功率半导体的技术和材料创新都致力于提高能量转化效率（理想转化率100%），基于 SiC 材料的功率器件相比传统的 Si 基功率器件效率高、损耗小，在新能源车、光伏风电、不间断电源、家电工控等有广阔的应用前景。目前 SIC 行业发展的瓶颈主要在于 SIC 衬底成本高（是 Si 的 4-5 倍，预计未来 3-4 年价格会逐渐降为 Si 的 2 倍），同时 SIC MOS 为代表的 SIC 器件产品稳定性需要时间验证。国内外 SIC 产业链日趋成熟，成本也在持续下降，产业链爆发的拐点临近，Yole 预计 SIC 器件空间将从 2019 年4.8 亿美金到 2025 年 30 亿美金 2030 年 100 亿美金，即 10 年 20 倍增长。

本期的智能内参，我们推荐华安证券的研究报告，揭秘第三代半导体材料碳化硅及相关产业的最新发展情况。

本期内参来源：华安证券

原标题：

《 第三代半导体 SIC：爆发式增长的明日之星 》

作者： 尹沿技 刘体劲

第一代半导体材料主要是指硅（Si）、锗元素（Ge）半导体材料，应用极为普遍，包括集成电路、电子信息网络工程、电脑、手机、电视、航空航天、各类军事工程和迅速发展的新能源、硅光伏产业中都得到了极为广泛的应用；

第二代半导体材料主要是指化合物半导体材料，如砷化镓（GaAs）、锑化铟（InSb），主要用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器件（LED），是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件的优良材料。

Si 基器件在 600V 以上高电压以及高功率场合达到其性能的极限；为了提升在高压/高功率下器件的性能，第三代半导体材料 SiC （宽禁带）应运而生；

第三代半导体主要是 SIC 和 GaN，第二代和第三代也称作化合物半导体，即两种元素组成的半导体材料，区别于硅/锗等单质半导体：

Si 与 SiC 材料优缺点对比

SIC 的功率器件如 SIC MOS，相比于 Si 基的 IGBT，其导通电阻可以做的更低，体现在产品上面，就是尺寸降低，从而缩小体积，并且开关速度快，功耗相比于传统功率器件要大大降低。

在电动车领域，电池重量大且价值量高，如果在 SIC 器件的使用中可以降低功耗，减小体积，那么在电池的安排上就更游刃有余；同时在高压直流充电桩中应用 SIC 会使得充电时间大大缩短，带来的巨大社会效益。

SiC MOS 相比 Si 功率器件的对比

根据 Cree 提供的测算: 将纯电动车 BEV 逆变器中的功率组件改成 SIC 时, 大概可以减少整车功耗 5%-10%；这样可以提升续航能力，或者减少动力电池成本。

总结来说，SiC 器件具备的多种优势将带动电动车续航能力的提升：

1). 高电能转换效率：SiC 属于宽能隙材料, 击穿场强度大比 Si 基半导体材料更适用在高功率的应用场景；

2). 高电能利用效率：SiC 属于宽能隙材料, 击穿场强度大比 Si 基半导体材料更适用在高功率的应用场景；

3). 低无效热耗：开关频率高, 速度快, 所产生无效的热耗减少, 使的电路、散热系统得以简化。

2019 年国际上的功率半导体巨头不断推出新的基于 SIC 材料的功率器件，且推出的几款 SiC SBD 及 MOSFET 均符合车规级（AEC-Q101）标准，这些产品应用于新能源车或者光伏领域等功率器件需求场景，将显著减少功耗，提高转化效率。

SIC 产业链以及国内外的主要玩家

SiC 具有前述所说的各种优势，是高压/高功率/高频的功率器件相对理想的材料, 所以 SiC 功率器件在新能源车、充电桩、新能源发电的光伏风电等这些对效率、节能和损耗等指标比较看重的领域，具有明显的发展前景。

高频低压用 Si-IGBT,高频高压用 SiC MOS,电压功率不大但是高频则用GaN。当低频、高压的情况下用 Si 的 IGBT 是最好，如果稍稍高频但是电压不是很高，功率不是很高的情况下，用 Si 的 MOSFET 是最好。如果既是高频又是高压的情况下，用 SiC 的 MOSFET 最好。电压不需要很大，功率不需要很大，但是频率需要很高，这种情况下用 GaN 效果最佳。

SIC MOS 多种优势带动电动车续航力提升

同时 SIC MOS 在快充充电桩等领域也将大有可为。快速充电桩是将外部交流电,透过 IGBT 或者 SIC MOS 转变为直流电, 然后直接对新能源汽车电池进行充电，对于损耗和其自身占用体积问题也很敏感，因此不考虑成本，SIC MOS比 IGBT 更有前景和需求，由于目前 SIC 的成本目前是 Si 的 4-5 倍，因此会在高功率规格的快速充电桩首先导入。在光伏领域，高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器未来的发展趋势，因此基于性能更优异的 SIC 材料的光伏逆变器也将是未来重要的应用趋势。

2019 年各个领域的 SiC 模块产品推出情况

SIC 肖特基二极管的应用比传统的肖特基二极管同样有优势。碳化硅肖特基二极管相比于传统的硅快恢复二极管（SiFRD），具有理想的反向恢复特性。在器件从正向导通向反向阻断转换时，几乎没有反向恢复电流，反向恢复时间小于 20ns，因此碳化硅肖特基二极管可以工作在更高的频率，在相同频率下具有更高的效率。

另一个重要的特点是碳化硅肖特基二极管具有正的温度系数，随着温度的上升电阻也逐渐上升，这使得 SIC 肖特基二极管非常适合并联实用，增加了系统的安全性和可靠性。总结来看，SIC 肖特基二极管具有的特点如下：1）几乎无开关损耗；2）更高的开关频率；3）更高的效率；4）更高的工作温度；5）正的温度系数，适合于并联工作；6）开关特性几乎与温度无关。

根据 CASA 的统计，业内反应 SiC SBD 实际的批量采购成交价已经降至 1元/A 以下，耐压 600-650V 的产品业内批量采购价约为 0.6 元/A，而耐压 1200V的产品业内批量采购价约为 1 元/A。

SiC 晶片产业链

碳化硅晶片主要用于大功率和高频功率器件：2018 年氮化镓射频器件全球市场规模约 4.2 亿美元（约 28 亿元人民币），随着 5G 通讯网络的推进，氮化镓射频器件市场将迅速扩大，Yole 预计到 2023 年，全球射频氮化镓器件市场规模将达到 13 亿美元（约 91 亿元人民币）；继续引用前面 IHS 的预测，则 SIC功率器件将由 2019 年的 4.5 亿美元到 2025 年接近 30 亿美元。

半绝缘碳化硅衬底市场规模（万片）

2017 年市场需求：全球半绝缘碳化硅晶片的市场需求约 4 万片；2020 年：4英寸半绝缘 SIC 维持 4 万片、6 英寸半绝缘 SIC 晶片 5 万片；

2025 年市场需求：预计 4 英寸半绝缘到 2 万片、6 英寸到 10 万片；

2025-2030 年市场需求：4 英寸半绝缘衬底逐渐退出市场，而 6 英寸需求到 20万片。

整体 SIC 晶片全球市场空间预计从 2020 的 30 亿 RMB 增长至 2027年 150 亿元 RMB，作为对比，2018 年全球硅片市场 90 亿美元，国内硅片市场约130 亿元（近 8 年复合增长 5%-7%）。

SIC 晶片的壁垒较高，主要体现在：

SIC 晶片的核心参数包括微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗糙度等。在密闭高温腔体内进行原子有序排列并完成晶体生长、同时控制参数指标是复杂的系统工程，将生长好的晶体加工成可以满足半导体器件制造所需晶片又涉及一系列高难度工艺调控；随着碳化硅晶体尺寸的增大及产品参数要求的提高，生产参数的定制化设定和动态控制难度会进一步提升。因此，稳定量产各项性能参数指标波动幅度较低的高品质碳化硅晶片的技术难度很大，主要体现在下面几个方面：

1、精确调控温度：碳化硅晶体需要在 2,000℃以上的高温环境中生长，且在生产中需要精确调控生长温度，控制难度极大；

2、容易产生多晶型杂质：碳化硅存在 200 多种晶体结构类型，其中六方结构的 4H 型（4H-SiC） 等少数几种晶体结构的单晶型碳化硅才是所需的半导体材料，在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数，否则容易产生多晶型夹杂，导致产出的晶体不合格；

3、 晶体扩径难度大：气相传输法下，碳化硅晶体生长的扩径技术难度极大，随着晶体尺寸的扩大，其生长难度工艺呈几何级增长；

4、 硬度极大难切割：碳化硅硬度与金刚石接近，切割、研磨、抛光技术难度大， 工艺水平的提高需要长期的研发积累；

目前，碳化硅晶片产业格局呈现美国全球独大的特点。以导电型产品为例，2018 年美国占有全球碳化硅晶片产量的 70%以上，仅 CREE 公司就占据60%以上市场份额，剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。

2018 年导电型碳化硅晶片厂商市场占有率

由于碳化硅材料特殊的物理性质，其晶体生长、晶体切割、 晶片加工等环节的技术和工艺要求高，需要长期投入和深耕才能形成产业化生产能力，行业门槛很高。

后进入的碳化硅晶片生产商在短期内形成规模化供应能力存在较大难度，市场供给仍主要依靠现有晶片生产商扩大自身生产能力，国内碳化硅晶片供给不足的局面预计仍将维持一段时间。

行业内各公司不同尺寸 SIC 晶片的推出对比

上游 SIC 晶片主要用于 SIC 功率器件和 5G 高频射频器件，未来 10 年市场空间随着下游 SIC 功率器件 高频射频器件的增长而增长，我们预计将从 2020 年30 亿 RMB 到 2027 年接近 150 亿 RMB；

行业高增长 国产替代 高壁垒：天科合达/山东天岳可简单类比于 SIC 晶片领域的沪硅产业，而且传统硅片分布在日韩美五个巨头，而 SIC 晶片龙头 70% 的份额都在美国 CREE 和 II-VI 等公司，国产化也更迫切；在过去十年下游半导体的成长中，国内上游硅片商参与的有限；而这一次，未来 10 年的 SIC 器件和5G 高频射频器件中，国内的 SIC 晶片龙头将积极参与其中，行业爆发增长和国产化同时进行，可持续享受较高估值。

智东西认为，半导体材料目前经历了三个发展阶段，第一代的硅（Si）、锗（Ge）；第二代开始由2种以上元素组成化合物半导体，如砷化镓（GaAs）、磷化铟 (InP)；以及第三代的碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带材料。碳化硅具备低导通电阻、高切换频率、耐高温与耐高压等优势， 在新能源车、光伏风电、不间断电源、家电工控等有广阔的应用前景。 虽然成本目前仍然是制约碳化硅产业链发展的一大重要阻碍，但随着国内外相关产业的发展、成本不断降低，产业的发展爆发点降至。