看點：第三代半導體碳化硅，爆發式增長的明日之星。

功率半導體的技術和材料創新都致力于提高能量轉化效率（理想轉化率100%），基于 SIC 材料的功率器件相比傳統的 Si 基功率器件效率高、損耗小，在新能源車、光伏風電、不間斷電源、家電工控等有廣闊的應用前景。目前 SIC 行業發展的瓶頸主要在于 SIC 襯底成本高（是 Si 的 4-5 倍，預計未來 3-4 年價格會逐漸降為 Si 的 2 倍），同時 SIC MOS 為代表的 SIC 器件產品穩定性需要時間驗證。國內外 SIC 產業鏈日趨成熟，成本也在持續下降，產業鏈爆發的拐點臨近，Yole 預計 SIC 器件空間將從 2019 年4.8 億美金到 2025 年 30 億美金 2030 年 100 億美金，即 10 年 20 倍增長。 本期推薦華安證券的研究報告，揭秘第三代半導體材料碳化硅及相關產業的最新發展情況。本期內參來源：華安證券 原標題： 《 第三代半導體 SIC：爆發式增長的明日之星》 作者：尹沿技 劉體勁

第三代半導體 SIC：性能優異，爆發前夜

1、 第三代半導體 SIC 材料的性能優勢

第一代半導體材料主要是指硅（Si）、鍺元素（Ge）半導體材料，應用極為普遍，包括集成電路、電子信息網絡工程、電腦、手機、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發展的新能源、硅光伏產業中都得到了極為廣泛的應用； 第二代半導體材料主要是指化合物半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb），主要用于制作高速、高頻、大功率以及發光電子器件（LED），是制作高性能微波、毫米波器件及發光器件的優良材料。 Si 基器件在 600V 以上高電壓以及高功率場合達到其性能的極限；為了提升在高壓/高功率下器件的性能，第三代半導體材料 SiC （寬禁帶）應運而生； 第三代半導體主要是 SIC 和 GaN，第二代和第三代也稱作化合物半導體，即兩種元素組成的半導體材料，區別于硅/鍺等單質半導體：

▲半導體產業鏈一覽

SIC 材料具有明顯的性能優勢。SiC 和 GaN 是第三代半導體材料，與第一二代半導體材料相比，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率等性能優勢，所以又叫寬禁帶半導體材料，特別適用于 5G 射頻器件和高電壓功率器件。

▲Si 與 SiC 材料優缺點對比

2、 第三代半導體 SIC 器件的性能優勢

SIC 的功率器件如 SIC MOS，相比于 Si 基的 IGBT，其導通電阻可以做的更低，體現在產品上面，就是尺寸降低，從而縮小體積，并且開關速度快，功耗相比于傳統功率器件要大大降低。 在電動車領域，電池重量大且價值量高，如果在 SIC 器件的使用中可以降低功耗，減小體積，那么在電池的安排上就更游刃有余；同時在高壓直流充電樁中應用 SIC 會使得充電時間大大縮短，帶來的巨大社會效益。

▲SiC MOS 相比 Si 功率器件的對比

根據 Cree 提供的測算: 將純電動車 BEV 逆變器中的功率組件改成 SIC 時, 大概可以減少整車功耗 5%-10%；這樣可以提升續航能力，或者減少動力電池成本。 總結來說，SiC 器件具備的多種優勢將帶動電動車續航能力的提升： 1). 高電能轉換效率：SiC 屬于寬能隙材料, 擊穿場強度大比 Si 基半導體材料更適用在高功率的應用場景； 2). 高電能利用效率：SiC 屬于寬能隙材料, 擊穿場強度大比 Si 基半導體材料更適用在高功率的應用場景； 3). 低無效熱耗：開關頻率高, 速度快, 所產生無效的熱耗減少, 使的電路、散熱系統得以簡化。 2019 年國際上的功率半導體巨頭不斷推出新的基于 SIC 材料的功率器件，且推出的幾款 SiC SBD 及 MOSFET 均符合車規級（AEC-Q101）標準，這些產品應用于新能源車或者光伏領域等功率器件需求場景，將顯著減少功耗，提高轉化效率。

▲2019 年國際企業推出的部分經典 SiC 器件產品

3、 政策支持 VS 產業成熟度提升

2014 年初，美國宣布成立“下一代功率電子技術國家制造業創新中心”，期望通過加強第三代半導體技術的研發和產業化，使美國占領下一代功率電子產業這個正出現的規模最大、發展最快的新興市場，并為美國創造出一大批高收入就業崗位。 日本建立了“下一代功率半導體封裝技術開發聯盟”由大阪大學牽頭，協同羅姆、三菱電機、松下電器等 18 家從事 SiC 和 GaN 材料、器件以及應用技術開發及產業化的知名企業、大學和研究中心； 歐洲啟動了產學研項目“LAST POWER”，由意法半導體公司牽頭，協同來自意大利、德國等六個歐洲國家的私營企業、大學和公共研究中心，聯合攻關 SiC和 GaN 的關鍵技術。 我國的“中國制造 2025”計劃中明確提出要大力發展第三代半導體產業。2015 年 5 月，中國建立第三代半導體材料及應用聯合創新基地，搶占第三代半導體戰略新高地；國家科技部、工信部、北京市科委牽頭成立第三代半導體產業技術創新戰略聯盟（CASA），對推動我國第三代半導體材料及器件研發和相關產業發展具有重要意義。

▲2017-2019 年國家第三代半導體相關政策

行業發展的瓶頸目前在于 SIC 襯底成本高：目前 SIC 的成本是 Si 的 4-5 倍，預計未來 3-5 年價格會逐漸降為 Si 的 2 倍左右，SIC 行業的增速取決于 SIC 產業鏈成熟的速度，目前成本較高，且 SIC 器件產品參數和質量還未經足夠驗證； SIC MOS 的產品穩定性需要時間驗證：根據英飛凌 2020 年功率半導體應用大會上專家披露，目前 SiC MOSFET 真正落地的時間還非常短，在車載領域才剛開始商用（Model 3 中率先使用了 SIC MOS 的功率模塊），一些諸如短路耐受時間等技術指標沒有提供足夠多的驗證，SIC MOS 在車載和工控等領域驗證自己的穩定性和壽命等指標需要較長時間； 根據 Yole 預測，SIC 和 GaN 電力電子器件（注意是 GaN 在電力電子中的應用，不包括在高頻射頻器件）2023 年在整體功率器件滲透率分別為 3.75%和 1%；驅動因素是新能源汽車新能源發電以及快充。 目前國內外 SIC 產業鏈日趨成熟，成本持續下降，下游接受度也開始提升，目前整個產業鏈處于行業爆發的前夜。

▲SiC vs GaN vs Si 在電力電子器件中的滲透率

4、SiC 產業鏈總結

SIC 產業鏈分為三大環節：上游的 SIC 晶片和外延→中間的功率器件的制造（包含經典的 IC 設計→制造→封裝三個小環節）→下游工控、新能源車、光伏風電等應用。目前上游的晶片基本被美國 CREE 和 II-VI 等美國廠商壟斷；國內方面，SiC 晶片商山東天岳和天科合達已經能供應 2 英寸~6 英寸的單晶襯底，且營收都達到了一定的規模（今年均會超過 2 億元 RMB）；SiC 外延片：廈門瀚天天成與東莞天域可生產 2 英寸~6 英寸 SiC 外延片。 國外 SIC 功率器件玩家： 傳統的功率器件廠商包括英飛凌、意法半導體、三菱電機、富士電機；借助SIC 材料介入 SIC 器件的 CREE； 國內 SIC 功率器件玩家：泰科天潤，中電科 55 所，基本半導體，三安集成，華潤微等。 SIC 晶片、外延和設備：國外 CREE 和 II-VI 占據了 SIC 片 70%以上的份額，國內山東天岳和天科合達已經初具規模；露笑科技 2019 年 11 月公告，露笑科技將為中科鋼研、國宏中宇主導的碳化硅產業化項目定制約 200 臺碳化硅長晶爐，設備總采購金額約 3 億元，同時露笑科技另外 2020 年 8 月公告計劃與合肥合作投資 100 億元建設第三代半導體產業園，從 SIC 設備切入襯底和外延等環節。

▲SIC 產業鏈以及國內外的主要玩家

SIC 器件：10 年 20 倍成長，國內全面布局

1、 應用：新能源車充電樁和光伏等將率先采用

SiC 具有前述所說的各種優勢，是高壓/高功率/高頻的功率器件相對理想的材料, 所以 SiC 功率器件在新能源車、充電樁、新能源發電的光伏風電等這些對效率、節能和損耗等指標比較看重的領域，具有明顯的發展前景。 高頻低壓用 Si-IGBT,高頻高壓用 SiC MOS,電壓功率不大但是高頻則用GaN。當低頻、高壓的情況下用 Si 的 IGBT 是最好，如果稍稍高頻但是電壓不是很高，功率不是很高的情況下，用 Si 的 MOSFET 是最好。如果既是高頻又是高壓的情況下，用 SiC 的 MOSFET 最好。電壓不需要很大，功率不需要很大，但是頻率需要很高，這種情況下用 GaN 效果最佳。

▲SIC 器件的主要應用領域

以新能源車中應用 SIC MOS 為例，根據 Cree 提供的測算: 將純電動車 BEV逆變器中的功率組件改成 SIC 時, 大概可以減少整車功耗 5%-10%；這樣可以提升續航能力，或者減少動力電池成本。

▲SIC MOS 多種優勢帶動電動車續航力提升

同時 SIC MOS 在快充充電樁等領域也將大有可為。快速充電樁是將外部交流電,透過 IGBT 或者 SIC MOS 轉變為直流電, 然后直接對新能源汽車電池進行充電，對于損耗和其自身占用體積問題也很敏感，因此不考慮成本，SIC MOS比 IGBT 更有前景和需求，由于目前 SIC 的成本目前是 Si 的 4-5 倍，因此會在高功率規格的快速充電樁首先導入。在光伏領域，高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器未來的發展趨勢，因此基于性能更優異的 SIC 材料的光伏逆變器也將是未來重要的應用趨勢。

▲2019 年各個領域的 SiC 模塊產品推出情況

SIC 肖特基二極管的應用比傳統的肖特基二極管同樣有優勢。碳化硅肖特基二極管相比于傳統的硅快恢復二極管（SiFRD），具有理想的反向恢復特性。在器件從正向導通向反向阻斷轉換時，幾乎沒有反向恢復電流，反向恢復時間小于 20ns，因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的效率。 另一個重要的特點是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這使得 SIC 肖特基二極管非常適合并聯實用，增加了系統的安全性和可靠性。總結來看，SIC 肖特基二極管具有的特點如下：1）幾乎無開關損耗；2）更高的開關頻率；3）更高的效率；4）更高的工作溫度；5）正的溫度系數，適合于并聯工作；6）開關特性幾乎與溫度無關。 根據 CASA 的統計，業內反應 SiC SBD 實際的批量采購成交價已經降至 1元/A 以下，耐壓 600-650V 的產品業內批量采購價約為 0.6 元/A，而耐壓 1200V的產品業內批量采購價約為 1 元/A。

▲2018-2019 年不同制造商 SiC SBD 產品價格對比 單位（元/A）

如上表所示，2019 年部分 SIC 肖特基二極管產品價格實現了 20%-35%的降幅，SIC 二極管價格的持續降低以及和 Si 二極管價差的縮小將進一步促進 SIC 二極管的應用。

2、 門檻：SIC 器件的壁壘和難點

SIC 難度大部分集中在 SIC 晶片的長晶和襯底制作方面，但是要做成器件，也有一些自身的難點，主要包括： 1、外延工藝效率低：碳化硅的氣相同質外延一般要在 1500℃以上的高溫下進行。由于有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過 1800℃，因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產量較低。 2、 歐姆接觸的制作：歐姆接觸是器件器件制作中十分重要的工藝之一，要形成好的碳化硅的歐姆接觸在實際中還是有較大難度； 3、配套材料的耐高溫：碳化硅芯片本身是耐高溫的，但與其配套的材料就不見得能夠耐得住 600℃以上的溫度。所以整體工作溫度的提高，需要不斷的進行配套材料方面創新。 SIC 的優異性能大家認識的較早，之所以最近幾年才有較好的進展主要是因為 SIC 片和 SIC 器件兩個方面相比傳統的功率器件均有一些難點，器件生產的高難度高成本加上碳化硅片制造的高難度（后面會提及），兩者互為循環，一定程度上制約了過去幾年 SIC 應用的推廣速度，我們認為隨著產業鏈逐漸成熟，SIC正處于爆發的前夜，拐點漸行漸近。

3、 空間&增速：SIC 器件未來 5-10 年復合 40%增長

IHS 預計未來 5-10 年 SIC 器件復合增速 40%：根據 IHSMarkit 數據，2018年碳化硅功率器件市場規模約 3.9 億美元，受新能源汽車龐大需求的驅動，以及光伏風電和充電樁等領域對于效率和功耗要求提升，預計到 2027 年碳化硅功率器件的市場規模將超過 100 億美元，18-27 年 9 年的復合增速接近 40%。

▲SiC 功率器件市場規模預測

滲透率角度測算 SIC MOS 器件市場空間：（SIC MOS 只是 SIC 器件的一種）SIC MOS 器件的下游和 IGBT 重合度較大，因此，驅動 IGBT 行業空間高成長驅動因素如車載、充電樁、工控、光伏風電以及家電市場，也都是 SIC MOS 功率器件將來要涉足的領域；根據我們之前系列行業報告的大致測算，2019 年 IGBT 全球 58 億美金，中國 22 億美金空間，在車載和充電樁和工控光伏風電等的帶動下，預計 2025 年 IGBT 全球 120 億美金，中國 60 億美金。

▲SiC 功率器件在電動車里的滲透時間預測

SIC MOS 器件的滲透率取決于其成本下降和產業鏈成熟的速度，根據英飛凌和國內相關公司調研和產業里的專家的判斷來看，SIC MOS 滲透 IGBT 的拐點可能在 2024 年附近。預計 2025 年全球滲透率 25%，則全球有 30 億美金 SIC MOS 器件市場，中國按照 20%滲透率 2025 年則有 12 億美金的 SIC MOS 空間。即不考慮SIC SBD 和其他 SIC 功率器件，僅測算替代 IGBT 那部分的 SIC MOS 市場預計2025 年全球 30 億美金，相對 2019 年不到 4 億美金有超過 7 倍成長，且 2025-2030年增速延續。

4、 格局：SIC 器件的競爭格局

目前，碳化硅器件市場還是以國外的傳統功率龍頭公司為主，2017 年全球市場份額占比前三的是科銳，羅姆和意法半導體，其中 CREE 從 SIC 上游材料切入到了 SIC 器件，相當于其擁有了從上游 SIC 片到下游 SIC 器件的產業鏈一體化能力。

▲2017 年 SIC 器件和模塊市場份額

國內的企業均處于初創期或者剛剛介入 SIC 領域，包括傳統的功率器件廠商華潤微、捷捷微電、揚杰科技，從傳統的硅基 MOSFET、晶閘管、二極管等切入 SIC 領域，IGBT 廠商斯達半導、比亞迪半導體等，但國內當前的 SIC 器件營收規模都比較小（揚杰科技最新披露 SIC 營收 2020 年上半年 19.28 萬元左右）； 未上市公司和單位中做的較好的有前面產業鏈總結中提到的一些，包括： 泰科天潤：可以量產 SiC SBD，產品涵蓋 600V/5A～50A、1200V/5A～50A 和1700V/10A 系列；并且早在 2015 年，泰科天潤就宣布推出了一款高功率碳化硅肖特基二極管產品，是從事 SIC 器件的較純正的公司； 中電科 55 所：國內從 4-6 寸碳化硅外延生長、芯片設計與制造、模塊封裝實現全產業鏈的單位； 深圳基本半導體：成立于 2016 年，由清華大學、浙江大學、劍橋大學等國內外知名高校博士團隊創立，專注于 SIC 功率器件，也是深圳第三代半導體研究院發起單位之一，目前已經開始推出其 1200V 的 SiC MOSFET 產品。

SIC 晶片：高成長高壁壘，國產奮起直追

1、 成長分析

如前分析所述，碳化硅晶片主要用來做成高壓功率器件和高頻功率器件：SIC片主要分為兩種類型：導電型的 SIC 晶片經過 SIC 外延后制作高壓功率器件；半絕緣型的 SIC 晶片經過 GaN 外延后制 5G 射頻器件（特別是 PA）；

▲SiC 晶片產業鏈

碳化硅晶片主要用于大功率和高頻功率器件：2018 年氮化鎵射頻器件全球市場規模約 4.2 億美元（約 28 億元人民幣），隨著 5G 通訊網絡的推進，氮化鎵射頻器件市場將迅速擴大，Yole 預計到 2023 年，全球射頻氮化鎵器件市場規模將達到 13 億美元（約 91 億元人民幣）；繼續引用前面 IHS 的預測，則 SIC功率器件將由 2019 年的 4.5 億美元到 2025 年接近 30 億美元。

▲SIC 和 GaN 功率器件市場規模預測

第三代半導體 GaN 在高頻射頻領域的市場規模：根據 Yole 的數據，2017 年氮化鎵射頻市場規模為 4 億美元，將于 2023 年增長至接近 13 億美元，復合增速為 22%，下游應用結構整體保持穩定，以通訊與軍工為主，二者合計占比約為 80%。而整體射頻器件的市場空間在 2018-2025 在 8%左右，GaN 射頻器件增速遠遠高于射頻器件整體市場的增長。

▲射頻器件整體市場規模增長預測

導電型碳化硅單晶襯底材料是制造碳化硅功率半導體器件的基材，根據中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟的測算： 2017-2020 年市場需求：2017 年 4 英寸 10 萬片、6 英寸 1.5 萬片→預計到 2020年 4 英寸保持 10 萬片、6 英寸超過 8 萬片。 2020-2025 年市場需求：4 英寸逐步從 10 萬片市場減少到 5 萬片，6 英寸晶圓將從 8 萬片增長到 20 萬片； 2025~2030 年：4 英寸晶圓逐漸退出市場，6 英寸晶圓將增長至 40 萬片。

▲導電型碳化硅襯底市場規模（萬片）

半絕緣碳化硅具備高電阻的同時可以承受更高的頻率，主要應用在高頻射頻器件；同樣根據中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟的測算：

▲半絕緣碳化硅襯底市場規模（萬片）

2017 年市場需求：全球半絕緣碳化硅晶片的市場需求約 4 萬片；2020 年：4英寸半絕緣 SIC 維持 4 萬片、6 英寸半絕緣 SIC 晶片 5 萬片； 2025 年市場需求：預計 4 英寸半絕緣到 2 萬片、6 英寸到 10 萬片； 2025-2030 年市場需求：4 英寸半絕緣襯底逐漸退出市場，而 6 英寸需求到 20萬片。 整體 SIC 晶片全球市場空間預計從 2020 的 30 億 RMB 增長至 2027年 150 億元 RMB，作為對比，2018 年全球硅片市場 90 億美元，國內硅片市場約130 億元（近 8 年復合增長 5%-7%）。

2、 壁壘分析

SIC 晶片的壁壘較高，主要體現在： SIC 晶片的核心參數包括微管密度、位錯密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等。在密閉高溫腔體內進行原子有序排列并完成晶體生長、同時控制參數指標是復雜的系統工程，將生長好的晶體加工成可以滿足半導體器件制造所需晶片又涉及一系列高難度工藝調控；隨著碳化硅晶體尺寸的增大及產品參數要求的提高，生產參數的定制化設定和動態控制難度會進一步提升。因此，穩定量產各項性能參數指標波動幅度較低的高品質碳化硅晶片的技術難度很大，主要體現在下面幾個方面： 1、精確調控溫度：碳化硅晶體需要在 2,000℃以上的高溫環境中生長，且在生產中需要精確調控生長溫度，控制難度極大； 2、容易產生多晶型雜質：碳化硅存在 200 多種晶體結構類型，其中六方結構的 4H 型（4H-SiC） 等少數幾種晶體結構的單晶型碳化硅才是所需的半導體材料，在晶體生長過程中需要精確控制硅碳比、生長溫度梯度、晶體生長速率以及氣流氣壓等參數，否則容易產生多晶型夾雜，導致產出的晶體不合格； 3、 晶體擴徑難度大：氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長的擴徑技術難度極大，隨著晶體尺寸的擴大，其生長難度工藝呈幾何級增長； 4、 硬度極大難切割：碳化硅硬度與金剛石接近，切割、研磨、拋光技術難度大， 工藝水平的提高需要長期的研發積累；

3、 競爭分析

目前，碳化硅晶片產業格局呈現美國全球獨大的特點。以導電型產品為例，2018 年美國占有全球碳化硅晶片產量的 70%以上，僅 CREE 公司就占據60%以上市場份額，剩余份額大部分被日本和歐洲的其他碳化硅企業占據。

▲2018 年導電型碳化硅晶片廠商市場占有率

由于碳化硅材料特殊的物理性質，其晶體生長、晶體切割、 晶片加工等環節的技術和工藝要求高，需要長期投入和深耕才能形成產業化生產能力，行業門檻很高。 后進入的碳化硅晶片生產商在短期內形成規模化供應能力存在較大難度，市場供給仍主要依靠現有晶片生產商擴大自身生產能力，國內碳化硅晶片供給不足的局面預計仍將維持一段時間。

▲行業內各公司不同尺寸 SIC 晶片的推出對比

4、 價值分析

上游 SIC 晶片主要用于 SIC 功率器件和 5G 高頻射頻器件，未來 10 年市場空間隨著下游 SIC 功率器件+高頻射頻器件的增長而增長，我們預計將從 2020 年30 億 RMB 到 2027 年接近 150 億 RMB； 行業高增長+國產替代+高壁壘：天科合達/山東天岳可簡單類比于 SIC 晶片領域的滬硅產業，而且傳統硅片分布在日韓美五個巨頭，而 SIC 晶片龍頭 70%+的份額都在美國 CREE 和 II-VI 等公司，國產化也更迫切；在過去十年下游半導體的成長中，國內上游硅片商參與的有限；而這一次，未來 10 年的 SIC 器件和5G 高頻射頻器件中，國內的 SIC 晶片龍頭將積極參與其中，行業爆發增長和國產化同時進行，可持續享受較高估值。 半導體材料目前經歷了三個發展階段，第一代的硅（Si）、鍺（Ge）；第二代開始由2種以上元素組成化合物半導體，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦 (InP)；以及第三代的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬禁帶材料。碳化硅具備低導通電阻、高切換頻率、耐高溫與耐高壓等優勢， 在新能源車、光伏風電、不間斷電源、家電工控等有廣闊的應用前景。雖然成本目前仍然是制約碳化硅產業鏈發展的一大重要阻礙，但隨著國內外相關產業的發展、成本不斷降低，產業的發展爆發點降至。

來源：智東西

原文標題：揭秘第三代半導體碳化硅！爆發增長的明日之星，國產前途無量

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