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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、、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。
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，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%。
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。
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%。
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。
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。
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。
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。
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（MohawkValley）的全球最大8英寸碳化硅制造设施正式开业。
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。
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。其中天科合达和为主的碳化硅晶片厂商发展速度较快，市占率提升明显，（北电新材）在碳化硅方面也在深度布局。
2SiC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。
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。
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。
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%。
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，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。
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。
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。
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。
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SiCMOSFET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。（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。
全球汽车销量不断增长，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。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Model3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，还有汉EV、比亚迪新款唐EV、ES7、蔚来ET7、蔚来ET5、小鹏G9、保时捷Tayan和现代ioniq5等车型已经在电驱中采用了碳化硅器件。
在光伏发电领域，由于使用SiC器件可以降低光伏发电系统损耗，未来随着碳化硅器件成本的不断降低，碳化硅器件有望逐步替代硅基器件，市场规模有望不断提升。在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。而根据天科合达招股书显示，使用碳化硅材料，可将转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍。根据CASA预测，在2025年，碳化硅功率器件占比将达到50%，相比2020年增长40个百分点，并将持续扩大占比。
此外，碳化硅材料可以显著提升列车牵引系统节能效果，符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求，有望在轨道交通中得到广泛应用。同时，由于碳化硅抗高温高压高频的特性，完美切合智能电网发展需求，被应用在固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动智能电网的发展和变革。虽然2018年碳化硅在轨道交通的应用占比仅为2%，但CASA预测在2030年碳化硅在轨道交通功率器件的应用占比将达30%，渗透率不断提升。
2.2汽车高压平台升级，800V时代SiC成为刚需
800V快充系统推动汽车平台升级。汽车行业一个亟待解决的问题就是“里程焦虑”，提升充电速度就需要提升充电桩的输出功率，则需要提升充电电压或电流。根据Wolfspeed数据，当前我国商用的主流快充充电桩的功率为100~150KW，电动汽车充电400KM里程所需的时间为40~27分钟。若充电桩采用350KW大功率快充系统，400KM里程所需充电时间可大大缩短至12~15分钟。提升充电功率可以通过提高电流或者电压两种方式来实现。然而，如果通过提升电流来增大充电功率，会带来以下问题：（1）根据功率计算公式，电流的提升会导致系统功率损耗增大；（2）电流增大，根据焦耳定律系统发热会加剧，冷却系统成本增高；（3）所需线束更粗，线束重量将增大。因此提升电压以实现大功率快充成为行业的多数选择。
电动汽车升级800V平台，Si-IGBT模块面临挑战。虽然使用硅基IGBT的功率模块同样可以做到1000V以上的耐受电压，但其仍存在以下缺点：（1）400V的Si-IGBT模块将不再适用，即使换成耐高压的Si-IGBT，其在800V高电压平台上仍然存在着损耗高、效率低、体积大的缺点；（2）800V平台上所用Si-IGBT数量要明显大于400V平台，车内空间更加紧张。此时，SiC器件由于自身高耐压性、低损耗、高功率密度、高热导率等优势，成为800V时代新能源汽车的刚需。如果采用碳化硅系统，800V电动汽车的整车效率将得到显著提升。根据PCIMEurope的研究，按照WLTC工况测试，基于750V硅基IGBT模块及1200V碳化硅模块仿真，400V电压平台下，1200V碳化硅模块相比于750V硅基IGBT模块，整车损耗可降低6.9％；然而在800V高压平台下，整车损耗可降低7.6％。此外，由于碳化硅器件功率密度更大，采用碳化硅器件的电动汽车、充电桩可以在较小的体积内达到较大的功率，从而节省车内空间，减轻车身重量。
为了提升电动汽车充电速度、缓解里程焦虑，越来越多的整车厂布局800V高压平台。保时捷Taycan是全球首款量产的800V高压平台车型，并将最大充电功率提升至350KW。此外，奥迪e－tronGT、现代Ioniq5和起亚EV6都采用了800V高压平台。与此同时，国内的车企亦纷纷向800V高压平台迈进。2021年，、吉利、极狐、广汽、小鹏等都陆续发布了搭载800V平台的车型，其中小鹏、比亚迪等800V高压车型有望2022年量产。800V平台的推广有望推动SiC器件在电动汽车中的渗透率快速提升。
对于直流快速充电桩来说，充电电压升级至800V同样带来充电桩中的SiC功率器件需求大增。电动汽车直流快速充电桩绕过安装在电动汽车上的车载充电机，直接为电池提供大功率直流充电。相比传统Si和IGBT器件，基于SiC的器件由于具有工作温度更高、导通损耗更小、漏电流更低、浪涌耐受能力更强、最大额定电压更高，以及整体功率密度更高的特点，可实现更好的充电性能。
2.3半绝缘型碳化硅衬底广泛应用于射频器件领域
同属于第三代半导体的氮化镓同样拥有良好的宽带隙特性，同时其兼具第二代半导体的高频特性，是制造半导体射频器件的良好材料。目前主流的射频器件材料有砷化镓、硅基LDMOS、碳化硅基氮化镓等不同类型。其中，砷化镓器件已在功率放大器上得到广泛应用，硅基LDMOS器件也已在通讯领域应用多年，但其主要应用于小于4GHz的低频率领域。碳化硅基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优势，随着信息技术产业对数据流量、更高工作频率和带宽等需求的不断增长，氮化镓器件在基站中应用越来越广泛。氮化镓射频器件正在取代LDMOS在通信宏基站、雷达及其他宽带领域的应用。根据Yole预测，至2025年，功率在3W以上的射频器件市场中，砷化镓器件市场份额基本维持不变的情况下，氮化镓射频器件有望替代大部分硅基LDMOS份额，占据射频器件市场约50%的份额。
在应用方面，5G通信推动着碳化硅成为射频器件的主流材料。5G通讯高频、高速、高功率的特点对微波射频器件提出了更高要求，对目前采用的砷化镓和硅基LDMOS器件提出了挑战。不同于砷化镓和硅基LDMOS器件的固有缺陷，如高频段性能差、功率效率较差等。由于半绝缘型碳化硅衬底制备的氮化镓射频器件在高频段表现良好、能抗高温高压，具有高功率处理能力，已逐步成为5G时代较大基站功率放大器的候选技术。
伴随全球氮化镓射频器件市场规模的增长，半绝缘型碳化硅衬底市场预有望持续增长。半绝缘型衬底主要用于5G基站、卫星通信、雷达等方向，随着5G建设的加速，尤其是MassiveMIMO技术的推广，碳化硅基氮化镓器件市场规模不断扩大。根据YOLE的数据，2020年封装的氮化镓射频器件市场规模约为8.91亿美元，其中超过99%都是采用碳化硅衬底，到2026年，这部分市场规模有望增长至22.22亿美元，年复合增速17%。
3国际巨头垄断行业，各环节产能紧缺持续
3.1全球衬底产能紧缺，SiC与IGBT双雄并驱
当前新能源汽车、光伏、储能等领域对SiC器件需求强劲，其中新能源汽车将消耗掉全球大部分SiC衬底产能，全球衬底产能持续紧缺。以Model3为例，根据特斯拉Model3主驱逆变器拆解来看，其中包括六个模块，每个模块由4个SiC小模块并联，型号为的STGK026。拆开封装来看，每颗SiC小模块有2个SiC裸晶（Die），因此该逆变器共有48颗电压/电流规格为650V/100A的SiCMOSFET芯片，单芯片的面积约33平方毫米。
一片6英寸SiC衬底面积约17663平方毫米，根据Wolfspeed数据，生产32平方毫米大小SiCMOSFET过程中6英寸衬底边缘损耗为14%，我们假设60%的器件制造良率，则单片6英寸衬底可产出约276个良品，则单片6英寸衬底可供应约5.75辆的主驱逆变器。根据中研网数据，2022年全球乘用车的销量有望达到1000万辆左右，若主驱逆变器全部采用SiCMOSFET，则共需约174万片6英寸SiC衬底。而目前全球SiC衬底总年产能约在40万~60万片等效6英寸，SiC衬底产能持续紧缺，SiCMOSFET与Si-IGBT将在未来长期并驾齐驱。
由于当前碳化硅行业仍处于较为初期阶段，碳化硅衬底本身生产效率低、良率低，衬底、外延、器件制造等环节产能仍然紧缺，导致碳化硅器件价格较硅基器件较高。以Model3为例，其主驱动逆变器采用了48个SiCMOSFET，总成本约为5000元，是硅基IGBT的3~5倍。随着全球碳化硅衬底产能不断增长，供给不断增加，我们假设碳化硅器件价格保持年降10%的速度，新能源汽车主驱逆变器中碳化硅模块的渗透率保持每年5ppts的增速，则我们测算2026年全球新能源汽车主驱逆变器中SiC器件市场规模约为44亿美元。
新能源汽车OBC中对SiCMOSFET的需求亦有较大增长。对于800V高压平台，新能源汽车需配置11KW以上的双向OBC。根据Wolfspeed的数据，22KW双向OBC中需使用14颗SiCMOSFET，其中AC-DC侧需要6颗，DCDC侧需要8颗。
由于主驱逆变器中使用的SiCMOSFET相较于OBC中的SiCMOSFET规格较高，因此汽车OBC中的SiC器件渗透率有望超过主驱逆变器，我们假设2026年新能源汽车OBC中SiC器件渗透率为70%，且单车价值量年降10%，则我们测算2026年全球新能源汽车OBC中SiC器件市场规模约为9亿美元。
新能源汽车、光伏、风电、储能等应用对全球碳化硅器件的需求大增，而衬底供应商扩产缓慢，每轮扩产需要至少一年半到两年，产能的释放滞后于需求的快速增长。根据天科合达招股书的披露，从规划建厂到竣工验收并投产需要8个季度，当前供给端的扩产速度无法满足需求端的增长，导致衬底产能较为紧缺。
3.2国际巨头垄断SiC行业，国产厂商逐步破局
Wolfspeed是全球最大的导电型碳化硅衬底制造商，根据2021年11月Wolfspeedinvestorday披露数据，2020年其导电型衬底市占率约为62%；第二名是美国Ⅱ-Ⅵ公司，市占率14%；第三名是SiCrystal，市占率13%。前三名市占率之和接近90%。Wolfspeed公司的前身为Cree公司，2019年3月，Cree公司宣布将照明产品业务部CreeLighting出售给家族企业IDEALINDUSTRIES，CreeLighting包括商业应用、工业应用及消费者用LED照明灯具、光源和照明解决方案业务。Cree完成照明和LED业务的出售后，完全转型为一家专注于宽禁带半导体产品的公司。2021年10月，公司名称从Cree,Inc.更改为Wolfspeed，Wolfspeed拥有从衬底到器件的全产业链布局，是全球SiC行业的龙头。
半绝缘型衬底方面，全球市场依然是Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ等海外公司主导，但国内厂商迎来突破。根据Yole的数据，2020年Wolfspeed在半绝缘型SiC衬底市场的占有率为32%，Ⅱ-Ⅵ为35%，整体看仍然是西方巨头垄断的市场。国产SiC衬底厂商天岳先进市占率提升迅速，2019年公司的市占率仅18%，但2020年已达30%。随着天岳先进产能进一步扩充，市占率有望进一步提升。
全球碳化硅器件市场格局仍由海外巨头主导。根据Yole的数据，2021年全球SiC功率器件市场规模为10.90亿美元，市场份额由海外巨头、Wolfspeed、罗姆、英飞凌、、安森美等厂商垄断，全球TOP6占据99%的市场份额。
SiC行业市场空间广阔，全球巨头纷纷规划大规模扩产。Wolfspeed在纽约州北部开始运营新的8英寸SiC晶圆厂。博世正在德国增加近40000平方英尺的新SiC专用洁净室。Rohm在日本开设了一家新工厂，目标是在未来五年内将SiC制造量提高5倍。英飞凌刚刚开始在马来西亚建设新的SiC工厂。计划到2024年将SiC产量提高3倍，到2026年提高10倍。未来随着全球巨头产能扩张，SiC器件有望加速应用于下游市场。
4新需求带来新机遇，技术进步推动新未来
4.1技术革新带来产能提升，衬底仍存降本空间
对于碳化硅行业来说，目前衬底、器件制造产能受限是行业的主要瓶颈。一块碳化硅外延片制造过程主要包括：籽晶制造、晶棒制造、切片抛光、外延层生长四个部分，各个环节的长晶速率、良率等均有较大提升空间。
与硅晶圆相比，碳化硅衬底的生长速率慢、制备难度大，降本较为困难。目前SiC衬底制造商生长SiC单晶的方法主要有：物理气相传输法(physicalvaportransport，PVT)、高温化学气相沉积(hightemperaturechemicalvapordeposition，HTCVD)法和高温溶液生长(hightemperaturesolutiongrowth，HTSG)法。PVT法是将纯度较高的SiC粉末直接加热升华，然后在籽晶上生长。PVT法长晶效率较低，一般来说，硅棒拉晶2-3天即可拉出约2m长的8英寸硅棒，而碳化硅却需要约7天的时间才能生长约2cm。目前全球大部分SiC衬底厂商使用的都是PVT法。另一种气体法是化学气相沉积法，这种方法是直接加热碳烃和硅烃化合物反应生产碳化硅，并建立特殊的温度梯度，使得发生反应后的气态碳化硅生长在籽晶上。这种方法优点是可以制成一体化设备，而且省去了提纯碳化硅粉末的过程。缺点和物理气相传输法一样，成本高且衬底缺陷多。
碳化硅衬底对晶型要求高，需要在生长过程中精准控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等各种参数，才能生长出完美晶体。碳化硅有250多种同分异构体，其中可以为我们所利用的是4H-SiC晶型，而这种同分异构体合成条件较为苛刻，需要在特定的温度和分压条件下进行（分压条件即气体Si和C的占比）。
而PVT法合成碳化硅时附带反应较多，会生成很多种附带产品，且石墨坩埚壁也可能与气体产生反应。如果不能很好地利用温度控制分压，很可能导致生成的晶锭上出现诸多的缺陷。由于合成时间较长，很小的缺陷都可能会在生长过程中被放大，良率也会随之降低，成本就会随之变高。炉内不同位置的压强也与温度变化有关，良好的温度控制可以减少不理想的分压波动，减少不需要的异构体的产生，以起到提升良率的作用。温场同时还要保障下方的碳化硅能够升华到上方籽晶处凝华，不会在环境中形成独立的凝聚核破坏生长结构。
由于采用PVT升华法生长SiC单晶存在生长速度慢、缺陷密度高、扩径困难等问题，部分企业开始研发溶液法SiC晶体生长方法。高温溶液法的基本原理是利用Si和C元素在高温溶液中的溶解、再析出来实现SiC单晶的生长。该方法可以在更低的温度下（低于2000℃）实现SiC在近热力学平衡状态下生长，且生长的晶体具有质量高、成本低、易扩径、易实现稳定的p型掺杂等优势，有望成为继PVT法之后制备尺寸更大、结晶质量更高且成本更低的SiC单晶的方法。日本住友此前宣布他们利用溶液法生长6英寸SiC衬底可做到几乎无缺陷，可用面积达到99%以上；此外，相比PVT法，溶液法长晶速度提高了5倍左右。未来若溶液法大规模商用，则SiC衬底有望持续降本。
而在衬底加工环节，切割是整个环节的最大产能瓶颈所在。现有的SiC晶圆切片方法大多使用金刚石线锯，然而，由于碳化硅的高硬度，加工时间较长，需要大量的金刚石线锯来批量生产硅片。目前，当用金刚石线锯切割碳化硅晶锭时，多达40%的晶锭以SiC粉尘的形式成为废料，由于在切片过程中有大量的材料丢失，单个晶锭生产出的晶圆数量就较少，这是制造SiC功率器件成本高昂的一个主要因素。由于切片效率问题，许多国外企业采取更为先进的激光切割和冷分离技术，激光切割技术则是通过激光处理在内部形成改性层从碳化硅晶体上剥离出晶片。2016年DISCO开发了新的激光切片技术KABRA，据DISCO称，KABRA技术的优势主要有：1）处理时间大大缩短，现有工艺需要3.1小时才能切出一片6英寸SiC晶圆，而采用KABRA技术仅需要10分钟；2）不再需要研磨过程，因为分离后的晶圆波动可以控制；3）生产的晶圆数量比现有工艺增加了1.4倍。
2018年，英飞凌收购了碳化硅晶圆切割领域的新锐公司Siltectra，进入上游衬底领域。Siltectra拥有半导体材料新切割技术——冷切（COLDSPLIT），该技术能将SiC衬底的良率提高90%，在相同碳化硅晶锭的情况下，它可以提供3倍的材料，可生产更多的器件，最终SiC器件的成本可以降低20-30%。
5.1行业投资分析：国产厂商崛起，星星之火正起燎原之势
以SiC为代表的第三代半导体材料是继硅材料之后最有前景的半导体材料之一。与硅材料相比，以碳化硅晶片为衬底制造的半导体器件具备高功率、耐高压、耐高温、高频、低能耗、抗辐射能力强等优点，可广泛应用于新能源汽车、5G通讯、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等现代工业领域，需求快速增长。第三代半导体行业是我国“新基建”战略的重要组成部分，并有望引发科技变革并重塑国际半导体产业格局。
随着SiC需求的不断增长，国内衬底厂商不断扩大投资产能，下游企业也以签长约方式确保上游材料稳定供应。根据碳化硅芯观察的统计，截至2022年7月市场上在建、产能爬坡及规划的产能情况来看，碳化硅衬底规划投资超400亿元，未来远期规划年产能超600万片，国内碳化硅厂商正起燎原之势。
5.2.1：深蹲发力，SiC一体化龙头前景广阔
是国内LED行业的龙头企业，年营业收入分别为74.60，84.54，125.72亿元，2022年上半年实现营收67.62亿元，相比去年同期增长10.60%。公司旗下业务主要包括LED、通讯射频和SiC功率器件业务，公司是全球极少数拥有从碳化硅衬底到器件、封测全产业链布局的公司。其中碳化硅相关的业务主要包括碳化硅功率器件、碳化硅射频器件，碳化硅基氮化镓器件主要用在基站射频领域，碳化硅功率器件主要用于新能源汽车、光伏、储能等领域。
2014年起全面进军化合物半导体行业。公司通过收购Norstel、多年技术研发，获得了碳化硅衬底制造技术。根据三安光电规划，湖南三安碳化硅全链整合超级工厂总规划年产能超过50万片，总投资160亿元，占地面积1000亩，目前已实现产能12000片/月6英寸晶圆。
2022年9月2日，湖南三安半导体主办的2022首届新能源汽车电驱动技术创新峰会在长沙圆满落幕。作为峰会亮点，湖南三安发布了最新的1200V碳化硅MOSFET系列，包含1200V80mΩ/20mΩ/16mΩ，均来自湖南三安自主可靠的六寸全链整合平台，碳化硅业务有望带动持续成长。
5.2.2：立足半绝缘型，全面发力导电型衬底
成立于2010年，是一家国内领先的宽禁带半导体（第三代半导体）衬底材料生产商，主要从事碳化硅衬底的研发、生产和销售。公司不仅在2019年和2020年跻身半绝缘型碳化硅衬底市场的世界前三，还成功掌握了导电型碳化硅衬底材料制备的技术和产业化能力。目前，公司除半绝缘型碳化硅衬底外，导电型碳化硅衬底材料也已形成小批量销售。
公司收入规模稳定增长，年公司营收分别为2.69、4.25、4.94亿元，同比分别增长97.28%、58.18%、16.25%。2022年上半年营业收入为1.61亿元，同比-34.95%。2019年至2021年，公司归母净利润分别为-2.01、-6.42、0.90亿元，2022年上半年归母净利润为-0.73亿元。
根据公司碳化硅半导体材料项目建设进度，公司预计2022年第一期建设完成，2026年三期全部建设完成并达产。公司IPO募投项目将新增导电型碳化硅衬底材料产能30万片/年（兼容半绝缘型碳化硅衬底材料），拟投入生产设备1000余台，其中用于晶体生长的长晶炉800台，该类设备系产能的决定性固定资产因素。至2026年达产时，的单台长晶炉合格导电型碳化硅衬底设计产出约为375片/年。
已具备6英寸导电型和半绝缘型衬底的量产能力，公司未来将向8英寸导电型衬底进军。天岳先进于2015年启动6英寸半绝缘型衬底的研发，2019年完成开发工作，2020年公司启动8英寸导电型衬底的研发工作。
公司已与大客户签订长期销售合同，在手订单饱满。2022年7月22日，发布公告，2023年至2025年，公司及公司全资子公司上海天岳半导体材料有限公司向合同对方销售6英寸导电型碳化硅衬底产品，按照合同约定年度基准单价测算（美元兑人民币汇率以6.7折算），预计含税销售三年合计金额为人民币13.93亿元。公司与大客户签订长期销售合同，表明公司导电型SiC衬底实力强劲，已获大客户认可，待公司上海工厂投产后，导电型SiC衬底产能扩张有望带动公司持续快速成长。
研报来源和作者：民生证券[方竞]
