碳化硅概況

碳化硅介紹

碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導(dǎo)體材料，是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。相比傳統(tǒng)的硅材料（Si），碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導(dǎo)熱率為硅的4-5倍；擊穿電壓為硅的8-10倍；電子飽和漂移速率為硅的2-3倍，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高功率、高電壓、高頻率的需求，主要被用于制作高速、高頻、大功率及發(fā)光電子元器件，下游應(yīng)用領(lǐng)域包括智能電網(wǎng)、新能源汽車(chē)、光伏風(fēng)電、5G通信等，在功率器件領(lǐng)域，碳化硅二極管、MOSFET已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用。

圖表 1：半導(dǎo)體材料發(fā)展路徑

數(shù)據(jù)來(lái)源：浙商證券研究所

耐高溫。碳化硅的禁帶寬度是硅的2-3倍，在高溫下電子不易發(fā)生躍遷，可耐受更高的工作溫度，且碳化硅的熱導(dǎo)率是硅的4-5倍，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以顯著提升功率密度，同時(shí)降低對(duì)散熱系統(tǒng)的要求，使終端更加輕量和小型化。

耐高壓。碳化硅的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度是硅的10倍，能夠耐受更高的電壓，更適用于高電壓器件。

耐高頻。碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率，導(dǎo)致其器件在關(guān)斷過(guò)程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，能有效提高器件的開(kāi)關(guān)頻率，實(shí)現(xiàn)器件小型化。

低能量損耗。碳化硅相較于硅材料具有極低的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通損耗低；同時(shí)，碳化硅的高禁帶寬度大幅減少泄漏電流，功率損耗降低；此外，碳化硅器件在關(guān)斷過(guò)程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)損耗低。

圖表 2：不同半導(dǎo)體材料性能對(duì)比

數(shù)據(jù)來(lái)源：《寬禁帶半導(dǎo)體高頻及微波功率器件與電路》趙正平,浙商證券研究所

圖表 3：GaN、SiC與Si性能對(duì)比雷達(dá)圖

數(shù)據(jù)來(lái)源：天科合達(dá)招股書(shū)，浙商證券研究所

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

主要包括**襯底、外延、器件設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)等環(huán)節(jié)。**碳化硅從材料到半導(dǎo)體功率器件會(huì)經(jīng)歷單晶生長(zhǎng)、晶錠切片、外延生長(zhǎng)、晶圓設(shè)計(jì)、制造、封裝等工藝流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶錠，然后經(jīng)過(guò)切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底，經(jīng)外延生長(zhǎng)得到外延片。外延片經(jīng)過(guò)光刻、刻蝕、離子注入、金屬鈍化等工藝得到碳化硅晶圓，將晶圓切割成die，經(jīng)過(guò)封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。

產(chǎn)業(yè)鏈上游****1：襯底—晶體生長(zhǎng)為最核心工藝環(huán)節(jié)

碳化硅襯底約占碳化硅器件成本的47%，制造技術(shù)壁壘最高、價(jià)值量最大，是未來(lái)SiC大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的核心。

從電化學(xué)性質(zhì)差異來(lái)看，碳化硅襯底材料可以分為導(dǎo)電型襯底（電阻率區(qū)15~30mΩ·cm）和半絕緣型襯底（電阻率高于105Ω·cm）。這兩類襯底經(jīng)外延生長(zhǎng)后分別用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件、光電器件等。通過(guò)在半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進(jìn)一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件。與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。

圖表 4：半絕緣型和導(dǎo)電型碳化硅襯底的對(duì)比

數(shù)據(jù)來(lái)源：億渡數(shù)據(jù)

以高純碳粉、高純硅粉為原料合成碳化硅粉，在特殊溫場(chǎng)下生長(zhǎng)不同尺寸的碳化硅晶錠，再經(jīng)過(guò)多道加工工序產(chǎn)出碳化硅襯底。核心工藝流程包括：

原料合成：將高純的硅粉+碳粉按配方混合，在2000°C以上的高溫條件下于反應(yīng)腔室內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。再通過(guò)破碎、篩分、清洗等工序，得到滿足要求的高純碳化硅粉原料。

晶體生長(zhǎng)：為碳化硅襯底制造最核心工藝環(huán)節(jié)，決定了碳化硅襯底的電學(xué)性質(zhì)。目前晶體生長(zhǎng)的主要方法有物理氣相傳輸法（PVT）、高溫化學(xué)氣相沉積法（HT-CVD）和液相外延（LPE）三種方法。其中PVT法是現(xiàn)階段商業(yè)化生長(zhǎng)SiC襯底的主流方法，技術(shù)成熟度最高、工程化應(yīng)用最廣。

圖表 5：三種SiC襯底制作方法對(duì)比

晶體加工：通過(guò)晶錠加工、晶棒切割、研磨、拋光、清洗等環(huán)節(jié)，將碳化硅晶棒加工成襯底。

圖表 6：SiC襯底工藝流程

SiC 襯底制備難度大，導(dǎo)致其價(jià)格居高不下

溫場(chǎng)控制困難：Si 晶棒生長(zhǎng)只需 1500℃，而 SiC 晶棒需要在 2000℃以上高溫下進(jìn)行生長(zhǎng)，并且 SiC 同質(zhì)異構(gòu)體有 250 多種，但用于制作功率器件的主要是 4H-SiC 單晶結(jié)構(gòu)，如果不做精確控制，將會(huì)得到其他晶體結(jié)構(gòu)。此外，坩堝內(nèi)的溫度梯度決定了 SiC 升華傳輸?shù)乃俾省⒁约皻鈶B(tài)原子在晶體界面上排列生長(zhǎng)方式，進(jìn)而影響晶體生長(zhǎng)速度和結(jié)晶質(zhì)量，因此需要形成系統(tǒng)性的溫場(chǎng)控制技術(shù)。與 Si 材料相比，SiC 生產(chǎn)的差別還在如高溫離子注入、高溫氧化、高溫激活等高溫工藝上，以及這些高溫工藝所需求的硬掩模工藝等。

晶體生長(zhǎng)緩慢：Si 晶棒生長(zhǎng)速度可達(dá) 30～150mm/h，生產(chǎn) 1-3m 的硅晶棒僅需約 1 天的時(shí)間；而 SiC 晶棒以 PVT 法為例，生長(zhǎng)速度約為 0.2-0.4mm/h，7 天才能生長(zhǎng)不到 3-6cm，長(zhǎng)晶速度不到硅材料的百分之一，產(chǎn)能極為受限。

良品參數(shù)要求高、良率低：SiC 襯底的核心參數(shù)包括微管密度、位錯(cuò)密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等，在密閉高溫腔體內(nèi)進(jìn)行原子有序排列并完成晶體生長(zhǎng)，同時(shí)控制參數(shù)指標(biāo)，是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

材料硬度大、脆性高，切割耗時(shí)長(zhǎng)、磨損高：SiC 莫氏硬度達(dá) 9.25 僅次于金剛石，這導(dǎo)致其切割、研磨、拋光的加工難度顯著增加，將一個(gè) 3cm 厚的晶錠切割 35-40 片大致需要花費(fèi) 120 小時(shí)。另外，由于 SiC 脆性高，晶片加工磨損也會(huì)更多，產(chǎn)出比只有 60%左右。

發(fā)展趨勢(shì)：尺寸增加+價(jià)格下降

全球SiC市場(chǎng)6英寸量產(chǎn)線正走向成熟，領(lǐng)先公司已進(jìn)軍8英寸市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)正在開(kāi)發(fā)項(xiàng)目以6英寸為主。目前雖然國(guó)內(nèi)大部分公司還是以4寸產(chǎn)線為主，但是產(chǎn)業(yè)逐步向6英寸擴(kuò)展，隨著6英寸配套設(shè)備技術(shù)成熟后，國(guó)產(chǎn)SiC襯底技術(shù)也在逐步提升大尺寸產(chǎn)線的規(guī)模經(jīng)濟(jì)將會(huì)體現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)6英寸的量產(chǎn)時(shí)間差距縮小至7年。更大的晶圓尺寸可以帶來(lái)單片芯片數(shù)量的提升、提高產(chǎn)出率，以及降低邊緣芯片的比例，研發(fā)和良率損失部分成本也將保持在7%左右，從而提升晶圓利用率。

圖表 7：4-6-8英寸的芯片數(shù)量變化



數(shù)據(jù)來(lái)源：億渡數(shù)據(jù)

襯底直徑及大直徑襯底占比將不斷增加，助力全產(chǎn)業(yè)鏈降本。預(yù)計(jì)未來(lái)30年，大尺寸襯底的比例將不斷增加，在大部分襯底提供商具備新型大尺寸量產(chǎn)能力，一輪尺寸更新周期迭代完成后，襯底單位面積價(jià)格會(huì)迎來(lái)相對(duì)快速的降低。

SiC襯底價(jià)格會(huì)隨著尺寸增加有所下降，同時(shí)進(jìn)一步帶來(lái)銷量的穩(wěn)步上升。目前襯底發(fā)展最重要的方向趨勢(shì)是擴(kuò)大直徑，這會(huì)降低襯底生產(chǎn)成本進(jìn)而降低售價(jià)，價(jià)格的下降也會(huì)加速SiC襯底在各領(lǐng)域內(nèi)的滲透。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，SiC襯底和外延隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)逐步成熟(良率提升)和產(chǎn)能擴(kuò)張(供給提升)，預(yù)計(jì)襯底價(jià)格將以每年8%的速度下降。

產(chǎn)業(yè)鏈上游2：外延—提高 SiC 器件性能及可靠性的關(guān)鍵

與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，須在經(jīng)過(guò)切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上生長(zhǎng)一層微米級(jí)新單晶，新單晶和襯底可以是相同材料，也可以是不同材料，稱為同質(zhì)外延或異質(zhì)外延。外延層可以消除晶體生長(zhǎng)和加工時(shí)引入的表面或亞表面缺陷，使晶格排列整齊，表面形貌更優(yōu)，外延的質(zhì)量對(duì)最終器件的性能起關(guān)鍵影響作用。

圖表 8：SiC外延工藝

數(shù)據(jù)來(lái)源：Wolfspeed Investor Day 2021，財(cái)通證券研究所

碳化硅晶體生長(zhǎng)的過(guò)程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生缺陷、引入雜質(zhì)，導(dǎo)致襯底材料的質(zhì)量和性能都不夠好。而外延層的生長(zhǎng)可以消除襯底中的某些缺陷，使晶格排列整齊。控制碳化硅外延缺陷是制備高性能器件的關(guān)鍵，缺陷會(huì)對(duì)碳化硅功率器件的性能和可靠性有嚴(yán)重影響。TSD和TED基本不影響最終的碳化硅器件的性能，而B(niǎo)PD會(huì)引發(fā)器件性能的退化。堆垛層錯(cuò)、胡蘿卜缺陷、三角形缺陷、掉落物等缺陷，一旦出現(xiàn)在器件上，器件就會(huì)測(cè)試失敗，導(dǎo)致良率降低。

圖表 9：SiC材料常見(jiàn)缺陷



數(shù)據(jù)來(lái)源：基本半導(dǎo)體官網(wǎng)，財(cái)通證券研究所

碳化硅外延的制作方法包括：化學(xué)氣相淀積（CVD）、分子束外延（MBE）、液相外延法（LPE）、脈沖激光淀積和升華法（PLD）等，其中CVD法是最為普及的4H-SiC外延方法，其優(yōu)勢(shì)在于可以有效控制生長(zhǎng)過(guò)程中氣體源流量、反應(yīng)室溫度及壓力，精準(zhǔn)控制外延層的厚度、摻雜濃度以及摻雜類型，工藝可控性強(qiáng)。早期碳化硅是在無(wú)偏角襯底上外延生長(zhǎng)的，受多型體混合影響，外延效果不理想。隨后發(fā)展出臺(tái)階控制外延法，在不同偏角下斜切碳化硅襯底，形成高密度外延臺(tái)階，在實(shí)現(xiàn)低溫生長(zhǎng)的同時(shí)穩(wěn)定晶型的控制。隨后引入TCS，突破臺(tái)階控制外延法的限制，將生長(zhǎng)速率大幅提升至傳統(tǒng)方法的10倍以上。目前常用SiH4、CH4、C2H4作為反應(yīng)前驅(qū)氣體，N2和TMA作為雜質(zhì)源，使用4°斜切的4H-SiC襯底在1500-1650℃下生長(zhǎng)外延。

外延參數(shù)主要取決于器件設(shè)計(jì)，其中厚度和摻雜濃度為外延片關(guān)鍵參數(shù)。器件電壓越高，對(duì)外延厚度和摻雜濃度均勻性要求越高，生產(chǎn)難度越大。在600V低壓下，外延厚度需達(dá)6um左右，在1200-1700V中壓下，外延厚度需達(dá)10-15um左右，而在10kV的高壓下，外延厚度需達(dá)100um以上。在中、低壓應(yīng)用領(lǐng)域，碳化硅外延的技術(shù)相對(duì)比較成熟，外延片的厚度和摻雜濃度等參數(shù)較優(yōu)，基本可以滿足中低壓的SBD、JBS、MOS等器件的需求。而在高壓領(lǐng)域外延的技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較滯后。目前外延片需要攻克的難關(guān)還很多，主要參數(shù)指標(biāo)包括厚度、摻雜濃度均勻性、三角缺陷等，缺陷多主要影響大電流的器件制備，大電流需要大的芯片面積。

產(chǎn)業(yè)鏈中游1：器件設(shè)計(jì)仍難點(diǎn)眾多****

SiC二極管商業(yè)化逐步完善，目前國(guó)內(nèi)多家廠商已設(shè)計(jì)出SiC SBD產(chǎn)品，中高壓SiC SBD產(chǎn)品穩(wěn)定性較好，在車(chē)載OBC中，多采用SiC SBD+SI IGBT實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電流密度。目前國(guó)內(nèi)在SiC SBD產(chǎn)品上在專利設(shè)計(jì)方面沒(méi)有障礙，與國(guó)外差距較小。

SiC MOS仍存眾多難點(diǎn)，SiC MOS仍與海外廠商存在差距，相關(guān)制造平臺(tái)仍在搭建中。目前ST、英飛凌、Rohm等600-1700V SiC MOS已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并和多制造業(yè)達(dá)成簽單出貨，而國(guó)內(nèi)目前SiC MOS設(shè)計(jì)已基本完成，多家設(shè)計(jì)廠商正與晶圓廠流片階段，后期客戶驗(yàn)證仍需部分時(shí)間，因此距離大規(guī)模商業(yè)化仍有較長(zhǎng)時(shí)間。

目前平面型結(jié)構(gòu)為主流選擇，未來(lái)溝槽型在高壓領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。平面結(jié)構(gòu)SiC MOS廠商眾多，平面結(jié)構(gòu)相比溝槽不容易產(chǎn)生局部擊穿問(wèn)題，影響工作穩(wěn)定性，在1200V以下市場(chǎng)具備廣泛應(yīng)用價(jià)值，并且平面結(jié)構(gòu)在制造端相對(duì)簡(jiǎn)單，滿足可制造性和成本可控兩方面。溝槽型器件寄生電感極低，開(kāi)關(guān)速度快，損耗低，器件性能相對(duì)高效。

圖表 10：平面結(jié)構(gòu)與溝槽結(jié)構(gòu)的對(duì)比

數(shù)據(jù)來(lái)源：億渡數(shù)據(jù)

產(chǎn)業(yè)鏈中游2：器件制造技術(shù)尚需積累

SiC器件制造的工藝環(huán)節(jié)與硅基器件基本類似，包括涂膠、顯影、光刻、減薄、退火、摻雜、刻蝕、氧化、清洗等前道工藝。但由于碳化硅材料特性的不同，廠商在晶圓制造過(guò)程中需要特定的設(shè)備以及開(kāi)發(fā)特定的工藝，無(wú)法與過(guò)去的硅制程設(shè)備、工藝完全通用，因此當(dāng)前**SiC晶圓制造產(chǎn)能緊缺。**SiC晶圓制造特定工藝與Si工藝的一些差異點(diǎn)主要在于：

光刻對(duì)準(zhǔn)。由于SiC晶圓是透明的，因此CD-SEM和計(jì)量測(cè)量變得復(fù)雜，光刻對(duì)準(zhǔn)、設(shè)備傳送取片等難度較大。

蝕刻工藝。由于SiC在化學(xué)溶劑中呈現(xiàn)惰性，因此同光使用干法蝕刻。則掩膜材料、掩膜蝕刻的選擇、混合氣體、側(cè)壁斜率的控制、蝕刻速率、側(cè)壁粗糙度等都需要重新開(kāi)發(fā)。

高溫大劑量高能離子注入工藝。由于SiC器件的特性，SiC擴(kuò)散溫度遠(yuǎn)高于硅，傳統(tǒng)的熱擴(kuò)散在碳化硅中并不實(shí)用，摻雜時(shí)只能采用高溫離子注入的方式。

超高溫退火工藝。高溫離子注入會(huì)破壞材料本身的晶格結(jié)構(gòu)，因此需要在惰性氣體中高溫退火來(lái)恢復(fù)結(jié)構(gòu)，通常退火溫度高達(dá)1600-1700度，使SiC表面再結(jié)晶并電激活摻雜劑。

高質(zhì)量柵極氧化層生長(zhǎng)。較差的SiC/氧化硅界面質(zhì)量會(huì)降低MOSFET反轉(zhuǎn)層的遷移率，導(dǎo)致閾值電壓不穩(wěn)定，因此需要開(kāi)發(fā)鈍化技術(shù)，以提高SiC/氧化硅界面質(zhì)量。

SiC晶圓制造特定工藝帶來(lái)特定設(shè)備的需求，主要包括高溫離子注入機(jī)、高溫退火爐、SiC減薄設(shè)備、背面金屬沉積設(shè)備、背面激光退火設(shè)備、SiC襯底和外延片表面缺陷檢測(cè)和計(jì)量。其中，是否具備高溫離子注入機(jī)是衡量碳化硅產(chǎn)線的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

圖表 11：SiC晶圓制造在原來(lái)Si基礎(chǔ)上需求特定設(shè)備

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產(chǎn)業(yè)鏈中游3：最佳碳化硅器件封裝材料—AMB襯板

陶瓷基板按照工藝主要分為DBC、AMB、DPC、HTCC、LTCC等基板，國(guó)內(nèi)常用陶瓷基板材料主要為氧化鋁、氮化鋁和氮化硅，其中氧化鋁陶瓷基板最常用，主要采用DBC工藝；氮化鋁陶瓷基板導(dǎo)熱率較高，主要采用DBC和AMB工藝；氮化硅可靠性較為優(yōu)秀，主要采用AMB工藝。AMB工藝生產(chǎn)的陶瓷襯板主要運(yùn)用在功率半導(dǎo)體模塊上作為硅基、碳化基功率芯片的基底。

DBC襯板應(yīng)用場(chǎng)景受限，AMB襯板性能優(yōu)勢(shì)明顯。由于AMB氮化硅基板有較高熱導(dǎo)率（>90W/mK），可將非常厚的銅金屬（厚度可達(dá)0.8mm）焊接到相對(duì)薄的氮化硅陶瓷上，載流能力較高；且氮化硅陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第3代半導(dǎo)體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配更穩(wěn)定，因此成為SiC半導(dǎo)體導(dǎo)熱基板材料首選，特別在800V以上高端新能源汽車(chē)中應(yīng)用中不可或缺。另外，目前以硅基材料為主的IGBT模塊在具有高導(dǎo)熱性、高可靠性、高功率等要求的軌道交通、工業(yè)級(jí)、車(chē)規(guī)級(jí)領(lǐng)域正逐漸采用AMB陶瓷襯板替代原有的DBC陶瓷襯板。

中國(guó)AMB陶瓷基板主要依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)廠商加速擴(kuò)產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)行時(shí)。受益于SiC功率模塊新機(jī)遇，部分國(guó)際企業(yè)已在計(jì)劃對(duì)AMB進(jìn)行擴(kuò)產(chǎn)，開(kāi)始生產(chǎn)氮化硅陶瓷基板。與此同時(shí)，國(guó)產(chǎn)AMB基板廠商有望隨著擴(kuò)產(chǎn)加速國(guó)產(chǎn)替代，實(shí)現(xiàn)快速成長(zhǎng)。

圖表 11：DBC/AMB應(yīng)用場(chǎng)景比較

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產(chǎn)業(yè)鏈下游：應(yīng)用場(chǎng)景豐富，多領(lǐng)域需求驅(qū)動(dòng)

按照電學(xué)性能的不同，碳化硅材料制成的器件分為導(dǎo)電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅射頻器件，兩種類型碳化硅器件的終端應(yīng)用領(lǐng)域不同。導(dǎo)電型碳化硅功率器件是通過(guò)在低電阻率的導(dǎo)電型襯底上生長(zhǎng)碳化硅外延層后進(jìn)一步加工制成，包括造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等，主要用于電動(dòng)汽車(chē)、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、充電等。半絕緣型碳化硅基射頻器件是通過(guò)在高電阻率的半絕緣型碳化硅襯底上生長(zhǎng)氮化鎵外延層后進(jìn)一步加工制成，包括HEMT等氮化鎵射頻器件，主要用于5G通信、車(chē)載通信、國(guó)防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天。

圖表 12：兩種類型SiC器件終端用途

數(shù)據(jù)來(lái)源：公開(kāi)資料

增長(zhǎng)點(diǎn)1：汽車(chē)為碳化硅器件的最大終端應(yīng)用市場(chǎng)

未來(lái)隨著碳化硅器件在新能源汽車(chē)、能源、工業(yè)等領(lǐng)域滲透率不斷提升，碳化硅器件市場(chǎng)規(guī)模有望持續(xù)提升。根據(jù)Yole的預(yù)測(cè)，2027年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌?chǎng)規(guī)模有望達(dá)62.97億美元，2021-2027年CAGR達(dá)34%；其中汽車(chē)市場(chǎng)導(dǎo)電型碳化硅功率器件規(guī)模有望達(dá)49.86億美元，占比達(dá)79.2%，是導(dǎo)電型碳化硅功率器件第一大應(yīng)用市場(chǎng)。

圖表 13：2021年、2027年全球各細(xì)分市場(chǎng)導(dǎo)電型碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模

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碳化硅在汽車(chē)領(lǐng)域主要用于：主驅(qū)逆變器、車(chē)載充電系統(tǒng)(OBC)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(車(chē)載DC/DC)和非車(chē)載充電樁。根據(jù)全球碳化硅領(lǐng)域龍頭廠商Wolfspeed公司的預(yù)測(cè)，到2026年汽車(chē)中逆變器所占據(jù)的碳化硅價(jià)值量約為83%，是電動(dòng)汽車(chē)中價(jià)值量最大的部分。其次為OBC，價(jià)值量占比約為15%；DC-DC轉(zhuǎn)換器中SiC價(jià)值量占比在2%左右。

導(dǎo)電型碳化硅功率器件目前主要應(yīng)用于逆變器中。逆變器是一種將直流信號(hào)轉(zhuǎn)化為高壓交流電的裝置，在傳統(tǒng)硅基IGBT逆變器中，其基本原理為利用方波電源控制IGBT的開(kāi)關(guān)，使得原來(lái)的直流電路輸出方波高電壓，經(jīng)過(guò)整形模塊的整形后形成正弦電壓，即交流電。由于輸出電壓和輸出頻率可以任意控制，所以逆變器被廣泛用于控制交流電機(jī)和無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，是新能源發(fā)電、不間斷電源、電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通、白色家電、電力配送等領(lǐng)域不可或缺的功率轉(zhuǎn)換裝置。碳化硅MOSFET在電動(dòng)汽車(chē)主驅(qū)逆變器中相比Si-IGBT優(yōu)勢(shì)明顯，雖然當(dāng)前SiC器件單車(chē)價(jià)格高于Si-IGBT，但SiC器件的優(yōu)勢(shì)可降低整車(chē)系統(tǒng)成本：

（1）由于碳化硅MOSFET相比硅基IGBT功率轉(zhuǎn)換效率更高，根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，采用碳化硅MOSFET的電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航距離相比硅基IGBT可延長(zhǎng)5-10%，即在同樣續(xù)航里程的情況下可削減電池容量，降低電池成本。

（2）碳化硅MOSFET的高頻特性可使得逆變器線圈、電容小型化，電驅(qū)尺寸得以大幅減少，而可聽(tīng)噪聲的降低可以減少電機(jī)鐵損。

（3）碳化硅MOSFET可承受更高電壓，在電機(jī)功率相同的情況下可以通過(guò)提升電壓來(lái)降低電流強(qiáng)度，從而使得束線輕量化，節(jié)省安裝空間。

車(chē)載充電系統(tǒng)(OBC)可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對(duì)電池進(jìn)行充電，實(shí)現(xiàn)為電動(dòng)汽車(chē)的高壓直流電池組充電的功能，是決定充電功率和效率的關(guān)鍵器件。碳化硅MOSFET相比Si基器件能提升約50%的系統(tǒng)功率密度，從而能減少OBC的重量和體積，并節(jié)省磁感器件和驅(qū)動(dòng)器件成本。

圖表 14：OBC在電動(dòng)汽車(chē)中的作用

數(shù)據(jù)來(lái)源：億渡數(shù)據(jù)

電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(DC/DC)是轉(zhuǎn)變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器，可將動(dòng)力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，主要給車(chē)內(nèi)動(dòng)力轉(zhuǎn)向、水泵、車(chē)燈、空調(diào)等低壓用電系統(tǒng)供電。未來(lái)隨著電動(dòng)汽車(chē)電池電壓升至800V高壓平臺(tái)，1200V的SiC MOSFET有望被廣泛應(yīng)用于DC-DC轉(zhuǎn)換器中。

高壓充電樁能有效解決充電速度和里程焦慮的問(wèn)題，帶來(lái)對(duì)SiC器件需求的增加。當(dāng)前我國(guó)的車(chē)樁比難以匹配需求，車(chē)載充電及充電樁效率仍待提高，因此越來(lái)越多的整車(chē)廠布局800V高壓平臺(tái)。800V高壓系統(tǒng)通常指整車(chē)高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍達(dá)到550-930V的系統(tǒng)，相較于600V平臺(tái)：在同等充電功率下，工作電流更小，節(jié)省線束體積，降低電路內(nèi)阻損耗，提高充電效率和安全率；在同等電流的情況下，800V平臺(tái)可大幅提升總功率，顯著提高充電速度，已成為快速直流電充電的新解決方案。對(duì)于直流快速充電樁來(lái)說(shuō)，充電電壓升級(jí)至800V會(huì)帶來(lái)充電樁中的SiC功率器件需求大增。與MOSFET/IGBT單管設(shè)計(jì)的15-30kW相比，SiC模塊可將充電模塊功率提高至60kW以上，且和硅基功率器件相比，SiC功率器件可以大幅降低模塊數(shù)量，具有小體積優(yōu)勢(shì)。

圖表 15：不同電壓平臺(tái)下，SiC和Si基逆變器的損耗

數(shù)據(jù)來(lái)源：億渡數(shù)據(jù)

新能源車(chē)數(shù)量增速高于充電樁，我國(guó)充電樁市場(chǎng)缺口大。據(jù)中國(guó)能源報(bào)，截止2022年12月，全國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施累計(jì)總量約為521萬(wàn)臺(tái)，增量為259.3萬(wàn)臺(tái)，同比增加99.1%。其中公共充電樁增量為65.1萬(wàn)臺(tái)，同比上漲91.6%；隨車(chē)配建私人充電樁增量為194.2萬(wàn)臺(tái)，同比上升225.5%。截至2022年底，全國(guó)新能源汽車(chē)保有量達(dá)1310萬(wàn)輛，占汽車(chē)總量的4.10%，同比增長(zhǎng)67.13%，其中，純電動(dòng)汽車(chē)保有量1045萬(wàn)輛，占新能源汽車(chē)總量的79.78%。2022年底，我國(guó)新能源車(chē)車(chē)樁比為2.5：1，充電樁數(shù)量還存在巨大的缺口。

圖表 16：我國(guó)新能源充電樁數(shù)量存在較大缺口

數(shù)據(jù)來(lái)源：中國(guó)能源報(bào)，浙商證券研究所

**增長(zhǎng)點(diǎn)2：**SiC 賦能光伏發(fā)電，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)

政策驅(qū)動(dòng)光伏國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程加速，新增裝機(jī)量持續(xù)提升。光伏逆變器是可以將光伏（PV）太陽(yáng)能板產(chǎn)生的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為市電頻率交流電（AC）的逆變器，可以反饋回商用輸電系統(tǒng)，或是供離網(wǎng)的電網(wǎng)使用。根據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)（CPIA）數(shù)據(jù)，2021 年全球光伏新增裝機(jī)規(guī)模有望達(dá)到 170GW，創(chuàng)歷史新高，各國(guó)光伏新增裝機(jī)數(shù)據(jù)亮眼，其中中國(guó)新增裝機(jī)規(guī)模 54.88GW，同比增長(zhǎng)13.9%。未來(lái)在光伏發(fā)電成本持續(xù)下降和全球綠色復(fù)蘇等有利因素的推動(dòng)下，全球光伏市場(chǎng)將快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)“十四五”期間，全球光伏年均新增裝機(jī)超過(guò) 220GW，我國(guó)光伏年均新增裝機(jī)或?qū)⒊^(guò) 75GW。

圖表 17：全球與中國(guó)光伏規(guī)模增長(zhǎng)情況（GW）

數(shù)據(jù)來(lái)源：CPIA，財(cái)通證券研究所

使用Si基器件的傳統(tǒng)逆變器會(huì)帶來(lái)較大的系統(tǒng)能量損耗，而碳化硅的寬帶隙、高熱導(dǎo)率、高擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻使其能在更高的電壓及頻率下切換，散熱能力更佳，擁有更好的開(kāi)關(guān)效率和熱量累計(jì)。使用碳化硅功率器件的光伏逆變器可將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍，從而縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長(zhǎng)使用壽命。SiC 還可以通過(guò)降低無(wú)源元件的故障率、減少散熱器尺寸、減少占地面積和節(jié)省安裝成本等方式間接節(jié)約成本。

預(yù)計(jì) SiC 在光伏逆變器中滲透率逐步提高。根據(jù)觀研天下數(shù)據(jù)顯示，2020 年，SiC 光伏逆變器占比為 10%，預(yù)計(jì) 2025 年 SiC 光伏逆變器占比將達(dá)到 50%，2048 年達(dá)到 85%。目前從應(yīng)用端來(lái)看，受成本影響，SiC 在光伏逆變器上應(yīng)用有限，預(yù)期未來(lái)器件成本下降后，SiC 光伏逆變器應(yīng)用潛力將會(huì)大幅增加。CPIA 預(yù)測(cè)到2025 年，樂(lè)觀情景下全球光伏新增裝機(jī)量有望超 330GW。受益于光伏裝機(jī)量上升，逆變器市場(chǎng)需求將大幅增長(zhǎng)，我們測(cè)算 2025 年全球 SiC 光伏逆變器新增市場(chǎng)有望增長(zhǎng)至 108.90億元。

圖表 18：光伏SiC器件市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)

數(shù)據(jù)來(lái)源：CPIA，財(cái)通證券研究所

增長(zhǎng)點(diǎn)3：應(yīng)用場(chǎng)景多點(diǎn)開(kāi)花，滲透率逐步提升

射頻/5G：半絕緣型碳化硅器件廣泛應(yīng)用于射頻器件領(lǐng)域，受5G驅(qū)動(dòng)增長(zhǎng)良好。射頻器件是在無(wú)線通信領(lǐng)域負(fù)責(zé)信號(hào)轉(zhuǎn)換的部件，如功率放大器、射頻開(kāi)關(guān)、濾波器、低噪聲放大器等。目前主流的射頻器件材料有砷化鎵、硅基LDMOS、碳化硅基氮化鎵等不同類型。碳化硅基氮化鎵射頻器件同時(shí)具備碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于5G通信、車(chē)載通信、國(guó)防應(yīng)用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天等領(lǐng)域。據(jù)Yole Development預(yù)測(cè)，2025年全球射頻器件市場(chǎng)將超過(guò)250億美元，功率在3W以上的射頻器件市場(chǎng)中，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基LDMOS份額，占據(jù)射頻器件市場(chǎng)約50%的份額。

在應(yīng)用方面，5G通信推動(dòng)著碳化硅成為射頻器件的主流材料。5G通訊高頻、高速、高功率的特點(diǎn)對(duì)微波射頻器件提出了更高要求，對(duì)目前采用的砷化鎵和硅基LDMOS器件提出了挑戰(zhàn)。不同于砷化鎵和硅基LDMOS器件的固有缺陷，如高頻段性能差、功率效率較差等。由于半絕緣型碳化硅襯底制備的氮化鎵射頻器件在高頻段表現(xiàn)良好、能抗高溫高壓，具有高功率處理能力，已逐步成為5G時(shí)代較大基站功率放大器的候選技術(shù)。

智能電網(wǎng)：目前電網(wǎng)使用的硅基器件的參數(shù)性能已接近其材料的物理極限，無(wú)法擔(dān)負(fù)起支撐大規(guī)模清潔能源生產(chǎn)傳輸和消納吸收的重任。SiC在智能電網(wǎng)的主要應(yīng)用場(chǎng)景包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置。碳化硅在電壓等級(jí)、導(dǎo)通電阻和開(kāi)關(guān)速度方面的優(yōu)勢(shì)能很好的適配電力系統(tǒng)對(duì)電壓、功率和可靠性的更高要求，可以直接替換硅器件，提升電能轉(zhuǎn)換效率和功率密度，同時(shí)還能簡(jiǎn)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)新的并網(wǎng)功能如增加電網(wǎng)穩(wěn)定性，提供有源濾波功能等。

圖表 19：碳化硅的單位面積導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于硅器件

數(shù)據(jù)來(lái)源：《應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)的碳化硅電力電子技術(shù)》，浙商證券研究所

軌道交通：在軌道交通領(lǐng)域，牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機(jī)等環(huán)節(jié)均可用到SiC功率器件，其中牽引變流器是核心器件，采用SiC功率器件替代后，在高溫、高頻和低損耗方面得到顯著改善，有效減小整體器件的體積和重量，符合大容量、輕量化和節(jié)能型的需求。目前 SiC 器件已在城市軌道交通系統(tǒng)中得以應(yīng)用，蘇州軌交3號(hào)線0312號(hào)列車(chē)是國(guó)內(nèi)首個(gè)基于SiC變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了牽引節(jié)能20%的目標(biāo)。

圖表 20：碳化硅模塊的開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗均優(yōu)于傳統(tǒng)硅模塊

數(shù)據(jù)來(lái)源：《基于混合碳化硅器件的城市軌道交通車(chē)輛牽引節(jié)能研究》

主要參考：浙商證券研究所報(bào)告；財(cái)通證券研究報(bào)告；億渡數(shù)據(jù)研究報(bào)告

審核編輯：劉清