碳化硅行業(yè)市場(chǎng)分析

碳化硅行業(yè)市場(chǎng)分析1、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、電子飽和速率、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、高頻率的需求，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(chē)、光伏風(fēng)電、5G通信等，在功率器件領(lǐng)域，碳化硅二極管、MOSFET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，可耐受更高的工作溫度，且碳化硅的熱導(dǎo)率是硅的4-5倍，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。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，更適用于高電壓器件。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)程中不存在電流拖尾現(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)，碳化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)程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)損耗低。2、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)、制造、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、拋光得到碳化硅襯底，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、金屬鈍化等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外殼中組裝成模組。2.1、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應(yīng)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、清洗等工序，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法（PVT）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD）和液相外延（LPE）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)，將碳化硅晶棒加工成襯底。2.1.1、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)晶速度慢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-SiC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)PVT法長(zhǎng)晶非常緩慢，速度約為0.3-0.5mm/h，7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法（PVT）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD）和液相外延（LPE）三種方法，其中PVT法是現(xiàn)階段商業(yè)化生長(zhǎng)SiC襯底的主流方法，技術(shù)成熟度最高、工程化應(yīng)用最廣。PVT法利用“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)Si，SiC2和Si2C后，在籽晶處重新結(jié)晶生長(zhǎng)形成碳化硅晶錠。PVT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SiC晶體的缺陷密度較高。HT-CVD法是指在2000~2500℃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。HT-CVD法可持續(xù)向爐腔供應(yīng)氣體原料，晶體可持續(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，生成碳化硅晶體缺陷較少。但HT-CVD法的長(zhǎng)晶速度較慢，約0.4-0.5mm/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。LPE法利用“溶解-析出”原理生長(zhǎng)碳化硅晶體，在1400-1800℃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SiC晶體，且相比PVT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)。2.1.2、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的質(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。碳化硅襯底的加工過(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DISCO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)程中易開(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)主軸機(jī)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)將進(jìn)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。2.2、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(chēng)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。碳化硅外延的制作方法包括：化學(xué)氣相淀積（CVD）、分子束外延（MBE）、液相外延法（LPE）、脈沖激光淀積和升華法（PLD）等，其中CVD法是最為普及的4H-SiC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(lèi)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TCS，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SiH4、CH4、C2H4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-SiC襯底在1500-1650℃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為外延片關(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1200-1700V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SBD、JBS、MOS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。3、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(lèi)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、MOSFET、IGBT等，主要用于電動(dòng)汽車(chē)、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)氮化鎵外延層后進(jìn)一步加工制成，包括HEMT等氮化鎵射頻器件，主要用于5G通信、車(chē)載通信、國(guó)防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天。3.1、導(dǎo)電型碳化硅器件：新能源汽車(chē)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(chē)、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)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年汽車(chē)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%，11.6%和7.2%。預(yù)計(jì)到2027年汽車(chē)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%。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。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(chē)、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MOSFET在電動(dòng)汽車(chē)主驅(qū)逆變器中相比Si-IGBT具有明顯優(yōu)勢(shì)：碳化硅MOSFET相比硅基IGBT功率轉(zhuǎn)換效率更高，電動(dòng)汽車(chē)?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MOSFET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。雖然當(dāng)前碳化硅器件單車(chē)價(jià)格高于Si-IGBT，但上述優(yōu)勢(shì)可降低整車(chē)系統(tǒng)成本。2018年特斯拉在Model3中首次將SiIGBT替換為SiC器件，汽車(chē)逆變器效率大幅提升，當(dāng)前越來(lái)越多的車(chē)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MOSFET器件。車(chē)載充電系統(tǒng)(OBC)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)汽車(chē)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MOSFET相比Si基器件能提升約50%的系統(tǒng)功率密度，從而能減少OBC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)(DC/DC)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(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。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)SiC器件需求的增加。當(dāng)前我國(guó)的車(chē)樁比難以匹配需求，車(chē)載充電及充電樁效率仍待提高，因此越來(lái)越多的整車(chē)廠布局800V高壓平臺(tái)。800V高壓系統(tǒng)通常指整車(chē)高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍達(dá)到550-930V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，顯著提高充電速度，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SiC功率器件需求大增。與MOSFET/IGBT單管設(shè)計(jì)的15-30kW相比，SiC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，SiC功率器件可以大幅降低模塊數(shù)量，具有小體積優(yōu)勢(shì)。新能源車(chē)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99.1%。其中公共充電樁增量為65.1萬(wàn)臺(tái)，同比上漲91.6%；隨車(chē)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(chē)保有量達(dá)1310萬(wàn)輛，占汽車(chē)總量的4.10%，同比增長(zhǎng)67.13%，其中，純電動(dòng)汽車(chē)保有量1045萬(wàn)輛，占新能源汽車(chē)總量的79.78%。2022年底，我國(guó)新能源車(chē)車(chē)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。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)能電池陣列的直流電轉(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)較大的系統(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電壓及頻率下切換，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的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)研究數(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。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)模清潔能源生產(chǎn)傳輸和消納吸收的重任。SiC在智能電網(wǎng)的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括高壓直流輸電換流閥、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、功率和可靠性的更高要求，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)化拓?fù)浣Y(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。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、電源充電機(jī)等環(huán)節(jié)均可用到SiC功率器件，其中牽引變流器是核心器件，采用SiC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，符合大容量、輕量化和節(jié)能型的需求。目前SiC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(chē)是國(guó)內(nèi)首個(gè)基于SiC變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了牽引節(jié)能20%的目標(biāo)。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%，2040年占比將達(dá)70%，滲透率不斷提升。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LDMOS、碳化硅基氮化鎵等不同類(lèi)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(chē)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)微波射頻器件提出了更高要求，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)使其成為5G時(shí)代基站應(yīng)用的候選技術(shù)。據(jù)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LDMOS份額，占據(jù)射頻器件市場(chǎng)約50%的份額。4、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)4.1、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，Wolfspeed占據(jù)超60%的市場(chǎng)份額，II-VI和Rohm的子公司SiCrystal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，Wolfspeed、II-VI和天岳先進(jìn)各占據(jù)約30%的市場(chǎng)份額。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英寸襯底的銷(xiāo)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)，Wolfspeed、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)。Wolfspeed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、Soitec、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?，碳化硅襯底將持續(xù)呈現(xiàn)供不應(yīng)求的格局。4.2、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(chē)、能源、工業(yè)、通訊等領(lǐng)域滲透率提升，碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模有望持續(xù)擴(kuò)大，其中新能源車(chē)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(chē)領(lǐng)域的市場(chǎng)空間進(jìn)行測(cè)算，假設(shè)如下：1)全球新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量：根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年全球乘用車(chē)銷(xiāo)量超6500萬(wàn)輛，其中新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量為650萬(wàn)輛，滲透率為10.3%；2022年全球新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量為1031萬(wàn)輛，滲透率為14%，假設(shè)2022-2025全球新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量持續(xù)增長(zhǎng)，至2025年新能源車(chē)滲透率達(dá)24%；2)碳化硅MOS器件滲透率：假設(shè)碳化硅MOS器件在新能源車(chē)應(yīng)用滲透率從2021年18%逐年增長(zhǎng)6%至2024年的42%；3)6英寸碳化硅襯底市場(chǎng)空間：特斯拉Model3在主驅(qū)逆變器上共使用48顆SiCMOSFET，單車(chē)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OBC，DC/DC轉(zhuǎn)化器等方面，假設(shè)單車(chē)將消耗0.5片6英寸碳化硅襯底，而其售價(jià)按照10%的幅度逐年下降；4)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)格逐年下降，至2025年碳化硅襯底占總器件成本的30%；5)綜上：2025年碳化硅襯底(按6英寸算)在新能源車(chē)市場(chǎng)的需求量達(dá)339萬(wàn)片，市場(chǎng)空間為129億元，碳化硅器件的市場(chǎng)空間達(dá)429億元，2021-2025碳化硅器件的CAGR達(dá)85%。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：1）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，而光伏逆變器IGBT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)；2）光伏逆變器IGBT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，IGBT器件價(jià)格占逆變器價(jià)格的12%；3）光伏逆變器碳化硅MOS器件市場(chǎng)空間：由CASA，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IGBT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%逐漸下降至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)2021-2025年，碳化硅器件在光伏應(yīng)用領(lǐng)域市場(chǎng)空間由23億元增長(zhǎng)至92億元，CAGR為42%，到2025年碳化硅襯底（按6英寸算）需求量超過(guò)72萬(wàn)片。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2021年新能源車(chē)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(chē)和光伏應(yīng)用領(lǐng)域占全球碳化硅器件市場(chǎng)的83%，以?xún)烧咛蓟枋袌?chǎng)空間反推可得2025年全球碳化硅器件市場(chǎng)空間達(dá)627.8億元，碳化硅襯底市場(chǎng)空間達(dá)188.4億元，6英寸碳化硅襯底需求量為495萬(wàn)片。5、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，Wolfspeed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，Wolfspeed占據(jù)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，Wolfspeed、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，英飛凌占據(jù)22%的市場(chǎng)份額排名第二。5.1、WolfspeedWolfspeed的前身為Cree公司，2019年3月，Cree公司將照明產(chǎn)品業(yè)務(wù)部出售，完全轉(zhuǎn)型為一家專(zhuān)注于寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)品的公司，于2021年更改為Wolfspeed，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)33%。Wolfspeed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。Wolfspeed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(chē)平臺(tái)。5.2、英飛凌公司于1999年從西門(mén)子集團(tuán)拆分，是全球少數(shù)采用IDM模式的半導(dǎo)體垂直整合制造商，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MOSFET產(chǎn)品廠商，2018年收購(gòu)Siltectra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MOSFET產(chǎn)品，未來(lái)將擴(kuò)展至3000V。5.3、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SiC和高低壓硅二極管、GaN功率器件、射頻晶體管、IGBT、MOSFET等。其中，MOSFET覆蓋35-1800V、可滿足200°C業(yè)內(nèi)最高水平，IGBT覆蓋350-1300V。2018年特斯拉率先在Model3電驅(qū)主逆變器上使用意法半導(dǎo)體供應(yīng)的650VSiCMOSFET器件。2021年公司發(fā)布第三代SiCMOSFET晶體管，推進(jìn)在電動(dòng)汽車(chē)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SiC晶圓產(chǎn)能提高到2017年的10倍。5.4、羅姆羅