碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈深度解析碳化硅東風(fēng)在即產(chǎn)業(yè)鏈爆發(fā)拐點(diǎn)將至

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈深度解析-碳化硅東風(fēng)在即產(chǎn)業(yè)鏈爆發(fā)拐點(diǎn)將至碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈：乘風(fēng)新能源市場(chǎng)，百億賽道加速崛起第三代半導(dǎo)體簡(jiǎn)介：襯底材料升級(jí)引領(lǐng)半導(dǎo)體新時(shí)代第三代半導(dǎo)體材料碳化硅、氮化鎵引領(lǐng)行業(yè)升級(jí)。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照歷史進(jìn)程分為：第一代半導(dǎo)體材料（大部分為目前廣泛使用的高純度硅），第二代化合物半導(dǎo)體材料（砷化鎵、磷化銦），第三代化合物半導(dǎo)體材料以碳化硅和氮化鎵為代表。第三代半導(dǎo)體物理性能相對(duì)更出色，有望實(shí)現(xiàn)各個(gè)領(lǐng)域全面替代。在禁帶寬度、介電常數(shù)、導(dǎo)熱率及最高工作溫度等方面碳化硅、氮化鎵性能更為出色，在5G通信、新能源汽車、光伏等領(lǐng)域，頭部企業(yè)逐步使用第三代半導(dǎo)體。在高壓、高頻、高溫領(lǐng)域以碳化硅和氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體襯底材料市場(chǎng)規(guī)模有望迎來快速發(fā)展機(jī)遇，待成本下降有望實(shí)現(xiàn)全面替代。應(yīng)用領(lǐng)域：新能源行業(yè)為碳化硅主要應(yīng)用領(lǐng)域SiC主要應(yīng)用于白色家電、電動(dòng)汽車及工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。在白色家電中主要應(yīng)用于家電/個(gè)人電腦、不間斷電源等；在電動(dòng)汽車領(lǐng)域主要應(yīng)用于DC/AC逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等；在工業(yè)領(lǐng)域中主要應(yīng)用于電力配送、鐵路運(yùn)輸、光伏產(chǎn)業(yè)、電機(jī)控制、風(fēng)電渦輪機(jī)等。市場(chǎng)規(guī)模：2027年全球SiC功率市場(chǎng)規(guī)模有望突破62億美元，三代半導(dǎo)體滲透率逐年提升2027年全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模有望突破60億美元。根據(jù)Yole，2027年全球SiC功率半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模由2021年的10.90億美元增至62.97億美元，2021-2027年每年以34%年均復(fù)合增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)。汽車應(yīng)用主導(dǎo)SiC市場(chǎng)，占整個(gè)功率SiC器件市場(chǎng)的75%以上。第三代半導(dǎo)體材料滲透率逐年提升，2023年有望接近5%。根據(jù)Yole，Si仍是半導(dǎo)體材料主流，占比95%。第三代半導(dǎo)體滲透率逐年上升，SiC滲透率在2023年有望達(dá)到3.75%，GaN滲透率在2023年達(dá)到1.0%，第三代半導(dǎo)體滲透率總計(jì)4.75%。政策：大力支持，深入布局陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策，第三代半導(dǎo)體蓬勃發(fā)展。國(guó)家持續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策支持第三代半導(dǎo)體發(fā)展，2016年7月，國(guó)務(wù)院《關(guān)于印發(fā)“十三五”國(guó)家科技創(chuàng)新規(guī)劃的通知》明確發(fā)展第三代半導(dǎo)體芯片；

2019年11月工信部將第三代半導(dǎo)體產(chǎn)品寫入《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄》，2019年12月，在《長(zhǎng)江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展規(guī)劃綱要》中明確要求加快培育布局第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展；2020年7月為鼓勵(lì)企業(yè)積極發(fā)展集成電路，國(guó)家減免相關(guān)企業(yè)稅收；2021年3月，十四五規(guī)劃中特別提出第三代半導(dǎo)體要取得發(fā)展；

2021年8月，工信部將第三代半導(dǎo)體納入“十四五

”產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新相關(guān)發(fā)展規(guī)劃。全球產(chǎn)業(yè)鏈：美國(guó)、日本企業(yè)布局領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)企業(yè)加速追趕SiC產(chǎn)業(yè)鏈美國(guó)、日本等國(guó)家地區(qū)占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層適用于高頻、高溫工作環(huán)境，主要應(yīng)用于5G通信、衛(wèi)星領(lǐng)域；在導(dǎo)電型碳化硅襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層，適用于高溫、高壓工作環(huán)境，主要應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電領(lǐng)域。從全球產(chǎn)業(yè)鏈來看，美國(guó)、日本及歐洲等國(guó)家及地區(qū)SiC布局相對(duì)較早，技術(shù)較為領(lǐng)先，國(guó)內(nèi)企業(yè)仍處于加速追趕的位置。碳化硅襯底：產(chǎn)業(yè)鏈價(jià)值占比最高，規(guī)模化關(guān)鍵一環(huán)制備工藝：

主流物理氣相傳輸法（PVT），生產(chǎn)成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟PVT成本低，系商業(yè)化主流路線。SiC制備方法主要有三種：物理氣相傳輸法（PVT）、頂部籽晶溶液生長(zhǎng)法（TSSG）及高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD）。頂部籽晶溶液生長(zhǎng)法主要用于實(shí)驗(yàn)室生長(zhǎng)較小尺寸晶體，而物理氣相傳輸法與高溫化學(xué)氣相沉積法主要用于商業(yè)生產(chǎn)。其中PVT法制備SiC所需設(shè)備簡(jiǎn)單且價(jià)格低，操作控制相對(duì)容易故為商業(yè)生產(chǎn)主流方法。PVT原理：將高純度碳粉與硅粉，按特定比例混合，形成高純度SiC微粉與籽晶分別放置生長(zhǎng)爐內(nèi)坩堝下部，頂部后，溫度升高至2000℃以上，通過控制講坩堝下部溫度略高于頂部，形成溫度差。SiC微粉升華成氣態(tài)Si2C、SiC2、Si等，后由于溫度差在溫度較低籽晶處形成SiC晶錠。襯底類型：根據(jù)襯底的電阻率大小可以分為導(dǎo)電型和半絕緣型根據(jù)襯底的不同性質(zhì)進(jìn)行分類可以分為：導(dǎo)電型襯底和半絕緣型襯底兩大類。不同于傳統(tǒng)硅基器件，碳化硅器件不可直接制作于襯底上，需先使用化學(xué)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(jìn)一步制成器件。其中，導(dǎo)電型襯底即在碳化硅襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層，適用于做功率器件，下游應(yīng)用包括新能源車、光伏發(fā)電等。半絕緣型襯底即在碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化硅外延層，適用于射頻器件，下游應(yīng)用包括5G通信、衛(wèi)星等。物理特征：寬禁帶、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、導(dǎo)熱效率高、飽和電子漂移速率快碳化硅的禁帶寬度更寬，理論工作溫度可達(dá)400℃以上。更大的禁帶寬度，可以保證材料在高溫下，電子不易發(fā)生躍遷，本征激發(fā)弱。從而可以耐受更高的工作溫度。碳化硅的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)更大，能夠耐受更高的電壓，更適用于高電壓器件。臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)指材料發(fā)生電擊穿的電場(chǎng)強(qiáng)度，一旦超過該數(shù)值，材料將失去絕緣性能，進(jìn)而決定了材料的耐壓性能。碳化硅的高熱導(dǎo)率可以有效傳導(dǎo)熱量，降低器件溫度，維持其正常工作。高溫是影響器件壽命的主要原因之一，熱導(dǎo)率代表了材料的導(dǎo)熱能力。碳化硅的飽和電子漂移速率更高，有助于提高工作頻率，將器件小型化。飽和電子漂移速率指電子在半導(dǎo)體材料中的最大定向移動(dòng)速度，該數(shù)值的高低決定了器件的開關(guān)頻率。市場(chǎng)規(guī)模：

2020-2025年全球SiC襯底市場(chǎng)規(guī)模CAGR超30%，襯底占SiC產(chǎn)業(yè)價(jià)值量接近一半2020-2025年全球SiC襯底市場(chǎng)規(guī)模CAGR超30%。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)，2020年半絕緣型SiC襯底市場(chǎng)規(guī)模為10.62億美元，預(yù)計(jì)2025年將增長(zhǎng)至28.39億美元，CAGR約21.7%。2020年導(dǎo)電型SiC襯底市場(chǎng)規(guī)模為7.31億美元，預(yù)計(jì)2025年將增長(zhǎng)至44.67億美元，CAGR約43.6%。襯底在SiC晶圓中價(jià)值量最高，價(jià)值量占比為46％。據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)，在6寸SiC晶圓中，襯底價(jià)值量最高，占比達(dá)到46%；外延占比23%，芯片器件22%，封測(cè)9%。需求端：受新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)影響，SiC晶圓需求大幅增長(zhǎng)預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)SiC汽車市場(chǎng)將以30.6%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，2020年市場(chǎng)規(guī)模15.8億元，到2025年將超過45億元。預(yù)計(jì)國(guó)際SiC汽車市場(chǎng)將以38.0％的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2025將超過100億元（Yole預(yù)計(jì)SiC汽車市場(chǎng)將以38％的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2025年將超過15億美元）。折算成晶圓，國(guó)內(nèi)2020年新能源汽車市場(chǎng)6英寸SiC晶圓需求量超過4萬片，預(yù)計(jì)到2025年需求量將增長(zhǎng)到近30萬片。國(guó)際2020年新能源汽車市場(chǎng)6英寸SiC晶圓需求量超過5萬片，到2025年需求量超過60萬片。碳化硅外延：產(chǎn)業(yè)鏈中間環(huán)節(jié)，直接關(guān)乎最終器件性能外延工藝：產(chǎn)業(yè)鏈條核心技術(shù)，關(guān)鍵參數(shù)是厚度和摻雜濃度碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長(zhǎng)了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。外延工藝是整個(gè)產(chǎn)業(yè)中的一種非常關(guān)鍵的工藝。由于現(xiàn)在所有的器件基本上都是在外延上實(shí)現(xiàn)，所以外延的質(zhì)量對(duì)器件的性能是影響是非常大的，但是外延的質(zhì)量它又受到晶體和襯底加工的影響，處在一個(gè)產(chǎn)業(yè)的中間環(huán)節(jié)，對(duì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到非常關(guān)鍵的作用。碳化硅外延材料的最基本的參數(shù)，也是最關(guān)鍵的參數(shù)，就是厚度和摻雜濃度。外延的參數(shù)其實(shí)主要取決于器件的設(shè)計(jì)，根據(jù)器件的電壓等級(jí)的不同，外延的參數(shù)也不同。發(fā)展歷程及趨勢(shì)：外延技術(shù)突破將有效提升器件性能早期碳化硅是在無偏角襯底上外延生長(zhǎng)的，但受多型體混合影響，實(shí)際外延效果并不理想，難以進(jìn)而制備器件。之后發(fā)展了利用臺(tái)階流生長(zhǎng)方法在不同偏角下斜切碳化硅襯底。臺(tái)階控制外延法的優(yōu)點(diǎn)在于不僅能夠?qū)崿F(xiàn)低溫生長(zhǎng)，而且能夠穩(wěn)定晶型的控制，但缺陷在于無法阻斷基平面位錯(cuò)和對(duì)襯底材料造成浪費(fèi)。TCS法突破臺(tái)階控制外延法的限制，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)速率大幅提升和質(zhì)量的有效控制，非常有利于SiC厚膜外延生長(zhǎng)。通過外延實(shí)現(xiàn)部分器件結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步提升器件性能。主要是通過開發(fā)SiC外延溝槽填充技術(shù)以實(shí)現(xiàn)器件的導(dǎo)通電阻降低。2021年3月3日，瀚天天成宣布突破碳化硅超結(jié)深槽外延關(guān)鍵制造工藝。價(jià)格趨勢(shì)：外延片原材料占比超50%，隨著襯底價(jià)格降低，外延價(jià)格呈下降走勢(shì)外延片的成本結(jié)構(gòu)，原材料成本占比是52%，設(shè)備折舊成本是15%，剩下的勞動(dòng)力、潔凈室和研發(fā)成本的占比分別是14%、12%和7%。伴隨襯底價(jià)格降低，未來外延價(jià)格有下降趨勢(shì)。基于SiC襯底，外延環(huán)節(jié)普遍采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）獲得高質(zhì)量外延層，隨后在外延層上進(jìn)行功率器件的制造。伴隨SiC襯底價(jià)格的降低，預(yù)計(jì)未來外延價(jià)格也將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，據(jù)CASA，2020年SiC外延片價(jià)格約為128元/平方厘米，預(yù)計(jì)到2025年，價(jià)格將會(huì)出現(xiàn)明顯下降，至2045年SiC外延片價(jià)格將降至71元/平方厘米。碳化硅器件：性能優(yōu)勢(shì)突顯，國(guó)內(nèi)外企業(yè)群雄并起適用范圍：SiC器件主要應(yīng)用于高壓、大功率領(lǐng)域依據(jù)功率、頻率兩個(gè)維度，我們對(duì)主流功率器件的物理特性和適用場(chǎng)合進(jìn)行了梳理：Si-IGBT在高壓領(lǐng)域有優(yōu)勢(shì)但無法勝任高頻領(lǐng)域的要求；Si-MOSFET能勝任高頻領(lǐng)域但對(duì)電壓有所限制，SiC-MOSFET完美得解決了高壓和高頻在硅基上難以兼得的問題，在兼容高壓中頻的基礎(chǔ)上SiC-MOSFET并憑借其高效率、小體積的特性成為電動(dòng)汽車、充電樁、光伏逆變等領(lǐng)域的最佳解決方案。性能優(yōu)勢(shì)：SiC在效率、損耗、尺寸、頻率、體積上都更有優(yōu)勢(shì)SiC相比Si更耐高壓且小型化使功率密度更高。現(xiàn)有的功率器件大多基于硅半導(dǎo)體材料，由于硅材料物理性能的限制，器件的能效和性能已逐漸接近極限，難以滿足迅速增長(zhǎng)和變化的電能應(yīng)用新需求。碳化硅功率器件有著耐高壓、耐高溫、低損耗等優(yōu)異的性能，能夠有效滿足電力電子系統(tǒng)的高效率、小型化和輕量化要求。相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET與硅基MOSFET相比，導(dǎo)通電阻可至少降低至原來的1/100。開關(guān)損耗減少7倍、尺寸減小5倍、開關(guān)頻率提升5-10倍、總損耗減少一半、冷卻系統(tǒng)體積和重量都減少80%。市場(chǎng)規(guī)模及格局：2030年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模有望突破500億元2020-2025年全球碳化硅市場(chǎng)CAGR達(dá)34%。根據(jù)中國(guó)寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)，2020年全球碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模僅為35億元，預(yù)計(jì)到2025年將增至150億元，2020-2025年CAGR達(dá)34%，預(yù)計(jì)到2030年將增至500億元，2020-2030年CAGR達(dá)30%。SiC功率市場(chǎng)集中度高，CR3為69%。根據(jù)頭豹研究院數(shù)據(jù)顯示，2020年全球SiC功率器件市場(chǎng)中，意法半導(dǎo)體以40%的份額占據(jù)第一，其次是Wolfspeed、羅姆，市場(chǎng)份額分別為15%，14%，英飛凌市場(chǎng)份額為9%，安森美為9%。應(yīng)用領(lǐng)域：新能源車占據(jù)主要市場(chǎng)，800V充電帶動(dòng)行業(yè)快速增長(zhǎng)新能源汽車占比迅速上升，將占半壁江山。根據(jù)TrendForce數(shù)據(jù)顯示，SiC功率應(yīng)用市場(chǎng)中，新能源汽車領(lǐng)域由2020年的44%上升至2025年的62%，2025年光伏、儲(chǔ)能領(lǐng)域占比由2020年22%縮小至12%。充電樁、電源PFC、UPS、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及軌道交通等領(lǐng)域2025年占比分別為9%、6%、3%、3%及4%。特斯拉及800V高壓充電帶動(dòng)行業(yè)實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。根據(jù)Yole，隨著2018年特斯拉將SiC應(yīng)用于主驅(qū)逆變器以及2021年800V充電的應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)碳化硅行業(yè)的關(guān)注實(shí)現(xiàn)了快速提升，行業(yè)景氣度持續(xù)高漲。價(jià)格趨勢(shì)：伴隨襯底成本逐步優(yōu)化，器件價(jià)格將有所下降性價(jià)比拐點(diǎn)即將到來，產(chǎn)業(yè)處于爆發(fā)前夜。650V的SiCS