（報告出品方/作者：中國銀河證券，高峰，王子路）

核心觀點：

第三代半導體：更先進的材料，更優(yōu)異的產品特性。第三代半導體材料是指帶隙寬度達到2.0-6.0eV的寬禁帶半導體材料，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材料在熱導率、開關頻 率、電子遷移率和擊穿場強均具備優(yōu)勢，因此SiC材料具備更高效率和功率密度。從產業(yè)鏈來看，襯底是價值鏈核心，在成本 SIC SBD器件中，襯底價值量占比達到47%。我們認為，襯底價格下降是推動碳化硅產業(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SiC產業(yè)降本增效和商業(yè)化落地的核心驅動因素。

一第三代半導體：更先進的材料，更優(yōu)異的產品特性

實現(xiàn)對電能高效轉換和控制是電力電子領域關鍵步驟

電力電子技術是能夠有效利用功率器件、應用電路和設計理論及分析方法實現(xiàn)對電能的高效變換和控制一 門技術。電力電子技術始于20世紀70年代，經過40余年發(fā)展，目前已成為現(xiàn)在工業(yè)社會非常重要的支撐產 業(yè)之一。在大量實際應用場景下，例如農業(yè)生產、國防軍工、航空航天、石油冶煉、核工業(yè)和新能源產業(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。

第三代半導體的材料的分類和應用

第三代半導體材料是繼以硅（Si）和砷化鎵（GaAs）為代表的第一代和第二代半導體材料之后，迅速發(fā)展 起來的寬禁帶半導體材料。具體是指帶隙寬度達到2.0-6.0eV的寬禁帶半導體材料，包括了碳化硅（SiC） 和氮化鎵（GaN）,從現(xiàn)階段發(fā)展來看，GaN材料更適合1000V以下電壓等級，高開關頻率的器件，相比之下， SiC材料及器件能用在10kV以下應用場景，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應用場景多用于制作功率和射頻器件

從SiC材料適用范圍來看，碳化硅器件可廣泛應用于高壓、高頻和大電流場景，因此十分適合光伏、新能 源車和5G通信領域。從電化學性質差異來看，SiC襯底材料可以分為導電型襯底（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GaN外延制成HEMT等微波射頻器件，應用于5G通信、衛(wèi)星 、雷達等領域。在導電型襯底片上生長SiC外延層，通過進一步加工制成SiC SBD，SiC MOSFET等功率器件， 應用于新能源車電驅電控、OBD和DC/DC，光伏逆變電站、軌交、電網和航空領域。

相比硅基材料，SiC材料特性優(yōu)勢

SiC的發(fā)現(xiàn)始于1824年的瑞典科學家J.J.Berzelius，但是鑒于當時硅（Si）技術的卓越發(fā)展，SiC的研究 工作沒有再進一步。直到20實際90年代，Si基電力電子裝置出現(xiàn)了性能瓶頸，再次激發(fā)了相關機構對SiC 材料的研究興趣。由于Si和C之間的共價鍵比Si原子之間的要強，因此SiC材料要比Si材料具備更高的擊穿電場強度、載流子 飽和漂移速率、惹到行和熱穩(wěn)定性。SiC具有250多種不同晶體結構，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。

在功率轉換應用場景，SiC器件表現(xiàn)出絕對優(yōu)勢

在同電壓場景下，寬禁帶半導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充電樁場景下，SiC更高的擊穿電場強度，極低的導通電阻使得SiC能在22kW快充條件下實現(xiàn)更少期 間數(shù)量和更高運行效率。在使用SiC材料情況下，相同功率條件下，期間個數(shù)也由22只硅基IGBT減少至14 只SiC MOSFET。

產業(yè)鏈現(xiàn)狀：襯底為價值鏈核心，呈現(xiàn)供不應求局面

在成品SIC SBD器件占比中，襯底、外延和前段開發(fā)公司占比47%、23%和19%，主要原因系長晶緩慢且良率 偏低，同時鑒于材質等物理特性原因，切割破損率高進一步推高器件整體成本。目前導電型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。我們認為未來SiC襯底價格下降是推動碳化硅產業(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SiC產業(yè)降 本增效和商業(yè)化落地的核心驅動因素。

二市場空間仍待開發(fā)，產業(yè)鏈成熟度逐步提升

SiC行業(yè)正處于加速成長期，市場規(guī)?？焖僭鲩L

第三代半導體行業(yè)加速發(fā)展，新能源產業(yè)鏈為增長驅動核心競爭力。盡管第三代半導體發(fā)現(xiàn)時間很早，但 受制于成本和產業(yè)鏈不成熟等因素并未實現(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， 對設備開發(fā)，襯底和外延技術的推動形成了正向反饋。同時Wolfspeed已完成8英寸SiC襯底片的流片，6英 寸產業(yè)鏈大規(guī)模商業(yè)化落地已逐步成型。 同時SiC功率器件廣泛用于新能源汽車、光伏、軌道交通等領域，未來市場增速能夠得到保證。同時國內 市場也有多家企業(yè)布局SiC產業(yè)，未來市場競爭格局將持續(xù)深化。

市場空間：預計27年市場空間將超過60億美元

預計27年市場空間將超過60億美元。根據(jù)Yole測算，僅碳化硅器件中的功率器件的市場規(guī)模將從2021年的 10.90億美金增長至2027年的62.97億美金，復合年增長率約34%。從細分行業(yè)來看，新能源產業(yè)鏈和充電基礎設施將為增長最快領域。

需求：新能源車領域將是SiC器件需求最大領域

SiC器件主要應用在車載充電器、DC/DC轉換器和主驅逆變器上。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的方案已經成熟。在2018年，DC/DC轉換器也由Si MOSFET逐漸 變成以SiC MOSFET為主。 特斯拉（Tesla）在2018年，將Model 3車型的主驅動逆變器中已經使用了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)航下對電池容量需求降低，以及實現(xiàn)系統(tǒng)冷卻 體積和重量的優(yōu)化，有效降低SiC器件本身帶來的成本增加。

三海外廠商為主導，國內企業(yè)正加速追趕

行業(yè)競爭：海外已突破8英寸節(jié)點，國內呈現(xiàn)后發(fā)優(yōu)勢

襯底市場海外走向8英寸，在導電型襯底仍有提升空間。目前國際主流企業(yè) WolfSpeed、II-VI 和 ST意法均已進入8英寸樣品的研發(fā)。國內企業(yè)還處于4、6英寸襯底導入階段，借鑒海外市場成熟經驗， 購買相關設備和專利。 在全球半絕緣襯底材料領域，天岳先進市場份額以達到30%，進入全球前三；在導電型SiC市場仍然以 海外市場主導，國內單一企業(yè)市場占有率均不足1%，仍有較大市場空間。

第三代半導體有望在國家支持下快速發(fā)展

第三代半導體有望在國家支持下快速發(fā)展。我國的“中國制造2025”計劃中明確提出要大力發(fā)展第三代半 導體產業(yè)。2015年5月，中國建立第三代半導體材料及應用聯(lián)合創(chuàng)新基地，搶占第三代半導體戰(zhàn)略新高地， 對推動我國第三代半導體材料及器件研發(fā)和相關產業(yè)發(fā)展具有重要意義。我們預計，未來幾年在5G及新能 源車快速推廣和滲透的背景下，第三代半導體將迎來較快增長，相關領域將迎來來更大力度、更有針對性 的支持。

四滲透率提升市場空間打開，短期分歧不改長期趨勢

分歧：長期系統(tǒng)成本降低VS短期單一器件成本

目前車廠主驅逆變由IGBT模塊切換成SiC的首要障礙是成本。從逆變器角度來說，當前碳化硅逆變器本身 模塊價格是硅基的2-3倍，英飛凌HPD 1000-1500元，SiC模塊4500元。若采用雙電機驅動，單車成本上市 幅度就要增加6000-7000元，同時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、散熱器件減少等會降低成本，但是目前應用SiC晶圓價格仍保持每年 5%-10%左右下降，短期單一器件價格仍存下降空間。

長期襯底價格下降，SiC器件接受度和滲透率迎提升

襯底制備技術成熟度帶動良率提升、SiC廠商擴產帶來的供給量上升、產線向大尺寸晶圓轉移，三大因素 導致單SiC襯底片價格呈下降趨勢。根據(jù)CASA預測，預計到未來5年，SiC襯底價格以每年5%-10%下降。 隨著SiC襯底價格下降，下游客戶對SiC器件帶來的性能提升接受度提升，價格敏感度下降，導致SiC器件 滲透率高速提升。根據(jù)Yole數(shù)據(jù)預測，預計到2025年，全球功率器件中，SiC器件滲透率將達到11.6%，突 破10%，預計到2027年，滲透率突破15%。

分歧：制造環(huán)節(jié)仍需打破壁壘

SiC材料特性會面臨工藝難題和產業(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、高溫退火爐、高溫離子注入機等專用設備。 例如，SiC無擴散，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，這會造 成工藝制造成本高、流片效率低，SiC芯片制造過程中需高溫注入，且還要高溫化退火工藝。其次，柵氧 工藝需要面對碳原子的反應，會形成碳相關雜質，需要高溫氧化工藝，皇冠級難度，由于硅產業(yè)無法借鑒， 工藝摸索、設備配套較局限，高溫爐子易受污染，長期穩(wěn)定性差。

分歧：IDM商業(yè)模式VS戰(zhàn)略合作

硅基半導體已經形成了高度垂直分工的產業(yè)運作模式。但與硅基半導體產業(yè)不同，SiC 產業(yè)目前來看，主 要是以IDM模式為主。SiC產業(yè)目前以IDM模式為主的主要原因：1) 設備相比硅晶圓制造較為便宜，產線資 本投入門檻相對較低；2) 受益于成熟的半導體工藝，SiC 器件設計相對不復雜；3) 掌握上下游整合能力 可以加速產品迭代周期，有效控制成本以及產品良率。 目前包括Wolfspeed、ST意法、羅姆均采用了IDM模式，國內三安光電、泰克天潤、基本半導體等也在努力 布局全產業(yè)鏈，持續(xù)完善垂直整合能力，強化競爭力。

報告節(jié)選：

（本文僅供參考，不代表我們的任何投資建議。如需使用相關信息，請參閱報告原文。）

精選報告來源：【未來智庫】系統(tǒng)發(fā)生錯誤