關(guān)鍵技術(shù)。

▌國內(nèi)政策支持持續(xù)加強(qiáng)

我國的“中國制造2025”計(jì)劃中明確提出要大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。2015年5月，中國建立第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新基地，搶占第三代半導(dǎo)體戰(zhàn)略新高地；國家科技部、工信部、北京市科委牽頭成立第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA），對推動我國第三代半導(dǎo)體材料及器件研發(fā)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

▌制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸在于成本和可靠性驗(yàn)證

行業(yè)發(fā)展的瓶頸目前在于SIC襯底成本高：目前SIC的成本是Si的4-5倍，預(yù)計(jì)未來3-5年價(jià)格會逐漸降為Si的2倍左右，SIC行業(yè)的增速取決于SIC產(chǎn)業(yè)鏈成熟的速度，目前成本較高，且SIC器件產(chǎn)品參數(shù)和質(zhì)量還未經(jīng)足夠驗(yàn)證；

SIC MOS的產(chǎn)品穩(wěn)定性需要時(shí)間驗(yàn)證：根據(jù)英飛凌2020年功率半導(dǎo)體應(yīng)用大會上專家披露，目前SiC MOSFET真正落地的時(shí)間還非常短，在車載領(lǐng)域才剛開始商用（Model 3中率先使用了SIC MOS的功率模塊），一些諸如短路耐受時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)沒有提供足夠多的驗(yàn)證，SIC MOS在車載和工控等領(lǐng)域驗(yàn)證自己的穩(wěn)定性和壽命等指標(biāo)需要較長時(shí)間；

根據(jù)Yole預(yù)測，SIC和GaN電力電子器件（注意是GaN在電力電子中的應(yīng)用，不包括在高頻射頻器件）2023年在整體功率器件滲透率分別為3.75%和1%；驅(qū)動因素是新能源汽車新能源發(fā)電以及快充。

目前國內(nèi)外SIC產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，成本持續(xù)下降，下游接受度也開始提升，目前整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈處于行業(yè)爆發(fā)的前夜。

SIC 器件：10 年 20 倍成長，國內(nèi)全面布局

▌應(yīng)用：新能源車充電樁和光伏等將率先采用

SiC具有前述所說的各種優(yōu)勢，是高壓/高功率/高頻的功率器件相對理想的材料，所以SiC功率器件在新能源車、充電樁、新能源發(fā)電的光伏風(fēng)電等這些對效率、節(jié)能和損耗等指標(biāo)比較看重的領(lǐng)域，具有明顯的發(fā)展前景。

高頻低壓用Si-IGBT，高頻高壓用SiC MOS，電壓功率不大但是高頻則用GaN。當(dāng)?shù)皖l、高壓的情況下用Si的IGBT是最好，如果稍稍高頻但是電壓不是很高，功率不是很高的情況下，用Si的MOSFET是最好。

如果既是高頻又是高壓的情況下，用SiC的MOSFET最好。電壓不需要很大，功率不需要很大，但是頻率需要很高，這種情況下用GaN效果最佳。

以新能源車中應(yīng)用SIC MOS為例，根據(jù)Cree提供的測算：將純電動車BEV逆變器中的功率組件改成SIC時(shí)，大概可以減少整車功耗5%-10%；這樣可以提升續(xù)航能力，或者減少動力電池成本。

同時(shí)SIC MOS在快充充電樁等領(lǐng)域也將大有可為?？焖俪潆姌妒菍⑼獠拷涣麟姡高^IGBT或者SIC MOS轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，然后直接對新能源汽車電池進(jìn)行充電，對于損耗和其自身占用體積問題也很敏感，因此不考慮成本，SIC MOS比IGBT更有前景和需求，由于目前SIC的成本目前是Si的4-5倍，因此會在高功率規(guī)格的快速充電樁首先導(dǎo)入。

在光伏領(lǐng)域，高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器未來的發(fā)展趨勢，因此基于性能更優(yōu)異的SIC材料的光伏逆變器也將是未來重要的應(yīng)用趨勢。

SIC肖特基二極管的應(yīng)用比傳統(tǒng)的肖特基二極管同樣有優(yōu)勢。碳化硅肖特基二極管相比于傳統(tǒng)的硅快恢復(fù)二極管（SiFRD），具有理想的反向恢復(fù)特性。

在器件從正向?qū)ㄏ蚍聪蜃钄噢D(zhuǎn)換時(shí)，幾乎沒有反向恢復(fù)電流，反向恢復(fù)時(shí)間小于20ns，因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的效率。

另一個(gè)重要的特點(diǎn)是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù)，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這使得SiC肖特基二極管非常適合并聯(lián)實(shí)用，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

總結(jié)來看，SIC肖特基二極管具有的特點(diǎn)如下：

1）幾乎無開關(guān)損耗；

2）更高的開關(guān)頻率；

3）更高的效率；

4）更高的工作溫度；

5）正的溫度系數(shù)，適合于并聯(lián)工作；

6）開關(guān)特性幾乎與溫度無關(guān)。

根據(jù)CASA的統(tǒng)計(jì)，業(yè)內(nèi)反應(yīng)SiC SBD實(shí)際的批量采購成交價(jià)已經(jīng)降至1元/A以下，耐壓600-650V的產(chǎn)品業(yè)內(nèi)批量采購價(jià)約為0.6元/A，而耐壓1200V的產(chǎn)品業(yè)內(nèi)批量采購價(jià)約為1元/A。

如上表所示，2019年部分SIC肖特基二極管產(chǎn)品價(jià)格實(shí)現(xiàn)了20%-35%的降幅，SIC二極管價(jià)格的持續(xù)降低以及和Si二極管價(jià)差的縮小將進(jìn)一步促進(jìn)SIC二極管的應(yīng)用。

▌門檻：SIC 器件的壁壘和難點(diǎn)

SIC難度大部分集中在SIC晶片的長晶和襯底制作方面，但是要做成器件，也有一些自身的難點(diǎn)，主要包括：

1、外延工藝效率低：碳化硅的氣相同質(zhì)外延一般要在1500℃以上的高溫下進(jìn)行。由于有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過1800℃，因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產(chǎn)量較低。

2.歐姆接觸的制作：歐姆接觸是器件器件制作中十分重要的工藝之一，要形成好的碳化硅的歐姆接觸在實(shí)際中還是有較大難度；

3.配套材料的耐高溫：碳化硅芯片本身是耐高溫的，但與其配套的材料就不見得能夠耐得住600℃以上的溫度。所以整體工作溫度的提高，需要不斷的進(jìn)行配套材料方面創(chuàng)新。

SIC的優(yōu)異性能大家認(rèn)識的較早，之所以最近幾年才有較好的進(jìn)展主要是因?yàn)镾IC片和SIC器件兩個(gè)方面相比傳統(tǒng)的功率器件均有一些難點(diǎn)，器件生產(chǎn)的高難度高成本加上碳化硅片制造的高難度（后面會提及），兩者互為循環(huán)，一定程度上制約了過去幾年SIC應(yīng)用的推廣速度，隨著產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟，SIC正處于爆發(fā)的前夜，拐點(diǎn)漸行漸近。

▌空間&增速：SIC 器件未來 5-10 年復(fù)合 40%增長

IHS預(yù)計(jì)未來5-10年SIC器件復(fù)合增速40%：根據(jù)IHSMarkit數(shù)據(jù)，2018年碳化硅功率器件市場規(guī)模約3.9億美元，受新能源汽車龐大需求的驅(qū)動，以及光伏風(fēng)電和充電樁等領(lǐng)域?qū)τ谛屎凸囊筇嵘?，預(yù)計(jì)到2027年碳化硅功率器件的市場規(guī)模將超過100億美元，18-27年9年的復(fù)合增速接近40%。

滲透率角度測算 SIC MOS 器件市場空間：（SIC MOS 只是 SIC 器件的一種） SIC MOS 器件的下游和 IGBT 重合度較大，因此，驅(qū)動 IGBT 行業(yè)空間高成長驅(qū)動因素如車載、充電樁、工控、光伏風(fēng)電以及家電市場，也都是 SIC MOS 功率器件將來要涉足的領(lǐng)域；根據(jù)我們之前系列行業(yè)報(bào)告的大致測算，2019 年 IGBT 全球 58 億美金，中國22億美金空間，在車載和充電樁和工控光伏風(fēng)電等的帶動下，預(yù)計(jì) 2025 年 IGBT 全球 120 億美金，中國 60 億美金。

SIC MOS器件的滲透率取決于其成本下降和產(chǎn)業(yè)鏈成熟的速度，根據(jù)英飛凌和國內(nèi)相關(guān)公司調(diào)研和產(chǎn)業(yè)里的專家的判斷來看，SIC MOS滲透IGBT的拐點(diǎn)可能在2024年附近。預(yù)計(jì)2025年全球滲透率25%，則全球有30億美金SIC MOS器件市場，中國按照20%滲透率2025年則有12億美金的SIC MOS空間。即不考慮SIC SBD和其他SIC功率器件，僅測算替代IGBT那部分的SIC MOS市場預(yù)計(jì)2025年全球30億美金，相對2019年不到4億美金有超過7倍成長，且2025-2030年增速延續(xù)。

SIC 晶片：高成長高壁壘，國產(chǎn)奮起直追

▌成長分析

SiC 晶片對應(yīng)的下游器件

如前分析所述，碳化硅晶片主要用來做成高壓功率器件和高頻功率器件：SIC片主要分為兩種類型：導(dǎo)電型的SIC晶片經(jīng)過SIC外延后制作高壓功率器件；半絕緣型的SIC晶片經(jīng)過GaN外延后制5G射頻器件（特別是PA）；

SiC 晶片的下游器件未來市場空間及增長

碳化硅晶片主要用于大功率和高頻功率器件：2018年氮化鎵射頻器件全球市場規(guī)模約 4.2 億美元（約28億元人民幣），隨著 5G 通訊網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn)，氮化 鎵射頻器件市場將迅速擴(kuò)大，Yole 預(yù)計(jì)到 2023 年，全球射頻氮化鎵器件市場規(guī)模將達(dá)到 13 億美元（約 91 億元人民幣）；繼續(xù)引用前面 IHS 的預(yù)測，則 SIC 功率器件將由 2019 年的4.5 億美元到 2025 年接近 30 億美元。

第三代半導(dǎo)體在功率器件領(lǐng)域的市場規(guī)模：（這里的GaN是用于功率器件）

第三代半導(dǎo)體GaN在高頻射頻領(lǐng)域的市場規(guī)模：根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2017年氮化鎵射頻市場規(guī)模為4億美元，將于2023年增長至接近13億美元，復(fù)合增速為22%，下游應(yīng)用結(jié)構(gòu)整體保持穩(wěn)定，以通訊與軍工為主，二者合計(jì)占比約為80%。而整體射頻器件的市場空間在2018-2025在8%左右，GaN射頻器件增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于射頻器件整體市場的增長。

SIC 晶片本身的市場空間及增速

導(dǎo)電型碳化硅單晶襯底材料是制造碳化硅功率半導(dǎo)體器件的基材，根據(jù)中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的測算：

2017-2020年市場需求：2017年4英寸10萬片、6英寸1.5萬片→預(yù)計(jì)到2020年4英寸保持10萬片、6英寸超過8萬片。

2020-2025年市場需求：4英寸逐步從10萬片市場減少到5萬片，6英寸晶圓將從8萬片增長到20萬片；

2025~2030年：4英寸晶圓逐漸退出市場，6英寸晶圓將增長至40萬片。

半絕緣碳化硅具備高電阻的同時(shí)可以承受更高的頻率，主要應(yīng)用在高頻射頻器件；同樣根據(jù)中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的測算：

2017年市場需求：全球半絕緣碳化硅晶片的市場需求約4萬片；2020年：4英寸半絕緣SIC維持4萬片、6英寸半絕緣SIC晶片5萬片；

2025年市場需求：預(yù)計(jì)4英寸半絕緣到2萬片、6英寸到10萬片；

2025-2030年市場需求：4英寸半絕緣襯底逐漸退出市場，而6英寸需求到20萬片。

整體SIC晶片全球市場空間預(yù)計(jì)從2020的30億RMB增長至2027年150億元RMB，作為對比，2018年全球硅片市場90億美元，國內(nèi)硅片市場約130億元（近8年復(fù)合增長5%-7%）。

壁壘分析

SIC晶片的壁壘較高，主要體現(xiàn)在：SIC晶片的核心參數(shù)包括微管密度、位錯(cuò)密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等。在密閉高溫腔體內(nèi)進(jìn)行原子有序排列并完成晶體生長、同時(shí)控制參數(shù)指標(biāo)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，將生長好的晶體加工成可以滿足半導(dǎo)體器件制造所需晶片又涉及一系列高難度工藝調(diào)控；隨著碳化硅晶體尺寸的增大及產(chǎn)品參數(shù)要求的提高，生產(chǎn)參數(shù)的定制化設(shè)定和動態(tài)控制難度會進(jìn)一步提升。因此，穩(wěn)定量產(chǎn)各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)波動幅度較低的高品質(zhì)碳化硅晶片的技術(shù)難度很大，主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：

1.精確調(diào)控溫度：碳化硅晶體需要在2，000℃以上的高溫環(huán)境中生長，且在生產(chǎn)中需要精確調(diào)控生長溫度，控制難度極大；

2.容易產(chǎn)生多晶型雜質(zhì)：碳化硅存在200多種晶體結(jié)構(gòu)類型，其中六方結(jié)構(gòu)的4H型（4H-SiC）等少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶型碳化硅才是所需的半導(dǎo)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(shù)，否則容易產(chǎn)生多晶型夾雜，導(dǎo)致產(chǎn)出的晶體不合格；

3.晶體擴(kuò)徑難度大：氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長的擴(kuò)徑技術(shù)難度極大，隨著晶體尺寸的擴(kuò)大，其生長難度工藝呈幾何級增長；

4.硬度極大難切割：碳化硅硬度與金剛石接近，切割、研磨、拋光技術(shù)難度大，工藝水平的提高需要長期的研發(fā)積累；

競爭分析

▌海外基本壟斷市場

目前，碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國全球獨(dú)大的特點(diǎn)。以導(dǎo)電型產(chǎn)品為 例，2018 年美國占有全球碳化硅晶片產(chǎn)量的 70%以上，僅 CREE 公司就占據(jù) 60%以上市場份額，剩余份額大部分被日本和歐洲的其他碳化硅企業(yè)占據(jù)。

▌后進(jìn)者難度較大

由于碳化硅材料特殊的物理性質(zhì)，其晶體生長、晶體切割、晶片加工等環(huán)節(jié)的技術(shù)和工藝要求高，需要長期投入和深耕才能形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力，行業(yè)門檻很高。后進(jìn)入的碳化硅晶片生產(chǎn)商在短期內(nèi)形成規(guī)?；?yīng)能力存在較大難度，市場供給仍主要依靠現(xiàn)有晶片生產(chǎn)商擴(kuò)大自身生產(chǎn)能力，國內(nèi)碳化硅晶片供給不足的局面預(yù)計(jì)仍將維持一段時(shí)間。

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