本期的智能内参，我们推举安信证券的报告《市场空间巨大，SiC 国产化趋势加速》，从的市场前景、行业玩家和发展趋势剖析碳化硅的国产化趋势。
来源 中信建投
原标题：
《市场空间巨大，SiC 国产化趋势加速》
作者： 马良
一、 性能突出，宽禁带半导体核心材料
第一代半导体紧张有硅和锗，由于硅的自然储量大、制备工艺大略，硅成为制造半导体产品的紧张原材料，广泛运用于集成电路等低压、低频、低功率场景。但是，第一代半导体材料难以知足高功率及高频器件需求。
砷化镓是第二代半导体材料的代表，较高的电子迁移率使其运用于光电子和微电子领域，是制作半导体发光二极管和通信器件的核心材料。但砷化镓材料的禁带宽度较小、击穿电场低且具有毒性，无法在高温、高频、高功率器件领域推广。
第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表，与前两代半导体材料比较最大的上风是较宽的禁带宽度，担保了其可击穿更高的电场强度，适宜制备耐高压、高频的功率器件，是电动汽车、5G 基站、卫星等新兴领域的空想材料。
三代半导体材料的指标参数比拟
SiC 具有宽的禁带宽度、高击穿电场、高热传导率和高电子饱和速率的物理性能，使其有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等优点，可降落下贱产品能耗、减少终端体积。碳化硅的禁带宽度大约为 3.2eV，硅的宽带宽度为 1.12eV，大约为碳化硅禁带宽度的 1/3，这也就解释碳化硅的耐高压性能显著好于硅材料。
此外，碳化硅的热导率大幅高于其他材料，从 而使得碳化硅器件可在较高的温度下运行，其事情温度高达 600℃，而硅器件的极限温度仅为 300℃；另一方面，高热导率有助于器件快速降温，从而下贱企业可简化器件终真个冷却系统，使得器件轻量化。根据 CREE 的数据，相同规格的碳化硅基 MOSFET 尺寸仅为硅基MOSFET 的 1/10。
同时，碳化硅具有较高的能量转换效率，且不会随着频率的提高而降落，碳化硅器件的事情频率可以达到硅基器件的 10 倍，相同规格的碳化硅基 MOSFET 总能量损耗仅为硅基 IGBT 的 30%。碳化硅材料将在高温、高频、高频领域逐步替代硅，在 5G 通信、航空航天、新能源汽车、智能电网领域发挥主要浸染。
碳化硅家当链可分为三个环节：碳化硅衬底材料的制备、外延层的成长、器件制造以及下贱运用市场，常日采取物理气相传输法（PVT 法）制备碳化硅单晶，再在衬底上利用化学气相沉积法（CVD 法）天生外延片，末了制成器件。在 SiC 器件的家当链中，紧张代价量集中于上游碳化硅衬底（占比 50%旁边）。
碳化硅衬底的家当链
碳化硅衬底根据电阻率划分：半绝缘型碳化硅衬底：指电阻率高于 105Ω·cm 的碳化硅衬底，其紧张用于制造氮化镓微波射频器件。微波射频器件是无线通讯领域的根本性零部件，中国大力发展 5G 技能推动碳化硅衬底需求开释。
导电型碳化硅衬底：指电阻率在 15~30mΩ·cm 的碳化硅衬底。由导电型碳化硅衬底成长出的碳化硅外延片可进一步制成功率器件，功率器件是电力电子变换装置核心器件，广泛运用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域。汽车电动化趋势利好 SiC发展。
碳化硅运用处景根据产品类型划分：
1、射频器件：射频器件是在无线通信领域卖力旗子暗记转换的部件，如功率放大器、射频开关、滤波器、低噪声放大器等。碳化硅基氮化镓射频器件具有热导率高、高频率、高功率等优点，相较于传统的硅基 LDMOS 器件，其可以更好地适应 5G 通信基站、雷达运用等领域低能耗、高效率哀求。
2、功率器件：又称电力电子器件，紧张运用于电力设备电能变换和掌握电路方面的大功率电子器件，有功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT 等。碳化硅基碳化硅器件在 1000V 以上的中高压领域有深远影响，紧张运用领域有电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网等。
3、新能源汽车：电动汽车系统涉及功率半导体运用的组件有电机驱动系统、车载充电系统（On-board charger，OBC）、车载 DC/DC 及非车载充电桩。个中，电动车逆变器市场碳化硅功率器件运用最多，碳化硅模块的利用使得整车的能耗更低、尺寸更小、行驶里程更长。目前，国内外车企均积极布局碳化硅器件运用，以优化电动汽车性能，特斯拉、比亚迪、丰田等车企均开始采取碳化硅器件。随着碳化硅功率器件的生产本钱降落，碳化硅在充电桩领域的运用也将逐步深入。
4、光伏发电：目前，光伏逆变器龙头企业已采取碳化硅 MOSFET 功率器件替代硅器件。根据中商情报网数据，利用碳化硅功率器件可使转换效率从 96%提高至 99%以上，能量损耗降落 50%以上，设备循环寿命提升 50 倍，从而带来本钱低、效能高的好处。
5、智能电网：国家大力发展新基建，特高压输电工程对碳化硅功率器件具有重大需求。其在智能电网中的紧张运用处景包括：高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵巧互换输电装置、高压直流断路器、电力电子变压器等装置。比较其他电力电子装置，电力系统哀求更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件打破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率和高温度方面的限定所导致的系统局限性，并具有高频、高可靠性、高效率、低损耗等独特上风，在固态变压器、柔性互换输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统等运用方面推动智能电网的发展和变革。
6、轨道交通：轨道交通对其牵引变流器、赞助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机等装置
7、射频通信：碳化硅基氮化镓射频器件同时具备碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的上风，能够知足 5G 通讯对高频性能和高功率处理能力的哀求，逐步成为 5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技能路线。
二、 碳化硅市场前景
自 1955 年菲力浦实验室的 Lely 首次在实验室成功制备碳化硅单晶以来，在随后的 60 余年中，美国、欧洲、日本等发达国家与地区的科研院所与企业不断创新和改良碳化硅单晶的制备技能与设备，在碳化硅单晶晶体及晶片技能与家当化领域形成了较大上风。
碳化硅功率器件在风力发电、工业电源、航空航天等领域已实现成熟运用。伴随新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等家当的快速发展，功率器件的利用需求大幅增加。根据 IC Insights《2019 年光电子、传感器、分立器件市场剖析与预测报告》， 2018 年环球功率器件的发卖额增长率为 14%，达到 163 亿美元。未来，随着碳化硅和氮化镓功率器件的加速发展，环球功率器件的发卖额估量将持续保持增长。估量 2018 至 2023 年期间，环球功率器件的发卖额复合年增长率达到 3.3%，2023 年环球功率器件收入将达到 192 亿美元。
根据 IHSMarkit 数据，2018 年碳化硅功率器件市场规模约 3.9 亿美元，受新能源汽车弘大需求的驱动，以及电力设备等领域的带动，估量到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将超过 100 亿美元，碳化硅衬底的市场需求也将大幅增长。
碳化硅功率器件市场规模测算
新能源汽车行业是市场空间巨大的新兴市场，环球范围内新能源车的遍及趋势逐步清晰化。随着新能源汽车的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。
新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体运用的组件包括：电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载 DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅功率器件运用于电机驱动系统中的主逆变器，能够显著降落电力电子系统的体积、重量和本钱，提高功率密度。
美国特斯拉公司的 Model 3 车型采取以 24 个碳化硅 MOSFET 为功率模块的逆变器，是第一家在主逆变器中集玉成碳化硅功率器件的汽车厂商；碳化硅器件运用于车载充电系统和电源转换系统，能够有效降落开关损耗、提高极限事情温度、提升系统效率，目前环球已有超过 20 家汽车厂商在车载充电系统中利用碳化硅功率器件；碳化硅器件运用于新能源汽车充电桩，可以减小充电桩体积，提高充电速率。SiC 在新能源汽车上的运用将在担保汽车的强度和安全性能的条件下大大减轻汽车的重量，有效提升电动车 10%以上的续航里程，减少80%的电控系统体积。
碳化硅在电动汽车中的运用
新能源汽车碳化硅功率器件市场规模推算：根据中国汽车工业协会数据，我国新能源汽车销量由 2015 年的 33.1 万辆增至 2019 年的 120.6 万辆，复合增长率达 38%，渗透率达到4.7%。 根据工信部发布的《新能源汽车家当发展方案（2021-2035 年）》，2025 年我国汽车销量有望达到 3000 万辆，个中新能源汽车占新车总销量 20%，新能源汽车销量有望达到 600 万辆。
据天科合达招股书表露，根据现有技能方案，每辆新能源汽车利用的功率器件代价约 700 美元到 1000 美元。粗略估计，我国 2025 年新能源汽车利用的功率器件市场达 42~60 亿美元。
2013-2020 年新能源汽车销量及增长率
2021 年新能源汽车产销量
在光伏发电运用中，基于硅基器件的传统逆变器本钱约占系统 10%旁边，却是系统能量损耗的紧张来源之一。利用碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 与碳化硅 SBD 结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从 96%提升至 99%以上，能量损耗降落 50%以上，设备循环寿命提升 50 倍，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件利用寿命、降落生产本钱。高效、高功率密度、高可靠和低本钱是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品估量会逐渐替代硅基器件。
光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测
环球光伏装机量预测
轨道交通车辆呈现多样化发展，从运行状态上可分为干线机车、城市轨道车辆、高速列车，个中城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的紧张动力。轨道交通车辆中大量运用功率半导体器件，其牵引变流器、赞助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有利用碳化硅器件的需求。
轨道交通中碳化硅功率器件占比预测
个中，牵引变流器是机车大功率互换传动系统的核心装备，将碳化硅器件运用于轨道交通牵引变流器，能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装置效率，符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装臵的运用需求，提升系统的整体效能。根据天科合达招股书，2012 年，包含碳化硅 SBD 的稠浊碳化硅功率模块在东京地铁银座线 37列车辆中商业化运用，实现了列车牵引系统节能效果的明显提升、电动机能量损耗的大幅低落和冷却单元的小型化；2014 年，日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电3300V/1500A 全碳化硅功率模块逆变器，开关损耗降落 55%、体积和重量减少 65%，电能损耗降落 20%至 36%。
半绝缘型碳化硅衬底紧张运用于制造氮化镓射频器件。通过在半绝缘型碳化硅衬底上成长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成氮化镓射频器件。微波射频器件是实现旗子暗记发送和吸收的根本部件，是无线通讯的核心，紧张包括射频开关、LNA、功率放大器、滤波器等器件，个中，功率放大器是放大射频旗子暗记的器件，直接决定移动终端和基站的无线通信间隔、旗子暗记质量等关键参数。
根据 Yole 的预测，得益于 5G 基站培植和雷达下贱市场的大量需求，用于氮化镓外延的半绝缘型碳化硅衬底市场规模取得较快增长，半绝缘型碳化硅衬底市场出货量（折算为 4 英寸）将由 2020 年的 16.58 万片增长至 2025 年的 43.84万片，期间复合增长率为 21.50%。
半绝缘型碳化硅衬底销量预测（万片）
随着环球 5G 通讯技能的发展和推广，5G 基站培植将为射频器件带来新的增长动力。5G 通讯高频、高速、高功率的特点对功率放大器的高频、高速以及功率性能有更高哀求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的上风，打破了砷化镓和硅基 LDMOS 器件的固有缺陷，能够知足 5G 通讯对高频性能和高功率处理能力的哀求，碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为 5G 功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技能路线。
据 Yole Development 预测，2025 年环球射频器件市场将超过 250 亿美元，个中射频功率放大器市场规模将从 2018 年的 60 亿美元增长到 2025 年的104 亿美元，而氮化镓射频器件在功率放大器中的渗透率将持续提高。随着 5G 市场对碳化硅基氮化镓器件需求的增长，半绝缘型碳化硅晶片的需求量也将大幅增长。
不同材料微波射频器件的运用范围比拟
三、紧张玩家，外洋巨子垄断
碳化硅器件代工领域，海内企业有相称竞争力。中车时期电气建有 6 英寸双极器件、8 英寸IGBT 和 6 英寸碳化硅的家当化基地，拥有芯片、模块、组件及运用的全套自主技能；华润微具备碳化硅功率器件制备技能。泰科天润是海内领先的碳化硅功率器件生产商，其在北京拥有一座完全的半导体工艺晶圆厂，可在 4/6 英寸 SiC 晶圆上实现半导体功率器件的制造工艺。
目前泰科天润的碳化硅器件 650V/2A-100A，1200V/2A-50A，1700V/5A -50A，3300V/0.6A-50A 等系列的产品已经投入批量生产，产品质量可以比肩国际同行业的前辈水平。在 SiC 外延的研发和量产方面，我国也已紧跟天下一流水平，瀚每天成的产品已打入国际市场；我国 SiC IDM 紧张有泰科天润、世纪金光、基本半导体、中电科 15 所、中电科 13所等。
衬底制备是碳化硅器件核心难点，也是本钱高企的紧张缘故原由。由于晶体成长速率慢、制备技能难度较大，大尺寸、高品质碳化硅衬底生产本钱较高，碳化硅底较低的供应量和较高的价格一贯是制约碳化硅基器件大规模运用的紧张成分，限定了产品不才游行业的运用和推广。碳化硅价格昂贵，紧张缘故原由是其制造难度高。硅材料 72 小时可长出 2 米旁边的晶体；但是碳化硅 144 小时成长出的晶体厚度只有 2-3 厘米，碳化硅长晶速率不到硅材料的百分之一。
其次，由于碳化硅硬度高（其硬度仅次于金刚石），对该材料进行光刻加工、切割都非常困难，损耗极大，将一个 3 厘米厚的晶锭切割 35-40 片须要花费 120 小时，远远慢于切割硅晶锭。其余，碳化硅成长环境温度远高于硅材料，硅的升华温度为 1400 度旁边，而碳化硅的晶片成长须要 2000 度旁边，这对炉管设备的哀求更高。并且，SiC 的成长周期长，长出来晶锭的厚度较薄，掌握良率难度高。
而随着尺寸的增大，碳化硅单晶扩径技能的哀求越来越高。扩径技能须要综合考虑热场设计、扩径构造设计、晶系统编制备工艺设计等多方面的技能掌握要素，终极实现晶体迭代扩径成长，从而得到直径达标的高质量籽晶，继而实现后续大尺寸将晶的连续成长。在最新技能研发储备上，行业领先者科锐公司和贰陆公司均已成功研发并投产 8 英寸产品，而海内公司在此方面较为掉队。
目前导电型碳化硅衬底以 6 英寸为主，8 英寸衬底开始研发；半绝缘碳化硅衬底以 4 英寸为主，目前逐渐向 6 英寸衬底发展。6 英寸衬底面积为 4 英寸衬底的 2.25 倍，相同的晶系统编制备韶光内衬底面积的倍数提升带来衬底本钱的大幅降落。与此同时，单片衬底上制备的芯片数量随着衬底尺寸增大而增多，单位芯片的本钱也即随之降落，因此碳化硅衬底正在不断向大尺寸的方向发展。
从家当格局看，环球碳化硅家当格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。个中美国环球独大，霸占环球碳化硅产量的 70%~80%，碳化硅晶圆市场 CREE 一家市占率高达六成之多；欧洲拥有完全的碳化硅衬底、外延、器件以及运用家当链，在环球电力电子市场拥有强大的话语权；日本是设备和模块开拓方面的绝对领先者。
上世纪 90 年代初美国 CREE 公司已成功推出碳化硅晶片产品，90 年代末成功研制出 4 英寸碳化硅晶片，并于 2001 年成功研制首个商用碳化硅 SBD 产品。随着碳化硅衬底和器件制备技能的成熟和不断完善，以及下贱运用的需求增长，国际碳化硅龙头企业在保持技能和市场霸占率的情形下，不断加强家当布局，紧张方法包括：连续扩大产能，根据 CREE 公司官网，2019 年 5 月 CREE 斥资 10 亿美元扩大碳化硅晶片生产能力；加强与高下游家当链的联合，通过条约、同盟或其他办法提前锁定订单（如 2018 年 CREE 相继与 Infineon、ST 等欧美紧张第三代半导体下贱企业签订长期供货协议）。整体来看，国际半导体龙头企业纷纭在碳化硅领域加速布局，一方面将推动碳化硅材料的市场渗透率加速，另一方面也初步奠定了未来几年第三代半导体领域的竞争格局。
环球碳化硅家当链紧张公司
从环球碳化硅(SiC)衬底的企业经营情形来看，以 2018 年导电性碳化硅晶片厂商市场霸占率为参考，美国 CREE 公司占龙头地位，市场份额达 62％，其次是美国 II-VI 公司，市场份额约为 16％。总体来看，在碳化硅市场中，美国厂商霸占紧张地位。
SiC 衬底市场情形
导电型碳化硅晶片厂商市场霸占率
四、 海内企业持续布局，加强产品创新
第三代半导体材料是信息家当、5G 通讯、国防军工等计策领域的核心材料，近年来，国家出台一系列半导体家当鼓励政策，为海内企业供应政策及资金支持，以推动以碳化硅为代表的第三代半导体材料发展。
SiC 行业是技能密集型行业，对研发职员操作履历、资金投入有较高哀求。国际巨子半导体公司研发早于海内公司数十年，提前完成了技能积累事情。因此，海内企业存在人才匮乏、技能水平较低的困难，制约了半导体行业的家当化进程发展。而在碳化硅第三代半导体家傍边，行业整体处于家当化初期，中国企业与外洋企业的差距明显缩小。
受益于中国 5G 通讯、 新能源等新兴家当的技能水平、家当化规模的天下领先地位，海内碳化硅器件巨大的运用市场空间驱动上游半导体行业快速发展，海内碳化硅厂商具有自身上风。在环球半导体材料供应不敷的背景下，国际龙头企业纷纭提出碳化硅产能扩展操持并保持高研发投入。同时，海内本土 SiC 厂家加速碳化硅领域布局，把握发展机会，追赶国际龙头企业。
海内厂商产品及产能情形
经由多年研发创新，海内部分公司已经节制半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化硅衬底的生产技能，并且其产品质量达到国际前辈水平。SiC 衬底产品的核心技能参数包括直径、微管密度、多型面积、电阻率范围、总厚度变革、波折度、翘曲度、表面粗糙度。
近年来，海内企业碳化硅衬底的制造工艺水平也不断提升。衬底良品率呈上升趋势，衬底良品率表示为单个半导体级晶棒经切片加工后产出合格衬底的占比，受晶棒质量、切割加工技能等多方面的影响。海内碳化硅衬底公司山东天岳，据公司招股书表露，核心生产环节的晶棒良品率由 2018 年的 41.00%上升至 2020 年的 50.73%，公司衬底良品率总体保持在70%以上，对公司产品质量的提升起到了明显的带动浸染。
根据山东天岳招股书，半绝缘型碳化硅衬底市场，山东天岳在中国市场处于领先位置。根据 Yole 数据，2019-2020 年，在半绝缘型碳化硅衬底领域，天岳前辈公司按发卖额统计的市场份额均位列环球第三。目前，海内碳化硅半导体企业实现了设备研制、质料合成、晶体成长、晶体切割、晶片加工、洗濯检测的全流程自主可控，有能力为下贱外延器件厂商稳定供应高品质碳化硅晶片，加速碳化硅下贱厂商实现入口替代。
在国家家当政策的支持和勾引下，我国碳化硅晶片家当发展大幅提速。海内企业以技能驱动发展，深耕碳化硅晶片与晶系统编制造，逐步节制了 2 英寸至 6 英寸碳化硅晶体和晶片的制造技能，冲破了海内碳化硅晶片制造的技能空缺并逐渐缩小与发达国家的技能差距。未来伴随我国新能源汽车、5G 通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等行业的快速发展，我国碳化硅材料家当规模和家当技能将得到进一步提升。
智东西认为，碳化硅领域，特殊是碳化硅的高端（高压高功率场景）器件领域，基本上仍节制在西方国家手里，SiC家当呈现美、日、欧三足鼎立的竞争格局，前五大厂商份额约90%。但是，碳化硅和第三代半导体，在全体行业范围内仍旧是在探索过程中发展，远未达到能够大规模替代第二代半导体的成熟家当地步，国产替代的潜力巨大。
