報(bào)告綜述：

新能源與 5G 建設(shè)的基石：碳化硅襯底

碳化硅襯底是第三代半導(dǎo)體材料中氮化鎵、碳化硅應(yīng)用的基石。受技術(shù)與工藝水平限制， 氮化鎵材料作為襯底實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，其應(yīng)用主要是以藍(lán)寶石、硅晶片或半 絕緣碳化硅晶片為襯底，通過外延生長氮化鎵以制造氮化鎵器件，主要應(yīng)用于宏基站通 信射頻領(lǐng)域；而碳化硅材料則主要以在導(dǎo)電型碳化硅襯底上外延生長碳化硅外延層，應(yīng) 用在各類功率器件上，近年來隨著技術(shù)工藝的成熟、制備成本的下降，在新能源領(lǐng)域的 應(yīng)用持續(xù)滲透。碳化硅材料將是未來新能源、5G 通信領(lǐng)域中碳化硅、氮化鎵器件的重 要基礎(chǔ)。

SiC 功率器件替代空間廣闊，迎新能源車增長趨勢確立

SiC 材料擁有寬禁帶、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高電子遷移率以及抗輻射等特性，SiC 基的 SBD 以及 MOSFET 更適合在高頻、高溫、高壓、高功率以及耐輻射的環(huán)境中工 作。在功率等級(jí)相同的條件下，采用 SiC 器件可將電驅(qū)、電控等體積縮小化，滿足功率 密度更高、設(shè)計(jì)更緊湊的需求，同時(shí)也能使電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程更長。一方面是 SiC 功率器 件在技術(shù)方面的逐漸成熟，一方面是智能化、電氣化趨勢持續(xù)演進(jìn)，下游傳統(tǒng)汽車升級(jí) 帶來龐大的功率半導(dǎo)體需求，SiC 功率器件替代空間廣闊。

SiC 應(yīng)用的關(guān)卡：SiC 襯底的供應(yīng)

龐大的市場需求下是尚未真正爆發(fā)的 SiC 應(yīng)用，核心原因是價(jià)格高昂，相比 Si 器件， SiC 價(jià)格往往高出數(shù)倍。SiC 功率器件的成本是影響其市場推廣的重要因素，而 SiC 襯 底是致其成本較高的重要原因。SiC 器件的制造成本中，SiC 襯底成本約占總成本的 47%，SiC 外延的成本占比 23%，這兩大工序是 SiC 器件的重要組成部分。而 SiC 襯 底制備受限于 SiC 晶體生長速度慢、過程難以調(diào)控、生長多型多、切割難度大等多種問 題，全球產(chǎn)能一直處于較低水平。未來，隨著核心供應(yīng)商如 Cree、II-VI 大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)， 我國三安光電（北電新材）、天科合達(dá)等企業(yè)產(chǎn)能逐步釋放，SiC 應(yīng)用有望加速滲透。

新能源與 5G 建設(shè)的基石：碳化硅襯底

碳化硅（SiC）襯底是第三代半導(dǎo)體材料中氮化鎵（GaN）、碳化硅應(yīng)用的基石。受技術(shù) 與工藝水平限制，GaN 材料作為襯底實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)，其應(yīng)用主要是以藍(lán)寶 石、硅（Si）晶片或半絕緣 SiC 晶片為襯底，通過外延生長 GaN 外延層以制造 GaN 器 件，主要應(yīng)用于宏基站通信射頻領(lǐng)域；而 SiC 材料則主要以在導(dǎo)電型 SiC 襯底上外延生 長 SiC 外延層，應(yīng)用在各類功率器件上，近年來隨著技術(shù)工藝的成熟、制備成本的下降， 在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用持續(xù)滲透。由此可以看出，SiC 材料將是未來新能源、5G 通信領(lǐng) 域中 SiC、GaN 器件的重要基礎(chǔ)。

硅基器件逼近物理極限，化合物半導(dǎo)體前景廣闊。目前絕大多數(shù)的半導(dǎo)體器件和集成電 路都是由硅制作的，出色的性能和成本優(yōu)勢讓硅在集成電路等領(lǐng)域占有絕對的優(yōu)勢，無 論是在電力電子領(lǐng)域還是通信射頻等領(lǐng)域，硅基器件在低壓、低頻、中功率等場景，應(yīng) 用也非常廣泛。但在一些高功率、高壓、高頻、高溫等應(yīng)用領(lǐng)域如新能源和 5G 通信等， 硅基器件的表現(xiàn)逐漸達(dá)不到理想的要求，以三五族為代表的化合物半導(dǎo)體以其性能優(yōu)勢 在通訊射頻、光通信、電力電子等領(lǐng)域逐步大規(guī)模民用化。

區(qū)別于第一代單元素半導(dǎo)體，化合物半導(dǎo)體具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)等半導(dǎo)體性 質(zhì)，如近年來在通信、新能源領(lǐng)域嶄露頭角的氮化鎵、碳化硅材料，在電子遷移率、禁 帶寬度、功耗等指標(biāo)上表現(xiàn)更優(yōu)，具有高頻、抗輻射、耐高電壓等特性。

基站側(cè) GaN 滲透提升，未來增長空間廣闊

在第三代半導(dǎo)體材料中，GaN 禁帶寬度達(dá)到 3.5eV，禁帶寬度越大，耐高電壓和高溫性 能越好；同時(shí)高電子飽和漂移速度較高，因此 GaN 相比 Si 具有更高的頻率特性。GaN 的適用頻率、輸出功率、功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 LDMOS 和 GaAs，具有作為射頻器件的先 天優(yōu)勢。

而由于毫米波的功率要求非常高，對于 5G 來說，GaN 將成為最適合 PA 的材料，尤其 在 28GHz 以上的頻段。GaN 誕生初期主要用于制作高頻大功率微波器件，多用于軍用 雷達(dá)、智能武器和通信系統(tǒng)等方面，目前已逐漸向 5G 移動(dòng)通訊基站等民用領(lǐng)域拓展， 在低頻段 3-6GHz 和毫米波頻段發(fā)揮作用，成為基站功放器的重要新材料。

GaN 射頻器件未來前景廣闊，主要受益于 5G 基站建設(shè)數(shù)量、射頻器件用量的提升 近年來 5G 基站快速滲透，射頻芯片數(shù)量提升。4G 基站設(shè)備由 BBU（基帶單元）和 RRU （射頻拉遠(yuǎn)單元）組成，RRU 通常會(huì)拉遠(yuǎn)至接近天線的地方，BBU 與 RRU 之間通過 光纖連接，而 RRU 與天線之間通過饋線連接。5G 基站設(shè)備將 BBU 分割為 CU（中央 單元）和 DU（分布式單元），并通過光纖與 AAU（有源天線單元）連接。5G 基站天線 采用 MassiveMIMO 技術(shù)，天線和 RRU 合設(shè)，組成 AAU。MassiveMIMO 天線一般為 64T64R，則單個(gè)宏基站天線數(shù)量為 192 個(gè)，放大器數(shù)量為 192 個(gè)。5G 基站之于 4G 基 站的主要變化有：

天線：1）產(chǎn)品形態(tài)變化，基站天線+RRU（4G 時(shí)代）--→AAU（5G 時(shí)代）； 2）高頻特性 3.5GHz/5GHz，覆蓋面積小，帶動(dòng)天線數(shù)量提升；3）MassiveMIMO 技術(shù)變化，基站天線（4T4R）--→AAU（64T64R），單天線價(jià)值量提升；

濾波器：1）輕量化、小型化、有源化，金屬腔體濾波器--→陶瓷介質(zhì)濾波器； 2）MassiveMIMO 多通道，每個(gè)通道需要濾波器，單個(gè)基站的濾波器數(shù)量增多。

5G 基站數(shù)量相較 4G 大幅提升。2~4G 均是低頻段信號(hào)傳輸，宏基站幾乎能覆蓋所有的 信號(hào)傳輸，但由于 5G 主要是中高頻段，宏基站能覆蓋的信號(hào)范圍相對有限，因此為了 保障信號(hào)的覆蓋程度，5G 基站的部署密度相較于 4G 基站將會(huì)有所增加，同時(shí)還通過 小基站模式增強(qiáng)信號(hào)覆蓋能力。根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，截至 2020 年 10 月我國共建成 5G 基 站超 70 萬座，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì) 2022 年底我國 5G 基站數(shù)可能達(dá)到 110 萬個(gè)，實(shí) 現(xiàn)全國所有地級(jí)市室外的 5G 連續(xù)覆蓋、縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)重點(diǎn)覆蓋、重點(diǎn)場景室內(nèi)覆蓋。

GaN 因其小體積、大功率的特性，通常應(yīng)用在雷達(dá)上面，目前已逐漸應(yīng)用在基站 PA 芯 片上。GaN 器件有 Si 基和 SiC 基兩種，GaN-on-Si 主要應(yīng)用于電力電子領(lǐng)域，用作高 功率開關(guān)，GaN-on-SiC 主要應(yīng)用于射頻領(lǐng)域，主要得益于 SiC 的高導(dǎo)熱率以及低 RFloss，適用于功率較大的宏基站。據(jù) Yole，預(yù)計(jì) 2025 年 GaN 射頻器件在通信基建 上的市場將達(dá) 7.31 億美元，2019~2025 年復(fù)合增速達(dá) 14.88%，2025 年整體市場規(guī)模 達(dá) 20 億美元，2019~2025 年復(fù)合增速達(dá) 12%。

 

 

而 GaN 射頻器件主要在 SiC 襯底上制作，因此 5G 基站對 SiC 襯底也有較大需 求。以我國 5G 基站市場為例，據(jù)拓璞產(chǎn)業(yè)研究院，預(yù)計(jì) 2023 年我國 5G 基站 建設(shè)需求 GaN 晶圓約 45.3 萬片，對應(yīng) 4 寸半絕緣 SiC 襯底片需求 45.3 萬片， 襯底需求量持續(xù)增加。

碳化硅功率器件替代空間廣闊+新能源車增長趨勢確立

如前文所述，SiC 絕緣擊穿場強(qiáng)是硅的 10 倍（意味著外延層厚底是硅的 1/10），帶隙、 導(dǎo)熱系數(shù)約為硅的 3 倍，同時(shí)在器件制作時(shí)可以在較寬范圍內(nèi)控制必要的 p 型、n 型， 能夠在高溫、高壓等工作環(huán)境下工作，同時(shí)能源轉(zhuǎn)換效率更高，所以被認(rèn)為是一種超越 Si 極限的功率器件材料，在新能源領(lǐng)域中具有相比 Si 器件更好的表現(xiàn)。 我們認(rèn)為，未來 SiC 材料將在對能源轉(zhuǎn)換效率、高溫高壓環(huán)境下工作可靠性好、體積重 量要求高的電力電子領(lǐng)域大放異彩，主要因?yàn)椋?/span>

擊穿電場高→耐高壓、導(dǎo)通電阻低→小型化、可靠性強(qiáng)。SiC 的絕緣擊穿場強(qiáng)是 Si 的 10 倍，因此與 Si 器件相比，能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移 層制作 600V～數(shù)千 V 的高耐壓功率器件。高耐壓功率器件的阻抗主要由該漂移層 的阻抗組成，因此采用 SiC 可以得到單位面積導(dǎo)通電阻非常低的高耐壓器件。理 論上，相同耐壓的器件，SiC 的單位面積的漂移層阻抗可以降低到 Si 的 1/300。

 

 

高電子飽和漂移速度→高頻開關(guān)損耗小→提高轉(zhuǎn)換效率。Si 材料中，為了改善伴 隨高耐壓化而引起的導(dǎo)通電阻增大的問題，主要采用如 IGBT 等少數(shù)載流子器件 （雙極型器件），但是這類器件卻存在開關(guān)損耗大的問題，其結(jié)果是由此產(chǎn)生的發(fā) 熱會(huì)限制相應(yīng)功率器件的高頻驅(qū)動(dòng)。而 SiC 材料飽和電子漂移速度是 Si 器件的 2.7 倍，能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件（SBD 和 MOSFET）同時(shí)實(shí)現(xiàn)"高耐壓 "、"低導(dǎo)通電阻"、"高頻"這三個(gè)特性。

禁帶寬度大、導(dǎo)熱系數(shù)高→耐高溫→可在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，減小散熱設(shè)備面積。 SiC 材料帶隙較寬，約為 Si 的 3 倍，因此 SiC 功率器件即使在高溫下也可以穩(wěn)定 工作。對于主流的大功率 HEV，一般包含兩套水冷系統(tǒng)，一套是引擎冷卻系統(tǒng)， 冷卻溫度約 105℃，另一套是電力電子設(shè)備的冷卻系統(tǒng)，冷卻溫度約為 70℃。如 果采用 SiC 功率器件，由于其具有 3 倍于 Si 的導(dǎo)熱能力，可以使器件工作于較高 的環(huán)境溫度中，使得未來車企或?qū)⒛軌虬褍商姿湎到y(tǒng)合二為一甚至直接采用風(fēng) 冷系統(tǒng)，這將大大降低 HEV 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本，同時(shí)空出更多的車身空間以裝配更 多的電子元器件（如各類傳感器）。

目前材料的理論性能如何在器件的性能中得以表現(xiàn)？以目前 SiC 功率器件中較為成熟 的肖特基二極管（SBD）和 MOSFET 為例： SiC-SBD：SiC-SBD 與 Si-SBD 相比的總?cè)菪噪姾桑≦c）較小，能夠在實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)操 作的同時(shí)減少開關(guān)損耗，因此它們被廣泛用于電源的 PFC 電路中。同時(shí) Si 基快速恢復(fù) 二極管（FRD）在從正向切換到反向的瞬間會(huì)產(chǎn)生極大的瞬態(tài)電流，在此期間轉(zhuǎn)移為反 向偏壓狀態(tài)，從而產(chǎn)生很大的損耗。正向電流越大，或者溫度越高，恢復(fù)時(shí)間和恢復(fù)電 流就越大，從而損耗也越大。與此相反，SiC-SBD 是不使用少數(shù)載流子進(jìn)行電傳導(dǎo)的多 數(shù)載流子器件（單極性器件），因此原理上不會(huì)發(fā)生少數(shù)載流子積聚的現(xiàn)象。而且，該瞬 態(tài)電流基本上不隨溫度和正向電流而變化，所以不管何種環(huán)境下，都能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)快 速恢復(fù)。因此，如果用 SiC-SBD 替換現(xiàn)在主流產(chǎn)品快速 PN 結(jié)二極管（FRD:快速恢復(fù) 二極管），能夠明顯減少恢復(fù)損耗。

這些優(yōu)勢有利于電源的高效率化，并且通過高頻驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電感等無源器件的小型化、低 噪化，可廣泛應(yīng)用于空調(diào)、電源、光伏發(fā)電系統(tǒng)中的功率調(diào)節(jié)器、電動(dòng)汽車的快速充電 器等的功率因數(shù)校正電路（PFC 電路）和整流橋電路中。例如，KinkiRoentgen 公司用 于 X 射線發(fā)生器的 500 瓦電源采用了羅姆 SiC-SBD，使每瓦的電源體積比舊系統(tǒng)減小 了 5 倍。

SiC-MOSFET：Si 材料中越是高耐壓器件，單位面積的導(dǎo)通電阻也越大（以耐壓值的約 2~2.5 次方的比例增加），因此 600V 以上的電壓中主要采用 IGBT 器件，通過電導(dǎo)率調(diào) 制向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導(dǎo)通電阻比 MOSFET 要小，但是同時(shí) 由于少數(shù)載流子的積聚，在開關(guān)關(guān)閉時(shí)會(huì)產(chǎn)生尾電流，從而造成極大的開關(guān)損耗。 SiC 器件漂移層的阻抗比 Si 器件低，不需要進(jìn)行電導(dǎo)率調(diào)制就能夠以 MOSFET 實(shí)現(xiàn)高 耐壓和低阻抗，因而 SiC-MOSFET 原理上在開關(guān)過程中不會(huì)產(chǎn)生拖尾尾電流，可高速 運(yùn)行且開關(guān)損耗低，能夠在 IGBT 不能工作的高頻、高溫條件下驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)散熱部件 的小型化。

此外，SiC-MOSFET 還具有如導(dǎo)通電阻增加量很小的優(yōu)異的材料屬性，并且有比導(dǎo)通 電阻可能隨著溫度的升高而上升 2 倍以上的硅（Si）器件更優(yōu)異的封裝微型化和節(jié)能的 優(yōu)點(diǎn)，例如900V時(shí)，SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的1/35、SJ-MOSFET 的 1/10，就可以實(shí)現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻。同時(shí)，Si-MOSFET 最高只有 900V 的產(chǎn)品，但 是 SiC 卻能夠以很低的導(dǎo)通電阻輕松實(shí)現(xiàn) 1700V 以上的耐壓。

封裝微型化和節(jié)能的優(yōu)勢將直接體現(xiàn)在功率模塊上，以豐田采用的 6.1kWSiCOBC 模塊 為例，其功率密度是 3.3kW 硅 OBC 模塊的 4 倍。

 

 

由于這些特性，英飛凌、意法半導(dǎo)體、Rohm 等功率半導(dǎo)體主要供應(yīng)商紛紛布局 SiC 功 率產(chǎn)品，新能源相關(guān)的 SiC 功率器件應(yīng)用也在不斷落地。

器件和模塊技術(shù)已逐步到位，下游需求釋放增長動(dòng)能

一方面是 SiC 功率器件在技術(shù)方面的逐漸成熟，一方面是智能化、電氣化趨勢持續(xù)演 進(jìn)，下游傳統(tǒng)汽車升級(jí)帶來龐大市場需求。在全球碳中和政策的要求下，各國政府不斷 推進(jìn)新能源車補(bǔ)貼政策，使得包含純電動(dòng)車(BEV)與插電混合式電動(dòng)車(PHEV)在內(nèi)的新 能源車在疫情導(dǎo)致的整體車市衰退下仍保持銷售正成長。同時(shí)，據(jù) PwC 預(yù)計(jì)，未來歐 盟 / 美 國 / 中 國 BEV 占 輕 型 汽 車 新 車 銷 量 比 重 將 持 續(xù) 提 升 ， 2025 年 可 達(dá) 17.1%/5.0%/19.5%，出貨量達(dá) 290.7/80/546 萬輛。

在智能化、電氣化趨勢下，汽車電子系統(tǒng)價(jià)值量將持續(xù)提升，其中的核心是汽車半導(dǎo)體。 汽車半導(dǎo)體是指用于車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的半導(dǎo)體產(chǎn)品。按 照功能種類劃分，汽車半導(dǎo)體大致可以分為主控/計(jì)算類芯片、功率半導(dǎo)體（含模擬和混 合信號(hào) IC）、傳感器、無線通信及車載接口類芯片、車用存儲(chǔ)器以及其他芯片（如專用 ASSP 等）幾大類型，而且隨著電氣化以及智能化應(yīng)用的增多，汽車半導(dǎo)體無論是安裝 的數(shù)量還是價(jià)值仍在不斷增長之中。據(jù)羅蘭貝格估算，預(yù)計(jì) 2025 年一臺(tái)純電動(dòng)車中電 子系統(tǒng)成本約為 7,030 美元，較 2019 年的一臺(tái)燃油車的 3,145 美元大增 3,885 美元， 而其中新能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本較燃油車增加約為 2,235 美元，是電子系統(tǒng)價(jià)值量增加的主 要來源。

功率器件是新能源車半導(dǎo)體的核心組成，是價(jià)值量提升的關(guān)鍵賽道。隨著新能源汽車的 發(fā)展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導(dǎo)體器件新的增長點(diǎn)。功率半導(dǎo)體器件 也叫電力電子器件，大多數(shù)使用狀態(tài)為導(dǎo)通和阻斷兩種工作特性，主要用于電流電壓的 變換與調(diào)控。近 20 年來各個(gè)領(lǐng)域?qū)β势骷碾妷汉皖l率要求越來越嚴(yán)格，MOSFET 和 IGBT 逐漸成為主流，多個(gè) IGBT 可以集成為 IPM 模塊，用于大電流和大電壓的環(huán)境。 此外新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導(dǎo)體應(yīng)用的組件包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、車載充電 系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載 DC/DC）和非車載充電樁，每個(gè)部件都需要大量的 功率半導(dǎo)體對電流電壓進(jìn)行控制。據(jù) StrategyAnalytics，純電動(dòng)汽車中功率半導(dǎo)體占汽 車半導(dǎo)體總成本比重約為 55%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)能源汽車的 21%。

 

 

新能源汽車行業(yè)是市場空間巨大的新興市場，全球范圍內(nèi)新能源車的普及趨勢逐步清晰 化，帶動(dòng)功率半導(dǎo)體市場快速增長。根據(jù) IHSMarkit 預(yù)測，2018 年全球功率器件市場規(guī) 模約為 391 億美元，預(yù)計(jì)至 2021 年市場規(guī)模將增長至 441 億美元，2018~2021 年復(fù) 合增速為 4.09%。目前國內(nèi)功率半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈正在日趨完善，技術(shù)也正在取得突破，同 時(shí)，中國也是全球最大的功率半導(dǎo)體消費(fèi)國，2018 年市場需求規(guī)模達(dá)到 138 億美元， 增速為 9.5%，占全球需求比例高達(dá) 35%。IHSMarkit 預(yù)計(jì)未來中國功率半導(dǎo)體將繼續(xù) 保持較高速度增長，2021 年市場規(guī)模有望達(dá)到 159 億美元，2018~2021 年復(fù)合增速達(dá) 4.83%。

據(jù)英飛凌預(yù)估，48V/輕混合動(dòng)力汽車、插電式、混合動(dòng)力或純電動(dòng)車功率半導(dǎo)體價(jià)值量 未來有望達(dá) 90 美元/臺(tái)、330 美元/臺(tái)，以其預(yù)計(jì) 2030 年全球約 0.27 億臺(tái) 48V/輕混合 動(dòng)力汽車、0.32 億臺(tái)插電式、混合動(dòng)力及純電動(dòng)車計(jì)算，車載功率半導(dǎo)體市場空間便達(dá) 130.17 億美元。

新能源車帶動(dòng)功率半導(dǎo)體市場需求快速擴(kuò)容，SiC 功率器件或迎替代機(jī)遇。SiC 材料擁 有寬禁帶、高擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高電子遷移率以及抗輻射等特性，SiC 基的 SBD 以 及 MOSFET 更適合在高頻、高溫、高壓、高功率以及強(qiáng)輻射的環(huán)境中工作。在功率等 級(jí)相同的條件下，采用 SiC 器件可將電驅(qū)、電控等體積縮小化，滿足功率密度更高、設(shè) 計(jì)更緊湊的需求，同時(shí)也能使電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程更長。據(jù)天科合達(dá)招股說明書，美國特斯 拉公司的 Model3 車型便采用了以 24 個(gè) SiCMOSFET 為功率模塊的逆變器，是第一家 在主逆變器中集成全 SiC 功率器件的汽車廠商；目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車 載充電系統(tǒng)中使用 SiC 功率器件；此外，SiC 器件應(yīng)用于新能源汽車充電樁，可以減小 充電樁體積，提高充電速度。據(jù) Yole，2018 年全球車載 SiC 功率器件的市場空間為 4.2 億美金，預(yù)計(jì)到 2024 年市場空間可以達(dá)到 19.3 億美金，對應(yīng) 2018-2024 年復(fù)合增速 達(dá)到 29%。

未來光伏發(fā)電將會(huì)是全球新能源發(fā)展的主要方向，新增裝機(jī)量持續(xù)提升，而逆變器是光 伏不可或缺的重要組成部分，是光伏發(fā)電能否有效、快速滲透的關(guān)鍵之一。高效、高功 率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發(fā)展趨勢，據(jù)天科合達(dá)招股說明書，目前 在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng) 10%左右，卻是系統(tǒng)能量 損耗的主要來源之一。使用 SiC-MOSFET 或 SiC-MOSFET 與 SiC-SBD 結(jié)合的功率模 塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從 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，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降 低生產(chǎn)成本。SiC 功率器件，為實(shí)現(xiàn)光伏逆變器的“高轉(zhuǎn)換效率”和“低能耗”提供了 所需的低反向恢復(fù)和快速開關(guān)特性，對提升光伏逆變器功率密度、進(jìn)一步降低度電成本 至關(guān)重要。在組串式和集中式光伏逆變器中，SiC 產(chǎn)品預(yù)計(jì)會(huì)逐漸替代硅基器件。

 

 

此外，儲(chǔ)能、充電樁、軌道交通、智能電網(wǎng)等也將大規(guī)模應(yīng)用功率器件。整體而言，隨 著器件的小型化與對效率要求提升，采用化合物半導(dǎo)體制成的電力電子器件可覆蓋大功 率、高頻與全控型領(lǐng)域，其中 SiC 的出現(xiàn)符合未來能源效率提升的趨勢。以 SiC 制成的 電力電子器件，工作頻率、效率及耐溫的提升使得功率轉(zhuǎn)換（即整流或者逆變）模塊中 對電容電感等被動(dòng)元件以及散熱片的要求大大降低，將優(yōu)化整個(gè)工作模塊。未來，在 PFC 電源、光伏、純電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車、不間斷電源（UPS）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、風(fēng)能發(fā)電以及 鐵路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，SiC 的應(yīng)用面會(huì)不斷鋪開。

SiC 應(yīng)用的關(guān)卡：SiC 襯底的供應(yīng)需求旺盛，供給不足：碳化硅襯底供應(yīng)亟待解決

龐大的市場需求下是尚未真正爆發(fā)的 SiC 應(yīng)用，而 SiC 功率器件的成本是影響其市場 推廣的重要因素。相比 Si 器件，SiC 價(jià)格往往高出數(shù)倍，重要是因?yàn)?SiC 襯底較為昂 貴——SiC 襯底是 SiC 器件制作的基礎(chǔ)和成本的主要來源。SiC 器件的制造成本中，SiC 襯底成本約占總成本的 47%，SiC 外延的成本占比 23%，這兩大工序是 SiC 器件的重 要組成部分而目前 6 寸 SiC 襯底價(jià)格超 900 美元/片，相比 6 寸硅片不到 50 美元/片的 價(jià)格相差巨大，這也是目前 SiC 器件價(jià)格高昂、阻礙下游廠商應(yīng)用的重要原因之一。而 SiC 襯底成本較高，主要因?yàn)椋?、技術(shù)起步晚，晶圓、器件技術(shù)發(fā)展相較硅材料晚；2、 SiC 襯底生長較慢，技術(shù)難度大。

技術(shù)起步晚，晶圓、器件技術(shù)發(fā)展相較硅材料晚。Cree 于 2000 年前后量產(chǎn) 4 寸 SiC 襯 底片，此時(shí)硅片尺寸已發(fā)展至 12 寸，隨后 SiC 襯底片尺寸直到 2009 年前后才推進(jìn)至 6 寸，至今尚無 8 寸襯底片量產(chǎn)。襯底片量產(chǎn)時(shí)間晚、尺寸小也直接影響了 SiC 器件技 術(shù)的發(fā)展，盡管后者迭代速度較硅器件更快，整體生產(chǎn)成本仍存較大差距。

SiC 襯底片發(fā)展慢、尺寸擴(kuò)大困難的核心原因是 SiC 晶棒生長條件苛刻、生長速度慢、 尺寸提升帶來的技術(shù)難度大。目前 SiC 襯底的制備過程大致分為兩步，第一步制作 SiC 單晶；第二步通過對 SiC 晶錠進(jìn)行粗加工、切割、研磨、拋光，得到透明或半透明、無 損傷層、低粗糙度的 SiC 晶片。

由于物理的特性，SiC 材料擁有很高的硬度，目前僅次于金剛石，因此在生產(chǎn)上勢必要 在高溫與高壓的條件下才能生產(chǎn)，一般而言，需要在 2500℃以上高溫（硅晶僅需在 1500℃）。目前制備 SiC 單晶的方法有籽晶升華法、高溫化學(xué)氣相沉積法（HTCVD）和 液相法（LPE）。籽晶升華法是較為的 SiC 晶棒生長方法，又稱物理氣相傳輸法（PVT)。 其原理是在超過 2500℃高溫下將碳粉和硅粉升華分解成為 Si 原子、Si2C 分子和 SiC2 分子等氣相物質(zhì)，在溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下，這些氣相物質(zhì)將被輸運(yùn)到溫度較低的碳化硅籽 晶上形成 4H 型碳化硅晶體。通過控制 PVT 的溫場、氣流等工藝參數(shù)可以生長特定的 4H-SiC 晶型。以 PVT 法為例，SiC 晶體制備面臨以下困難：

1、 溫場控制困難：以目前的主流制備方法物理氣相傳輸法（PVT）為例，SiC 晶棒需 要在 2500℃高溫下進(jìn)行生產(chǎn)，而硅晶只需 1500℃，因此需要特殊的單晶爐，且在 生產(chǎn)中需要精確調(diào)控生長溫度，控制難度極大；

2、 生產(chǎn)速度緩慢：SiC 晶棒厚度每小時(shí)生長速度視尺寸大小約為 0.2~1mm/小時(shí)，而 硅晶棒可達(dá)每小時(shí) 1~10mm/小時(shí)；生產(chǎn)周期方面，SiC 晶棒約需要 7 至 10 天，長 度約 2cm，而硅晶棒只需要 3~4 天即可長成，長度可達(dá) 2m；

3、 良品參數(shù)要求高，黑匣子良率難以及時(shí)控制：SiC 晶片的核心參數(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、同時(shí)控制參數(shù)指標(biāo)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。以多型為例，SiC 存在 200 多種晶體結(jié)構(gòu)類型，其中六方結(jié)構(gòu)的 4H 型（4H-SiC）等少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶 型 SiC 才是所需的半導(dǎo)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(shù)，否則容易產(chǎn)生多晶型夾雜，導(dǎo)致產(chǎn)出的 晶體不合格；而在石墨坩堝的黑盒子中無法即時(shí)觀察晶體生長狀況，需要非常精確 的熱場控制、材料匹配及經(jīng)驗(yàn)累積。 4、 晶體擴(kuò)徑難度大：氣相傳輸法下，SiC 晶體生長的擴(kuò)徑技術(shù)難度極大，隨著晶體尺 寸的擴(kuò)大，其生長難度工藝呈幾何級(jí)增長。這導(dǎo)致目前 SiC 晶圓主要是 4 英寸與 6 英寸，而用于功率器件的硅晶圓以 8 英寸為主，這意味著 SiC 單晶片所產(chǎn)芯片數(shù)量 較少、SiC 芯片制造成本較高。

此外，除了 SiC 晶體生長外，后端工藝流程仍面臨較大困難：

切割難度大：SiC 硬度與金剛石接近，切割、研磨、拋光技術(shù)難度大，工藝水平的提高 需要長期的研發(fā)積累，也需要上游設(shè)備商特殊設(shè)備的配套開發(fā)；

外延工藝效率低：SiC 的氣相同質(zhì)外延一般要在 1500℃以上的高溫下進(jìn)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(chǎn)量較低。

高技術(shù)壁壘帶來的行業(yè)生態(tài)：高集中度、強(qiáng)整合趨勢、 鎖單

高成本、缺陷密度（良率）、晶圓尺寸和晶圓供給是襯底生產(chǎn)的核心壁壘，而 SiC 晶體 黑匣子的生長環(huán)境對企業(yè)工藝技術(shù)的積累和配套設(shè)備的研發(fā)能力將成為企業(yè)技術(shù)壁壘 的重要構(gòu)成。同時(shí)，設(shè)備方面，由于 SiC 的襯底材料生長的獨(dú)特性，全球襯底巨頭包括 國內(nèi)的一些襯底廠商，很多都是自研自產(chǎn) SiC 單晶爐——這將影響襯底生長的品質(zhì)把 控，進(jìn)一步拉高了后進(jìn)者進(jìn)入 SiC 襯底行業(yè)的難度。

由于進(jìn)入襯底行業(yè)需要長期的技術(shù)積累和產(chǎn)線適配，目前，SiC 晶片產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國 全球獨(dú)大的特點(diǎn)。導(dǎo)電型 SiC 襯底市場的主要供應(yīng)商有美國 CREE（Wolfspeed）、 DowCorning、美國 II-VI、等。國際 SiC 龍頭企業(yè)起步較早，產(chǎn)業(yè)發(fā)展已較為成熟，2018 年 CREE 公司的導(dǎo)電型 SiC 襯底占據(jù)整個(gè)市場 62%的份額，其次為 II-VI、SiCrystal， 三者合計(jì)占據(jù)高達(dá) 90%的市場份額，中國企業(yè)僅占小于 3%的份額。

 

 

為何在當(dāng)前時(shí)點(diǎn)看好 SiC 行業(yè)？

一方面，全球 SiC 襯底、器件廠商對 SiC 市場預(yù)期積極，步調(diào)接近，顯示供應(yīng)商方面對 前景充分看好。如 Cree 預(yù)計(jì) SiC 襯底、SiC 功率器件 2024 年市場規(guī)模分別可達(dá) 11 億、 50 億美元，2018~2024 年復(fù)合增速達(dá) 44.47%、51.11%；而 II-VI 更是預(yù)計(jì) 2030 年 SiC 市場規(guī)模將超 300 億美元，2020~2030 年復(fù)合增速高達(dá) 50.60%。此外，Rohm、ST 半 導(dǎo)體、英飛凌等廠商亦對 SiC 市場未來增長持有強(qiáng)烈的信心，凸顯行業(yè)上行趨勢的強(qiáng)勁。

另一方面，2020 年全球新能源車銷售量在新冠疫情影響出行的情況下實(shí)現(xiàn)了大幅增長， 顯示 SiC 下游市場需求或?qū)⒂瓉肀l(fā)期。據(jù)英飛凌，2020 年全球新能源車銷量達(dá) 324 萬輛，同比增長 43%，其中我國新能源車銷量高達(dá) 133.48 萬輛，穩(wěn)居全球第一，占全 球新能源車銷量比重達(dá) 41.2%。未來新能源車銷量有望持續(xù)增加，帶來對功率半導(dǎo)體的 需求量大幅擴(kuò)張，而 SiC 功率器件具備耐高溫、耐高壓、損耗低、體積小、重量輕等多 種優(yōu)勢，未來或?qū)⒊掷m(xù)替代硅功率器件，屆時(shí)無論 SiC 器件還是襯底都將迎來持續(xù)的需 求增長期。

整體而言，SiC 行業(yè)主要受限于產(chǎn)能供應(yīng)短缺帶來的器件價(jià)格高昂，而核心國內(nèi)外供應(yīng) 商紛紛加大對 SiC 襯底、器件產(chǎn)能的擴(kuò)張，未來有望為 SiC 應(yīng)用的滲透提供強(qiáng)勁動(dòng)力。 而在這期間內(nèi)，由于 SiC 行業(yè)起步晚、高度依賴工程師工藝經(jīng)驗(yàn)積累，國內(nèi)企業(yè)有望實(shí) 現(xiàn)彎道超車，享受行業(yè)新增長點(diǎn)帶來的成長紅利。因此，我們建議關(guān)注前瞻布局 SiC 技 術(shù)、具備相關(guān)經(jīng)驗(yàn)積累、產(chǎn)能儲(chǔ)備的優(yōu)質(zhì)企業(yè)。

作者：楊洋 莫文宇 鐘智鏵 

來源：未來智庫