SiC特点、应用市场规模、产业链、竞争格局与技术发展方向分析

碳化硅（SiC）与氮化镓（GaN）是突破性宽禁带半导体材料（我国分类为第三代半导 体材料）。

与前两代半导体材料相比，由第三代半导体材料制成的器件具有高效率、开 关速度快、能量损耗低等优势，能大幅提升产品的能量转换效率并缩小产品体积，是制 造高压功率器件和高功率射频器件的理想材料。目前第三代半导体材料被广泛用于新能 源车、高压充电桩、智能电网、5G 通信、光伏、风能发电等领域。

与前两代半导体材料相比，以 SiC 为代表的第三代半导体材料拥有以下特点： 1）禁带宽度更高：SiC 的禁带宽度是硅片的约 3 倍，保证了器件在高温条件下的工 作稳定性，减少因高温造成的器件故障现象。理论上一般硅片的极限工作温度 为 300°C，而 SiC 器件的极限工作温度可达 600°C 以上。同时，由于 SiC 的 热导率比硅更高，在相同的输出功率下 SiC 能保持更低的器件温度，因此对散 热设计要求更低，有助于实现设备的小型化。 2）击穿电场强度更大：SiC 的击穿电场强度是硅片的约 10 倍。使用 SiC 器件可以 显著提高产品的最大工作电压、工作频率和电流密度，大大减少导通能量损耗。 3）工作频率更高：SiC 的饱和电子漂移速率是硅片的约 2 倍，因此 SiC 器件能实现 更高的工作频率和功率密度。

4）器件开关能量损耗低：由于 SiC 的宽带隙特性，使得 SiC 器件的导通电阻约 为硅件的 1/200，导通损耗更低。在硅基 FRDs 和硅基 MOSFETs 中，当从正向偏 置切换到反向偏置时，会产生大量的瞬态电流，造成大量的能量损耗 （switching loss）。而 SiC SBDs 和 SiC MOSFETs 是多子载流器件，切换反向 偏置时只会流过少量电流，且不受温度和正向电流大小的影响，可实现快速稳 定的反向恢复，大大减少能量损耗。 5）高压稳定性与热稳定性：一般来说硅基 MOSFETs 的正常工作电压可以达到 900v。 而由 SiC 制成的器件，理论最大工作电压能超过 1700v，且能保持极低的漂移层 电阻，减少能量损耗。另外，硅基 MOSFETs 在温度升高至 150°C 时，漂移层电 阻将会提高约 1 倍，而 SiC MOSFETs 在同等条件下漂移层电阻仍能保持较好的 稳定性，电阻提升幅度远小于硅基 MOSFETs。

6）高能量密度和设备小型化能力：SiC 的高禁带宽度决定了它能承受更高的杂质 浓度并降低漂移层膜厚，缩小芯片体积。同时由于 SiC 优良的散热性、热稳定 性和高频工作能力，使得芯片对散热系统的要求更低，并减少了变压器、电感 器等外围组件的体积，降低整体成本同时缩减了器件大小。

全球 SiC 功率半导体市场规模有望于 2027 年突破 60 亿美元：根据 Yole 预测，全球 SiC 功率半导体市场将从 2021 年的 11 亿美元增长至 2027 年的 63 亿美元，CAGR 为 34%。 在渗透率方面，虽然硅基材料仍将是行业主流材料，且未来的几年内市场渗透率仍将超 过 80%，但第三代半导体的渗透率将会随着产品普及率与性价比的提升快速攀升。目前 第三代半导体技术尚处于导入期，预计 2024 年，SiC 产品渗透率将达到约 10%，而 GaN 产品渗透率将达到约 3%。

未来新能源汽车领域的应用将会主导 SiC 市场。由于传统燃油车缺乏 SiC 器件应用场景， 新能源汽车未来仍为 SiC 器件的主要应用领域。据 Yole 预计，全球 SiC 新能源车应用 市场份额将从 2021 年的 64%提升至 2027 年的 79%。我们认为，虽然短期内新能源车出 货量受到宏观环境与经济周期的影响，承压态势明显，但受益于各国对能源安全关注度 的提升和“碳中和，碳达峰”目标的持续推进，行业长期增长逻辑并未改变。自 2018 年以来，全球新能源车出货量呈现爆发式增长 - 从 2018 年的约 79 万辆迅速提升至 2022 年的 320 万辆以上CAGR超过 40%。据 IEA 预计，2030 年全球新能源车出货量有望达到 2,600 万辆。

光伏发电为 SiC 器件另一大应用领域。在光伏发电中，传统硅基逆变器成本约占光伏逆 变器成本的 10%，但却是能量损耗的主要来源之一。而使用 SiC 器件能将逆变器能量损 耗降低约 50%以上，将能量转换效率从 96%提升至 99%，且能提高设备循环寿命 50 倍并 缩小设备体积。据 Yole 预计，SiC 能源应用的市场规模将从 2021 年的 1.5 亿美元增长 至 2027 年的 4.5 亿美元，CAGR 达 20%。据 SolarPower Europe 预计，在中性预期下， 全球光伏新增装机量将以 15.6%的 CAGR 从 2021 年的 168GW 增长至 2026 年的 346GW，而 SiC 器件的渗透率将于同年提升至 50%左右。 虽然从市场规模上看，第三代半导体目前只占全球半导体市场 1-2%，但由于 SiC 器件能 为新能源车与光伏逆变器带来较大性能提升并减小器件体积，能解决下游客户目前面临 的痛点，因此 SiC 市场规模与渗透率有望持续提高。

在新能源车中，SIC 器件主要被应用在牵引逆变器、电源转换系统（DC/DC 转换器）、电 源驱动系统、车载充电系统和非车载充电桩中。据统计，B 级以上新能源车 SiC 器件需 求量约为 66-150 颗之间（Tesla Model S 仅 SiC SBD 使用量已超过 60 颗），而直流充 电桩则需要 150 多颗 SiC 器件。相比于一般硅基器件，搭载 SiC 器件能提升新能源车充 电速度约 2 倍、使能量损耗与器件体积降低 50%以上，并提升 50%的电池功率密度。

在应用端，自 2018 年 Tesla 首次在其 Model 3 中搭载 SiC 器件开始，市场对第三代半 导体器件的关注度逐渐走高，越来越多的新能源车企意识到 SiC 器件能带来较大的性能 提升，并逐渐开始在新能源车中搭载碳化硅器件。近些年来，新能源车企为了解决“里 程焦虑”问题，开始向 800v 高压充电平台技术转换，如长城、吉利、“蔚小理”等车企 普遍于 2020-2021 年宣布开始发售 800v 高压车型。而 SiC 器件对于高压新能源车及高 压充电平台来说，是必不可少的重要器件。未来随着高压新能源车型的逐渐普及，SiC 器件市场规模有望放量增长。

SiC 产业链可分为上游衬底材料、中游外延生长与器件制造和下游应用市场四大部分， 衬底生产环节为产业核心难点。根据使用场景不同，SiC 衬底可分为导电型和半绝缘型。 导电型衬底在 SiC 晶片上生长 SiC 外延（SiC-on-SiC），主要被用来制造功率器件；而 半绝缘衬底在 SiC 晶片上生长 GaN 外延（GaN-on-SiC），主要被用来制造射频器件。

SiC 衬底成本可达器件总成本的 50%以上。SiC 衬底制造难度大，单晶生长缓慢，技术 壁垒较高，是目前 SiC 器件生产的核心环节，亦是产业链难点。SiC 衬底制造需要经过 6 道工序：粉料合成 -> 籽晶稳定 -> 晶体生长 -> 衬底切割 -> 研磨抛光 -> 清洗检 测。衬底生产主要技术难点在于粉料合成、晶体生长和衬底切割环节。SiC 晶体对粉料 纯度要求极高，对杂质控制有着极高的要求，高品质 SiC 衬底粉料纯度需达到 99.9995%以上。同时，SiC 晶体生长需要在 2000°C 以上的晶体生长炉中进行，对温度 要求高，且 SiC 单晶生长缓慢。一般 SiC 单晶的生长速度仅为硅晶的百分之一（7 天生 长约 3-6cm），制造难度大。SiC 晶体也是硬度仅次于金刚石的高硬脆性材料，在晶体切 割环节极易裂片，造成晶片良品率低等问题。而 SiC 衬底制造难度大也导致了 SiC 器件 价格高企，产品渗透率难以快速提升。

Wolfspeed 衬底市场一家独大，以价格优势突围器件市场。目前全球第三代半导体市场 主要由美、欧、日等国企业领导，呈现寡头垄断的竞争格局。市场规模最大的导电型衬 底领域主要由 Wolfspeed、II-VI 和 SiCrystal（ROHM 子公司）所主导，其中 Wolfspeed 市场占比达 62%；而在半绝缘型衬底市场则由 II-VI、Wolfspeed 和国企天岳 先进垄断，三家公司占市率合计超过 90%。SiC 功率器件主要由意法半导体（STM）、 Infineon 和 Wolfspeed 主导，合计占市率超过 70%，其中 STM 占市率达 38%，为全球第 一。 SiC 衬底将围绕提高晶片尺寸、提升良品率、提升衬底附加价值发展。目前全球市场 SiC 衬底以 4-6 英寸为主。由于提升衬底尺寸能大幅减少晶片不良晶粒和边缘晶粒数 量，提升生产效率，未来 8 英寸衬底将成为市场主流。

SiC 器件围绕降低生产成本，提升生产效率发展。据调查，SiC 器件成交价虽低于公开 报价，但仍高于硅基器件售价 4 倍左右，迫使新能源车企只在高端车型上搭载 SiC 器 件。据 CASA 预计，当 SiC 器件 ASP 下降至硅基器件 2 倍左右时，产品性价比将打开中 低端车型市场，市场规模将进一步扩大。未来 SiC 器件行业主旋律将围绕提升产量降低 ASP 发展。