碳化硅行业深度报告:新材料定义新机遇SiC引领行业变革-20221008-民生证券-80正式版.doc
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1、碳化硅行业深度报告新材料定义新机遇,SiC 引领行业变革2022 年 10 月 08 日碳化硅:第三代半导体突破性材料。SiC 是第三代半导体材料,其具备极好的耐压性、导热性和耐热性,是制造功率器件、大功率射频器件的突破性材料。根据 Wolfspeed 预计,2022 年全球碳化硅器件市场规模达 43 亿美元,2026年碳化硅器件市场规模有望成长至 89 亿美元。当前 SiC 功率器件价格较高,是硅基 IGBT 的 35 倍左右,但凭借优异的系统节能特性,SiC 器件开始在新能源汽车、光伏、储能等领域替代硅基器件。 SiC 引领行业变革,新需求快速涌现。新能源汽车是碳化硅功率器件下游第一大应用
2、市场,根据我们测算,2026 年全球应用于新能源汽车主驱逆变器的 SiC 器件市场规模有望达 44 亿美元。为了提升电动汽车充电速度、缓解里程焦虑,小鹏、比亚迪、长城、保时捷、现代等整车厂陆续推出 800V 高压平台车型,有望推动 SiC 器件在新能源汽车中渗透率进一步提升。 国际巨头垄断行业,国产厂商加速破局。当前全球 SiC 衬底总年产能约在 4060 万片等效 6 英寸,无法满足下游旺盛需求。根据 Yole 预测,随着衬底厂商技术进步、产能进一步扩张,2025 年 6 英寸导电型衬底价格有望降至 590 美元,这将带动 SiC 器件渗透率提升,有望在未来与 Si-IGBT 双雄并驱。此外
3、,当前 Wolfspeed、II-IV、罗姆三家海外大厂占据了全球 89%导电型衬底市场,意法半导体、英飞凌、安森美、Wolfspeed 等六家海外大厂占据了全球 99%碳化硅功率器件市场,行业格局被海外大厂垄断,国内厂商正在加速破局。新需求带来新机遇,技术进步推动新未来。对于 SiC 衬底制造来说,PVT 法生长速率慢、制备难度大、晶锭良率低,因此产能提升较慢,但衬底制造各环节均有工艺改善空间,溶液生长法、激光切割等技术的进步等有望推动衬底产能进一步提升,衬底有望持续降本。对于 SiC 器件制造来说,由于 SiC 材料透明、离子扩散温度高等特性,在器件制造过程中光刻对准、高能离子注入、高温退
4、火工艺、栅氧质量控制、蚀刻工艺等环节相较硅基器件难度较大,器件制造扩产较为困难。对于 SiC 功率模块来说,由于 SiC 器件耐受工作温度较高,AMB 基板凭借更高的热导率等性能优势,成为 SiC 器件导热基板材料首选。 投资建议:随着碳化硅技术的不断突破,国内供应商有望加速追赶国际龙头。建议关注国内垂直一体化龙头厂商三安光电; SiC 衬底制造商天岳先进等;器件厂商时代电气、斯达半导、新洁能、士兰微、华润微、扬杰科技、闻泰科技、中瓷电子、长飞光纤、积塔半导体、比亚迪半导体等;SiC 设备公司北方华创、晶盛机电、中微公司、芯源微等。 风险提示:碳化硅在下游应用领域渗透率不及预期;国家产业政策变
5、化;全球碳化硅行业竞争激烈。重点公司盈利预测、估值与评级代码简称股价EPS(元)PE(倍)评级(元)2021A2022E2023E2021A2022E2023E600703.SH三安光电17.480.290.500.67603526推荐688234.SH天岳先进107.710.210.250.39515439273推荐688187.SH时代电气54.201.421.722.11383226推荐603290.SH斯达半导324.002.334.496.641397249推荐605111.SH新洁能85.011.932.353.37443625推荐003031.SZ中瓷电子96.070.580.8
6、21.2016511780推荐603936.SH博敏电子11.650.470.530.85252214推荐资料来源:Wind,民生证券研究院预测;(注:股价为 2022 年 9 月 30 日收盘价)推荐维持评级分析师方竞执业证书: S0100521120004邮箱:fangjing相关研究1.电子行业 2022Q2 季报总结:国产化基石+智能电车崛起,电子板块主线明朗-2022/09/ 242.半导体零部件深度报告:国产替代核心部件,百舸争流加速崛起-2022/09/183.电子板块 2022 年二季度基金持仓分析:新能源电子接力成长,传统龙头静待拐点-2022 /07/254.电子行业 20
7、22 年中期投资策略:电动化核芯,智能化基石-2022/07/145.汽车电子 6 月跟踪:新车发布浪潮汹涌,激光雷达中军主力-2022/07/11本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告1每日免费获取报告1、每日微信群内分享7+最新重磅报告;2、每日分享当日华尔街日报、金融时报;3、每周分享经济学人4、行研报告均为公开版,权利归原作者所有,起点财经仅分发做内部学习。扫一扫二维码关注公号回复:研究报告加入“起点财经”微信群。行业深度研究/电子目录1 碳化硅:第三代半导体突破性材料31.1 优质的新型半导体衬底材料31.2 碳化硅功率器件性能优异71.3 星辰大海,
8、蓝海市场空间广阔101.4 碳化硅产业链价值集中于上游衬底和外延122 SiC 引领行业变革,新需求快速涌现152.1 新能源汽车占据碳化硅最大下游应用市场152.2 汽车高压平台升级,800V 时代 SiC 成为刚需232.3 半绝缘型碳化硅衬底广泛应用于射频器件领域263 国际巨头垄断行业,各环节产能紧缺持续293.1 全球衬底产能紧缺,SiC 与 IGBT 双雄并驱293.2 国际巨头垄断 SiC 行业,国产厂商逐步破局324 新需求带来新机遇,技术进步推动新未来354.1 技术革新带来产能提升,衬底仍存降本空间354.2 器件制造技术尚需积累,国内厂商加速追赶394.3 SiC 功率模
9、块放量在即,AMB 基板迎来机遇415 投资建议435.1 行业投资建议:国产厂商崛起,星星之火正起燎原之势435.2 重点公司466 风险提示75插图目录77表格目录79本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告2行业深度研究/电子1 碳化硅:第三代半导体突破性材料1.1 优质的新型半导体衬底材料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,其特点为开关便捷,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和金刚石等特殊单质。凭借优秀的物理化学性质,碳化硅材料在功
10、率、射频器件领域逐渐开启应用。第三代半导体耐压性较好,是大功率器件的理想材料。第三代半导体主要是碳化硅和氮化镓材料, SiC 的禁带宽度为 3.2eV,GaN 的禁带宽度为 3.4eV,远超过 Si 的禁带宽度 1.12eV。由于第三代半导体普遍带隙较宽,因此耐压、耐热性较好,常用于大功率器件。其中碳化硅已逐渐走入大规模运用,在功率器件领域,碳化硅二极管、MOSFET 已经开始商业化应用。表1:三代半导体材料特性对比项目SiGaAs4H-SiCGaN禁带宽度(eV)1.121.433.23.4饱和电子漂移速率(107cm/s)1.01.02.02.5热导率(Wcm-1K-1)1.50.544.
11、01.3击穿电场强度(MV/cm)0.30.43.53.3资料来源:宽禁带半导体高频及微波功率器件与电路,赵正平著,民生证券研究院图1:碳化硅耐压特性优异资料来源:英飞凌,民生证券研究院基于上述特性,以碳化硅为衬底制成的功率器件相比硅基功率器件在性能方面更加具有优势:(1)更强的高压特性。碳化硅的击穿电场强度是硅的 10 余倍,使得碳化硅器件耐高压特性显著高于同等硅器件。(2)更好的高温特性。碳化硅相本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告3行业深度研究/电子较硅拥有更高的热导率,使得器件散热更容易,极限工作温度更高。耐高温特性可以带来功率密度的显著提升,同时降低
12、对散热系统的要求,使终端可以更加轻量和小型化。(3)更低的能量损耗。碳化硅具有 2 倍于硅的饱和电子漂移速率,使得碳化硅器件具有极低的导通电阻,导通损耗低;碳化硅具有 3 倍于硅的禁带宽度,使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅减少,从而降低功率损耗;碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象,开关损耗低,大幅提高实际应用的开关频率。根据 ROHM 的数据,相同规格的碳化硅基 MOSFET 导通电阻是硅基 MOSFET 的 1/200,尺寸是是硅基 MOSFET 的 1/10。对于相同规格的逆变器来说,使用碳化硅基 MOSFET 相比于使用硅基 IGBT 系统总能量损失小于 1/4。图2:碳化硅 M
13、OSFET 器件体积更小图3:碳化硅 MOSFET 器件节能性更好资料来源:天科合达招股说明书,民生证券研究院资料来源:天科合达招股说明书,民生证券研究院碳化硅优良的频率、散热特性,使得其在射频器件上也得到广泛应用。碳化硅、氮化镓材料的饱和电子漂移速率分别是硅的 2.0、2.5 倍,因此碳化硅、氮化镓器件的工作频率大于传统的硅器件。然而,氮化镓材料存在耐热性能较差的缺点,而碳化硅的耐热性和导热性都较好,可以弥补氮化镓器件耐热性较差的缺点,因此业界采取半绝缘型碳化硅做衬底,在衬底上生长氮化镓外延层后制造射频器件。本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告4行业深度研究
14、/电子图4:碳化硅器件与硅基器件频率特性资料来源:Semiengineering,民生证券研究院按照电学性能的不同,碳化硅衬底可分为半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化硅衬底两类,这两类衬底经外延生长后分明用于制造功率器件、射频器件等分立器件。其中,半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件、光电器件等。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层,制得碳化硅基氮化镓外延片,可进一步制成 HEMT 等氮化镓射频器件。导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不同,碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上,需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片,并在外延层上制造肖特基
15、二极管、MOSFET、IGBT 等功率器件。表2:半绝缘型和导电型碳化硅衬底的对比种类电阻率尺寸外延器件应用领域半绝缘型碳化硅衬底105cm以4英寸为主,逐渐向6氮化镓外延射频器件信息通讯、无线电探测英寸衬底发展导电型碳化硅衬底1530mcm以6英寸为主,8英寸衬碳化硅外延功率器件在新能源汽车,轨道交底开始发展通以及大功率输电变电资料来源:天岳先进招股说明书, 民生证券研究院本公司具备证券投资咨询业务资格,请务必阅读最后一页免责声明证券研究报告5行业深度研究/电子图5:碳化硅外延生长及下游应用资料来源:新经济观点,民生证券研究院外延工艺是指在碳化硅衬底的表面上生长一层质量更高的单晶材料,如果在
16、半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层,则称为异质外延;如果在导电型碳化硅衬底表面生长一层碳化硅外延层,则称为同质外延。外延层的生长可以消除衬底生长中的某些缺陷,生长的外延层质量相对较好。碳化硅晶体生长的过程中会不可避免地产生缺陷、引入杂质,导致衬底材料的质量和性能都不够好。而外延层的生长可以消除衬底中的某些缺陷,使晶格排列整齐。例如衬底缺陷中的 BPD(基平面位错)约 95%转化为 TED(贯穿刃型位错),而 BPD 可导致器件性能退化,TED 基本不影响最终碳化硅器件的性能。图6:碳化硅衬底层和外延层结构图7:碳化硅外延片缺陷与衬底片缺陷的关联性资料来源:基本半导体,民生证券研究院资料来源:
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