碳化硅第三代半導(dǎo)體之星

耐高溫高壓高頻，碳化硅電氣性能優(yōu)異碳化硅作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表在禁帶寬度擊穿電場(chǎng)熱導(dǎo)率電子和速率抗輻射能力等關(guān)鍵參數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高功率高電壓頻率的需求主要被用于制作高速高頻大功率及發(fā)光電子元器件下游應(yīng)用領(lǐng)域包括智能電網(wǎng)、新能源汽車、光伏風(fēng)電、5G通信等，在功率器件領(lǐng)域，碳化硅二極管、OET已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用。耐高溫。碳化硅的禁帶寬度是硅的2-3倍，在高溫下電子不易發(fā)生躍遷，可耐更高的工作溫度，且碳化硅的熱導(dǎo)率是硅的4-5倍，使得器件散熱更容易，極工作溫度更高。耐高溫特性可以顯著提升功率密度，同時(shí)降低對(duì)散熱系統(tǒng)的要求，使終端更加輕量和小型化。耐高壓碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的10倍能夠耐受更高的電壓更適用于電壓器件。耐高頻。碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率，導(dǎo)致其器件在關(guān)斷過(guò)程中存在電流拖尾現(xiàn)象，能有效提高器件的開(kāi)關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)器件小型化。低能量損耗碳化硅相較于硅材料具有極低的導(dǎo)通電阻導(dǎo)通損耗低同時(shí)碳硅的高禁帶寬度大幅減少泄漏電流功率損耗降低此外碳化硅器件在關(guān)斷過(guò)中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)損耗低。表1：不同半導(dǎo)體材料性能對(duì)比性能指標(biāo)aAS4-SiCaN禁帶寬度（e）1.121.433.233.42擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度（MVm-1）0.30.43.53.3熱導(dǎo)率（Wc-11）1.50.54.01.3飽和電子漂移速率（107ms-）1.01.02.02.5電子遷移率（cm2-1s-1）150085006502000《禁帶導(dǎo)體頻微波功器件電路，圖1：半導(dǎo)體材料性能對(duì)比及碳化硅器件特性資料來(lái)源：天科合達(dá)招股書(shū)，工藝難度大幅增加，長(zhǎng)晶環(huán)節(jié)是瓶頸碳化硅從材料到半導(dǎo)體功率器件會(huì)經(jīng)歷單晶生長(zhǎng)晶錠切片外延生長(zhǎng)晶圓設(shè)計(jì)造封裝等工藝流程在合成碳化硅粉后先制作碳化硅晶錠然后經(jīng)過(guò)切片打磨拋得到碳化硅襯底經(jīng)外延生長(zhǎng)得到外延片外延片經(jīng)過(guò)光刻刻蝕離子注入金屬鈍化工藝得到碳化硅晶圓，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殼中組裝成模組。襯底：晶體生長(zhǎng)為最核心工藝環(huán)節(jié)，切割環(huán)節(jié)為產(chǎn)能瓶頸以高純碳粉高純硅粉為原料合成碳化硅粉在特殊溫場(chǎng)下生長(zhǎng)不同尺寸的碳化硅晶錠再經(jīng)過(guò)多道加工工序產(chǎn)出碳化硅襯底。核心工藝流程包括：原料合成：將高純的硅粉+碳粉按配方混合，在2000°C以上的高溫條件下于反腔室內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒再通過(guò)破碎篩分清等工序，得到滿足要求的高純碳化硅粉原料。晶體生長(zhǎng)為碳化硅襯底制造最核心工藝環(huán)節(jié)決定了碳化硅襯底的電學(xué)性質(zhì)目前晶體生長(zhǎng)的主要方法有物理氣相傳輸（T高溫化學(xué)氣相沉積（H-CD）和液相外延（LE）三種方法，物理氣相傳輸法為市場(chǎng)主流工藝。晶體加工通過(guò)晶錠加工晶棒切割研磨拋光清洗等環(huán)節(jié)將碳化硅晶棒工成襯底。圖2：碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈全景圖譜 圖3：碳化硅襯底工藝流程資料來(lái)源： 天科合達(dá)招股書(shū)，晶體生長(zhǎng)：條件控制嚴(yán)、長(zhǎng)晶速度慢和晶型要求高為主要技術(shù)難點(diǎn)在晶體生長(zhǎng)和晶體加工環(huán)節(jié)均存在技術(shù)難點(diǎn)晶體生長(zhǎng)環(huán)節(jié)條件控制嚴(yán)長(zhǎng)晶速度和晶型要求高為主要技術(shù)難點(diǎn)碳化硅晶體的生長(zhǎng)溫度在2300°C以上對(duì)溫度和壓力的控制要求高；此外，碳化硅有250多種同分異構(gòu)體，其中4H-C為主流，因此需要嚴(yán)格控制硅碳比生長(zhǎng)溫度梯度及氣流氣壓等參數(shù)才能生長(zhǎng)出理想晶體同時(shí)T法長(zhǎng)晶非常緩慢，速度約為0.3-0.5mm/h7天才能生長(zhǎng)2cm最高僅能生長(zhǎng)3-5cm因此碳化硅晶錠的直徑也多為4英寸6英寸而硅基72h即可生長(zhǎng)至2-3m的高度直徑多為6英寸8英寸新投產(chǎn)能則多為12英寸。晶體生長(zhǎng)主要有物理氣相傳輸（T高溫化學(xué)氣相沉積（H-D和液相外延（LE）三種方法，其中PT法是現(xiàn)階段商業(yè)化生長(zhǎng)C襯底的主流方法，技術(shù)成熟度最高、工程化應(yīng)用最廣。T法利“升華-轉(zhuǎn)移-再生長(zhǎng)原理生長(zhǎng)碳化硅晶體高純度碳粉與硅粉按特定比例混合將形成的高純度碳化硅微粉與籽晶分別放置生長(zhǎng)爐內(nèi)坩堝的底部和頂部溫度升高至2000°C以上控制坩堝下部溫度略高于頂部形成溫度差碳化硅微粉升華成氣態(tài)2和2C后，在籽晶處重新結(jié)晶生長(zhǎng)形成碳化硅晶錠。T法長(zhǎng)晶速度慢，需要約7天才能生長(zhǎng)約2cm，且副反應(yīng)較多，原料的非一致升華導(dǎo)致生成C晶體的缺陷密度較高。H-D法是指在2000~250℃下導(dǎo)入高純度的硅烷乙烷或丙烷氫氣等氣體先在高溫區(qū)生長(zhǎng)腔反應(yīng)形成碳化硅氣態(tài)前驅(qū)物再經(jīng)由氣體帶動(dòng)進(jìn)入低溫區(qū)的籽晶端前沉積成碳化硅晶體H-D法可持續(xù)向爐腔供應(yīng)氣體原料晶可持續(xù)生長(zhǎng)使用高純氣體為原料碳化硅晶體純度更高且通過(guò)控制原料氣流量比能有效控制摻雜量晶型等生成化硅晶體缺陷較少。但H-D法的長(zhǎng)晶速度較慢，約0.4-05mm/h工藝設(shè)備昂貴，耗材成本高，長(zhǎng)晶過(guò)程中進(jìn)氣口和排氣口易堵塞。LE法利“溶解-析出原理生長(zhǎng)碳化硅晶體在1400-180℃下將碳溶解在高溫純硅溶液中，再?gòu)倪^(guò)飽和溶液中析出碳化硅晶體，需添加助熔劑增大C的溶解度。LPE法長(zhǎng)晶溫度較低減少了冷卻時(shí)由熱應(yīng)力導(dǎo)致的位錯(cuò)碳化硅晶體位錯(cuò)密度低結(jié)晶質(zhì)量高可實(shí)現(xiàn)無(wú)微管缺陷晶體生長(zhǎng)。同時(shí)，在助熔液中增加Al可獲得高載流子濃度的p型iC晶體，且相比T法，溶液法長(zhǎng)晶速度提高了5倍左右；但存在碳化硅晶體中金屬殘留的問(wèn)題，且生長(zhǎng)的晶體尺寸小，目前僅用于實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)。原理示意圖液相外延法(LPE)高溫化學(xué)氣相沉積法(HTCV原理示意圖液相外延法(LPE)高溫化學(xué)氣相沉積法(HTCV)物理氣相傳輸法(PVT)生長(zhǎng)溫度 生長(zhǎng)溫度 2300-500°C 2000-300°C 1400-800°C優(yōu)點(diǎn) 設(shè)備成本低且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)耗材成本低擴(kuò)徑難度大

可持續(xù)生晶體純度晶體缺陷長(zhǎng)晶速度

位錯(cuò)密度低長(zhǎng)晶速度快結(jié)晶質(zhì)量高摻雜可控性長(zhǎng)晶尺寸小缺點(diǎn) 長(zhǎng)晶速度慢缺陷密度高

工藝設(shè)備昂耗材成本高

金屬雜質(zhì)殘留發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)階段商業(yè)化的主流技術(shù) 已商業(yè)化使用 處于實(shí)驗(yàn)室研究階段寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，《液相法碳化硅晶體生長(zhǎng)及其物性研究》，馬來(lái)硅業(yè)有限公司官網(wǎng)，整理晶體加工：切片和薄化為主要技術(shù)難點(diǎn)晶體加工環(huán)節(jié)切片和薄化為主要技術(shù)難點(diǎn)碳化硅襯底的質(zhì)量和精度直接影響外延質(zhì)量及器件的性能因此晶片表面需光滑無(wú)缺陷無(wú)損傷粗糙度值在納米級(jí)以下然而，由于碳化硅晶體高硬高脆耐磨性好化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定使得襯底加工非常困難碳硅襯底的加工過(guò)程主要分為切片、薄化和拋光。切片是碳化硅單晶加工過(guò)程的第一道工序決定了后續(xù)薄化拋光的加工水平是整個(gè)環(huán)節(jié)的最大產(chǎn)能瓶頸所在?，F(xiàn)有的碳化硅晶圓切片大多使用金剛石線鋸，但碳化硅硬度高需要大量的金剛石線鋸和長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的加工時(shí)間，且切片過(guò)程中多達(dá)40%的晶錠以碳化硅粉塵的形式成為廢料單個(gè)晶錠生產(chǎn)出的晶圓數(shù)量少造成碳化硅功率器件成本高昂許多國(guó)外企業(yè)采用更為先進(jìn)的激光切割和冷分離技術(shù)提高切片效率，如2016年ICO開(kāi)發(fā)的激光切片技術(shù)不用經(jīng)歷研磨過(guò)程，僅需10分鐘就能切出一片6英寸碳化硅晶圓，生產(chǎn)效率提升3-5倍。碳化硅切片的薄化主要通過(guò)磨削與研磨實(shí)現(xiàn)但碳化硅斷裂韌性較低在薄化過(guò)程中開(kāi)裂導(dǎo)致碳化硅晶片的減薄非常困難目前多使用自旋轉(zhuǎn)磨削晶片自旋轉(zhuǎn)的同時(shí)主軸構(gòu)帶動(dòng)砂輪旋轉(zhuǎn)同時(shí)砂輪向下進(jìn)給實(shí)現(xiàn)減薄自旋轉(zhuǎn)磨削雖可有效提高加工效率但砂輪經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用易鈍化存在使用壽命短且晶片易產(chǎn)生表面與亞表面損傷的問(wèn)題未來(lái)將一步優(yōu)化單面研磨技術(shù)以實(shí)現(xiàn)大尺寸碳化硅晶片的加工。圖4：4-導(dǎo)電型碳化硅單晶襯底 圖5：O研發(fā)的激光切片技術(shù)相較于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)資料來(lái)源：天岳先進(jìn)， DISCO，外延：器件性能決定因素，厚度與摻雜濃度為關(guān)鍵因素與傳統(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單晶材料上須在經(jīng)過(guò)切磨拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上生長(zhǎng)一層微米級(jí)新單晶新單晶和襯底可以是相同材料也可以是不同材料稱為同質(zhì)外延或異質(zhì)外延外延層可以消除晶體生長(zhǎng)和加工時(shí)引入的表面或亞表面缺陷使晶格排列整齊表面形貌更優(yōu)外延的質(zhì)量對(duì)最終器件的性能起關(guān)鍵影響作用。圖6：4-SiC襯底和外延示意圖 圖7：EPIGRESS公司的熱壁式外設(shè)備反應(yīng)腔結(jié)構(gòu)圖資料來(lái)源： 《4H-SiC的CVD同質(zhì)外延生長(zhǎng)與表征》，碳化硅外延的制作方法包括化學(xué)氣相淀（D分子束外（ME液相外延法（LE脈沖激光淀積和升華（LD等其中D法是最為普及的4H-iC外延方法，其優(yōu)勢(shì)在于可以有效控制生長(zhǎng)過(guò)程中氣體源流量反應(yīng)室溫度及壓力精準(zhǔn)控制外延層的厚度摻雜濃度以及摻雜類型工藝可控性強(qiáng)早期碳化硅是在無(wú)偏角襯底上外延生長(zhǎng)的受多型體混合影響外延效果不理想隨后發(fā)展出臺(tái)階控制外延法在不同偏角下斜切碳化硅襯底形成高密度外延臺(tái)階在實(shí)現(xiàn)低溫生長(zhǎng)的同時(shí)穩(wěn)定晶型的控制隨后引入TS突破臺(tái)階控制外延法的限制將生長(zhǎng)速率大幅提升至傳統(tǒng)方法的10倍以上目前常用iH4H4、2H4作為反應(yīng)前驅(qū)氣體N2和TMA作為雜質(zhì)源使用4°斜切的4H-iC襯底在1500-150℃下生長(zhǎng)外延。外延參數(shù)主要取決于器件設(shè)計(jì)其中厚度和摻雜濃度外延片關(guān)鍵參數(shù)器件電壓越高，對(duì)外延厚度和摻雜濃度均勻性要求越高生產(chǎn)難度越大在600V低壓下外延厚度需達(dá)6um左右，在1200-700V中壓下，外延厚度需達(dá)10-15um左右，而在10kV的高壓下，外延厚度需達(dá)100um以上。在中、低壓應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅外延的技術(shù)相對(duì)比較成熟，外延片的厚度和摻雜濃度等參數(shù)較優(yōu)基本可以滿足中低壓的DJSOS等器件的需求而高壓領(lǐng)域，外延片需要攻克摻雜濃度均勻性和控制缺陷等問(wèn)題。圖8：厚度為3um的4SiC外延層SEM截面圖像 圖9：3、4和6英寸碳化硅外延晶片資料來(lái)源：北京第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟， 瀚天天成，下游應(yīng)用場(chǎng)景豐富，新能源帶來(lái)最大增長(zhǎng)點(diǎn)按照電學(xué)性能的不同，碳化硅材料制成的器件分為導(dǎo)電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅射頻器件兩種類型碳化硅器件的終端應(yīng)用領(lǐng)域不同導(dǎo)電型碳化硅功率器件是通過(guò)在低電阻率的導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層后進(jìn)一步加工制成，包括造肖特基二極管、OET、IGT等，主要用于電動(dòng)汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、充電等半絕緣型碳化硅基射頻器件是通過(guò)在高電阻率的半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵延層后進(jìn)一步加工制成包括ET等氮化鎵射頻器件主要用于5G通信車載通信國(guó)防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天。圖10：碳化硅器件的下游應(yīng)用領(lǐng)域 圖11：兩類碳化硅器件的不同終端應(yīng)用領(lǐng)域資料來(lái)源：公開(kāi)資料， 資料來(lái)源：3.1導(dǎo)電型碳化硅器件：新能源汽車為最大終端應(yīng)用市場(chǎng)導(dǎo)電型碳化硅器件主要用于電動(dòng)汽車光伏發(fā)電軌道交通智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)中心充電等領(lǐng)域根據(jù)ole數(shù)據(jù)2021年汽車市場(chǎng)導(dǎo)電型碳化硅功率器件規(guī)模達(dá)6.85億美元占比62.8%能源工業(yè)和交通應(yīng)用市場(chǎng)占比分別為14.1%1.6%和7.2%預(yù)計(jì)到2027年汽車市場(chǎng)導(dǎo)電型碳化硅功率器件規(guī)模達(dá)49.86億美元，占比79.2%，能源、工業(yè)和交通應(yīng)用市場(chǎng)占比分別降至7.3%，8.7%和3.0%。圖12：201年導(dǎo)電型碳化硅功率器下游應(yīng)用占比 圖13：207年導(dǎo)電型碳化硅功率器下游應(yīng)用占比預(yù)測(cè)Yole， Yole，碳化硅在電動(dòng)汽車領(lǐng)域主要用于主驅(qū)逆變器車載充電系統(tǒng)(O)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(車載)和非車載充電樁逆變器是一種將直流信號(hào)轉(zhuǎn)化為高壓交流電的裝置由于輸出電壓和輸出頻率可以任意控制所以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)汽車軌道交通白色家電電力配送等領(lǐng)域重要的功率轉(zhuǎn)換裝置。碳化硅OST在電動(dòng)汽車主驅(qū)逆變器中相比-IGBT具有明顯優(yōu)勢(shì)：碳化硅OST相比硅基IT功率轉(zhuǎn)換效率更高，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航距離可延長(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；碳化硅OST的高頻特性可使逆變器線圈電容小型化電驅(qū)尺寸可大幅減少，可聽(tīng)噪聲的降低能減少電機(jī)鐵損；碳化硅MET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。雖然當(dāng)前碳化硅器件單車價(jià)格高于-IGT，但上述優(yōu)勢(shì)可降低整車系統(tǒng)成本。218年特斯拉在odel3中首次將iIT替換為iC器件，汽車逆變器效率大幅提升，當(dāng)前越來(lái)越多的車廠如比亞迪、蔚來(lái)、小鵬、保時(shí)捷等正在轉(zhuǎn)向在電驅(qū)中使用碳化硅M器件。圖14：碳化硅器件在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用 圖15：特斯拉Mdl3采用碳化硅FET器件資料來(lái)源：英飛凌， 特斯拉，車載充電系統(tǒng)(O)可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對(duì)電池進(jìn)行充電實(shí)現(xiàn)為電動(dòng)車的高壓直流電池組充電的功能，是決定充電功率和效率的關(guān)鍵器件。碳化硅OET比i基器件能提升約50的系統(tǒng)功率密度從而能減少C的重量和體積并節(jié)省磁感器件和驅(qū)動(dòng)器件成本。電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(D/D)是轉(zhuǎn)變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉(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內(nèi)動(dòng)力轉(zhuǎn)向水泵車燈空調(diào)等低壓用電系統(tǒng)供電未來(lái)隨著電動(dòng)汽車電池電壓升至800V高壓平臺(tái)1200V的COST有望被廣泛應(yīng)用于D-DC轉(zhuǎn)換器中。高壓充電樁能有效解決充電速度和里程焦慮的問(wèn)題帶來(lái)對(duì)C器件需求的增加當(dāng)前我國(guó)的車樁比難以匹配需求車載充電及充電樁效率仍待提高因此越來(lái)越多的整車廠布局800V高壓平臺(tái)。800V高壓系統(tǒng)通常指整車高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍達(dá)到550-90V的系統(tǒng)，相較于600V平臺(tái)在同等充電功率下工作電流更小節(jié)省線束體積降低電路內(nèi)阻損耗，提高充電效率和安全率；在同等電流的情況下，800V平臺(tái)可大幅提升總功率，顯著提高電速度已成為快速直流電充電的新解決方案對(duì)于直流快速充電樁來(lái)說(shuō)充電電壓升級(jí)至800V會(huì)帶來(lái)充電樁中的iC功率器件需求大增與MT/IT單管設(shè)計(jì)的15-30kW相比，iC模塊可將充電模塊功率提高至60kW以上，且和硅基功率器件相比，iC功率器件可以大幅降低模塊數(shù)量，具有小體積優(yōu)勢(shì)。圖16：不同電壓平臺(tái)下SiC和i逆變器的損耗 圖17：小鵬9搭載了國(guó)內(nèi)首個(gè)量的車端80V高壓SC平臺(tái)e,tal,“CEDTEMEFCEYBYN00VOLTAXLEDRIVECONCEPT”,VitescoTechnologies，

小汽車，新能源車數(shù)量增速高于充電樁，我國(guó)充電樁市場(chǎng)缺口大。據(jù)中國(guó)能源報(bào)截止2022年12月全國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施累計(jì)總量約為521萬(wàn)臺(tái)增量為259.3萬(wàn)臺(tái)同比增加991%中公共充電樁增量為65.1萬(wàn)臺(tái)，同比上漲91.6%；隨車配建私人充電樁增量為194.2萬(wàn)臺(tái)，同比上升225.5%。截至2022年底，全國(guó)新能源汽車保有量達(dá)1310萬(wàn)輛，占汽車總量的4.10%同比增長(zhǎng)67.13%其中純電動(dòng)汽車保有量1045萬(wàn)輛占新能源汽車總量的79.78%。2022年底，我國(guó)新能源車車樁比為2.5：1，充電樁數(shù)量還存在巨大的缺口。根據(jù)全球碳化硅領(lǐng)域龍頭廠商olfpeed公司的預(yù)測(cè)，到2026年汽車中逆變器所占據(jù)的碳化硅價(jià)值量約為83%，是電動(dòng)汽車中價(jià)值量最大的部分。其次為B，價(jià)值量占比約為15%；D-DC轉(zhuǎn)換器中SiC價(jià)值量占比在2左右。圖18：我國(guó)新能源充電樁數(shù)量存在較大缺口 圖19：206年碳化硅在汽車各部件價(jià)值占比預(yù)測(cè)資料來(lái)源：中國(guó)能源報(bào)， Wolfspeed，光伏發(fā)電是當(dāng)前利用可再生能源的重要形式通過(guò)光伏逆變器將太陽(yáng)能電池陣列的直電轉(zhuǎn)換為交流電，以直接消耗或通過(guò)電網(wǎng)傳輸。使用Si基器件的傳統(tǒng)逆變器會(huì)帶來(lái)較大系統(tǒng)能量損耗而碳化硅的寬帶隙高熱導(dǎo)率高擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻使其能在更高的壓及頻率下切換散熱能力更佳擁有更好的開(kāi)關(guān)效率和熱量累計(jì)使用碳化硅功率器件光伏逆變器可將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率從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。據(jù)SAeearch數(shù)據(jù)，2020年碳化硅功率器件在光伏逆變器的滲透率為10，隨著光伏電壓等級(jí)的提升碳化硅功率器件的滲透率將不斷提高，預(yù)計(jì)2048年將達(dá)到85的滲透率。圖20：SiCMS應(yīng)用于光伏逆變器帶來(lái)更低的損耗和更高的頻率圖21：200250年碳化硅功率器件光伏逆變器的滲透率 資料來(lái)源：英飛凌， CASA，目前電網(wǎng)使用的硅基器件的參數(shù)性能已接近其材料的物理極限無(wú)法擔(dān)負(fù)起支撐大規(guī)清潔能源生產(chǎn)傳輸和消納吸收的重任iC在智能電網(wǎng)的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括高壓直流輸電流閥柔性直流輸電換流閥靈活交流輸電裝置高壓直流斷路器電力電子變壓器等裝置碳化硅在電壓等級(jí)導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)速度方面的優(yōu)勢(shì)能很好的適配電力系統(tǒng)對(duì)電壓功率可靠性的更高要求可以直接替換硅器件提升電能轉(zhuǎn)換效率和功率密度同時(shí)還能簡(jiǎn)化撲結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)新的并網(wǎng)功能如增加電網(wǎng)穩(wěn)定性，提供有源濾波功能等。圖22：碳化硅的單位面積導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于硅器件 圖23：nfos和美國(guó)田納西大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的124V光伏并網(wǎng)變換器資料來(lái)源：《應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)的碳化硅電力電子技術(shù)》，

應(yīng)用中壓電網(wǎng)碳化硅力電技，在軌道交通領(lǐng)域牽引變流器輔助變流器主輔一體變流器電力電子變壓器電充電機(jī)等環(huán)節(jié)均可用到C功率器件其中牽引變流器是核心器件采用C功率器件替代后在高溫高頻和低損耗方面得到顯著改善有效減小整體器件的體積和重量符合大量、輕量化和節(jié)能型的需求。目前C器件已在城市軌道交通系統(tǒng)中得以應(yīng)用，蘇州軌交3號(hào)線0312號(hào)列車是國(guó)內(nèi)首個(gè)基于iC變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了牽引能20%的目標(biāo)。A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)302040年占比將達(dá)70%，滲透率不斷提升。圖24：碳化硅模塊的開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗均優(yōu)于傳統(tǒng)硅模塊 圖25：208250年軌道交通中碳化功率器件滲透率資料來(lái)基于合碳硅器的城市道交車輛引節(jié)研，

CASA，3.2半絕緣型碳化硅器件：5G時(shí)代的強(qiáng)大心臟射頻器件是在無(wú)線通信領(lǐng)域負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)換的部件，如功率放大器、射頻開(kāi)關(guān)、濾波器低噪聲放大器等目前主流的射頻器件材料有砷化鎵硅基LMS碳化硅基氮化鎵等不同類型。碳化硅基氮化鎵射頻器件同時(shí)具備碳化硅的高導(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)，應(yīng)用于5G通信、車載通信、國(guó)防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天等領(lǐng)域5G通訊基站應(yīng)用需要更高的峰值功率、更寬的帶寬以及更高的頻率，對(duì)微波射頻器提出了更高要求而半絕緣型碳化硅襯底制備的氮化鎵射頻器件在高頻段的優(yōu)異表現(xiàn)使其為5G時(shí)代基站應(yīng)用的候選技術(shù)。據(jù)olevelopmnt預(yù)測(cè)2025年全球射頻器件市場(chǎng)將超過(guò)250億美元功率在3W以上的射頻器件市場(chǎng)中氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基LMS份額占據(jù)射頻器件市場(chǎng)約50的份額。圖26：不同材料微波射頻器件的應(yīng)用范圍對(duì)比 圖27：碳化硅基氮化鎵在5G中的用 AnalogDialogue， 《5G時(shí)代新技術(shù)需要關(guān)注氮化鎵》，碳化硅供需缺口持續(xù)擴(kuò)大，海內(nèi)外廠商加速研發(fā)擴(kuò)產(chǎn)供給端：海外龍頭主導(dǎo)出貨量，全球有效產(chǎn)能仍不足當(dāng)前制約碳化硅器件大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要因素在于高成本，碳化硅襯底制造難度大良率低為主要原因全球碳化硅市場(chǎng)呈美國(guó)歐洲日本三足鼎立的格局國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)僅天科合達(dá)和天岳先進(jìn)占據(jù)了全球碳化硅襯底市場(chǎng)份額在全球?qū)щ娦吞蓟枰r底市場(chǎng)中olfpeed占據(jù)超60的市場(chǎng)份額II-VI和ohm的子公司Sirytal分別占據(jù)16和12，位列第二和第三在半絕緣型碳化硅襯底市場(chǎng)中olfspeedII-VI和天岳先進(jìn)各占據(jù)約30%的市場(chǎng)份額。圖28：208全球?qū)щ娦吞蓟枰r市場(chǎng)份額 圖29：200年全球半絕緣型碳化硅底市場(chǎng)份額Yole， Yole，我國(guó)在碳化硅領(lǐng)域起步較晚當(dāng)前國(guó)內(nèi)廠商在碳化硅襯底產(chǎn)品上與國(guó)外龍頭仍存在一定差距國(guó)內(nèi)主要以4英寸碳化硅襯底為主僅少數(shù)企業(yè)如天岳先進(jìn)露笑科技等實(shí)現(xiàn)6英襯底的銷售，而多家國(guó)際一線廠商已實(shí)現(xiàn)6英寸碳化硅襯底的穩(wěn)定供應(yīng)，olfpeed、英飛凌和羅姆等正積極布局8英寸碳化硅襯底生產(chǎn)產(chǎn)線，量產(chǎn)指日可待。目前全球碳化硅襯底有效年產(chǎn)能不足，面對(duì)緊張的供需關(guān)系，海外龍頭企業(yè)加速擴(kuò)產(chǎn)積極布局8英寸碳化硅襯底的量產(chǎn)。olfpeed于2022年4月啟用全球首家8英寸碳化硅晶圓廠，為目前唯一一家實(shí)現(xiàn)8英寸碳化硅量產(chǎn)的廠商，并將于2023年上半年在德國(guó)再建8英寸碳化硅工廠其他國(guó)際廠商如羅姆英飛凌oitec意法半導(dǎo)體等均計(jì)劃于2023年量產(chǎn)8英寸碳化硅襯底產(chǎn)品；而國(guó)內(nèi)廠商除了爍科晶體已實(shí)現(xiàn)8英寸碳化硅襯底小批量量產(chǎn)，天科合達(dá)、晶盛機(jī)電宣布于2023年小批量量產(chǎn)8英寸碳化硅襯底外，其余廠商還處于加速建設(shè)6英寸碳化硅襯底產(chǎn)線以突破產(chǎn)能的階段。因此在行業(yè)形成穩(wěn)定、規(guī)?；鲐浨疤蓟枰r底將持續(xù)呈現(xiàn)供不應(yīng)求的格局。圖30：碳化硅器件發(fā)展歷程資料來(lái)源：表3：國(guó)內(nèi)廠商碳化硅襯底產(chǎn)能公司 主營(yíng)業(yè)務(wù) 現(xiàn)有產(chǎn)能 產(chǎn)能規(guī)劃公司 主營(yíng)業(yè)務(wù) 現(xiàn)有產(chǎn)能 產(chǎn)能規(guī)劃天岳先進(jìn) 襯底 6.7萬(wàn)片/年，6英寸半絕緣型為天科合達(dá) 襯底、外延 12-15萬(wàn)/年，6英寸占比2/3襯底、外延、

預(yù)計(jì)206年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能超30萬(wàn)片預(yù)計(jì)205年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能50萬(wàn)片建設(shè)全產(chǎn)業(yè)鏈配套，三安光電

芯片、封裝 月產(chǎn)能600片月產(chǎn)能800片

預(yù)計(jì)205年達(dá)產(chǎn)，規(guī)劃配套年產(chǎn)能36萬(wàn)片爍科晶體 襯

英寸為主，6英寸小批量供應(yīng)8英寸小批量生產(chǎn)

預(yù)計(jì)205年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能30萬(wàn)片露笑科技 襯底、外延 月產(chǎn)能5006英寸襯底

2023年月產(chǎn)達(dá)1萬(wàn)片，年產(chǎn)能20萬(wàn)片東尼電子 襯

2022年產(chǎn)670片 2023年產(chǎn)12萬(wàn)片，預(yù)計(jì)2024年付30萬(wàn)片205年交付50萬(wàn)片各公司公告，環(huán)評(píng)報(bào)告，整理需求端：下游需求不斷擴(kuò)大，百億市場(chǎng)空間可期未來(lái)隨著碳化硅器件在新能源汽車、能源、工業(yè)、通訊等領(lǐng)域滲透率提升，碳化硅件市場(chǎng)規(guī)模有望持續(xù)擴(kuò)大，其中新能源車和光伏下游為主要驅(qū)動(dòng)因素。對(duì)碳化硅器件在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的市場(chǎng)空間進(jìn)行測(cè)算，假設(shè)如下：全球新能源乘用車銷量：根據(jù)leanechnica數(shù)據(jù)，2021年全球乘用車銷量超6500萬(wàn)輛，其中新能源乘用車銷量為650萬(wàn)輛，滲透率為10.3%；202年全球新能源乘用車銷量為1031輛，滲透率為14，假設(shè)2022205全球新能源乘車銷量持續(xù)增長(zhǎng)，至2025年新能源車滲透率達(dá)24；碳化硅OS器件滲透率：假設(shè)碳化硅OS器件在新能源車應(yīng)用滲透率從2021年18逐年增長(zhǎng)6至2024年的42；6英寸碳化硅襯底市場(chǎng)空間：特斯拉odel3在主驅(qū)逆變器上共使用48顆OET，單車消耗約0.25片6英寸碳化硅襯底，隨著技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)碳化硅器件使用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大至包括C，C/DC轉(zhuǎn)化器等方面，假設(shè)單車將消耗0.56英寸碳化硅襯底，而其售價(jià)按照10的幅度逐年下降；碳化硅器件市場(chǎng)空間：當(dāng)前碳化硅襯底占器件總成本的46，假設(shè)價(jià)格逐年降，至2025年碳化硅襯底占總器件成本的30；綜上：025年碳化硅襯底按6英寸算)在新能源車市場(chǎng)的需求量達(dá)39萬(wàn)片，市場(chǎng)空間為129億元，碳化硅器件的市場(chǎng)空間達(dá)49億元，201-025碳化硅器件的GR達(dá)85%表4：碳化硅在新能源車下游應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)空間202120222023E2024E2025E全球乘用車銷量(萬(wàn)輛)65007364800082008405新能源車滲透率10%14%17%21%24%全球新能源乘用車銷量(萬(wàn)輛)6501031136017222017碳化硅S滲透率18%24%30%36%42%單車消耗6英寸碳化硅襯底數(shù)0.250.250.250.40.46英寸碳化硅襯底需求(萬(wàn)片)29.361.9102250338.96英寸碳化硅襯底售價(jià)(元/片)580052004700420038006英寸碳化硅襯底市場(chǎng)空間(億元)1732.247.9104.1128.8碳化硅襯底占比器件成本46%43%40%35%30%碳化硅器件市場(chǎng)空間(億元)36.974.819.9297.6429.32021-05碳化硅器件R85%lenenca測(cè)算對(duì)碳化硅器件在光伏逆變器領(lǐng)域的市場(chǎng)空間進(jìn)行測(cè)算，假設(shè)如下：光伏逆變器總需求：光伏逆變器新增需求和全球光伏新增裝機(jī)量同步，而光伏逆器IT器件的使用壽命約10年，故存量更換需求與10年前新增裝機(jī)量對(duì)應(yīng)；光伏逆變器IT器件市場(chǎng)空間：假設(shè)光伏逆變器平均售價(jià)、毛利率逐年下降，IT器件價(jià)格占逆變器價(jià)格的12%；光伏逆變器碳化硅OS器件市場(chǎng)空間：由SA，假設(shè)碳化硅滲透率增至2025的50，而技術(shù)進(jìn)步和規(guī)模效應(yīng)使碳化硅器件成本從現(xiàn)硅基IT價(jià)格的4倍逐年下降；4）6英寸碳化硅襯底需求：假設(shè)碳化硅襯底成本占器件總成本的比例從當(dāng)前46逐下降至2025年的30，而6英寸碳化硅襯底單價(jià)從按10的比例逐年下降，從而得到襯底需求量；5）綜上：預(yù)計(jì)221205年，碳化硅器件在光伏應(yīng)用領(lǐng)域市場(chǎng)空間由3億元增長(zhǎng)至92億元，GR為2%，到205年碳化硅襯底（按6英寸算）需求量超過(guò)72萬(wàn)片。表5：碳化硅在光伏下游應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)202120222023E2024E2025E全球新增裝機(jī)量(W)170225270300330光伏逆變器存量更換需求（W）3230363848光伏逆變器總需求(W)202255306338378光伏逆變器平均售價(jià)(元/W)0.350.330.310.290.27光伏逆變器毛利率33%31%29%27%25%IGT器件價(jià)值量占比12%12%12%12%12%光伏逆變器IGT器件市場(chǎng)空間(億元)5770818692碳化硅器件滲透率10%20%30%40%50%碳化硅/IBT器件成本比43.532.52光伏逆變器碳化硅器件市場(chǎng)空間(億元)2349738692碳化硅襯底占比器件成本46%43%40%35%30%碳化硅襯底市場(chǎng)空間(億元)1021303332碳化硅襯底價(jià)格(元)58005220469842283805碳化硅襯底需求(萬(wàn)片)18406271722021-05碳化硅器件R42%中光伏業(yè)協(xié)p界能統(tǒng)計(jì)鑒，智咨詢界面新，宏科技份有公招股書(shū)，測(cè)算根據(jù)ole數(shù)據(jù)2021年新能源車和光伏應(yīng)用領(lǐng)域占全球碳化硅市場(chǎng)的77預(yù)計(jì)2027年這一比例將達(dá)到86按照市場(chǎng)占比以1.9%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率提升2025年新能源車和光伏應(yīng)用領(lǐng)域占全球碳化硅器件市場(chǎng)的83以兩者碳化硅市場(chǎng)空間反推可得2025年全碳化硅器件市場(chǎng)空間達(dá)6278億元，碳化硅襯底市場(chǎng)空間達(dá)18.4億元，6英寸碳化硅襯底需求量為495萬(wàn)片。圖31：201225碳化硅襯底市場(chǎng)空(億元) 圖32：201225碳化硅器件市場(chǎng)空(億元)Yole，測(cè)算 Yole，測(cè)算歐美日廠商占據(jù)龍頭，國(guó)產(chǎn)技術(shù)革新任重道遠(yuǎn)全球碳化硅襯底市場(chǎng)中olfpeed以45的市場(chǎng)份額位居第一國(guó)內(nèi)企業(yè)僅有天科合達(dá)和天岳先進(jìn)分別占據(jù)5%和3的市場(chǎng)份額在導(dǎo)電型碳化硅襯底市場(chǎng)中olfpeed占超60%的市場(chǎng)份額在碳化硅單晶市場(chǎng)價(jià)格和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)上有極大的話語(yǔ)權(quán)在半絕緣型碳化硅襯底市場(chǎng)中，olfpeed、II-VI和天岳先進(jìn)各占據(jù)約30%的市場(chǎng)份額。全球碳化硅器件市場(chǎng)中，ST意法半導(dǎo)體占據(jù)的市場(chǎng)份額達(dá)到40，位居第一，英飛占據(jù)22的市場(chǎng)份額排名第二。圖33：全球碳化硅市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局公資料整理olfspdolfpeed的前身為ree公司，2019年3月，ree公司將照明產(chǎn)品業(yè)務(wù)部出售，完全轉(zhuǎn)型為一家專注于寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)品的公司于2021年更改為olfpeed擁有從襯底到器件的全產(chǎn)業(yè)鏈布局是全球碳化硅行業(yè)的龍頭在導(dǎo)電型碳化硅襯底市場(chǎng)中市占率達(dá)61，位列全球之首而在半絕緣型襯底市場(chǎng)中位列第二市占率達(dá)33olfpeed于2015年發(fā)布8英寸碳化硅襯底，2019年完成首批8英寸碳化硅襯底樣品的制樣，2023年計(jì)劃擴(kuò)產(chǎn)至月產(chǎn)能10萬(wàn)片。olfpeed目前與梅賽德斯-奔馳達(dá)成協(xié)議，為其供應(yīng)碳化硅器件，賦能其未來(lái)電動(dòng)汽車平臺(tái)。圖34：olfspd碳硅MFT裸芯片Wolfspeed，英飛凌公司于1999年從西門子集團(tuán)拆分，是全球少數(shù)采用IM模式的半導(dǎo)體垂直整合制商在IC設(shè)計(jì)晶圓制造封裝測(cè)試以及面向終端市場(chǎng)領(lǐng)域均有布局2017年英飛凌成為全球首家提供溝槽技術(shù)的碳化硅OET產(chǎn)品廠商，2018年收購(gòu)tectra的冷切割技術(shù)，大幅提升生產(chǎn)效率，2020年發(fā)布覆蓋650-1700V的碳化硅OST產(chǎn)品，未來(lái)將擴(kuò)展至3000V。圖35：英飛凌48V車規(guī)級(jí)率SiCFET資料來(lái)源：英飛凌官網(wǎng)，意法半導(dǎo)體公司在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的主要產(chǎn)品涵蓋C和高低壓硅二極管、GaN功率器件、射頻晶體管、IGT、OET等。其中，OST覆蓋35-100V、可滿足200°C業(yè)內(nèi)最高水平，IT覆蓋350-1300。2018年特斯拉率先在odel3電驅(qū)主逆變器上使用意法半導(dǎo)體供應(yīng)的650VCOET器件2021年公司發(fā)布第三代COST晶體管推進(jìn)在電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)功率設(shè)備的前沿應(yīng)用，并計(jì)劃與2024年將C晶圓產(chǎn)能提高到2017年的10倍。圖36：意法半導(dǎo)體SiCMFET系產(chǎn)品資料來(lái)源：意法半導(dǎo)體官網(wǎng)，羅姆羅姆成立于1958年，是全球知名的半導(dǎo)體廠商，在全球碳化硅器件市場(chǎng)中位列前三200年全球首家量產(chǎn)碳化硅D和OET，2021年發(fā)布第4代的溝槽SiCMT