​第三代半导体之碳化硅行业分析报告

随着国家“双碳战略”的推进，新能源产业和电动汽车产业蓬勃发展，产生了对功率转换装置如太阳能逆变器，电动汽车充电桩，车载充电器和马达驱动器等的巨大需求，半导体功率器件是上述各种功率转换装置的核心。而碳化硅（SiC）材料具有耐高温和高压的特点，基于SiC的器件还具有高开关频率和低静态功耗，在高电压和大电流的领域，SiC都被认为是将取代硅成为功率器件的主流材料。

一、 碳化硅技术的发展

1.1后摩尔时代的第三代半导体

半导体材料目前已经发展至第三代。传统硅基半导体由于自身物理性能不足以及受限于摩尔定律，逐渐不适应于半导体行业的发展需求，砷化镓、碳化硅、氮化镓等化合物半导体也因而诞生。从技术来看，半导体材料目前已发展了三代。 第一代半导体材料以传统的硅（Si）和锗（Ge）为代表，是集成电路制造的基础，广泛应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的； 第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和磷化镓（GaP）为代表，相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，广泛应用于光电子和微电子领域； 第三代半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等新兴材料为代表。

图 1 半导体发展路线

相较前两代半导体，第三代半导体物理性能相对更出色，有望在各个领域实现对前两代全面替代。在禁带宽度、介电常数、导热率及最高工作温度等方面，碳化硅、氮化镓性能更为出色，在5G通信、新能源汽车、光伏等领域，头部企业逐步使用第三代半导体。在高压、高频、高温领域以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体衬底材料市场规模有望迎来快速发展机遇，待成本下降有望实现全面替代。   表 1 第三代半导体简介（左）和各代半导体物理性能对比（右）

1.2SiC是第三代半导体材料的代表

第三代半导体经典的应用是碳化硅。本报告也主要侧重对碳化硅的发展状况进行介绍和分析。 碳化硅是由美国人艾奇逊在1891年电熔金刚石实验时，在实验室偶然发现的一种碳化物，当时误认为是金刚石的混合体，故取名金刚砂，1893年艾奇逊研究出来了工业冶炼碳化硅的方法，也就是大家常说的艾奇逊炉，一直沿用至今。自碳化硅被发现后数十年，发展进程一直较为缓慢。直到科锐（即Cree，现更名为Wolfspeed）成立并开始碳化硅的商业化，碳化硅行业在此后25年开始进入快速发展阶段。 碳化硅具有众多技术优势，宽禁带特性有助于提高碳化硅器件的稳定性，使其具备良好的耐高温性、耐高压性和抗辐射性，显著提升器件功率密度，从而利于系统散热与终端小型轻便化；高击穿电场强度特性有助于提高碳化硅器件的功率范围，降低通电电阻，使其具备耐高压性和低能耗性，利于器件薄化的同时提高系统驱动力；高饱和电子漂移速率特性意味着较低的电阻，显著降低能量损失，简化周边被动器件，大幅提升开关频率同时提高整机效率。   表2碳化硅技术优势

基于以上特性，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。  

1.3SiC的分类

根据衬底材料的不同，碳化硅主要可以分为半绝缘型和导电型，两类衬底的主要区别是电化学性能不同，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二极管、MOSFET、IGBT等功率器件。   表3碳化硅的分类

二、碳化硅市场规模与价值链

2.1碳化硅总体市场规模

2027年全球SiC功率半导体市场规模有望突破60亿美元。根据Yole统计，2027年全球SiC功率半导体市场规模由2021年的10.90亿美元增至62.97亿美元，2021-2027年每年以34%年均复合增长率快速增长。 第三代半导体材料渗透率逐年提升，2023年有望接近5%。根据Yole统计，Si仍是半导体材料主流，占比95%。第三代半导体渗透率逐年上升，SiC渗透率在2023年有望达到3.75%，GaN渗透率在2023年达到1.0%，第三代半导体渗透率总计4.75%。

图2全球SiC功率半导体市场规模预测（单位：百万美元）（左）和2017-2023年全球主要半导体材料渗透率及预测（右）  

2.2碳化硅价值链

碳化硅产业链主要包括衬底、外延、器件设计、器件制造、封测等。从工艺流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底；衬底经过外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、沉积等步骤制造成器件。将晶圆切割成die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。

图 3 碳化硅产业链 以衬底和外延为核心，碳化硅产业链路径明确。碳化硅产业链分为衬底、外延、器件和应用四部分。其中，衬底、外延、前段、研发费用和其他分别在碳化硅器件制造成本中占比47%，23%，19%，6%，5%。

图 4 2021年碳化硅产业链制造成本占比图（左）和碳化硅产业价值链（右） 传统的硅基器件和碳化硅器件在成本分布上有较大不同，这也改变了产业链上不同参与方的价值分配。对于硅基器件来说，晶圆制造占据50%的成本，硅片衬底仅占据7%的成本，碳化硅器件上游衬底和外延价值量凸显。

图 5 碳化硅器件成本分布（左）和硅基器件的成本结构（右）

2.3衬底

（1）衬底制备工艺 衬底（substrate）是由半导体单晶材料制造而成的晶圆片，衬底可以直接进入晶圆制造环节生产半导体器件，也可以进行外延工艺加工生产外延片。 目前主流制造碳化硅衬底的方式是物理气相传输法（PVT法），在高温真空环境下将粉料升华，通过温场的控制在籽晶表面生长出碳化硅晶体。主要工序涉及原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、切割片研磨、研磨片抛光、抛光片清洗等环节。    

图 6 碳化硅衬底制作工艺流程（左）和物理气相传输法生产碳化硅晶体（右） （2）衬底市场概况 2020-2025年全球SiC衬底市场规模CAGR超30%。根据Yole数据，2020年半绝缘型SiC衬底市场规模为10.62亿美元，预计2025年将增长至28.39亿美元，CAGR约21.7%。2020年导电型SiC衬底市场规模为7.31亿美元，预计2025年将增长至44.67亿美元，CAGR约43.6%。 衬底占据碳化硅产业的主要价值量，但国内厂商占比低。SiC衬底占据产业链主要价值量，占比47%，虽然预期未来随着产能扩张和良率提升，有望降至30%。目前大部分市场份额均在海外厂商手中。以2020年全球导电型碳化硅衬底市场为例，Wolfspeed一家独占了62%的市场份额，CR3高达89%，国内份额最大的企业天科合达仅占4%。

图 7 2020年全球导电型碳化硅衬底市占率 （3）衬底市场竞争格局 目前碳化硅衬底市场以海外厂商为主导，国内企业市场份额较小。碳化硅衬底产品的制造涉及设备研制、原料合成、晶体生长、晶体切割、晶片加工、清洗检测等诸多环节，需要长期的工艺技术积累，存在较高的技术及人才壁垒。 根据华经产业研究院援引Yole数据，2020年上半年，碳化硅衬底市场（半绝缘和导电型）Wolfspeed市占率达到45%以上，国内龙头天科合达和山东天岳的合计市场份额不到10%。山东天岳、烁科晶体（中电科孵化）、河北同光（中科院半导体所孵化）现有主要产品为高纯半绝缘衬底，而天科合达（中科院物理所孵化）、世纪金光主要产品为导电型衬底。 海通证券认为，随着国内衬底产品日益成熟、扩产进度逐渐加速，中国衬底厂商有望重塑行业格局，未来在碳化硅衬底环节占领一席之地。 （4）衬底制造难点 碳化硅衬底之所以产能受限，价格昂贵，主要原因是碳化硅衬底工艺复杂，制作难度大。碳化硅衬底是一种由碳和硅两种元素组成的化合物半导体单晶材料。目前行业内主要以高纯碳粉、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），在晶体生长炉中生长不同尺寸的碳化硅晶锭，最后经过加工、切割、研磨、抛光、清洗等多道工序产出碳化硅衬底。 稳定量产性能稳定的高品质碳化硅晶片的技术难点有：1）由于晶体需要在2000℃以上的高温密闭环境生长，对控温要求极高；2）由于碳化硅存在200多种晶体结构，但只有少数几种结构的单晶型碳化硅才是所需的半导体材料，在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数；3）气相传输法下，碳化硅晶体生长的扩径技术难度极大；4）在长晶完后，由于碳化硅硬度与金刚石接近，切割、研磨、抛光技术难度大。 上述技术难点造成了碳化硅生产过程中良率较低。良率主要由2个环节构成：（1）晶棒良品率=半导体级晶棒产量/（半导体级晶棒产量+非半导体级晶棒产量）×100%；（2）衬底良品率=合格衬底产量/（合格衬底产量+不合格衬底产量）×100%。一方面。碳化硅的晶型多达200多种，而想要生成所需要的单一晶型（主流为4H晶型），需要非常精确的控制。另一方面，SiC衬底作为莫氏硬度达9.2的高硬度脆性材料，加工过程中存在易开裂问题，加工完成后的衬底易存在翘曲等质量问题。英飞凌为了提高产量，就曾在2018年收购了SiC晶圆切割领域的新锐公司Siltectra。 据目前国内主要的碳化硅衬底制造商天岳先进的招股书披露，2018-2020年和2021年H1公司的晶棒良率分别为41%、38.57%、50.73%和49.90%，衬底良率分别为72.61%、75.15%、70.44%和75.47%，综合良率目前大约为37.7%   、

图 8 碳化硅切割良率痛点（左）和天岳先进良率（右）   （5）碳化硅衬底产业趋势 ①　衬底产能向大尺寸转移 当前国际主流尺寸为6英寸，目前碳化硅衬底的尺寸正在不断增大，正在向8英寸迈进。自从1991年第一块商用碳化硅衬底诞生，目前全球主要厂商的衬底尺寸已达到6英寸。而全球碳化硅领域龙头CREE公司（现更名为Wolf speed）已于2015年推出了8英寸碳化硅衬底，并于2022年4月宣布其位于美国纽约州莫霍克谷（Mohawk Valley）的全球最大8英寸碳化硅制造设施正式开业。

图 9 CREE 公司（现更名Wolf Speed）公司碳化硅衬底尺寸演进 单片衬底面积的增长有利于制造成本的下降，同时器件制造过程中衬底边缘的浪费也将下降。根据Wolf speed数据，一片6英寸碳化硅衬底可以产出448颗die，边缘损失为14%；而一片8英寸碳化硅衬底可产出845颗die，边缘损失下降至7%，衬底利用率更高。  

图 10 碳化硅衬底尺寸升级后边缘更低   国内尺寸迭代较海外厂商略慢一筹，但近年来发展提速明显。山西烁科为首家宣布可制备8英寸SiC衬底。2021年8月，山西烁科研制出8英寸碳化硅晶体。2022年1月，公司实现8英寸N型碳化硅抛光片小批量生产。截至2022年11月，晶盛机电、天岳先进、天科合达分别宣布掌握8英寸碳化硅衬底制备技术。

图 11 晶盛机电和烁科晶体的8英寸碳化硅衬底

表 4海内外厂商8英寸碳化硅衬底进展

②　目前衬底需求缺口较大，但产能在持续扩张，价格将逐渐走低 据统计，2021年全球碳化硅晶圆产能约为40-60万片，有效产能仅20-30万片，其中，新能源汽车和光伏占碳化硅市场77%，相比碳化硅晶圆需求，存在巨大的供给缺口。预计2025年，全球6英寸碳化硅晶圆产能预测约242万片，全球6英寸碳化硅晶圆需求保守预测约为365万片，其中车用碳化硅晶圆需求占比约60%，光伏、储能等代表行业碳化硅晶圆需求占比约40%，仍存在123万片的供给缺口。面对下游应用领域扩张和客户国产化需求的快速增长，国内相关企业正在积极布局扩产应对。 据CASAResearch整理，国际龙头纷纷大力完善产业布局，强化竞争优势，持续加大衬底产能的扩张。据各公司官网披露，Wolfspeed投资近10亿美元进行扩产，预计在2017-2024间整体产能，将扩大30倍；ROHM计划在2017年-2024，年间产能扩充16倍；II-VI计划5年内产能扩充5-10倍。根据Yole，全球半绝缘型碳化硅衬底市场出货量（折算为4英寸）将由2020年的16.56万片增长至2025年的43.84万片，年复合增长率为21.50%。    

图 12 wolf speed产能释放计划 就国内来说，国内在建的碳化硅外延项目，对 6 英寸导电型碳化硅衬底抛光片的需求量累计每年超过 150 万片。同全球的情况一样，也面临供需不匹配的问题，因此，衬底以及下游外延片的产能也在持续扩张。天岳先进投资20亿元建设上海“碳化硅半导体材料项目”，聚焦于6英寸导电型碳化硅衬底材料生产，计划于2026年达产且达产产能为30万片/年，目前，天岳先进已获得13.93亿元的导电型碳化硅衬底合同订单。露笑科技募集资金约25.67亿元投资碳化硅项目，计划达产产能为24万片/年，目前，露笑科技已获得超15万片衬底需求。       表 5 全球主要碳化硅衬底厂商产能规划

随着产能的扩张，半绝缘型及导电型衬底的单价会逐年递减，海通证券预计随着全球产能扩张逐步落地，未来3年内衬底单价将会继续下降，从而有助于加速碳化硅下游渗透率整体提升。另据CASA预测，随着SiC上游衬底、外延价格下降，预计SiC二极管和SiCMOSFET等器件的价格每年以超过10%的速度下降，并逐步取代Si器件。

图 13 SIC衬底价格（RMB/c㎡）发展趋势（左）和 SIC外延价格（RMB/c㎡）发展趋势（右）   ③　国内外衬底技术差距依然明显，但差距正在缩小   国内衬底产品在材料端良率、产能、衬底尺寸、器件代数上相比于国外仍存在一定差距，但是近几年国内工艺飞速发展，在具体参数上的差距正在缩小。   表 6 国内外碳化硅技术、产能总体差距对比

表 7国内6寸导电型碳化硅合格品参数与海外龙头对比

2.4外延

（1）外延概况 碳化硅外延片，是指在原有碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶相同的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。外延生长主要使用CVD（ChemicalVapor Deposition，化学气相沉积）设备或者MBE（Molecular Beam Epitaxy，分子束外延）设备。

图14基本半导体外延技术

由于碳化硅器件是直接在外延层制造，外延质量的好坏直接影响了器件的性能和良率。碳化硅外延材料的最基本的参数，也是最关键的参数，就是厚度和掺杂浓度。随着器件需求耐压性能的不断提高，对应的外延层厚度就越厚，控制难度也就越高。一般电压在600V左右时，所需要的外延层厚度约在6微米左右；电压在1200-1700V之间时，所需要的外延层厚度就达到10-15微米。如果电压达到一万伏以上时，可能就需要100微米以上的外延层厚度。而随着外延层厚度的不断增加，对厚度和电阻率均匀性以及缺陷密度的控制就变得愈发困难。

表 8 SiC 外延关键参数表

（2）外延制备难点：控制缺陷 控制碳化硅外延缺陷是制备高性能器件的关键，缺陷会对碳化硅功率器件的性能和可靠性有严重影响。TSD和TED基本不影响最终的碳化硅器件的性能，而BPD会引发器件性能的退化。堆垛层错、胡萝卜缺陷、三角形缺陷、掉落物等缺陷，一旦出现在器件上，器件就会测试失败，导致良率降低。   表 9 SiC外延缺陷时对器件的影响

（3）外延市场概况 目前外延设备主要为国外所垄断，中国企业在4英寸和6英寸上开始布局。外延设备被行业四大龙头企业Axitron、LPE、TEL和Nuflare所垄断，中国SiC外延技术发展起步较晚，难以进入技术壁垒较高的外延设备领域，故以外延晶片生产为主要切入方向。目前，碳化硅外延晶片市场呈现出双寡头垄断格局，海外厂商占据主要市场。 根据Yole数据显示，2020年全球碳化硅外延市场中，Wolfspeed占52%，ShowaDenko占43%，CR2共占95%。中国厂商相较于海外厂商在外延晶片生产技术上稍有落后，目前中国SiC外延晶片主要产线均为4英寸和6英寸。

图15 2020年全球碳化硅外延晶片市占率

2.5器件

（1）碳化硅器件概况 碳化硅器件是通过CVD在碳化硅衬底上叠层外延膜，经过清洗、氧化、光刻、刻蚀、去光阻、离子注入、化学气相沉积沉淀氮化硅、抛光、溅镀、后加工等步骤后在SiC单晶基板上形成元件结构所得。其中，SiC功率器件主要包括SiC二极管、SiC晶体管和SiC功率模块。 受制于上游材料生产速度慢、良品率低等原因，碳化硅器件具有较高制造成本。此外，碳化硅器件制造具有一定技术难度： 1）需要开发与碳化硅材料特性吻合的特定工艺，如：SiC具有高熔点使传统热扩散失效，需要采用离子注入掺杂法，并精准控制温度、升温速率、持续时间、气体流量等参数；SiC对化学溶剂具有惰性，应采用干刻蚀等方法，并优化和开发掩膜材料、气体混合物、侧壁斜率的控制、蚀刻速率、侧壁粗糙度等； 2）碳化硅晶片上金属电极的制造要求接触电阻低于10-5Ω2，符合要求的电极材料Ni和Al在100℃以上时具有较差热稳定性，但具有较好热稳定性的Al/Ni/W/Au复合电极材料接触比电阻高10-3Ω2； 3）SiC切割磨损高，SiC硬度仅次于金刚石，对切割、研磨、抛光等技术提出了更高的要求。

图16碳化硅器件生产流程图（左）和碳化硅器件分类（右） （2）碳化硅器件市场概况 随着技术突破和成本的下降，SiC功率器件市场规模正在快速上升。根据Yole数据，2017年和2021年碳化硅功率器件市场规模分别约3.11亿和9.14亿美元，复合增速约31%，预计2023年碳化硅功率器件市场规模约15.82亿美元。从市场占有率来看，SiC功率器件全球主要的市场份额主要掌握在STM、Wolfspeed、Rohm、Infineon、Onsemi等行业龙头手中，CR5达91%。 因为SiC器件对稳定性要求较高，需要较长的验证周期，因此中国厂商切入进程较慢，还未形成一定规模的市占率，但存在国产厂商如士兰微、斯达、华润微、安世等已实现器件规模生产并在功率MOSFET、IGBT单管、IGBT模块等部分领域跻身全球前十。随着上游衬底和外延的不断突破，下游器件厂商同样存在超车机会。  

图17全球碳化硅功率器件市场规模预测趋势（左）和2020年全球碳化硅功率器件市占率情况（右） （3）碳化硅器件适用领域 ①　高压高功率领域 在高压高功率领域，碳化硅功率器件性能强劲，替代优势明显。功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一，作用是实现对电能的处理、转换和控制，主要包括功率二极管、功率三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等。碳化硅功率器件具有高电压、大电流、高温、高频率、低损耗等独特优势，根据科锐和应用材料公司官网数据显示，相较于硅基功率器件，碳化硅基MOSFET尺寸可以减少为同电压硅基MOSFET的十分之一，能量损耗可以减少为同开关频率硅基IGBT的30%。

图182021-2027年SiCk功率器件市场预测（左）和SiC功率器件应用领域（右）

②　新能源车领域

电动车领域新应用不断出现，汽车厂商也积极启用碳化硅战略。电动汽车行业是市场空间巨大的新兴市场，随着电动汽车的发展，对功率半导体器件需求量日益增加。目前碳化硅功率器件在电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC）和非车载充电桩的使用已经比较普遍。 Cree预测SiC逆变器能够提升电动车5-10%的续航，并节省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。2021年特斯拉Model3的主逆变器率先采用24个碳化硅MOSFET功率模块，比亚迪也迅速跟进，在汉EV上搭载了自主研发的SiC功率模块。充电桩产品由于成本的原因，目前使用比例还相对较低，但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势，通过降低冷却等系统的整体成本找到了利基市场。

图19电动车中使用的主要功率器件即对应零部件（左）和主逆变器中碳化硅的使用（右） 新能源车销量持续提升，碳化硅市场空间广阔。伴随着各地政府补贴、退税等政策扶持以及不断改进完善的充电基础设施，全球新能源汽车的销量和占比均在持续上升，2021年新能源车销售650万辆，同比增长109%，占比全球汽车销售总量为9%，预计到2025年，新能源汽车销量将超过2100万辆，其中，新能源汽车领域碳化硅渗透率有望超20%。而随着新能源汽车销量的增长和碳化硅功率器件对碳化硅晶圆的需求也在不断提高，据集邦咨询数据，预计到2025年，全球电动车市场对6英寸碳化硅晶圆的需求为169万片。  

图20全球新能源车销量（左）和车用碳化硅市场规模（右） ③　光电储能领域 光电储能领域中应用优势明确，碳化硅器件渗透率快速提升。光伏、风电和储能逆变器曾普遍采用硅器件，经过40多年的发展，转换效率和功率密度等已接近理论极限。基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。碳化硅器件可应用于风电整流器、逆变器、变压器，降低能损和提高效率的同时可以使得质量和成本分别减少25%和50%。基于碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，有利于缩小系统体积、提高功率密度、延长器件使用寿命、降低产品生产成本。预计在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里，碳化硅器件会逐步替代硅器件。根据中商产业研究院数据，全球光伏逆变器的出货量从2017年的119.2千兆瓦增加至2021年的210.4千兆瓦，年均复合增长率约为15%。预计2022年全球光伏逆变器的出货量将达到256.7千兆瓦。据CASA数据，在光伏逆变器中，碳化硅器件的渗透率有望由2020年的10%，快速提升至2025年的50%，并在2048年达到85%。

图21全球光伏逆变器中碳化硅器件占比预测（左）和全球光伏逆变器出货量（右）

三、 主要竞争厂商

目前整个碳化硅产业链依旧以海外厂商为主导，国内企业在产业链中的衬底、外延以及器件所占市场份额都比较小。但随着国内衬底产品日益成熟、扩产进度逐渐加速，中国厂商有望重塑行业格局，未来在碳化硅各个环节占领一席之地。

3.1主要衬底厂商

（1）Wolf speed Wolf speed是全球最大SiC衬底供应商，此外其还打造了IDM全产业链模式，也是SiC功率器件和SiC基氮化镓射频功率解决方案的主要供应商之一。产品围绕第三代半导体SiC和GaN布局，包括SiC和GaN材料、功率器件、射频器件等，整体形成了从材料到器件的IDM+全产业链模式。 Wolf speed公司的前身为Cree公司，2019年3月，Cree公司宣布将照明产品业务部CreeLighting出售给家族企业IDEALINDUSTRIES，Cree Lighting包括商业应用、工业应用及消费者用LED照明灯具、光源和照明解决方案业务。Cree完成照明和LED业务的出售后，完全转型为一家专注于宽禁带半导体产品的公司。2021年10月，公司名称从Cree,Inc.更改为Wolf speed，Wolf speed拥有从衬底到器件的全产业链布局，是全球SiC行业的龙头。 Wolfspeed注重加强产业链上下游协同，形成了一定的产业集群和壁垒。Wolfspeed与大众汽车合作，成为FAST项目SiC独家合作伙伴；与德尔福合作，开展汽车SiC器件研究；与ABB合作，推动SiC器件进入电力、机车牵引、新能源汽车领域；与宇通合作，推动SiC在大巴车的应用。 产品优势方面，Wolfspeed是SiC MOSFET、肖特基二极管和功率模块的全球领导者。分立SiC MOSFET可实现更高的开关频率并减小电感器、电容器、滤波器和变压器等组件的尺寸；SiC肖特基二极管采用MPS（合并PiN肖特基）设计，比标准肖特基势垒二极管更稳健可靠；SiC功率模块方面能提供从SiC材料到封装的垂直整合优势。目前正在纽约马西建造世界上最大的SiC制造厂，将显著提高 SiC和 GaN 业务的产能。  

图 22 2020年导电型衬底市占率（左）和Wolfspeed营收（百万美元）及增速（右）   （2）天岳先进 天岳先进是国内半绝缘型SiC衬底绝对龙头公司，也是全球第三大半绝缘型SiC衬底企业。公司成立于2010年，主营业务是宽禁带半导体（第三代半导体）碳化硅衬底材料的研发、生产和销售，产品可应用于微波电子、电力电子等领域。公司主要产品包括半绝缘型和导电型碳化硅衬底。公司已掌握涵盖了设备设计、热场设计、粉料合成、晶体生长、衬底加工等环节的核心技术，自主研发了不同尺寸半绝缘型及导电型碳化硅衬底制备技术。2019年及2020年公司已跻身半绝缘型碳化硅衬底市场的世界前三。 目前，公司除半绝缘型碳化硅衬底外，导电型碳化硅衬底材料也已形成小批量销售。公司临港工厂募投一期项目于2021年开工，预计于2022年三季度实现投产，2026年达到30万片/年设计产能，主要生产6英寸导电型碳化硅衬底。2022年4月，公司披露通过16949车规认证。

图 23 天岳先进衬底研发历程（左）和2018-2025E年全球及天岳先进绝缘性SiC衬底销量预测（万片）（右）） 2021H1天岳先进绝大部分营收来自于半绝缘型衬底。在2021年上半年天岳先进营收构成中，半绝缘型衬底占比高达77%，导电型衬底占比可以忽略不计。2022年7月，公司公告宣布与特定客户签订合同，于2023-2025年向该客户销售6英寸导电型碳化硅衬底，销售额达13.93亿元。此次合同的签订证明公司在导电型衬底技术上实现突破，未来导电型衬底收入占比有望迎来快速提升。   （3）天科合达 公司自2006 年成立以来，一直专注于碳化硅晶体生长和晶片生产领域。先后研制出 2 英寸、3 英寸、4 英寸碳化硅衬底，于 2014 年在国内首次研制出 6 英寸碳化硅晶片，并已形成规模化生产能力，工艺技术水平处于国内领先地位。公司已具备成熟的 6 英寸晶片制备技术并实现规模化供应，8 英寸产品仍在研发阶段。2021年12月，公司披露通过16949车规认证。

图 24 天科合达SiC研发历史 据Yole Development统计，2018年天科合达导电型衬底在全球市场的占有率为1.7%，排名全球第六、国内第一。因此天科合达主要专攻导电型衬底。天科合达主要营收来自于SiC晶片的生产和SiC单晶炉销售。天科合达48%的营业收入来自于SiC晶片，15%来自于SiC单晶生长炉，有80%以上来自于SiC相关产品。

图 25 2018年导电型SiC衬底天科合达全球第六（左）和2019年天科合达主营构成（右） （4）晶盛机电 晶盛机电是国内领先的高新技术企业，专注于“先进材料、先进装备”，以“打造半导体材料装备领先企业，发展绿色智能高科技制造产业”为使命。公司多年深耕半导体材料和装备技术与工艺，经过多年技术沉淀逐步形成了先进材料、先进装备双引擎可持续发展的战略定位，围绕硅、蓝宝石、碳化硅三大主要半导体材料开发出一系列关键设备，并延伸到碳化硅衬底材料领域。 晶盛机电经过多年研发，成功生长出8英寸SiC衬底。公司通过自有籽晶经过多轮扩径，成功生长出8英寸N型碳化硅晶体，解决了8英寸碳化硅晶体生长过程中温场不均，晶体开裂、气相原料分布等难点问题，破解了碳化硅器件成本中衬底材料占比过高的难题，为大尺寸碳化硅衬底的广泛应用打下基础。 公司从2017年开始布局碳化硅业务，到2020年建立长晶和加工中试线，SiC晶体直径也从最初的4英寸增大到如今的8英寸，进一步缩小国内外技术差距，保障我国碳化硅产业在关键核心技术上的自主可控。

图 26 晶盛机电成功研发8英寸SIC晶体  

3.2主要外延厂商

（1）东莞天域 天域(TYSiC)成立于2009年，是中国第一家从事碳化硅(SiC)外延晶片市场营销、研发和制造的民营企业。2010年，天域与中国科学院半导体研究所合作，共同创建了碳化硅研究所。其生产出来的低缺陷、高均匀性6英寸外延片达到了全球领先的技术指标。东莞天域在外延制造技术上位于领先位置，具有低缺陷、高度均匀性6英寸4HSiC外延生长技术。密度小于0.2每平方厘米、可用面积大于98%、BPD小于0.1每平方厘米。外延层载流子浓度均匀性小于2%、外延层厚度均匀性小于1%。天域是国内最早实现6英寸外延晶片量产的公司，目前正在布局积极发展8英寸SiC外延片系列产品批量生产。  

图 27 东莞天域6英寸SiC外延低缺陷密度（左）和6英寸SiC外延高度均匀（右） 公司产品类型涵盖单极型与双极型、中低压及超高压全系列规格。为全球客户提供n-型和p-型掺杂外延材料、制作肖特基二极管、JFET、BJT、MOSFET，GTO和IGBT等。普遍应用包括：电源/PFC、光伏、新能源汽车电驱系统及充电桩、风能、高铁、智能电网及船舶等领域。   （2）瀚天天成 瀚天天成是我国第一大SiC半导体纯外延晶片生产商，也是国内首家提供商业化6英寸SiC外延晶片生产商。目前可提供标准的3英寸、4英寸和6英寸碳化硅外延晶片，用于肖特基二极管（SBD）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、结型场效应晶体管（JFET）和双极结型晶体管（BJT）的制作。这些电力电子器件可广泛应用于包括太阳能逆变器、风力发电、混合动力及电动汽车等绿色能源和节能系统。 目前瀚天天成碳化硅产业园项目已安装28条产线，预计年底增加至50条产线。2022年预计销售11万片左右6英寸碳化硅外延晶片产品，实现产值约11亿元。2023年全部达产后，可实现产值约24亿元。该项目将极大地促进上游的碳化硅衬底生长加工企业和下游的碳化硅器件制造企业的快速发展，形成完整的碳化硅产业链，   表 10 瀚天天成部分碳化硅项目建设情况

3.3主要器件厂商

（1）海外龙头—英飞凌 英飞凌作为欧洲老牌半导体企业，是功率器件龙头企业，多年来持续发力SiC器件。自1992年开始研发SiC功率器件，并不断推出SiC领域相关新器件。2020年SiC功率器件市场中，英飞凌以13.3%的市场份额位列全球市场第四位。 英飞凌积极布局产业链，与上下游相关企业达成合作意向。与Wolfspeed(Cree)签订1亿美元合同，锁定6英寸SiC晶圆；与GTAT签订5年期SiC晶棒供应协议；收购赛普拉斯，成为全球第一大车用半导体供应商；与大众汽车集团合作，成为FSAT项目合作伙伴。 在产品方面，英飞凌凭借更高功率密度，更加小巧、轻便的设计，在电源管理及射频领域抢占市场先机。目前公司的硅产品包括低压 MOS、高压 MOS，以及 IGBT 等。2018 年英飞凌收购了初创公司 Siltectra的冷切割创新技术，可使单片晶圆产出的芯片数量翻倍。在中低功率SiC 器件方面，2020 年英飞凌在 1200V 系列基础上，发布了 TO-247 封装的 650V CoolSiC MOSFET，进一步完善了产品组合。  

图 28 英飞凌SIC产品发展路线（左）1700VSiCMOSFETb比1500硅MOSFET提高效率2.5% （2）海外龙头—罗姆 罗姆成立于1958年，是全球知名的半导体厂商，也是SiC器件市场市场份额占比前三的国外传统功率龙头公司。通过在日本国内外工厂投建新厂房和更新制造设备等举措，致力于不断增强产能。 罗姆于2019年推出的经典SiC器件产品SiCMOSFET，其中“SCT3xxxxxHR系列”共10个型号，该系列产品支持汽车电子产品可靠性标准AEC_x0002_Q101，而且产品阵容丰富，拥有13个机型。 目前罗姆公司针对SiC主驱逆变器应用研发了最新一代的SiC器件，具有业界顶尖的RonA，现在已经有了样品，即将推向市场，目前已有多家客户正进行评估。在封装方面，罗姆支持双面散热模块，支持银烧结技术，对可靠性和散热方面都有非常好的改善。另外，罗姆作为少数几家IDM模式厂商之一，具备衬底、外延、器件、模块垂直一体化布局，正着力开发8英寸SiC产品

图 29 罗姆的产品及下游应用   （3）时代电气 时代电气主要从事轨道交通装备产品的研发、设计、制造、销售并提供相关服务，在轨交装备行业具有领导地位，拥有“器件+系统+整机”的产业结构，同时公司还积极布局了功率半导体器件、工业变流产品、新能源汽车电驱系统、传感器件、海工装备等领域的业务。在功率半导体器件领域，公司产品布局覆盖 IGBT 及FRD 模块、SiC 芯片及器件、整流管及晶闸管产品线，产品应用领域包括光伏、轨交、电网、新能源汽车等领域，其中在轨交电网领域公司 2021 年 IGBT 交付量为全国第一。 时代电气SiC领域布局国内领先。时代自2011年起便与中科院微电子所合作布局碳化硅，自主研发掌握了具有核心自主知识产权的MOSFET芯片及SBD芯片。当前公司产品主要包括SBD芯片及器件、MOSFET芯片及器件、SiC模块三大产品线，电压范围覆盖650V-3300V，产品广泛应用于光伏、轨交、电网、新能源汽车、充电桩等领域。2021年12月，公司发布了国内首款基于自主SiC大功率电驱产品C-Power220s，系统最高效率可达94%，能够适配高端车型，具有功率密度高、系统损耗少、续航能力强等优势。 表 11 时代电气SiC领域产品情况介绍

公司目前已经构建了具有全套特色先进SiC工艺技术的4英寸和6英寸平台，并继续进行扩产提升。2022年4月公司发布公告，将投资4.6亿元升级SiC产线，项目建成后，公司现有的平面栅SiCMOSFET芯片技术能力将提升至满足沟槽栅SiCMOSFET的研发，现有的4英寸SiC芯片线年1万片/年的能力提升到6英寸SiC芯片线2.5万片/年。 （4）斯达半导 斯达半导成立于2005年，是国内IGBT模块的龙头企业，主要从事以IGBT为主的功率半导体芯片和模块的设计、研发生产和销售，产品应用领域包括工控与电机节能、新能源、变频白色家电及其他领域。在工控与电机节能领域，公司产品在变频器、逆变焊机和UPS上有所应用；在新能源领域，公司产品应用于风机逆变器、太阳能逆变器、汽车驱动；在其他领域，公司产品应用于机车牵引、智能电网、舰船电气化、变频家电等。当前公司是国内新能源汽车、光伏及风电逆变器、头部变频企业IGBT模块的主要供应商。 公司在IGBT的技术基础上不断发展以SiC和主的宽禁带功率半导体器件关键技术。斯达作为国内车规级SiC模块的重要供应商，车规级SiC模块已获得了国内外多家车企和Tier1的项目定点，有较强的市场竞争力。截至2021年9月8日，公司已经获得总金额超3.4亿元的车规级SiCMOSFET模块订单，交货期在2022-2023年。2021年公司通过非公开发行A股募集资金投资5亿元于SiC芯片研发及产业化项目，该项目建设周期为3年，将专注于开展SiC功率芯片和产业化，加快公司在SiC芯片上的技术突破，抢占国产替代机会下的市场份额，提升公司的核心竞争力。该项目达产后，公司将形成年产6万片6英寸SiC芯片的生产能力，进一步为公司SiC领域布局加码。

四、 总结

随着新能源产业和电动汽车市场的蓬勃发展，对于功率器件的需求也在快速崛起。随着半导体材料的不断发展，传统硅基半导体受限于摩尔定律，逐渐不适应于半导体行业的发展需求，而第三代半导体因其优越杰出的材料性能，相较前两代半导体更适用于高压、高温场景，且能耗更低，SiC则是第三代半导体的经典应用。经过数十年的发展，碳化硅材料的制备技术日臻成熟，逐渐迎来了应用的黄金期。   由于碳化硅成本高昂和制备工艺复杂，目前阶段，碳化硅器件在全球半导体市场的渗透率较低，预计到2023年仍然不足4%，但在未来几年，碳化硅功率器件将以34%年均复合增长率快速增长，迎来碳化硅市场的爆发。预计到2027年全球SiC功率半导体市场规模有望突破60亿美元。   总体来说，碳化硅产业价值链比较清晰，主要包括衬底、外延、器件和应用，其中作为基础材料的衬底和外延占据了制造成本中的70%，这与传统硅基器件中晶圆制造占一半以上的成本上有着极大不同。碳化硅器件上游衬底和外延价值量凸显，也让许多厂商纷纷布局这两个环节。   就衬底而言，国内外厂商市场占比极不均匀，Wolfspeed、Ⅱ-Ⅳ、SiCrystal等三家海外厂商就占据了全球89%的市场，国内企业市场份额较小。其主要原因是衬底制备工艺复杂、技术要求较高，在长晶、切割等方面良率提升困难，国内厂商技术积累不足，虽然已经有天岳先进、天科合达等国内厂商在技术上进行追赶，但是想要重塑行业格局尚需一定时日。   随着技术的发展，全球衬底产能逐渐向大尺寸转移，Wolf speed已经实现8英寸碳化硅衬底的量产，国内尺寸迭代较海外厂商略慢一筹，但是晶盛机电、天岳先进等厂商也宣布掌握了8英寸碳化硅衬底制备技术。与此同时，面对当前碳化硅供不应求的状况，海内外厂商纷纷布局扩产，在产能上来之后，预计碳化硅价格将迎来一定程度的下降，国内衬底产品与国外衬底产品的技术差距也在缩小，随着国内碳化硅产能跟上需求，未来国内厂商在碳化硅器件上也会迎来许多机会。   外延和器件产品的市场格局与衬底类似，由于主要外延设备为国外垄断，国内厂商主要从以外延晶片生产为主要切入方向，目前中国SiC外延晶片主要产线均为4英寸和6英寸，尚未涉及8英寸的量产。   SiC器件方面，由于器件对稳定性要求较高，需要较长的验证周期，因此中国厂商切入进程较慢，还未形成一定规模的市占率，但存在国产厂商如士兰微、斯达等已实现器件规模生产并在功率MOSFET、IGBT单管、IGBT模块等部分领域跻身全球前十。随着碳化硅材料的渗透率不断上升，未来碳化硅器件在也新能源车、光伏、储能等领域拥有巨大的市场机会，下游器件厂商也拥有超车机会。   总而言之，碳化硅价值链的核心在于材料，在于衬底和外延。因为随着上游衬底和外延技术的不断突破，带动碳化硅材料产能的提升，也会带动下游碳化硅器件行业的发展。虽然目前国内外厂商在技术、尺寸上仍然有着一定的差距，但是随着国内厂商不断深耕技术和工艺，提升衬底制备的良率，突破外延设备的垄断，带动国内下游碳化硅器件厂商的发展。未必不能在第三代半导体发展中抓住超车机会。   审核编辑：黄飞