SiC优势、产业化进展及市场需求驱动力是什么？

降本、技术突破在即，国产应用空间广阔。

1.碳化硅器件相比于 Si 器件具有明显的性能优势和系统成本优势

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，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；目前第三代半导体凭借 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。

SiC 高禁带特性，与硅相比具有性能优势。SiC 的禁带宽度为 3eV，是 Si 的 3 倍， 介电击穿强度是 Si 的 10 倍。相较于 Si 材料，SiC 的电子饱和速度高 2 倍，另外 禁带越宽，在高温下的漏电流就越小，效率也越高。SiC 的热导率是 Si 的 3 倍， 导热系数越大，电流密度就越高。

SiC 在高电压、高功率领域具有明显性能优势。目前 SiC 已经实现了 600V、1200V、 1700V 等不同电压等级的商业化应用，而且有望在未来满足 3300V（三菱电机已 经研制成功）和 6500V 级、更高电压等级的需求。随着 SiC 产品向高压大容量 方向发展，SiC 产品的应用领域将持续增长。但在 600V 及以下小容量换流器中， SiC 产品不仅要面对 Si MOSFET 的激烈竞争，还可能受到 GaN 器件的挑战。

从性能的角度分析，SiC MOSFET 相比 Si IGBT 具有明显优势：（1）受结构限 制，IGBT 的内部没有寄生二极管，电感突然断电释放的电容易烧坏回路中的 IGBT；（2）SiC MOSFET 在 600V 以上具有较强优势，相较于传统的 Si-IGBT 体积缩小了 50%，效率提升了 2%，器件的使用寿命得到延长，并且在相同功率下损耗小，散热需求低，在电流密度、工作频率、可靠性、漏电流等性能指标方 面优势明显。

从成本的角度分析，相同性能的 SiC MOSFET 相比 Si IGBT 同样具有优势：根据 《Control and Topologies of Grid Connected Converters》的研究，对 690V 电 网中基于 Si 和 SiC 的两种工业转换器进行了设计比较，发现在给定的设计要求 下，与基于硅的设计相比，基于 SiC 的设计可以显著减轻重量并降低 11%的系统 成本，提高整体效率。

2.成本下降推动 SiC 产业化

SiC 产业链主要包括衬底、外延、器件制造、应用等环节。碳化硅器件不可直接 制作于衬底上，需先使用化学气相沉积法在衬底表面生成所需薄膜材料，即形成 外延片，再进一步制成器件。

SiC 市场高度集中。在 SiC 晶圆市场中，海外 Wolfspeed 和 Coherent 占据了 70% 以上的市场份额；碳化硅器件市场中，CR3 的市场份额 69%。我们认为，未来国 产替代空间较大。

国际龙头持续加大衬底产能的扩张。Wolfspeed、罗姆、II-VI（现更名 Coherent） 等巨头都有 5 倍以上的产能扩建规划。罗姆计划从 2019 到 2025 年扩产 6 倍。 II-VI 则在 2020 年提出计划，5 年内产能将扩大 5-10 倍。Wolfspeed 在 2019 年 推出了 5 年实现 30 倍扩产计划。

成本是 SiC 技术产业化的核心变量，SiC 衬底是高成本的主要原因。目前 SiC 大 规模应用的阻碍仍在于 SiC 成本较高。截至 2021 年 9 月，100 安培分立式 SiC MOSFET（650V 和 1200V）的零售价几乎是同等额定 Si IGBT 的 3 倍，尽管 SiC 器件芯片减小了 3-4 倍。造成这种成本差异最大的原因是 SiC 衬底，与硅相比， 其他成本也会导致碳化硅的价格较高，但与衬底成本相比影响较小。

长晶速率和综合良率是衬底重要的降本因子。长晶环节是衬底制造过程中壁垒最 高的环节，直接材料中占比最大的耗材用于长晶环节，提高长晶良率和效率有助 于降低成本。根据 CEMAC 测算，提高 30%的长晶速度，并降低 50%的切割损 耗，可以降低 70%的衬底。

技术升级驱动衬底成本降低。英飞凌在 2018 年收购了 SiC 晶圆切割领域的新锐 公司 Siltectra，其冷切割（Cold Split）使得原材料损耗从传统 50%减至 20%， 每片晶圆的成本可以降低 35%。碳化硅单晶生长方法有物理气相传输法（PVT 法）、高温化学气相沉积法（HTCVD 法）和液相法（LPE 法）等。目前 PVT 方 法是 SiC 单晶生长的主流技术，但该方法生长速度慢，扩晶难度较大。2023 年 6 月，天岳先进携 8 英寸碳化硅衬底最新技术动态亮相 Semicon China，采用液 相法制备出了低缺陷的 8 英寸晶体。

根据 Yole，2023 年 6 寸导电型衬底片的市场零售价 771 美元/片，预计未来会按 照 5%的速度下降，进一步推动 SiC 器件的渗透率提升。

晶圆尺寸增加有助于推动 SiC 芯片成本，目前全球 SiC 龙头衬底尺寸正在向 8 英 寸发展。当前 SiC 主流为 6 英寸，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。

沟槽型碳化硅 MOSFET 在成本和性能上都具有较强优势。碳化硅 MOSFET 主要 分为平面结构和沟槽结构。目前 ROHM Gen3 结构（Gen1 Trench 结构）的芯片 面积相当于是 Gen2（Plannar2）的 75%，同一芯片尺寸的导通电阻可降低 50%， 还可以降低成本。

未来 8 英寸衬底 SiC 成本有望继续下降。根据 PGC Consultancy SiC 成本预测模 型结果，随着 8 英寸衬底成本的加速下降和缺陷减少，到 2023 年使用 8 英寸衬 底的 SiC 芯片成本会低于 6 英寸衬底，并且未来持续降低。

垂直整合模式可提高利润率。根据 McKinsey&Company 研究，SiC 晶圆和器件 制造的垂直整合可以提高良率 5 至 10 个百分点，利润率提高 10 至 15 个百分 点。

3. 新能源汽车是 SiC 器件市场需求最重要驱动力

新能源汽车的高速发展为第三代半导体功率器件带来广阔应用空间。根据麦肯锡 研究结果，预计到 2024 年或 2025 年，电动汽车的总体拥有成（TCO）将在许 多国家达到与内燃机汽车（ICE）持平的水平，2030 年电动汽车在全球轻型汽车 市场中的份额将增长 3.5 倍达到 67%。目前 SiC 器件市场价值约为 20 亿美元， 预计到 2030 年将达到 110 亿至 140 亿美元，复合年增长率预计为 26%，预计 70%的 SiC 需求将来自电动汽车，国内是电动汽车预期需求最高的国家，预计将 占电动汽车生产中碳化硅总需求的 40%左右。

SiC 器件新能源汽车应用中具有更大优势。IGBT 是双极型器件，在关断时存在 拖尾电流，因此关断损耗大。MOSFET 是单极器件，不存在拖尾电流，SiC MOSFET 的导通电阻、开关损耗大幅降低，整个功率器件具有高温、高效和高频 特性，能够提高能源转换效率。

SiC 器件在新能源车中有四大应用，其中逆变器部分价值量最高。SiC 器件在新 能源汽车上有快充系统、车载系统、动力系统和交流/直流转换器四大作用。SiC IGBT 具有导通压降小、开关速度快的优势，大量应用于新能源汽车的 OBC、 DC/DC 和电机控制器中。目前，电动车逆变器的碳化硅器件价值量占到 90%。

碳化硅在新能源车的渗透率和价值量持续提升。根据 Wolfspeed 预测，2027 年 碳化硅在纯电动车中的渗透率将达到 60%以上，电动车中碳化硅器件的价值量将 以 33%的年复合增长率增长，2027 年达到 4986 美金。

电机驱动：SiC 行业龙头 Wolfspeed 预测 SiC 逆变器能够提升 5-10%的续航， 节省 400-800 美元的电池成本（80kWh 电池、102 美元/kWh），与新增 200 美 元的 SiC 器件成本抵消后，能够实现至少 200 美元的单车成本下降。

碳化硅主驱逆变器持续渗透。目前几乎所有的汽车制造商都在开发基于碳化硅的 主驱逆变器，2022 年开始碳化硅在高端电动车的渗透率将加速提升。

电源转换：车载 DC/DC 变换器的功能是将动力电池提供的高压直流电转换为适 合不同系统的低压直流电，从而为动力驱动、HVAC、车窗升降、内外照明、信 息娱乐和一些传感器等提供不同的电压。采用 SiC 器件可以有效降低功率转换的 损耗，并缩小散热部件的尺寸，从而实现变压器的小型化。 充电模块：采用 SiC MOSFET，能够显著提升车载/非车载充电机功率密度、减 少开关损耗，改善热管理。根据 Wolfspeed，汽车电池充电机采用 SiC MOSFET 在系统层面的 BOM 成本将降低 15%。