1 碳化硅為第三代半導(dǎo)體材料，引領(lǐng)功率及射頻領(lǐng)域革新

碳化硅較硅更能滿足高溫、高壓、高頻等需求，下游應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

碳化硅屬于第三代半導(dǎo)體材料，具備禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場強高、電子飽和漂移速率高等特點。碳化硅為第三代半導(dǎo)體材料典型代表，相較于硅材料等前兩代半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度更大，在擊穿電場強度、飽和電子漂移速率、熱導(dǎo)率以及抗輻射等關(guān)鍵 參數(shù)方面有顯著優(yōu)勢。基于這些優(yōu)良特性，碳化硅襯底在使用極限性能上優(yōu)于硅襯底，可 以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求。因此，碳化硅材料制備的射頻器 件及功率器件可廣泛應(yīng)用于新能源汽車、光伏、5G 通信等領(lǐng)域，是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域中具備 廣闊前景的材料之一。

碳化硅用于制作功率及射頻器件，產(chǎn)業(yè)鏈包括襯底制備、外延層生長、器件及下游應(yīng)用。根據(jù)電化學(xué)性質(zhì)不同，碳化硅晶體材料分為半絕緣型襯底（電阻率高于 10 5Ω·cm）和導(dǎo)電型襯底（電阻率區(qū)間 15~30mΩ·cm）。不同于傳統(tǒng)硅基器件，碳化硅器件不可直接制作于襯底上，需先使用化學(xué)氣相沉積法在襯底表面生成所需薄膜材料，即形成外延片，再進一步制成器件。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，可制成 HEMT 等微波射頻器件，適用于高頻、高溫工作環(huán)境，主要應(yīng)用于 5G 通信、衛(wèi)星、雷達等領(lǐng)域。在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長碳化硅外延層制得碳化硅外延片，可進一步制成碳化硅二極管、碳化硅 MOSFET 等功率器件，適用于高溫、高壓工作環(huán)境，且損耗低，主要應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域。

國內(nèi)外廠商積極布局碳化硅，產(chǎn)業(yè)鏈日趨完善。以碳化硅材料為襯底的產(chǎn)業(yè)鏈主要包括碳化硅襯底制備、外延層生長、器件及模組制造三大環(huán)節(jié)。伴隨更多廠商布局碳化硅賽道，產(chǎn)業(yè)鏈加速走向成熟。目前，碳化硅行業(yè)企業(yè)形成兩種商業(yè)模式，第一種覆蓋完整產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)，同時從事碳化硅襯底、外延、器件及模組的制作，例如 Wolfspeed、Rohm；第二種則只從事產(chǎn)業(yè)鏈的單個環(huán)節(jié)或部分環(huán)節(jié)，如Ⅱ-Ⅵ僅從事襯底及外延的制備，英飛凌則只 負責(zé)器件及模組的制造。當(dāng)前，國內(nèi)的碳化硅生產(chǎn)廠商大多屬于第二種商業(yè)模式，聚焦產(chǎn)業(yè)鏈部分環(huán)節(jié)。

SiC 較 IGBT 具備耐高壓、低損耗和高頻三大核心優(yōu)勢

SiC MOSFET 較 IGBT 可同時具備耐高壓、低損耗和高頻三大優(yōu)勢。1）碳化硅擊穿電場強度是硅的十余倍，使得碳化硅器件耐高壓特性顯著高于同等硅器件。2）碳化硅具有 3 倍于硅的禁帶寬度，使得 SiC MOSFET 泄漏電流較硅基 IGBT 大幅減少，降低導(dǎo)電損耗。同時， SiC MOSFET 屬于單極器件，不存在拖尾電流，且較高的載流子遷移率減少了開關(guān)時間，開關(guān)損耗因此得以降低。根據(jù) Rohm 的研究，相同規(guī)格的碳化硅 MOSFET 較硅基 IGBT 的總能量損耗可大大減低 73%。3）涵蓋 MOSFET 自身特點，較 IGBT 具備高頻優(yōu)勢。此外，據(jù) Wolfspeed 研究顯示，相同規(guī)格的碳化硅基 MOSFET 與硅基 MOSFET 相比，其尺寸可 大幅減少至原來的 1/10。

碳化硅助力新能源汽車實現(xiàn)輕量化及降低損耗，增加續(xù)航里程。1）碳化硅較硅擁有更高熱導(dǎo)率，散熱容易且極限工作溫度更高，可有效降低汽車系統(tǒng)中散熱器的體積和成本。同時，SiC 材料較高的載流子遷移率使其能夠提供更高電流密度，在相同功率等級中，碳化硅功率 模塊的體積顯著小于硅基模塊，進一步助力新能源汽車實現(xiàn)輕量化。2）SiC MOSFET 器件較硅基 IGBT 在開關(guān)損耗、導(dǎo)電損耗等方面具備顯著優(yōu)勢，其在新能源汽車的應(yīng)用可有效降低損耗。根據(jù)豐田官網(wǎng)，豐田預(yù)測 SiC MOSFET 的應(yīng)用有助于提升電動車的續(xù)航里程約 5%-10%。3）由于 SiC 材料具備更高的功率密度，所以同等功率下，SiC 器件的體積可以縮小至 1/2 甚至更低；4）由于 SiC MOSFET 的高頻特性，SiC 的應(yīng)用能夠顯著減少電容、 電感等被動元件的應(yīng)用，簡化周邊電路設(shè)計。

從特斯拉的方案來看，主逆變器采用 SiC 能顯著降低損耗和提升功率密度。特斯拉 Model 3 在主逆變器中率先采用 SiC 方案（搭意法半導(dǎo)體的 SiC MOSFET 模組），替代原先 Model X 主逆變器方案（搭載英飛凌的 IGBT 單管）。對比產(chǎn)品參數(shù)可知，所用 SiC MOSFET 的反應(yīng)恢復(fù)時間和開關(guān)損耗均顯著降低。同時，Model 3 主逆變器上有 24 個 SiC 模塊，每個模塊內(nèi)含 2 顆 SiC 裸晶，共用到 48 顆 SiC MOSFET， 如果仍采用 Model X 的 IGBT，則需要 54-60 顆。該方案使得 Model 3 主逆變器的整體結(jié)構(gòu) 更為簡潔、整體質(zhì)量和體積更輕、功率密度更高。

2 全球 SiC 市場處于高速成長階段，國內(nèi)廠商存廣闊替代空間

乘碳中和之東風(fēng)，2025 年市場規(guī)模有望較 2020 年翻 5 倍

2020 年全球 SiC 器件市場規(guī)模達 11.84 億美元，預(yù)計到 2025 年有望增長至 59.79 億美元，對應(yīng) CAGR 為 38.2%。根據(jù)我們的測算，在碳中和趨勢下，受益于 SiC 在新能源汽車、光 伏、風(fēng)電、工控等領(lǐng)域的持續(xù)滲透，SiC 功率器件市場規(guī)模有望從 2020 年的 2.92 億美元 增長至 2025 年的 38.58 億美元，對應(yīng) CAGR 為 67.6%；5G、國防驅(qū)動 GaN-on-SiC 射頻 器件加速滲透，逐步取代硅基 LDMOS，SiC 射頻器件市場規(guī)模有望從 2020 年的 8.92 億美 元增長至 2025 年的 21.21 億美元，對應(yīng) CAGR 為 18.9%。下游 SiC 功率及射頻器件高速 增長的需求也將帶動 SiC 材料市場規(guī)模快速成長，按照 SiC 材料在 SiC 器件中價值量占比 50%計算（根據(jù) CASA），預(yù)計將由 2020 年的 5.92 億美元增長至 2025 年的 29.90 億美元， 對應(yīng) CAGR 為 38.2%。

從下游領(lǐng)域來看，我們認為新能源汽車為 SiC 市場的核心驅(qū)動力。新能源汽車逐步向 800V 架構(gòu)時代邁進，SiC 相比于 IGBT 在耐高壓、耐高溫、頻率、損耗、質(zhì)量體積等方面優(yōu)勢更加明顯。同時隨著全球產(chǎn)能開出及良率提升，SiC 價格下探將驅(qū)動其在新能源車中的逆變器、 OBC 等部件中加速滲透。根據(jù) Wolfspeed 和我們的測算，2020 年全球 SiC 器件市場規(guī)模 中，新能源汽車領(lǐng)域占比約為 22.51%，隨著 SiC 在主逆變器和 OBC 中的加速滲透，我們預(yù)計到 2025 年占比將提升至 50.26%，為第一大驅(qū)動力。此外，基于 SiC 較 IGBT 的性能優(yōu)勢，隨著 SiC 器件及模塊成本的下降，我們預(yù)計 SiC 在光伏、風(fēng)電等新能源發(fā)電領(lǐng)域滲透率也將逐步提升，預(yù)計市場規(guī)模占比到 2025 年提升至 8.84%；工控市場規(guī)模占比到 2025 年提升至 5.43%。

海外廠商普遍看好 SiC 市場空間，相關(guān)業(yè)務(wù)業(yè)績展望樂觀

Wolfspeed 看好碳化硅器件與材料廣闊市場空間,預(yù)計 2026 年將分別突破 89/17 億美元。（1）碳化硅器件方面，Wolfspeed 預(yù)計 2022年市場規(guī)模將達到 43 億美元，2024 年進一 步增長至 66 億美元，并于 2026 年突破 89 億美元。碳化硅器件市場增長驅(qū)動力主要來自電動汽車、射頻、工業(yè)及能源領(lǐng)域，其中，在電動汽車大勢所驅(qū)背景下，碳化硅材料在 400V 和 800V 充電架構(gòu)中的優(yōu)勢日益凸顯，Wolfspeed 預(yù)計 2026年汽車器件將占據(jù)超 50%的市場規(guī)模，2023-2026 年 CAGR 達 30%；此外，隨成本下降，碳化硅器件在工業(yè)市場的應(yīng)用將更加廣泛，Wolfspeed 預(yù)計遠期有望創(chuàng)造超 400 億美元市場空間。

（2）碳化硅材料方面， Wolfspeed 認為市場供應(yīng)將持續(xù)增加，但產(chǎn)能仍將供不應(yīng)求，Wolfspeed 預(yù)計 2022 年碳化 硅材料市場達 7 億美元，2024 年進一步增長至 12 億美元，并于 2026 年突破 17 億美元， 2022 至 2026 年增長近 2.5 倍。同時，公司預(yù)期 150mm 向 200mm 工藝節(jié)點的轉(zhuǎn)變將帶來成本優(yōu)化，進一步促進市場需求擴增。

市場空間逐步打開，碳化硅材料及器件主要供應(yīng)商業(yè)績展望樂觀。Wolfspeed 為全球碳化 硅材料及器件龍頭供應(yīng)商之一，據(jù) Yole 及 Wolfspeed 測算，Wolfspeed 在碳化硅材料市場 份額長期穩(wěn)定在 60%以上。截止 2021 年 11 月，與意法半 導(dǎo)體、英飛凌、安森美等客戶簽訂的長期意向訂單達 13 億美元。Wolfspeed 預(yù)計在電動汽 車及 5G 等終端對碳化硅器件的強勁需求驅(qū)動下，2024 財年公司營收有望達 15 億美元， 2026 財年增長至 21 億美元。英飛凌同樣為推動半導(dǎo)體行業(yè)從硅基向碳化硅基發(fā)展的核心 力量之一，公司測算 2021 年碳化硅相關(guān)收入為 2 億美元，預(yù)期 2025 年將突破 10 億美元， 占據(jù)全球市場 30%市場份額。此外，安森美和意法半導(dǎo)體預(yù)期公司碳化硅相關(guān)收入將分別 于 2023 年和 2024 年突破 10 億美金。

競爭格局：襯底及外延市場集中度高，器件領(lǐng)域海外廠商占絕對主導(dǎo)

碳化硅襯底市場高度集中，Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ全面領(lǐng)先。碳化硅襯底為碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)，據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2020 年半絕緣型碳化硅襯底和導(dǎo)電型碳化硅襯底市場規(guī)模分別達 1.82 億、2.76 億美元。其中，1）Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、山東天岳三家寡頭壟斷半絕緣型碳化硅襯底市場。2020 年 Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ及山東天岳占據(jù) 98%市場份額，市場高度集中。從產(chǎn)品規(guī)格 上看，Wolfspeed 已實現(xiàn) 4 英寸及 6 英寸產(chǎn)品量產(chǎn)并開始建設(shè) 8 英寸產(chǎn)線，國內(nèi)廠商山東天岳雖市占率行業(yè)領(lǐng)先，但公司預(yù)計 2023 年方能實現(xiàn) 6 英寸產(chǎn)品量產(chǎn)，仍存在一定差距。2） 導(dǎo)電型碳化硅襯底市場 Wolfspeed 一家獨大。Wolfspeed 憑借較早布局先發(fā)優(yōu)勢，在良率及產(chǎn)能上遙遙領(lǐng)先，2020 年占據(jù) 60%市場份額，Ⅱ-Ⅵ以 11%市場份額位居第二。

Wolfspeed、Showa Denko 雙寡頭壟斷碳化硅外延片市場。碳化硅外延片屬于行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中間環(huán)節(jié)，參與廠商多為 IDM 公司，Industry Research 測算 2020 年全球碳化硅外延片市 場規(guī)模約為 1.72 億美元。據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2020 年 Wolfspeed 與 Showa Denko 分別占據(jù)碳化硅導(dǎo)電型外延片市場52%和43%的市場份額，合計高達95%，具備顯著的制備技術(shù)優(yōu)勢。其他碳化硅外延供應(yīng)商包括Ⅱ-Ⅵ、Norstel、羅姆、三菱電機、英飛凌，占據(jù)市場較小份額。國內(nèi)碳化硅外延片主要制造廠商有瀚天天成和東莞天域半導(dǎo)體，兩者均已具備供應(yīng) 4-6 英 寸外延片實力，待產(chǎn)能進一步釋放。

歐美廠商占據(jù) SiC 功率器件市場主要份額。SiC 功率器件制造工藝壁壘較高，目前市場主要廠商為傳統(tǒng)硅基功率器件巨頭及借助 SiC 材料介入器件領(lǐng)域的新銳玩家 Wolfspeed，市場集中度高于 IGBT 器件及模塊市場。據(jù) Yole 數(shù)據(jù)，2020 年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模約 5~6 億美元，市場 CR5 達 90.8%，顯著高于 IGBT 器件及模塊市場的 62.8%和 66.7%，歐美廠商占據(jù)主要市場份額。其中，意法半導(dǎo)體成功研制全球第一款大規(guī)模應(yīng)用于電動汽 車的 SiC MOSFET 模塊，與特斯拉的合作為其累積大量市場份額，2020 年達 40.5%。國 內(nèi)廠商在 SiC 功率器件領(lǐng)域入局較晚，主要玩家泰科天潤、基本半導(dǎo)體、華潤微等市場份額較小，但由于行業(yè)處于早期階段，格局尚未定型，國內(nèi)廠商仍有較大替代空間。

3 新能源車/充電樁/光伏/工控/射頻鼎力相助，SiC 器件加速應(yīng)用

新能源汽車：800V 架構(gòu)下的甜蜜時刻，SiC 滲透的核心驅(qū)動力

SiC 功率器件主要包括 SBD、JFET、MOSFET 和模塊，在新能源汽車相關(guān)應(yīng)用場景主要為 逆變器、OBC、及直流充電樁。我們認為當(dāng)前碳化硅滲透仍處于早期，主要器件類型為 SiC 二極管，以及在高端車系應(yīng)用，目前滲透率較低。未來隨著：1）特斯拉、比亞迪等頭部新能 源車廠帶來的“示范效應(yīng)”，更多車企將會逐步采用 SiC 方案；2）碳化硅器件價格逐步下降， 成本經(jīng)濟效益不斷提升；3）800V 架構(gòu)時代來臨，SiC 在高壓下較 IGBT 性能優(yōu)勢更為明顯，損耗降低幅度更大。我們認為 SiC 在新能源車主逆變器及 OBC 中滲透率將快速提升。

碳化硅器件在新能源汽車中應(yīng)用進入快速滲透期。2018 年，特斯拉 Model 3 率先使用由意法半導(dǎo)體提供的 SiC MOSFET，開啟電動汽車使用 SiC 先河，隨后比亞迪、保時捷、豐田等汽車制造商陸續(xù)推出應(yīng)用碳化硅器件新車型。其中，在 2020 年比亞迪漢搭載自主研發(fā)制造的 SiC MOSFET 控制模塊，整體加速性能及續(xù)航能力均得到顯著提升。2021 年，碳化硅器件在新能源汽車中應(yīng)用進入快速增長階段，國內(nèi)外眾多車型均開始應(yīng)用碳化硅器件。根據(jù)各公司公告信息，我們可以看到在未來幾年，小鵬、捷豹、路虎、雷諾等越來越多的 廠商將在其新車型中使用 SiC 器件，新能源汽車中應(yīng)用 SiC 器件以提升性能、實現(xiàn)輕量化為大勢所趨。

新能源車充電及里程焦慮凸顯，800V 架構(gòu)時代來臨

充電焦慮逐漸成為當(dāng)前電動車產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵的問題，800V 架構(gòu)是解決充電焦慮的主流方案。電動車普及過程中主要面臨續(xù)航和充電兩大問題。續(xù)航里程目前已不是最大阻礙，根據(jù)蔚來、特斯拉、小鵬等的官網(wǎng)，主流品牌電動車續(xù)航里程約在 500 公里左右，即將推出的蔚來 ET7、理想 X01 等預(yù)計續(xù)航里程超 800 公里。對于提升充電效率，方案包括換電及大功 率快充。由于各品牌各車型電池差異，換電站推廣較為依賴車企自建，普適性低且成本高。大功率充電包括大電流和高電壓兩種方案，大電流方案代表企業(yè)為特斯拉，根據(jù)焦耳定律， 該方案將顯著增加充電過程中的熱量，需要更粗的線束同時對系統(tǒng)散熱要求更高。此外，根據(jù)新出行測評，特斯拉大電流 V3 超充樁在大部分時間內(nèi)并不能達到最大功率充電。

目前，高壓快充已成為大功率快充主流方案，提升充電速度的同時，減小電損耗。2019 年 保時捷推出全球首個量產(chǎn)的 800V 架構(gòu)電動車 Taycan，可實現(xiàn)充電 15 分鐘將 Taycan 電量 從 0 提升至 80%。此后，國內(nèi)外車企紛紛布局高壓快充方案，現(xiàn)代、起亞小鵬、比亞迪等 相繼或計劃發(fā)布 800V 高壓快充平臺，小鵬 G9 可實現(xiàn)“充電 5 分鐘，續(xù)航 200 公里”。我們 認為，800V 架構(gòu)時代正加速到來。

此外，800V 系統(tǒng)可有效減少車身重量，實現(xiàn)續(xù)航提升。在相同功率的情況下，800V 系統(tǒng)較 400V 系統(tǒng)電流降低一半，可減少系統(tǒng)熱損耗及導(dǎo)線橫截面。根據(jù) e-technology 的估算，以 100kWh 的電池為例，從 400V 電車系統(tǒng)提升為 800V 電車系統(tǒng)，由于電池散熱減重及導(dǎo)線質(zhì)量降低可以推動整車實現(xiàn) 25kg 的重量降低，從而提升續(xù)航。

主逆變器：800V 系統(tǒng)下 SiC MOSFET 大顯身手，降低主逆變器損耗及體積

目前已有多家車企在主逆變器中采用 SiC MOSFET 方案替代 IGBT 方案，如特斯拉 Model 3、 比亞迪漢高性能版等。Model 3 共用到 48 顆意法半導(dǎo)體的 SiC MOSFET，如果仍采用 Model X 的英飛凌的 IGBT，則需要 54-60 顆。即使成本上升 370 美金左右（按照艾睿供應(yīng)商網(wǎng)站 價格計算，實際大批量采購價格更低），但特斯拉考慮到損耗降低及體積節(jié)約等因素而選擇 SiC 方案。我們認為 800V 架構(gòu)下 SiC MOSFET 在新能源車的主逆變器中滲透率將進一步提升?？紤]到成本因素，會率先在中高端車型上使用。

1）損耗更低：根據(jù) ST 的數(shù)據(jù)，800V 系統(tǒng)下，1200V SiC MOSFET 較 IGBT 總損耗更低， 在常用的 25%負載下，SiC MOSFET 損耗最多低于 IGBT 80%，在 100%負載下，SiC MOSFET 損耗最多低于 IGBT 60%。

2）高壓下性能優(yōu)勢更加明顯：在 400V 左右的直流母線電壓下，需要最大工作電壓在 650V 左右的 IGBT 模塊或單管。在 800V 的系統(tǒng)電壓下，功率器件耐壓需要提高到 1200V 以上。英飛凌、賽美控、羅姆、富士電機等均推出了 1200V 的車規(guī)級 IGBT，但對比之下，SiC 器件在高壓下性能更好。根據(jù) ST 的數(shù)據(jù)，在 400V 電壓平臺下，SiC MOSFET 能夠比 IGBT 器件擁有 2-4%的效率提升；而在 750V 電壓平臺下其提升幅度則可增大至 3.5-8%。對比市場上的領(lǐng)先 SiC MOSFET 和 IGBT 器件參數(shù)可知，1200V SiC 產(chǎn)品優(yōu)勢較 650V 產(chǎn)品優(yōu)勢更加明顯，主要體現(xiàn)為損耗降低幅度更大。

3）耐高溫：SiC 的結(jié)溫更高，能夠在超過 175 度的高溫下正常工作，較 IGBT 更加適合高溫環(huán)境。

4）體積節(jié)約：根據(jù) ST，在 10kHz 工作頻率和 800V 架構(gòu)的情況下，對于一個 210kW 的逆變器，若采用全 SiC MOSFET 方案替代原先 IGBT 及二極管方案：1）使用總功率器件體積可從 600mm2 縮小 5 倍至 120mm2；2）開關(guān)損耗和總損耗分別縮小為原來的 3.9/1.9 倍。3）損耗的降低使得 PCU（電源控制單元）的尺寸得以減少，相對應(yīng)的冷卻系統(tǒng)體積也將得 以簡化。

OBC：SiC 助力實現(xiàn)效率提升、輕量化及系統(tǒng)成本降低

OBC 典型電路結(jié)構(gòu)由前級 PFC 電路和后級 DC/DC 輸出電路兩部分組成。二極管和開關(guān)管 （IGBT、MOSFET 等）是 OBC 中主要應(yīng)用的功率器件，采用 SiC 替代可實現(xiàn)更低損耗、 更小體積及更低的系統(tǒng)成本。

OBC 中采用 SiC 二極管整體損耗低且耐高溫能力更強。OBC 的前級 PFC 電路和后級 DC/DC 輸出電路中會使用到快恢復(fù)硅基二極管。1）影響二極管損耗的指標(biāo)包括正向?qū)▔航担╒F）、反向恢復(fù)電流（IR）、輸入電容（QC）和開通關(guān)斷速度等。相比于硅基 SBD， SiC SBD 的最大優(yōu)勢在于 IR 可以忽略不計，使得反向恢復(fù)損耗極低，在 PFC 電路使用 SiC SBD 可有效提升 PFC 電路效率。同時，QC、VF 兩個主要參數(shù)相比硅基二極管也具有優(yōu)勢， 在后級輸出電路中使用 SiC SBD 可以進一步提升輸出整流的效率。同時，由于 SiC 材料的 優(yōu)勢，SiC 二極管的結(jié)溫更高，其可在更高溫度下保持正常工作狀態(tài)，在高溫環(huán)境下較硅基 二極管更有優(yōu)勢。此外，SiC 二極管可實現(xiàn)更高頻率及功率密度，從而提升系統(tǒng)整體效率。

全 SiC MOSFET 方案降低 OBC 系統(tǒng)尺寸、重量和成本，同時提高運行效率。根據(jù)Wolfspeed 的研究，采用全 SiC MOSFET 方案的 22 kW 雙向 OBC，可較 Si 方案實現(xiàn)功率器件和柵極 驅(qū)動數(shù)量都減少 30%以上，且開關(guān)頻率提高一倍以上，實現(xiàn)系統(tǒng)輕量化和整體運行效率提 升。SiC 系統(tǒng)在 3kW/L 的功率密度下可實現(xiàn) 97%的峰值系統(tǒng)效率，而 Si OBC 僅可在 2kW/L 的功率密度下實現(xiàn) 95%的效率。同時，進一步拆分成本，由于 SiC 器件的性能可減少 DC/DC 模塊中所需大量的柵極驅(qū)動和磁性元件。因此，盡管相比單個 Si 基二極管和功率晶體管， SiC 基功率器件的成本更高，但整體全 SiC 方案的 OBC 成本可節(jié)約 15%左右。

SiC 器件與傳統(tǒng)產(chǎn)品價差持續(xù)收窄，具備經(jīng)濟效益指日可待

SiC 器件價格持續(xù)下降，與硅基器件價差已縮小至 2-3 倍。SiC SBD 方面，根據(jù) Mouser 數(shù)據(jù)顯示，公開報價方面，650V的SiC SBD 2020年底與Si器件的價差在3.8倍左右；1200V 的 SiC SBD 的平均價與 Si 器件的差距在 4.5 倍左右。根據(jù) CASA Research，實際成交價 低于公開報價。2020 年，650V 的 SiC SBD 的實際成交價格約 0.7 元/A；1200V 的 SiC SBD 價格約 1.2 元/A，較上年下降了 20%-30%，實際成交價與 Si 器件價差已經(jīng)縮小至 2-2.5 倍 之間。SiC MOSFET 實際成交價格方面，根據(jù) CASA Research，650V 的 SiC MOSFET 價格 0.9 元/A；1200V 的 SiC MOSFET 價格 1.4 元/A，較 2019 年下降幅度達 30%-40%， 與 Si 器件價差也縮小至 2.5-3 倍之間，基本達到甜蜜點，將加速 SiC MOS 器件的市場滲透。

綜上，目前 SiC MOSFET 單價約為 IGBT 單價的 3-4 倍，目前主逆變器中的 IGBT 成本約為 1500 元，若全部替換為 SiC MOSFET，考慮到器件節(jié)約，我們預(yù)計成本將增加 3000-4000 元左右。以當(dāng)前成本來看，根據(jù)寧德時代、松下、LG 新能源等的電池成本數(shù)據(jù)，電動車動 力電池度電單價約為 750 元，我們認為到 2025 年有望降至 560 元；根據(jù)特斯拉、小鵬等 在售車型的電池容量，當(dāng)前電動車平均電池容量約為 55kwh，在百公里電耗逐步下降及續(xù)航里程不變的情況下，到2025 年平均電池容量有望降至 43kwh，則 2022/2025E 電池包的價格為 41250/24000 元。

根據(jù)豐田的實驗數(shù)據(jù)，采用全碳化硅模塊可使續(xù)航里程提升 5-10%， 我們假設(shè)這將節(jié)約電池成本 5-10%。根據(jù)我們的測算，若僅考慮電池成本節(jié)約， 當(dāng) SiC MOSFET 成本下降到 IGBT 器件成本的 2 倍左右時，將具備經(jīng)濟效益。若考慮使用 SiC 帶來的冷卻系統(tǒng)節(jié)約、外圍器件節(jié)約、整體空間節(jié)約等，當(dāng) SiC MOSFET 成本下降到 IGBT 成本的 2-2.5 倍時采用 SiC 方案就將具備經(jīng)濟效益。

預(yù)計 2025 年全球新能源汽車 SiC 市場規(guī)模將達到 30.1 億美元

根據(jù)我們的測算，2020 年全球新能源汽車 SiC 器件及模塊市場規(guī)模為 2.7 億美元，預(yù)計到 2025 年達 30.1 億美元，對應(yīng) CAGR 為 62.3%；由此帶來的 2020 年對 SiC 晶圓（6 寸） 的消耗量達 13.7 萬片，預(yù)計到 2025 年將達 199.6 萬片，對應(yīng) CAGR 為 71.0%。我們認為 全球新能源汽車滲透率的快速提升將驅(qū)動 SiC 市場規(guī)模高速增長，我們采取自上而下的方 式，以新能源汽車銷量為基礎(chǔ)，考慮單車 SiC 器件或模塊的價值量、不同零部件 SiC 滲透 率等假設(shè)來進行測算。我們的核心假設(shè)如下：

1）新能源汽車銷量：我們預(yù)計全球新能源汽車銷量將由 2020 年的 277.3 萬輛增長至 2025 年的 2,121.7 萬輛，對應(yīng) CAGR 為 50.2%，其中中國大陸和北美市場為主要驅(qū)動力，CAGR 分別為 56.3/79.0%。

2）SiC 滲透率：我們認為 SiC 在新能源汽車中的應(yīng)用場景主要為 OBC 和主逆變器，將率先逐步替代 MOSFET、IGBT 等方案。我們預(yù)計性能優(yōu)勢將使得 SiC 在 OBC 中的滲透率從 2020 年的 23.0%提升至 2025 年的 43.0%，在主逆變器中的滲透率將由 2020 年 16.0%提 升至 2025 年的 38.0%。由于小鵬、蔚來、雷諾、路虎等車企宣布將在 2022 年開始大規(guī)模應(yīng)用碳化硅方案，我們預(yù)計 SiC 方案滲透將在 2022 年開始加速。

3）單車價值量：目前在主逆變器中的應(yīng)用主要為 SiC 模塊，價值量較高；OBC 中主要以單管器件為主。根據(jù) Mouser、Digikey、特斯拉、比亞迪等數(shù)據(jù)，目前主逆變器/OBC 中 SiC 模塊或器件的價值量約為 500/40 美金，我們認為隨著產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的成熟、上游積極擴產(chǎn)，單車碳化硅成本將逐漸下降，對 IGBT 的成本溢價將不斷縮小。

4）消耗晶圓數(shù)：根據(jù)我們對 SiC 模塊和器件的市場規(guī)模的測算，根據(jù)單個晶圓能夠切割 SiC 模塊/器件的數(shù)量，由此測算新能源汽車市場將消耗的 SiC 晶圓數(shù)。

直流充電樁：大功率充電占比提升，SiC 將加速替代

大功率直流充電樁需求旺盛，SiC 協(xié)力實現(xiàn)高效快充。政策方面，《2020 年政府工作報告》 中已將充電基礎(chǔ)設(shè)施納入新基建七大產(chǎn)業(yè)之一；《2020 年能源工作指導(dǎo)意見》中指出要加強充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提升新能源汽車的充電保障能力。直流充電方式相較家用標(biāo)準交流電充電方式速度大幅提高，一個 150kW 的直流充電器可以在大約 15 分鐘內(nèi)為電動汽車增 加 200 公里續(xù)航，隨電動汽車滲透率進一步提高，直流電充電方案需求將同步提升。Yole 預(yù)計 2020-2025 年，全球 200kW 及以上的大功率直流充電樁數(shù)量將以超過 30%的 CAGR 增長，高于平均的 15.6%。SiC 器件和模塊具備耐高溫、耐高壓以及低損耗等優(yōu)勢，可被廣泛應(yīng)用于電動車直流充電方案中 AD-DC PFC、DC-DC 以及閘門驅(qū)動器等環(huán)節(jié)中，實現(xiàn) 更高效電動車直流充電方案。

1）SiC MOSFET 可簡化直流充電樁 AC/DC 及 DC/DC 電路結(jié)構(gòu)，減少器件數(shù)量實現(xiàn)充電效率提升。根據(jù)英飛凌，在 DC/DC 中，使用 4 顆 1200V SiC MOSFET 替代 8 顆 650V 硅 基 MOSFET，在同樣功率下，可將原來的兩相全橋 LLC 電路簡化為單相全橋 LLC 電路，所用器件數(shù)量減少 50%，提升電路整體效率。同樣在 AC/DC 中，使用 SiC MOSFET 可將 三相 Vienna 整流器拓撲電路簡化為兩相結(jié)構(gòu)，器件數(shù)量減少 50%實現(xiàn)效率提升。同時，SiC MOSFET 的整體損耗也更小。綜上，SiC 方案能使得整體充電器體積更小、功率密度更高、充電效率更高，更好的滿足快充要求。

2）SiC 二極管方案可實現(xiàn)效率提升及輸出功率增加。根據(jù)英飛凌，在 48kHz 下，采用 SiC 二極管替代 Si 二極管，可顯著降低損耗從而提升 0.8%的充電效率，可實現(xiàn)最多 80%輸出功率的提升。

光伏：SiC 光伏逆變器性能提升顯著，廣泛應(yīng)用未來可期

據(jù)天科合達招股書，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占光伏發(fā)電系統(tǒng) 10%，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。根據(jù)英飛凌，使用 SiC MOSFET 功率模塊的光伏逆變器，其轉(zhuǎn)換效率可從 98.8%提升至 99%以上，能量損耗降低 8%，相同條件下輸出功率提升 27%，推動發(fā)電系統(tǒng)在體積、壽命及成本上實現(xiàn)重要突破。英飛凌最早于 2012 年推出 CoolSiC 系列產(chǎn)品應(yīng)用于光伏逆變器，2020 年以來，西門子、安森美等眾多廠商陸續(xù)推出相關(guān)產(chǎn)品，碳化硅光伏逆變器應(yīng)用進一步推廣。據(jù) CASA 數(shù)據(jù)，2020 年光伏逆變器中碳化硅器件滲透率為 10%，預(yù)計 2025 年將增長至 50%。高效、高功率密度、高可靠和低成本為光伏逆變器未來發(fā)展趨勢，SiC 器件有望迎來廣闊增量空間。

工控：SiC 模塊有望在軌交、智能電網(wǎng)、風(fēng)電等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全方位滲透

軌道交通方面，碳化硅器件應(yīng)用于軌道交通牽引變流器能極大發(fā)揮碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性，提高牽引變流器裝置效率，符合軌道交通大容量、輕量化和節(jié)能型牽引變流裝置的應(yīng)用需求，從而提升系統(tǒng)的整體效能。根據(jù) Digitimes，2014 年日本小田急電鐵新型通勤車輛配備了三菱電機 3300V、1500A 全碳化硅功率模塊逆變器，開關(guān)損耗降低 55%、體積和重量減少 65%、電能損耗降低 20%至 36%。

智能電網(wǎng)方面，相比其他電力電子裝置， 電力系統(tǒng)要求更高的電壓、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率 半導(dǎo)體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導(dǎo)致的系統(tǒng)局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨特優(yōu)勢，在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統(tǒng)等應(yīng)用方面推動智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。此外碳化硅功率器件在風(fēng)力發(fā)電、工業(yè)電源、航空航天等領(lǐng)域也已實現(xiàn)成熟應(yīng)用。

綜上，我們測算 2020 年全球 SiC 功率器件市場規(guī)模為 2.92 億美元，受新能源車、光伏、工控等需求驅(qū)動，預(yù)計到 2025 年將增長至 38.58 億美元，對應(yīng) CAGR 為 67.6%。2025 年新能源車、新能源發(fā)電、工控占 SiC 功率器件市場規(guī)模比重分別為 77.88/13.71/8.41%。

射頻：5G 推動 GaN-on-SiC 需求提升

5G 發(fā)展推動碳化硅基氮化鎵器件需求增長，市場空間廣闊。微波射頻器件中功率放大器直接決定移動終端和基站無線通訊距離、信號質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)，5G 通訊高頻、高速、高功率特點對其性能有更高要求。以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時具備碳化硅高導(dǎo)熱性能和氮化鎵高頻段下大功率射頻輸出優(yōu)勢，在功率放大器上的應(yīng)用可滿足 5G 通訊對高頻性能、高功率處理能力要求。當(dāng)前 5G 新建基站仍使用 LDMOS 功率放大器，但隨5G 技術(shù)進一步發(fā)展，MIMO 基站建立需使用氮化鎵功率放大器，氮化鎵射頻器件在功率放大器中滲透率將持續(xù)提升。

據(jù) Yole 和 Wolfspeed 預(yù)測，2024年碳化硅基氮化鎵功率器件市場有望突破 20 億美元，2027 年進一步增長至 35 億美元。根據(jù)我們的預(yù)測，受益 5G 通訊快速發(fā)展，通訊頻段向高頻遷移，基站和通信設(shè)備需要支持高頻性能的 PA，碳化硅基氮化鎵射頻器件相比硅基 LDMOS 和 GaAs 的優(yōu)勢將逐步凸顯，我們測算 2020年全球碳化硅射頻器件市場規(guī)模為 8.92 億美元，預(yù)計到 2025 年將增長至 21.21 億美元，對應(yīng) CAGR 為 18.9%，和 Yole 和 Wolfspeed 預(yù)測基本一致。

4 SiC 材料：產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)，國內(nèi)外廠商積極布局

相比于 Si，SiC 襯底和外延為制造產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)，合計價值量占比超 60%。在傳統(tǒng)硅基器件制造過程中，需要在硅片基礎(chǔ)上進行氧化、涂層、曝光、光刻、刻蝕、清洗等多個前道處理步驟，從而產(chǎn)生更高附加值。SiC 材料則僅用于分立器件制造，其前端工藝難度不大，而襯底和外延需在高溫、高壓環(huán)境中生成，生長速度緩慢，為關(guān)鍵技術(shù)難點，占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈主要價值量。據(jù) CASA Research 數(shù)據(jù)顯示，在傳統(tǒng)硅基器件中，硅片前道處理附加價值量達到 80%，襯底和外延環(huán)節(jié)僅占 11%；而在碳化硅器件的成本構(gòu)成中，襯底和外延占比分別為 50%和 25%，合計達到 75%，為產(chǎn)業(yè)鏈中價值量最高環(huán)節(jié)。此外，襯底和外延質(zhì)量對器件性能優(yōu)劣起至關(guān)重要作用，提升其良率為碳化硅器件制備主要攻克目標(biāo)。

襯底：碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，技術(shù)壁壘較高

碳化硅襯底應(yīng)用逐步成熟，主要分為導(dǎo)電型碳化硅襯底和半絕緣型碳化硅襯底。據(jù)工信部發(fā)布《重點新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2021 年版）》，碳化硅襯底可分為兩類，一類是具有高電阻率（電阻率≥10 5Ω·cm）的半絕緣型碳化硅襯底，經(jīng) GaN 外延生長可制成 射頻器件。半絕緣型碳化硅襯底的制備過程追求“絕對純凈”，去除晶體中的各種雜質(zhì)對實現(xiàn)碳化硅晶體本征高電阻率十分重要。另一類為低電阻率（電阻率 15~30mΩ·cm）的導(dǎo)電型碳化硅襯底，經(jīng) SiC 外延生長可進一步制成 SiC 二極管、SiC MOSFET 等功率器件。導(dǎo)電型碳化硅襯底以良好導(dǎo)電性為追求目標(biāo)，在 PVT 法下，相較半絕緣型襯底其生產(chǎn)難度 更低，但在生產(chǎn)過程中，電阻率易發(fā)生分布不均情況，仍需更好擴徑及摻雜控制技術(shù)。

碳化硅襯底制備需歷經(jīng)多道加工工序，技術(shù)難度大。碳化硅襯底行業(yè)屬于技術(shù)密集型行業(yè)， 涵蓋材料、熱動力學(xué)、半導(dǎo)體物理、化學(xué)、計算機仿真模擬、機械等多學(xué)科交叉知識的應(yīng)用，其制備過程與硅基相似，但技術(shù)難度更高，需要長時間積累。具體流程包括原料合成、晶體生長、晶碇加工、晶體切割、晶片研磨、晶片拋光、晶片檢測以及晶體清洗。

其中，晶體生長為技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)，主流制備方式為物理氣相傳輸法。晶體生長是碳 化硅襯底制備過程中核心難點，并直接決定碳化硅襯底電學(xué)性質(zhì)。目前主要晶體生長方法 有物理氣相傳輸法、高溫化學(xué)氣相積淀、升華外延、液相外延四種，其中物理氣相傳輸法 為主流制備方式。

1）物理氣相傳輸法（PVT），在使用 PVT 法進行 SiC 晶圓生長時，分別將高純碳化硅微粉和 籽晶置于單晶生長爐內(nèi)圓柱狀密封石墨坩堝下部和頂部，并在坩堝內(nèi)形成軸內(nèi)溫度梯度。碳化硅微粉在高溫下升華形成氣相的 Si2C、SiC2、Si 等物質(zhì)，在溫度梯度驅(qū)動下輸送到溫度較 低的籽晶處，在籽晶處形核、長大，結(jié)晶形成碳化硅晶碇。PVT 法生長成本較低，當(dāng)前其面臨主要挑戰(zhàn)在于高純度 SiC 原料獲取，微量關(guān)鍵雜質(zhì)將對生長的 SiC 晶體純度造成嚴重影響。

2）高溫化學(xué)氣相積淀（HTCVD），HTCVD 法將高純度的硅烷、乙烷或丙烷、氫氣等氣體從底部導(dǎo)入反應(yīng)器，先在高溫區(qū)生長腔進行反應(yīng)，形成碳化硅前驅(qū)物，再經(jīng)過氣體帶動進入低溫區(qū)籽晶端前沉積形成碳化硅晶體。HTCVD 法的主要優(yōu)勢在于在制備過程中可有效控制 Si 和 C 比例，從而實現(xiàn)晶體高純度、高質(zhì)量持續(xù)生長。相較 PVT 法，HTCVD 法使用設(shè)備更加昂貴，普及程度較低，但該方法所生長晶體缺陷少、質(zhì)量高、雜質(zhì)含量較低，其重要性正日益變大。

3）升華外延，升華外延法是在石墨坩堝等封閉環(huán)境中用固體 SiC 做原材料生長 SiC 方法，與 PVT 法相近，但其所用溫度更低（1800~2200℃）、壓強更高（達到 1atm），并且原料與晶片更接近甚至緊密接觸。其最大優(yōu)點在于生長速率很高，但受限于其固有缺陷即其所生長的晶碇長度不可能超過籽晶與原料之間的距離（通常為 2mm）。

4）液相外延（LPE），LPE 法將碳化硅籽晶固定在籽晶桿前端，石墨坩堝里裝填硅原料及 少量摻雜物，在加熱至硅融點（1500-1700℃）以上將其融化后，經(jīng)由籽晶的旋轉(zhuǎn)或是加上坩堝的反向旋轉(zhuǎn)，使熔體里的碳以及摻雜元素均勻散布，再借由緩慢降溫使溶液過飽和后在籽晶前端生長出碳化硅晶體。使用 LPE 法生長晶體，其徑向生長速度相對可控，可實現(xiàn)無微管缺陷晶體生長，但其晶體生長成本較高。

與硅相比，碳化硅襯底性能參數(shù)指標(biāo)眾多、工藝難度高，制備效率低。碳化硅襯底包括直徑、微管密度、多型面積、位錯密度、電阻率、彎曲度、翹曲度、表面粗糙度等多項核心參數(shù)，共同影響著襯底質(zhì)量高低及最終器件性能的優(yōu)劣。不同于傳統(tǒng)單晶硅使用提拉法制備，碳化硅材料需采用氣相生長方法，在密閉高溫腔體內(nèi)進行原子有序排列并完成晶體生長、同時控制各參數(shù)指標(biāo)十分復(fù)雜。此外，再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，進一步制約生產(chǎn)效率。穩(wěn)定量產(chǎn)各項性能參數(shù)指標(biāo)波動較低的高質(zhì)量碳化硅襯底技術(shù)壁壘較高，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）碳化硅粉料純度要求高，制備難。碳化硅粉料純度直接影響生長晶體質(zhì)量，需使用高純 碳粉和高純硅粉反應(yīng)制成，而在合成過程中環(huán)境雜質(zhì)多，難以獲得高純度粉料。

2）高溫、高壓環(huán)境中進行晶體生長，條件苛刻。碳化硅晶體氣相生長環(huán)境要求溫度在 2000℃ -2500℃，壓力為 350Mpa，生長條件非?？量?，而傳統(tǒng)硅片制備僅需 1600℃左右的溫度要 求。并且高溫環(huán)境對設(shè)備和工藝的控制帶來極高要求，在生產(chǎn)中需要精確調(diào)控生長溫度和 壓力，稍有失誤將導(dǎo)致生長數(shù)天產(chǎn)品失敗，直接造成時間和材料雙重損失。

3）碳化硅晶體結(jié)構(gòu)類型眾多，雜質(zhì)控制難度高。碳化硅存在 200 多種晶體結(jié)構(gòu)類型，但僅 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)碳化硅為所需材料，在晶體生長過 程中，需精確控制硅碳比、生長溫度梯度、晶體生長速度以及氣流氣壓等參數(shù)，否則容易 產(chǎn)生多晶型夾雜，降低產(chǎn)品良率。

4）長晶速度緩慢，擴徑技術(shù)難度高。碳化硅晶體生長速度非常緩慢，每小時僅能生長 400 微米，而硅晶棒生長速度為每小時 300 毫米，兩者相差近 800 倍。使用當(dāng)前主流的物理氣 相傳輸法約 7 天才能生長 2cm 左右的碳化硅晶體，而生產(chǎn) 1-2m 的 8 英寸硅晶棒僅需 2 天 半左右，6 英寸則只需約 1 天時間。同時，氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長的擴徑技術(shù)難度 較大，隨著晶體尺寸擴大，其生長難度工藝呈幾何級增長。

5）碳化硅硬度高，切割技術(shù)難度大。碳化硅莫氏硬度分布在 9.2-9.6，硬度僅次于金剛石材料，且脆性高，屬于典型硬脆材料，切割、研磨、拋光技術(shù)難度大，加工過程中易導(dǎo)致開裂問題，而加工完成后襯底易存在翹曲等質(zhì)量問題，工藝水平的提高需要長期的研發(fā)積累。

導(dǎo)電型和半絕緣型碳化硅襯底制作工藝存在差異，導(dǎo)電型材料整體技術(shù)難度和成本稍低。在采用主流的物理氣相傳輸法（PVT）下，導(dǎo)電型 SiC 通常采用通入雜質(zhì)來增強導(dǎo)電性， 而半絕緣型 SiC 則主要采用加入深能性摻雜劑（如 V）的方式控制電阻率。半絕緣型 SiC 襯底追求原材料的高純凈度，同時摻釩工藝較為復(fù)雜，對生產(chǎn)設(shè)備和技藝等要求更高，總體生產(chǎn)技藝難度和成本都較大，當(dāng)前國產(chǎn)碳化硅領(lǐng)先企業(yè)如天科合達和天岳先進均在半絕緣型 SiC 材料上有較高的研發(fā)投入或存在專利成果。

從產(chǎn)出率看，根據(jù) Wolfspeed 的數(shù)據(jù)， 導(dǎo)電型襯底單片平均厚度約為 350 微米，而半絕緣型襯底單片平均厚度約為 500 微米，在 使用相同晶棒進行長晶工藝生產(chǎn)時，導(dǎo)電型SiC襯底產(chǎn)成率約為半絕緣型SiC襯底的142%。因此，在相同生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)環(huán)境下，我們預(yù)計國內(nèi)具備生產(chǎn)半絕緣型 SiC 襯底能力的廠 商開始生產(chǎn)導(dǎo)電型 SiC 襯底產(chǎn)出率將大幅提升。

海外龍頭早期以導(dǎo)電型產(chǎn)品為主，從整體看導(dǎo)電型和半絕緣型產(chǎn)品同步研發(fā)。在美國 90 年 代的商業(yè)化 SiC 產(chǎn)品中，大部分仍為導(dǎo)電型 SiC 襯底，半絕緣型 SiC 所需的摻釩工藝和技 術(shù)要求導(dǎo)致國際廠商對該類型產(chǎn)品的質(zhì)量和性能把握較有延遲，但從整體看目前的海外 SiC 龍頭在兩類產(chǎn)品的研發(fā)量產(chǎn)上基本做到了齊頭并進。作為該行業(yè)的先驅(qū)，Cree 在 1993 年 已成功出品 5 款不同的 2 英寸導(dǎo)電型 SiC，但很快在 1998 年，公司就推出了業(yè)界首款采用 半絕緣型 SiC 加 GaN 外延層的 HEMT 器件。在 2000 年，II-VI 申請了使用釩作為補償性摻 雜劑的生產(chǎn)專利，并于 2002 年同時實現(xiàn)了 2 英寸導(dǎo)電型和半絕緣型 SiC 襯底材料的量產(chǎn)。目前，Wolfspeed 和 II-VI 均已實現(xiàn)兩種類型 8 英寸 SiC 襯底的量產(chǎn)，在兩種類型 SiC 襯底 材料的生產(chǎn)技藝上基本保持了同步研發(fā)。

行業(yè)趨勢#1：襯底尺寸不斷擴大，8 英寸襯底成本優(yōu)勢凸顯

成本優(yōu)勢驅(qū)動襯底大尺寸化發(fā)展。襯底直徑為衡量晶體制備水平重要指標(biāo)之一，目前導(dǎo)電型碳化硅襯底以 6 英寸為主，8 英寸襯底開始發(fā)展，而半絕緣碳化硅襯底以 4 英寸為主，逐漸向 6 英寸、8 英寸方向發(fā)展。單片襯底制備芯片數(shù)量隨襯底尺寸增大而增多，同時邊緣芯片占比也顯著改善。碳化硅晶圓從 6 英寸擴徑到 8 英寸，芯片數(shù)量將由 448 增長至 845 顆， 邊緣芯片占比也將從 14%減少至 7%，帶來單位芯片成本大幅降低。Wolfspeed 于 2019 年開始建設(shè) 8 英寸襯底產(chǎn)線，公司預(yù)計將于 2024 財年達產(chǎn)。Wolfspeed 表示 2024 財年 MVF 晶圓廠單顆 MOSFET 裸片成本有望降低 63%，其中 28%的降本來自良率（產(chǎn)量效率）提升，25%來自規(guī)模效應(yīng)，10%來自自動化帶來的人工成本和生產(chǎn)周期改善，襯底大尺寸帶來成本優(yōu)勢顯著。

行業(yè)趨勢#2：遠期產(chǎn)業(yè)鏈融合有望成為趨勢

SiC 襯底、外延、器件、設(shè)備未來產(chǎn)業(yè)鏈垂直化整合趨勢明顯。國內(nèi)外碳化硅企業(yè)積極完善襯底、外延及器件全產(chǎn)業(yè)鏈布局。（1）國外廠商方面，意法半導(dǎo)體于 2019 年 12 月收購瑞典 Norstel，開始布局 SiC 襯底及外延；II-VI 公司在 2020 年收購 Ascatron、INNOViON 以及 GE 的 SiC IP 授權(quán)，進一步垂直整合 SiC 業(yè)務(wù)。（2）國內(nèi)廠商方面，三安光電宣布投資 160 億元建設(shè)湖南三安半導(dǎo)體項目，將打造國內(nèi)首條、全球第三條碳化硅垂直整合產(chǎn)業(yè)鏈，該產(chǎn)線可月產(chǎn) 3 萬片 6 英寸碳化硅晶圓。同時，碳化硅襯底、器件廠商往往與汽車等設(shè)備制造商簽訂長期合作協(xié)議，加強產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同。我們認為未來進入行業(yè)整合階段， 頭部廠商將積極進行產(chǎn)業(yè)鏈上下游延伸，以提升全產(chǎn)業(yè)鏈競爭力和市占率。

行業(yè)趨勢#3：半絕緣型襯底國產(chǎn)化率已經(jīng)較高，導(dǎo)電型襯底成為國產(chǎn)替代焦點

根據(jù) Yole 的數(shù)據(jù)，2020 年國內(nèi)廠商山東天岳在全球半絕緣型 SiC 襯底的市場份額達 30%， 與貳陸（35%）和 Wolfspeed（33%）的份額基本相當(dāng)，整體市場形成寡頭的局面，已經(jīng)實 現(xiàn)較大程度的國產(chǎn)替代。但在另一方面，全球?qū)щ娦鸵r底市場由國外廠商占絕對主導(dǎo)，2020 年，Wolfspeed 和貳陸公司合計份額超過 70%（Yole 的數(shù)據(jù)），國內(nèi)廠商如天科合達具備一 定的收入規(guī)模，但整體份額較小。同時導(dǎo)電型襯底對應(yīng)下游新能源車、光伏等高成長性市場。因此我們認為，導(dǎo)電型襯底將是現(xiàn)階段國產(chǎn)替代發(fā)力的焦點區(qū)域，存在廣闊替代空間。

國產(chǎn)襯底迭代進程加快，質(zhì)量、良率等方面仍存不小差距

國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)業(yè)起步較晚，迭代進程加快并不斷追趕國際廠商。國內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)起步較晚， 國際龍頭企業(yè)如 Wolfspeed 和 II-VI 等于 20 世紀 70-80 年代設(shè)立與投入研發(fā)，分別于 1995 和 2002 年量產(chǎn) 2 英寸碳化硅襯底。而國內(nèi)企業(yè)基本設(shè)立于 2006 年之后，最早的天科合達 也于 2006 年實現(xiàn) 2 英寸產(chǎn)品的研發(fā)和少量銷售，落后海外廠商 11 年。近年來，隨著國內(nèi)對碳化硅行業(yè)投資和政策扶持力度的加大，國內(nèi)企業(yè)研發(fā)投入持續(xù)增加，使得從 4 英寸到 6 英寸襯底產(chǎn)品的量產(chǎn)推動用時顯著短于海外龍頭企業(yè)，6 寸量產(chǎn)時間差已由 4 寸的 9 年縮短 至 7 年左右。部分企業(yè)如天科合達和天岳先進已于 2020 年開始研發(fā) 8 英寸碳化硅晶片的生產(chǎn)線。截至 2021 年，國產(chǎn)碳化硅廠商的 4 英寸和 6 英寸產(chǎn)品已基本實現(xiàn)量產(chǎn)和銷售，國內(nèi)碳化硅襯底廠商的產(chǎn)品迭代速度正在不斷加快，逐漸縮小與國際廠商的差距。

國產(chǎn)碳化硅襯底質(zhì)量在部分參數(shù)上比肩國際龍頭，但在單晶性能一致性、成品率、成本等方面仍存在不小差距。評估碳化硅襯底產(chǎn)品質(zhì)量的核心參數(shù)主要有直徑、微管密度、多型 面積、電阻率范圍、總厚度變化、彎曲度、翹曲度、表面粗糙度等。通過比較國產(chǎn)碳化硅 企業(yè)與海外龍頭企業(yè)的產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品直徑、總厚度變化、電阻率、表面 粗糙度等多項指標(biāo)上國產(chǎn) 4 英寸和 6 英寸碳化硅襯底與海外廠商產(chǎn)品基本相同。

制備器件 中微管的存在可能導(dǎo)致器件過高的漏電流甚至器件擊穿，各廠商都在致力于未來降低微管 密度，部分龍頭碳化硅企業(yè)如 II-VI 可將 4-6寸產(chǎn)品的微管密度穩(wěn)定控制在 0.1cm-2 以下， 國內(nèi)廠商的產(chǎn)品微管密度基本在 0.5-5cm-2，存在差距。同時，國內(nèi)公司在單晶性能一致性、 成品率、成本等單晶質(zhì)量指標(biāo)方面仍存在較大差距。我們認為，未來隨著大尺寸產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)和中小尺寸碳化硅生產(chǎn)技藝的不斷成熟，預(yù)計國產(chǎn)碳化硅產(chǎn)品種類不斷豐富，產(chǎn)品 質(zhì)量將比肩國際龍頭企業(yè)。

國內(nèi)外廠商大規(guī)模擴產(chǎn)，但國內(nèi)有效產(chǎn)能不足致中短期仍將維持供不應(yīng)求

目前全球碳化硅材料行業(yè)處于加速擴產(chǎn)、跑馬圈地的階段，海內(nèi)外廠商均加速擴產(chǎn)，但我 們認為應(yīng)避免重復(fù)建設(shè)的問題，造成產(chǎn)能無序擴張。

海外龍頭廠商壟斷全球大部分 SiC 材料供應(yīng)，紛紛掀起擴產(chǎn)潮。Wolfspeed、SiCrystal （ROHM）、II-VI、SK Silicon、Showa Denko 等海外廠商均推出中短期大規(guī)模擴產(chǎn)計劃。Wolfspeed 作為全球碳化硅襯底龍頭廠商，2019 年 5 月，Wolfspeed 宣布此后 5 年投資 10 億美元用于擴大 SiC 產(chǎn)能，擬將 SiC 襯底產(chǎn)能于 2024 財年擴大至 1QFY17 的 30 倍。ROHM 自 2009 年收購 SiCrystal 后已完成全產(chǎn)業(yè)鏈布局，SiCrystal 2019 年底的 SiC 襯底產(chǎn)能 5 萬 片/年，計劃到 2025 年提升至 6 倍。

II-VI 已成功研發(fā) 8 寸 SiC 襯底，計劃于 2024 年量產(chǎn)， 公司 2020 年產(chǎn)能已較 2014 年翻了 8 倍，計劃在 2021-2025 年間將 6 寸襯底產(chǎn)能提升至 5-10 倍。ST 也通過收購 Norstel 向上游 SiC 襯底延伸，并計劃到 2024 年將卡塔尼亞基地的襯底 產(chǎn)能較 2017 年提升 10 倍，且北雪平基地目前已成功制造首批 8 寸襯底。SK silicon2021 年集團內(nèi)碳化硅襯底產(chǎn)能 3 萬片/年，公司計劃于 2025 年提升至 60 萬片/年，提升 20 倍。

本土企業(yè)持續(xù)加大襯底投入邁進擴產(chǎn)步伐，投資金額超 240 億元、規(guī)劃年產(chǎn)能超 420 萬片。中國企業(yè)呈現(xiàn)小而散的局面，綜合 Yole 等第三方機構(gòu)數(shù)據(jù)，2020 年國內(nèi)碳化硅襯底龍頭廠商山東天岳和天科合達在全球市場份額合計約為 8%。但受電動車、光伏等下游應(yīng)用驅(qū)動，我國本土企業(yè)也開始緊追國際廠商步伐，積極投資擴產(chǎn)以實現(xiàn)襯底供應(yīng)國產(chǎn)化。根據(jù)我們 的統(tǒng)計，截至 21 年底國內(nèi)廠商對襯底環(huán)節(jié)的投資超過 240 億元，規(guī)劃產(chǎn)能超過 420 萬片/ 年（等效 6 寸），對比 CASA 的數(shù)據(jù)，2020 年底國內(nèi)襯底產(chǎn)能僅為 25.8 萬片/年（等效 6 寸）。國內(nèi)目前僅山東天岳、天科合達、三安光電、世紀金光、同光晶體、中電科材料、中科鋼研等具備量產(chǎn)能力，且以 4 寸襯底為主。

雖然國內(nèi)企業(yè)大幅擴產(chǎn)，但我們認為受襯底良率及質(zhì)量等因素影響，實際產(chǎn)能或嚴重不足。1）根據(jù)山東天岳招股書，2020 年晶棒和襯底良率分別為 50.73/70.44%，其中襯底良率較 2018 年并未提升（下降 2.17pct）。我們認為，即使考慮國內(nèi)廠商襯底良率提升，中期有效產(chǎn)能仍將明顯低于規(guī)劃產(chǎn)能數(shù)；2）國內(nèi)廠商在襯底質(zhì)量參數(shù)方面仍和海外廠商存在一定差距，若不能滿足國內(nèi)外客戶的要求，落后于競爭對手尤其是海外龍頭企業(yè)，在成本端較高的壓力下，或?qū)⒈皇袌鎏蕴?）能夠真正實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的企業(yè)偏少，大規(guī)模量產(chǎn)帶來的 規(guī)?；?yīng)降本可能只有少數(shù)企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)，行業(yè)或面臨一定的整合。綜合以上因素，我們認為即使海內(nèi)外廠商進行大規(guī)模擴產(chǎn)，但考慮到真實產(chǎn)能的多少還需持續(xù)觀察，我們認為中短期內(nèi)全球 SiC 襯底市場仍將維持供不應(yīng)求的態(tài)勢。

國內(nèi) SiC 材料行業(yè)整體盈利能力展望：遠期毛利率有望達 45-50%左右，營業(yè)利潤率有望達 20-25%。根據(jù) Wolfspeed 的測算，在其 40%市占率的情況下，2024 年毛利率預(yù)計將達 約 50%，營業(yè)利潤率約 25%；2026 年毛利率預(yù)計將達約 50-54%，營業(yè)利潤率約 25-27%。綜合考慮國內(nèi)材料廠商與 Wolfspeed 等海外龍頭在整體規(guī)模、襯底質(zhì)量、良率等方面存在差距，但人力成本等運營開支較低，我們認為國內(nèi) SiC 材料行業(yè)整體中遠期毛利率有望達 45-50%，營業(yè)利潤率有望達 20-25%。

審核編輯 ：李倩