碳化硅行業(yè)深度報(bào)告：新材料定義新機(jī)遇SiC引領(lǐng)行業(yè)變革

本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告1EPS(元)2021A2022E202EPS(元)2021A2022E2023E2021APE(倍)2022E2023E級(jí)?碳化硅：第三代半導(dǎo)體突破性材料。SiC是第三代半導(dǎo)體材料，其具備極好的耐壓性、導(dǎo)熱性和耐熱性，是制造功率器件、大功率射頻器件的突破性材料。根據(jù)Wolfspeed預(yù)計(jì)，2022年全球碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)43億美元，2026年碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模有望成長(zhǎng)至89億美元。當(dāng)前SiC功率器件價(jià)格較高，是硅基IGBT的3~5倍左右，但憑借優(yōu)異的系統(tǒng)節(jié)能特性，SiC器件開(kāi)始在新能源汽車(chē)、光伏、儲(chǔ)能等領(lǐng)域替代硅基器件。?SiC引領(lǐng)行業(yè)變革，新需求快速涌現(xiàn)。新能源汽車(chē)是碳化硅功率器件下游第一大應(yīng)用市場(chǎng)，根據(jù)我們測(cè)算，2026年全球應(yīng)用于新能源汽車(chē)主驅(qū)逆變器的SiC器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)44億美元。為了提升電動(dòng)汽車(chē)充電速度、緩解里程焦慮，小鵬、比亞迪、長(zhǎng)城、保時(shí)捷、現(xiàn)代等整車(chē)廠陸續(xù)推出800V高壓平臺(tái)車(chē)型，有望推動(dòng)SiC器件在新能源汽車(chē)中滲透率進(jìn)一步提升。?國(guó)際巨頭壟斷行業(yè)，國(guó)產(chǎn)廠商加速破局。當(dāng)前全球SiC襯底總年產(chǎn)能約在40~60萬(wàn)片等效6英寸，無(wú)法滿足下游旺盛需求。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，隨著襯底廠商技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)能進(jìn)一步擴(kuò)張，2025年6英寸導(dǎo)電型襯底價(jià)格有望降至590美元，這將帶動(dòng)SiC器件滲透率提升，有望在未來(lái)與Si-IGBT雙雄并驅(qū)。此外，當(dāng)前Wolfspeed、II-IV、羅姆三家海外大廠占據(jù)了全球89%導(dǎo)電型襯底市場(chǎng)，意法半導(dǎo)體、英飛凌、安森美、Wolfspeed等六家海外大廠占據(jù)了全球99%碳化硅功率器件市場(chǎng)，行業(yè)格局被海外大廠壟斷，國(guó)內(nèi)廠商正在加速破局。新需求帶來(lái)新機(jī)遇，技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)新未來(lái)。對(duì)于SiC襯底制造來(lái)說(shuō)，PVT法生長(zhǎng)速率慢、制備難度大、晶錠良率低，因此產(chǎn)能提升較慢，但襯底制造各環(huán)節(jié)均有工藝改善空間，溶液生長(zhǎng)法、激光切割等技術(shù)的進(jìn)步等有望推動(dòng)襯底產(chǎn)能進(jìn)一步提升，襯底有望持續(xù)降本。對(duì)于SiC器件制造來(lái)說(shuō)，由于SiC材料透明、離子擴(kuò)散溫度高等特性，在器件制造過(guò)程中光刻對(duì)準(zhǔn)、高能離子注入、高溫退火工藝、柵氧質(zhì)量控制、蝕刻工藝等環(huán)節(jié)相較硅基器件難度較大，器件制造擴(kuò)產(chǎn)較為困難。對(duì)于SiC功率模塊來(lái)說(shuō)，由于SiC器件耐受工作溫度較高，AMB基板憑借更高的熱導(dǎo)率等性能優(yōu)勢(shì)，成為SiC器件導(dǎo)熱基板材料首選。?投資建議：隨著碳化硅技術(shù)的不斷突破，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商有望加速追趕國(guó)際龍頭。建議關(guān)注國(guó)內(nèi)垂直一體化龍頭廠商三安光電；SiC襯底制造商天岳先進(jìn)等；器件廠商時(shí)代電氣、斯達(dá)半導(dǎo)、新潔能、士蘭微、華潤(rùn)微、揚(yáng)杰科技、聞泰科技、中瓷電子、長(zhǎng)飛光纖、積塔半導(dǎo)體、比亞迪半導(dǎo)體等；SiC設(shè)備公司北方華創(chuàng)、晶盛機(jī)電、中微公司、芯源微等。?風(fēng)險(xiǎn)提示：碳化硅在下游應(yīng)用領(lǐng)域滲透率不及預(yù)期；國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策變化；全球碳化硅行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈。重點(diǎn)公司盈利預(yù)測(cè)、估值與評(píng)級(jí)碼稱價(jià) (元)600703.SH三安光電17.480.290.500.67603526推薦688234.SH天岳先進(jìn)107.710.210.250.39515439273推薦688187.SH時(shí)代電氣54.201.421.722.11383226推薦603290.SH斯達(dá)半導(dǎo)324.002.334.496.641397249推薦605111.SH新潔能85.011.932.353.37443625推薦003031.SZ中瓷電子96.070.580.821.2016511780推薦603936.SH博敏電子11.650.470.530.85252214推薦碳化硅行業(yè)深度報(bào)告SiC行業(yè)變革2022年10月08日維持評(píng)級(jí)師S120004fangjing@相關(guān)研究42.半導(dǎo)體零部件深度報(bào)告：國(guó)產(chǎn)替代核心部件，百舸爭(zhēng)流加速崛起-2022/09/18分析：新/07/25芯，智能化基石-2022/07/14光雷達(dá)中軍主力-2022/07/11行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告21碳化硅：第三代半導(dǎo)體突破性材料 31.1優(yōu)質(zhì)的新型半導(dǎo)體襯底材料 31.2碳化硅功率器件性能優(yōu)異 7闊 101.4碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值集中于上游襯底和外延 122SiC引領(lǐng)行業(yè)變革，新需求快速涌現(xiàn) 152.1新能源汽車(chē)占據(jù)碳化硅最大下游應(yīng)用市場(chǎng) 152.2汽車(chē)高壓平臺(tái)升級(jí)，800V時(shí)代SiC成為剛需 232.3半絕緣型碳化硅襯底廣泛應(yīng)用于射頻器件領(lǐng)域 263國(guó)際巨頭壟斷行業(yè)，各環(huán)節(jié)產(chǎn)能緊缺持續(xù) 293.1全球襯底產(chǎn)能緊缺，SiC與IGBT雙雄并驅(qū) 293.2國(guó)際巨頭壟斷SiC行業(yè)，國(guó)產(chǎn)廠商逐步破局 324新需求帶來(lái)新機(jī)遇，技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)新未來(lái) 354.1技術(shù)革新帶來(lái)產(chǎn)能提升，襯底仍存降本空間 354.2器件制造技術(shù)尚需積累，國(guó)內(nèi)廠商加速追趕 394.3SiC功率模塊放量在即，AMB基板迎來(lái)機(jī)遇 415投資建議 435.1行業(yè)投資建議：國(guó)產(chǎn)廠商崛起，星星之火正起燎原之勢(shì) 435.2重點(diǎn)公司 466風(fēng)險(xiǎn)提示 75插圖目錄 77表格目錄 79行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告3料1.1優(yōu)質(zhì)的新型半導(dǎo)體襯底材料半導(dǎo)體材料根據(jù)時(shí)間先后可以分為三代。第一代為鍺、硅等普通單質(zhì)材料，其特點(diǎn)為開(kāi)關(guān)便捷，一般多用于集成電路。第二代為砷化鎵、磷化銦等化合物半導(dǎo)體，主要用于發(fā)光及通訊材料。第三代半導(dǎo)體主要包括碳化硅、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體和金剛石等特殊單質(zhì)。憑借優(yōu)秀的物理化學(xué)性質(zhì)，碳化硅材料在功率、射頻器件領(lǐng)域逐漸開(kāi)啟應(yīng)用。第三代半導(dǎo)體耐壓性較好，是大功率器件的理想材料。第三代半導(dǎo)體主要是碳化硅和氮化鎵材料，SiC的禁帶寬度為3.2eV，GaN的禁帶寬度為3.4eV，遠(yuǎn)超過(guò)Si的禁帶寬度1.12eV。由于第三代半導(dǎo)體普遍帶隙較寬，因此耐壓、耐熱性較化硅二極管、MOSFET已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用。表1：三代半導(dǎo)體材料特性對(duì)比SiGaAs4H-SiCGaN禁帶寬度(eV)1.121.433.23.4飽和電飽和電子漂移速率(10^7cm/s)1.01.02.02.5熱導(dǎo)率(W·cm-1·K-1)1.50.544.01.3擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度(擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度(MV/cm) 圖1：碳化硅耐壓特性優(yōu)異基于上述特性，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(yōu)勢(shì)：(1)更強(qiáng)的高壓特性。碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)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。碳化硅相本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告4較硅擁有更高的熱導(dǎo)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(lái)功率密度的顯著提升，同時(shí)降低對(duì)散熱系統(tǒng)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(dǎo)通電阻，導(dǎo)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(guān)斷過(guò)程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)損耗低，大幅提高實(shí)際應(yīng)用的開(kāi)關(guān)頻率。根據(jù)ROHM的數(shù)據(jù)，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET導(dǎo)通電阻是硅基MOSFET的1/200，尺寸是是硅基MOSFET的1/10。對(duì)于相同規(guī)格的逆變器來(lái)說(shuō)，使用碳化硅基MOSFET相比于使用硅基IGBT系統(tǒng)總能量損失小于1/4。 圖2：碳化硅MOSFET器件體積更小 圖3：碳化硅MOSFET器件節(jié)能性更好碳化硅優(yōu)良的頻率、散熱特性，使得其在射頻器件上也得到廣泛應(yīng)用。碳化硅、氮化鎵材料的飽和電子漂移速率分別是硅的2.0、2.5倍，因此碳化硅、氮化鎵器件的工作頻率大于傳統(tǒng)的硅器件。然而，氮化鎵材料存在耐熱性能較差的缺點(diǎn)，而碳化硅的耐熱性和導(dǎo)熱性都較好，可以彌補(bǔ)氮化鎵器件耐熱性較差的缺點(diǎn)，因此業(yè)界采取半絕緣型碳化硅做襯底，在襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層后制造射頻器件。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告5 圖4：碳化硅器件與硅基器件頻率特性g按照電學(xué)性能的不同，碳化硅襯底可分為半絕緣型碳化硅襯底和導(dǎo)電型碳化硅襯底兩類，這兩類襯底經(jīng)外延生長(zhǎng)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(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件、光電器件等。通過(guò)在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進(jìn)一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件。與傳統(tǒng)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(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特GBT表2：半絕緣型和導(dǎo)電型碳化硅襯底的對(duì)比種種類電阻率尺寸外延器件應(yīng)用領(lǐng)域絕緣型碳化硅襯底以4英寸為主，逐漸向6氮化鎵外延英寸襯底發(fā)展射頻器件信息通訊、無(wú)線電探測(cè)以6英寸為主，以6英寸為主，8英寸襯導(dǎo)電型碳化硅襯底底開(kāi)始發(fā)展通以及大功率輸電變電碳化硅外延功率器件行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告6 圖5：碳化硅外延生長(zhǎng)及下游應(yīng)用外延工藝是指在碳化硅襯底的表面上生長(zhǎng)一層質(zhì)量更高的單晶材料，如果在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，則稱為異質(zhì)外延；如果在導(dǎo)電型碳化硅襯底表面生長(zhǎng)一層碳化硅外延層，則稱為同質(zhì)外延。外延層的生長(zhǎng)可以消除襯底生長(zhǎng)中的某些缺陷，生長(zhǎng)的外延層質(zhì)量相對(duì)較好。碳化硅晶體生長(zhǎng)的過(guò)程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生缺陷、引入雜質(zhì)，導(dǎo)致襯底材料的質(zhì)量和性能都不夠好。而外延層的生長(zhǎng)可以消除襯底中的某些缺陷，使晶格排列整齊。例如襯底缺陷中的BPD(基平面位錯(cuò))約95%轉(zhuǎn)化為T(mén)ED(貫穿刃型位錯(cuò))，而B(niǎo)PD可導(dǎo)致器件性能退化，TED基本不影響最終碳化硅器件的性能。 圖6：碳化硅襯底層和外延層結(jié)構(gòu) 圖7：碳化硅外延片缺陷與襯底片缺陷的關(guān)聯(lián)性本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告7表3：外延片缺陷對(duì)最終器件的影響缺缺陷/器件SBDMOSFET，JFETTSD(無(wú)蝕坑)無(wú)無(wú)無(wú),但會(huì)引發(fā)局部載流子壽命降低TEDTED無(wú)蝕坑)無(wú)無(wú)但會(huì)引發(fā)局部載流子壽命降低PD極管退化,但會(huì)引發(fā)體二極管化雙極退化(導(dǎo)通電阻及漏電流增加)胡蘿卜缺陷、三角形缺陷VB降低(30%~70%)VB降低(30%~70%)VB降低(30%~70%)掉落物缺陷1.2碳化硅功率器件性能優(yōu)異由于碳化硅材料具有高禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高擊穿強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率等特點(diǎn)，碳化硅是功率器件理想的制造材料。當(dāng)前碳化硅材料功率器件主要分為二極管和晶體管，其中，二極管主要包括肖特基二極管(SBD)、結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管(JBS)、PiN功率二極管(PiN)；晶體管主要包括金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)、雙極型晶體管(BJT)、晶閘管。 圖8：碳化硅功率器件分類行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告8特性，優(yōu)異的TRR特性；電流依賴性；；?在高頻、中等電壓功率開(kāi)關(guān)的應(yīng)用上PiN頻特性好及強(qiáng)抗過(guò)壓和浪涌電流優(yōu)勢(shì)表4：碳化硅二極管分類SBDPiNJBS??在射頻和微波頻段受偏置電流控制的高結(jié)溫承受能力、高電流密度以及更?擁有更小的反向漏電流和更高的擊穿?廣泛應(yīng)用于高壓低頻功率開(kāi)關(guān)上碳化硅MOSFET主要分為平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)。平面型碳化硅MOSFET的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單、單元的一致性較好、雪崩能量比較高；缺點(diǎn)是當(dāng)電流被限制在靠近P體區(qū)域的狹窄的N區(qū)中流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生JFET效應(yīng)，增加通態(tài)電阻，且寄生電容較大。溝槽型碳化硅MOSFET是將柵極埋入基體中，形成垂直的溝道，這種結(jié)構(gòu)的JFET現(xiàn)最佳的溝道遷移率，導(dǎo)通電阻比平面結(jié)構(gòu)要明顯的降低；缺點(diǎn)是由于要開(kāi)溝槽，工藝變得復(fù)雜，且單元的一致性較差，雪崩能量比較差。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告9 圖9：碳化硅MOSFET平面結(jié)構(gòu)(左)與溝槽結(jié)構(gòu)(右)溝槽型碳化硅MOSFET專利壁壘較高。目前國(guó)際上量產(chǎn)平面型碳化硅MOSFET的碳化硅廠商主要有Wolfspeed、意法半導(dǎo)體、Microsemi、羅姆等，國(guó)內(nèi)量產(chǎn)的有APS、瀚薪、派恩杰、清純半導(dǎo)體等Fabless廠商。而目前可量產(chǎn)的SiC溝槽結(jié)構(gòu)較為稀缺，全球量產(chǎn)溝槽型碳化硅MOSFET的僅有羅姆的雙溝槽結(jié)構(gòu)、英飛凌的半包溝槽結(jié)構(gòu)、日本住友的接地雙掩埋結(jié)構(gòu)等。表5：溝槽結(jié)構(gòu)SiCMOSFET 器件羅姆-雙溝槽結(jié)構(gòu)英飛凌-不對(duì)稱溝槽結(jié)構(gòu)日本住友-V型溝槽結(jié)構(gòu)圖示相比平面型MOSFET，溝槽型碳化硅MOSFET在成本和性能上都具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。以羅姆的第三代碳化硅MOSFET(第一代溝槽型碳化硅MOSFET)為例，行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告10其芯片面積僅為羅姆第二代平面型碳化硅MOSFET的75%，且同一芯片尺寸下其導(dǎo)通電阻降低了50%。而羅姆的第二代溝槽型碳化硅MOSFET相比第一代溝槽型碳化硅MOSFET導(dǎo)通電阻亦可再降低40%。 圖10：羅姆溝槽型與平面型SiCMOSFET對(duì)比 圖11：羅姆第二代和第一代溝槽型SiCMOSFET對(duì)比1.3星辰大海，藍(lán)海市場(chǎng)空間廣闊最早商業(yè)化碳化硅產(chǎn)品的是美國(guó)的CREE公司，其發(fā)展歷史具有較強(qiáng)的代表性。碳化硅的產(chǎn)業(yè)化基本可分為三個(gè)階段，第一階段是碳化硅LED的誕生及商業(yè)化，第二階段是射頻器件的商業(yè)化，第三部分是功率器件的商業(yè)化。2002年CREE推出商用肖特基二極管、2011年推出商用碳化硅MOSFET是行業(yè)兩個(gè)重要的發(fā)展節(jié)點(diǎn)。2019年特斯拉在Model3新能源汽車(chē)上應(yīng)用碳化硅MOSFET產(chǎn)品更是將行業(yè)熱情進(jìn)一步推向高點(diǎn)。CREE的碳化硅器件項(xiàng)目2021年前主要由旗下子公司W(wǎng)olfspeed負(fù)責(zé)，目前CREE已經(jīng)出售LED業(yè)務(wù)，并更名為Wolfspeed，主營(yíng)業(yè)務(wù)變更為碳化硅射頻及功率器件。 圖12：Wolfspeed公司第三代半導(dǎo)體發(fā)展歷史 碳化硅在射頻、功率器件領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，市場(chǎng)增長(zhǎng)空間廣闊。根據(jù)碳化硅行業(yè)全球龍頭廠商Wolfspeed的預(yù)測(cè)，受新能源汽車(chē)及發(fā)電、電源設(shè)備、射頻器件等需求驅(qū)動(dòng)，2026年碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到89億美元，其中用于新能源汽行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告110車(chē)和工業(yè)、能源的SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模為60億美元，用于射頻的SiC器件市場(chǎng)規(guī)模為29億美元。碳化硅在功率及射頻器件領(lǐng)域具備較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，具備較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，有望在新能源汽車(chē)、工業(yè)和能源、射頻市場(chǎng)逐步完成對(duì)硅基器件的替代。根據(jù)YOLE的預(yù)測(cè)，碳化硅的市占率有望在2024年突破10%。圖13：碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)(億美元)工業(yè)和能源RF汽車(chē)EE 圖14：碳化硅器件市占率不斷提升第三代半導(dǎo)體戰(zhàn)略意義重大，世界各個(gè)國(guó)家和地區(qū)均在努力推進(jìn)發(fā)展工作。歐洲的SPEED計(jì)劃、MANGA計(jì)劃，美國(guó)的SWITCHES計(jì)劃、NEXT計(jì)劃，日本的新一代功率電子項(xiàng)目都是意在通過(guò)政府資助和企業(yè)加強(qiáng)投資的方式推動(dòng)新一代化合物半導(dǎo)體落地的計(jì)劃，背后都具有明顯的戰(zhàn)略意圖。第三代半導(dǎo)體的重要性各國(guó)都已明確，中國(guó)早在2016年的“十三五”規(guī)劃中就將碳化硅和半導(dǎo)體照明列入重點(diǎn)項(xiàng)目，隨后科技部、發(fā)改委等四部門(mén)又將碳化硅襯底技術(shù)列入重點(diǎn)突破領(lǐng)域。表6：各個(gè)國(guó)家和地區(qū)三代半導(dǎo)體發(fā)展計(jì)劃計(jì)劃?rùn)C(jī)構(gòu)主要內(nèi)容展美國(guó)能源部型寬禁帶半導(dǎo)體材料、器件結(jié)構(gòu)以及制造工藝，提高能量密度，加快開(kāi)和電網(wǎng)電能轉(zhuǎn)換等應(yīng)用的能量損耗，使得控制和轉(zhuǎn)換電能的方式發(fā)生重大變革美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局研發(fā)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)極高速度和電壓的氮化鎵器件制造工藝，滿足大規(guī)模集成要求聯(lián)合德國(guó)、法國(guó)、意大利、瑞典和英國(guó)，強(qiáng)化歐洲碳化硅襯底和氮化鎵外延片鎵電子器件產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)低碳社會(huì)的新一代功率電子項(xiàng)目器件和功率模組，應(yīng)用于新能源汽車(chē)、鐵路列車(chē)等領(lǐng)域我國(guó)亦在大力推動(dòng)碳化硅行業(yè)發(fā)展，國(guó)資不斷支持國(guó)內(nèi)廠商立項(xiàng)融資。2018年國(guó)內(nèi)碳化硅相關(guān)的投資項(xiàng)目簽署額僅50億元，到2020年已達(dá)463億元，且其中有接近90%的項(xiàng)目有政府參與，表明了國(guó)家對(duì)該領(lǐng)域的大力支持。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告12圖15：2018-2020年國(guó)內(nèi)碳化硅簽署投資項(xiàng)目總額(億元)0000襯底器件全產(chǎn)業(yè)鏈 圖16：2020年政府參與項(xiàng)目的占比(億元)投資額1.4碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值集中于上游襯底和外延碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、器件制造、封測(cè)等。從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠，然后經(jīng)過(guò)切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經(jīng)過(guò)外延生長(zhǎng)得到外延片。外延片經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)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17：碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值集中于上游襯底和外延環(huán)節(jié)。根據(jù)CASA的數(shù)據(jù)，襯底約占碳化硅器件成本的47%，外延環(huán)節(jié)又占據(jù)23%，制造前的成本占據(jù)全部成本的70%。而對(duì)于Si基器件來(lái)說(shuō)，晶圓制造占據(jù)50%的成本，硅片襯底僅占據(jù)7%的成本，碳化硅器件上游襯底和外延價(jià)值量凸顯。由于碳化硅襯底及外延價(jià)格相對(duì)硅本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告13片較為昂貴，碳化硅功率器件現(xiàn)階段滲透率較低。然而，由于碳化硅器件高效率、高功率密度等特性，新能源汽車(chē)、能源、工業(yè)等領(lǐng)域的強(qiáng)勁需求有望帶動(dòng)碳化硅滲透率快速提升。圖18：碳化硅器件成本分布圖19：硅基器件的成本結(jié)構(gòu)%23%7%備/工藝能效維護(hù)襯底其他原材料碳化硅襯底的尺寸不斷增大，當(dāng)前國(guó)際主流尺寸為6英寸，正在向8英寸邁進(jìn)。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(dá)到6英寸。而全球碳化硅領(lǐng)域龍頭CREE公司(現(xiàn)更名為Wolfspeed)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(guó)紐約州莫霍克谷 (MohawkValley)的全球最大8英寸碳化硅制造設(shè)施正式開(kāi)業(yè)。 圖20：CREE公司碳化硅襯底尺寸演進(jìn)單片襯底面積的增長(zhǎng)有利于制造成本的下降，同時(shí)器件制造過(guò)程中襯底邊緣的浪費(fèi)也將下降。根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，一片6英寸碳化硅襯底可以產(chǎn)出448顆die，邊緣損失為14%；而一片8英寸碳化硅襯底可產(chǎn)出845顆die，邊緣損失下降至7%，襯底利用率更高。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告14 圖21：碳化硅襯底尺寸升級(jí)后邊緣損耗更低中國(guó)企業(yè)在單晶襯底方面以4英寸為主，目前國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了6英寸導(dǎo)電性碳化硅襯底和高純半絕緣碳化硅襯底。其中天科合達(dá)和天岳先進(jìn)為主的碳化硅晶片廠商發(fā)展速度較快，市占率提升明顯，三安光電(北電新材)在碳化硅方面也在深度布局。表7：各企業(yè)在襯底尺寸方面的研發(fā)進(jìn)度尺寸CREE陸進(jìn)達(dá)成功研制并規(guī)模4寸化生產(chǎn)成功研制并規(guī)?；a(chǎn)成功研制并規(guī)模化生產(chǎn)成功研制并規(guī)?；a(chǎn)成功研制并規(guī)?；a(chǎn)2012年全球首次成功研制并規(guī)模成功研制并規(guī)?；a(chǎn)化生產(chǎn)成功研制，2019成功研制并規(guī)模年宣布產(chǎn)線建設(shè)化生產(chǎn)計(jì)劃成產(chǎn)2015年全球首次成功研制，2019成功研制，20198寸年宣布產(chǎn)線建設(shè)未披露未披露2020年啟動(dòng)研發(fā)年宣布產(chǎn)線建設(shè)計(jì)劃計(jì)劃行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告152SiC引領(lǐng)行業(yè)變革，新需求快速涌現(xiàn)2.1新能源汽車(chē)占據(jù)碳化硅最大下游應(yīng)用市場(chǎng)按照電學(xué)性能的不同，碳化硅襯底可分為半絕緣型碳化硅襯底和導(dǎo)電型碳化硅襯底兩類，這兩類襯底經(jīng)外延生長(zhǎng)后主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件。通過(guò)在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進(jìn)一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件。與傳統(tǒng)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(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)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。 圖22：兩種類型的碳化硅材料下游用途導(dǎo)電型襯底在功率器件中得到廣泛應(yīng)用，下游市場(chǎng)包括新能源汽車(chē)、光伏、高鐵、工業(yè)電源等領(lǐng)域。導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件，功率器件是電力電子行業(yè)的重要基礎(chǔ)元器件之一，廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的電能轉(zhuǎn)化和電路控制等領(lǐng)域，涉及經(jīng)濟(jì)與生活的方方面面。碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，較好地契合功率器件的要求，因而在近年被快速推廣應(yīng)用，例如新能源汽車(chē)、光伏發(fā)電等領(lǐng)域。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告16 圖23：碳化硅功率器件應(yīng)用領(lǐng)域碳化硅功率器件目前主要應(yīng)用于逆變器中。逆變器是一種將直流信號(hào)轉(zhuǎn)化為高壓交流電的裝置，在傳統(tǒng)硅基IGBT逆變器中，其基本原理為利用方波電源控制IGBT的開(kāi)關(guān)，使得原來(lái)的直流電路輸出方波高電壓，經(jīng)過(guò)整形模塊的整形后形成正弦電壓，即交流電。由于輸出電壓和輸出頻率可以任意控制，所以逆變器被廣泛用于控制交流電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，是新能源發(fā)電、不間斷電源、電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通、白色家電、電力配送等領(lǐng)域不可或缺的功率轉(zhuǎn)換裝置。 圖24：碳化硅光伏逆變器 圖25：蔚來(lái)汽車(chē)SiC電驅(qū)汽車(chē)是碳化硅功率器件最大的下游應(yīng)用市場(chǎng)。根據(jù)YOLE的數(shù)據(jù)，2021年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模為10.90億美元，其中應(yīng)用于汽車(chē)市場(chǎng)的碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模為6.85億美元，占比約為63%；其次分別是能源、工業(yè)等領(lǐng)域，本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告17未來(lái)隨著碳化硅器件在新能源汽車(chē)、能源、工業(yè)等領(lǐng)域滲透率不斷提升，碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模有望持續(xù)提升。根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，2027年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)62.97億美元，2021-2027年CAGR達(dá)34%；其中汽車(chē)市場(chǎng)碳化硅功率器件規(guī)模有望達(dá)49.86億美元，占比達(dá)79.2%，汽車(chē)仍為碳化硅功率器件下游第一大應(yīng)用市場(chǎng)。 圖26：碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模(百萬(wàn)美元)碳化硅在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域主要用于：主驅(qū)逆變器、車(chē)載充電系統(tǒng)(OBC)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(車(chē)載DC/DC)和非車(chē)載充電樁。根據(jù)全球碳化硅領(lǐng)域龍頭廠商Wolfspeed公司的預(yù)測(cè)，到2026年汽車(chē)中逆變器所占據(jù)的碳化硅價(jià)值量約為83%，是電動(dòng)汽車(chē)中價(jià)值量最大的部分。其次為OBC，價(jià)值量占比約為15%；DC-DC轉(zhuǎn)換器中SiC價(jià)值量占比在2%左右。此外，電動(dòng)汽車(chē)充電樁也是SiC器件的一大應(yīng)用領(lǐng)本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告18 圖27：碳化硅器件在新能源汽車(chē)上的應(yīng)用 圖28：2026年汽車(chē)中SiC器件價(jià)值量占比逆變器OBC碳化硅MOSFET在電動(dòng)汽車(chē)主驅(qū)逆變器中相比Si-IGBT優(yōu)勢(shì)明顯，雖然當(dāng)前SiC器件單車(chē)價(jià)格高于Si-IGBT，但SiC器件的優(yōu)勢(shì)可降低整車(chē)系統(tǒng)成本：(1)由于碳化硅MOSFET相比硅基IGBT功率轉(zhuǎn)換效率更高，根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，采用碳化硅MOSFET的電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航距離相比硅基IGBT可延長(zhǎng)5-10%，即在同樣續(xù)航里程的情況下可削減電池容量，降低電池成本。(2)碳化硅MOSFET的高頻特性可使得逆變器線圈、電容小型化，電驅(qū)尺寸得以大幅減少，而可聽(tīng)噪聲的降低可以減少電機(jī)鐵損。(3)碳化硅MOSFET可承受更高電壓，在電機(jī)功率相同的情況下可以通過(guò)提升電壓來(lái)降低電流強(qiáng)度，從而使得束線輕量化，節(jié)省安裝空間。 圖29：碳化硅MOSFET在汽車(chē)主逆變器中的拓?fù)鋱D本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告19車(chē)載充電機(jī)(OBC)為電動(dòng)汽車(chē)的高壓直流電池組提供了從基礎(chǔ)設(shè)施電網(wǎng)充電的關(guān)鍵功能，通過(guò)使用車(chē)載充電器可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對(duì)電池進(jìn)行充電，OBC是決定了充電功率和效率的關(guān)鍵器件。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電機(jī)來(lái)說(shuō)，碳化硅MOSFET相比Si基器件同樣具有系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)： (1)更低的系統(tǒng)成本。雖然SiC器件相較于Si基器件價(jià)格較貴，但是使用SiC器件的OBC可以節(jié)省磁感器件和驅(qū)動(dòng)器件成本，從而降低系統(tǒng)成本。 (2)更高的峰值效率。OBC中使用SiC器件后充電峰值效率較使用Si基器件的系統(tǒng)提升2個(gè)點(diǎn)。 (3)更大的功率密度。使用SiC器件的系統(tǒng)功率密度較Si基器件提升約50%，從而減少OBC的重量和體積。 圖30：車(chē)載充電機(jī)(OBC)在電動(dòng)汽車(chē)中的作用表8：22KW雙向OBC中SiC器件與Si器件對(duì)比222KW雙向OBCSiC器件系統(tǒng)Si器件系統(tǒng)成本值效率度DC-DC轉(zhuǎn)換器是轉(zhuǎn)變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器。車(chē)載DC/DC轉(zhuǎn)換器可將動(dòng)力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，主要給車(chē)內(nèi)動(dòng)力轉(zhuǎn)向、水泵、車(chē)燈、空調(diào)等低壓用電系統(tǒng)供電。未來(lái)隨著電動(dòng)汽車(chē)電池電壓升至800V高壓平臺(tái)，1200V的SiCMOSFET有望被廣泛應(yīng)用于DC-DC轉(zhuǎn)換器中： (1)首先，OBC與DC-DC等功率器件集成化趨勢(shì)明顯，22KW車(chē)載充電機(jī)中，DC-DC轉(zhuǎn)換器與OBC有望集成。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告20 (2)其次，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器中，SiC的高速恢復(fù)特性最為合適； (3)為能夠適配原400V直流快充樁，搭載800V電壓平臺(tái)的新車(chē)須配有額外DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行升壓，進(jìn)一步增加對(duì)DC-DC的需求。 圖31：碳化硅MOSFET在汽車(chē)DC-DC轉(zhuǎn)換器中的拓?fù)淙蛐履茉雌?chē)銷量不斷增長(zhǎng)，頭部廠商逐漸采用碳化硅器件。根據(jù)工信部的數(shù)據(jù)，2021年全球新能源車(chē)銷量為675萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)108%；其中，中國(guó)新能2021年銷量達(dá)352萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)160%以上。特斯拉是業(yè)界首個(gè)在電動(dòng)汽車(chē)中采用碳化硅主驅(qū)逆變器模塊的車(chē)企，2018年，特斯拉在Model3中首次將IGBT模塊換成了SiC模塊。當(dāng)前越來(lái)越多的車(chē)廠正在轉(zhuǎn)向在電驅(qū)中使用碳化硅MOSFET器件，目前除特斯拉Model3外，還有比亞迪漢EV、比亞迪新款唐EV、蔚來(lái)ES7、蔚來(lái)ET7、蔚來(lái)ET5、小鵬G9、保時(shí)捷Tayan和現(xiàn)代ioniq5等車(chē)型已經(jīng)在電驅(qū)中采用了碳化硅器件。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告21圖32：全球新能源車(chē)銷量預(yù)測(cè)(萬(wàn)輛)000%%%%%% 圖33：部分已采用碳化硅器件的車(chē)型表9：在主驅(qū)逆變器中采用SiC器件的車(chē)企車(chē)車(chē)型/平臺(tái)上市時(shí)間車(chē)企斯拉ioniq5現(xiàn)代起亞EV62021待定ronGT漢漢EV比亞迪唐EV(新款)20202021來(lái) (新款)2022后龍汽ON2022風(fēng)新能源本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告22在光伏發(fā)電領(lǐng)域，由于使用SiC器件可以降低光伏發(fā)電系統(tǒng)損耗，未來(lái)隨著碳化硅器件成本的不斷降低，碳化硅器件有望逐步替代硅基器件，市場(chǎng)規(guī)模有望不斷提升。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(lái)源之一。而根據(jù)天科合達(dá)招股書(shū)顯示，使用碳化硅材料，可將轉(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。根據(jù)CASA預(yù)測(cè)，在2025年，碳化硅功率器件占比將達(dá)到50%，相比2020年增長(zhǎng)40個(gè)百分點(diǎn)，并將持續(xù)擴(kuò)大占比。圖34：光伏逆變器中碳化硅功率器件占比預(yù)測(cè)碳化硅功率器件占比0%80%60%40%20%0%20202025E2030E2035E2040E2048E此外，碳化硅材料可以顯著提升列車(chē)牽引系統(tǒng)節(jié)能效果，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，有望在軌道交通中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，由于碳化硅抗高溫高壓高頻的特性，完美切合智能電網(wǎng)發(fā)展需求，被應(yīng)用在固態(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(dòng)智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。雖然2018年碳化硅在軌道交通的應(yīng)用占比僅為2%，但CASA預(yù)測(cè)在2030年碳化硅在軌道交通功率器件的應(yīng)用占比將達(dá)30%，滲透率不斷提升。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告23圖35：軌道交通中碳化硅功率器件占比預(yù)測(cè)%80E0E50E2.2汽車(chē)高壓平臺(tái)升級(jí)，800V時(shí)代SiC成為剛需800V快充系統(tǒng)推動(dòng)汽車(chē)平臺(tái)升級(jí)。新能源汽車(chē)行業(yè)一個(gè)亟待解決的問(wèn)題就是“里程焦慮”，提升充電速度就需要提升充電樁的輸出功率，則需要提升充電電壓或電流。根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，當(dāng)前我國(guó)商用的主流快充充電樁的功率為100~150KW，電動(dòng)汽車(chē)充電400KM里程所需的時(shí)間為40~27分鐘。若充電樁采用350KW大功率快充系統(tǒng)，400KM里程所需充電時(shí)間可大大縮短至12~15提升充電功率可以通過(guò)提高電流或者電壓兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，如果通過(guò)提升電流來(lái)增大充電功率，會(huì)帶來(lái)以下問(wèn)題：(1)根據(jù)功率計(jì)算公式，電流的提升會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率損耗增大；(2)電流增大，根據(jù)焦耳定律系統(tǒng)發(fā)熱會(huì)加劇，冷卻系統(tǒng)成本增高；(3)所需線束更粗，線束重量將增大。因此提升電壓以實(shí)現(xiàn)大功率快充成為行業(yè)的多數(shù)選擇。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告24圖36：400KM續(xù)航所需充電時(shí)間(min)0 0 0圖37：Si-IGBT與SiC-MOSFET整車(chē)損耗測(cè)試inverterPowertrainw/oInverterBasicconsumption0%00V,Si400V,SiC00V,Si400V,SiC電動(dòng)汽車(chē)升級(jí)800V平臺(tái)，Si-IGBT模塊面臨挑戰(zhàn)。雖然使用硅基IGBT的功率模塊同樣可以做到1000V以上的耐受電壓，但其仍存在以下缺點(diǎn)：(1)400V的Si-IGBT模塊將不再適用，即使換成耐高壓的Si-IGBT，其在800V高電壓平臺(tái)上仍然存在著損耗高、效率低、體積大的缺點(diǎn)；(2)800V平臺(tái)上所用Si-IGBT數(shù)量要明顯大于400V平臺(tái)，車(chē)內(nèi)空間更加緊張。此時(shí)，SiC器件由于自身高耐壓性、低損耗、高功率密度、高熱導(dǎo)率等優(yōu)勢(shì)，成為800V時(shí)代新能源汽車(chē)的剛需。如果采用碳化硅系統(tǒng)，800V電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)效率將得到顯著提升。根據(jù)PCIMEurope的研究，按照WLTC工況測(cè)試，基于750V硅基IGBT模塊及1200V碳化硅模塊仿真，400V電壓平臺(tái)下，1200V碳化硅模塊相比于750V硅基IGBT模塊，整車(chē)損耗可降低6.9％；然而在800V高壓平臺(tái)下，整車(chē)損耗可降低7.6％。此外，由于碳化硅器件功率密度更大，采用碳化硅器件的電動(dòng)汽車(chē)、充電樁可以在較小的體積內(nèi)達(dá)到較大的功率，從而節(jié)省車(chē)內(nèi)空間，減輕車(chē)身重量。 圖38：400V電子電氣架構(gòu) 圖39：800V電子電氣架構(gòu)為了提升電動(dòng)汽車(chē)充電速度、緩解里程焦慮，越來(lái)越多的整車(chē)廠布局800V高壓平臺(tái)。保時(shí)捷Taycan是全球首款量產(chǎn)的800V高壓平臺(tái)車(chē)型，并將最大充電功本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告25率提升至350KW。此外，奧迪e－tronGT、現(xiàn)代Ioniq5和起亞EV6都采用了800V高壓平臺(tái)。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的車(chē)企亦紛紛向800V高壓平臺(tái)邁進(jìn)。2021年，比亞迪、吉利、極狐、廣汽、小鵬等都陸續(xù)發(fā)布了搭載800V平臺(tái)的車(chē)型，其中小鵬、比亞迪等800V高壓車(chē)型有望2022年量產(chǎn)。800V平臺(tái)的推廣有望推動(dòng)SiC器件在電動(dòng)汽車(chē)中的滲透率快速提升。表10：部分已采用或預(yù)計(jì)采用800V平臺(tái)的車(chē)企司式發(fā)布時(shí)間率續(xù)航保時(shí)捷車(chē)型、充電樁2018-06800V350kW15分鐘充電80%亞電樁代020-125分鐘，續(xù)航150公里吉利極氪車(chē)型、充電樁2021-09800V360kW充電5分鐘，續(xù)航120公里臺(tái)、車(chē)型0V/800V2021-11800V400kW600A充電10分鐘，續(xù)航800公里北北汽極狐廣汽埃安車(chē)型、充電樁2021-081000V(峰值)480kW600A充電5分鐘，續(xù)航120公里東東風(fēng)嵐圖、充電樁021-10小鵬車(chē)型、充電樁2021-10800V480kW670A充電5分鐘，續(xù)航200公里理想平臺(tái)預(yù)計(jì)2023800V計(jì)2023蔚來(lái)對(duì)于直流快速充電樁來(lái)說(shuō)，充電電壓升級(jí)至800V同樣帶來(lái)充電樁中的SiC功率器件需求大增。電動(dòng)汽車(chē)直流快速充電樁繞過(guò)安裝在電動(dòng)汽車(chē)上的車(chē)載充電機(jī)，直接為電池提供大功率直流充電。相比傳統(tǒng)Si和IGBT器件，基于SiC的器件由于具有工作溫度更高、導(dǎo)通損耗更小、漏電流更低、浪涌耐受能力更強(qiáng)、最大額定電壓更高，以及整體功率密度更高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)更好的充電性能。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告26 圖40：直流快速充電樁示意圖2.3半絕緣型碳化硅襯底廣泛應(yīng)用于射頻器件領(lǐng)域同屬于第三代半導(dǎo)體的氮化鎵同樣擁有良好的寬帶隙特性，同時(shí)其兼具第二代半導(dǎo)體的高頻特性，是制造半導(dǎo)體射頻器件的良好材料。目前主流的射頻器件材料有砷化鎵、硅基LDMOS、碳化硅基氮化鎵等不同類型。其中，砷化鎵器件已在功率放大器上得到廣泛應(yīng)用，硅基LDMOS器件也已在通訊領(lǐng)域應(yīng)用多年，但其主要應(yīng)用于小于4GHz的低頻率領(lǐng)域。碳化硅基氮化鎵射頻器件同時(shí)具備了碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢(shì)，隨著信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)流量、更高工作頻率和帶寬等需求的不斷增長(zhǎng)，氮化鎵器件在基站中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。氮化鎵射頻器件正在取代LDMOS在通信宏基站、雷達(dá)及其他寬帶領(lǐng)域的應(yīng)用。根據(jù)Yole預(yù)測(cè)，至2025年，功率在3W以上的射頻器件市場(chǎng)中，砷化鎵器件市場(chǎng)份額基本維持不變的情況下，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基LDMOS份額，占據(jù)射頻器件市場(chǎng)約50%的份額。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告27 圖41：不同類型射頻器件市場(chǎng)份額預(yù)測(cè)(功率在3W以上) 圖42：不同材料微波射頻器件的應(yīng)用范圍對(duì)比在應(yīng)用方面，5G通信推動(dòng)著碳化硅成為射頻器件的主流材料。5G通訊高頻、高速、高功率的特點(diǎn)對(duì)微波射頻器件提出了更高要求，對(duì)目前采用的砷化鎵和硅基LDMOS器件提出了挑戰(zhàn)。不同于砷化鎵和硅基LDMOS器件的固有缺陷，如高頻段性能差、功率效率較差等。由于半絕緣型碳化硅襯底制備的氮化鎵射頻器件在高頻段表現(xiàn)良好、能抗高溫高壓，具有高功率處理能力，已逐步成為5G時(shí)代較大基站功率放大器的候選技術(shù)。 伴隨全球氮化鎵射頻器件市場(chǎng)規(guī)模的增長(zhǎng)，半絕緣型碳化硅襯底市場(chǎng)預(yù)有望持續(xù)增長(zhǎng)。半絕緣型襯底主要用于5G基站、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等方向，隨著5G建設(shè)的加速，尤其是MassiveMIMO技術(shù)的推廣，碳化硅基氮化鎵器件市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。根據(jù)YOLE的數(shù)據(jù)，2020年封裝的氮化鎵射頻器件市場(chǎng)規(guī)模約為8.91億美元，其中超過(guò)99%都是采用碳化硅襯底，到2026年，這部分市場(chǎng)規(guī)模有望增長(zhǎng)至22.22億美元，年復(fù)合增速17%。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告28 圖44：碳化硅基氮化鎵器件市場(chǎng)規(guī)模變化(百萬(wàn)美元)行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告293國(guó)際巨頭壟斷行業(yè)，各環(huán)節(jié)產(chǎn)能緊缺持續(xù)3.1全球襯底產(chǎn)能緊缺，SiC與IGBT雙雄并驅(qū)當(dāng)前新能源汽車(chē)、光伏、儲(chǔ)能等領(lǐng)域?qū)iC器件需求強(qiáng)勁，其中新能源汽車(chē)將消耗掉全球大部分SiC襯底產(chǎn)能，全球襯底產(chǎn)能持續(xù)緊缺。以特斯拉Model3為例，根據(jù)特斯拉Model3主驅(qū)逆變器拆解來(lái)看，其中包括六個(gè)模塊，每個(gè)模塊由4個(gè)SiC小模塊并聯(lián)，型號(hào)為意法半導(dǎo)體的STGK026。拆開(kāi)封裝來(lái)看，每顆SiC小模塊有2個(gè)SiC裸晶(Die)，因此該逆變器共有48顆電壓/電流規(guī)格為650V/100A的SiCMOSFET芯片，單芯片的面積約33平方毫圖45：特斯拉Model3逆變器拆解圖 圖46：特斯拉Model3逆變器小模塊一片6英寸SiC襯底面積約17663平方毫米，根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，生產(chǎn)32平方毫米大小SiCMOSFET過(guò)程中6英寸襯底邊緣損耗為14%，我們假設(shè)60%的器件制造良率，則單片6英寸襯底可產(chǎn)出約276個(gè)良品，則單片6英寸襯底可供應(yīng)約5.75輛新能源車(chē)的主驅(qū)逆變器。根據(jù)中研網(wǎng)數(shù)據(jù)，2022年全球新能源乘用車(chē)的銷量有望達(dá)到1000萬(wàn)輛左右，若主驅(qū)逆變器全部采用SiCMOSFET，則共需約174萬(wàn)片6英寸SiC襯底。而目前全球SiC襯底總年產(chǎn)能約在40萬(wàn)~60萬(wàn)片等效6英寸，SiC襯底產(chǎn)能持續(xù)緊缺，SiCMOSFET與Si-IGBT將在未來(lái)長(zhǎng)期并駕齊驅(qū)。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告30 圖47：?jiǎn)纹?英寸襯底可供應(yīng)主驅(qū)逆變器數(shù)量由于當(dāng)前碳化硅行業(yè)仍處于較為初期階段，碳化硅襯底本身生產(chǎn)效率低、良率低，襯底、外延、器件制造等環(huán)節(jié)產(chǎn)能仍然緊缺，導(dǎo)致碳化硅器件價(jià)格較硅基器件較高。以特斯拉Model3為例，其主驅(qū)動(dòng)逆變器采用了48個(gè)SiCMOSFET，總成本約為5000元，是硅基IGBT的3~5倍。隨著全球碳化硅襯底產(chǎn)能不斷增長(zhǎng)，供給不斷增加，我們假設(shè)碳化硅器件價(jià)格保持年降10%的速度，新能源汽車(chē)主驅(qū)逆變器中碳化硅模塊的滲透率保持每年5ppts的增速，則我們測(cè)算2026年全球新能源汽車(chē)主驅(qū)逆變器中SiC器件市場(chǎng)規(guī)模約為44億美元。表11：新能源汽車(chē)主驅(qū)逆變器SiC市場(chǎng)空間測(cè)算202202020212022E2023E2024E2025E2026E新能源車(chē)銷量(萬(wàn)輛)31265310481405186724942958yoyyoy(%)1%SiC主驅(qū)滲透率//15%20%25%30%35%SiCSiC主驅(qū)汽車(chē)銷量(萬(wàn)輛)//67單車(chē)價(jià)值量(元)/500045004050364532812952市市場(chǎng)空間(億元)//市場(chǎng)空間(億美元)//4新能源汽車(chē)OBC中對(duì)SiCMOSFET的需求亦有較大增長(zhǎng)。對(duì)于800V高壓平臺(tái)，新能源汽車(chē)需配置11KW以上的雙向OBC。根據(jù)Wolfspeed的數(shù)據(jù)，22KW雙向OBC中需使用14顆SiCMOSFET，其中AC-DC側(cè)需要6顆，DC-DC側(cè)需要8顆。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告31 圖48：22KW雙向OBC中SiCMOSFET拓?fù)鋱D由于主驅(qū)逆變器中使用的SiCMOSFET相較于OBC中的SiCMOSFET規(guī)格較高，因此汽車(chē)OBC中的SiC器件滲透率有望超過(guò)主驅(qū)逆變器，我們假設(shè)2026年新能源汽車(chē)OBC中SiC器件滲透率為70%，且單車(chē)價(jià)值量年降10%，則我們測(cè)算2026年全球新能源汽車(chē)OBC中SiC器件市場(chǎng)規(guī)模約為9億美元。表12：新能源汽車(chē)車(chē)載充電機(jī)SiC市場(chǎng)空間測(cè)算202202020212022E2023E2024E2025E2026E量(萬(wàn))31265310481405186724942958yoyyoy(%)1%SiCOBC滲透率//////70%COBC//////單車(chē)價(jià)值量(元)/490441397357321289市市場(chǎng)空間(億元)//////市場(chǎng)空間(億美元)//////9新能源汽車(chē)、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能等應(yīng)用對(duì)全球碳化硅器件的需求大增，而襯底供應(yīng)商擴(kuò)產(chǎn)緩慢，每輪擴(kuò)產(chǎn)需要至少一年半到兩年，產(chǎn)能的釋放滯后于需求的快速增長(zhǎng)。根據(jù)天科合達(dá)招股書(shū)的披露，從規(guī)劃建廠到竣工驗(yàn)收并投產(chǎn)需要8個(gè)季度，當(dāng)前供給端的擴(kuò)產(chǎn)速度無(wú)法滿足需求端的增長(zhǎng)，導(dǎo)致襯底產(chǎn)能較為緊缺。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告32 圖49：天科合達(dá)建設(shè)周期國(guó)際巨頭壟斷SiC行業(yè)，國(guó)產(chǎn)廠商逐步破局Wolfspeed是全球最大的導(dǎo)電型碳化硅襯底制造商，根據(jù)2021年11月Wolfspeedinvestorday披露數(shù)據(jù)，2020年其導(dǎo)電型襯底市占率約為62%；第二名是美國(guó)Ⅱ-Ⅵ公司，市占率14%；第三名是SiCrystal，市占率13%。前三名市占率之和接近90%。Wolfspeed公司的前身為Cree公司，2019年3月，Cree公司宣布將照明產(chǎn)品業(yè)務(wù)部CreeLighting出售給家族企業(yè)IDEALINDUSTRIES，CreeLighting包括商業(yè)應(yīng)用、工業(yè)應(yīng)用及消費(fèi)者用LED照明燈具、光源和照明解決方案業(yè)務(wù)。Cree完成照明和LED業(yè)務(wù)的出售后，完全轉(zhuǎn)型為一家專注于寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)品的公司。2021年10月，公司名稱從Cree,Inc.更改為Wolfspeed，Wolfspeed擁有從襯底到器件的全產(chǎn)業(yè)鏈布局，是全球SiC行業(yè)的龍頭。 圖50：2020年導(dǎo)電型襯底市占率4%2%資料來(lái)源：Yole，民生證券研究院圖51：Wolfspeed營(yíng)收(百萬(wàn)美元)及增速00Wolfspeed營(yíng)收YoYFY2017FY2018FY2019FY2020FY2021FY2022%行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告33半絕緣型襯底方面，全球市場(chǎng)依然是Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ等海外公司主導(dǎo)，但國(guó)內(nèi)廠商天岳先進(jìn)迎來(lái)突破。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2020年Wolfspeed在半絕緣型SiC襯底市場(chǎng)的占有率為32%，Ⅱ-Ⅵ為35%，整體看仍然是西方巨頭壟斷的市場(chǎng)。國(guó)產(chǎn)SiC襯底廠商天岳先進(jìn)市占率提升迅速，2019年公司的市占率僅18%，但2020年已達(dá)30%。隨著天岳先進(jìn)產(chǎn)能進(jìn)一步擴(kuò)充，市占率有望進(jìn)一步提升。 圖52：2020年全球半絕緣型襯底市占率全球碳化硅器件市場(chǎng)格局仍由海外巨頭主導(dǎo)。根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2021年全球SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模為10.90億美元，市場(chǎng)份額由海外巨頭意法半導(dǎo)體、Wolfspeed、羅姆、英飛凌、三菱電機(jī)、安森美等廠商壟斷，全球TOP6占據(jù)99%的市場(chǎng)份額。 圖53：2021年全球SiC功率器件市場(chǎng)格局3%1%7%%23%41%英飛凌wolfspeed羅姆三菱電機(jī)其他本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請(qǐng)務(wù)必閱讀最后一頁(yè)免責(zé)聲明證券研究報(bào)告34表13：2021年全球SiC器件廠商排名排排名地區(qū)公司2020營(yíng)收 (百萬(wàn)美元)2021營(yíng)收 (百萬(wàn)美元)YoY1歐洲意法半導(dǎo)體29045055%22凌3北美Wolfspeed10816553%445北美