作者：刘双锋、孙芳芳

1.1 半导体材料市场广阔

半导体行业市场规模较大，产业链较长，技术门槛较高且应用广泛，是现代电子信息产业的基础。半导体 行业的产业链主要包括上游半导体材料、中游半导体元件以及下游应用领域。上游材料半导体材料是一类具有 半导体性能（导电能力介于导体与绝缘体之间）、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。

中游半导体 元件主要包括集成电路、传感器、分立器件以及光电子器件，集成电路（IC）是一种微型电子器件或部件，通过特殊工艺把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起；传感器是实现自动检测和 自动控制的首要环节；分立器件是具有单一功能的电路基本元件，如晶体管、二极管、电阻、电容、电感等；光电子器件是光纤网络的构成要件，多应用于 5G 通信等领域。半导体元件可应用于下游消费电子、网络通信、 工业控制、新能源、轨道交通及光电显示等主要领域。

全球半导体产业规模呈现不断上升趋势，半导体材料是半导体产业链上游的主要组成部分。近年来全球半 导体产业规模呈现不断上升趋势，2014 至 2020年全球半导体销售额年复合增长率为 4.6%。中国半导体产业同样呈现规模持续扩大，在政策大力支持与下游应用快速繁荣等因素的推动下，2014 至 2020 年中国半导体销售 额年复合增长率达 8.7%，占全球半导体销售额比例由 2014 年的 27%上升至 2020 年的 34%，是当前全球最大 的半导体消费市场。半导体材料在集成电路和分立器件等半导产品生产制造过程中起关键作用。常见的半导体 制造材料包括硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体及砷化镓（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等化合物半 导体材料，其中以碳化硅、氮化镓等化合物为材料的半导属于第三代化合物半导体材料。

1.3 碳化硅产业链详概况

近年来，以碳化硅晶片作为衬底材料的技术逐渐成熟并开始规模生产及应用。SiC 生产过程主要包括碳化 硅单晶生长、外延层生长及器件制造三大步骤，对应的是碳化硅产业链衬底、外延、器件三大环节。

1.3.1 衬底

衬底是所有半导体芯片的底层材料，主要起到物理支撑、导热及导电作用，碳化硅衬底主要包括导电型和 半绝缘型两类，二者在外延层及下游应用场景不同。作为导电型衬底材料，经过外延生长、器件制造、封装测 试，制成碳化硅二极管、碳化硅 MOSFET 等功率器件，适用于高温、高压等工作环境，应用于新能源汽车、 光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域；作为半绝缘型衬底材料，经过外延生长、器件制造、封装 测试，制成 HEMT 等微波射频器件，适用于高频、高温等工作环境，主要应用于 5G 通讯、卫星、雷达等领域。

当前碳化硅衬底以 4、6 英寸为主，科锐公司已成功研发 8 英寸产品。在半绝缘型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为 4 英寸；在导电型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为 6 英寸。碳化硅衬底的尺寸（按 直径计算）主要有 2 英寸（50mm）、3 英寸（75mm）、4 英寸（100mm）、6 英寸（150mm）、8 英寸（200mm） 等规格。碳化硅衬底正在不断向大尺寸的方向发展，目前行业内公司主要量产衬底尺寸集中在 4 英寸及 6 英寸。在最新技术研发储备上，以行业领先者 WolfSpeed 公司的研发进程为例，WolfSpeed 公司已成功研发 8 英寸产 品。为提高生产效率并降低成本，大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向，衬底尺寸越大，单位衬底可 制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低；衬底的尺寸越大，边缘的浪费就越小，有利于进一步降低芯片的成 本。由于现有的 6 英寸的硅晶圆产线可以升级改造用于生产 SiC 器件，所以 6 英寸 SiC 衬底的高市占率将维持 较长时间。

SiC MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）是以碳化硅为衬底的金属-氧化 物半导体场效应晶体管，可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管。在 300V 以下的功率器件领域， Si MOSFET 器件是首选，具有较为理想的栅极电阻、高速的开关性能、低导通电阻和高稳定性。在 SiC MOSFET 的开发与应用方面，与相同功率等级的 Si-MOSFET 相比，SiC MOSFET（以英飞凌产品为例）的优势有：

（1）开关损耗低，在 25℃结温下，SiC-MOSFET 关断损耗大约是 IGBT 的 20%，在 175℃的结温下，SiC MOSFET 关断损 耗仅有 IGBT 的 10%（关断 40A 电流），且开关损耗温度系数很小；（2）导通损耗低，当负载电流为 15A 时，在 常温下，SiC MOSFET 的正向压降只有 IGBT 的一半，在 175℃结温下，SiC MOSFET 的正向压降约是 IGBT 的 80%；（3）体二极管续流特性好，在常温及高温下，1200V SiC MOSFET 体二极管仅有 Si MOSFET 体二极管 Qrr 的 10%。因此，SiC MOSFET 电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提 高了高温稳定性，由此在新能源汽车电机控制器、车载电源、太阳能逆变器、充电桩、UPS、PFC 电源等领域 有广泛应用。

碳化硅绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor , IGBT）是一种复合全控型电压驱动 式功率半导体器件，是能源变换与传输的核心器件。SiC IGBT 结合了 SiC MOSFET 和 SiC 晶体管的优点，得益 于 SiC 的宽禁带和极高的电压等级，SiC 基 IGBT 的性能与 Si 基 IGBT 最大的差别是动静态特性。正向性是静 态特性的重要组成部分，也就是导通特性，SiC IGBT 的正向导通电阻一般低于 Si IGBT 和 SiC MOSFET，主要 是由于其漂移区厚度小、电导调制更短所致，且 n 沟道 SiC IGBT 相较于 p 沟道的 SiC IGBT 正向特性更优。此 外，动态特性方面，与 Si IGBT 类似，SiC IGBT 由于其材料的特性，导致动态参数有所不同；门极驱动方面， SiC IGBT 的驱动和 Si 基 IGBT 在整体上差别不大，需要考虑到高绝缘性能、低耦合电容、低成本、尺寸、高 效率和高可靠性等因素。

电驱动系统一般由驱动电机、离合器、齿轮箱和差速器组成，这是纯电动汽车传动系统布置的常规形式。在新能源汽车中，功率器件是电驱动系统的主要组成部分，对其效率、功率密度和可靠性起着主导作用。目前， 新能源汽车电驱动部分主要就硅基功率器件组成。随着电动汽车的发展，对电驱动的小型化和轻量化提出了更 高的要求。当前，比亚迪、特斯拉等部分车型已经使用了碳化硅功率器件的电机驱动控制器。特斯拉处在碳化 硅器件应用的前列，其最新产品 Model S Plaid 便使用了以 SiC 为主要材料的电动逆变器，现已成为全球百米 加速最快的车型。此外，特斯拉旗下的 Model Y 和 Model 3 也均采用了 SiC MOSFET 逆变器技术，其续航能 力和逆变效率都有了显著提升，且在 2020 年全球新能源乘用车车型销量中均进入前十。比亚迪推出的“汉” EV 高性能四驱版本也配备了 SiC MOSFET 功率控制模块，是中国首个采用相关技术的车型。新能源汽车新秀 蔚来在 2021 年发布的纯电轿车中，也将会采用 SiC 模块作为电驱动平台。

电源转换系统 DC/DC 是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器，DC/DC转换器分为三类：升压 型 DC/DC 转换器、降压型 DC/DC 转换器以及升降压型 DC/DC 转换器，车载 DC/DC 转换器可将动力电池输 出的高压直流电转换为低压直流电。基于碳化硅研制的功率器件，为氢能汽车燃料电池 DC/DC 变换器带来革 命性的创新。开关频率高、功率密度大是 SiC 基功率器件最为显著的优势，相比传统基于 IGBT 模块变换器产 品，开关频率提升 4 倍以上、功率密度提升 3 倍以上，系统平均效率大于 97%，最高效率可达 99%。

车载充电机（OBC）是完成将交流电转换为电池所需的直流电，并决定了充电功率和效率的关键部件。汽车由内燃机驱动转变为电驱动，最明显的变化就是发动机和油箱分别被电机和电池取代了，同时随之而来的 便是其它辅助器件的增加，如增加了 OBC 为电池充电。SiC SBD、SiC MOSFET 等器件可使得 OBC 的能量损 耗减少、热能管理改善。根据 WolfSpeed，相较于传统的硅基器件，OBC 采用碳化硅器件可使其体积减少 60%，BOM 成本将降低 15%。此外，双向逆变技术是未来 OBC 标配的功能之一，使 OBC 不仅可将 AC 转化 为 DC 为电池充电，同时也可将电池的 DC 转化为 AC 对外进行功率输出；将 OBC 及 DC/DC 等器件进行功能 集成化将会提高成本上、体积上的优势。

碳化硅材料性能上限高，与新能源车高度适配。目前，传统硅材料在 MOSFET、IGBT、功率 IC 等领域的 器件性能已经逐渐接近极限，已无法适应新兴市场快速发展的变革需要，基于宽禁带半导体 SiC 制造的功率器 件具有更为优越的物化性能。通过在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延，即可得到适用于新能源汽车、光伏、 交通轨道等领域的功率器件。它们相较于硅基器件具有更高的工作温度、击穿电压以及优越的开关性质，其开 关频率和功率频率都轻易突破了传统材料的上限，因此广泛用于新能源汽车等领域。

在新能源汽车的应用中，SiC 功率器件主要具有以下特点：1）显著降低散热器的体积和成本：在主流的HEV（混合动力汽车）中，车载逆变器的散热器件具有两套水冷系统，冷却温度均在 75-105 摄氏度。由于碳 化硅具有的导热性能几乎为 Si 的三倍，因此在高温环境中 SiC-SBD 具有极佳的优势。若将两套冷却系统合二 为一，HEV 散热器的成本和体积就可以得到有效地改善；2）减小功率模块的体积：SiC功率器件的电流密度、 开关损耗都显著低于 Si 基器件，这使得同样的功率下，SiC-MOSFET 和 SiC SBD 可以在 100kHz 开关频率下工作。SiC功率器件的封装体积显著低于 Si-IGBT，同时高频工作环境也能够减少器件的成本；

3）提高系统效率：传统 Si-IGBT 的导通电阻较大，在开关过程中具有较大的反向电流，趋于稳定的过程中会产生巨大的损耗。SiC-SBD 器件则具有优越的正向压降和反向电流，可以有效降低器件的损耗，从而进一步提高系统效率。目 前，SBD 是新能源汽车领域应用最成熟的 SiC 器件，MOSFET 在国外范围内也得到了初步地生产和应用。实 际上，SiC-SBD/MOSFET 的耐压范围已经与 Si-SBD(FRD) / Si-MOSFE(IGBT)十分接近，由于耐压范围的全 覆盖，目前无需制作成本更高的 SiC-IGBT 器件，这也意味着碳化硅器件的性能上限要远高于硅基器件。

新能源汽车市场日益火爆，需求释放推动碳化硅市场快速增长。2020 年，全球新能源汽车市场销量为 400 万辆，其中插电混合动力 PHEV 类占比 37.50%，纯电动BEV 类占比 67.50%，是当前市场的主要品类。我们预计，2021-2025年全球新能源汽车的销量将以 14%的 CAGR 快速增长。同时，中国已成为全球最大的新能源汽 车市场，2020 年总体销量为 116 万台，占全球市场的29.00%，未来五年的 CAGR 预测为 31%。新能源汽车市 场的日益火爆，极大地拉升了碳化硅市场的增长幅度。

2019 年，全球新能源汽车 IGBT 的市场规模约为 2.25 亿美元，预计该数值 2025 年将为 15.53 亿美元，市场将以 38%的 CAGR 快速增长。同时，新能源汽车市场的 应用也占据了碳化硅器件总市场的 41.59%，预计这一占比将于2025 年提升至 60.62%。目前，用于电机驱动 逆变器的碳化硅功率器件是车用 SiC 产品中最主要且潜在增长空间最巨大的部分，碳化硅在新能源汽车领域的 应用已经达到了批量生产的临界区域，相关下游市场的大量需求正在逐步释放。预计随着新能源车市场渗透率 的进一步扩大，以及功率模块和相关应用的迅速发展，碳化硅市场将在中期内迎来爆发。

目前，全球的碳化硅厂商也在积极寻求合作，纷纷与先进新能源汽车企业签订协议。特斯拉 Model 3 所采 用的 SiC MOSFET 功率模块正是由意法半导体提供的，且后者与碳化硅领先企业 Woifspeed 签订了 150mm 碳 化硅晶圆扩展协议，旨在为全球的 SiC 晶圆供给加码。此外，意法半导体还于 2021 年 6 月与雷诺集团达成战略合作，以提供用于电动和混合动力汽车的 SiC 功率器件供应，此举旨在降低汽车的电池成本、增加充电里程、 缩短充电时间最终使成本降低近 30%。

同时，日本先进半导体制造商 ROHM 也于 2021 年 9 月与吉利汽车达 成合作，后者将使用 ROHM 提供的 SiC 功率器件实现高效的逆变效率和充电性能，从而进一步提高用户体验。WolfSpeed 也为郑州宇通集团提供了 1200V 的 SiC 功率器件，后者交付的首辆电动客车采用了碳化硅解决方案。目前，全球顶尖碳化硅器件制造商都纷纷与新能源车企寻求合作，以扩大自身在相关市场的领先地位，新能源 汽车市场的快速发展必将加剧全球碳化硅企业的竞争，预计市场集中度将进一步提高。

电动电子和逆变器领域，据 ev-sales.blog 数据统计，2021 年包括插电混动、纯电动、燃料电池在内的新能 源乘用车全球销量达到了 649.54 万辆。2021 年特斯拉全球新能源乘用车销量为 93.62 万辆，市占率达 14.4%， 位列全球首位。其中，Model 3 销量为 50.07 万辆，市占率达 7.7%。特斯拉的热门型号车型将保持对 SiC 功率 器件的搭载，结合其较高的市场占有率，这将继续推动 SiC 器件的需求高涨。车载充电系统和电源转换系统方 面，碳化硅功率器件能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率，目前全球已有超过 20 家汽 车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件。碳化硅器件应用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积， 提高充电速度。2020 年 12 月，丰田汽车推出并公开发售“Mirai”燃料电池电动汽车，这是丰田汽车首次使用 碳化硅功率器件。预计未来五年内，随着碳化硅相关功率器件在新能能源汽车中的渗透率上升，碳化硅市场将 会迎来更为快速的增长，我们对此抱有乐观预期。

2.3 太阳能光伏

碳化硅物化性质优越，光伏原材料迭代升级。碳化硅具有较宽的带隙，导热能力近乎达到了硅原料的 3 倍， 在太阳能光伏领域中发挥了重要作用。与传统的 Si 材料相比，SiC 具有极高的击穿电压和较低的导通电阻，因 而其功率器件拥有更好的开关效率并且能高效地进行热量积累。碳化硅制造的高电压 MOSFET 具有优越的开 关性能，其功能不受温度影响，由此能很好地在升温系统中保持稳定效力。此外，SiC MOSFET 也可以在具 备高转换频率的同时，拥有 99%以上的逆变效率。因此，SiC 可以广泛应用于太阳能光伏功率器件，主要包括 光伏逆变器、控制器、功率模组等。尽管碳化硅器件具有较高的制造成本，但其高导热率、高击穿电场、低损 耗等特性，都使得光伏系统效率更高，从而进一步降低成本。无论从光伏产业链上游的材料制造看，还是从下 游应用的高效能看，碳化硅都具有无与伦比的高效能。预计中长期内，碳化硅将会成为太阳能光伏领域功率器 件的主要制造原料，同时带动产业链整体实现迭代升级。

光伏新能源市场发展空间广阔，碳化硅材料仍有较大潜在空间。2018年我国能源消费中煤炭消费占比高 达 59%，风光等优质能源消费占比仅 4%。而根据“十四五”规划要求，2025 年要实现单位 GDP 能源消耗降 低 13.5%，光伏等新能源产业发展空间广阔。2020 年，全球光伏能源需求为 130GW，乐观情况下预计 2025 年 该项指标将到达 330GW，以 20.48%的 CAGR 快速增长。即使在保守情况下，全球光伏需求也将以 15.74%的 CAGR 提升，预计 2025 年实现 270GW 的广泛需求。

同时，2019年全球太阳能光伏碳化硅 IGBT 市场规模约为 1.25 亿美元，未来五年内将以 17%的 CAGR 快速增长，预计 2025 年将到达 3.14 亿美元。目前，全球的光伏IGBT 市场规模约为 23 亿元，碳化硅器件占比约为 35%，该渗透率仍将继续增长。我们认为，随着全球光伏需求的进一步增长，以及碳化硅 IGBT 器件渗透率的不断提高，表现强势的太阳能光伏市场将持续拉升对碳化硅 的需求，并进一步推动碳化硅功率器件市场的快速增长，碳化硅材料增长潜在空间仍然巨大。

光伏功率器件性能显著，诸多领先厂商纷纷加码。在光伏太阳能领域中，以硅为原料制作的逆变器成本约为系统总体的 10%，但却是能量损耗的来源之一。然而，以碳化硅为基础的 MOSFET 和功率模组可以将光伏 逆变器的转换效率从提高至 99%以上，能量损耗可以减少 50%以上，设备寿命提高 50 倍左右。目前，国外领 先碳化硅功率器件厂商意法半导体、ROHM 都已实现了 MOSFET 器件的量产，并将广泛应用于光伏太阳能领域。同时，国际著名半导体器件制造商 Onsemi已推出了适用于光伏逆变器的 SiC 功率模组，该模组集成了 1200V 40m的 MOSFET 和升压二极管，将较好地提升逆变器的性能效率。

著名太阳能和光伏组件制造商 Tainergy Tech 也已成立相关子公司，专门生产用于 GaN 外延的 SiC 衬底，并且致力于实现碳化硅对自身业务发展的良好推动。国内方面，三安集成也已完成 SiC 器件的量产平台打造，其首发产品 1200V 80m碳化硅 MOSFET 已实现了一系列性能和可靠性测试，可应用于光伏系统组成。此外，露笑科技和斯达半导体也积极 投入碳化硅器件生产，并广泛布局光伏业务。目前，无论是领先的半导体器件制造商，还是先进的太阳能光伏 组件企业，都积极投入碳化硅IGBT，并使其广泛应用于光伏领域。我们预计，未来五年内碳化硅功率器件将更为广泛地应用于光伏市场，后者亦将为 SiC 器件带来至少 15%以上的快速增长。

在宽禁带半导体产业的政策支持和行业快速发展刺激下，国内厂商开始布局碳化硅产业链。当前，在国内 政策支持和行业发展吸引下，国内诸多企业开始进入第三代半导体产业链制造中，如露笑科技、三安光电、天 通股份等上市公司均已公告进入碳化硅领域；斯达半导在今年 3 月宣布加码车规级 SiC 模组产线；而比亚迪半 导体、闻泰科技、华润微等也有从事 SiC 器件业务。此外，天科合达、山东天岳等国内厂商也都走在扩产路上。2021 年 8 月，山东天岳子公司上海天岳总投资 25 亿元计划建设碳化硅半导体材料项目开工，在达产年将形成 年产导电型碳化硅晶锭 2.6 块，对应衬底产品 30 万片的产能。项目计划于 2022 年试生产，预计 2026 年 100% 达产，其中 6 英寸半绝缘型衬底预计在 2023 年形成量产。湖南三安半导体基地一期项目于 2021 年正式投产， 该项目将打造国内首条、全球第三条碳化硅全产业生产线，项目全面建成投产后，月产能将达到 3 万片 6 英寸 碳化硅晶圆。

随着碳化硅衬底制备技术的提升及产能扩张，碳化硅衬底及外延单位面积价格或将下降。目前主流厂商均 有能力制备低微管密度衬底（<1/cm2），TSD、BPD 密度的降低将会成为衬底厂商研发工作的重点，因此预计衬 底中的 TSD 及 BPD 密度将会不断下降。此外，随着衬底直径不断扩大、单晶可用厚度不断增加，单位面积衬底 成本将不断降低。伴随大直径衬底占比不断提高，衬底单位面积生长成本下降，以直径 150mm 单晶与直径 100mm 单晶为例作比较，150mm生长成本大约为 100mm 的 1.5-2 倍，可用面积却是 100mm 的 2.25 倍。

当前单晶 可用厚度在不断增加，以直径 100mm 单晶为例，2015 年前大部分单晶厂商制备单晶平均可用厚度在 15mm 左右， 2017 年底已经达到 20mm 左右，预期单晶的平均可用厚度仍会持续增加。据半导体时代产业数据中心（TD）预 测，在 2020 年至 2025年期间，碳化硅晶片在半导体领域出货量的复合增长率将达到 43.8%，到 2025 年还将 达到 80 万片，可大规模应用于电动汽车等领域，碳化硅衬底价格有望下降。碳化硅衬底是碳化硅外延的主要成本来源，未来单位面积价格有望下降。在外延价格构成中，衬底占据了外延 50%以上的成本，随着衬底价格 下降，碳化硅外延价格也有望降低。碳化硅外延的成本构成还包括设备、厂务和人工成本部分，随着设备的改进，此类成本也将降低。随着客户对外延质量要求的提高，研发和良率损失部分成本也将保持在 7%左右。

碳化硅电力电子器件价格进一步下降，与同类型 Si 器件价差缩小。当前碳化硅器件成本约为硅的 4-5 倍， 而器件的主要成本来源是碳化硅衬底，在上游衬底材料商纷纷扩产后，未来 2-3年碳化硅衬底供应加大，衬底 价格下降有望带动碳化硅器件的成本下降。以汽车级碳化硅 MOSFET 器件为例，由于使用碳化硅 MOSFET 器 件可以大幅提高汽车性能，目前是新能源汽车电机控制器、车载电源器件制备的首选，但受制于碳化硅衬底产 能的影响当前价格较高。2020 年受疫情影响，产品供货周期延长，但从全年情况来看，碳化硅器件有所下降， 与传统产品的价差持续缩小。

SiC SBD 产品价格略有下降，降幅较前两年有所收窄。根据 CASA 中 Mouser 数 据显示，650V 的碳化硅 SBD 年底均价较 2019 年底下降了 13.2%，1200V 的碳化硅 SBD 均价 2020 年较 2019 年下降了 8.6%，与硅器件的差距在 4.5 倍左右。SiC MOSFET 降价明显，与硅器件价差收窄到 2.5~3 倍之间。根据 CASA 中的 Mouser 数据，650V、900V、1200V、1700V 的 SiC MOSFET 在 2020 年底的平均价格分别同 比下降了 13%、2%、27.62%、33.4%。而从实际成交价格来看，650V、1200V 的 SiC MOSFET 价格较 2019 年 下降幅度达 30%-40%，与 Si 器件价差也缩小至 2.5~3 倍之间。因此，随着 6 英寸晶圆不断扩产形成规模经济 后，碳化硅 MOSFET 的价格有望下降。

来源：中信建投证券