第三代半导体行业研究：碳化硅与新能源景气度共振_加速行业渗透.docx

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1、第三代半导体行业研究：碳化硅与新能源景气度共振_加速行业渗透1.碳化硅材料特性带来器件性能优势，直击新能源行业的发展痛点1.1. 宽禁带的第三代半导体材料在高压高频应用领域具备极 佳性能优势碳化硅半导体材料具有耐高压、耐高温、低损耗等优良性质。相比于传 统单晶硅，碳化硅的击穿电压约为硅基材料的 10 倍（更高的击穿电压 有利于器件承受高压）。此外，碳化硅具备热导率是硅材料的 2-3 倍，使 得碳化硅散热更加迅速，有助于提高器件功率密度，在相同电流下，设 备尺寸可以做得更小。同时，碳化硅材料具有相比于硅约 2 倍的饱和电 子漂移速率、3 倍的禁带宽度，使得碳化硅导通电阻率更低、功率损耗 更小。另

2、外，碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，可以大幅 提高实际应用的开关频率，降低开关损耗。碳化硅功率器件因材料特性具有明显的性能和尺寸优势。相同规格的碳 化硅基MOSFET 与硅基 MOSFET 相比，其尺寸可大幅减小至原来的1/10， 导通电阻可至少降低至原来的 1/100。相同规格的碳化硅基 MOSFET 较 硅基 IGBT 的总能量损耗可大大降低 70%。碳化硅功率器件的性能优势直击新能源行业的发展痛点。碳化硅功率器 件的耐高压、耐高温、低损耗、体积小等性能优势可满足新能源行业的 发展需求。新能源行业包括电动汽车、光伏、风电、特高压输电、储能 等细分领域普遍的发展痛点为开关损耗、导通

3、损耗、热管理、充电速度 等，碳化硅功率器件的性能优势直击新能源行业的发展痛点，迎来下游 应用需求推动上游供给发展的高速发展阶段。碳化硅产品价格具备大幅下降空间，渗透率预计随着产能释放以及价格 下降而大幅提升。据 CASA 数据，在 2018 年到 2020 年，650V 的 SiC MOSFET 与 Si IGBT 产品价格比从超过 10:1 下降至约 4:1。价格比下降 一方面由于 SiC 衬底价格大幅下降导致器件价格下降，另一方面由于 Si IGBT 产能紧张代工费上涨导致 Si 基器件价格上升。目前，SiC 逆变器 模块是硅基逆变器价格的 2-3 倍，而应用碳化硅逆变器模块后，电动车 系

4、统成本更低，可节省电池成本与热管理成本等。整体而言，碳化硅产 品随着良率提升以及规模效应，成本仍具备大幅下降的空间，渗透率将 随着产能释放以及价格下降而大幅提升。1.2. 碳化硅功率器件行业瓶颈集中在衬底与制造工艺环节碳化硅功率器件产业链分布与硅基产业链类似，其主要瓶颈集中在衬底 和器件环节。碳化硅产业链主要分为衬底、外延、晶圆制造、芯片设计、 模组封装、系统应用等环节，产业链分布与硅基功率器件产业链类似， 部分企业向多个环节进行垂直整合（IDM）。目前，产业链瓶颈主要集中 在衬底与制造工艺环节。衬底良率不足、供应不足导致衬底价格高，成 本占比高，影响行业供应链扩张以及渗透率提升。制造工艺在

5、SiC MOSFET 产品上仍存在一定良率问题以及器件可靠性问题，主要由于 SiC 器件于产线打磨时间较短，许多实况的可靠性问题仍未充分暴露。碳化硅二极管工艺相对简单，技术相对成熟；碳化硅 MOSFET 工艺难 度较高，由头部厂商率先推出。碳化硅功率器件从结构上分为二极管和 晶体管，模块分为混合 SiC 模块和全 SiC 模块。其中，碳化硅二极管工 艺相对简单，国内外技术均较为成熟，但并未直击新能源行业的需求领 域，应用范围有限。碳化硅 MOSFET 工艺难度较高，目前商业应用主要 由海外龙头厂商推广，而综合考虑技术、成本与效应，碳化硅模块部分 厂商采用 SiC 二极管 Si IGBT 的混合

6、模块方式，部分厂商推出全 SiC 模 块。导电型碳化硅衬底主要应用于功率器件领域，成长空间广阔。碳化硅衬 底主要分为导电型和半绝缘型衬底。导电型碳化硅衬底生长 SiC 外延， 制造功率器件后应用于新能源汽车、电力系统等领域。半绝缘型碳化硅 衬底生长 GaN 外延，制造微波射频器件后应用于 5G 通讯等领域。碳化硅衬底长晶温度高，PVT 方法长晶速度慢，是产业链的主要瓶颈之 一。碳化硅衬底的制备技术主要方法为以高纯碳粉、高纯硅粉为原料合 成碳化硅粉，在特殊温场下，采用成熟的物理气相传输法（PVT 法）生 长不同尺寸的碳化硅晶锭，经过晶锭加工、晶棒切割、切割片研磨、研 磨片抛光、抛光片清洗工序后，

7、最终产出碳化硅衬底。其衬底的扩径技 术需要综合考虑热场设计、扩径结构设计、晶体制备工艺设计等多方面 的技术控制要素，最终实现晶体迭代扩径生长，从而获得直径达标的高 质量籽晶，继而实现后续大尺寸籽晶的连续生长。目前主流导电型碳化硅衬底尺寸为 6 英寸，并朝 8 英寸演进。科锐公司 作为行业龙头，是目前行业内极少数能够量产 8 英寸衬底材料的公司。 衬底直径是衡量晶体制备水平的重要指标之一，相同的晶体制备时间内 衬底面积的倍数提升带来衬底成本的大幅降低，与此同时，单片衬底上 制备的芯片数量随着衬底尺寸增大而增多，单位芯片的成本也即随之降 低。2.电动车与碳化硅迎成长共振，碳化硅缓解电动车“里程焦虑

8、”和“充电焦虑”2.1. 碳化硅与电动车渗透率加速提升，成长共振打开广阔市场空间2021 年全球新能源车出货量快速增长。2021 年上半年，全球新能源车 出货量超过 250 万辆，预计全年增速将超过 50%。从出货结构看，纯电 动和插混动力占据全球约 99%份额，氢燃料电池汽车占比约为 1%。中国是新能源汽车最大市场之一。2020 年，中国占据全球新能源汽车出 货 41.27%，欧洲这一份额为 43.06%，二者是全球最大的新能源汽车市 场。从销售结构来看，国内纯电动车占据新能源汽车销量比重为 81.6%，混 合动力车占比为 18.60%，氢燃料电池汽车占比仅为 0.07%。逆变器、OBC、D

9、C/DC 为碳化硅在电动车的主要应用领域。电动车对 功率器件的需求增量主要体现在车载充电系统（OBC）、电池管理（BMS）、 高压负载、高压转低压 DCDC、主驱动等，用量相比于传统燃油车显著 提升，将成为电动车核心元件之一。其中，逆变器、OBC、DC/DC 为碳 化硅在电动车的主要应用领域。电动车与碳化硅渗透率加速共振，打开广阔成长空间。国内新能源汽车 渗透率 2021 年 5 月超过 10%，并逐月加速提升。据 Yole 数据，第三代 半导体基功率器件（含 SiC 和 GaN）2021 年市场占比约 6%，其中 SiC 基功率器件市场占比约 5%。预计至 2026 年，第三代半导体基功率器

10、件 （含 SiC 和 GaN）市场占比达 19%，其中 SiC 基功率器件市场占比约 14%。碳化硅功率器件渗透率与电动车渗透率迎来共振，电动车为碳化 硅功率器件最大下游市场，碳化硅功率器件缓解电动车的“里程焦虑” 和“充电焦虑”，二者成长迎来共振。碳化硅功率器件市场规模预计 2026 年将达 45 亿美金。据 Yole 数据， SiC 功率器件 2021 年市场规模约 8.5 亿美元，预计至 2026 年增长至 44.8 亿美元，CAGR 约 39.5%。SiC 器件的快速增长主要得益于电动车、光 伏、储能等领域对高压平台以及损耗要求逐渐提升，SiC 功率器件一方 面受益于功率行业快速成长，

11、另一方面受益于渗透率快速提升。外销 SiC 功率外延片市场规模预计 2026 年将超 5 亿美金。外延环节处 于衬底与器件之间，部分衬底厂向下游延伸，另外部分器件厂商具备一 定外延能力。因而，外延片分为外销和自用两种类型。据 Yole 数据，外 销 SiC 功率外延片市场规模约 1.4 亿美元，预计 2026 年增长至 5.2 亿美 元，CAGR 约 30.0%。外延片增速低于器件市场，主要由于器件良率仍 存在较大提升空间。碳化硅衬底市场规模预计 2026 年将超 5 亿美金，单片衬底价格有望逐 年下降。据 Yole 数据，碳化硅衬底 2021 年市场规模约 3.1 亿美元，预 计 2026

12、年增长至 6.4 亿美元，CAGR 约 15.4%。衬底增速明显低于器件 与外延环节，主要由于随着衬底良率提升以及尺寸增大，平均价格有望 大幅下降。6 英寸导电型碳化硅衬底平均价格年降幅度预计约为 8.5%。据测算，国内新能源汽车 SiC功率器件市场规模预计 2026 年达百亿元。 假设国内汽车出货量平均每年 2500 万辆，采用 Si-MOSFET 逆变器车型 2020-2026 出货量预估为 20/28/32/35/40/42/44 万辆，SiC MOSFET 逆变 器车型在 2020-2026 年 出 货 量 占 比 分 别 为15.0%/11.4%/12.4%/15.4%/18.4%/

13、20.4%/22.4%，单车碳化硅功率器件价 值量约为 3000 元/辆。根据测算，预计 2026 年国内新能源车 SiC 功率器 件市场规模为 98.4 亿元，CAGR 约为 60.7%。国内市场由于新能源车以 及碳化硅双重成长共振，碳化硅市场预计迎来爆发式增长。2.2. 应用于电动车的 6 英寸 1200V 全 SiC 模块为未来五年碳化 硅功率器件的主要成长驱动力电动车为碳化硅功率器件最佳落地场景，“里程焦虑”和“充电焦虑” 助推碳化硅上车应用。目前，碳化硅功率模块价格是硅基 IGBT 模块价 格的 2-3 倍，因价格劣势以及量产能力短板阻缓了碳化硅功率模块的大 规模应用。而电动车因其适

14、用场景的特殊性，“里程焦虑”和“充电焦 虑”仍是两大痛点，碳化硅模块一方面可以降低损耗提升续航缓解“里 程焦虑”，另一方面可以加快充电速度缓解“充电焦虑”。碳化硅因其明 显的性能优势，高端电动车用户对其初期的投入成本不敏感，有望成为 碳化硅功率器件落地使用的最佳场景。电动车约占碳化硅市场的 60%，占比持续提升。据 Yole 数据，2021 年 碳化硅下游市场中，电动车、能源、工业、通讯领域占比分别为 59%、 17%、13%、8%，为碳化硅下游应用的主要市场。预计至 2026 年，电 动车市场占比将提升至 63%，仍为第一大下游应用领域。全碳化硅模块主要应用于电动车主驱，其高壁垒高价值量为头

15、部碳化硅 器件厂商主战场。SiC 二极管、晶体管等单管价格仍远高于硅基器件， 在光伏、能源、工业的领域的替代主要从高要求的小部分市场开始，其 渗透率的快速提升较为依赖于碳化硅器件的价格下降。全碳化硅模块主 要应用于电动车主驱，对可靠性要求极高，其高壁垒和高价值量为头部 企业的主要目标市场。据 Yole 数据全碳化硅模块占比约为 70%，占碳化 硅应用市场的主要份额。1200V 碳化硅功率产品为主要增量产品。目前，600V产品份额高达 61%， 主要由于 Tesla 大量使用 600V 碳化硅产品，并在电动车上大量使用，占 据了主要市场份额。而随着比亚迪汉、现代 Ioniq 5 等电动车推出使用

16、 1200V 碳化硅产品，以及后续 800V 电压平台推广，预计 1200V 碳化硅 产品将占据主要的增量市场。此外，通讯、光伏、工业等领域也将以 1200V 碳化硅产品为主。据 Yole 数据，预计 2026 年 1200V 碳化硅产品占比将 达 49%。1700V 碳化硅产品主要目标市场在工业、轨交、能源等领域， 预计份额仍较小。6 英寸导电型为主流应用尺寸，8 英寸将逐步渗透。目前，碳化硅行业 主要瓶颈集中在衬底和制造工艺，功率器件仍以 6 英寸导电型衬底为主 流应用。据 Yole 数据，2021 年 6 英寸占比约 70%，4 英寸约 30%；预 计至 2026 年，6 英寸占比提升至

17、 81%，4 英寸下降至 5%，8 英寸提升至 14%。6 英寸在未来较长时间占据主流应用，并逐步向 8 英寸突破。2.3. 电动车 800V 电压平台升级，市场需求拉动碳化硅行业发 展多款车型升级 800V 高压平台，国产碳化硅功率芯片供应链有望以 OBC 和 DCDC 产品上车推广。保时捷、小鹏、广汽埃安、极氪、理想、极狐 等多款电动车布局快充技术。小鹏汽车推出中国首个量产 800V高压 SiC 平台，预计可实现“充电 5 分钟，续航 200 公里”，并在充电桩端推广 480kW 高压超充桩。国产碳化硅功率芯片供应链有望在电动车 OBC 和 DCDC 端先上车使用，并逐步切入安全要求最高的

18、主驱逆变器领域。碳化硅功率器件在 800V 电压平台将大量推广应用，国产供应链迎来导 入窗口期。800V 高电压平台可明显提升充电速度，缓解“充电焦虑”， 随着国内主车厂陆续布局推广，碳化硅国产供应链迎来绝佳导入窗口期。 因主车厂迫切以及旺盛的推广需求，国内碳化硅行业可能由下游市场需 求推动上游供给端快速发展。3.老牌硅基功率企业与新兴玩家同台竞技，格局尚未固化国内企业仍具有广阔空间3.1. 海外头部企业占据产业链主要份额，老牌硅基功率企业与 新兴玩家同台竞技全球碳化硅产业链参与者众多，老牌硅基功率企业与新兴玩家同台竞技。 碳化硅产业链各环节与硅基产业链类似，主要包括衬底（对应硅片）、 外延、

19、工艺制造、设计、模组封装、系统应用等，部分企业进行垂直整 合（IDM 模式）。碳化硅产业链的全球玩家众多，包括老牌硅基功率企 业英飞凌、Onsemi、Rohm、ST 等，新兴专攻碳化硅领域的企业 Cree、 SICC、基本半导体、中科汉韵等，以及主车厂/Tier 1 企业比亚迪、博世、 欣锐科技等。碳化硅产业链目前集聚了传统硅基巨头、汽车产业链巨头 以及大量的新锐玩家，并涌入了大量资金与投入，行业一方面蓬勃发展 另一方面也面临较强的市场竞争。而目前，碳化硅基功率器件市占率约 5%，行业仍处于发展的早期，相关技术选型、工艺路线、客户绑定以及 电动车格局等远未定型，给国内企业以及新锐玩家留下了足够

20、的空间和 时间做大做强。主车厂碳化硅主驱、800V 高电压 OBC、DCDC 等方案百花齐鸣，先发 优势与可靠性验证需综合考量。自 2018 年特斯拉与 ST 合作在 Model 3 上推出 SiC 方案后，新能源车厂陆续推出 SiC 方案的电动车。800V 高 电压平台、超级快充、碳化硅方案或将成为电动车厂打造品牌壁垒与差 异化的核心策略之一，在市场格局尚未定型情况下，先推出的车厂将获 得明显的先发优势以抢占市场份额。碳化硅方案的改型，尤其是主驱逆 变器的改型对安全驾驶的影响极大，因而碳化硅方案的上车需长时间的 可靠性验证。长时间的可靠性验证进一步加强了先发优势，预计碳化硅 方案仍将是主车厂

21、/Tier 1 争相竞逐的舞台。产业链上下游协同加强，碳化硅器件厂商与主车厂仍是主要推动者。因 导电型衬底良率仍较低且供应能力不富裕，主车厂、器件厂商与上游衬 底厂商陆续签订长期合作协议，形成一定的产业集群与壁垒。海外巨头市场份额高度集中，车轨可靠性认证为最大壁垒之一。据 Yole 数据，2020 年碳化硅功率器件市场中，ST、Cree、ROHM、Infineon、 Onsemi 市占率分别为 40.5%、14.9%、14.4%、13.3%、7.7%，CR5 超过 90%。车轨级器件的可靠性认证给海外头部厂商提供了很高的进入壁垒。 而传统硅基功率器件巨头 Infineon 和 Onsemi 因

22、进入 SiC 行业较晚，未 取得先发优势。ST 因与 Tesla 合作而取得最大市场份额。碳化硅功率外延片市场由 Cree 和 Showa Denko 双寡头垄断。据 Yole 数 据，2020 年碳化硅导电型外延片市场中 Cree 和 Showa Denko 市占率分 别为 51.4%和 43.1%，两家合计占比高达 94.5%。外延市场处于产业链 中间环节，通常器件厂商具备一定外延能力，因而市场规模以及玩家数 量相对较小。导电型碳化硅衬底市场 Cree 一家独大。导电型衬底产业主要瓶颈受制 于良率与长晶速度，因 PVT 方法长晶速度过慢且良率低，导致碳化硅衬 底价格远高于硅片价格，碳化硅衬

23、底成本占比约 40-45%。Cree 因布局 较早，良率与产能规模全球领先，并规划量产 8 英寸衬底，其在衬底环 节具有极强领先优势。据 Yole 数据，2020 年 Cree 在导电型碳化硅衬底 市场份额约 60%。3.2. 国内碳化硅发力全产业链布局，挑战海外巨头垄断地位国内碳化硅各环节全产业链布局，挑战海外巨头垄断地位。衬底环节厂 商包括天科合达、SICC、同光晶体、东尼电子等，外延厂商包括瀚天天 成、东莞天域等，设计厂商包括上海瞻芯、上海瀚薪等，IDM 厂商包括泰科天润、中科汉韵、三安集成、华润微等。国内供应链在各个环节均 有布局，而碳化硅仍在快速增长阶段，格局尚未固化，国内企业有望依

24、 托庞大内需市场调整海外巨头垄断地位。国内供需仍存缺口，有效产能不足。我国 2020 年碳化硅导电型衬底产 能约 40 万片/年（约当 4 英寸）、外延片折合 6 英寸 22 万片/年、器件 26 万片/年；半绝缘型衬底折算 4 英寸产能近 18 万片/年。随着新能源汽车、5G 等下游应用市场的快速起量， 国内现有产品供给无法满足需求，目前第三代半导体主要环节国产化率 仍然较低，超过 80%的产品要靠进口。国内衬底厂商虽在产品规格和技术成熟度上有差距，但存在较大追赶可能。目前国产 SiC 衬底已经实现微管密度小于 1 个/cm2，衬底面积 95% 可用，位错约在 103 /cm2；虽然在单晶一

25、致性、成品率方面与国际先进水 平仍有差距，但未来可期。国内厂商积极研发布局碳化硅器件项目。现在已经商业化的 SiC 产品主 要集中在 650 V-1700 V 电压等级，主要产品为二极管和晶体管，3000V 以上电压及 SiC IGBT 尚在研发当中。国内厂商如泰科天润已发布 3300 V/0.6 A-50 A SiC 二极管系列产品；三安集成、基本半导体等公司已实现 650 V、1200 V、1700 V SiC MOSFET 的小规模量产；功率模块方面， 国内上市企业士兰微、斯达半导等公司积极布局，目前比亚迪汉已经成 功搭载了自主研发的 SiC MOSFET 控制模块。国内市场已经初步实现

26、低 端产品的国产替代化，高端产品依然依赖进口。国内第三代半导体投资力度高企，力争追赶国际厂商。根据 CASA Research披露，2018年至今，国内厂商始终加强布局第三代半导体产业，2020 年一共有 24 笔投资扩产项目（2019 年 17 笔），增产投资金额超过 694 亿元，同比增长 161%，其中 SiC 领域共 17 笔、投资 550 亿元，GaN 领域共 7 比、涉及资金 144 亿元。根据CASA数据，2020年我国电力电子和射频电子总产值超过100亿元， 同比增长了 69.5%。其中，SiC、GaN 两种材料的电力电子产值合计达 44.7 亿元，同增 54%。其中，衬底材料

27、 2.2 亿元，外延及芯片 5 亿元， 器件及模组约 7.2 亿元，装置约 30 亿元。4.投资分析我们认为：碳化硅材料特性带来器件性能优势，直击新能源行业的发展 痛点。碳化硅功率器件的耐高压、耐高温、低损耗、体积小等性能优势 可满足新能源行业的发展需求。新能源行业包括电动汽车、光伏、风电、 特高压输电、储能等细分领域普遍的发展痛点为开关损耗、导通损耗、热管理、充电速度等，碳化硅功率器件的性能优势直击新能源行业的发 展痛点，迎来下游应用需求推动上游供给发展的高速发展阶段。电动车与碳化硅迎景气度共振，碳化硅渗透率加速提升。国内新能源汽 车渗透率 2021 年 5 月超过 10%，并逐月加速提升。

28、据 Yole 数据，第三 代半导体基功率器件（含 SiC 和 GaN）2021 年市场占比约 6%，其中 SiC 基功率器件市场占比约 5%。预计至 2026 年，第三代半导体基功率器件 （含 SiC 和 GaN）市场占比达 19%，其中 SiC 基功率器件市场占比约 14%。碳化硅功率器件渗透率与电动车渗透率迎来共振，电动车为碳化 硅功率器件最大下游市场，碳化硅功率器件缓解电动车的“里程焦虑” 和“充电焦虑”，二者成长迎来共振。老牌硅基功率企业与新兴玩家同台竞技，格局尚未固化国内企业仍具有 广阔空间。碳化硅产业链的全球玩家众多，包括老牌硅基功率企业英飞 凌、Onsemi、Rohm、ST 等，新兴专攻碳化硅领域的企业 Cree、SICC、 基本半导体、中科汉韵等，以及主车厂/Tier 1 企业比亚迪、博世、欣锐 科技等。碳化硅产业链目前集聚了传统硅基巨头、汽车产业链巨头以及 大量的新锐玩家，并涌入了大量资金与投入，行业一方面蓬勃发展另一 方面也面临较强的市场竞争。而目前，碳化硅基功率器件市占率约 5%， 行业仍处于发展的早期，相关技术选型、工艺路线、客户绑定以及电动 车格局等远未定型，给国内企业以及新锐玩家留下了足够的空间和时间 做大做强。底部话题 追加内容 追加 追加内容本文作者可以追加内容哦 !