碳化硅行業(yè)深度報告：新材料定義新機遇SiC引領行業(yè)變革

本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告1EPS(元)2021A2022E202EPS(元)2021A2022E2023E2021APE(倍)2022E2023E級?碳化硅：第三代半導體突破性材料。SiC是第三代半導體材料，其具備極好的耐壓性、導熱性和耐熱性，是制造功率器件、大功率射頻器件的突破性材料。根據Wolfspeed預計，2022年全球碳化硅器件市場規(guī)模達43億美元，2026年碳化硅器件市場規(guī)模有望成長至89億美元。當前SiC功率器件價格較高，是硅基IGBT的3~5倍左右，但憑借優(yōu)異的系統(tǒng)節(jié)能特性，SiC器件開始在新能源汽車、光伏、儲能等領域替代硅基器件。?SiC引領行業(yè)變革，新需求快速涌現。新能源汽車是碳化硅功率器件下游第一大應用市場，根據我們測算，2026年全球應用于新能源汽車主驅逆變器的SiC器件市場規(guī)模有望達44億美元。為了提升電動汽車充電速度、緩解里程焦慮，小鵬、比亞迪、長城、保時捷、現代等整車廠陸續(xù)推出800V高壓平臺車型，有望推動SiC器件在新能源汽車中滲透率進一步提升。?國際巨頭壟斷行業(yè)，國產廠商加速破局。當前全球SiC襯底總年產能約在40~60萬片等效6英寸，無法滿足下游旺盛需求。根據Yole預測，隨著襯底廠商技術進步、產能進一步擴張，2025年6英寸導電型襯底價格有望降至590美元，這將帶動SiC器件滲透率提升，有望在未來與Si-IGBT雙雄并驅。此外，當前Wolfspeed、II-IV、羅姆三家海外大廠占據了全球89%導電型襯底市場，意法半導體、英飛凌、安森美、Wolfspeed等六家海外大廠占據了全球99%碳化硅功率器件市場，行業(yè)格局被海外大廠壟斷，國內廠商正在加速破局。新需求帶來新機遇，技術進步推動新未來。對于SiC襯底制造來說，PVT法生長速率慢、制備難度大、晶錠良率低，因此產能提升較慢，但襯底制造各環(huán)節(jié)均有工藝改善空間，溶液生長法、激光切割等技術的進步等有望推動襯底產能進一步提升，襯底有望持續(xù)降本。對于SiC器件制造來說，由于SiC材料透明、離子擴散溫度高等特性，在器件制造過程中光刻對準、高能離子注入、高溫退火工藝、柵氧質量控制、蝕刻工藝等環(huán)節(jié)相較硅基器件難度較大，器件制造擴產較為困難。對于SiC功率模塊來說，由于SiC器件耐受工作溫度較高，AMB基板憑借更高的熱導率等性能優(yōu)勢，成為SiC器件導熱基板材料首選。?投資建議：隨著碳化硅技術的不斷突破，國內供應商有望加速追趕國際龍頭。建議關注國內垂直一體化龍頭廠商三安光電；SiC襯底制造商天岳先進等；器件廠商時代電氣、斯達半導、新潔能、士蘭微、華潤微、揚杰科技、聞泰科技、中瓷電子、長飛光纖、積塔半導體、比亞迪半導體等；SiC設備公司北方華創(chuàng)、晶盛機電、中微公司、芯源微等。?風險提示：碳化硅在下游應用領域滲透率不及預期；國家產業(yè)政策變化；全球碳化硅行業(yè)競爭激烈。重點公司盈利預測、估值與評級碼稱價 (元)600703.SH三安光電17.480.290.500.67603526推薦688234.SH天岳先進107.710.210.250.39515439273推薦688187.SH時代電氣54.201.421.722.11383226推薦603290.SH斯達半導324.002.334.496.641397249推薦605111.SH新潔能85.011.932.353.37443625推薦003031.SZ中瓷電子96.070.580.821.2016511780推薦603936.SH博敏電子11.650.470.530.85252214推薦碳化硅行業(yè)深度報告SiC行業(yè)變革2022年10月08日維持評級師S120004fangjing@相關研究42.半導體零部件深度報告：國產替代核心部件，百舸爭流加速崛起-2022/09/18分析：新/07/25芯，智能化基石-2022/07/14光雷達中軍主力-2022/07/11行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告21碳化硅：第三代半導體突破性材料 31.1優(yōu)質的新型半導體襯底材料 31.2碳化硅功率器件性能優(yōu)異 7闊 101.4碳化硅產業(yè)鏈價值集中于上游襯底和外延 122SiC引領行業(yè)變革，新需求快速涌現 152.1新能源汽車占據碳化硅最大下游應用市場 152.2汽車高壓平臺升級，800V時代SiC成為剛需 232.3半絕緣型碳化硅襯底廣泛應用于射頻器件領域 263國際巨頭壟斷行業(yè)，各環(huán)節(jié)產能緊缺持續(xù) 293.1全球襯底產能緊缺，SiC與IGBT雙雄并驅 293.2國際巨頭壟斷SiC行業(yè)，國產廠商逐步破局 324新需求帶來新機遇，技術進步推動新未來 354.1技術革新帶來產能提升，襯底仍存降本空間 354.2器件制造技術尚需積累，國內廠商加速追趕 394.3SiC功率模塊放量在即，AMB基板迎來機遇 415投資建議 435.1行業(yè)投資建議：國產廠商崛起，星星之火正起燎原之勢 435.2重點公司 466風險提示 75插圖目錄 77表格目錄 79行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告3料1.1優(yōu)質的新型半導體襯底材料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，其特點為開關便捷，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(fā)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和金剛石等特殊單質。憑借優(yōu)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。第三代半導體耐壓性較好，是大功率器件的理想材料。第三代半導體主要是碳化硅和氮化鎵材料，SiC的禁帶寬度為3.2eV，GaN的禁帶寬度為3.4eV，遠超過Si的禁帶寬度1.12eV。由于第三代半導體普遍帶隙較寬，因此耐壓、耐熱性較化硅二極管、MOSFET已經開始商業(yè)化應用。表1：三代半導體材料特性對比SiGaAs4H-SiCGaN禁帶寬度(eV)1.121.433.23.4飽和電飽和電子漂移速率(10^7cm/s)1.01.02.02.5熱導率(W·cm-1·K-1)1.50.544.01.3擊穿電場強度(擊穿電場強度(MV/cm) 圖1：碳化硅耐壓特性優(yōu)異基于上述特性，以碳化硅為襯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優(yōu)勢：(1)更強的高壓特性。碳化硅的擊穿電場強度是硅的10余倍，使得碳化硅器件耐高壓特性顯著高于同等硅器件。(2)更好的高溫特性。碳化硅相本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告4較硅擁有更高的熱導率，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以帶來功率密度的顯著提升，同時降低對散熱系統(tǒng)的要求，使終端可以更加輕量和小型化。(3)更低的能量損耗。碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率，使得碳化硅器件具有極低的導通電阻，導通損耗低；碳化硅具有3倍于硅的禁帶寬度，使得碳化硅器件泄漏電流比硅器件大幅減少，從而降低功率損耗；碳化硅器件在關斷過程中不存在電流拖尾現象，開關損耗低，大幅提高實際應用的開關頻率。根據ROHM的數據，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET導通電阻是硅基MOSFET的1/200，尺寸是是硅基MOSFET的1/10。對于相同規(guī)格的逆變器來說，使用碳化硅基MOSFET相比于使用硅基IGBT系統(tǒng)總能量損失小于1/4。 圖2：碳化硅MOSFET器件體積更小 圖3：碳化硅MOSFET器件節(jié)能性更好碳化硅優(yōu)良的頻率、散熱特性，使得其在射頻器件上也得到廣泛應用。碳化硅、氮化鎵材料的飽和電子漂移速率分別是硅的2.0、2.5倍，因此碳化硅、氮化鎵器件的工作頻率大于傳統(tǒng)的硅器件。然而，氮化鎵材料存在耐熱性能較差的缺點，而碳化硅的耐熱性和導熱性都較好，可以彌補氮化鎵器件耐熱性較差的缺點，因此業(yè)界采取半絕緣型碳化硅做襯底，在襯底上生長氮化鎵外延層后制造射頻器件。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告5 圖4：碳化硅器件與硅基器件頻率特性g按照電學性能的不同，碳化硅襯底可分為半絕緣型碳化硅襯底和導電型碳化硅襯底兩類，這兩類襯底經外延生長后分明用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應用于制造氮化鎵射頻器件、光電器件等。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。導電型碳化硅襯底主要應用于制造功率器件。與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導電型襯底上生長碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特GBT表2：半絕緣型和導電型碳化硅襯底的對比種種類電阻率尺寸外延器件應用領域絕緣型碳化硅襯底以4英寸為主，逐漸向6氮化鎵外延英寸襯底發(fā)展射頻器件信息通訊、無線電探測以6英寸為主，以6英寸為主，8英寸襯導電型碳化硅襯底底開始發(fā)展通以及大功率輸電變電碳化硅外延功率器件行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告6 圖5：碳化硅外延生長及下游應用外延工藝是指在碳化硅襯底的表面上生長一層質量更高的單晶材料，如果在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，則稱為異質外延；如果在導電型碳化硅襯底表面生長一層碳化硅外延層，則稱為同質外延。外延層的生長可以消除襯底生長中的某些缺陷，生長的外延層質量相對較好。碳化硅晶體生長的過程中會不可避免地產生缺陷、引入雜質，導致襯底材料的質量和性能都不夠好。而外延層的生長可以消除襯底中的某些缺陷，使晶格排列整齊。例如襯底缺陷中的BPD(基平面位錯)約95%轉化為TED(貫穿刃型位錯)，而BPD可導致器件性能退化，TED基本不影響最終碳化硅器件的性能。 圖6：碳化硅襯底層和外延層結構 圖7：碳化硅外延片缺陷與襯底片缺陷的關聯性本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告7表3：外延片缺陷對最終器件的影響缺缺陷/器件SBDMOSFET，JFETTSD(無蝕坑)無無無,但會引發(fā)局部載流子壽命降低TEDTED無蝕坑)無無但會引發(fā)局部載流子壽命降低PD極管退化,但會引發(fā)體二極管化雙極退化(導通電阻及漏電流增加)胡蘿卜缺陷、三角形缺陷VB降低(30%~70%)VB降低(30%~70%)VB降低(30%~70%)掉落物缺陷1.2碳化硅功率器件性能優(yōu)異由于碳化硅材料具有高禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高擊穿強度、高熱導率等特點，碳化硅是功率器件理想的制造材料。當前碳化硅材料功率器件主要分為二極管和晶體管，其中，二極管主要包括肖特基二極管(SBD)、結勢壘肖特基二極管(JBS)、PiN功率二極管(PiN)；晶體管主要包括金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、結型場效應晶體管(JFET)、雙極型晶體管(BJT)、晶閘管。 圖8：碳化硅功率器件分類行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告8特性，優(yōu)異的TRR特性；電流依賴性；；?在高頻、中等電壓功率開關的應用上PiN頻特性好及強抗過壓和浪涌電流優(yōu)勢表4：碳化硅二極管分類SBDPiNJBS??在射頻和微波頻段受偏置電流控制的高結溫承受能力、高電流密度以及更?擁有更小的反向漏電流和更高的擊穿?廣泛應用于高壓低頻功率開關上碳化硅MOSFET主要分為平面結構和溝槽結構。平面型碳化硅MOSFET的結構特點是工藝簡單、單元的一致性較好、雪崩能量比較高；缺點是當電流被限制在靠近P體區(qū)域的狹窄的N區(qū)中流過時會產生JFET效應，增加通態(tài)電阻，且寄生電容較大。溝槽型碳化硅MOSFET是將柵極埋入基體中，形成垂直的溝道，這種結構的JFET現最佳的溝道遷移率，導通電阻比平面結構要明顯的降低；缺點是由于要開溝槽，工藝變得復雜，且單元的一致性較差，雪崩能量比較差。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告9 圖9：碳化硅MOSFET平面結構(左)與溝槽結構(右)溝槽型碳化硅MOSFET專利壁壘較高。目前國際上量產平面型碳化硅MOSFET的碳化硅廠商主要有Wolfspeed、意法半導體、Microsemi、羅姆等，國內量產的有APS、瀚薪、派恩杰、清純半導體等Fabless廠商。而目前可量產的SiC溝槽結構較為稀缺，全球量產溝槽型碳化硅MOSFET的僅有羅姆的雙溝槽結構、英飛凌的半包溝槽結構、日本住友的接地雙掩埋結構等。表5：溝槽結構SiCMOSFET 器件羅姆-雙溝槽結構英飛凌-不對稱溝槽結構日本住友-V型溝槽結構圖示相比平面型MOSFET，溝槽型碳化硅MOSFET在成本和性能上都具有較強優(yōu)勢。以羅姆的第三代碳化硅MOSFET(第一代溝槽型碳化硅MOSFET)為例，行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告10其芯片面積僅為羅姆第二代平面型碳化硅MOSFET的75%，且同一芯片尺寸下其導通電阻降低了50%。而羅姆的第二代溝槽型碳化硅MOSFET相比第一代溝槽型碳化硅MOSFET導通電阻亦可再降低40%。 圖10：羅姆溝槽型與平面型SiCMOSFET對比 圖11：羅姆第二代和第一代溝槽型SiCMOSFET對比1.3星辰大海，藍海市場空間廣闊最早商業(yè)化碳化硅產品的是美國的CREE公司，其發(fā)展歷史具有較強的代表性。碳化硅的產業(yè)化基本可分為三個階段，第一階段是碳化硅LED的誕生及商業(yè)化，第二階段是射頻器件的商業(yè)化，第三部分是功率器件的商業(yè)化。2002年CREE推出商用肖特基二極管、2011年推出商用碳化硅MOSFET是行業(yè)兩個重要的發(fā)展節(jié)點。2019年特斯拉在Model3新能源汽車上應用碳化硅MOSFET產品更是將行業(yè)熱情進一步推向高點。CREE的碳化硅器件項目2021年前主要由旗下子公司Wolfspeed負責，目前CREE已經出售LED業(yè)務，并更名為Wolfspeed，主營業(yè)務變更為碳化硅射頻及功率器件。 圖12：Wolfspeed公司第三代半導體發(fā)展歷史 碳化硅在射頻、功率器件領域應用廣泛，市場增長空間廣闊。根據碳化硅行業(yè)全球龍頭廠商Wolfspeed的預測，受新能源汽車及發(fā)電、電源設備、射頻器件等需求驅動，2026年碳化硅器件市場規(guī)模有望達到89億美元，其中用于新能源汽行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告110車和工業(yè)、能源的SiC功率器件市場規(guī)模為60億美元，用于射頻的SiC器件市場規(guī)模為29億美元。碳化硅在功率及射頻器件領域具備較強的優(yōu)勢，具備較強的應用價值，有望在新能源汽車、工業(yè)和能源、射頻市場逐步完成對硅基器件的替代。根據YOLE的預測，碳化硅的市占率有望在2024年突破10%。圖13：碳化硅器件市場規(guī)模及預測(億美元)工業(yè)和能源RF汽車EE 圖14：碳化硅器件市占率不斷提升第三代半導體戰(zhàn)略意義重大，世界各個國家和地區(qū)均在努力推進發(fā)展工作。歐洲的SPEED計劃、MANGA計劃，美國的SWITCHES計劃、NEXT計劃，日本的新一代功率電子項目都是意在通過政府資助和企業(yè)加強投資的方式推動新一代化合物半導體落地的計劃，背后都具有明顯的戰(zhàn)略意圖。第三代半導體的重要性各國都已明確，中國早在2016年的“十三五”規(guī)劃中就將碳化硅和半導體照明列入重點項目，隨后科技部、發(fā)改委等四部門又將碳化硅襯底技術列入重點突破領域。表6：各個國家和地區(qū)三代半導體發(fā)展計劃計劃機構主要內容展美國能源部型寬禁帶半導體材料、器件結構以及制造工藝，提高能量密度，加快開和電網電能轉換等應用的能量損耗，使得控制和轉換電能的方式發(fā)生重大變革美國國防部先進研究項目局研發(fā)能夠同時實現極高速度和電壓的氮化鎵器件制造工藝，滿足大規(guī)模集成要求聯合德國、法國、意大利、瑞典和英國，強化歐洲碳化硅襯底和氮化鎵外延片鎵電子器件產業(yè)鏈實現低碳社會的新一代功率電子項目器件和功率模組，應用于新能源汽車、鐵路列車等領域我國亦在大力推動碳化硅行業(yè)發(fā)展，國資不斷支持國內廠商立項融資。2018年國內碳化硅相關的投資項目簽署額僅50億元，到2020年已達463億元，且其中有接近90%的項目有政府參與，表明了國家對該領域的大力支持。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告12圖15：2018-2020年國內碳化硅簽署投資項目總額(億元)0000襯底器件全產業(yè)鏈 圖16：2020年政府參與項目的占比(億元)投資額1.4碳化硅產業(yè)鏈價值集中于上游襯底和外延碳化硅產業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件設計、器件制造、封測等。從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠，然后經過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經過外延生長得到外延片。外延片經過光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件。將晶圓切割成die，經過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。 圖17：碳化硅產業(yè)鏈碳化硅產業(yè)鏈價值集中于上游襯底和外延環(huán)節(jié)。根據CASA的數據，襯底約占碳化硅器件成本的47%，外延環(huán)節(jié)又占據23%，制造前的成本占據全部成本的70%。而對于Si基器件來說，晶圓制造占據50%的成本，硅片襯底僅占據7%的成本，碳化硅器件上游襯底和外延價值量凸顯。由于碳化硅襯底及外延價格相對硅本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告13片較為昂貴，碳化硅功率器件現階段滲透率較低。然而，由于碳化硅器件高效率、高功率密度等特性，新能源汽車、能源、工業(yè)等領域的強勁需求有望帶動碳化硅滲透率快速提升。圖18：碳化硅器件成本分布圖19：硅基器件的成本結構%23%7%備/工藝能效維護襯底其他原材料碳化硅襯底的尺寸不斷增大，當前國際主流尺寸為6英寸，正在向8英寸邁進。自從1991年第一塊商用碳化硅襯底誕生，目前全球主要廠商的襯底尺寸已達到6英寸。而全球碳化硅領域龍頭CREE公司(現更名為Wolfspeed)已于2015年推出了8英寸碳化硅襯底，并于2022年4月宣布其位于美國紐約州莫霍克谷 (MohawkValley)的全球最大8英寸碳化硅制造設施正式開業(yè)。 圖20：CREE公司碳化硅襯底尺寸演進單片襯底面積的增長有利于制造成本的下降，同時器件制造過程中襯底邊緣的浪費也將下降。根據Wolfspeed數據，一片6英寸碳化硅襯底可以產出448顆die，邊緣損失為14%；而一片8英寸碳化硅襯底可產出845顆die，邊緣損失下降至7%，襯底利用率更高。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告14 圖21：碳化硅襯底尺寸升級后邊緣損耗更低中國企業(yè)在單晶襯底方面以4英寸為主，目前國內企業(yè)已經開發(fā)出了6英寸導電性碳化硅襯底和高純半絕緣碳化硅襯底。其中天科合達和天岳先進為主的碳化硅晶片廠商發(fā)展速度較快，市占率提升明顯，三安光電(北電新材)在碳化硅方面也在深度布局。表7：各企業(yè)在襯底尺寸方面的研發(fā)進度尺寸CREE陸進達成功研制并規(guī)模4寸化生產成功研制并規(guī)模化生產成功研制并規(guī)?；a成功研制并規(guī)?；a成功研制并規(guī)?；a2012年全球首次成功研制并規(guī)模成功研制并規(guī)?；a化生產成功研制，2019成功研制并規(guī)模年宣布產線建設化生產計劃成產2015年全球首次成功研制，2019成功研制，20198寸年宣布產線建設未披露未披露2020年啟動研發(fā)年宣布產線建設計劃計劃行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告152SiC引領行業(yè)變革，新需求快速涌現2.1新能源汽車占據碳化硅最大下游應用市場按照電學性能的不同，碳化硅襯底可分為半絕緣型碳化硅襯底和導電型碳化硅襯底兩類，這兩類襯底經外延生長后主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應用于制造氮化鎵射頻器件。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。導電型碳化硅襯底主要應用于制造功率器件。與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導電型襯底上生長碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。 圖22：兩種類型的碳化硅材料下游用途導電型襯底在功率器件中得到廣泛應用，下游市場包括新能源汽車、光伏、高鐵、工業(yè)電源等領域。導電型碳化硅襯底主要應用于制造功率器件，功率器件是電力電子行業(yè)的重要基礎元器件之一，廣泛應用于電力設備的電能轉化和電路控制等領域，涉及經濟與生活的方方面面。碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，較好地契合功率器件的要求，因而在近年被快速推廣應用，例如新能源汽車、光伏發(fā)電等領域。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告16 圖23：碳化硅功率器件應用領域碳化硅功率器件目前主要應用于逆變器中。逆變器是一種將直流信號轉化為高壓交流電的裝置，在傳統(tǒng)硅基IGBT逆變器中，其基本原理為利用方波電源控制IGBT的開關，使得原來的直流電路輸出方波高電壓，經過整形模塊的整形后形成正弦電壓，即交流電。由于輸出電壓和輸出頻率可以任意控制，所以逆變器被廣泛用于控制交流電機和無刷電機的轉速，是新能源發(fā)電、不間斷電源、電動汽車、軌道交通、白色家電、電力配送等領域不可或缺的功率轉換裝置。 圖24：碳化硅光伏逆變器 圖25：蔚來汽車SiC電驅汽車是碳化硅功率器件最大的下游應用市場。根據YOLE的數據，2021年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模為10.90億美元，其中應用于汽車市場的碳化硅功率器件市場規(guī)模為6.85億美元，占比約為63%；其次分別是能源、工業(yè)等領域，本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告17未來隨著碳化硅器件在新能源汽車、能源、工業(yè)等領域滲透率不斷提升，碳化硅器件市場規(guī)模有望持續(xù)提升。根據Yole的預測，2027年全球碳化硅功率器件市場規(guī)模有望達62.97億美元，2021-2027年CAGR達34%；其中汽車市場碳化硅功率器件規(guī)模有望達49.86億美元，占比達79.2%，汽車仍為碳化硅功率器件下游第一大應用市場。 圖26：碳化硅功率器件市場規(guī)模(百萬美元)碳化硅在電動汽車領域主要用于：主驅逆變器、車載充電系統(tǒng)(OBC)、電源轉換系統(tǒng)(車載DC/DC)和非車載充電樁。根據全球碳化硅領域龍頭廠商Wolfspeed公司的預測，到2026年汽車中逆變器所占據的碳化硅價值量約為83%，是電動汽車中價值量最大的部分。其次為OBC，價值量占比約為15%；DC-DC轉換器中SiC價值量占比在2%左右。此外，電動汽車充電樁也是SiC器件的一大應用領本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告18 圖27：碳化硅器件在新能源汽車上的應用 圖28：2026年汽車中SiC器件價值量占比逆變器OBC碳化硅MOSFET在電動汽車主驅逆變器中相比Si-IGBT優(yōu)勢明顯，雖然當前SiC器件單車價格高于Si-IGBT，但SiC器件的優(yōu)勢可降低整車系統(tǒng)成本：(1)由于碳化硅MOSFET相比硅基IGBT功率轉換效率更高，根據Wolfspeed數據，采用碳化硅MOSFET的電動汽車續(xù)航距離相比硅基IGBT可延長5-10%，即在同樣續(xù)航里程的情況下可削減電池容量，降低電池成本。(2)碳化硅MOSFET的高頻特性可使得逆變器線圈、電容小型化，電驅尺寸得以大幅減少，而可聽噪聲的降低可以減少電機鐵損。(3)碳化硅MOSFET可承受更高電壓，在電機功率相同的情況下可以通過提升電壓來降低電流強度，從而使得束線輕量化，節(jié)省安裝空間。 圖29：碳化硅MOSFET在汽車主逆變器中的拓撲圖本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告19車載充電機(OBC)為電動汽車的高壓直流電池組提供了從基礎設施電網充電的關鍵功能，通過使用車載充電器可將電網中的交流電轉換為直流電對電池進行充電，OBC是決定了充電功率和效率的關鍵器件。對于電動汽車車載充電機來說，碳化硅MOSFET相比Si基器件同樣具有系統(tǒng)優(yōu)勢： (1)更低的系統(tǒng)成本。雖然SiC器件相較于Si基器件價格較貴，但是使用SiC器件的OBC可以節(jié)省磁感器件和驅動器件成本，從而降低系統(tǒng)成本。 (2)更高的峰值效率。OBC中使用SiC器件后充電峰值效率較使用Si基器件的系統(tǒng)提升2個點。 (3)更大的功率密度。使用SiC器件的系統(tǒng)功率密度較Si基器件提升約50%，從而減少OBC的重量和體積。 圖30：車載充電機(OBC)在電動汽車中的作用表8：22KW雙向OBC中SiC器件與Si器件對比222KW雙向OBCSiC器件系統(tǒng)Si器件系統(tǒng)成本值效率度DC-DC轉換器是轉變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉換器。車載DC/DC轉換器可將動力電池輸出的高壓直流電轉換為低壓直流電，主要給車內動力轉向、水泵、車燈、空調等低壓用電系統(tǒng)供電。未來隨著電動汽車電池電壓升至800V高壓平臺，1200V的SiCMOSFET有望被廣泛應用于DC-DC轉換器中： (1)首先，OBC與DC-DC等功率器件集成化趨勢明顯，22KW車載充電機中，DC-DC轉換器與OBC有望集成。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告20 (2)其次，雙向DC-DC轉換器中，SiC的高速恢復特性最為合適； (3)為能夠適配原400V直流快充樁，搭載800V電壓平臺的新車須配有額外DC-DC轉換器進行升壓，進一步增加對DC-DC的需求。 圖31：碳化硅MOSFET在汽車DC-DC轉換器中的拓撲全球新能源汽車銷量不斷增長，頭部廠商逐漸采用碳化硅器件。根據工信部的數據，2021年全球新能源車銷量為675萬輛，同比增長108%；其中，中國新能2021年銷量達352萬輛，同比增長160%以上。特斯拉是業(yè)界首個在電動汽車中采用碳化硅主驅逆變器模塊的車企，2018年，特斯拉在Model3中首次將IGBT模塊換成了SiC模塊。當前越來越多的車廠正在轉向在電驅中使用碳化硅MOSFET器件，目前除特斯拉Model3外，還有比亞迪漢EV、比亞迪新款唐EV、蔚來ES7、蔚來ET7、蔚來ET5、小鵬G9、保時捷Tayan和現代ioniq5等車型已經在電驅中采用了碳化硅器件。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告21圖32：全球新能源車銷量預測(萬輛)000%%%%%% 圖33：部分已采用碳化硅器件的車型表9：在主驅逆變器中采用SiC器件的車企車車型/平臺上市時間車企斯拉ioniq5現代起亞EV62021待定ronGT漢漢EV比亞迪唐EV(新款)20202021來 (新款)2022后龍汽ON2022風新能源本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告22在光伏發(fā)電領域，由于使用SiC器件可以降低光伏發(fā)電系統(tǒng)損耗，未來隨著碳化硅器件成本的不斷降低，碳化硅器件有望逐步替代硅基器件，市場規(guī)模有望不斷提升。在光伏發(fā)電應用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來源之一。而根據天科合達招股書顯示，使用碳化硅材料，可將轉換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設備循環(huán)壽命提升50倍。根據CASA預測，在2025年，碳化硅功率器件占比將達到50%，相比2020年增長40個百分點，并將持續(xù)擴大占比。圖34：光伏逆變器中碳化硅功率器件占比預測碳化硅功率器件占比0%80%60%40%20%0%20202025E2030E2035E2040E2048E此外，碳化硅材料可以顯著提升列車牽引系統(tǒng)節(jié)能效果，符合軌道交通大容量、輕量化和節(jié)能型牽引變流裝置的應用需求，有望在軌道交通中得到廣泛應用。同時，由于碳化硅抗高溫高壓高頻的特性，完美切合智能電網發(fā)展需求，被應用在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統(tǒng)等應用方面推動智能電網的發(fā)展和變革。雖然2018年碳化硅在軌道交通的應用占比僅為2%，但CASA預測在2030年碳化硅在軌道交通功率器件的應用占比將達30%，滲透率不斷提升。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告23圖35：軌道交通中碳化硅功率器件占比預測%80E0E50E2.2汽車高壓平臺升級，800V時代SiC成為剛需800V快充系統(tǒng)推動汽車平臺升級。新能源汽車行業(yè)一個亟待解決的問題就是“里程焦慮”，提升充電速度就需要提升充電樁的輸出功率，則需要提升充電電壓或電流。根據Wolfspeed數據，當前我國商用的主流快充充電樁的功率為100~150KW，電動汽車充電400KM里程所需的時間為40~27分鐘。若充電樁采用350KW大功率快充系統(tǒng)，400KM里程所需充電時間可大大縮短至12~15提升充電功率可以通過提高電流或者電壓兩種方式來實現。然而，如果通過提升電流來增大充電功率，會帶來以下問題：(1)根據功率計算公式，電流的提升會導致系統(tǒng)功率損耗增大；(2)電流增大，根據焦耳定律系統(tǒng)發(fā)熱會加劇，冷卻系統(tǒng)成本增高；(3)所需線束更粗，線束重量將增大。因此提升電壓以實現大功率快充成為行業(yè)的多數選擇。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告24圖36：400KM續(xù)航所需充電時間(min)0 0 0圖37：Si-IGBT與SiC-MOSFET整車損耗測試inverterPowertrainw/oInverterBasicconsumption0%00V,Si400V,SiC00V,Si400V,SiC電動汽車升級800V平臺，Si-IGBT模塊面臨挑戰(zhàn)。雖然使用硅基IGBT的功率模塊同樣可以做到1000V以上的耐受電壓，但其仍存在以下缺點：(1)400V的Si-IGBT模塊將不再適用，即使換成耐高壓的Si-IGBT，其在800V高電壓平臺上仍然存在著損耗高、效率低、體積大的缺點；(2)800V平臺上所用Si-IGBT數量要明顯大于400V平臺，車內空間更加緊張。此時，SiC器件由于自身高耐壓性、低損耗、高功率密度、高熱導率等優(yōu)勢，成為800V時代新能源汽車的剛需。如果采用碳化硅系統(tǒng)，800V電動汽車的整車效率將得到顯著提升。根據PCIMEurope的研究，按照WLTC工況測試，基于750V硅基IGBT模塊及1200V碳化硅模塊仿真，400V電壓平臺下，1200V碳化硅模塊相比于750V硅基IGBT模塊，整車損耗可降低6.9％；然而在800V高壓平臺下，整車損耗可降低7.6％。此外，由于碳化硅器件功率密度更大，采用碳化硅器件的電動汽車、充電樁可以在較小的體積內達到較大的功率，從而節(jié)省車內空間，減輕車身重量。 圖38：400V電子電氣架構 圖39：800V電子電氣架構為了提升電動汽車充電速度、緩解里程焦慮，越來越多的整車廠布局800V高壓平臺。保時捷Taycan是全球首款量產的800V高壓平臺車型，并將最大充電功本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告25率提升至350KW。此外，奧迪e－tronGT、現代Ioniq5和起亞EV6都采用了800V高壓平臺。與此同時，國內的車企亦紛紛向800V高壓平臺邁進。2021年，比亞迪、吉利、極狐、廣汽、小鵬等都陸續(xù)發(fā)布了搭載800V平臺的車型，其中小鵬、比亞迪等800V高壓車型有望2022年量產。800V平臺的推廣有望推動SiC器件在電動汽車中的滲透率快速提升。表10：部分已采用或預計采用800V平臺的車企司式發(fā)布時間率續(xù)航保時捷車型、充電樁2018-06800V350kW15分鐘充電80%亞電樁代020-125分鐘，續(xù)航150公里吉利極氪車型、充電樁2021-09800V360kW充電5分鐘，續(xù)航120公里臺、車型0V/800V2021-11800V400kW600A充電10分鐘，續(xù)航800公里北北汽極狐廣汽埃安車型、充電樁2021-081000V(峰值)480kW600A充電5分鐘，續(xù)航120公里東東風嵐圖、充電樁021-10小鵬車型、充電樁2021-10800V480kW670A充電5分鐘，續(xù)航200公里理想平臺預計2023800V計2023蔚來對于直流快速充電樁來說，充電電壓升級至800V同樣帶來充電樁中的SiC功率器件需求大增。電動汽車直流快速充電樁繞過安裝在電動汽車上的車載充電機，直接為電池提供大功率直流充電。相比傳統(tǒng)Si和IGBT器件，基于SiC的器件由于具有工作溫度更高、導通損耗更小、漏電流更低、浪涌耐受能力更強、最大額定電壓更高，以及整體功率密度更高的特點，可實現更好的充電性能。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告26 圖40：直流快速充電樁示意圖2.3半絕緣型碳化硅襯底廣泛應用于射頻器件領域同屬于第三代半導體的氮化鎵同樣擁有良好的寬帶隙特性，同時其兼具第二代半導體的高頻特性，是制造半導體射頻器件的良好材料。目前主流的射頻器件材料有砷化鎵、硅基LDMOS、碳化硅基氮化鎵等不同類型。其中，砷化鎵器件已在功率放大器上得到廣泛應用，硅基LDMOS器件也已在通訊領域應用多年，但其主要應用于小于4GHz的低頻率領域。碳化硅基氮化鎵射頻器件同時具備了碳化硅的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，隨著信息技術產業(yè)對數據流量、更高工作頻率和帶寬等需求的不斷增長，氮化鎵器件在基站中應用越來越廣泛。氮化鎵射頻器件正在取代LDMOS在通信宏基站、雷達及其他寬帶領域的應用。根據Yole預測，至2025年，功率在3W以上的射頻器件市場中，砷化鎵器件市場份額基本維持不變的情況下，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基LDMOS份額，占據射頻器件市場約50%的份額。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告27 圖41：不同類型射頻器件市場份額預測(功率在3W以上) 圖42：不同材料微波射頻器件的應用范圍對比在應用方面，5G通信推動著碳化硅成為射頻器件的主流材料。5G通訊高頻、高速、高功率的特點對微波射頻器件提出了更高要求，對目前采用的砷化鎵和硅基LDMOS器件提出了挑戰(zhàn)。不同于砷化鎵和硅基LDMOS器件的固有缺陷，如高頻段性能差、功率效率較差等。由于半絕緣型碳化硅襯底制備的氮化鎵射頻器件在高頻段表現良好、能抗高溫高壓，具有高功率處理能力，已逐步成為5G時代較大基站功率放大器的候選技術。 伴隨全球氮化鎵射頻器件市場規(guī)模的增長，半絕緣型碳化硅襯底市場預有望持續(xù)增長。半絕緣型襯底主要用于5G基站、衛(wèi)星通信、雷達等方向，隨著5G建設的加速，尤其是MassiveMIMO技術的推廣，碳化硅基氮化鎵器件市場規(guī)模不斷擴大。根據YOLE的數據，2020年封裝的氮化鎵射頻器件市場規(guī)模約為8.91億美元，其中超過99%都是采用碳化硅襯底，到2026年，這部分市場規(guī)模有望增長至22.22億美元，年復合增速17%。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告28 圖44：碳化硅基氮化鎵器件市場規(guī)模變化(百萬美元)行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告293國際巨頭壟斷行業(yè)，各環(huán)節(jié)產能緊缺持續(xù)3.1全球襯底產能緊缺，SiC與IGBT雙雄并驅當前新能源汽車、光伏、儲能等領域對SiC器件需求強勁，其中新能源汽車將消耗掉全球大部分SiC襯底產能，全球襯底產能持續(xù)緊缺。以特斯拉Model3為例，根據特斯拉Model3主驅逆變器拆解來看，其中包括六個模塊，每個模塊由4個SiC小模塊并聯，型號為意法半導體的STGK026。拆開封裝來看，每顆SiC小模塊有2個SiC裸晶(Die)，因此該逆變器共有48顆電壓/電流規(guī)格為650V/100A的SiCMOSFET芯片，單芯片的面積約33平方毫圖45：特斯拉Model3逆變器拆解圖 圖46：特斯拉Model3逆變器小模塊一片6英寸SiC襯底面積約17663平方毫米，根據Wolfspeed數據，生產32平方毫米大小SiCMOSFET過程中6英寸襯底邊緣損耗為14%，我們假設60%的器件制造良率，則單片6英寸襯底可產出約276個良品，則單片6英寸襯底可供應約5.75輛新能源車的主驅逆變器。根據中研網數據，2022年全球新能源乘用車的銷量有望達到1000萬輛左右，若主驅逆變器全部采用SiCMOSFET，則共需約174萬片6英寸SiC襯底。而目前全球SiC襯底總年產能約在40萬~60萬片等效6英寸，SiC襯底產能持續(xù)緊缺，SiCMOSFET與Si-IGBT將在未來長期并駕齊驅。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告30 圖47：單片6英寸襯底可供應主驅逆變器數量由于當前碳化硅行業(yè)仍處于較為初期階段，碳化硅襯底本身生產效率低、良率低，襯底、外延、器件制造等環(huán)節(jié)產能仍然緊缺，導致碳化硅器件價格較硅基器件較高。以特斯拉Model3為例，其主驅動逆變器采用了48個SiCMOSFET，總成本約為5000元，是硅基IGBT的3~5倍。隨著全球碳化硅襯底產能不斷增長，供給不斷增加，我們假設碳化硅器件價格保持年降10%的速度，新能源汽車主驅逆變器中碳化硅模塊的滲透率保持每年5ppts的增速，則我們測算2026年全球新能源汽車主驅逆變器中SiC器件市場規(guī)模約為44億美元。表11：新能源汽車主驅逆變器SiC市場空間測算202202020212022E2023E2024E2025E2026E新能源車銷量(萬輛)31265310481405186724942958yoyyoy(%)1%SiC主驅滲透率//15%20%25%30%35%SiCSiC主驅汽車銷量(萬輛)//67單車價值量(元)/500045004050364532812952市市場空間(億元)//市場空間(億美元)//4新能源汽車OBC中對SiCMOSFET的需求亦有較大增長。對于800V高壓平臺，新能源汽車需配置11KW以上的雙向OBC。根據Wolfspeed的數據，22KW雙向OBC中需使用14顆SiCMOSFET，其中AC-DC側需要6顆，DC-DC側需要8顆。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告31 圖48：22KW雙向OBC中SiCMOSFET拓撲圖由于主驅逆變器中使用的SiCMOSFET相較于OBC中的SiCMOSFET規(guī)格較高，因此汽車OBC中的SiC器件滲透率有望超過主驅逆變器，我們假設2026年新能源汽車OBC中SiC器件滲透率為70%，且單車價值量年降10%，則我們測算2026年全球新能源汽車OBC中SiC器件市場規(guī)模約為9億美元。表12：新能源汽車車載充電機SiC市場空間測算202202020212022E2023E2024E2025E2026E量(萬)31265310481405186724942958yoyyoy(%)1%SiCOBC滲透率//////70%COBC//////單車價值量(元)/490441397357321289市市場空間(億元)//////市場空間(億美元)//////9新能源汽車、光伏、風電、儲能等應用對全球碳化硅器件的需求大增，而襯底供應商擴產緩慢，每輪擴產需要至少一年半到兩年，產能的釋放滯后于需求的快速增長。根據天科合達招股書的披露，從規(guī)劃建廠到竣工驗收并投產需要8個季度，當前供給端的擴產速度無法滿足需求端的增長，導致襯底產能較為緊缺。行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告32 圖49：天科合達建設周期國際巨頭壟斷SiC行業(yè)，國產廠商逐步破局Wolfspeed是全球最大的導電型碳化硅襯底制造商，根據2021年11月Wolfspeedinvestorday披露數據，2020年其導電型襯底市占率約為62%；第二名是美國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公司的前身為Cree公司，2019年3月，Cree公司宣布將照明產品業(yè)務部CreeLighting出售給家族企業(yè)IDEALINDUSTRIES，CreeLighting包括商業(yè)應用、工業(yè)應用及消費者用LED照明燈具、光源和照明解決方案業(yè)務。Cree完成照明和LED業(yè)務的出售后，完全轉型為一家專注于寬禁帶半導體產品的公司。2021年10月，公司名稱從Cree,Inc.更改為Wolfspeed，Wolfspeed擁有從襯底到器件的全產業(yè)鏈布局，是全球SiC行業(yè)的龍頭。 圖50：2020年導電型襯底市占率4%2%資料來源：Yole，民生證券研究院圖51：Wolfspeed營收(百萬美元)及增速00Wolfspeed營收YoYFY2017FY2018FY2019FY2020FY2021FY2022%行業(yè)深度研究/電子本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告33半絕緣型襯底方面，全球市場依然是Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ等海外公司主導，但國內廠商天岳先進迎來突破。根據Yole的數據，2020年Wolfspeed在半絕緣型SiC襯底市場的占有率為32%，Ⅱ-Ⅵ為35%，整體看仍然是西方巨頭壟斷的市場。國產SiC襯底廠商天岳先進市占率提升迅速，2019年公司的市占率僅18%，但2020年已達30%。隨著天岳先進產能進一步擴充，市占率有望進一步提升。 圖52：2020年全球半絕緣型襯底市占率全球碳化硅器件市場格局仍由海外巨頭主導。根據Yole的數據，2021年全球SiC功率器件市場規(guī)模為10.90億美元，市場份額由海外巨頭意法半導體、Wolfspeed、羅姆、英飛凌、三菱電機、安森美等廠商壟斷，全球TOP6占據99%的市場份額。 圖53：2021年全球SiC功率器件市場格局3%1%7%%23%41%英飛凌wolfspeed羅姆三菱電機其他本公司具備證券投資咨詢業(yè)務資格，請務必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告34表13：2021年全球SiC器件廠商排名排排名地區(qū)公司2020營收 (百萬美元)2021營收 (百萬美元)YoY1歐洲意法半導體29045055%22凌3北美Wolfspeed10816553%445北美