2023年碳化硅行业分析 突破性第三代半导体材料

核心观点：

SiC 是突破性第三代半导体材料：与前两代半导体材料相比，以 SiC 制成的器件拥有良好的耐热 性、耐压性和极低的导通能量损耗，是制造高压功率器件与高功率射频器件的理想材料。SiC 下 游应用包括新能源、光伏、储能、通信等领域。据 Yole 预计，全球 SiC 功率半导体市场规模将 从2021年的11亿美元增长至2027年的63亿美元，CAGR 超过34%。

下游需求旺盛，产品渗透率稳步提升：新能源汽车是 SiC 器件最大的下游应用市场。SiC 器件能 在缩减体积的情况下提高能量密度和工作稳定性，并支持高平台电压，有助于解决新能源车“里 程焦虑”问题。据 Yole 预计，SiC 新能源领域应用市场将以40%的 CAGR 从2021年的6.9亿美元 增长至2027年的50亿美元。SiC 功率器件的市场渗透率将有望在2024年突破10%,行业前景广阔且 确定性强。

寡头垄断市场，产品供不应求：SiC 产业链可分为上游衬底材料、中游外延生长、器件制造以及 下游应用市场。虽然我国为全球最大的新能源汽车市场，但 SiC 器件生产制造能力距国际领先水 平仍有较大差距。SiC 上中游产业链多被美、日、欧等国企业垄断，外加近年来各国政府提高对 新一代芯片研发制造的政策支持，使海外头部公司迅速扩张产能，快速占领市场。尽管近年来我 国 SiC 企业发展迅速，但在关键技术节点上还有待突破，产品良率与性能均弱于海外竞品，短期 内国产替代难度大。

第三代半导体介绍

什么是碳化硅

碳化硅（Silicone Carbide, SiC）是第三代半导体材料。与前两代半导体材料相比，SiC 有着良 好的耐热性、导热性和耐高压性。由 SiC 制成的器件，具有高效率、开关速度快等性能优势，能 大幅降低产品能耗、提升能量转换效率并缩小产品体积，是制造高压功率器件的理想材料。 目前 SiC 器件被广泛运用于新能源汽车、充电桩、智能电网、光伏逆变器和风力发电等领域。

技术特性与应用领域

由于 SiC 的击穿电场强度是第一代硅片的10+倍，因此，使用 SiC 器件可以显著地提高产品最大 工作压强、工作频率和电流密度，同时大大减少导通能量损耗。 SiC 的禁带宽度是硅片的3+倍，保证了 SiC 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。 SiC 的饱和电子漂移速率是硅片的2+倍，因此 SiC 器件能实现更高的工作频率和功率密度。

开关/恢复损耗低：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 Si FRDs 和 Si 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，在任何工作环境都可实现快速稳 定的反向恢复，大大减少能量损耗。

高压稳定性 & 热稳定性：一般来说 Si MOSFETs 的正常工作电压可以达到 900v。而由 SiC 制成 的器件，最大工作电压能轻松超过1700v，且能保持极低的漂移层电阻，减少能量损耗。同时，Si MOSFETs 在温度升高至150 °C时，漂移层电阻将会提高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Si MOSFETs。高能量密度 & 设备小型化能力：SiC 器件的设备小型化能力主要体现在几个方面：1）SiC 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； 2）SiC 优良的散热性与热稳定性对芯片散热系统的要求更低。 SiC 的饱和电子漂移速率更大，在实现高工作频率的同时提高了功率密度，减少了变压器、电感 器等外围组件的体积，降低整体器件成本并缩减了器件大小。

下游市场规模

第三代半导体市场规模

全球 SiC 功率半导体市场规模有望于2027年突破60亿美元：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将超过34%。从应用领域看，未来新 能源汽车领域的应用将会主导 SiC 市场。至2027年，SiC 新能源车应用市场份额将占全球 SiC 市场的79%。虽然 Si 仍是主流半导体材料，但第三代半导体渗透率仍将逐年攀升：据 Yole 预测，Si 材料器 件未来仍将占据半导体市场的主导地位，预计未来市场渗透率仍超过80%。第三代半导体材料渗透 率将会逐年攀升，整体渗透率预计于2024年超过10%，其中 SiC 的市场渗透率有望接近10%，而 GaN 渗透率将达到3%。

新能源车将成为SiC最大市场

SiC 功率器件降低新能源车电力损耗：SiC 在新能源车中主要应用在牵引逆变器、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 电桩大概需要150多颗 SiC 器件。 SiC 渗透率提升四大驱动力：1）各国“碳达峰、碳中和”目标 ；2）新能源车里程与功率的提升 ；3）车载电池的小型化；4）SiC 器件价格持续下降.搭载 SiC 器件能使新能源车辆损耗将降低50%以上、充电速度可提升2倍、功率密度提升50%以上 ，同时器件体积能减小50%。

光伏发电驱动SiC器件需求提升

传统 Si 器件是光伏系统能量损耗主要来源之一：在光伏发电中，传统 Si 逆变器成本约占10%， 但却是系统能量损耗的主要来源之一。使用 SiC 器件的光伏逆变器可以将能量损耗降低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。预计未来第三 代半导体将在光伏发电领域逐步替代传统硅基器件。 据 SolarPower Europe 数据，在中性预期下，全球光伏新增装机量将以 15.6% CAGR 从2021年的 168GW增长至2026年的346GW，而光伏逆变器中 SiC 器件的市场渗透率将在同年提升至50%左右。 第三代芯片的市场占有率将随着装机量与渗透率的提升而持续扩大。

行业竞争格局

产业链价值对比

SiC 产业链中，衬底的价值占比最高：SiC 衬底材料是碳化硅芯片的核心，在一个典型的 SiC MOSFET 中，衬底的制造成本能占到器件总成本的35%以上。而在6英寸 SiC 衬底制造过程中，包 含良率损失的衬底成本占到总成本的70%以上。 SiC 单晶生长缓慢、衬底制造困难、良品率低等因素是 SiC 器件价格高企的主要原因。

全球市场竞争格局

美、日、欧厂商占领全球 SiC 衬底市场的主导地位：得益于先发优势，全球 SiC 衬底市场被美 、日、欧等企业所主导，其中技术领先、市场占有率高的有 Wolfspeed（原 CREE）、II-VI（貳 陆）、SiCrystal（ROHM）等。上述三家公司全球市场占有率总和超过90%，其中 Wolfspeed 一家 独大，衬底占市率超过60%。 SiC 功率器件市场由美欧两国主导: 从 SiC 器件市场上看，STM (意法半导体）与 Infineon （ 英凌飞）占据超过50%的全球 SiC 功率器件市场份额。美企 Wolfspeed 从衬底技术出发，向下游 功率器件市场拓展，2021年 SiC 功率器件市场份额占比达14%。

未来技术发展方向

SiC 衬底围绕提高晶片尺寸、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，提升晶片尺寸大小能有效提高产品良率与生产效率。目前各大衬底制造商已陆续开始 8英寸衬底的研发与量产，未来8英寸衬底将成为市场主流。 SiC 器件则围绕降低生产成本，提升生产效率发展：据 CASA 数据，2021年 1200v SiC SBD 的均 价为 Si 器件的3.7倍，而2020年差额约为4.2倍，同比下降12%。根据调查，SiC 器件实际成交价 低于公开报价。未来，除了各器件厂向上游衬底技术延伸，努力成为全流程服务商外，降低 SiC 器件的 ASP ，提高产品渗透率，也将成为行业主旋律。

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