碳化硅襯底新能源與5G的基石

1、目錄 HYPERLINK l _TOC_250007 新能源與 5G 建設(shè)的基石：碳化硅襯底 5 HYPERLINK l _TOC_250006 基站側(cè) GaN 滲透提升，未來增長空間廣闊 7 HYPERLINK l _TOC_250005 碳化硅功率器件替代空間廣闊+新能源車增長趨勢確立 10 HYPERLINK l _TOC_250004 SiC 應(yīng)用的關(guān)卡：SiC 襯底的供應(yīng) 19 HYPERLINK l _TOC_250003 需求旺盛，供給不足：碳化硅襯底供應(yīng)亟待解決 19 HYPERLINK l _TOC_250002 高技術(shù)壁壘帶來的行業(yè)生態(tài)：高集中度、強(qiáng)整合趨勢、鎖單 22 H

2、YPERLINK l _TOC_250001 投資建議 27 HYPERLINK l _TOC_250000 為何在當(dāng)前時(shí)點(diǎn)看好SiC 行業(yè)？ 27圖表目錄圖 1：SiC、GaN 產(chǎn)業(yè)鏈 5圖 2：主要半導(dǎo)體材料外延層+襯底的應(yīng)用領(lǐng)域 5圖 3：GaAs、GaN、SiC 等化合物半導(dǎo)體逐漸成為半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的重要方向 6圖 4：不同材料微波射頻器件的應(yīng)用范圍對比 7圖 5：基站是 SiC 基 GaN 的重要應(yīng)用領(lǐng)域 7圖 6：5G 射頻單元數(shù)量更多 8圖 7：中國新建 5G 基站數(shù)量預(yù)測（單位：萬個(gè)） 8圖 8：GaN 射頻器件市場規(guī)模預(yù)測（單位：億美元） 9圖 9：SiC 材料可以使功率器件

3、、系統(tǒng)縮小體積、降低能量損耗 10圖 10：SiC 材料是新能源領(lǐng)域的理想材料 11圖 11：SiC 可以以 SBD 的高頻結(jié)構(gòu)替代較高壓硅基 PND、FRD 12圖 12：SiC 可以以 MOSFET 結(jié)構(gòu)部份替代目前硅基 IGBT 器件 12圖 13：SiCMOSFET 和模組具有高頻、高壓的優(yōu)勢 12圖 14：SiC 基的 MOSFET 與硅基的 MOSFET、IGBT 相比均有優(yōu)勢 13圖 15：以豐田采用的 6.1kWSiCOBC 模塊為例，其功率密度是 3.3kW 硅 OBC 模塊的 4 倍 13圖 16：目前 SiC 功率器件中 SBD、MOSFET 等產(chǎn)品相對成熟，已逐步用于新

4、能源領(lǐng)域 14圖 17：主要國家和地區(qū)的汽車發(fā)展趨勢 15圖 18：各國汽車銷量持續(xù)回升（單位：千輛） 15圖 19：我國汽車銷量（單位：萬輛） 15圖 20：未來電子系統(tǒng)價(jià)值量將持續(xù)增加（單位：%；美元） 16圖 21：傳統(tǒng)汽車半導(dǎo)體占比 16圖 22：純電動(dòng)汽車新增半導(dǎo)體用量中大部分為功率半導(dǎo)體 16圖 23：20142021 全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模（單位：億美元） 17圖 24：20142021 年中國功率半導(dǎo)體市場規(guī)模（單位：億美元） 17圖 25：未來新能源車增長迅猛（單位：百萬臺） 18圖 26：SiC 在新能源車的市場空間（單位：億美元） 18圖 27：全球新增光伏裝機(jī)量（GW）

5、 18圖 28：光伏逆變器中 SiC 功率器件占比預(yù)測 18圖 29：SiC 功率器件應(yīng)用領(lǐng)域 19圖 30：SiC 主要應(yīng)用領(lǐng)域市場規(guī)模（單位：億美元） 19圖 31：從 SiC 器件成本結(jié)構(gòu)而言，襯底是制約其應(yīng)用的重要因素 20圖 32：6 英寸襯底片價(jià)格（單位：美元/片） 20圖 33：SiC 襯底及器件起步較晚，技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展不夠成熟 20圖 34：目前較為強(qiáng)勢的 SiC 襯底/器件廠商主要為 IDM 模式 22圖 35：2018 年導(dǎo)電型 SiC 襯底廠商占有率 22圖 36：CREE 已簽長期訂單（單位：百萬美元） 23圖 37：2020 年全球新能源車銷售情況（單位：萬輛） 27

6、圖 38：20172025 年 SiC 晶片需求量（折合 4 寸片，萬片） 27圖 39：碳化硅行業(yè)投資邏輯 28表 1：三代半導(dǎo)體材料對比 6表 2：GaN、GaAs 和 LDMOS 性能比較 7表 3：中國 5G GaN 晶圓需求預(yù)測 9表 4：SiC 材料相比硅材料具備多種優(yōu)勢 10表 5：全球 SiC 襯底龍頭、功率器件龍頭積極擴(kuò)產(chǎn)或以長期供應(yīng)協(xié)議、收購襯底廠商來保障產(chǎn)能 23表 6：20182020 年我國 SiC 相關(guān)專利數(shù)量情況（單位：項(xiàng)） 24表 7：國內(nèi)外主要 SiC 襯底供應(yīng)商比較 25表 8：目前部份國內(nèi)外 SiC 襯底性能情況 25表 9：全球 SiC 襯底/器件主要廠

7、商對 SiC 未來增長樂觀 27新能源與 5G 建設(shè)的基石：碳化硅襯底碳化硅（SiC）襯底是第三代半導(dǎo)體材料中氮化鎵（GaN）、碳化硅應(yīng)用的基石。受技術(shù)與工藝水平限制，GaN 材料作為襯底實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，其應(yīng)用主要是以藍(lán)寶石、硅（Si）晶片或半絕緣 SiC 晶片為襯底，通過外延生長 GaN 外延層以制造 GaN 器件，主要應(yīng)用于宏基站通信射頻領(lǐng)域；而 SiC 材料則主要以在導(dǎo)電型 SiC 襯底上外延生長 SiC 外延層，應(yīng)用在各類功率器件上，近年來隨著技術(shù)工藝的成熟、制備成本的下降，在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用持續(xù)滲透。由此可以看出，SiC 材料將是未來新能源、5G 通信領(lǐng)域中 SiC、GaN

8、 器件的重要基礎(chǔ)。 圖 1：SiC、GaN 產(chǎn)業(yè)鏈 SiC晶片晶片 導(dǎo)電型 半絕緣型 外延器件應(yīng)用 SiC外延 功率器件新能源汽車、電力系統(tǒng)等 GaN外延 微波射頻器件 5G通訊等 資料來源：天科合達(dá)招股說明書，長江證券研究所圖 2：主要半導(dǎo)體材料外延層+襯底的應(yīng)用領(lǐng)域 激光 主要應(yīng)用MEMS電力電子通信射頻LED發(fā)展/評估中已量產(chǎn)應(yīng)用GaN外延層資料來源：Yole，長江證券研究所硅基器件逼近物理極限，化合物半導(dǎo)體前景廣闊。目前絕大多數(shù)的半導(dǎo)體器件和集成電路都是由硅制作的，出色的性能和成本優(yōu)勢讓硅在集成電路等領(lǐng)域占有絕對的優(yōu)勢，無論是在電力電子領(lǐng)域還是通信射頻等領(lǐng)域，硅基器件在低壓、低頻、中功

9、率等場景，應(yīng)用也非常廣泛。但在一些高功率、高壓、高頻、高溫等應(yīng)用領(lǐng)域如新能源和 5G 通信等，硅基器件的表現(xiàn)逐漸達(dá)不到理想的要求，以三五族為代表的化合物半導(dǎo)體以其性能優(yōu)勢在通訊射頻、光通信、電力電子等領(lǐng)域逐步大規(guī)模民用化。圖 3：GaAs、GaN、SiC 等化合物半導(dǎo)體逐漸成為半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的重要方向在高頻、高壓、高溫等環(huán)境表現(xiàn)較硅更好GaAs、 GaN、 SiC等在新能源、5G通信等領(lǐng)域較硅更具優(yōu)勢下游應(yīng)用封裝測試晶圓制造外延片襯底硅逐漸逼近物理極限資料來源：長江證券研究所表 1：三代半導(dǎo)體材料對比區(qū)別于第一代單元素半導(dǎo)體，化合物半導(dǎo)體具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性質(zhì)，如近年來在通信

10、、新能源領(lǐng)域嶄露頭角的氮化鎵、碳化硅材料，在電子遷移率、禁帶寬度、功耗等指標(biāo)上表現(xiàn)更優(yōu)，具有高頻、抗輻射、耐高電壓等特性。產(chǎn)品類別第一代半導(dǎo)體材料第二代半導(dǎo)體材料第三代半導(dǎo)體材料代表材料鍺（Ge）、硅(Si)砷化鎵、磷化銦(InP)氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、氧化鋅(ZnO)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)大的晶圓尺寸、窄的線寬機(jī)等電子產(chǎn)品光存儲等光電子系統(tǒng)電子器件高頻性能差好好高溫性能差好好技術(shù)階段成熟發(fā)展中初期主要產(chǎn)品形式以大規(guī)模集成電路為主要技術(shù)的計(jì)算使通訊速度、信息容量與存儲密度提升以光發(fā)射器件為基礎(chǔ)的光通訊、禁帶寬度更高制造高頻、大功率和高密度集成的資料來源：新材料在線，觀研天下，長江證券研究所基站

11、側(cè) GaN 滲透提升，未來增長空間廣闊在第三代半導(dǎo)體材料中，GaN 禁帶寬度達(dá)到 3.5eV，禁帶寬度越大，耐高電壓和高溫性能越好；同時(shí)高電子飽和漂移速度較高，因此 GaN 相比 Si 具有更高的頻率特性。GaN的適用頻率、輸出功率、功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 LDMOS 和 GaAs，具有作為射頻器件的先天優(yōu)勢。表 2：GaN、GaAs 和 LDMOS 性能比較LDMOSGaAsGaN適用頻率3.5GHz 以下40GHz40GHz輸出功率1800W 注 150W 以下1800W 注 2功率密度12W/mm-68W/mm尺寸1X較小1/41/6X成本低中等高適用范圍3G/4G 基站終端射頻前端5G 宏基

12、站、小基站資料來源：拓璞產(chǎn)業(yè)研究院，長江證券研究所（注 1：NXP 于 2017 年推出 65V 下輸出功率達(dá) 1800W 的MRFX1K80H；注 2：Qorvo 于 2018 年推出 65V 下輸出功率達(dá) 1800W 的 QPD1025）而由于毫米波的功率要求非常高，對于 5G 來說，GaN 將成為最適合 PA 的材料，尤其在 28GHz 以上的頻段。GaN 誕生初期主要用于制作高頻大功率微波器件，多用于軍用雷達(dá)、智能武器和通信系統(tǒng)等方面，目前已逐漸向 5G 移動(dòng)通訊基站等民用領(lǐng)域拓展，在低頻段 3-6GHz 和毫米波頻段發(fā)揮作用，成為基站功放器的重要新材料。圖 4：不同材料微波射頻器件的

13、應(yīng)用范圍對比圖 5：基站是SiC 基 GaN 的重要應(yīng)用領(lǐng)域資料來源：天科合達(dá)招股說明書，長江證券研究所資料來源：Yole，長江證券研究所GaN 射頻器件未來前景廣闊，主要受益于 5G 基站建設(shè)數(shù)量、射頻器件用量的提升近年來 5G 基站快速滲透，射頻芯片數(shù)量提升。4G 基站設(shè)備由 BBU（基帶單元）和 RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）組成，RRU 通常會拉遠(yuǎn)至接近天線的地方，BBU 與 RRU 之間通過光纖連接，而 RRU 與天線之間通過饋線連接。5G 基站設(shè)備將 BBU 分割為 CU（中央單元）和 DU（分布式單元），并通過光纖與 AAU（有源天線單元）連接。5G 基站天線采用 MassiveMIMO

14、 技術(shù)，天線和 RRU 合設(shè)，組成 AAU。MassiveMIMO 天線一般為 64T64R，則單個(gè)宏基站天線數(shù)量為 192 個(gè)，放大器數(shù)量為 192 個(gè)。5G 基站之于 4G 基站的主要變化有：天線：1）產(chǎn)品形態(tài)變化，基站天線+RRU（4G 時(shí)代）-AAU（5G 時(shí)代）； 2）高頻特性 3.5GHz/5GHz，覆蓋面積小，帶動(dòng)天線數(shù)量提升；3）MassiveMIMO技術(shù)變化，基站天線（4T4R）-AAU（64T64R），單天線價(jià)值量提升；濾波器：1）輕量化、小型化、有源化，金屬腔體濾波器-陶瓷介質(zhì)濾波器；2）MassiveMIMO 多通道，每個(gè)通道需要濾波器，單個(gè)基站的濾波器數(shù)量增多。 圖

15、6：5G 射頻單元數(shù)量更多4G基站4G基站5G基站5G基站+ 輕量化 = 量價(jià)齊升 集成化小型化射頻單元、天線單元等數(shù)量大幅增加資料來源：Techplayon，長江證券研究所5G 基站數(shù)量相較 4G 大幅提升。24G 均是低頻段信號傳輸，宏基站幾乎能覆蓋所有的信號傳輸，但由于 5G 主要是中高頻段，宏基站能覆蓋的信號范圍相對有限，因此為了保障信號的覆蓋程度，5G 基站的部署密度相較于 4G 基站將會有所增加，同時(shí)還通過小基站模式增強(qiáng)信號覆蓋能力。根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，截至 2020 年 10 月我國共建成 5G 基站超 70 萬座，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì) 2022 年底我國 5G 基站數(shù)可能達(dá)到 110

16、 萬個(gè)，實(shí)現(xiàn)全國所有地級市室外的 5G 連續(xù)覆蓋、縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)重點(diǎn)覆蓋、重點(diǎn)場景室內(nèi)覆蓋。 圖 7：中國新建 5G 基站數(shù)量預(yù)測（單位：萬個(gè)）120100806040202020年110月2021E2022E2023E2024E2025E0資料來源：工信部，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，長江證券研究所GaN 因其小體積、大功率的特性，通常應(yīng)用在雷達(dá)上面，目前已逐漸應(yīng)用在基站 PA 芯片上。GaN 器件有 Si 基和 SiC 基兩種，GaN-on-Si 主要應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域，用作高功率開關(guān)，GaN-on-SiC 主要應(yīng)用于射頻領(lǐng)域，主要得益于 SiC 的高導(dǎo)熱率以及低 RFloss，適用于功率較大的宏基站。據(jù)

17、 Yole，預(yù)計(jì) 2025 年 GaN 射頻器件在通信基建上的市場將達(dá) 7.31 億美元，20192025 年復(fù)合增速達(dá) 14.88%，2025 年整體市場規(guī)模達(dá) 20 億美元，20192025 年復(fù)合增速達(dá) 12%。 圖 8：GaN 射頻器件市場規(guī)模預(yù)測（單位：億美元）2530%2025%20%1515%1010%55%通信基建軍事有線寬帶射頻能源商用雷達(dá)航空設(shè)備衛(wèi)星通信其它合計(jì)00%20192025E20192025E CAGR（右軸）資料來源：Yole，長江證券研究所而 GaN 射頻器件主要在 SiC 襯底上制作， 因此 5G 基站對 SiC 襯底也有較大需求。以我國 5G 基站市場為例

18、， 據(jù)拓璞產(chǎn)業(yè)研究院， 預(yù)計(jì) 2023 年我國 5G 基站建設(shè)需求 GaN 晶圓約 45.3 萬片， 對應(yīng) 4 寸半絕緣 SiC 襯底片需求 45.3 萬片， 襯底需求量持續(xù)增加。表 3：中國 5G GaN 晶圓需求預(yù)測20192020E2021E2022E2023E宏基站 PA 需求（萬個(gè)）921.64,276.29,123.815,003.617,694.7小基站 PA 需求（萬個(gè)）038.4153.6288422.4PA 合計(jì)需求（萬個(gè)）921.64,314.69,277.415,291.618,117.1折算 4晶圓（萬片）2.310.823.238.245.3資料來源：拓璞產(chǎn)業(yè)研究院

19、，長江證券研究所表 4：SiC 材料相比硅材料具備多種優(yōu)勢碳化硅功率器件替代空間廣闊+新能源車增長趨勢確立如前文所述，SiC 絕緣擊穿場強(qiáng)是硅的 10 倍（意味著外延層厚底是硅的 1/10），帶隙、導(dǎo)熱系數(shù)約為硅的 3 倍，同時(shí)在器件制作時(shí)可以在較寬范圍內(nèi)控制必要的 p 型、n 型，能夠在高溫、高壓等工作環(huán)境下工作，同時(shí)能源轉(zhuǎn)換效率更高，所以被認(rèn)為是一種超越 Si 極限的功率器件材料，在新能源領(lǐng)域中具有相比 Si 器件更好的表現(xiàn)。特征Si4H-SiCGaAsGaN備注禁帶寬度：EG(eV)1.123.261.433.5禁帶寬度越大，耐高電壓和高溫性能越好電子遷移率:N(cm2/VS)1,400

20、9008,5001,250電子遷移率越高，電阻率越小空穴遷移率:P(cm2)600100400200擊穿電場:EB(V/cm)1060.330.43擊穿電場越高越耐高壓導(dǎo)熱系數(shù)(W/cmC)1.54.90.51.3導(dǎo)熱系數(shù)越高，工作溫度上限越高飽和漂移速度:VS(cm/s)10712.722.7高電子飽和漂移速度與低介電常數(shù)的半導(dǎo)體材料具有更高相對介電常數(shù):S11.89.712.89.5的頻率特性p.n 控制是否可控制導(dǎo)電/半絕緣熱氧化層資料來源：Rohm，長江證券研究所（注：SiC 中存在各種多型體（結(jié)晶多系），它們的物性值也各不相同，其中 4H-SiC 為當(dāng)前可實(shí)際應(yīng)用的結(jié)晶型體）我們認(rèn)為

21、，未來 SiC 材料將在對能源轉(zhuǎn)換效率、高溫高壓環(huán)境下工作可靠性好、體積重量要求高的電力電子領(lǐng)域大放異彩，主要因?yàn)椋簱舸╇妶龈吣透邏?、?dǎo)通電阻低小型化、可靠性強(qiáng)。SiC 的絕緣擊穿場強(qiáng)是 Si的 10 倍，因此與 Si 器件相比，能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移層制作 600V數(shù)千V 的高耐壓功率器件。高耐壓功率器件的阻抗主要由該漂移層的阻抗組成，因此采用 SiC 可以得到單位面積導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓器件。理論上，相同耐壓的器件，SiC 的單位面積的漂移層阻抗可以降低到 Si 的 1/300。 系統(tǒng)器件導(dǎo)通電阻1/200尺寸1/10能量損失1/4 圖 9：SiC 材料可以使功率器件

22、、系統(tǒng)縮小體積、降低能量損耗資料來源：天科合達(dá)招股說明書，長江證券研究所高電子飽和漂移速度高頻開關(guān)損耗小提高轉(zhuǎn)換效率。Si 材料中，為了改善伴隨高耐壓化而引起的導(dǎo)通電阻增大的問題，主要采用如 IGBT 等少數(shù)載流子器件（雙極型器件），但是這類器件卻存在開關(guān)損耗大的問題，其結(jié)果是由此產(chǎn)生的發(fā)熱會限制相應(yīng)功率器件的高頻驅(qū)動(dòng)。而 SiC 材料飽和電子漂移速度是 Si 器件的 2.7倍，能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件（SBD 和 MOSFET）同時(shí)實(shí)現(xiàn)高耐壓 、低導(dǎo)通電阻、高頻這三個(gè)特性。禁帶寬度大、導(dǎo)熱系數(shù)高耐高溫可在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，減小散熱設(shè)備面積。 SiC 材料帶隙較寬，約為 Si 的

23、3 倍，因此 SiC 功率器件即使在高溫下也可以穩(wěn)定 工作。對于主流的大功率 HEV，一般包含兩套水冷系統(tǒng)，一套是引擎冷卻系統(tǒng)， 冷卻溫度約 105，另一套是電力電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，冷卻溫度約為 70。如 果采用 SiC 功率器件，由于其具有 3 倍于 Si 的導(dǎo)熱能力，可以使器件工作于較高 的環(huán)境溫度中，使得未來車企或?qū)⒛軌虬褍商姿湎到y(tǒng)合二為一甚至直接采用風(fēng) 冷系統(tǒng)，這將大大降低 HEV 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本，同時(shí)空出更多的車身空間以裝配更 多的電子元器件（如各類傳感器）。 禁帶寬度大 3x Si3x Si系統(tǒng)體積更小重量更輕動(dòng)力更大能耗更低發(fā)熱量更低、運(yùn)行更安全 能量損耗小 高能效可在更高電壓

24、中應(yīng)用 擊穿場強(qiáng)高 10 x Si 輸出功率高 驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)耐高壓特性導(dǎo)通電阻低存在高速二維電子氣小型化、輕量化減小電容電感的體積開關(guān)速度快飽和電子漂移速度高新能源領(lǐng)域（光伏發(fā)電、儲能系統(tǒng)、充電樁、電動(dòng)車等）的理想材料對冷卻系統(tǒng)要求低增強(qiáng)高溫環(huán)境下可靠性耐高溫性能系統(tǒng)性能器件性能材料性能 圖 10：SiC 材料是新能源領(lǐng)域的理想材料資料來源：長江證券研究所目前材料的理論性能如何在器件的性能中得以表現(xiàn)？以目前 SiC 功率器件中較為成熟的肖特基二極管（SBD）和 MOSFET 為例：SiC-SBD：SiC-SBD 與 Si-SBD 相比的總?cè)菪噪姾桑≦c）較小，能夠在實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)操作的同時(shí)減少開關(guān)損

25、耗，因此它們被廣泛用于電源的 PFC 電路中。同時(shí) Si 基快速恢復(fù)二極管（FRD）在從正向切換到反向的瞬間會產(chǎn)生極大的瞬態(tài)電流，在此期間轉(zhuǎn)移為反向偏壓狀態(tài)，從而產(chǎn)生很大的損耗。正向電流越大，或者溫度越高，恢復(fù)時(shí)間和恢復(fù)電流就越大，從而損耗也越大。與此相反，SiC-SBD 是不使用少數(shù)載流子進(jìn)行電傳導(dǎo)的多數(shù)載流子器件（單極性器件），因此原理上不會發(fā)生少數(shù)載流子積聚的現(xiàn)象。而且，該瞬態(tài)電流基本上不隨溫度和正向電流而變化，所以不管何種環(huán)境下，都能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)。因此，如果用 SiC-SBD 替換現(xiàn)在主流產(chǎn)品快速 PN 結(jié)二極管（FRD:快速恢復(fù)二極管），能夠明顯減少恢復(fù)損耗。這些優(yōu)勢有利于電

26、源的高效率化，并且通過高頻驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電感等無源器件的小型化、低噪化，可廣泛應(yīng)用于空調(diào)、電源、光伏發(fā)電系統(tǒng)中的功率調(diào)節(jié)器、電動(dòng)汽車的快速充電器等的功率因數(shù)校正電路（PFC 電路）和整流橋電路中。例如，KinkiRoentgen 公司用于 X 射線發(fā)生器的 500 瓦電源采用了羅姆 SiC-SBD，使每瓦的電源體積比舊系統(tǒng)減小了 5 倍。圖 11：SiC 可以以SBD 的高頻結(jié)構(gòu)替代較高壓硅基 PND、FRD圖 12：SiC 可以以 MOSFET 結(jié)構(gòu)部份替代目前硅基 IGBT 器件資料來源：Rohm，長江證券研究所資料來源：Rohm，長江證券研究所SiC-MOSFET：Si 材料中越是高耐壓器件，

27、單位面積的導(dǎo)通電阻也越大（以耐壓值的約 22.5 次方的比例增加），因此 600V 以上的電壓中主要采用 IGBT 器件，通過電導(dǎo)率調(diào)制向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導(dǎo)通電阻比 MOSFET 要小，但是同時(shí)由于少數(shù)載流子的積聚，在開關(guān)關(guān)閉時(shí)會產(chǎn)生尾電流，從而造成極大的開關(guān)損耗。SiC 器件漂移層的阻抗比 Si 器件低，不需要進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠以 MOSFET 實(shí)現(xiàn)高耐壓和低阻抗，因而 SiC-MOSFET 原理上在開關(guān)過程中不會產(chǎn)生拖尾尾電流，可高速運(yùn)行且開關(guān)損耗低，能夠在 IGBT 不能工作的高頻、高溫條件下驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)散熱部件的小型化。頻率更高可應(yīng)用功率更高 圖 13：SiCM

28、OSFET 和模組具有高頻、高壓的優(yōu)勢資料來源：Infineon，長江證券研究所此外，SiC-MOSFET 還具有如導(dǎo)通電阻增加量很小的優(yōu)異的材料屬性，并且有比導(dǎo)通電阻可能隨著溫度的升高而上升 2 倍以上的硅（Si）器件更優(yōu)異的封裝微型化和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，例如900V 時(shí)，SiC-MOSFET 的芯片尺寸只需要Si-MOSFET 的1/35、SJ-MOSFET的 1/10，就可以實(shí)現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻。同時(shí)，Si-MOSFET 最高只有 900V 的產(chǎn)品，但是 SiC 卻能夠以很低的導(dǎo)通電阻輕松實(shí)現(xiàn) 1700V 以上的耐壓。 圖 14：SiC 基的 MOSFET 與硅基的 MOSFET、IGBT 相比

29、均有優(yōu)勢資料來源：Rohm，長江證券研究所封裝微型化和節(jié)能的優(yōu)勢將直接體現(xiàn)在功率模塊上，以豐田采用的 6.1kWSiCOBC 模塊為例，其功率密度是 3.3kW 硅OBC 模塊的 4 倍。 圖 15：以豐田采用的 6.1kWSiCOBC 模塊為例，其功率密度是 3.3kW 硅 OBC 模塊的 4 倍資料來源：Cree，長江證券研究所由于這些特性，英飛凌、意法半導(dǎo)體、Rohm 等功率半導(dǎo)體主要供應(yīng)商紛紛布局 SiC 功率產(chǎn)品，新能源相關(guān)的 SiC 功率器件應(yīng)用也在不斷落地。 圖 16：目前 SiC 功率器件中 SBD、MOSFET 等產(chǎn)品相對成熟，已逐步用于新能源領(lǐng)域碳化硅功率模組主要玩家 碳化

30、硅二極管主要玩家 碳化硅MOSFET主要玩家碳化硅MOSFET首個(gè)碳化硅二極管1,2919707891,4001,2001,0008006004002000201720182019近三年Mouser在售的SiC、GaN器件及模塊產(chǎn)品數(shù)量（款）資料來源：Yole，EEtimes，Mouser，CASA，長江證券研究所器件和模塊技術(shù)已逐步到位，下游需求釋放增長動(dòng)能一方面是 SiC 功率器件在技術(shù)方面的逐漸成熟，一方面是智能化、電氣化趨勢持續(xù)演進(jìn)，下游傳統(tǒng)汽車升級帶來龐大市場需求。在全球碳中和政策的要求下，各國政府不斷推進(jìn)新能源車補(bǔ)貼政策，使得包含純電動(dòng)車(BEV)與插電混合式電動(dòng)車(PHEV)在內(nèi)

31、的新能源車在疫情導(dǎo)致的整體車市衰退下仍保持銷售正成長。同時(shí)，據(jù) PwC 預(yù)計(jì)，未來歐盟/ 美國/ 中國 BEV 占輕型汽車新車銷量比重將持續(xù)提升， 2025 年可達(dá) 17.1%/5.0%/19.5%，出貨量達(dá) 290.7/80/546 萬輛。 圖 17：主要國家和地區(qū)的汽車發(fā)展趨勢資料來源：PwC，中國電動(dòng)汽車百人會，長江證券研究所圖 18：各國汽車銷量持續(xù)回升（單位：千輛）圖 19：我國汽車銷量（單位：萬輛）6005004003002001000103082562015410252021-0100300250200150100502021-0102019-012019-032019-0520

32、19-072019-092019-112020-012020-032020-052020-072020-092020-112019-012019-032019-052019-072019-092019-112020-012020-032020-052020-072020-092020-11新能源汽車銷量汽車銷量（右軸） 美國汽車總銷量 日本乘用車銷量 德國乘用車銷量法國轎車銷量（右軸）資料來源：Wind，美國經(jīng)濟(jì)分析局，日本自動(dòng)車工業(yè)協(xié)會，德國汽車工業(yè)聯(lián)合會，法國乘聯(lián)會，長江證券研究所資料來源：Wind，中國汽車工業(yè)協(xié)會，長江證券研究所在智能化、電氣化趨勢下，汽車電子系統(tǒng)價(jià)值量將持續(xù)提升，其中

33、的核心是汽車半導(dǎo)體。汽車半導(dǎo)體是指用于車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的半導(dǎo)體產(chǎn)品。按照功能種類劃分，汽車半導(dǎo)體大致可以分為主控/計(jì)算類芯片、功率半導(dǎo)體（含模擬和混合信號 IC）、傳感器、無線通信及車載接口類芯片、車用存儲器以及其他芯片（如專用 ASSP 等）幾大類型，而且隨著電氣化以及智能化應(yīng)用的增多，汽車半導(dǎo)體無論是安裝的數(shù)量還是價(jià)值仍在不斷增長之中。據(jù)羅蘭貝格估算，預(yù)計(jì) 2025 年一臺純電動(dòng)車中電子系統(tǒng)成本約為 7,030 美元，較 2019 年的一臺燃油車的 3,145 美元大增 3,885 美元，而其中新能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本較燃油車增加約為 2,235 美元，是電子系統(tǒng)價(jià)值量

34、增加的主要來源。 圖 20：未來電子系統(tǒng)價(jià)值量將持續(xù)增加（單位：%；美元）2030E20102000199019801970電子燃油系統(tǒng)高級駕駛輔助系統(tǒng)主被動(dòng)安全系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)雷達(dá)/視覺信息娛樂安全氣囊 防抱死/電子穩(wěn)定程序8,000+3,8852,2357,0307259253,1457,0006,0005,0004,0003,0002,0001,0000%10%20%30%40%50%60%0電子系統(tǒng)在汽車總成本中的占比資料來源：德勤，羅蘭貝格，長江證券研究所2019燃油L1自動(dòng)駕駛系統(tǒng)智能座艙與車聯(lián)網(wǎng) 新能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 2025純電L3功率器件是新能源車半導(dǎo)體的核心組成，是價(jià)值量提升的關(guān)鍵賽

35、道。隨著新能源汽車的發(fā)展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導(dǎo)體器件新的增長點(diǎn)。功率半導(dǎo)體器件也叫電力電子器件，大多數(shù)使用狀態(tài)為導(dǎo)通和阻斷兩種工作特性，主要用于電流電壓的變換與調(diào)控。近 20 年來各個(gè)領(lǐng)域?qū)β势骷碾妷汉皖l率要求越來越嚴(yán)格，MOSFET和 IGBT 逐漸成為主流，多個(gè) IGBT 可以集成為 IPM 模塊，用于大電流和大電壓的環(huán)境。此外新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載 DC/DC）和非車載充電樁，每個(gè)部件都需要大量的功率半導(dǎo)體對電流電壓進(jìn)行控制。據(jù) StrategyAnalytics，純電動(dòng)汽車中功率半

36、導(dǎo)體占汽車半導(dǎo)體總成本比重約為 55%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)能源汽車的 21%。圖 21：傳統(tǒng)汽車半導(dǎo)體占比圖 22：純電動(dòng)汽車新增半導(dǎo)體用量中大部分為功率半導(dǎo)體21%23%13%43%功率半導(dǎo)體27%11%MCU傳感器其他 755%功率半導(dǎo)體MCU傳感器其他資料來源：蓋世汽車研究院，Strategy Analytics，長江證券研究所資料來源：蓋世汽車研究院，Strategy Analytics，長江證券研究所新能源汽車行業(yè)是市場空間巨大的新興市場，全球范圍內(nèi)新能源車的普及趨勢逐步清晰化，帶動(dòng)功率半導(dǎo)體市場快速增長。根據(jù) IHSMarkit 預(yù)測，2018 年全球功率器件市場規(guī)模約為 391 億美元，預(yù)

37、計(jì)至 2021 年市場規(guī)模將增長至 441 億美元，20182021 年復(fù)合增速為 4.09%。目前國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈正在日趨完善，技術(shù)也正在取得突破，同時(shí)，中國也是全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國，2018 年市場需求規(guī)模達(dá)到 138 億美元，增速為 9.5%，占全球需求比例高達(dá) 35%。IHSMarkit 預(yù)計(jì)未來中國功率半導(dǎo)體將繼續(xù)保持較高速度增長，2021 年市場規(guī)模有望達(dá)到 159 億美元，20182021 年復(fù)合增速達(dá) 4.83%。據(jù)英飛凌預(yù)估，48V/輕混合動(dòng)力汽車、插電式、混合動(dòng)力或純電動(dòng)車功率半導(dǎo)體價(jià)值量未來有望達(dá) 90 美元/臺、330 美元/臺，以其預(yù)計(jì) 2030 年全球約

38、0.27 億臺 48V/輕混合動(dòng)力汽車、0.32 億臺插電式、混合動(dòng)力及純電動(dòng)車計(jì)算，車載功率半導(dǎo)體市場空間便達(dá)130.17 億美元。圖 23：20142021 全球功率半導(dǎo)體市場規(guī)模（單位：億美元）圖 24：20142021 年中國功率半導(dǎo)體市場規(guī)模（單位：億美元）50045040035030025020015010050020142015201620172018 2019E 2020E 2021E全球功率半導(dǎo)體YoY（右軸）12%8%1406%1204%1002%800%60-2%40-4%20-6%010%18016020142015201620172018 2019E 2020E 20

39、21E中國功率半導(dǎo)體YoY（右軸）14%12%10%8%6%4%2%0%-2%資料來源：華潤微招股說明書，IHS Markit，長江證券研究所資料來源：華潤微招股說明書，IHS Markit，長江證券研究所新能源車帶動(dòng)功率半導(dǎo)體市場需求快速擴(kuò)容，SiC 功率器件或迎替代機(jī)遇。SiC 材料擁有寬禁帶、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高電子遷移率以及抗輻射等特性，SiC 基的 SBD 以及 MOSFET 更適合在高頻、高溫、高壓、高功率以及強(qiáng)輻射的環(huán)境中工作。在功率等級相同的條件下，采用 SiC 器件可將電驅(qū)、電控等體積縮小化，滿足功率密度更高、設(shè)計(jì)更緊湊的需求，同時(shí)也能使電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程更長。據(jù)天科合達(dá)招股

40、說明書，美國特斯拉公司的 Model3 車型便采用了以 24 個(gè) SiCMOSFET 為功率模塊的逆變器，是第一家在主逆變器中集成全 SiC 功率器件的汽車廠商；目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用 SiC 功率器件；此外，SiC 器件應(yīng)用于新能源汽車充電樁，可以減小充電樁體積，提高充電速度。據(jù) Yole，2018 年全球車載 SiC 功率器件的市場空間為 4.2億美金，預(yù)計(jì)到 2024 年市場空間可以達(dá)到 19.3 億美金，對應(yīng) 2018-2024 年復(fù)合增速達(dá)到 29%。圖 25：未來新能源車增長迅猛（單位：百萬臺）圖 26：SiC 在新能源車的市場空間（單位：億美元）4

41、060%30合計(jì)20電源、PFC、電路、電驅(qū)、UPS等1002020E48xEV市場0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.0020182024E資料來源：Infineon，長江證券研究所資料來源：Yole，長江證券研究所未來光伏發(fā)電將會是全球新能源發(fā)展的主要方向，新增裝機(jī)量持續(xù)提升，而逆變器是光伏不可或缺的重要組成部分，是光伏發(fā)電能否有效、快速滲透的關(guān)鍵之一。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發(fā)展趨勢，據(jù)天科合達(dá)招股說明書，目前在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng) 10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。使用 SiC-MOSFET

42、或 SiC-MOSFET 與 SiC-SBD 結(jié)合的功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從 96%提升至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升 50 倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。SiC 功率器件，為實(shí)現(xiàn)光伏逆變器的“高轉(zhuǎn)換效率”和“低能耗”提供了所需的低反向恢復(fù)和快速開關(guān)特性，對提升光伏逆變器功率密度、進(jìn)一步降低度電成本至關(guān)重要。在組串式和集中式光伏逆變器中，SiC 產(chǎn)品預(yù)計(jì)會逐漸替代硅基器件。圖 27：全球新增光伏裝機(jī)量（GW）圖 28：光伏逆變器中 SiC 功率器件占比預(yù)測 14012010080604020200620072008

43、200920102011201220132014201520162017201820190全球新增光伏裝機(jī)量90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%80%85%70%75%50%10%2020E2025E2030E2035E2040E2048E光伏逆變器中碳化硅功率器件占比資料來源：Bloomberg，長江證券研究所資料來源：天科合達(dá)招股說明書，長江證券研究所此外，儲能、充電樁、軌道交通、智能電網(wǎng)等也將大規(guī)模應(yīng)用功率器件。整體而言，隨著器件的小型化與對效率要求提升，采用化合物半導(dǎo)體制成的電力電子器件可覆蓋大功率、高頻與全控型領(lǐng)域，其中 SiC 的出現(xiàn)符合未來能源效率提升的趨勢

44、。以 SiC 制成的電力電子器件，工作頻率、效率及耐溫的提升使得功率轉(zhuǎn)換（即整流或者逆變）模塊中對電容電感等被動(dòng)元件以及散熱片的要求大大降低，將優(yōu)化整個(gè)工作模塊。未來，在 PFC電源、光伏、純電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車、不間斷電源（UPS）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、風(fēng)能發(fā)電以及鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，SiC 的應(yīng)用面會不斷鋪開。圖 29：SiC 功率器件應(yīng)用領(lǐng)域資料來源：Yole，長江證券研究所圖 30：SiC 主要應(yīng)用領(lǐng)域市場規(guī)模（單位：億美元）30252015105xEV光伏+儲能系統(tǒng)xEV充電樁PFC/電源電路0100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%電驅(qū)UPS其它合計(jì)0%2019 2025E

45、 20192025E CAGR（右軸）資料來源：Yole，長江證券研究所（注：xEV 包括主逆變器+OBC+整流器。）SiC 應(yīng)用的關(guān)卡：SiC 襯底的供應(yīng)需求旺盛，供給不足：碳化硅襯底供應(yīng)亟待解決龐大的市場需求下是尚未真正爆發(fā)的 SiC 應(yīng)用，而 SiC 功率器件的成本是影響其市場推廣的重要因素。相比 Si 器件，SiC 價(jià)格往往高出數(shù)倍，重要是因?yàn)?SiC 襯底較為昂貴SiC 襯底是 SiC 器件制作的基礎(chǔ)和成本的主要來源。SiC 器件的制造成本中，SiC襯底成本約占總成本的 47%，SiC 外延的成本占比 23%，這兩大工序是 SiC 器件的重要組成部分而目前 6 寸 SiC 襯底價(jià)格超

46、 900 美元/片，相比 6 寸硅片不到 50 美元/片的價(jià)格相差巨大，這也是目前 SiC 器件價(jià)格高昂、阻礙下游廠商應(yīng)用的重要原因之一。而 SiC 襯底成本較高，主要因?yàn)椋?、技術(shù)起步晚，晶圓、器件技術(shù)發(fā)展相較硅材料晚；2、 SiC 襯底生長較慢，技術(shù)難度大。圖 31：從 SiC 器件成本結(jié)構(gòu)而言，襯底是制約其應(yīng)用的重要因素圖 32：6 英寸襯底片價(jià)格（單位：美元/片）5%6%23%91611011cm1105cm1107cm直徑99.5-100mm-99.5-100mm99.5-100mm99.5-100mm-99.5-100mm99.5-100mm翹曲度45m-45m35m45m-45m35m總厚度變化15m-10m10m15m-10m10m多