SiC特點(diǎn)、應(yīng)用市場規(guī)模、產(chǎn)業(yè)鏈、競爭格局與技術(shù)發(fā)展方向分析

碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）是突破性寬禁帶半導(dǎo)體材料（我國分類為第三代半導(dǎo) 體材料）。

與前兩代半導(dǎo)體材料相比，由第三代半導(dǎo)體材料制成的器件具有高效率、開 關(guān)速度快、能量損耗低等優(yōu)勢，能大幅提升產(chǎn)品的能量轉(zhuǎn)換效率并縮小產(chǎn)品體積，是制 造高壓功率器件和高功率射頻器件的理想材料。目前第三代半導(dǎo)體材料被廣泛用于新能 源車、高壓充電樁、智能電網(wǎng)、5G 通信、光伏、風(fēng)能發(fā)電等領(lǐng)域。

與前兩代半導(dǎo)體材料相比，以 SiC 為代表的第三代半導(dǎo)體材料擁有以下特點(diǎn)： 1）禁帶寬度更高：SiC 的禁帶寬度是硅片的約 3 倍，保證了器件在高溫條件下的工 作穩(wěn)定性，減少因高溫造成的器件故障現(xiàn)象。理論上一般硅片的極限工作溫度 為 300°C，而 SiC 器件的極限工作溫度可達(dá) 600°C 以上。同時(shí)，由于 SiC 的 熱導(dǎo)率比硅更高，在相同的輸出功率下 SiC 能保持更低的器件溫度，因此對(duì)散 熱設(shè)計(jì)要求更低，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。 2）擊穿電場強(qiáng)度更大：SiC 的擊穿電場強(qiáng)度是硅片的約 10 倍。使用 SiC 器件可以 顯著提高產(chǎn)品的最大工作電壓、工作頻率和電流密度，大大減少導(dǎo)通能量損耗。 3）工作頻率更高：SiC 的飽和電子漂移速率是硅片的約 2 倍，因此 SiC 器件能實(shí)現(xiàn) 更高的工作頻率和功率密度。

4）器件開關(guān)能量損耗低：由于 SiC 的寬帶隙特性，使得 SiC 器件的導(dǎo)通電阻約 為硅件的 1/200，導(dǎo)通損耗更低。在硅基 FRDs 和硅基 MOSFETs 中，當(dāng)從正向偏 置切換到反向偏置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的瞬態(tài)電流，造成大量的能量損耗 （switching loss）。而 SiC SBDs 和 SiC MOSFETs 是多子載流器件，切換反向 偏置時(shí)只會(huì)流過少量電流，且不受溫度和正向電流大小的影響，可實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn) 定的反向恢復(fù)，大大減少能量損耗。 5）高壓穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性：一般來說硅基 MOSFETs 的正常工作電壓可以達(dá)到 900v。 而由 SiC 制成的器件，理論最大工作電壓能超過 1700v，且能保持極低的漂移層 電阻，減少能量損耗。另外，硅基 MOSFETs 在溫度升高至 150°C 時(shí)，漂移層電 阻將會(huì)提高約 1 倍，而 SiC MOSFETs 在同等條件下漂移層電阻仍能保持較好的 穩(wěn)定性，電阻提升幅度遠(yuǎn)小于硅基 MOSFETs。

6）高能量密度和設(shè)備小型化能力：SiC 的高禁帶寬度決定了它能承受更高的雜質(zhì) 濃度并降低漂移層膜厚，縮小芯片體積。同時(shí)由于 SiC 優(yōu)良的散熱性、熱穩(wěn)定 性和高頻工作能力，使得芯片對(duì)散熱系統(tǒng)的要求更低，并減少了變壓器、電感 器等外圍組件的體積，降低整體成本同時(shí)縮減了器件大小。

全球 SiC 功率半導(dǎo)體市場規(guī)模有望于 2027 年突破 60 億美元：根據(jù) Yole 預(yù)測，全球 SiC 功率半導(dǎo)體市場將從 2021 年的 11 億美元增長至 2027 年的 63 億美元，CAGR 為 34%。 在滲透率方面，雖然硅基材料仍將是行業(yè)主流材料，且未來的幾年內(nèi)市場滲透率仍將超 過 80%，但第三代半導(dǎo)體的滲透率將會(huì)隨著產(chǎn)品普及率與性價(jià)比的提升快速攀升。目前 第三代半導(dǎo)體技術(shù)尚處于導(dǎo)入期，預(yù)計(jì) 2024 年，SiC 產(chǎn)品滲透率將達(dá)到約 10%，而 GaN 產(chǎn)品滲透率將達(dá)到約 3%。

未來新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)主導(dǎo) SiC 市場。由于傳統(tǒng)燃油車缺乏 SiC 器件應(yīng)用場景， 新能源汽車未來仍為 SiC 器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域。據(jù) Yole 預(yù)計(jì)，全球 SiC 新能源車應(yīng)用 市場份額將從 2021 年的 64%提升至 2027 年的 79%。我們認(rèn)為，雖然短期內(nèi)新能源車出 貨量受到宏觀環(huán)境與經(jīng)濟(jì)周期的影響，承壓態(tài)勢明顯，但受益于各國對(duì)能源安全關(guān)注度 的提升和“碳中和，碳達(dá)峰”目標(biāo)的持續(xù)推進(jìn)，行業(yè)長期增長邏輯并未改變。自 2018 年以來，全球新能源車出貨量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長 - 從 2018 年的約 79 萬輛迅速提升至 2022 年的 320 萬輛以上CAGR超過 40%。據(jù) IEA 預(yù)計(jì)，2030 年全球新能源車出貨量有望達(dá)到 2,600 萬輛。

光伏發(fā)電為 SiC 器件另一大應(yīng)用領(lǐng)域。在光伏發(fā)電中，傳統(tǒng)硅基逆變器成本約占光伏逆 變器成本的 10%，但卻是能量損耗的主要來源之一。而使用 SiC 器件能將逆變器能量損 耗降低約 50%以上，將能量轉(zhuǎn)換效率從 96%提升至 99%，且能提高設(shè)備循環(huán)壽命 50 倍并 縮小設(shè)備體積。據(jù) Yole 預(yù)計(jì)，SiC 能源應(yīng)用的市場規(guī)模將從 2021 年的 1.5 億美元增長 至 2027 年的 4.5 億美元，CAGR 達(dá) 20%。據(jù) SolarPower Europe 預(yù)計(jì)，在中性預(yù)期下， 全球光伏新增裝機(jī)量將以 15.6%的 CAGR 從 2021 年的 168GW 增長至 2026 年的 346GW，而 SiC 器件的滲透率將于同年提升至 50%左右。 雖然從市場規(guī)模上看，第三代半導(dǎo)體目前只占全球半導(dǎo)體市場 1-2%，但由于 SiC 器件能 為新能源車與光伏逆變器帶來較大性能提升并減小器件體積，能解決下游客戶目前面臨 的痛點(diǎn)，因此 SiC 市場規(guī)模與滲透率有望持續(xù)提高。

在新能源車中，SIC 器件主要被應(yīng)用在牽引逆變器、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（DC/DC 轉(zhuǎn)換器）、電 源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)和非車載充電樁中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，B 級(jí)以上新能源車 SiC 器件需 求量約為 66-150 顆之間（Tesla Model S 僅 SiC SBD 使用量已超過 60 顆），而直流充 電樁則需要 150 多顆 SiC 器件。相比于一般硅基器件，搭載 SiC 器件能提升新能源車充 電速度約 2 倍、使能量損耗與器件體積降低 50%以上，并提升 50%的電池功率密度。

在應(yīng)用端，自 2018 年 Tesla 首次在其 Model 3 中搭載 SiC 器件開始，市場對(duì)第三代半 導(dǎo)體器件的關(guān)注度逐漸走高，越來越多的新能源車企意識(shí)到 SiC 器件能帶來較大的性能 提升，并逐漸開始在新能源車中搭載碳化硅器件。近些年來，新能源車企為了解決“里 程焦慮”問題，開始向 800v 高壓充電平臺(tái)技術(shù)轉(zhuǎn)換，如長城、吉利、“蔚小理”等車企 普遍于 2020-2021 年宣布開始發(fā)售 800v 高壓車型。而 SiC 器件對(duì)于高壓新能源車及高 壓充電平臺(tái)來說，是必不可少的重要器件。未來隨著高壓新能源車型的逐漸普及，SiC 器件市場規(guī)模有望放量增長。

SiC 產(chǎn)業(yè)鏈可分為上游襯底材料、中游外延生長與器件制造和下游應(yīng)用市場四大部分， 襯底生產(chǎn)環(huán)節(jié)為產(chǎn)業(yè)核心難點(diǎn)。根據(jù)使用場景不同，SiC 襯底可分為導(dǎo)電型和半絕緣型。 導(dǎo)電型襯底在 SiC 晶片上生長 SiC 外延（SiC-on-SiC），主要被用來制造功率器件；而 半絕緣襯底在 SiC 晶片上生長 GaN 外延（GaN-on-SiC），主要被用來制造射頻器件。

SiC 襯底成本可達(dá)器件總成本的 50%以上。SiC 襯底制造難度大，單晶生長緩慢，技術(shù) 壁壘較高，是目前 SiC 器件生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)，亦是產(chǎn)業(yè)鏈難點(diǎn)。SiC 襯底制造需要經(jīng)過 6 道工序：粉料合成 -> 籽晶穩(wěn)定 -> 晶體生長 -> 襯底切割 -> 研磨拋光 -> 清洗檢 測。襯底生產(chǎn)主要技術(shù)難點(diǎn)在于粉料合成、晶體生長和襯底切割環(huán)節(jié)。SiC 晶體對(duì)粉料 純度要求極高，對(duì)雜質(zhì)控制有著極高的要求，高品質(zhì) SiC 襯底粉料純度需達(dá)到 99.9995%以上。同時(shí)，SiC 晶體生長需要在 2000°C 以上的晶體生長爐中進(jìn)行，對(duì)溫度 要求高，且 SiC 單晶生長緩慢。一般 SiC 單晶的生長速度僅為硅晶的百分之一（7 天生 長約 3-6cm），制造難度大。SiC 晶體也是硬度僅次于金剛石的高硬脆性材料，在晶體切 割環(huán)節(jié)極易裂片，造成晶片良品率低等問題。而 SiC 襯底制造難度大也導(dǎo)致了 SiC 器件 價(jià)格高企，產(chǎn)品滲透率難以快速提升。

Wolfspeed 襯底市場一家獨(dú)大，以價(jià)格優(yōu)勢突圍器件市場。目前全球第三代半導(dǎo)體市場 主要由美、歐、日等國企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)，呈現(xiàn)寡頭壟斷的競爭格局。市場規(guī)模最大的導(dǎo)電型襯 底領(lǐng)域主要由 Wolfspeed、II-VI 和 SiCrystal（ROHM 子公司）所主導(dǎo)，其中 Wolfspeed 市場占比達(dá) 62%；而在半絕緣型襯底市場則由 II-VI、Wolfspeed 和國企天岳 先進(jìn)壟斷，三家公司占市率合計(jì)超過 90%。SiC 功率器件主要由意法半導(dǎo)體（STM）、 Infineon 和 Wolfspeed 主導(dǎo)，合計(jì)占市率超過 70%，其中 STM 占市率達(dá) 38%，為全球第 一。 SiC 襯底將圍繞提高晶片尺寸、提升良品率、提升襯底附加價(jià)值發(fā)展。目前全球市場 SiC 襯底以 4-6 英寸為主。由于提升襯底尺寸能大幅減少晶片不良晶粒和邊緣晶粒數(shù) 量，提升生產(chǎn)效率，未來 8 英寸襯底將成為市場主流。

SiC 器件圍繞降低生產(chǎn)成本，提升生產(chǎn)效率發(fā)展。據(jù)調(diào)查，SiC 器件成交價(jià)雖低于公開 報(bào)價(jià)，但仍高于硅基器件售價(jià) 4 倍左右，迫使新能源車企只在高端車型上搭載 SiC 器 件。據(jù) CASA 預(yù)計(jì)，當(dāng) SiC 器件 ASP 下降至硅基器件 2 倍左右時(shí)，產(chǎn)品性價(jià)比將打開中 低端車型市場，市場規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。未來 SiC 器件行業(yè)主旋律將圍繞提升產(chǎn)量降低 ASP 發(fā)展。