碳化硅行业分析报告新能源东风已至，碳化硅御风而起

　　（报告出品方作者：东方证券，蒯剑，李庭旭）1、碳化硅性能优势突出
　　主流半导体采用硅材料，射频、功率、光通信等特殊应用对半导体材料提出特殊需求。SiC是制作高温高频、大功率高压器件的理想材料之一，是由硅元素和碳元素组合而成的一种化合物半导体材料。
　　1。1、SiC性能优势显著
　　同半导体材料硅（Si）相比，其禁带宽度是硅（Si）的3倍，击穿电压是其810倍，导热率是其35倍，电子饱和漂移速率是其23倍。
　　SiC在耐高压、耐高频、耐高温方面具有独特优势。耐高压方面，SiC阻抗更低，禁带宽度更宽，能承受更大的电流和电压，带来更小尺寸的产品设计和更好效率；耐高频方面，SiC不存在电流拖尾现象，能够提高元件的开关速度，是硅（Si）开关速度的310倍，从而适用于更高频率和更快的开关速度；耐高温方面，SiC拥有非常高的导热率，相较硅（Si）来讲，能在更高的温度下工作。因此，SiC能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求，有望成为未来最被广泛使用的半导体芯片基础材料。SiC主要用于功率或射频器件，适用于600V以上的高压场景，包括光伏、新能源汽车、充电桩、风电、轨道交通等等电力电子领域。其中，新能源汽车领域，功率半导体主要应用于电机控制器、DCDC变换器、车载充电机、压缩机、水泵、油泵，同时还应用于配套充电桩。
　　1。2、SiC衬底价值量最大，6英寸晶片成为主流
　　SiC产业链主要包括上游衬底、中游外延、下游器件制造和模块封装，产业链价值量倒挂，其中衬底制造技术壁垒最高、价值量最大，是未来SiC大规模产业化推进的核心。
　　衬底：最为核心的环节，价值量最高，约为46。根据电阻率的不同，可分为导电型和半绝缘型衬底，分别用于功率和射频器件领域。高纯硅粉和高纯碳粉采用物理气相传输法（PVT）生长SiC晶锭，之后经过滚磨、切割、研磨、抛光、清洗等环节最终形成衬底，其中晶体的生长为核心工艺，核心难点在于提升良品率。晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大，长晶技术壁垒高，毛利率可达50左右。外延：价值量占比约23，是指在衬底上面再覆盖一层薄膜以满足器件生产条件。其中导电型SiC衬底用于SiC外延，生产功率器件，应用于电动汽车和新能源领域；半绝缘型SiC衬底用于氮化镓外延，生产射频器件，应用于5G通信等领域。
　　器件制造及模块封装：价值量占比约20，产品包括SiC二极管、SiCMOSFET、全SiC模块、SiC混合模块。应用：依据电阻率区分，导电型SiC器件主要用于电动汽车、光伏、轨道交通、充电桩等领域；半绝缘SiC器件主要用于5G通信、数据传输、航空航天、国防军工等领域。
　　半绝缘型SiC衬底市场增长迅速，6英寸晶片成为发展趋势。受益于5G基建加快布局和全球地缘政治动荡，半绝缘型SiC衬底市场增长空间巨大。根据Yole数据，2020年全球半绝缘型SiC衬底市场规模为1。8亿美元，较2019年同比增长18。此外，根据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟数据，2020年全球4英寸半绝缘型SiC晶片的市场需求约4万片，6英寸约5万片，两者需求占比不相上下；预计到2025年，4英寸市场需求将减少至2万片，6英寸成为发展趋势。
　　导电型SiC衬底市场发展前景良好，6英寸衬底占据绝大部分市场份额。受下游民用领域的持续景气，如新能源汽车与光伏，导电型SiC衬底市场规模不断扩容。根据Yole数据，2018年，全球导电型SiC衬底市场规模为1。7亿美元，2020年增长至2。8亿美元，复合增长率为26。根据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟数据，全球6英寸导电型衬底需求从2020年的超8万片增长至2025年的20万片，而4英寸产品将逐步退出市场。
　　SiC主流大厂正陆续推出8英寸晶圆片。当前，全球市场上6英寸SiC衬底已实现商业化，主流大厂也陆续开始推出8英寸样品。SiC晶圆尺寸的扩大不仅可以降低生产成本，而且有利于保持晶圆几何形状，减少边缘翘曲，提升晶圆生产的良率。2019年Cree完成了首批8英寸SiC晶圆样品的制样，意法半导体在2021年7月宣布了制造出首批8英寸SiC晶圆片。预计2023年开始，各大厂商将逐渐量产8英寸衬底，并继续提高外延和器件方面产能及良品率。随着6英寸衬底、外延晶片质量提高，8英寸产线实现规模化生产，SiC器件和模块逐渐普及为电动汽车主流配置，规模效应增大，成本可得到有效降低。
　　1。3、SiC价格呈下降趋势，渗透率有望随之提升
　　目前，SiC衬底成本高制作难、长晶速度慢、损失率高导致了器件的高成本，影响了SiC器件的渗透率。根据我国第三代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）数据显示，SiC功率器件最主要的原材料成本SiC衬底、外延片的价格近年来持续下降，原因有：第一，伴随大直径衬底占比不断提高，衬底单位面积生长成本下降；第二，单晶的平均可用厚度仍会持续增加，这将不断降低单位面积衬底成本；第三，衬底质量和晶片供货量的提高，以及外延晶片成品率的提高，推动SiC器件成本逐步降低。未来SiC各环节成本有望持续下降，并迎来对于下游产业的加速渗透。2、欧美厂商高度垄断，国内厂商潜力巨大
　　Wolfspeed垄断SiC器件与外延片市场，欧美企业主导SiC器件市场。从衬底到器件环节，目前以Wolfspeed、ST及罗姆等海外头部企业占据产业链主要份额。其中，因布局较早，良率与产能规模全球领先，在SiC衬底及外延片市场Wolfspeed一家独大。下游器件领域，欧美日企业领先，整体市占率达到95，意法半导体作为特斯拉SiC功率器件的第一梯队供应商，市场占有率排名第一，达到41。
　　国际主流厂商大幅扩产，释放抢占SiC市场信号。国际企业大力完善第三代半导体产业布局，计划大幅扩产来强化竞争优势，以抢夺日渐增长的市场份额。安森美表示22年要将SiC产能扩充4倍；意法半导体计划到2024年将SiC晶圆产能提高到2017年的10倍，SiC营收将达到10亿美元。在国际大厂加速扩产的背景下，SiC产业格局逐渐迎来空前重构和变化。
　　国内厂商加速布局，发展空间巨大。国内企业也在积极研发和探索SiC器件的产业化，已经形成相对完整的SiC产业链体系，部分产业节点已有所突破。SiC衬底方面，天岳先进在半绝缘SiC衬底的市场占有率连续三年保持全球前三；天科合达在国内率先成功研制6英寸SiC衬底，并已实现26英寸SiC晶片的规模化生产和器件销售。SiC外延片方面，厦门瀚天天成与东莞天域可生产26英寸SiC外延片。SiC器件方面，国内厂商主要有泰科天润、瀚薪、扬杰科技、中电55所、中电13所、科能芯、中车时代电气等。模组领域，目前SiC市场斯达半导、河南森源、常州武进科华、中车时代电气处于起步阶段。中国厂商在围绕SiC衬底生产上正在缩短与国外差距，未来若能在6英寸和8英寸的SiC晶圆良率和成本上进一步实现突破是竞争的关键。3、新能源革命来临，SiC器件迎风而起
　　全球SiC器件市场发展迅猛，2025年有望增长至26亿美元。受益于5G通信、国防军工、新能源汽车和新能源光伏等领域的发展，SiC器件市场规模增速可观。Yole数据显示，2019年全球SiC功率器件市场规模为5。4亿美元，预计2025年将增长至25。6亿美元，CAGR约30。整体电动车相关领域（主逆变器OBCDCDC转换器）SiC市场规模有望在25年达到15。5亿美元，1925年CAGR为38；而电动车充电基础设施领域SiC增长最快，1925年CAGR为90。
　　3。1、新能源车是SiC器件的核心驱动力
　　全球新能源汽车终端需求火热，车用SiC晶圆需求攀升。根据EVTank数据显示，全球新能源汽车2025年销量将达到1800万辆，1925年CAGR为42。随着新能源车渗透率不断升高，以及整车架构朝800V高压方向迈进，SiC器件在车载逆变器等领域有望迎来规模化发展。据TrendForce数据显示，预估2025年全球电动车市场对6英寸SiC晶圆需求可达169万片，2125年CAGR为94。
　　国内新能源车市场规模快速增长，SiC功率器件有望进一步突破。IDC预计，2022年中国新能源车市场规模将达到523万辆，同比增长47。2。2025年新能源车市场规模有望达到约1，299万辆，20212025年复合增长率约为38。根据DIGITIMESResearch预测，2025年电动汽车用SiC功率半导体将占整车用功率半导体的37以上，高于2021年的25。国内新能源车市场具备领先优势，随着渗透率的进一步提升以及汽车电子化程度的持续推进，国内车用SiC器件规模有望快速突破。
　　多维度优势赋能车用SiC器件。SiC功率器件在新能源汽车中展现出独特优势，其应用场景包括：电机驱动系统逆变器、电源转换系统（车载DCDC）、车载充电系统（OBC）及非车载充电桩等。从材料来看，SiC相对于硅材料拥有更高的击穿场强、更高的热导率以及更高的电子饱和漂移速度；从电路损耗来看，在同等条件下，SiC功率器件能大幅减小电路开关的能量损耗（下降85）；从设备空间来看，采用SiC功率器件的DCDC转换器、车载充电机以及电机控制器分别能加减小设备20、40、64的系统空间；从电池转化效率来看，集成了SiC器件的模块能帮助系统提升6的电力转换效率。
　　众多新能源汽车厂商竞相布局SiC器件。2018年，特斯拉的Model3首次采用意法半导体和英飞凌的SiC逆变器取代了SiIGBT，逆变器效率提升了58。2020年，比亚迪将自主研发制造的SiCMOSFET功率器件搭载在汉EV四驱高性能版上，实现了200KW的输出功率，功率密度提升一倍。预计到2023年，比亚迪将实现SiC基车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代，将整车性能在现有基础上再提升10。目前，已有多家厂商推出了面向HEVEV等电动汽车充电器的SiC功率器件。未来随着SiC器件在车载充电器、DCDC转换以及充电桩中渗透率提升，市场空间有望快速扩大。
　　新能源车高电压平台大势所趋，SiC器件彰显优势。近年来各车企纷纷通过提升功率来缓解新能源汽车的续驶焦虑和充电焦虑，而功率的增加一般有两种路径，即提高电流或电压。然而，大电流可能会导致较大的核心部件热损耗，因此高电压电气平台成为了首选。高电压平台要求电驱动系统的耐压性也要随之提升，而硅基器件无法承载电压的大幅升高，故SiC应用将逐步替代硅基IGBT成为关键。相比之IGBT，SiC体积小、功率密度高、耐高压和高温能力强，可助力新能源车实现更长的续航里程、更短的充电时间和更强的动力性能。
　　国内外车企纷纷布局800V高压平台，SiC大规模车载应用可期。在相同功率下，800V电压平台较400V电压的电流减半，电池充电热量降低，且低成本、轻量化、EMC干扰的降低，以及效率和续航的提升，让充电补能体验大幅增强。2019年保时捷Taycan推出全球首款800V高电压电气架构，支持350kw大功率快充，15分钟内电量可充到80。近年来比亚迪、奥迪、吉利、小鹏等一众车企也纷纷开始布局800V高电压平台，预计各大车企基于800V高压平台方案将在2022年之后陆续上市，SiC作为800V平台架构的最佳拍档有望大放异彩。
　　800V高压平台需要电源产品配套升级，充电桩等迎来发展良机。当动力电池电压平台升级到800V，当前的OBC、DCDC及充电桩等电源产品都需要从400V等级提升至符合800V电压平台的应用，SiC器件由于其优异的特性也将开始大规模的应用。以充电桩为例，800V高压充电桩在设计架构上区别于400V的重要特点是需要配置SiCMOSFET，以达到更快的充电速度和更好的器件耐压性。22年Wolfspeed宣布参与搭载SiC技术的直流快速充电桩项目，总功率可达350kW，成本可降低2030。国内车企也开始发力，广汽埃安于2021年8月发布480kW超级充电桩，小鹏也宣布22Q4起部署480kW高压超充桩，实现充电5分钟续航200公里。
　　3。2、光伏产业快速发展，SiC应用未来可期
　　全球和国内光伏新增装机量快速增长，成长天花板被打开。根据CPIA预测，乐观情况下，全球光伏年新增装机在2022年将首次突破200GW，达到225GW的水平，到25年全球年新增装机将达到330GW，2025年光伏新增装机的复合增长率达20；2025年我国新增装机规模将达到110GW，相当于2020年底的3。7倍。
　　光伏逆变器出货量高速增长，IGBT作为逆变器心脏作用凸显。光伏逆变器是光伏系统的核心部件，可以将太阳能板产生的可变直流电转换为交流电，并反馈回输电系统或供离网的电网使用。根据IHSMarkit，近年来光伏产业的快速发展带动光伏逆变器市场规模快速提升，2020年全球光伏逆变器的市场规模为136GW，2025年将有望达到401GW，2025年CAGR为24。光伏逆变器成本结构方面，半导体器件和集成电路材料主要为IGBT元器件和IC半导体，其中以IGBT为主的半导体器件在驱动保护、过电流短路保护、过温保护、机械故障保护等方面发挥巨大作用，是逆变器的心脏，约占逆变器成本的12左右。
　　SiC器件可有效提高光伏逆变器性能，有望逐步替代硅基IGBT成为逆变器核心。相比于硅基IGBT，SiCMOS具有更低的导通损耗、更低的开关损耗、无电流拖尾现象、高开关速度等优点，并且可以在高温等恶劣的环境中工作，有利于提高光伏逆变器使用寿命。根据SiC芯观察数据，采用SiC器件可有效提高光伏发电转换效率，光伏逆变器的转换效率可从硅基的96提升至SiCMOSFET的99以上，能量损耗降低50以上，设备循环寿命提升50倍。未来应用于光伏领域的SiC逐渐成熟，伴随渗透率的进一步提升，其有望逐渐替代硅基IGBT在光伏逆变器上的应用。
　　国内光伏逆变器厂商加快布局，为SiC国产化提供历史性机遇。随着中国光伏装机量的增长，中国本土厂商加快技术与产品升级，在全球已占据重要位置。在出货量排名前十的供应商中有六家是中国供应商，其中华为以23的市占率位居榜首，国内逆变器厂商在全球逆变器市场中占据超六成市场份额。未来随着新能源替代传统燃料进程加速，逆变器向高效率、高功率密度、高可靠性等方向发展，SiC器件有望受益于本土供应链优势，迎来发展良机。根据SiC芯观察数据显示，2020年SiC光伏逆变器占比为10，预计2035年占比将达到75，未来空间十分广阔。
　　3。3、SiC器件在轨道交通领域持续渗透
　　在大容量、轻量化和节能化要求下，轨道交通领域采用SiC大势所趋。随着轨道交通硅基功率器件性能逐渐逼近理论极限，SiC功率器件成为重点发展方向，以满足轨道交通系统对高功率密度、低损耗和高可靠性等要求。与传统硅基IGBT牵引逆变器相比，全SiC牵引逆变器能耗能够降低10以上。2014年日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机3300V1500A全SiC功率模块逆变器，开关损耗降低55，体积和重量减少65，电能损耗降低20～36。根据CASA预测，未来30年内，轨道交通应用中90的硅IGBT将被SiC器件或混合器件替代。Yole数据显示，铁路SiC市场将从2019年的900万美元增长到2025年的1。18亿美元，CAGR达到55。
　　国内外厂商纷纷布局轨交系统SiC器件。2015年，日本三菱公司推出了高性能平面栅3。3kVSiCMOSFET器件及全SiC模块产品，并在全世界首次将全SiC模块应用到轨道交通牵引变流系统中。近年来随着新能源产业的蓬勃发展，SiC加快渗透进入轨交领域。日本N700S新干线、西门子Velaro列车等也大面积采用了SiC牵引系统，截至2021年6月，国内也已经有苏州三号线、深圳地铁1号线等6条地铁线路采用了SiC技术。目前中国的时代电气、天岳先进，日本的东芝、三菱、日立，以及欧美的Wolfspeed、英飞凌，都已在发力轨道交通SiC产业链。我国高铁建设目前已拥有世界领先水平，中国巨大的应用需求是国产SiC的沃土，国内厂商有望借助庞大市场确立先发优势。
　　4、重点企业分析
　　4。1、三安光电：LED龙头，大力发展化合物半导体业务
　　三安光电主要从事化合物半导体材料与器件的研发、生产及销售，以氮化镓、砷化镓、SiC、磷化铟、氮化铝、蓝宝石等化合物半导体新材料所涉及的外延片、芯片为核心主业。公司产品应用广泛，包括照明、显示、背光、农业、医疗、微波射频、激光通讯、功率器件、光通讯、感应传感等领域。2018年公司斥资333亿元建设福建泉州南安高新技术产业园区，投资IIIV族化合物半导体材料、LED外延、芯片、微波集成电路、光通讯、射频滤波器、电力电子、SiC材料及器件、特种封装等产业。三安光电已实现在半导体化合物高端领域的全产业链布局。
　　三安光电在SiC下游市场已取得多点突破，并已实现对各细分应用市场标杆客户的稳定供货。1）SiC二极管：在2021年新开拓送样客户超过500家，出货客户超过200家，超过60种产品已进入量产阶段。并借助在欧美日韩等国家和地区的技术和销售布局，与国际标杆客户实现战略合作。a）已进入国内前20大客户：已进入PFC电源领域（维谛、比特、长城等）和光伏逆变器领域（阳光电源、古瑞瓦特、固德威、科士达等）等客户的供应链。b）已实稳定供货：已对车载充电机领域（威迈斯、比亚迪弗迪动力等）、家电领域（格力、长虹等）、充电桩及UPS领域（英飞源、科华、英威腾、嘉盛等）各细分应用市场标杆客户稳定供货。
　　2）SiCMOSFET工业级产品：已送样客户验证。3）SiCMOSFET车规级产品：正配合多家车企做流片设计及测试，与新能源汽车重点客户的合作已经取得重大突破。车和家（理想关联公司）与三安成立合资公司，车和家持有合资公司70股权，三安持有30股权。
　　三安光电正致力于打造SiCIDM一体化平台，湖南项目陆续投产后将持续带动营收高增长。三安光电2021年报披露，集成电路新建项目规划产能主要在三安集成、泉州三安、湖南三安，电力电子SiC配套产能扩充到3万片月。其中，湖南三安项目包括长晶衬底制作外延生长芯片制备封装产业链，总占地面积约1，000亩，总建筑面积超50万平米，项目达产后，配套产能约36万片年。
　　4。2、中微公司：正开发SiC专用MOCVD设备
　　中微公司主要从事高端半导体设备及泛半导体设备的研发、生产和销售。公司基于在半导体设备制造产业多年积累的专业技术，涉足半导体集成电路制造、先进封装、LED外延片生产、功率器件、MEMS制造以及其他微观工艺的高端设备领域。1）等离子体刻蚀设备：已应用于国际一线客户从65纳米到14纳米、7纳米和5纳米及更先进的集成电路加工制造生产线及先进封装生产线。2）MOCVD设备：在行业领先客户的生产线上大规模投入量产，公司已成为世界排名前列的氮化镓基LED设备制造商。截至2022年6月底，公司设备累计付运台数达2654个反应台，在客户73条生产线全面量产。
　　中微公司积极布局SiC材料功率器件外延生长设备和技术研发，牵头人具有25年以上相关经验。根据公司公告，公司将总投资37。56亿元用于中微临港总部和研发中心项目，其中部分资金用于公司7类新产品的研发项，其中一种就是宽禁带功率器件外延生长设备，主要包括SiC材料功率器件的外延生长设备和技术的研发。该项目牵头人具有25年以上化合物半导体材料外延工艺开发、设备研发及营运的经验。目前项目处于研究阶段，已拥有10余项专利技术储备，预计将持续至2025年底。
　　4。3、天岳先进：国内领先的SiC衬底企业
　　天岳先进主要从事SiC衬底的研发、生产和销售，产品可广泛应用于微波电子、电力电子等领域。凭借卓越的研发及创新能力，天岳先进已成为全球为数不多的掌握半绝缘型和导电型SiC衬底、产品尺寸较全的SiC衬底生产商。1）半绝缘型：在发达国家对我国实行技术封锁和产品禁运的背景下，公司自主研发出半绝缘型SiC衬底产品，实现了我国核心战略材料的自主可控。2）导电型：公司已成功掌握导电型SiC衬底材料制备的技术和产业化能力。在优先保障半绝缘型SiC衬底材料战略供应之余，进行导电型SiC衬底材料的研发和小批量销售，目前正在电力电子领域客户中进行验证。
　　天岳先进半绝缘型产品已实现对国内下游核心客户的批量供货，并获得国外知名半导体公司认可。公司通过持续的技术研究和产品开发，于2015年实现了4英寸半绝缘型SiC衬底的量产能力。2018年，公司通过下游行业主要的领先客户A的验证并开始批量供货。随后，公司又获得下游行业主要客户B的认证，并获得大批量订单，国内市场份额进一步提升。根据yole报告统计，2021年公司在半绝缘SiC衬底领域，市场占有率连续三年保持全球前三。
　　天岳先进导电型SiC衬底部分送样已陆续通过客户验证，正加快提升导电型衬底产能建设。2022年7月，公司与某客户签署重大合同，23年至25年向合同对方销售6英寸导电型SiC衬底产品（用于功率），预计三年合计含税销售金额为13。9亿元。此外，2021年公司募投资金25亿元用于SiC半导体材料项目。该项目主要用于生产6英寸导电型SiC衬底材料，预计2022Q3实现一期项目投产，于2026年达产后，将新增SiC衬底材料产能约30万片年，将用于满足下游电动汽车、新能源并网、智能电网、储能、开关电源等SiC电力电子器件应用领域的广泛需求。未来，产能的逐步投产将有助于天岳先进市场占有率的进一步提高。
　　4。4、闻泰科技：安世半导体SiC二极管产品已经出样
　　闻泰科技主营业务包括半导体IDM、光学影像、通讯产品集成三大业务板块。目前已经形成从半导体芯片设计、晶圆制造、封装测试、半导体设备，到光学影像、通讯终端、笔记本电脑、IoT、服务器、汽车电子产品研发制造于一体的全产业链布局。旗下安世半导体是全球知名的半导体IDM公司，是原飞利浦半导体标准产品事业部，有60多年半导体研发和制造经验，客户超过2。5万个，产品种类超过1。5万种，每年新增800多种新产品，全部为车规级产品。
　　安世半导体SiC技术研发进展顺利，SiC二极管产品已经出样。2021年，闻泰科技半导体业务研发投入8。37亿元，进一步加强了在中高压MOSFET、化合物半导体SiC和GaN产品、IGBT以及模拟类产品的研发投入。在化合物半导体产品方面，闻泰目前已推出硅基氮化镓功率器件（GaNFET），已通过AECQ认证测试并实现量产，并协同产业合作伙伴完成了GaN在电动车逆变器、电控、电源等方案的设计工作。SiC技术研发也进展顺利，SiC二极管产品已经出样IGBT产品方面，目前产品流片已经完成，正处测试验证阶段。新的模拟IC类产品也正处在加速研发推进中。
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　　精选报告来源：【未来智库】系统发生错误