（報(bào)告出品方/作者：中國(guó)銀河證券，高峰，王子路）

核心觀點(diǎn)：

第三代半導(dǎo)體：更先進(jìn)的材料，更優(yōu)異的產(chǎn)品特性。第三代半導(dǎo)體材料是指帶隙寬度達(dá)到2.0-6.0eV的寬禁帶半導(dǎo)體材料，包 括了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN），是制造高壓大功率電力電子器件的突破性材料。相比硅基，SiC材料在熱導(dǎo)率、開(kāi)關(guān)頻 率、電子遷移率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)均具備優(yōu)勢(shì)，因此SiC材料具備更高效率和功率密度。從產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，襯底是價(jià)值鏈核心，在成本 SIC SBD器件中，襯底價(jià)值量占比達(dá)到47%。我們認(rèn)為，襯底價(jià)格下降是推動(dòng)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的核心環(huán)節(jié)，襯底行業(yè)的發(fā)展也 是未來(lái)SiC產(chǎn)業(yè)降本增效和商業(yè)化落地的核心驅(qū)動(dòng)因素。

一第三代半導(dǎo)體：更先進(jìn)的材料，更優(yōu)異的產(chǎn)品特性

實(shí)現(xiàn)對(duì)電能高效轉(zhuǎn)換和控制是電力電子領(lǐng)域關(guān)鍵步驟

電力電子技術(shù)是能夠有效利用功率器件、應(yīng)用電路和設(shè)計(jì)理論及分析方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的高效變換和控制一 門技術(shù)。電力電子技術(shù)始于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)40余年發(fā)展，目前已成為現(xiàn)在工業(yè)社會(huì)非常重要的支撐產(chǎn) 業(yè)之一。在大量實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，例如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍工、航空航天、石油冶煉、核工業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)， 大到百兆直流輸電裝置，小到家用電器，均能看到電力電子裝置的身影。

第三代半導(dǎo)體的材料的分類和應(yīng)用

第三代半導(dǎo)體材料是繼以硅（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表的第一代和第二代半導(dǎo)體材料之后，迅速發(fā)展 起來(lái)的寬禁帶半導(dǎo)體材料。具體是指帶隙寬度達(dá)到2.0-6.0eV的寬禁帶半導(dǎo)體材料，包括了碳化硅（SiC） 和氮化鎵（GaN）,從現(xiàn)階段發(fā)展來(lái)看，GaN材料更適合1000V以下電壓等級(jí)，高開(kāi)關(guān)頻率的器件，相比之下， SiC材料及器件能用在10kV以下應(yīng)用場(chǎng)景，更適合制作高壓大功率電力電子裝置，且目前SiC功率器件商業(yè) 化落地速度極快。

SiC應(yīng)用場(chǎng)景多用于制作功率和射頻器件

從SiC材料適用范圍來(lái)看，碳化硅器件可廣泛應(yīng)用于高壓、高頻和大電流場(chǎng)景，因此十分適合光伏、新能 源車和5G通信領(lǐng)域。從電化學(xué)性質(zhì)差異來(lái)看，SiC襯底材料可以分為導(dǎo)電型襯底（電阻率區(qū)間15~30mΩ·cm）和半絕緣型襯底 （電阻率高于105Ω·cm），在不同襯底片上生長(zhǎng)GaN外延制成HEMT等微波射頻器件，應(yīng)用于5G通信、衛(wèi)星 、雷達(dá)等領(lǐng)域。在導(dǎo)電型襯底片上生長(zhǎng)SiC外延層，通過(guò)進(jìn)一步加工制成SiC SBD，SiC MOSFET等功率器件， 應(yīng)用于新能源車電驅(qū)電控、OBD和DC/DC，光伏逆變電站、軌交、電網(wǎng)和航空領(lǐng)域。

相比硅基材料，SiC材料特性優(yōu)勢(shì)

SiC的發(fā)現(xiàn)始于1824年的瑞典科學(xué)家J.J.Berzelius，但是鑒于當(dāng)時(shí)硅（Si）技術(shù)的卓越發(fā)展，SiC的研究 工作沒(méi)有再進(jìn)一步。直到20實(shí)際90年代，Si基電力電子裝置出現(xiàn)了性能瓶頸，再次激發(fā)了相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)SiC 材料的研究興趣。由于Si和C之間的共價(jià)鍵比Si原子之間的要強(qiáng)，因此SiC材料要比Si材料具備更高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度、載流子 飽和漂移速率、惹到行和熱穩(wěn)定性。SiC具有250多種不同晶體結(jié)構(gòu)，但目前能商業(yè)化落地只有4H-SiC和 6H-SiC，由于4H-SiC相比6H-SiC具備更高載流子遷移率，因此成為SiC基電力電子器件的首選。

在功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用場(chǎng)景，SiC器件表現(xiàn)出絕對(duì)優(yōu)勢(shì)

在同電壓場(chǎng)景下，寬禁帶半導(dǎo)體能做到更薄和更低的電阻。相同規(guī)格的SiC基MOSFET和Si基MOSFET相比， 導(dǎo)通電阻降低為1/200，尺寸減小為1/10；相同規(guī)格的使用SiC基MOSFET的逆變器和使用Si基IGBT相比，總 能量損失小于1/4。在OBC充電樁場(chǎng)景下，SiC更高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，極低的導(dǎo)通電阻使得SiC能在22kW快充條件下實(shí)現(xiàn)更少期 間數(shù)量和更高運(yùn)行效率。在使用SiC材料情況下，相同功率條件下，期間個(gè)數(shù)也由22只硅基IGBT減少至14 只SiC MOSFET。

產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)狀：襯底為價(jià)值鏈核心，呈現(xiàn)供不應(yīng)求局面

在成品SIC SBD器件占比中，襯底、外延和前段開(kāi)發(fā)公司占比47%、23%和19%，主要原因系長(zhǎng)晶緩慢且良率 偏低，同時(shí)鑒于材質(zhì)等物理特性原因，切割破損率高進(jìn)一步推高器件整體成本。目前導(dǎo)電型SiC襯底以n型 襯底為主，外延GaN基LED等光電子器件、SiC基電力電子器件等，半絕緣SiC襯底主要用于外延制造GaN高 功率射頻器件。我們認(rèn)為未來(lái)SiC襯底價(jià)格下降是推動(dòng)碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的核心環(huán)節(jié)，襯底行業(yè)的發(fā)展也是未來(lái)SiC產(chǎn)業(yè)降 本增效和商業(yè)化落地的核心驅(qū)動(dòng)因素。

二市場(chǎng)空間仍待開(kāi)發(fā)，產(chǎn)業(yè)鏈成熟度逐步提升

SiC行業(yè)正處于加速成長(zhǎng)期，市場(chǎng)規(guī)模快速增長(zhǎng)

第三代半導(dǎo)體行業(yè)加速發(fā)展，新能源產(chǎn)業(yè)鏈為增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)核心競(jìng)爭(zhēng)力。盡管第三代半導(dǎo)體發(fā)現(xiàn)時(shí)間很早，但 受制于成本和產(chǎn)業(yè)鏈不成熟等因素并未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化落地，2019年，以GaN-on-SiC等射頻器件的推廣， 對(duì)設(shè)備開(kāi)發(fā)，襯底和外延技術(shù)的推動(dòng)形成了正向反饋。同時(shí)Wolfspeed已完成8英寸SiC襯底片的流片，6英 寸產(chǎn)業(yè)鏈大規(guī)模商業(yè)化落地已逐步成型。 同時(shí)SiC功率器件廣泛用于新能源汽車、光伏、軌道交通等領(lǐng)域，未來(lái)市場(chǎng)增速能夠得到保證。同時(shí)國(guó)內(nèi) 市場(chǎng)也有多家企業(yè)布局SiC產(chǎn)業(yè)，未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局將持續(xù)深化。

市場(chǎng)空間：預(yù)計(jì)27年市場(chǎng)空間將超過(guò)60億美元

預(yù)計(jì)27年市場(chǎng)空間將超過(guò)60億美元。根據(jù)Yole測(cè)算，僅碳化硅器件中的功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將從2021年的 10.90億美金增長(zhǎng)至2027年的62.97億美金，復(fù)合年增長(zhǎng)率約34%。從細(xì)分行業(yè)來(lái)看，新能源產(chǎn)業(yè)鏈和充電基礎(chǔ)設(shè)施將為增長(zhǎng)最快領(lǐng)域。

需求：新能源車領(lǐng)域?qū)⑹荢iC器件需求最大領(lǐng)域

SiC器件主要應(yīng)用在車載充電器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器上。在2017年之前車載充電器主要以SiC SBD 為主，而在2017年后SiC SBD和SiC MOSFET的方案已經(jīng)成熟。在2018年，DC/DC轉(zhuǎn)換器也由Si MOSFET逐漸 變成以SiC MOSFET為主。 特斯拉（Tesla）在2018年，將Model 3車型的主驅(qū)動(dòng)逆變器中已經(jīng)使用了SiC MOSFET，將Si IGBT替換為 SiC器件后，新能源汽車逆變器效率可以大幅提升，相同續(xù)航下對(duì)電池容量需求降低，以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)冷卻 體積和重量的優(yōu)化，有效降低SiC器件本身帶來(lái)的成本增加。

三海外廠商為主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)企業(yè)正加速追趕

行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)：海外已突破8英寸節(jié)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)呈現(xiàn)后發(fā)優(yōu)勢(shì)

襯底市場(chǎng)海外走向8英寸，在導(dǎo)電型襯底仍有提升空間。目前國(guó)際主流企業(yè) WolfSpeed、II-VI 和 ST意法均已進(jìn)入8英寸樣品的研發(fā)。國(guó)內(nèi)企業(yè)還處于4、6英寸襯底導(dǎo)入階段，借鑒海外市場(chǎng)成熟經(jīng)驗(yàn)， 購(gòu)買相關(guān)設(shè)備和專利。 在全球半絕緣襯底材料領(lǐng)域，天岳先進(jìn)市場(chǎng)份額以達(dá)到30%，進(jìn)入全球前三；在導(dǎo)電型SiC市場(chǎng)仍然以 海外市場(chǎng)主導(dǎo)，國(guó)內(nèi)單一企業(yè)市場(chǎng)占有率均不足1%，仍有較大市場(chǎng)空間。

第三代半導(dǎo)體有望在國(guó)家支持下快速發(fā)展

第三代半導(dǎo)體有望在國(guó)家支持下快速發(fā)展。我國(guó)的“中國(guó)制造2025”計(jì)劃中明確提出要大力發(fā)展第三代半 導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。2015年5月，中國(guó)建立第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新基地，搶占第三代半導(dǎo)體戰(zhàn)略新高地， 對(duì)推動(dòng)我國(guó)第三代半導(dǎo)體材料及器件研發(fā)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。我們預(yù)計(jì)，未來(lái)幾年在5G及新能 源車快速推廣和滲透的背景下，第三代半導(dǎo)體將迎來(lái)較快增長(zhǎng)，相關(guān)領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)來(lái)更大力度、更有針對(duì)性 的支持。

四滲透率提升市場(chǎng)空間打開(kāi)，短期分歧不改長(zhǎng)期趨勢(shì)

分歧：長(zhǎng)期系統(tǒng)成本降低VS短期單一器件成本

目前車廠主驅(qū)逆變由IGBT模塊切換成SiC的首要障礙是成本。從逆變器角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)前碳化硅逆變器本身 模塊價(jià)格是硅基的2-3倍，英飛凌HPD 1000-1500元，SiC模塊4500元。若采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，單車成本上市 幅度就要增加6000-7000元，同時(shí)SiC功率模塊不匹配的CTE(熱膨脹系數(shù))容易使各層相互分離,引發(fā)器件失 效，因此需要合適的封裝和系統(tǒng)集成創(chuàng)新方案。 盡管在整體集成上，PCB板用料減少、散熱器件減少等會(huì)降低成本，但是目前應(yīng)用SiC晶圓價(jià)格仍保持每年 5%-10%左右下降，短期單一器件價(jià)格仍存下降空間。

長(zhǎng)期襯底價(jià)格下降，SiC器件接受度和滲透率迎提升

襯底制備技術(shù)成熟度帶動(dòng)良率提升、SiC廠商擴(kuò)產(chǎn)帶來(lái)的供給量上升、產(chǎn)線向大尺寸晶圓轉(zhuǎn)移，三大因素 導(dǎo)致單SiC襯底片價(jià)格呈下降趨勢(shì)。根據(jù)CASA預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到未來(lái)5年，SiC襯底價(jià)格以每年5%-10%下降。 隨著SiC襯底價(jià)格下降，下游客戶對(duì)SiC器件帶來(lái)的性能提升接受度提升，價(jià)格敏感度下降，導(dǎo)致SiC器件 滲透率高速提升。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)到2025年，全球功率器件中，SiC器件滲透率將達(dá)到11.6%，突 破10%，預(yù)計(jì)到2027年，滲透率突破15%。

分歧：制造環(huán)節(jié)仍需打破壁壘

SiC材料特性會(huì)面臨工藝難題和產(chǎn)業(yè)化難題。碳化硅的瓶頸主要在工藝上，芯片制造需要使用到碳膜濺射 機(jī)、高溫退火爐、高溫離子注入機(jī)等專用設(shè)備。 例如，SiC無(wú)擴(kuò)散，滲雜需要高能注入，一般注入能量在300keV，甚至需要打二階到700keV以上，這會(huì)造 成工藝制造成本高、流片效率低，SiC芯片制造過(guò)程中需高溫注入，且還要高溫化退火工藝。其次，柵氧 工藝需要面對(duì)碳原子的反應(yīng)，會(huì)形成碳相關(guān)雜質(zhì)，需要高溫氧化工藝，皇冠級(jí)難度，由于硅產(chǎn)業(yè)無(wú)法借鑒， 工藝摸索、設(shè)備配套較局限，高溫爐子易受污染，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差。

分歧：IDM商業(yè)模式VS戰(zhàn)略合作

硅基半導(dǎo)體已經(jīng)形成了高度垂直分工的產(chǎn)業(yè)運(yùn)作模式。但與硅基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不同，SiC 產(chǎn)業(yè)目前來(lái)看，主 要是以IDM模式為主。SiC產(chǎn)業(yè)目前以IDM模式為主的主要原因：1) 設(shè)備相比硅晶圓制造較為便宜，產(chǎn)線資 本投入門檻相對(duì)較低；2) 受益于成熟的半導(dǎo)體工藝，SiC 器件設(shè)計(jì)相對(duì)不復(fù)雜；3) 掌握上下游整合能力 可以加速產(chǎn)品迭代周期，有效控制成本以及產(chǎn)品良率。 目前包括Wolfspeed、ST意法、羅姆均采用了IDM模式，國(guó)內(nèi)三安光電、泰克天潤(rùn)、基本半導(dǎo)體等也在努力 布局全產(chǎn)業(yè)鏈，持續(xù)完善垂直整合能力，強(qiáng)化競(jìng)爭(zhēng)力。

報(bào)告節(jié)選：

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