碳化硅行业研究报告

碳化硅行业研究报告导语碳化硅属于第三代半导体材料，具备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点。1碳化硅为第三代半导体材料，引领功率及射频领域革新碳化硅较硅更能满足高温、高压、高频等需求，下游应用领域广泛碳化硅属于第三代半导体材料，具备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点。碳化硅为第三代半导体材料典型代表，相较于硅材料等前两代半导体材料，其禁带宽度更大，在击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面有显著优势。基于这些优良特性，碳化硅衬底在使用极限性能上优于硅衬底，可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求。因此，碳化硅材料制备的射频器件及功率器件可广泛应用于新能源汽车、光伏、5G通信等领域，是半导体材料领域中具备广阔前景的材料之一。碳化硅用于制作功率及射频器件，产业链包括衬底制备、外延层生长、器件及下游应用。根据电化学性质不同，碳化硅晶体材料分为半绝缘型衬底（电阻率高于105Ω·cm）和导电型衬底（电阻率区间15~30mΩ·cm）。不同于传统硅基器件，碳化硅器件不可直接制作于衬底上，需先使用化学气相沉积法在衬底表面生成所需薄膜材料，即形成外延片，再进一步制成器件。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，可制成HEMT等微波射频器件，适用于高频、高温工作环境，主要应用于5G通信、卫星、雷达等领域。在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅外延片，可进一步制成碳化硅二极管、碳化硅MOSFET等功率器件，适用于高温、高压工作环境，且损耗低，主要应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域。国内外厂商积极布局碳化硅，产业链日趋完善。以碳化硅材料为衬底的产业链主要包括碳化硅衬底制备、外延层生长、器件及模组制造三大环节。伴随更多厂商布局碳化硅赛道，产业链加速走向成熟。目前，碳化硅行业企业形成两种商业模式，第一种覆盖完整产业链各环节，同时从事碳化硅衬底、外延、器件及模组的制作，例如Wolfspeed、Rohm；第二种则只从事产业链的单个环节或部分环节，如Ⅱ-Ⅵ仅从事衬底及外延的制备，英飞凌则只负责器件及模组的制造。当前，国内的碳化硅生产厂商大多属于第二种商业模式，聚焦产业链部分环节。SiC较IGBT具备耐高压、低损耗和高频三大核心优势

SiCMOSFET较IGBT可同时具备耐高压、低损耗和高频三大优势。1）碳化硅击穿电场强度是硅的十余倍，使得碳化硅器件耐高压特性显著高于同等硅器件。2）碳化硅具有3倍于硅的禁带宽度，使得SiCMOSFET泄漏电流较硅基IGBT大幅减少，降低导电损耗。同时，SiCMOSFET属于单极器件，不存在拖尾电流，且较高的载流子迁移率减少了开关时间，开关损耗因此得以降低。根据Rohm的研究，相同规格的碳化硅MOSFET较硅基IGBT的总能量损耗可大大减低73%。3）涵盖MOSFET自身特点，较IGBT具备高频优势。此外，据Wolfspeed研究显示，相同规格的碳化硅基MOSFET与硅基MOSFET相比，其尺寸可大幅减少至原来的1/10。碳化硅助力新能源汽车实现轻量化及降低损耗，增加续航里程。1）碳化硅较硅拥有更高热导率，散热容易且极限工作温度更高，可有效降低汽车系统中散热器的体积和成本。同时，SiC材料较高的载流子迁移率使其能够提供更高电流密度，在相同功率等级中，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块，进一步助力新能源汽车实现轻量化。2）SiCMOSFET器件较硅基IGBT在开关损耗、导电损耗等方面具备显著优势，其在新能源汽车的应用可有效降低损耗。根据丰田官网，丰田预测SiCMOSFET的应用有助于提升电动车的续航里程约5%-10%。3）由于SiC材料具备更高的功率密度，所以同等功率下，SiC器件的体积可以缩小至1/2甚至更低；4）由于SiCMOSFET的高频特性，SiC的应用能够显著减少电容、电感等被动元件的应用，简化周边电路设计。从特斯拉的方案来看，主逆变器采用SiC能显著降低损耗和提升功率密度。特斯拉Model3在主逆变器中率先采用SiC方案（搭意法半导体的SiCMOSFET模组），替代原先ModelX主逆变器方案（搭载英飞凌的IGBT单管）。对比产品参数可知，所用SiCMOSFET的反应恢复时间和开关损耗均显著降低。同时，Model3主逆变器上有24个SiC模块，每个模块内含2颗SiC裸晶，共用到48颗SiCMOSFET，如果仍采用ModelX的IGBT，则需要54-60颗。该方案使得Model3主逆变器的整体结构更为简洁、整体质量和体积更轻、功率密度更高。2全球SiC市场处于高速成长阶段，国内厂商存广阔替代空间乘碳中和之东风，2025年市场规模有望较2020年翻5倍2020年全球SiC器件市场规模达11.84亿美元，预计到2025年有望增长至59.79亿美元，对应CAGR为38.2%。根据我们的测算，在碳中和趋势下，受益于SiC在新能源汽车、光伏、风电、工控等领域的持续渗透，SiC功率器件市场规模有望从2020年的2.92亿美元增长至2025年的38.58亿美元，对应CAGR为67.6%；5G、国防驱动GaN-on-SiC射频器件加速渗透，逐步取代硅基LDMOS，SiC射频器件市场规模有望从2020年的8.92亿美元增长至2025年的21.21亿美元，对应CAGR为18.9%。下游SiC功率及射频器件高速增长的需求也将带动SiC材料市场规模快速成长，按照SiC材料在SiC器件中价值量占比50%计算（根据CASA），预计将由2020年的5.92亿美元增长至2025年的29.90亿美元，对应CAGR为38.2%。从下游领域来看，我们认为新能源汽车为SiC市场的核心驱动力。新能源汽车逐步向800V架构时代迈进，SiC相比于IGBT在耐高压、耐高温、频率、损耗、质量体积等方面优势更加明显。同时随着全球产能开出及良率提升，SiC价格下探将驱动其在新能源车中的逆变器、OBC等部件中加速渗透。根据Wolfspeed和我们的测算，2020年全球SiC器件市场规模中，新能源汽车领域占比约为22.51%，随着SiC在主逆变器和OBC中的加速渗透，我们预计到2025年占比将提升至50.26%，为第一大驱动力。此外，基于SiC较IGBT的性能优势，随着SiC器件及模块成本的下降，我们预计SiC在光伏、风电等新能源发电领域渗透率也将逐步提升，预计市场规模占比到2025年提升至8.84%；工控市场规模占比到2025年提升至5.43%。海外厂商普遍看好SiC市场空间，相关业务业绩展望乐观Wolfspeed看好碳化硅器件与材料广阔市场空间,预计2026年将分别突破89/17亿美元。（1）碳化硅器件方面，Wolfspeed预计2022年市场规模将达到43亿美元，2024年进一步增长至66亿美元，并于2026年突破89亿美元。碳化硅器件市场增长驱动力主要来自电动汽车、射频、工业及能源领域，其中，在电动汽车大势所驱背景下，碳化硅材料在400V和800V充电架构中的优势日益凸显，Wolfspeed预计2026年汽车器件将占据超50%的市场规模，2023-2026年CAGR达30%；此外，随成本下降，碳化硅器件在工业市场的应用将更加广泛，Wolfspeed预计远期有望创造超400亿美元市场空间。（2）碳化硅材料方面，Wolfspeed认为市场供应将持续增加，但产能仍将供不应求，Wolfspeed预计2022年碳化硅材料市场达7亿美元，2024年进一步增长至12亿美元，并于2026年突破17亿美元，2022至2026年增长近2.5倍。同时，公司预期150mm向200mm工艺节点的转变将带来成本优化，进一步促进市场需求扩增。市场空间逐步打开，碳化硅材料及器件主要供应商业绩展望乐观。Wolfspeed为全球碳化硅材料及器件龙头供应商之一，据Yole及Wolfspeed测算，Wolfspeed在碳化硅材料市场份额长期稳定在60%以上。截止2021年11月，与意法半导体、英飞凌、安森美等客户签订的长期意向订单达13亿美元。Wolfspeed预计在电动汽车及5G等终端对碳化硅器件的强劲需求驱动下，2024财年公司营收有望达15亿美元，2026财年增长至21亿美元。英飞凌同样为推动半导体行业从硅基向碳化硅基发展的核心力量之一，公司测算2021年碳化硅相关收入为2亿美元，预期2025年将突破10亿美元，占据全球市场30%市场份额。此外，安森美和意法半导体预期公司碳化硅相关收入将分别于2023年和2024年突破10亿美金。竞争格局：衬底及外延市场集中度高，器件领域海外厂商占绝对主导碳化硅衬底市场高度集中，Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ全面领先。碳化硅衬底为碳化硅产业链核心环节，据Yole数据，2020年半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化硅衬底市场规模分别达1.82亿、2.76亿美元。其中，1）Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、山东天岳三家寡头垄断半绝缘型碳化硅衬底市场。2020年Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ及山东天岳占据98%市场份额，市场高度集中。从产品规格上看，Wolfspeed已实现4英寸及6英寸产品量产并开始建设8英寸产线，国内厂商山东天岳虽市占率行业领先，但公司预计2023年方能实现6英寸产品量产，仍存在一定差距。2）导电型碳化硅衬底市场Wolfspeed一家独大。Wolfspeed凭借较早布局先发优势，在良率及产能上遥遥领先，2020年占据60%市场份额，Ⅱ-Ⅵ以11%市场份额位居第二。Wolfspeed、ShowaDenko双寡头垄断碳化硅外延片市场。碳化硅外延片属于行业产业链中间环节，参与厂商多为IDM公司，IndustryResearch测算2020年全球碳化硅外延片市场规模约为1.72亿美元。据Yole数据，2020年Wolfspeed与ShowaDenko分别占据碳化硅导电型外延片市场52%和43%的市场份额，合计高达95%，具备显著的制备技术优势。其他碳化硅外延供应商包括Ⅱ-Ⅵ、Norstel、罗姆、三菱电机、英飞凌，占据市场较小份额。国内碳化硅外延片主要制造厂商有瀚天天成和东莞天域半导体，两者均已具备供应4-6英寸外延片实力，待产能进一步释放。欧美厂商占据SiC功率器件市场主要份额。SiC功率器件制造工艺壁垒较高，目前市场主要厂商为传统硅基功率器件巨头及借助SiC材料介入器件领域的新锐玩家Wolfspeed，市场集中度高于IGBT器件及模块市场。据Yole数据，2020年全球碳化硅功率器件市场规模约5~6亿美元，市场CR5达90.8%，显著高于IGBT器件及模块市场的62.8%和66.7%，欧美厂商占据主要市场份额。其中，意法半导体成功研制全球第一款大规模应用于电动汽车的SiCMOSFET模块，与特斯拉的合作为其累积大量市场份额，2020年达40.5%。国内厂商在SiC功率器件领域入局较晚，主要玩家泰科天润、基本半导体、华润微等市场份额较小，但由于行业处于早期阶段，格局尚未定型，国内厂商仍有较大替代空间。3新能源车/充电桩/光伏/工控/射频鼎力相助，SiC器件加速应用新能源汽车：800V架构下的甜蜜时刻，SiC渗透的核心驱动力SiC功率器件主要包括SBD、JFET、MOSFET和模块，在新能源汽车相关应用场景主要为逆变器、OBC、及直流充电桩。我们认为当前碳化硅渗透仍处于早期，主要器件类型为SiC二极管，以及在高端车系应用，目前渗透率较低。未来随着：1）特斯拉、比亚迪等头部新能源车厂带来的“示范效应”，更多车企将会逐步采用SiC方案；2）碳化硅器件价格逐步下降，成本经济效益不断提升；3）800V架构时代来临，SiC在高压下较IGBT性能优势更为明显，损耗降低幅度更大。我们认为SiC在新能源车主逆变器及OBC中渗透率将快速提升。碳化硅器件在新能源汽车中应用进入快速渗透期。2018年，特斯拉Model3率先使用由意法半导体提供的SiCMOSFET，开启电动汽车使用SiC先河，随后比亚迪、保时捷、丰田等汽车制造商陆续推出应用碳化硅器件新车型。其中，在2020年比亚迪汉搭载自主研发制造的SiCMOSFET控制模块，整体加速性能及续航能力均得到显著提升。2021年，碳化硅器件在新能源汽车中应用进入快速增长阶段，国内外众多车型均开始应用碳化硅器件。根据各公司公告信息，我们可以看到在未来几年，小鹏、捷豹、路虎、雷诺等越来越多的厂商将在其新车型中使用SiC器件，新能源汽车中应用SiC器件以提升性能、实现轻量化为大势所趋。新能源车充电及里程焦虑凸显，800V架构时代来临充电焦虑逐渐成为当前电动车产业化关键的问题，800V架构是解决充电焦虑的主流方案。电动车普及过程中主要面临续航和充电两大问题。续航里程目前已不是最大阻碍，根据蔚来、特斯拉、小鹏等的官网，主流品牌电动车续航里程约在500公里左右，即将推出的蔚来ET7、理想X01等预计续航里程超800公里。对于提升充电效率，方案包括换电及大功率快充。由于各品牌各车型电池差异，换电站推广较为依赖车企自建，普适性低且成本高。大功率充电包括大电流和高电压两种方案，大电流方案代表企业为特斯拉，根据焦耳定律，该方案将显著增加充电过程中的热量，需要更粗的线束同时对系统散热要求更高。此外，根据新出行测评，特斯拉大电流V3超充桩在大部分时间内并不能达到最大功率充电。目前，高压快充已成为大功率快充主流方案，提升充电速度的同时，减小电损耗。2019年保时捷推出全球首个量产的800V架构电动车Taycan，可实现充电15分钟将Taycan电量从0提升至80%。此后，国内外车企纷纷布局高压快充方案，现代、起亚小鹏、比亚迪等相继或计划发布800V高压快充平台，小鹏G9可实现“充电5分钟，续航200公里”。我们认为，800V架构时代正加速到来。此外，800V系统可有效减少车身重量，实现续航提升。在相同功率的情况下，800V系统较400V系统电流降低一半，可减少系统热损耗及导线横截面。根据e-technology的估算，以100kWh的电池为例，从400V电车系统提升为800V电车系统，由于电池散热减重及导线质量降低可以推动整车实现25kg的重量降低，从而提升续航。主逆变器：800V系统下SiCMOSFET大显身手，降低主逆变器损耗及体积目前已有多家车企在主逆变器中采用SiCMOSFET方案替代IGBT方案，如特斯拉Model3、比亚迪汉高性能版等。Model3共用到48颗意法半导体的SiCMOSFET，如果仍采用ModelX的英飞凌的IGBT，则需要54-60颗。即使成本上升370美金左右（按照艾睿供应商网站价格计算，实际大批量采购价格更低），但特斯拉考虑到损耗降低及体积节约等因素而选择SiC方案。我们认为800V架构下SiCMOSFET在新能源车的主逆变器中渗透率将进一步提升。考虑到成本因素，会率先在中高端车型上使用。1）损耗更低：根据ST的数据，800V系统下，1200VSiCMOSFET较IGBT总损耗更低，在常用的25%负载下，SiCMOSFET损耗最多低于IGBT80%，在100%负载下，SiCMOSFET损耗最多低于IGBT60%。2）高压下性能优势更加明显：在400V左右的直流母线电压下，需要最大工作电压在650V左右的IGBT模块或单管。在800V的系统电压下，功率器件耐压需要提高到1200V以上。英飞凌、赛美控、罗姆、富士电机等均推出了1200V的车规级IGBT，但对比之下，SiC器件在高压下性能更好。根据ST的数据，在400V电压平台下，SiCMOSFET能够比IGBT器件拥有2-4%的效率提升；而在750V电压平台下其提升幅度则可增大至3.5-8%。对比市场上的领先SiCMOSFET和IGBT器件参数可知，1200VSiC产品优势较650V产品优势更加明显，主要体现为损耗降低幅度更大。3）耐高温：SiC的结温更高，能够在超过175度的高温下正常工作，较IGBT更加适合高温环境。4）体积节约：根据ST，在10kHz工作频率和800V架构的情况下，对于一个210kW的逆变器，若采用全SiCMOSFET方案替代原先IGBT及二极管方案：1）使用总功率器件体积可从600mm2缩小5倍至120mm2；2）开关损耗和总损耗分别缩小为原来的3.9/1.9倍。3）损耗的降低使得PCU（电源控制单元）的尺寸得以减少，相对应的冷却系统体积也将得以简化。OBC：SiC助力实现效率提升、轻量化及系统成本降低OBC典型电路结构由前级PFC电路和后级DC/DC输出电路两部分组成。二极管和开关管（IGBT、MOSFET等）是OBC中主要应用的功率器件，采用SiC替代可实现更低损耗、更小体积及更低的系统成本。OBC中采用SiC二极管整体损耗低且耐高温能力更强。OBC的前级PFC电路和后级DC/DC输出电路中会使用到快恢复硅基二极管。1）影响二极管损耗的指标包括正向导通压降（VF）、反向恢复电流（IR）、输入电容（QC）和开通关断速度等。相比于硅基SBD，SiCSBD的最大优势在于IR可以忽略不计，使得反向恢复损耗极低，在PFC电路使用SiCSBD可有效提升PFC电路效率。同时，QC、VF两个主要参数相比硅基二极管也具有优势，在后级输出电路中使用SiCSBD可以进一步提升输出整流的效率。同时，由于SiC材料的优势，SiC二极管的结温更高，其可在更高温度下保持正常工作状态，在高温环境下较硅基二极管更有优势。此外，SiC二极管可实现更高频率及功率密度，从而提升系统整体效率。全SiCMOSFET方案降低OBC系统尺寸、重量和成本，同时提高运行效率。根据Wolfspeed的研究，采用全SiCMOSFET方案的22kW双向OBC，可较Si方案实现功率器件和栅极驱动数量都减少30%以上，且开关频率提高一倍以上，实现系统轻量化和整体运行效率提升。SiC系统在3kW/L的功率密度下可实现97%的峰值系统效率，而SiOBC仅可在2kW/L的功率密度下实现95%的效率。同时，进一步拆分成本，由于SiC器件的性能可减少DC/DC模块中所需大量的栅极驱动和磁性元件。因此，尽管相比单个Si基二极管和功率晶体管，SiC基功率器件的成本更高，但整体全SiC方案的OBC成本可节约15%左右。SiC器件与传统产品价差持续收窄，具备经济效益指日可待SiC器件价格持续下降，与硅基器件价差已缩小至2-3倍。SiCSBD方面，根据Mouser数据显示，公开报价方面，650V的SiCSBD2020年底与Si器件的价差在3.8倍左右；1200V的SiCSBD的平均价与Si器件的差距在4.5倍左右。根据CASAResearch，实际成交价低于公开报价。2020年，650V的SiCSBD的实际成交价格约0.7元/A；1200V的SiCSBD价格约1.2元/A，较上年下降了20%-30%，实际成交价与Si器件价差已经缩小至2-2.5倍之间。SiCMOSFET实际成交价格方面，根据CASAResearch，650V的SiCMOSFET价格0.9元/A；1200V的SiCMOSFET价格1.4元/A，较2019年下降幅度达30%-40%，与Si器件价差也缩小至2.5-3倍之间，基本达到甜蜜点，将加速SiCMOS器件的市场渗透。综上，目前SiCMOSFET单价约为IGBT单价的3-4倍，目前主逆变器中的IGBT成本约为1500元，若全部替换为SiCMOSFET，考虑到器件节约，我们预计成本将增加3000-4000元左右。以当前成本来看，根据宁德时代、松下、LG新能源等的电池成本数据，电动车动力电池度电单价约为750元，我们认为到2025年有望降至560元；根据特斯拉、小鹏等在售车型的电池容量，当前电动车平均电池容量约为55kwh，在百公里电耗逐步下降及续航里程不变的情况下，到2025年平均电池容量有望降至43kwh，则2022/2025E电池包的价格为41250/24000元。根据丰田的实验数据，采用全碳化硅模块可使续航里程提升5-10%，我们假设这将节约电池成本5-10%。根据我们的测算，若仅考虑电池成本节约，当SiCMOSFET成本下降到IGBT器件成本的2倍左右时，将具备经济效益。若考虑使用SiC带来的冷却系统节约、外围器件节约、整体空间节约等，当SiCMOSFET成本下降到IGBT成本的2-2.5倍时采用SiC方案就将具备经济效益。预计2025年全球新能源汽车SiC市场规模将达到30.1亿美元根据我们的测算，2020年全球新能源汽车SiC器件及模块市场规模为2.7亿美元，预计到2025年达30.1亿美元，对应CAGR为62.3%；由此带来的2020年对SiC晶圆（6寸）的消耗量达13.7万片，预计到2025年将达199.6万片，对应CAGR为71.0%。我们认为全球新能源汽车渗透率的快速提升将驱动SiC市场规模高速增长，我们采取自上而下的方式，以新能源汽车销量为基础，考虑单车SiC器件或模块的价值量、不同零部件SiC渗透率等假设来进行测算。我们的核心假设如下：1）新能源汽车销量：我们预计全球新能源汽车销量将由2020年的277.3万辆增长至2025年的2,121.7万辆，对应CAGR为50.2%，其中中国大陆和北美市场为主要驱动力，CAGR分别为56.3/79.0%。2）SiC渗透率：我们认为SiC在新能源汽车中的应用场景主要为OBC和主逆变器，将率先逐步替代MOSFET、IGBT等方案。我们预计性能优势将使得SiC在OBC中的渗透率从2020年的23.0%提升至2025年的43.0%，在主逆变器中的渗透率将由2020年16.0%提升至2025年的38.0%。由于小鹏、蔚来、雷诺、路虎等车企宣布将在2022年开始大规模应用碳化硅方案，我们预计SiC方案渗透将在2022年开始加速。3）单车价值量：目前在主逆变器中的应用主要为SiC模块，价值量较高；OBC中主要以单管器件为主。根据Mouser、Digikey、特斯拉、比亚迪等数据，目前主逆变器/OBC中SiC模块或器件的价值量约为500/40美金，我们认为随着产业链各环节的成熟、上游积极扩产，单车碳化硅成本将逐渐下降，对IGBT的成本溢价将不断缩小。4）消耗晶圆数：根据我们对SiC模块和器件的市场规模的测算，根据单个晶圆能够切割SiC模块/器件的数量，由此测算新能源汽车市场将消耗的SiC晶圆数。直流充电桩：大功率充电占比提升，SiC将加速替代大功率直流充电桩需求旺盛，SiC协力实现高效快充。政策方面，《2020年政府工作报告》中已将充电基础设施纳入新基建七大产业之一；《2020年能源工作指导意见》中指出要加强充电基础设施建设，提升新能源汽车的充电保障能力。直流充电方式相较家用标准交流电充电方式速度大幅提高，一个150kW的直流充电器可以在大约15分钟内为电动汽车增加200公里续航，随电动汽车渗透率进一步提高，直流电充电方案需求将同步提升。Yole预计2020-2025年，全球200kW及以上的大功率直流充电桩数量将以超过30%的CAGR增长，高于平均的15.6%。SiC器件和模块具备耐高温、耐高压以及低损耗等优势，可被广泛应用于电动车直流充电方案中AD-DCPFC、DC-DC以及闸门驱动器等环节中，实现更高效电动车直流充电方案。1）SiCMOSFET可简化直流充电桩AC/DC及DC/DC电路结构，减少器件数量实现充电效率提升。根据英飞凌，在DC/DC中，使用4颗1200VSiCMOSFET替代8颗650V硅基MOSFET，在同样功率下，可将原来的两相全桥LLC电路简化为单相全桥LLC电路，所用器件数量减少50%，提升电路整体效率。同样在AC/DC中，使用SiCMOSFET可将三相Vienna整流器拓扑电路简化为两相结构，器件数量减少50%实现效率提升。同时，SiCMOSFET的整体损耗也更小。综上，SiC方案能使得整体充电器体积更小、功率密度更高、充电效率更高，更好的满足快充要求。2）SiC二极管方案可实现效率提升及输出功率增加。根据英飞凌，在48kHz下，采用SiC二极管替代Si二极管，可显著降低损耗从而提升0.8%的充电效率，可实现最多80%输出功率的提升。光伏：SiC光伏逆变器性能提升显著，广泛应用未来可期据天科合达招股书，基于硅基器件的传统逆变器成本约占光伏发电系统10%，却是系统能量损耗的主要来源之一。根据英飞凌，使用SiCMOSFET功率模块的光伏逆变器，其转换效率可从98.8%提升至99%以上，能量损耗降低8%，相同条件下输出功率提升27%，推动发电系统在体积、寿命及成本上实现重要突破。英飞凌最早于2012年推出CoolSiC系列产品应用于光伏逆变器，2020年以来，西门子、安森美等众多厂商陆续推出相关产品，碳化硅光伏逆变器应用进一步推广。据CASA数据，2020年光伏逆变器中碳化硅器件渗透率为10%，预计2025年将增长至50%。高效、高功率密度、高可靠和低成本为光伏逆变器未来发展趋势，SiC器件有望迎来广阔增量空间。工控：SiC模块有望在轨交、智能电网、风电等领域实现全方位渗透轨道交通方面，碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装置效率，符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求，从而提升系统的整体效能。根据Digitimes，2014年日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机3300V、1500A全碳化硅功率模块逆变器，开关损耗降低55%、体积和重量减少65%、电能损耗降低20%至36%。智能电网方面，相比其他电力电子装置，电力系统要求更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率和高温度方面的限制所导致的系统局限性，并具有高频、高可靠性、高效率、低损耗等独特优势，在固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动智能电网的发展和变革。此外碳化硅功率器件在风力发电、工业电源、航空航天等领域也已实现成熟应用。综上，我们测算2020年全球SiC功率器件市场规模为2.92亿美元，受新能源车、光伏、工控等需求驱动，预计到2025年将增长至38.58亿美元，对应CAGR为67.6%。2025年新能源车、新能源发电、工控占SiC功率器件市场规模比重分别为77.88/13.71/8.41%。射频：5G推动GaN-on-SiC需求提升5G发展推动碳化硅基氮化镓器件需求增长，市场空间广阔。微波射频器件中功率放大器直接决定移动终端和基站无线通讯距离、信号质量等关键参数，5G通讯高频、高速、高功率特点对其性能有更高要求。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备碳化硅高导热性能和氮化镓高频段下大功率射频输出优势，在功率放大器上的应用可满足5G通讯对高频性能、高功率处理能力要求。当前5G新建基站仍使用LDMOS功率放大器，但随5G技术进一步发展，MIMO基站建立需使用氮化镓功率放大器，氮化镓射频器件在功率放大器中渗透率将持续提升。据Yole和Wolfspeed预测，2024年碳化硅基氮化镓功率器件市场有望突破20亿美元，2027年进一步增长至35亿美元。根据我们的预测，受益5G通讯快速发展，通讯频段向高频迁移，基站和通信设备需要支持高频性能的PA，碳化硅基氮化镓射频器件相比硅基LDMOS和GaAs的优势将逐步凸显，我们测算2020年全球碳化硅射频器件市场规模为8.92亿美元，预计到2025年将增长至21.21亿美元，对应CAGR为18.9%，和Yole和Wolfspeed预测基本一致。4SiC材料：产业链核心环节，国内外厂商积极布局相比于Si，SiC衬底和外延为制造产业链核心环节，合计价值量占比超60%。在传统硅基器件制造过程中，需要在硅片基础上进行氧化、涂层、曝光、光刻、刻蚀、清洗等多个前道处理步骤，从而产生更高附加值。SiC材料则仅用于分立器件制造，其前端工艺难度不大，而衬底和外延需在高温、高压环境中生成，生长速度缓慢，为关键技术难点，占据产业链主要价值量。据CASAResearch数据显示，在传统硅基器件中，硅片前道处理附加价值量达到80%，衬底和外延环节仅占11%；而在碳化硅器件的成本构成中，衬底和外延占比分别为50%和25%，合计达到75%，为产业链中价值量最高环节。此外，衬底和外延质量对器件性能优劣起至关重要作用，提升其良率为碳化硅器件制备主要攻克目标。衬底：碳化硅产业链最关键环节，技术壁垒较高碳化硅衬底应用逐步成熟，主要分为导电型碳化硅衬底和半绝缘型碳化硅衬底。据工信部发布《重点新材料首批次应用示范指导目录（2021年版）》，碳化硅衬底可分为两类，一类是具有高电阻率（电阻率≥105Ω·cm）的半绝缘型碳化硅衬底，经GaN外延生长可制成射频器件。半绝缘型碳化硅衬底的制备过程追求“绝对纯净”，去除晶体中的各种杂质对实现碳化硅晶体本征高电阻率十分重要。另一类为低电阻率（电阻率15~30mΩ·cm）的导电型碳化硅衬底，经SiC外延生长可进一步制成SiC二极管、SiCMOSFET等功率器件。导电型碳化硅衬底以良好导电性为追求目标，在PVT法下，相较半绝缘型衬底其生产难度更低，但在生产过程中，电阻率易发生分布不均情况，仍需更好扩径及掺杂控制技术。碳化硅衬底制备需历经多道加工工序，技术难度大。碳化硅衬底行业属于技术密集型行业，涵盖材料、热动力学、半导体物理、化学、计算机仿真模拟、机械等多学科交叉知识的应用，其制备过程与硅基相似，但技术难度更高，需要长时间积累。具体流程包括原料合成、晶体生长、晶碇加工、晶体切割、晶片研磨、晶片抛光、晶片检测以及晶体清洗。其中，晶体生长为技术难度最大的环节，主流制备方式为物理气相传输法。晶体生长是碳化硅衬底制备过程中核心难点，并直接决定碳化硅衬底电学性质。目前主要晶体生长方法有物理气相传输法、高温化学气相积淀、升华外延、液相外延四种，其中物理气相传输法为主流制备方式。1）物理气相传输法（PVT），在使用PVT法进行SiC晶圆生长时，分别将高纯碳化硅微粉和籽晶置于单晶生长炉内圆柱状密封石墨坩埚下部和顶部，并在坩埚内形成轴内温度梯度。碳化硅微粉在高温下升华形成气相的Si2C、SiC2、Si等物质，在温度梯度驱动下输送到温度较低的籽晶处，在籽晶处形核、长大，结晶形成碳化硅晶碇。PVT法生长成本较低，当前其面临主要挑战在于高纯度SiC原料获取，微量关键杂质将对生长的SiC晶体纯度造成严重影响。2）高温化学气相积淀（HTCVD），HTCVD法将高纯度的硅烷、乙烷或丙烷、氢气等气体从底部导入反应器，先在高温区生长腔进行反应，形成碳化硅前驱物，再经过气体带动进入低温区籽晶端前沉积形成碳化硅晶体。HTCVD法的主要优势在于在制备过程中可有效控制Si和C比例，从而实现晶体高纯度、高质量持续生长。相较PVT法，HTCVD法使用设备更加昂贵，普及程度较低，但该方法所生长晶体缺陷少、质量高、杂质含量较低，其重要性正日益变大。3）升华外延，升华外延法是在石墨坩埚等封闭环境中用固体SiC做原材料生长SiC方法，与PVT法相近，但其所用温度更低（1800~2200℃）、压强更高（达到1atm），并且原料与晶片更接近甚至紧密接触。其最大优点在于生长速率很高，但受限于其固有缺陷即其所生长的晶碇长度不可能超过籽晶与原料之间的距离（通常为2mm）。4）液相外延（LPE），LPE法将碳化硅籽晶固定在籽晶杆前端，石墨坩埚里装填硅原料及少量掺杂物，在加热至硅融点（1500-1700℃）以上将其融化后，经由籽晶的旋转或是加上坩埚的反向旋转，使熔体里的碳以及掺杂元素均匀散布，再借由缓慢降温使溶液过饱和后在籽晶前端生长出碳化硅晶体。使用LPE法生长晶体，其径向生长速度相对可控，可实现无微管缺陷晶体生长，但其晶体生长成本较高。与硅相比，碳化硅衬底性能参数指标众多、工艺难度高，制备效率低。碳化硅衬底包括直径、微管密度、多型面积、位错密度、电阻率、弯曲度、翘曲度、表面粗糙度等多项核心参数，共同影响着衬底质量高低及最终器件性能的优劣。不同于传统单晶硅使用提拉法制备，碳化硅材料需采用气相生长方法，在密闭高温腔体内进行原子有序排列并完成晶体生长、同时控制各参数指标十分复杂。此外，再将生长好的晶体加工成可以满足半导体器件制造所需晶片又涉及一系列高难度工艺调控，进一步制约生产效率。稳定量产各项性能参数指标波动较低的高质量碳化硅衬底技术壁垒较高，具体体现在以下几个方面：1）碳化硅粉料纯度要求高，制备难。碳化硅粉料纯度直接影响生长晶体质量，需使用高纯碳粉和高纯硅粉反应制成，而在合成过程中环境杂质多，难以获得高纯度粉料。2）高温、高压环境中进行晶体生长，条件苛刻。碳化硅晶体气相生长环境要求温度在2000℃-2500℃，压力为350Mpa，生长条件非常苛刻，而传统硅片制备仅需1600℃左右的温度要求。并且高温环境对设备和工艺的控制带来极高要求，在生产中需要精确调控生长温度和压力，稍有失误将导致生长数天产品失败，直接造成时间和材料双重损失。3）碳化硅晶体结构类型众多，杂质控制难度高。碳化硅存在200多种晶体结构类型，但仅其中六方结构的4H型（4H-SiC）等少数几种晶体结构碳化硅为所需材料，在晶体生长过程中，需精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速度以及气流气压等参数，否则容易产生多晶型夹杂，降低产品良率。4）长晶速度缓慢，扩径技术难度高。碳化硅晶体生长速度非常缓慢，每小时仅能生长400微米，而硅晶棒生长速度为每小时300毫米，两者相差近800倍。使用当前主流的物理气相传输法约7天才能生长2cm左右的碳化硅晶体，而生产1-2m的8英寸硅晶棒仅需2天半左右，6英寸则只需约1天时间。同时，气相传输法下，碳化硅晶体生长的扩径技术难度较大，随着晶体尺寸扩大，其生长难度工艺呈几何级增长。5）碳化硅硬度高，切割技术难度大。碳化硅莫氏硬度分布在9.2-9.6，硬度仅次于金刚石材料，且脆性高，属于典型硬脆材料，切割、研磨、抛光技术难度大，加工过程中易导致开裂问题，而加工完成后衬底易存在翘曲等质量问题，工艺水平的提高需要长期的研发积累。导电型和半绝缘型碳化硅衬底制作工艺存在差异，导电型材料整体技术难度和成本稍低。在采用主流的物理气相传输法（PVT）下，导电型SiC通常采用通入杂质来增强导电性，而半绝缘型SiC则主要采用加入深能性掺杂剂（如V）的方式控制电阻率。半绝缘型SiC衬底追求原材料的高纯净度，同时掺钒工艺较为复杂，对生产设备和技艺等要求更高，总体生产技艺难度和成本都较大，当前国产碳化硅领先企业如天科合达和天岳先进均在半绝缘型SiC材料上有较高的研发投入或存在专利成果。从产出率看，根据Wolfspeed的数据，导电型衬底单片平均厚度约为350微米，而半绝缘型衬底单片平均厚度约为500微米，在使用相同晶棒进行长晶工艺生产时，导电型SiC衬底产成率约为半绝缘型SiC衬底的142%。因此，在相同生产设备和技术环境下，我们预计国内具备生产半绝缘型SiC衬底能力的厂商开始生产导电型SiC衬底产出率将大幅提升。海外龙头早期以导电型产品为主，从整体看导电型和半绝缘型产品同步研发。在美国90年代的商业化SiC产品中，大部分仍为导电型SiC衬底，半绝缘型SiC所需的掺钒工艺和技术要求导致国际厂商对该类型产品的质量和性能把握较有延迟，但从整体看目前的海外SiC龙头在两类产品的研发量产上基本做到了齐头并进。作为该行业的先驱，Cree在1993年已成功出品5款不同的2英寸导电型SiC，但很快在1998年，公司就推出了业界首款采用半绝缘型SiC加GaN外延层的HEMT器件。在2000年，II-VI申请了使用钒作为补偿性掺杂剂的生产专利，并于2002年同时实现了2英寸导电型和半绝缘型SiC衬底材料的量产。目前，Wolfspeed和II-VI均已实现两种类型8英寸SiC衬底的量产，在两种类型SiC衬底材料的生产技艺上基本保持了同步研发。行业趋势#1：衬底尺寸不断扩大，8英寸衬底成本优势凸显成本优势驱动衬底大尺寸化发展。衬底直径为衡量晶体制备水平重要指标之一，目前导电型碳化硅衬底以6英寸为主，8英寸衬底开始发展，而半绝缘碳化硅衬底以4英寸为主，逐渐向6英寸、8英寸方向发展。单片衬底制备芯片数量随衬底尺寸增大而增多，同时边缘芯片占比也显著改善。碳化硅晶圆从6英寸扩径到8英寸，芯片数量将由448增长至845颗，边缘芯片占比也将从14%减少至7%，带来单位芯片成本大幅降低。Wolfspeed于2019年开始建设8英寸衬底产线，公司预计将于2024财年达产。Wolfspeed表示2024财年MVF晶圆厂单颗MOSFET裸片成本有望降低63%，其中28%的降本来自良率（产量效率）提升，25%来自规模效应，10%来自自动化带来的人工成本和生产周期改善，衬底大尺寸带来成本优势显著。行业趋势#2：远期产业链融合有望成为趋势SiC衬底、外延、器件、设备未来产业链垂直化整合趋势明显。国内外碳化硅企业积极完善衬底、外延及器件全产业链布局。（1）国外厂商方面，意法半导体于2019年12月收购瑞典Norstel，开始布局SiC衬底及外延；II-VI公司在2020年收购Ascatron、INNOViON以及GE的SiCIP授权，进一步垂直整合SiC业务。（2）国内厂商方面，三安光电宣布投资160亿元建设湖南三安半导体项目，将打造国内首条、全球第三条碳化硅垂直整合产业链，该产线可月产3万片6英寸碳化硅晶圆。同时，碳化硅衬底、器件厂商往往与汽车等设备制造商签订长期合作协议，加强产业链上下游协同。我们认为未来进入行业整合阶段，头部厂商将积极进行产业链上下游延伸，以提升全产业链竞争力和市占率。行业趋势#3：半绝缘型衬底国产化率已经较高，导电型衬底成为国产替代焦点根据Yole的数据，2020年国内厂商山东天岳在全球半绝缘型SiC衬底的市场份额达30%，与贰陆（35%）和Wolfspeed（33%）的份额基本相当，整体市场形成寡头的局面，已经实现较大程度的国产替代。但在另一方面，全球导电型衬底市场由国外厂商占绝对主导，2020年，Wolfspeed和贰陆公司合计份额超过70%（Yole的数据），国内厂商如天科合达具备一定的收入规模，但整体份额较小。同时导电型衬底对应下游新能源车、光伏等高成长性市场。因此我们认为，导电型衬底将是现阶段国产替代发力的焦点区域，存在广阔替代空间。国产衬底迭代进程加快，质量、良率等方面仍存不小差距国产碳化硅产业起步较晚，迭代进程加快并不断追赶国际厂商。国内碳化硅产业起步较晚，国际龙头企业如Wolfspeed和II-VI等于20世纪70-80年代设立与投入研发，分别于1995和2002年量产2英寸碳化硅衬底。而国内企业基本设立于2006年之后，最早的天科合达也于2006年实现2英寸产品的研发和少量销售，落后海外厂商11年。近年来，随着国内对碳化硅行业投资和政策扶持力度的加大，国内企业研发投入持续增加，使得从4英寸到6英寸衬底产品的量产推动用时显著短于海外龙头企业，6寸量产时间差已由4寸的9年缩短至7年左右。部分企业如天科合达和天岳先进已于2020年开始研发8英寸碳化硅晶片的生产线。截至2021年，国产碳化硅厂商的4英寸和6英寸产品已基本实现量产和销售，国内碳化硅衬底厂商的产品迭代速度正在不断加快，逐渐缩小与国际厂商的差距。国产碳化硅衬底质量在部分参数上比肩国际龙头，但在单晶性能一致性、成品率、成本等方面仍存在不小差距。评估碳化硅衬底产品质量的核心参数主要有直径、微管密度、多型面积、电阻率范围、总厚度变