碳化硅行业深度报告：新材料定义新机遇，SiC引领行业变革-民生证券.pdf

本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 1 碳化硅行业深度报告 新材料定义新机遇， SiC 引领行业变革 2022 年 10 月 08 日 ➢ 碳化硅 第三代半导体 突破性 材料 。 SiC 是第三代半导体材料，其具备极好 的耐压性、导热性和耐热性，是制造功率器件 、 大功率射频器件 的突破性材料 。 根据 Wolfspeed 预计， 2022 年全球碳化硅 器件市场规模 达 43 亿美 元 ， 2026 年碳化硅器件市场规模有望 成长至 89 亿美元。 当前 SiC 功率器件价格较高 ，是 硅基 IGBT 的 35 倍左右 ， 但凭借优异的系统节能特性， SiC 器件 开始在 新能源 汽车 、光伏 、储能 等领域 替代硅基器件 。 ➢ SiC 引领行业变革 ，新需求快速涌现 。 新能源 汽车 是 碳化硅功率器件下游第 一大应用市场 ， 根据 我们 测算 ， 2026 年全球 应用于 新能源汽车 主驱 逆变器 的 SiC 器件市场规模 有望 达 44 亿美元。 为了提升电动汽车充电速度、缓解里程焦虑， 小鹏、比亚迪、长城、保时捷、现代等整车厂 陆续 推出 800V 高压平台 车型 ， 有 望推动 SiC 器件在 新能源 汽车中渗透率 进一步 提升。 ➢ 国际巨头垄断行业， 国产厂商加速破局 。 当前 全球 SiC 衬底总年产能约在 4060 万片等效 6 英寸 ， 无法满足下游旺盛需求 。 根据 Yole 预测， 随着衬底厂 商技术进步、产能 进一步 扩张 ， 2025 年 6 英寸导电型衬底价格有望降至 590 美 元 ， 这将带动 SiC 器件渗透率提升 ， 有望 在未来与 Si-IGBT 双雄并驱 。 此外， 当 前 Wolfspeed、 II-IV、罗姆 三家海外大厂 占据 了全球 89导电型 衬底 市场 ， 意 法半导体、 英飞凌、 安森美、 Wolfspeed 等 六家 海外大厂占据了全球 99碳化 硅 功率 器件 市场 ， 行业格局被 海外 大厂垄断， 国内厂商 正在加速破局。 ➢ 新需求带来新机遇，技术进步推动新未来。 对于 SiC 衬底 制造 来说， PVT 法 生长速率慢、制备难度大 、 晶锭 良率低 ， 因此 产能提升较慢 ， 但 衬底制造各环节 均有 工艺改善 空间 ， 溶液 生长法 、激光切割 等 技术 的 进步 等 有望推动衬底产能进 一步提升， 衬底有望持续降本。 对于 SiC 器件制造来说， 由于 SiC 材料透明、 离 子扩散温度高 等特性， 在 器件 制造过程中光刻对准、高能离子注入、高温退火 工 艺 、栅氧质量控制 、蚀刻工艺 等环节相较硅基器件难度较大 ， 器件制造 扩产较为 困难 。 对于 SiC 功率模块来说， 由于 SiC 器件耐受 工作 温度较高 ， AMB 基板 凭 借更高的热导率等 性能优势， 成为 SiC 器件 导热基板材料首选。 ➢ 投资建议 随着碳化硅技术的不断突破，国内供应商有望 加速追赶国际龙头 。 建议关注 国内 垂直一体化 龙头厂商 三安光电 ； SiC 衬底制造商天岳先进等 ； 器件 厂商时代电气、斯达半导、新洁能、士兰微、华润微、扬杰科技、闻泰科技、中 瓷电子、长飞光纤、积塔半导体、比亚迪半导体等 ； SiC 设备公司北方华创、晶 盛机电、中微公司 、芯源微 等 。 ➢ 风险提示 碳化硅在下游应用领域渗透率不及预期 ； 国家产业政策变化 ； 全 球 碳化硅行业 竞争激烈 。 重点公司盈利预测、估值与评级 代码 简称 股价 （元） EPS（元） PE（倍） 评级 2021A 2022E 2023E 2021A 2022E 2023E 600703.SH 三安光电 17.48 0.29 0.50 0.67 60 35 26 推荐 688234.SH 天岳先进 107.71 0.21 0.25 0.39 515 439 273 推荐 688187.SH 时代电气 54.20 1.42 1.72 2.11 38 32 26 推荐 603290.SH 斯达半导 324.00 2.33 4.49 6.64 139 72 49 推荐 605111.SH 新洁能 85.01 1.93 2.35 3.37 44 36 25 推荐 003031.SZ 中瓷电子 96.07 0.58 0.82 1.20 165 117 80 推荐 603936.SH 博敏电子 11.65 0.47 0.53 0.85 25 22 14 推荐 资料来源 Wind，民生证券研究院预测 ;（注股价为 2022 年 9 月 30 日收盘价） 推荐 维持评级 [Table_Author] 分析师 方竞 执业证书 S0100521120004 邮箱 fangjingmszq.com 相关研究 1.电子行业 2022Q2 季报总结国产化基石 智能电车崛起，电子板块主线明朗 -2022/09/ 24 2.半导体零部件深度报告国产替代核心部 件，百舸争流加速崛起 -2022/09/18 3.电子板块 2022 年二季度基金持仓分析新 能源电子接力成长，传统龙头静待拐点 -2022 /07/25 4.电子行业 2022 年中期投资策略电动化核 芯，智能化基石 -2022/07/14 5.汽车电子 6 月跟踪新车发布浪潮汹涌，激 光雷达中军主力 -2022/07/11 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 2 目录 1 碳化硅第三代半导体突破性材料 . 3 1.1 优质的新型半导体衬底材料 . 3 1.2 碳化硅功率器件性能优异 . 7 1.3 星辰大海，蓝海市场空间广阔 . 10 1.4 碳化硅产业链价值集中于上游衬底和外延 12 2 SiC 引领行业变革，新需求快速涌现 15 2.1 新能源汽车占据碳化硅最大下游应用市场 15 2.2 汽车高压平台升级， 800V 时代 SiC 成为刚需 . 23 2.3 半绝缘型碳化硅衬底广泛应用于射频器件领域 . 26 3 国际巨头垄断行业，各环节产能紧缺持续 29 3.1 全球衬底产能紧缺， SiC 与 IGBT 双雄并驱 29 3.2 国际巨头垄断 SiC 行业，国产厂商逐步破局 32 4 新需求带来新机遇，技术进步推动新未来 35 4.1 技术革新带来产能提升，衬底仍存降本空间 35 4.2 器件制造技术尚需积累，国内厂商加速追赶 39 4.3 SiC 功率模块放量在即， AMB 基板迎来机遇 . 41 5 投资建议 43 5.1 行业投资建议国产厂商崛起，星星之火正起燎原之势 . 43 5.2 重点公司 46 6 风险提示 75 插图目录 77 表格目录 79 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 3 1 碳化硅第三代半导体突破性材料 1.1 优质的新型半导体衬底材料 半导体材料根据时间先后可以分为三代。第一代为锗、硅等普通单质材料，其 特点为开关便捷，一般多用于集成电路。第二代为砷化镓、磷化铟等化合物半导体， 主要用于发光及通讯材料。第三代半导体主要包括碳化硅、氮化镓等化合物半导体 和金刚石等特殊单质。 凭借优秀的物理化学性质，碳化硅材料在功率、射频器件领 域逐渐开启应用。 第三代半导体耐压性较好，是大功率器件的理想材料。第三代半导体主要是碳 化硅和氮化镓材料， SiC 的禁带宽度为 3.2eV， GaN 的禁带宽度为 3.4eV，远超 过 Si 的禁带宽度 1.12eV。由于第三代半导体普遍带隙较宽，因此耐压、耐热性较 好，常用于大功率器件。其中碳化硅已逐渐走入大规模运用，在功率器件领域，碳 化硅二极管、 MOSFET 已经开始商业化应用。 表 1 三代半导体材料特性对比 项目 Si GaAs 4H-SiC GaN 禁带宽度（ eV） 1.12 1.43 3.2 3.4 饱和电子漂移速率（ 107cm/s） 1.0 1.0 2.0 2.5 热导率（ Wcm-1K-1） 1.5 0.54 4.0 1.3 击穿电场强度（ MV/cm） 0.3 0.4 3.5 3.3 资料来源 宽禁带半导体高频及微波功率器件与电路， 赵正平著 ， 民生证券研究院 图 1 碳化硅耐压特性优异 资料来源 英飞凌 ，民生证券研究院 基于上述特性，以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件在性能方 面更加具有优势 （ 1）更强的高压特性。碳化硅的击穿电场强度是硅的 10 余倍， 使得碳化硅器件耐高压特性显著高于同等硅器件。（ 2）更好的高温特性。碳化硅相 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 4 较硅拥有更高的热导率，使得器件散热更容易，极限工作温度更高。耐高温特性可 以带来功率密度的显著提升，同时降低对散热系统的要求，使终端可以更加轻量和 小型化。（ 3）更低的能量损耗。碳化硅具有 2 倍于硅的饱和电子漂移速率，使得 碳化硅器件具有极低的导通电阻，导通损耗低；碳化硅具有 3 倍于硅的禁带宽度， 使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅减少，从而降低功率损耗；碳化硅器件在关 断过程中不存在电流拖 尾现象，开关损耗低，大幅提高实际应用的开关频率。 根据 ROHM的数据，相同规格的碳化硅基 MOSFET导通电阻是硅基 MOSFET 的 1/200，尺寸是是硅基 MOSFET 的 1/10。对于相同规格的逆变器来说，使用碳 化硅基 MOSFET 相比于使用硅基 IGBT 系统总能量损失小于 1/4。 图 2 碳化硅 MOSFET 器件体积更小 图 3 碳化硅 MOSFET 器件节能性更好 资料来源 天科合达招股 说明 书 ，民生证券研究院 资料来源 天科合达招股 说明 书 ，民生证券研究院 碳化硅优良的 频率、散热 特性，使得其在射频器件上也得到广泛应用。 碳化硅、 氮化镓材料的饱和电子漂移速率分别是硅的 2.0、 2.5 倍，因此碳化硅、氮化镓器 件的工作频率大于传统的硅器件。然而，氮化镓材料存在耐热性能较差的缺点，而 碳化硅的耐热性和导热性都较好，可以弥补氮化镓器件耐热性较差的缺点，因此业 界采取半绝缘型碳化硅做衬底，在衬底上生长氮化镓外延层后制造射频器件。 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 5 图 4 碳化硅器件与硅基器件频率特性 资料来源 Semiengineering，民生证券研究院 按照电学性能的不同，碳化硅衬底可分为半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化 硅衬底两类 ，这两类衬底经外延生长后分明用于制造功率器件、射频器件等分立器 件。 其中，半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件、光电器件等。 通 过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进 一步制成 HEMT 等氮化镓射频器件。 导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。 与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上， 需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造肖特 基二极管、 MOSFET、 IGBT 等功率器件。 表 2 半绝缘型和导电型碳化硅衬底的对比 种类 电阻率 尺寸 外延 器件 应用领域 半绝缘型碳化硅衬底 ≥105Ωcm 以 4英寸为主，逐渐向 6 英寸衬底发展 氮化镓外延 射频器件 信息通讯、无线电探测 导电型碳化硅衬底 1530mΩcm 以 6英寸为主， 8英寸衬 底开始发展 碳化硅外延 功率器件 在新能源汽车，轨道交 通以及大功率输电变电 资料来源 天岳先进招股说明书 , 民生证券研究院 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 6 图 5 碳化硅 外延生长及下游应用 资料来源 新经济观点 ，民生证券研究院 外延工艺是指在碳化硅衬底的表面上生长一层质量更高的单晶材料，如果在 半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，则称为异质外延；如果在导电型碳化硅 衬底表面生长一层碳化硅外延层，则称为同质外延。 外延层的生长可以消除衬底生长中的某些缺陷，生长的外延层质量相对较好。 碳化硅晶体生长的过程中会不可避免地产生缺陷、引入杂质，导致衬底材料的质量 和性能都不够好。而外延层的生长可以消除衬底中的某些缺陷，使晶格排列整齐。 例如衬底缺陷中的 BPD（基平面位错）约 95转化为 TED（贯穿刃型位错），而 BPD 可导致器件性 能退化， TED 基本不影响最终碳化硅器件的性能。 图 6 碳化硅 衬底层和外延层结构 图 7 碳化硅外延片缺陷与衬底片缺陷的关联性 资料来源 基本半导体 ，民生证券研究院 资料来源 基本半导体 ，民生证券研究院 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 7 表 3 外延片缺陷对最终器件的影响 缺陷 /器件 SBD MOSFET， JFET PiN， BJT，晶闸管， IGBT TSD无蚀坑 无 无 无 ,但会引发局部载流子寿命降低 TED无蚀坑 无 无 无 ,但会引发局部载流子寿命降低 BPD包括界面位错、半环阵列 无，但会引发 MPS 二极管退化 无 ,但会引发体二极管 退化 双极退化 导通电阻及漏电流增加 内生堆垛层错 𝑉𝐵降低 2050 𝑉𝐵降低 2050 𝑉𝐵降低 2050 胡萝卜缺陷、三角形缺陷 𝑉𝐵降低 3070 𝑉𝐵降低 3070 𝑉𝐵降低 3070 掉落物缺陷 𝑉𝐵降低 5090 𝑉𝐵降低 5090 𝑉𝐵降低 5090 资料来源 基本半导体 ，民生证券研究院 1.2 碳化硅功率器件性能优异 由于碳化硅材料具有高禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿强度、高热导 率等特点，碳化硅是功率器件理想的制造材料。 当前碳化硅材料功率器件主要分为 二极管和晶体管 ，其中，二极管主要包括肖特基二极管（ SBD）、结势垒肖特基二 极管（ JBS）、 PiN 功率二极管（ PiN）；晶体管主要包括金属氧化物半导体场效应 晶体管（ MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（ IGBT）、结型场效应晶体管（ JFET）、双 极型晶体管（ BJT）、晶闸管。 图 8 碳化硅 功率器件分类 资料来源 芯 TIP，民生证券研究院 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 8 表 4 碳化硅二极管分类 器件 SBD PiN JBS 图示 特点 ➢ 优异 的高速性，实现高耐压 ； ➢ 正向 特性，优异的 TRR 特性 ； ➢ 几乎 没有温度和电流依赖性； ➢ 在开关 应用中，几乎无反向恢复时间， 可大幅降低开关损耗 、 提高开关 频率 ； ➢ 在 高频、中等电压功率开关的应用上 有替代 Si 基 PiN 二极管 的趋势 ➢ 在 射频和微波频段受偏置电流控制的 可变阻抗器； ➢ 具有 高于硅 2-3个 数量级的开关速度、 高结温承受能力、高电流密度以及更 高的功率密度； ➢ 拥有 更小的反向漏电流和更高的击穿 电压； ➢ 广泛 应用于高压低频功率开关上 ➢ 同时拥有 SBD 和 PiN 的优点 ； ➢ 具有 高耐压、低压降、小漏电、高 频特性好及强抗过 压 和浪涌电流 能力； ➢ 具有 大电流密度、高工作 结 温的性 能优势 资料来源 芯 TIP，民生证券研究院 碳化硅 MOSFET 主要分为平面结构和沟槽结构。 平面型碳化硅 MOSFET 的 结构特点是工艺简单、单元的一致性较好、雪崩能量比较高；缺点是当电流被限制 在靠近 P 体区域的狭窄的 N 区中流过时会 产生 JFET 效应，增加通态电阻，且寄 生电容较大。 沟槽型碳化硅 MOSFET 是将栅极埋入基体中，形成垂直的沟道， 这种结构的 特点是可以增加单元密度，没有 JFET 效应，沟道晶面实现最佳的沟道迁移率，导 通电阻比平面结构要明显的降低 ；缺点是由于要开沟槽，工艺变得复杂，且单元的 一致性较差，雪崩能量比较差。 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 9 图 9 碳化硅 MOSFET 平面结构（左）与沟槽结构（右） 资料来源 电子工程专辑 ，民生证券研究院 沟槽型碳化硅 MOSFET 专利壁垒较高。 目前国际上量产平面型 碳化硅 MOSFET 的碳化硅厂商主要有 Wolfspeed、意法半导体、 Microsemi、罗姆等， 国内量产的有 APS、瀚 薪 、派恩杰 、清纯半导体 等 Fabless 厂商。而目前可量产的 SiC 沟槽结构较为稀缺，全球量产沟槽型碳化硅 MOSFET 的仅有罗姆的双沟槽结 构、英飞凌的半包沟槽结构、日本住友的接地双掩埋结构等。 表 5 沟槽结构 SiC MOSFET 器件 罗姆 -双沟槽 结 构 英飞凌 -不对称沟槽结构 日本 住友 -V 型 沟槽结构 图示 资料来源 罗姆，英飞凌 ，民生证券研究院 相比平面型 MOSFET， 沟槽型碳化硅 MOSFET 在成本和性能上都具有较强 优势 。以罗姆的第三代碳化硅 MOSFET（第一代沟槽型碳化硅 MOSFET）为例， 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 10 其芯片面积仅为罗姆第二代平面型碳化硅 MOSFET 的 75，且同一芯片尺寸下其 导通电阻降低了 50。而罗姆的第二代沟槽型碳化硅 MOSFET 相比第一代沟槽型 碳化硅 MOSFET 导通电阻亦可再降低 40。 图 10 罗姆沟槽型与平面型 SiC MOSFET 对比 图 11 罗姆第二代和第一代沟槽型 SiC MOSFET 对比 资料来源 罗姆 ， 民生证券研究院 资料来源 罗姆 ， 民生证券研究院 1.3 星辰大海， 蓝海市场空间广阔 最早商业化碳化硅产品的是美国的 CREE 公司，其发展历史具有较强的代表 性。碳化硅的产业化基本可分为三个阶段，第一阶段是碳化硅 LED 的诞生及商业 化，第二阶段是射频器件的商业化，第三部分是功率器件的商业化。 2002 年 CREE 推出商用肖特 基二极管、 2011 年推出商用碳化硅 MOSFET 是行业两个重要的发 展节点。 2019 年特斯拉在 Model3 新能源汽车上应用碳化硅 MOSFET 产品更是 将行业热情进一步推向高点。 CREE 的碳化硅器件项目 2021 年前主要由旗下子公 司 Wolfspeed 负责，目前 CREE 已经出售 LED 业务，并更名为 Wolfspeed，主 营业务变更为碳化硅射频及功率器件。 图 12 Wolfspeed 公司 第三代半导体 发展历史 资料来源 芯 思想 ，民生证券研究院 碳化硅在射频、功率器件领域应用广泛，市场增长空间广阔。 根据碳化硅行业 全球龙头厂商 Wolfspeed 的预测，受新能源汽车及发电、电源设备、射频器件等 需求驱动， 2026 年碳化硅器件市场规模有望达到 89 亿美元，其中用于新能源汽 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 11 车和工业、能源的 SiC 功率器件市场规模为 60 亿美元，用于射频的 SiC 器件市场 规模为 29 亿美元。 碳化硅在功率及射频器件领域具备较强的优势，具备较强的应 用价值，有望在新能源汽车、工业和能源、射频市场逐步完成对硅基器件的替代。 根据 YOLE 的预测，碳化硅的市占率有望在 2024 年突破 10。 图 13 碳化硅器 件市场规模及预测（亿美元） 图 14 碳化硅 器件 市占率不断提升 资料来源 Wolfspeed， 民生证券研究院 资料来源 YOLE， 民生证券研究院 第三代半导体战略意义重大，世界各个国家和地区均在努力推进发展工作。 欧 洲的 SPEED 计划、 MANGA 计划，美国的 SWITCHES 计划、 NEXT 计划，日本 的新一代功率电子项目都是意在通过政府资助和企业加强投资的方式推动新一代 化合物半导体落地的计划，背后都具有明显的战略意图。第三代半导体的重要性各 国都已明确，中国早在 2016 年的“十三五”规划中就将碳化硅和半导体照明列入 重点项目，随后科技部、发改委等四部门又将碳化硅衬底技术列入重点突破领域。 表 6 各个国家和地区 三代半导体 发展计划 发展计划 发布机构 主要内容 SPEED 计划 欧盟委员会 围绕材料、外延、器件、应用等碳化硅全产业链，突破碳化硅器件技术，发展 下一代碳化硅基电力电子器件，用于风力发电和新一代固态变压器，器件耐压 目标 1.7kV 和 10kV 以上 SWITCHES 计划 美国能源部 研制新型宽禁带半导体材料、器件结构以及制造工艺，提高能量密度，加快开 关频率，增强温度控制，使电力电子技术成本更低，效率更高，降低电机驱动 和电网电能转换等应用的能量损耗，使得控制和转换电能的方式发生重大变革 NEXT 计划 美国国防部先进研究项目局 研发能够同时实现极高速度和电压的氮化镓器件制造工艺，满足大规模集成要 求 MANGA 计划 欧洲防务局 联合德国、法国、意大利、瑞典和英国，强化欧洲碳化硅衬底和氮化镓外延片 区域 内供应能力，降低对欧洲以外国家的依赖性，形成服务于国防工业的氮化 镓电子器件产业链 实现低碳社会的新一代 功率电子项目 日本新能源产业技术开发机构 通过资助富士电机、三菱电机、东京大学等机构，研发低成本碳化硅电力电子 器件和功率模组，应用于新能源汽车、铁路列车等领域 资料来源 天科合达招股书 ，民生证券研究院 我国亦在大力推动碳化硅行业发展，国资不断支持国内厂商立项融资。 2018 年国内碳化硅相关 的投资项目签署额仅 50 亿元，到 2020 年已达 463 亿元，且其 中有接近 90的项目有政府参与，表明了国家对该领域的大力支持。 0 10 20 30 40 50 2022 2024E 2026E 工业和能源 RF 汽车 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 12 图 15 2018-2020 年 国内碳化硅签署投资项目总额（亿 元） 图 16 2020 年政府参与项目的占比（亿元） 资料来源 电子发烧友 ， 民生证券研究院 资料来源 电子发烧友 ， 民生证券研究院 1.4 碳化硅产业链价值集中于上游衬底和外延 碳化硅产业链主要包括衬底、外延、器件设计、器件制造、封测等。从工艺流 程上看，碳化硅一般是先被制作成晶锭 ，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬 底；衬底经过外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、沉积等步 骤制造成器件。将晶圆切割成 die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊 外壳中组装成模组。 图 17 碳化硅产业链 资料来源 Trendforce， 民生证券研究院 碳化硅产业链价值集中于上游衬底和外延环节。 根据 CASA 的数据，衬底约 占碳化硅器件成本的 47，外延环节又占据 23，制造前的成本占据全部成本的 70。而对于 Si 基器件来说，晶圆制造占据 50的成本，硅片衬底仅占据 7的 成本，碳化硅器件上游衬底和外延价值量凸显。由于碳化硅衬底及外延价格相对硅 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 2018 2019 2020 衬底 器件 全产业链 411 52 政府参与项目投资 总额 其他 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 13 片较为昂贵，碳化硅功率器件现阶段渗透率较低。然而，由于碳化硅器件高效率、 高功率密度等特性，新能源汽车、能源、工业等领域的强劲需求有望带动碳化硅渗 透率快速提升。 图 18 碳化硅器件成本分布 图 19 硅基 器件的成本结构 资料来源 CASA， 前瞻产业研究院， 民生证券研究院 资料来源 Telescope Magazine， 民生证券研究院 碳化硅衬底的尺寸不断增大，当前国际主流尺寸为 6 英寸，正在向 8 英寸迈 进。自从 1991 年第一块商用碳化硅衬底诞生，目前全球主要厂商的衬底尺寸已达 到 6 英寸。而全球碳化硅领域龙头 CREE 公司（现更名为 Wolfspeed）已于 2015 年推出了 8 英寸碳化硅衬底，并 于 2022 年 4 月宣布 其位于美国纽约州莫霍克谷 （ Mohawk Valley）的全球最大 8 英寸碳化硅制造设施正式开业 。 图 20 CREE 公司碳化硅衬底尺寸演进 资料来源 CREE 公司 公告， 民生证券研究院 单片衬底面积的增长有利于制造成本的下降，同时器件制造过程中衬底边缘 的浪费也将下降。根据 Wolfspeed 数据，一片 6 英寸碳化硅衬底可以产出 448 颗 die，边缘损失为 14；而一片 8 英寸碳化硅衬底可产出 845 颗 die，边缘损失下 降至 7，衬底利用率更高。 47 23 19 5 6 衬底 外延 前段 其他 研发费用 50 19 7 24 晶圆制造设 备 /工艺 能效维护 衬底 其他原材料 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 14 图 21 碳化硅衬底 尺寸 升级后边缘损耗更低 资料来源 Wolfspeed， 民生证券研究院 中国企业在单晶衬底方面以 4 英寸为主，目前国内企业已经开发出了 6 英寸 导电性碳化硅衬底和高纯半绝缘碳化硅衬底。其中天科合达和天岳先进为主的碳 化硅晶片厂商发展速度较快，市占率提升明显，三安光电（北电新材）在碳化硅方 面也在深度布局。 表 7 各企业在衬底尺寸方面的研发进度 衬底尺寸 CREE 贰陆 罗姆 天岳先进 天科合达 4寸 成功研制并规模 化生产 成功研制并规模 化生产 成功研制并规模 化生产 成功研制并规模 化生产 成功研制并规模化 生产 6寸 2012年全球首次 成功研制并规模 化生产 成功研制并规模 化生产 成功研制并规模 化生产 成功研制， 2019 年宣布产线建设 计划 2014年国内首次成 功研制，已规模化 生产 8寸 成功研制， 2019 年宣布产线建设 计划 2015年全球首次 成功研制， 2019 年宣布产线建设 计划 未披露 未披露 2020年启动研发 资料来源 天科合达招股说明书 , 民生证券研究院 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 15 2 SiC 引领行业变革 ，新需求快速涌现 2.1 新能源汽车占据碳化硅最大下游应用市场 按照电学性能的不同，碳化硅衬底可分为 半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化 硅衬底两类 ，这两类衬底经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器 件。 其中，半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件。通过在半绝缘型 碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成 HEMT 等氮化镓射频器件。 导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不 同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅 外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造肖特基二极管、 MOSFET、 IGBT 等 功率器件。 图 22 两种类型的碳化硅材料下游用途 资料来源 天科合达招股书， 民生证券研究院 导电型衬底在功率器件中得到广泛应用，下游市场包括新能源汽车、光伏、高 铁、工业电源等领域。 导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件，功率器件是电 力电子行业的重要基础元器件之一，广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制 等领域，涉及经济与生活的方方面面。碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、 低损耗等性能，较好地契合功率器件的要求，因而在近年被快速推广应用，例如新 能源汽车、光伏发电等领域。 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 16 图 23 碳化硅功率器件应用领域 资料来源 天科合达招股说明书 ， 民生证券研究院 碳化硅功率器件目前主要应用于逆变器中。 逆变器是一种将直流信号转化为 高压交流电的装置，在传统硅基 IGBT 逆变器中，其基本原理为利用方波电源控制 IGBT 的开关，使得原来的直流电路输出方波高电压，经过整形模块的整形后形成 正弦电压，即交流电。由于输出电压和输出频率可以任意控制，所以逆变器被广泛 用于控制交流电机和无刷电机的转速，是新能源发电、不间断电源、电动汽车、轨 道交通、白色家电、电力配送等领域不可或缺的功率转换装置。 图 24 碳化硅 光伏逆变器 图 25 蔚来汽车 SiC 电驱 资料来源 电子发烧友 ， 民生证券研究院 资料来源 蔚来汽车， 民生证券研究院 汽车是碳化硅功率器件最大的下游应用市场。 根据 YOLE 的数据， 2021 年全 球碳化硅功率器件市场规模为 10.90 亿美元，其中应用于汽车市场的碳化硅功率 器件市场规模为 6.85 亿美元，占比约为 63；其次分别是能源、工业等领域， 2021 年市场规模分别为 1.54 亿、 1.26 亿美元，占比分别为 14.1、 11.6。 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 17 未来随着碳化硅器件在新能源汽车、能源、工业等领域渗透率不断提升，碳化 硅器件市场规模有望持续提升。 根据 Yole 的预测， 2027 年全球碳化硅功率器件 市场规模有望达 62.97 亿美元， 2021-2027 年 CAGR 达 34；其中汽车市场碳 化硅功率器件规模有望达 49.86 亿美元，占比达 79.2， 汽车仍为碳化硅功率器 件下游第一大应用市场。 图 26 碳化硅功率器件 市场规模（百万美元） 资料来源 Yole， 民生证券研究院 碳化硅在电动汽车领域主要用于主驱逆变器、车载充电系统 OBC、电源转 换系统 车载 DC/DC和非车载充电桩。 根据全球碳化硅领域龙头厂商 Wolfspeed 公司的预测，到 2026 年汽车中逆变器所占据的碳化硅价值量 约为 83，是电动 汽车中价值量最大的部分。其次为 OBC，价值量占比约为 15； DC-DC 转换器 中 SiC 价值量占比在 2左右。此外，电动汽车充电桩也是 SiC 器件的一大应用领 域。 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 18 图 27 碳化硅器件在新能源汽车上的应用 图 28 2026 年 汽车中 SiC 器件价值量占比 资料来源 中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟 ， 民生证券研究院 资料来源 Wolfspeed， 民生证券研究院 碳化硅 MOSFET 在电动汽车主驱逆变器中相比 Si-IGBT 优势明显，虽然当 前 SiC 器件单车价格高于 Si-IGBT，但 SiC 器件的优势可降低整车系统成本 （ 1） 由于碳化硅 MOSFET 相比硅基 IGBT 功率转换效率更高， 根据 Wolfspeed 数据， 采用碳化硅 MOSFET 的电动汽车续航距离相比硅基 IGBT 可延长 5-10，即在 同样续航里程的情况下可削减电池容量，降低电池成本。（ 2）碳化硅 MOSFET 的 高频特性可使得逆变器线圈、电容小型化，电驱尺寸得以大幅减少，而可听噪声的 降低可以减少电机铁损。（ 3）碳化硅 MOSFET 可承受更高电压，在电机功率相同 的情况下可以通过提升电压来降低电流强度，从而使得束线轻量化，节省安装空间。 图 29 碳化硅 MOSFET 在汽车主逆变器中的 拓扑图 资料来源 罗姆， 民生证券研究院 83 15 2 逆变器 OBC DCDC 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 19 车载充电机 OBC为电动汽车的高压直流电池组提供了从基础设施电网充电 的关键功能，通过使用车载充电器可将电网中的交流电转换为直流电对电池进行 充电， OBC 是决定了充电功率和效率的关键器件。 对于电动汽车车载充电机来说， 碳化硅 MOSFET 相比 Si 基器件同样具有系统优势 （ 1）更低的系统成本。虽然 SiC 器件相较于 Si 基器件价格较贵，但是使用 SiC 器件的 OBC 可以节省磁感器件和驱动器件成本，从而降低系统成本。 （ 2）更高的峰值效率。 OBC 中使用 SiC 器件后充电峰值效率较使用 Si 基器 件的系统提升 2 个点 。 （ 3）更大的功率密度。使用 SiC器件的系统功率密度较 Si基器件提升约 50， 从而减少 OBC 的重量和体积。 图 30 车载充电机（ OBC）在电动汽车中的作用 资料来源 芯 TIP， 民生证券研究院 表 8 22KW 双向 OBC 中 SiC 器件与 Si 器件对比 22KW 双向 OBC SiC 器件系统 Si 器件系统 系统成本 1.00x 1.18x 系统峰值效率 97 95 功率密度 3KW/L 2KW/L 资料来源 Wolfspeed， 民生证券研究院 DC-DC 转换器是转变输入电压并有效输出固定电压的电压转换器。 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，主要给车内动 力转向、水泵、车灯、空调等低压用电系统供电。未来随着电动汽车电池电压升至 800V 高压平台， 1200V 的 SiC MOSFET 有望被广泛应用于 DC-DC 转换器中 （ 1）首先， OBC 与 DC-DC 等功率器件集成化趋势明显 ， 22KW 车载充电机 中， DC-DC 转换器与 OBC 有望集成。 行业深度研究 /电子 本公司具备证券投资咨询业务资格，请务必阅读最后一页免责声明 证券研究报告 20 （ 2）其次，双向 DC-DC 转换器中， SiC 的高速恢复特性最为合适； （ 3）为能够适配原 400V 直流快充桩，搭载 800V 电压平台的新车须配有额 外 DC-DC 转换器进行升压，进一步增加对 DC-DC 的需求。 图 31 碳化硅 MOSFET 在汽车 DC-DC 转换器 中的 拓扑 资料来源 罗姆， 民生证券研究院 全球新能源汽车销量不断增长，头部厂商逐渐采用碳化硅器件。 根据 工信部 的 数据， 2021 年 全球 新能源车销量为 675 万辆， 同比增长 108； 其中，中国新能 源汽车市场持续突破， 2021 年 销量达 352 万辆 ， 同比增长 160以上 。 特斯拉是业界首个在电动汽车中采用碳化硅主驱逆变器模块的车企， 2018 年， 特斯拉在 Model 3 中首次将 IGBT 模块换成了 SiC 模块。当前越来越多的车厂正 在转向在电驱中使用碳化硅 MOSFET 器件，目前除特斯拉 Model3 外，还有比亚 迪汉 EV、比亚迪新款唐 EV、蔚来 ES7、蔚来 ET7、蔚来 ET5、小鹏 G9、保时捷 Tayan 和现代