SiC優勢、產業化進展及市場需求驅動力是什么？

降本、技術突破在即，國產應用空間廣闊。

1.碳化硅器件相比于 Si 器件具有明顯的性能優勢和系統成本優勢

半導體材料根據時間先后可以分為三代： 第一代為鍺、硅等普通單質材料，一般多用于集成電路； 第二代為砷化鎵、磷化銦等化合物半導體，主要用于發光及通訊材料； 第三代半導體主要包括碳化硅、氮化鎵等化合物半導體；目前第三代半導體憑借 優秀的物理化學性質，碳化硅材料在功率、射頻器件領域逐漸開啟應用。

SiC 高禁帶特性，與硅相比具有性能優勢。SiC 的禁帶寬度為 3eV，是 Si 的 3 倍， 介電擊穿強度是 Si 的 10 倍。相較于 Si 材料，SiC 的電子飽和速度高 2 倍，另外 禁帶越寬，在高溫下的漏電流就越小，效率也越高。SiC 的熱導率是 Si 的 3 倍， 導熱系數越大，電流密度就越高。

SiC 在高電壓、高功率領域具有明顯性能優勢。目前 SiC 已經實現了 600V、1200V、 1700V 等不同電壓等級的商業化應用，而且有望在未來滿足 3300V（三菱電機已 經研制成功）和 6500V 級、更高電壓等級的需求。隨著 SiC 產品向高壓大容量 方向發展，SiC 產品的應用領域將持續增長。但在 600V 及以下小容量換流器中， SiC 產品不僅要面對 Si MOSFET 的激烈競爭，還可能受到 GaN 器件的挑戰。

從性能的角度分析，SiC MOSFET 相比 Si IGBT 具有明顯優勢：（1）受結構限 制，IGBT 的內部沒有寄生二極管，電感突然斷電釋放的電容易燒壞回路中的 IGBT；（2）SiC MOSFET 在 600V 以上具有較強優勢，相較于傳統的 Si-IGBT 體積縮小了 50%，效率提升了 2%，器件的使用壽命得到延長，并且在相同功率下損耗小，散熱需求低，在電流密度、工作頻率、可靠性、漏電流等性能指標方 面優勢明顯。

從成本的角度分析，相同性能的 SiC MOSFET 相比 Si IGBT 同樣具有優勢：根據 《Control and Topologies of Grid Connected Converters》的研究，對 690V 電 網中基于 Si 和 SiC 的兩種工業轉換器進行了設計比較，發現在給定的設計要求 下，與基于硅的設計相比，基于 SiC 的設計可以顯著減輕重量并降低 11%的系統 成本，提高整體效率。

2.成本下降推動 SiC 產業化

SiC 產業鏈主要包括襯底、外延、器件制造、應用等環節。碳化硅器件不可直接 制作于襯底上，需先使用化學氣相沉積法在襯底表面生成所需薄膜材料，即形成 外延片，再進一步制成器件。

SiC 市場高度集中。在 SiC 晶圓市場中，海外 Wolfspeed 和 Coherent 占據了 70% 以上的市場份額；碳化硅器件市場中，CR3 的市場份額 69%。我們認為，未來國 產替代空間較大。

國際龍頭持續加大襯底產能的擴張。Wolfspeed、羅姆、II-VI（現更名 Coherent） 等巨頭都有 5 倍以上的產能擴建規劃。羅姆計劃從 2019 到 2025 年擴產 6 倍。 II-VI 則在 2020 年提出計劃，5 年內產能將擴大 5-10 倍。Wolfspeed 在 2019 年 推出了 5 年實現 30 倍擴產計劃。

成本是 SiC 技術產業化的核心變量，SiC 襯底是高成本的主要原因。目前 SiC 大 規模應用的阻礙仍在于 SiC 成本較高。截至 2021 年 9 月，100 安培分立式 SiC MOSFET（650V 和 1200V）的零售價幾乎是同等額定 Si IGBT 的 3 倍，盡管 SiC 器件芯片減小了 3-4 倍。造成這種成本差異最大的原因是 SiC 襯底，與硅相比， 其他成本也會導致碳化硅的價格較高，但與襯底成本相比影響較小。

長晶速率和綜合良率是襯底重要的降本因子。長晶環節是襯底制造過程中壁壘最 高的環節，直接材料中占比最大的耗材用于長晶環節，提高長晶良率和效率有助 于降低成本。根據 CEMAC 測算，提高 30%的長晶速度，并降低 50%的切割損 耗，可以降低 70%的襯底。

技術升級驅動襯底成本降低。英飛凌在 2018 年收購了 SiC 晶圓切割領域的新銳 公司 Siltectra，其冷切割（Cold Split）使得原材料損耗從傳統 50%減至 20%， 每片晶圓的成本可以降低 35%。碳化硅單晶生長方法有物理氣相傳輸法（PVT 法）、高溫化學氣相沉積法（HTCVD 法）和液相法（LPE 法）等。目前 PVT 方 法是 SiC 單晶生長的主流技術，但該方法生長速度慢，擴晶難度較大。2023 年 6 月，天岳先進攜 8 英寸碳化硅襯底最新技術動態亮相 Semicon China，采用液 相法制備出了低缺陷的 8 英寸晶體。

根據 Yole，2023 年 6 寸導電型襯底片的市場零售價 771 美元/片，預計未來會按 照 5%的速度下降，進一步推動 SiC 器件的滲透率提升。

晶圓尺寸增加有助于推動 SiC 芯片成本，目前全球 SiC 龍頭襯底尺寸正在向 8 英 寸發展。當前 SiC 主流為 6 英寸，伴隨大直徑襯底占比不斷提高，襯底單位面積 生長成本下降。

溝槽型碳化硅 MOSFET 在成本和性能上都具有較強優勢。碳化硅 MOSFET 主要 分為平面結構和溝槽結構。目前 ROHM Gen3 結構（Gen1 Trench 結構）的芯片 面積相當于是 Gen2（Plannar2）的 75%，同一芯片尺寸的導通電阻可降低 50%， 還可以降低成本。

未來 8 英寸襯底 SiC 成本有望繼續下降。根據 PGC Consultancy SiC 成本預測模 型結果，隨著 8 英寸襯底成本的加速下降和缺陷減少，到 2023 年使用 8 英寸襯 底的 SiC 芯片成本會低于 6 英寸襯底，并且未來持續降低。

垂直整合模式可提高利潤率。根據 McKinsey&Company 研究，SiC 晶圓和器件 制造的垂直整合可以提高良率 5 至 10 個百分點，利潤率提高 10 至 15 個百分 點。

3. 新能源汽車是 SiC 器件市場需求最重要驅動力

新能源汽車的高速發展為第三代半導體功率器件帶來廣闊應用空間。根據麥肯錫 研究結果，預計到 2024 年或 2025 年，電動汽車的總體擁有成（TCO）將在許 多國家達到與內燃機汽車（ICE）持平的水平，2030 年電動汽車在全球輕型汽車 市場中的份額將增長 3.5 倍達到 67%。目前 SiC 器件市場價值約為 20 億美元， 預計到 2030 年將達到 110 億至 140 億美元，復合年增長率預計為 26%，預計 70%的 SiC 需求將來自電動汽車，國內是電動汽車預期需求最高的國家，預計將 占電動汽車生產中碳化硅總需求的 40%左右。

SiC 器件新能源汽車應用中具有更大優勢。IGBT 是雙極型器件，在關斷時存在 拖尾電流，因此關斷損耗大。MOSFET 是單極器件，不存在拖尾電流，SiC MOSFET 的導通電阻、開關損耗大幅降低，整個功率器件具有高溫、高效和高頻 特性，能夠提高能源轉換效率。

SiC 器件在新能源車中有四大應用，其中逆變器部分價值量最高。SiC 器件在新 能源汽車上有快充系統、車載系統、動力系統和交流/直流轉換器四大作用。SiC IGBT 具有導通壓降小、開關速度快的優勢，大量應用于新能源汽車的 OBC、 DC/DC 和電機控制器中。目前，電動車逆變器的碳化硅器件價值量占到 90%。

碳化硅在新能源車的滲透率和價值量持續提升。根據 Wolfspeed 預測，2027 年 碳化硅在純電動車中的滲透率將達到 60%以上，電動車中碳化硅器件的價值量將 以 33%的年復合增長率增長，2027 年達到 4986 美金。

電機驅動：SiC 行業龍頭 Wolfspeed 預測 SiC 逆變器能夠提升 5-10%的續航， 節省 400-800 美元的電池成本（80kWh 電池、102 美元/kWh），與新增 200 美 元的 SiC 器件成本抵消后，能夠實現至少 200 美元的單車成本下降。

碳化硅主驅逆變器持續滲透。目前幾乎所有的汽車制造商都在開發基于碳化硅的 主驅逆變器，2022 年開始碳化硅在高端電動車的滲透率將加速提升。

電源轉換：車載 DC/DC 變換器的功能是將動力電池提供的高壓直流電轉換為適 合不同系統的低壓直流電，從而為動力驅動、HVAC、車窗升降、內外照明、信 息娛樂和一些傳感器等提供不同的電壓。采用 SiC 器件可以有效降低功率轉換的 損耗，并縮小散熱部件的尺寸，從而實現變壓器的小型化。 充電模塊：采用 SiC MOSFET，能夠顯著提升車載/非車載充電機功率密度、減 少開關損耗，改善熱管理。根據 Wolfspeed，汽車電池充電機采用 SiC MOSFET 在系統層面的 BOM 成本將降低 15%。