电子元器件行业：半导体系列报告之二，碳化硅，能量转换链的材料变革-20211230-国信证券-36页_1mb

碳化硅行业深度分析报告总结

核心内容概述

碳化硅（SiC）作为一种宽禁带半导体材料，具备高热导率、高临界击穿场强、高电子饱和漂移速率等优势，成为功率器件材料端的重要技术演进方向。其主要应用于新能源汽车、光伏、工业控制等领域，显著提升电能转换效率，实现体积缩小、功率密度增加、系统成本降低等效果。随着新能源汽车向800V架构发展，碳化硅的渗透率将大幅提升。

主要观点

碳化硅技术优势

• 材料特性：碳化硅的禁带宽度是硅的3倍，击穿电场是硅的10倍，电子迁移率是硅的2倍，热导率是硅的2-3倍，使其在高压、高温、高频等场景中表现优异。
• 器件性能：SiC器件相较Si器件，具备低开关损耗、高功率密度、小体积等优势，如SiC MOSFET在600V以上应用中可实现74%的开关损耗减少。
• 应用案例：在逆变器中，SiC模块可使输出功率增至硅基系统的2.5倍，体积缩小1.5倍，功率密度提升3.6倍。

碳化硅技术壁垒

• 长晶工艺：SiC晶棒生长速度慢（0.2-0.3mm/h），且仅4H-SiC可用，导致样品到批量供货需5年。
• 外延工艺：需高纯度、低缺陷密度、均匀掺杂，技术难度高。
• 器件可靠性：涉及离子注入、栅氧稳定性、客户验证等，进一步增加进入壁垒。

行业发展趋势

• 衬底大尺寸化：6英寸向8英寸发展，可提升良率，降低成本。
• 切割高效化：冷切割技术可减少材料损耗，提升良率。
• 器件模块化：提升系统可靠性与效率，成为未来发展方向。

关键信息

市场规模预测

• 2019年全球碳化硅器件市场规模为5亿美元，预计2025年将增至25亿美元，复合增速达30%。
• 新能源汽车作为主驱动力，2019年市场为2.25亿美元，预计2025年将达15亿美元，占整体市场60%，复合增速达38%。

产业链结构与价值量分布

• 碳化硅产业链包括衬底、外延、器件、模块及应用。
• 衬底成本占比46%，外延成本占比23%，合计约70%。
• 产业垂直整合加速，头部企业如Wolfspeed、Rohm、ST等已实现衬底-外延-器件-模块一体化。

国内发展情况

• 国内企业在衬底端已占据一定市场份额，如山东天岳2020年半绝缘衬底市占率达30%。
• 器件端仍处于早期，但已有斯达半导、比亚迪半导体等实现上车应用。

国内相关企业

• 天岳先进（衬底）、凤凰光学（外延）、斯达半导（器件）、比亚迪半导体（器件）、中车时代电气（器件）、华润微（器件）等。

Wolfspeed案例分析

• 转型历程：从Cree到Wolfspeed，经历了LED业务剥离，聚焦SiC与GaN技术。
• 技术优势：全球首家掌握8英寸SiC量产技术，衬底市占率超60%，与多家车企及Tier1建立合作。
• 市场机会：预计2026年SiC器件市场将达89亿美元，其中汽车应用占比50%。
• 挑战：面对ST、英飞凌等企业扩产，衬底端市场将面临竞争压力；器件端需拓展模块化产品以增强竞争力。

风险提示

• 新能源汽车销量不及预期。
• 碳化硅器件渗透率不及预期。

产业链整合与竞争格局

• 上游整合：衬底、外延环节成本占比高，成为产业链核心。
• 中游竞争：传统功率器件厂商如ST、英飞凌、安森美等加速布局SiC，与Wolfspeed形成竞争。
• 下游合作：车企及Tier1厂商与SiC供应商建立紧密合作关系，推动市场验证。

技术与市场展望

• 技术方向：碳化硅技术将向大尺寸衬底、高效切割、器件模块化方向发展。
• 市场驱动：新能源汽车、5G通信、光伏、轨道交通等应用推动SiC市场加速渗透。
• 未来增长：预计2024年Wolfspeed营收将达15亿美元，毛利率有望提升至50%。

图表与数据参考

• 图1-图55：涵盖不同半导体材料特性、SiC器件与Si器件性能比较、SiC在逆变器中的应用、SiC晶圆尺寸变化、冷切割工艺、碳化硅市场机会、产业链参与者、800V架构对SiC应用的推动等。
• 表1-表9：展示各类半导体材料特性、SiC衬底与器件类型、SiC器件进展、材料常见缺陷、Cree发展历程、全球SiC衬底厂扩展计划、国际龙头企业合作情况等。

总结

碳化硅作为新一代宽禁带半导体材料，具备显著的技术优势和应用潜力，尤其在新能源汽车领域，其高效、高可靠、低成本的特性使其成为未来发展的关键方向。尽管存在高技术壁垒与成本挑战，但随着产业链整合加速和800V架构的普及，碳化硅市场有望迎来爆发式增长。国内企业正逐步在衬底与器件端实现突破，未来将面临与国际龙头企业的激烈竞争。