碳化硅行業(yè)研究報(bào)告

碳化硅行業(yè)研究報(bào)告導(dǎo)語(yǔ)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(chǎng)強(qiáng)高、電子飽和漂移速率高等特點(diǎn)。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(chǎng)強(qiáng)高、電子飽和漂移速率高等特點(diǎn)。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(chǎng)強(qiáng)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(shì)?；谶@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(zhǎng)、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105Ω·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(jìn)一步制成器件。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(dá)等領(lǐng)域。在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層制得碳化硅外延片，可進(jìn)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(guó)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(zhǎng)、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(shí)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(gè)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(fù)責(zé)器件及模組的制造。當(dāng)前，國(guó)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(shì)

SiCMOSFET較IGBT可同時(shí)具備耐高壓、低損耗和高頻三大優(yōu)勢(shì)。1）碳化硅擊穿電場(chǎng)強(qiáng)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SiCMOSFET泄漏電流較硅基IGBT大幅減少，降低導(dǎo)電損耗。同時(shí)，SiCMOSFET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(kāi)關(guān)時(shí)間，開(kāi)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(diǎn)，較IGBT具備高頻優(yōu)勢(shì)。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(lái)的1/10。碳化硅助力新能源汽車實(shí)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(shí)，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(jí)中，碳化硅功率模塊的體積顯著小于硅基模塊，進(jìn)一步助力新能源汽車實(shí)現(xiàn)輕量化。2）SiCMOSFET器件較硅基IGBT在開(kāi)關(guān)損耗、導(dǎo)電損耗等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，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(cè)SiCMOSFET的應(yīng)用有助于提升電動(dòng)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SiCMOSFET的高頻特性，SiC的應(yīng)用能夠顯著減少電容、電感等被動(dòng)元件的應(yīng)用，簡(jiǎn)化周邊電路設(shè)計(jì)。從特斯拉的方案來(lái)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Model3在主逆變器中率先采用SiC方案（搭意法半導(dǎo)體的SiCMOSFET模組），替代原先ModelX主逆變器方案（搭載英飛凌的IGBT單管）。對(duì)比產(chǎn)品參數(shù)可知，所用SiCMOSFET的反應(yīng)恢復(fù)時(shí)間和開(kāi)關(guān)損耗均顯著降低。同時(shí)，Model3主逆變器上有24個(gè)SiC模塊，每個(gè)模塊內(nèi)含2顆SiC裸晶，共用到48顆SiCMOSFET，如果仍采用ModelX的IGBT，則需要54-60顆。該方案使得Model3主逆變器的整體結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)潔、整體質(zhì)量和體積更輕、功率密度更高。2全球SiC市場(chǎng)處于高速成長(zhǎng)階段，國(guó)內(nèi)廠商存廣闊替代空間乘碳中和之東風(fēng)，2025年市場(chǎng)規(guī)模有望較2020年翻5倍2020年全球SiC器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)11.84億美元，預(yù)計(jì)到2025年有望增長(zhǎng)至59.79億美元，對(duì)應(yīng)CAGR為38.2%。根據(jù)我們的測(cè)算，在碳中和趨勢(shì)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(chǎng)規(guī)模有望從2020年的2.92億美元增長(zhǎng)至2025年的38.58億美元，對(duì)應(yīng)CAGR為67.6%；5G、國(guó)防驅(qū)動(dòng)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(chǎng)規(guī)模有望從2020年的8.92億美元增長(zhǎng)至2025年的21.21億美元，對(duì)應(yīng)CAGR為18.9%。下游SiC功率及射頻器件高速增長(zhǎng)的需求也將帶動(dòng)SiC材料市場(chǎng)規(guī)?？焖俪砷L(zhǎng)，按照SiC材料在SiC器件中價(jià)值量占比50%計(jì)算（根據(jù)CASA），預(yù)計(jì)將由2020年的5.92億美元增長(zhǎng)至2025年的29.90億美元，對(duì)應(yīng)CAGR為38.2%。從下游領(lǐng)域來(lái)看，我們認(rèn)為新能源汽車為SiC市場(chǎng)的核心驅(qū)動(dòng)力。新能源汽車逐步向800V架構(gòu)時(shí)代邁進(jìn)，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(shì)更加明顯。同時(shí)隨著全球產(chǎn)能開(kāi)出及良率提升，SiC價(jià)格下探將驅(qū)動(dòng)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(cè)算，2020年全球SiC器件市場(chǎng)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(jì)到2025年占比將提升至50.26%，為第一大驅(qū)動(dòng)力。此外，基于SiC較IGBT的性能優(yōu)勢(shì)，隨著SiC器件及模塊成本的下降，我們預(yù)計(jì)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(jì)市場(chǎng)規(guī)模占比到2025年提升至8.84%；工控市場(chǎng)規(guī)模占比到2025年提升至5.43%。海外廠商普遍看好SiC市場(chǎng)空間，相關(guān)業(yè)務(wù)業(yè)績(jī)展望樂(lè)觀Wolfspeed看好碳化硅器件與材料廣闊市場(chǎng)空間,預(yù)計(jì)2026年將分別突破89/17億美元。（1）碳化硅器件方面，Wolfspeed預(yù)計(jì)2022年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到43億美元，2024年進(jìn)一步增長(zhǎng)至66億美元，并于2026年突破89億美元。碳化硅器件市場(chǎng)增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自電動(dòng)汽車、射頻、工業(yè)及能源領(lǐng)域，其中，在電動(dòng)汽車大勢(shì)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(shì)日益凸顯，Wolfspeed預(yù)計(jì)2026年汽車器件將占據(jù)超50%的市場(chǎng)規(guī)模，2023-2026年CAGR達(dá)30%；此外，隨成本下降，碳化硅器件在工業(yè)市場(chǎng)的應(yīng)用將更加廣泛，Wolfspeed預(yù)計(jì)遠(yuǎn)期有望創(chuàng)造超400億美元市場(chǎng)空間。（2）碳化硅材料方面，Wolfspeed認(rèn)為市場(chǎng)供應(yīng)將持續(xù)增加，但產(chǎn)能仍將供不應(yīng)求，Wolfspeed預(yù)計(jì)2022年碳化硅材料市場(chǎng)達(dá)7億美元，2024年進(jìn)一步增長(zhǎng)至12億美元，并于2026年突破17億美元，2022至2026年增長(zhǎng)近2.5倍。同時(shí)，公司預(yù)期150mm向200mm工藝節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)變將帶來(lái)成本優(yōu)化，進(jìn)一步促進(jìn)市場(chǎng)需求擴(kuò)增。市場(chǎng)空間逐步打開(kāi)，碳化硅材料及器件主要供應(yīng)商業(yè)績(jī)展望樂(lè)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(cè)算，Wolfspeed在碳化硅材料市場(chǎng)份額長(zhǎng)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(zhǎng)期意向訂單達(dá)13億美元。Wolfspeed預(yù)計(jì)在電動(dòng)汽車及5G等終端對(duì)碳化硅器件的強(qiáng)勁需求驅(qū)動(dòng)下，2024財(cái)年公司營(yíng)收有望達(dá)15億美元，2026財(cái)年增長(zhǎng)至21億美元。英飛凌同樣為推動(dòng)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(cè)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(chǎng)30%市場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)格局：襯底及外延市場(chǎng)集中度高，器件領(lǐng)域海外廠商占絕對(duì)主導(dǎo)碳化硅襯底市場(chǎng)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(chǎng)規(guī)模分別達(dá)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(chǎng)。2020年Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ及山東天岳占據(jù)98%市場(chǎng)份額，市場(chǎng)高度集中。從產(chǎn)品規(guī)格上看，Wolfspeed已實(shí)現(xiàn)4英寸及6英寸產(chǎn)品量產(chǎn)并開(kāi)始建設(shè)8英寸產(chǎn)線，國(guó)內(nèi)廠商山東天岳雖市占率行業(yè)領(lǐng)先，但公司預(yù)計(jì)2023年方能實(shí)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(chǎng)Wolfspeed一家獨(dú)大。Wolfspeed憑借較早布局先發(fā)優(yōu)勢(shì)，在良率及產(chǎn)能上遙遙領(lǐng)先，2020年占據(jù)60%市場(chǎng)份額，Ⅱ-Ⅵ以11%市場(chǎng)份額位居第二。Wolfspeed、ShowaDenko雙寡頭壟斷碳化硅外延片市場(chǎng)。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，IndustryResearch測(cè)算2020年全球碳化硅外延片市場(chǎng)規(guī)模約為1.72億美元。據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2020年Wolfspeed與ShowaDenko分別占據(jù)碳化硅導(dǎo)電型外延片市場(chǎng)52%和43%的市場(chǎng)份額，合計(jì)高達(dá)95%，具備顯著的制備技術(shù)優(yōu)勢(shì)。其他碳化硅外延供應(yīng)商包括Ⅱ-Ⅵ、Norstel、羅姆、三菱電機(jī)、英飛凌，占據(jù)市場(chǎng)較小份額。國(guó)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(shí)力，待產(chǎn)能進(jìn)一步釋放。歐美廠商占據(jù)SiC功率器件市場(chǎng)主要份額。SiC功率器件制造工藝壁壘較高，目前市場(chǎng)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(chǎng)集中度高于IGBT器件及模塊市場(chǎng)。據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2020年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約5~6億美元，市場(chǎng)CR5達(dá)90.8%，顯著高于IGBT器件及模塊市場(chǎng)的62.8%和66.7%，歐美廠商占據(jù)主要市場(chǎng)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(dòng)汽車的SiCMOSFET模塊，與特斯拉的合作為其累積大量市場(chǎng)份額，2020年達(dá)40.5%。國(guó)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(rùn)、基本半導(dǎo)體、華潤(rùn)微等市場(chǎng)份額較小，但由于行業(yè)處于早期階段，格局尚未定型，國(guó)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(shí)刻，SiC滲透的核心驅(qū)動(dòng)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(chǎng)景主要為逆變器、OBC、及直流充電樁。我們認(rèn)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(lái)隨著：1）特斯拉、比亞迪等頭部新能源車廠帶來(lái)的“示范效應(yīng)”，更多車企將會(huì)逐步采用SiC方案；2）碳化硅器件價(jià)格逐步下降，成本經(jīng)濟(jì)效益不斷提升；3）800V架構(gòu)時(shí)代來(lái)臨，SiC在高壓下較IGBT性能優(yōu)勢(shì)更為明顯，損耗降低幅度更大。我們認(rèn)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(jìn)入快速滲透期。2018年，特斯拉Model3率先使用由意法半導(dǎo)體提供的SiCMOSFET，開(kāi)啟電動(dòng)汽車使用SiC先河，隨后比亞迪、保時(shí)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SiCMOSFET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(jìn)入快速增長(zhǎng)階段，國(guó)內(nèi)外眾多車型均開(kāi)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(lái)幾年，小鵬、捷豹、路虎、雷諾等越來(lái)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(shí)現(xiàn)輕量化為大勢(shì)所趨。新能源車充電及里程焦慮凸顯，800V架構(gòu)時(shí)代來(lái)臨充電焦慮逐漸成為當(dāng)前電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵的問(wèn)題，800V架構(gòu)是解決充電焦慮的主流方案。電動(dòng)車普及過(guò)程中主要面臨續(xù)航和充電兩大問(wèn)題。續(xù)航里程目前已不是最大阻礙，根據(jù)蔚來(lái)、特斯拉、小鵬等的官網(wǎng)，主流品牌電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程約在500公里左右，即將推出的蔚來(lái)ET7、理想X01等預(yù)計(jì)續(xù)航里程超800公里。對(duì)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(guò)程中的熱量，需要更粗的線束同時(shí)對(duì)系統(tǒng)散熱要求更高。此外，根據(jù)新出行測(cè)評(píng)，特斯拉大電流V3超充樁在大部分時(shí)間內(nèi)并不能達(dá)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(shí)，減小電損耗。2019年保時(shí)捷推出全球首個(gè)量產(chǎn)的800V架構(gòu)電動(dòng)車Taycan，可實(shí)現(xiàn)充電15分鐘將Taycan電量從0提升至80%。此后，國(guó)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(jì)劃發(fā)布800V高壓快充平臺(tái)，小鵬G9可實(shí)現(xiàn)“充電5分鐘，續(xù)航200公里”。我們認(rèn)為，800V架構(gòu)時(shí)代正加速到來(lái)。此外，800V系統(tǒng)可有效減少車身重量，實(shí)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(dòng)整車實(shí)現(xiàn)25kg的重量降低，從而提升續(xù)航。主逆變器：800V系統(tǒng)下SiCMOSFET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SiCMOSFET方案替代IGBT方案，如特斯拉Model3、比亞迪漢高性能版等。Model3共用到48顆意法半導(dǎo)體的SiCMOSFET，如果仍采用ModelX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(jià)格計(jì)算，實(shí)際大批量采購(gòu)價(jià)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(rèn)為800V架構(gòu)下SiCMOSFET在新能源車的主逆變器中滲透率將進(jìn)一步提升?？紤]到成本因素，會(huì)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，1200VSiCMOSFET較IGBT總損耗更低，在常用的25%負(fù)載下，SiCMOSFET損耗最多低于IGBT80%，在100%負(fù)載下，SiCMOSFET損耗最多低于IGBT60%。2）高壓下性能優(yōu)勢(shì)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(jī)等均推出了1200V的車規(guī)級(jí)IGBT，但對(duì)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(tái)下，SiCMOSFET能夠比IGBT器件擁有2-4%的效率提升；而在750V電壓平臺(tái)下其提升幅度則可增大至3.5-8%。對(duì)比市場(chǎng)上的領(lǐng)先SiCMOSFET和IGBT器件參數(shù)可知，1200VSiC產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)較650V產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)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(guò)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(duì)于一個(gè)210kW的逆變器，若采用全SiCMOSFET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(kāi)關(guān)損耗和總損耗分別縮小為原來(lái)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(duì)應(yīng)的冷卻系統(tǒng)體積也將得以簡(jiǎn)化。OBC：SiC助力實(shí)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(jí)PFC電路和后級(jí)DC/DC輸出電路兩部分組成。二極管和開(kāi)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(shí)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(qiáng)。OBC的前級(jí)PFC電路和后級(jí)DC/DC輸出電路中會(huì)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(kāi)通關(guān)斷速度等。相比于硅基SBD，SiCSBD的最大優(yōu)勢(shì)在于IR可以忽略不計(jì)，使得反向恢復(fù)損耗極低，在PFC電路使用SiCSBD可有效提升PFC電路效率。同時(shí)，QC、VF兩個(gè)主要參數(shù)相比硅基二極管也具有優(yōu)勢(shì)，在后級(jí)輸出電路中使用SiCSBD可以進(jìn)一步提升輸出整流的效率。同時(shí)，由于SiC材料的優(yōu)勢(shì)，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(shì)。此外，SiC二極管可實(shí)現(xiàn)更高頻率及功率密度，從而提升系統(tǒng)整體效率。全SiCMOSFET方案降低OBC系統(tǒng)尺寸、重量和成本，同時(shí)提高運(yùn)行效率。根據(jù)Wolfspeed的研究，采用全SiCMOSFET方案的22kW雙向OBC，可較Si方案實(shí)現(xiàn)功率器件和柵極驅(qū)動(dòng)數(shù)量都減少30%以上，且開(kāi)關(guān)頻率提高一倍以上，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化和整體運(yùn)行效率提升。SiC系統(tǒng)在3kW/L的功率密度下可實(shí)現(xiàn)97%的峰值系統(tǒng)效率，而SiOBC僅可在2kW/L的功率密度下實(shí)現(xiàn)95%的效率。同時(shí)，進(jìn)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(dòng)和磁性元件。因此，盡管相比單個(gè)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(jià)差持續(xù)收窄，具備經(jīng)濟(jì)效益指日可待SiC器件價(jià)格持續(xù)下降，與硅基器件價(jià)差已縮小至2-3倍。SiCSBD方面，根據(jù)Mouser數(shù)據(jù)顯示，公開(kāi)報(bào)價(jià)方面，650V的SiCSBD2020年底與Si器件的價(jià)差在3.8倍左右；1200V的SiCSBD的平均價(jià)與Si器件的差距在4.5倍左右。根據(jù)CASAResearch，實(shí)際成交價(jià)低于公開(kāi)報(bào)價(jià)。2020年，650V的SiCSBD的實(shí)際成交價(jià)格約0.7元/A；1200V的SiCSBD價(jià)格約1.2元/A，較上年下降了20%-30%，實(shí)際成交價(jià)與Si器件價(jià)差已經(jīng)縮小至2-2.5倍之間。SiCMOSFET實(shí)際成交價(jià)格方面，根據(jù)CASAResearch，650V的SiCMOSFET價(jià)格0.9元/A；1200V的SiCMOSFET價(jià)格1.4元/A，較2019年下降幅度達(dá)30%-40%，與Si器件價(jià)差也縮小至2.5-3倍之間，基本達(dá)到甜蜜點(diǎn)，將加速SiCMOS器件的市場(chǎng)滲透。綜上，目前SiCMOSFET單價(jià)約為IGBT單價(jià)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SiCMOSFET，考慮到器件節(jié)約，我們預(yù)計(jì)成本將增加3000-4000元左右。以當(dāng)前成本來(lái)看，根據(jù)寧德時(shí)代、松下、LG新能源等的電池成本數(shù)據(jù)，電動(dòng)車動(dòng)力電池度電單價(jià)約為750元，我們認(rèn)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(dòng)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(jià)格為41250/24000元。根據(jù)豐田的實(shí)驗(yàn)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(cè)算，若僅考慮電池成本節(jié)約，當(dāng)SiCMOSFET成本下降到IGBT器件成本的2倍左右時(shí)，將具備經(jīng)濟(jì)效益。若考慮使用SiC帶來(lái)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)SiCMOSFET成本下降到IGBT成本的2-2.5倍時(shí)采用SiC方案就將具備經(jīng)濟(jì)效益。預(yù)計(jì)2025年全球新能源汽車SiC市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到30.1億美元根據(jù)我們的測(cè)算，2020年全球新能源汽車SiC器件及模塊市場(chǎng)規(guī)模為2.7億美元，預(yù)計(jì)到2025年達(dá)30.1億美元，對(duì)應(yīng)CAGR為62.3%；由此帶來(lái)的2020年對(duì)SiC晶圓（6寸）的消耗量達(dá)13.7萬(wàn)片，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)199.6萬(wàn)片，對(duì)應(yīng)CAGR為71.0%。我們認(rèn)為全球新能源汽車滲透率的快速提升將驅(qū)動(dòng)SiC市場(chǎng)規(guī)模高速增長(zhǎng)，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(jià)值量、不同零部件SiC滲透率等假設(shè)來(lái)進(jìn)行測(cè)算。我們的核心假設(shè)如下：1）新能源汽車銷量：我們預(yù)計(jì)全球新能源汽車銷量將由2020年的277.3萬(wàn)輛增長(zhǎng)至2025年的2,121.7萬(wàn)輛，對(duì)應(yīng)CAGR為50.2%，其中中國(guó)大陸和北美市場(chǎng)為主要驅(qū)動(dòng)力，CAGR分別為56.3/79.0%。2）SiC滲透率：我們認(rèn)為SiC在新能源汽車中的應(yīng)用場(chǎng)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(jì)性能優(yōu)勢(shì)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(lái)、雷諾、路虎等車企宣布將在2022年開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用碳化硅方案，我們預(yù)計(jì)SiC方案滲透將在2022年開(kāi)始加速。3）單車價(jià)值量：目前在主逆變器中的應(yīng)用主要為SiC模塊，價(jià)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(jià)值量約為500/40美金，我們認(rèn)為隨著產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的成熟、上游積極擴(kuò)產(chǎn)，單車碳化硅成本將逐漸下降，對(duì)IGBT的成本溢價(jià)將不斷縮小。4）消耗晶圓數(shù)：根據(jù)我們對(duì)SiC模塊和器件的市場(chǎng)規(guī)模的測(cè)算，根據(jù)單個(gè)晶圓能夠切割SiC模塊/器件的數(shù)量，由此測(cè)算新能源汽車市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)高效快充。政策方面，《2020年政府工作報(bào)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(jiàn)》中指出要加強(qiáng)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(zhǔn)交流電充電方式速度大幅提高，一個(gè)150kW的直流充電器可以在大約15分鐘內(nèi)為電動(dòng)汽車增加200公里續(xù)航，隨電動(dòng)汽車滲透率進(jìn)一步提高，直流電充電方案需求將同步提升。Yole預(yù)計(jì)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(guò)30%的CAGR增長(zhǎng)，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(shì)，可被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車直流充電方案中AD-DCPFC、DC-DC以及閘門驅(qū)動(dòng)器等環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)更高效電動(dòng)車直流充電方案。1）SiCMOSFET可簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)充電效率提升。根據(jù)英飛凌，在DC/DC中，使用4顆1200VSiCMOSFET替代8顆650V硅基MOSFET，在同樣功率下，可將原來(lái)的兩相全橋LLC電路簡(jiǎn)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SiCMOSFET可將三相Vienna整流器拓?fù)潆娐泛?jiǎn)化為兩相結(jié)構(gòu)，器件數(shù)量減少50%實(shí)現(xiàn)效率提升。同時(shí)，SiCMOSFET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(shí)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(shí)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(lái)可期據(jù)天科合達(dá)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(lái)源之一。根據(jù)英飛凌，使用SiCMOSFET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(dòng)發(fā)電系統(tǒng)在體積、壽命及成本上實(shí)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(lái)，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(jìn)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(jì)2025年將增長(zhǎng)至50%。高效、高功率密度、高可靠和低成本為光伏逆變器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，SiC器件有望迎來(lái)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(jī)3300V、1500A全碳化硅功率模塊逆變器，開(kāi)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，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。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(shí)現(xiàn)成熟應(yīng)用。綜上，我們測(cè)算2020年全球SiC功率器件市場(chǎng)規(guī)模為2.92億美元，受新能源車、光伏、工控等需求驅(qū)動(dòng)，預(yù)計(jì)到2025年將增長(zhǎng)至38.58億美元，對(duì)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(chǎng)規(guī)模比重分別為77.88/13.71/8.41%。射頻：5G推動(dòng)GaN-on-SiC需求提升5G發(fā)展推動(dòng)碳化硅基氮化鎵器件需求增長(zhǎng)，市場(chǎng)空間廣闊。微波射頻器件中功率放大器直接決定移動(dòng)終端和基站無(wú)線通訊距離、信號(hào)質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)，5G通訊高頻、高速、高功率特點(diǎn)對(duì)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(shí)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(shì)，在功率放大器上的應(yīng)用可滿足5G通訊對(duì)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(jìn)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(cè)，2024年碳化硅基氮化鎵功率器件市場(chǎng)有望突破20億美元，2027年進(jìn)一步增長(zhǎng)至35億美元。根據(jù)我們的預(yù)測(cè)，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(shì)將逐步凸顯，我們測(cè)算2020年全球碳化硅射頻器件市場(chǎng)規(guī)模為8.92億美元，預(yù)計(jì)到2025年將增長(zhǎng)至21.21億美元，對(duì)應(yīng)CAGR為18.9%，和Yole和Wolfspeed預(yù)測(cè)基本一致。4SiC材料：產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)，國(guó)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(jì)價(jià)值量占比超60%。在傳統(tǒng)硅基器件制造過(guò)程中，需要在硅片基礎(chǔ)上進(jìn)行氧化、涂層、曝光、光刻、刻蝕、清洗等多個(gè)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(zhǎng)速度緩慢，為關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，占據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈主要價(jià)值量。據(jù)CASAResearch數(shù)據(jù)顯示，在傳統(tǒng)硅基器件中，硅片前道處理附加價(jià)值量達(dá)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(jì)達(dá)到75%，為產(chǎn)業(yè)鏈中價(jià)值量最高環(huán)節(jié)。此外，襯底和外延質(zhì)量對(duì)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(diǎn)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≥105Ω·cm）的半絕緣型碳化硅襯底，經(jīng)GaN外延生長(zhǎng)可制成射頻器件。半絕緣型碳化硅襯底的制備過(guò)程追求“絕對(duì)純凈”，去除晶體中的各種雜質(zhì)對(duì)實(shí)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(zhǎng)可進(jìn)一步制成SiC二極管、SiCMOSFET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(guò)程中，電阻率易發(fā)生分布不均情況，仍需更好擴(kuò)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(dòng)力學(xué)、半導(dǎo)體物理、化學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真模擬、機(jī)械等多學(xué)科交叉知識(shí)的應(yīng)用，其制備過(guò)程與硅基相似，但技術(shù)難度更高，需要長(zhǎng)時(shí)間積累。具體流程包括原料合成、晶體生長(zhǎng)、晶碇加工、晶體切割、晶片研磨、晶片拋光、晶片檢測(cè)以及晶體清洗。其中，晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)是碳化硅襯底制備過(guò)程中核心難點(diǎn)，并直接決定碳化硅襯底電學(xué)性質(zhì)。目前主要晶體生長(zhǎng)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(jìn)行SiC晶圓生長(zhǎng)時(shí)，分別將高純碳化硅微粉和籽晶置于單晶生長(zhǎng)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(dòng)下輸送到溫度較低的籽晶處，在籽晶處形核、長(zhǎng)大，結(jié)晶形成碳化硅晶碇。PVT法生長(zhǎng)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(duì)生長(zhǎng)的SiC晶體純度造成嚴(yán)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(zhǎng)腔進(jìn)行反應(yīng)，形成碳化硅前驅(qū)物，再經(jīng)過(guò)氣體帶動(dòng)進(jìn)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(shì)在于在制備過(guò)程中可有效控制Si和C比例，從而實(shí)現(xiàn)晶體高純度、高質(zhì)量持續(xù)生長(zhǎng)。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(zhǎng)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(zhǎng)SiC方法，與PVT法相近，但其所用溫度更低（1800~2200℃）、壓強(qiáng)更高（達(dá)到1atm），并且原料與晶片更接近甚至緊密接觸。其最大優(yōu)點(diǎn)在于生長(zhǎng)速率很高，但受限于其固有缺陷即其所生長(zhǎng)的晶碇長(zhǎng)度不可能超過(guò)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(diǎn)（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(guò)飽和后在籽晶前端生長(zhǎng)出碳化硅晶體。使用LPE法生長(zhǎng)晶體，其徑向生長(zhǎng)速度相對(duì)可控，可實(shí)現(xiàn)無(wú)微管缺陷晶體生長(zhǎng)，但其晶體生長(zhǎng)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(cuò)密度、電阻率、彎曲度、翹曲度、表面粗糙度等多項(xiàng)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(zhǎng)方法，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(zhǎng)、同時(shí)控制各參數(shù)指標(biāo)十分復(fù)雜。此外，再將生長(zhǎng)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(jìn)一步制約生產(chǎn)效率。穩(wěn)定量產(chǎn)各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)波動(dòng)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(gè)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(zhǎng)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(guò)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(jìn)行晶體生長(zhǎng)，條件苛刻。碳化硅晶體氣相生長(zhǎng)環(huán)境要求溫度在2000℃-2500℃，壓力為350Mpa，生長(zhǎng)條件非?？量蹋鴤鹘y(tǒng)硅片制備僅需1600℃左右的溫度要求。并且高溫環(huán)境對(duì)設(shè)備和工藝的控制帶來(lái)極高要求，在生產(chǎn)中需要精確調(diào)控生長(zhǎng)溫度和壓力，稍有失誤將導(dǎo)致生長(zhǎng)數(shù)天產(chǎn)品失敗，直接造成時(shí)間和材料雙重?fù)p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(zhǎng)過(guò)程中，需精確控制硅碳比、生長(zhǎng)溫度梯度、晶體生長(zhǎng)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(zhǎng)晶速度緩慢，擴(kuò)徑技術(shù)難度高。碳化硅晶體生長(zhǎng)速度非常緩慢，每小時(shí)僅能生長(zhǎng)400微米，而硅晶棒生長(zhǎng)速度為每小時(shí)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(zhǎng)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(shí)間。同時(shí)，氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長(zhǎng)的擴(kuò)徑技術(shù)難度較大，隨著晶體尺寸擴(kuò)大，其生長(zhǎng)難度工藝呈幾何級(jí)增長(zhǎng)。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(guò)程中易導(dǎo)致開(kāi)裂問(wèn)題，而加工完成后襯底易存在翹曲等質(zhì)量問(wèn)題，工藝水平的提高需要長(zhǎng)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(lái)增強(qiáng)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(shí)摻釩工藝較為復(fù)雜，對(duì)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(guó)產(chǎn)碳化硅領(lǐng)先企業(yè)如天科合達(dá)和天岳先進(jìn)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(jìn)行長(zhǎng)晶工藝生產(chǎn)時(shí)，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(jì)國(guó)內(nèi)具備生產(chǎn)半絕緣型SiC襯底能力的廠商開(kāi)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(guó)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(guó)際廠商對(duì)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(jìn)。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(qǐng)了使用釩作為補(bǔ)償性摻雜劑的生產(chǎn)專利，并于2002年同時(shí)實(shí)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(shí)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(shì)#1：襯底尺寸不斷擴(kuò)大，8英寸襯底成本優(yōu)勢(shì)凸顯成本優(yōu)勢(shì)驅(qū)動(dòng)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(kāi)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(shí)邊緣芯片占比也顯著改善。碳化硅晶圓從6英寸擴(kuò)徑到8英寸，芯片數(shù)量將由448增長(zhǎng)至845顆，邊緣芯片占比也將從14%減少至7%，帶來(lái)單位芯片成本大幅降低。Wolfspeed于2019年開(kāi)始建設(shè)8英寸襯底產(chǎn)線，公司預(yù)計(jì)將于2024財(cái)年達(dá)產(chǎn)。Wolfspeed表示2024財(cái)年MVF晶圓廠單顆MOSFET裸片成本有望降低63%，其中28%的降本來(lái)自良率（產(chǎn)量效率）提升，25%來(lái)自規(guī)模效應(yīng)，10%來(lái)自自動(dòng)化帶來(lái)的人工成本和生產(chǎn)周期改善，襯底大尺寸帶來(lái)成本優(yōu)勢(shì)顯著。行業(yè)趨勢(shì)#2：遠(yuǎn)期產(chǎn)業(yè)鏈融合有望成為趨勢(shì)SiC襯底、外延、器件、設(shè)備未來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈垂直化整合趨勢(shì)明顯。國(guó)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(guó)外廠商方面，意法半導(dǎo)體于2019年12月收購(gòu)瑞典Norstel，開(kāi)始布局SiC襯底及外延；II-VI公司在2020年收購(gòu)Ascatron、INNOViON以及GE的SiCIP授權(quán)，進(jìn)一步垂直整合SiC業(yè)務(wù)。（2）國(guó)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(xiàng)目，將打造國(guó)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(wàn)片6英寸碳化硅晶圓。同時(shí)，碳化硅襯底、器件廠商往往與汽車等設(shè)備制造商簽訂長(zhǎng)期合作協(xié)議，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同。我們認(rèn)為未來(lái)進(jìn)入行業(yè)整合階段，頭部廠商將積極進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈上下游延伸，以提升全產(chǎn)業(yè)鏈競(jìng)爭(zhēng)力和市占率。行業(yè)趨勢(shì)#3：半絕緣型襯底國(guó)產(chǎn)化率已經(jīng)較高，導(dǎo)電型襯底成為國(guó)產(chǎn)替代焦點(diǎn)根據(jù)Yole的數(shù)據(jù)，2020年國(guó)內(nèi)廠商山東天岳在全球半絕緣型SiC襯底的市場(chǎng)份額達(dá)30%，與貳陸（35%）和Wolfspeed（33%）的份額基本相當(dāng)，整體市場(chǎng)形成寡頭的局面，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)較大程度的國(guó)產(chǎn)替代。但在另一方面，全球?qū)щ娦鸵r底市場(chǎng)由國(guó)外廠商占絕對(duì)主導(dǎo)，2020年，Wolfspeed和貳陸公司合計(jì)份額超過(guò)70%（Yole的數(shù)據(jù)），國(guó)內(nèi)廠商如天科合達(dá)具備一定的收入規(guī)模，但整體份額較小。同時(shí)導(dǎo)電型襯底對(duì)應(yīng)下游新能源車、光伏等高成長(zhǎng)性市場(chǎng)。因此我們認(rèn)為，導(dǎo)電型襯底將是現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)替代發(fā)力的焦點(diǎn)區(qū)域，存在廣闊替代空間。國(guó)產(chǎn)襯底迭代進(jìn)程加快，質(zhì)量、良率等方面仍存不小差距國(guó)產(chǎn)碳化硅產(chǎn)業(yè)起步較晚，迭代進(jìn)程加快并不斷追趕國(guó)際廠商。國(guó)內(nèi)碳化硅產(chǎn)業(yè)起步較晚，國(guó)際龍頭企業(yè)如Wolfspeed和II-VI等于20世紀(jì)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(guó)內(nèi)企業(yè)基本設(shè)立于2006年之后，最早的天科合達(dá)也于2006年實(shí)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(lái)，隨著國(guó)內(nèi)對(duì)碳化硅行業(yè)投資和政策扶持力度的加大，國(guó)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(dòng)用時(shí)顯著短于海外龍頭企業(yè)，6寸量產(chǎn)時(shí)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(dá)和天岳先進(jìn)已于2020年開(kāi)始研發(fā)8英寸碳化硅晶片的生產(chǎn)線。截至2021年，國(guó)產(chǎn)碳化硅廠商的4英寸和6英寸產(chǎn)品已基本實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和銷售，國(guó)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(guó)際廠商的差距。國(guó)產(chǎn)碳化硅襯底質(zhì)量在部分參數(shù)上比肩國(guó)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(píng)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