金属新材料行业专题报告：碳化硅：第三代半导体之星-2023040414-浙商证券-23页

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金属新材料

报告日期：2023 年04 月14 日

碳化硅：第三代半导体之星

——行业专题报告

投资要点

❑ 耐高温高压高频，碳化硅电气性能优异

碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料的代表，在禁带宽度、击穿电场、热导率、

电子饱和速率等指标具有显著优势，可满足现代工业对高功率、高电压、高频率

的需求，主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件，下游应用领域

包括智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G 通信等。

❑ 工艺难度大幅增加，长晶环节是瓶颈

碳化硅制造工艺具有高技术壁垒，衬底长晶存在条件控制严、长晶速度慢、晶型

要求高三大技术难点，而加工难度大带来的低产品良率导致碳化硅成本高；外延

的厚度和掺杂浓度为影响最终器件的关键参数。

❑ 下游应用场景丰富，新能源带来最大增长点

碳化硅器件下游应用领域包括电动汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、5G

通信等，其中新能源汽车为最大终端应用市场。高转换效率和高功率带来整车系

统成本下降，特斯拉、比亚迪、小鹏等车企相继使用 SiC MOSFET。Yole 预计

2027 年全球导电型碳化硅功率器件市场规模有望达 63 亿美元，其中电动汽车下

游领域占比达 80%。

❑ 碳化硅供需缺口持续扩大，海内外厂商加速研发扩产

供给端：海外龙头主导出货量，全球有效产能仍不足。全球碳化硅市场呈美国、

欧洲、日本三足鼎立的格局，海外厂商已实现量产 6英寸碳化硅衬底，计划

2023 年实现 8英寸量产；国内仍以小尺寸为主，部分实现 6英寸量产，正加速

研发缩小与国际龙头的差距，整体来看全球有效产能仍不足。需求端：下游需求

不断扩大，百亿市场空间可期。据我们测算，2025 年全球碳化硅衬底市场需求

达188.4 亿元，碳化硅器件市场需求达 627.8 亿元。2025 年之前行业仍呈现供给

不足的局面。

❑ 投资建议：

建议关注：合盛硅业。

❑ 风险提示

技术研发进度不及预期；全球碳化硅行业竞争加剧。

行业评级:

看好(维持)

分析师：施毅

执业证书号：S1230522100002

shiyi@stocke.com.cn

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的核心材料》 2021.11.24

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正文目录

1 耐高温高压高频，碳化硅电气性能优异 ................................................................................................... 5

2 工艺难度大幅增加，长晶环节是瓶颈 ....................................................................................................... 5

2.1 衬底：晶体生长为最核心工艺环节，切割环节为产能瓶颈 .......................................................................................... 6

2.1.1 晶体生长：条件控制严、长晶速度慢和晶型要求高为主要技术难点 ............................................................... 6

2.1.2 晶体加工：切片和薄化为主要技术难点 .............................................................................................................. 7

2.2 外延：器件性能决定因素，厚度与掺杂浓度为关键因素 .............................................................................................. 8

3 下游应用场景丰富，新能源带来最大增长点 ........................................................................................... 9

3.1 导电型碳化硅器件：新能源汽车为最大终端应用市场 ................................................................................................ 10

3.2 半绝缘型碳化硅器件：5G 时代的强大心脏 .................................................................................................................. 13

4 碳化硅供需缺口持续扩大，海内外厂商加速研发扩产 ......................................................................... 14

4.1 供给端：海外龙头主导出货量，全球有效产能仍不足 ................................................................................................ 14

4.2 需求端：下游需求不断扩大，百亿市场空间可期 ........................................................................................................ 15

5 欧美日厂商占据龙头，国产技术革新任重道远 ..................................................................................... 17

5.1 Wolfspeed ........................................................................................................................................................................... 18

5.2 英飞凌 ............................................................................................................................................................................... 18

5.3 意法半导体 ....................................................................................................................................................................... 19

5.4 罗姆 ................................................................................................................................................................................... 19

5.5 合盛硅业 ........................................................................................................................................................................... 20

5.6 天岳先进 ........................................................................................................................................................................... 20

5.7 三安光电 ........................................................................................................................................................................... 21

6 风险提示 ..................................................................................................................................................... 21

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图表目录

图1：半导体材料性能对比及碳化硅器件特性 ............................................................................................................................ 5

图2：碳化硅产业链全景图谱 ........................................................................................................................................................ 6

图3：碳化硅衬底工艺流程 ............................................................................................................................................................ 6

图4： 4H-导电型碳化硅单晶衬底 ................................................................................................................................................. 8

图5： DISCO 研发的激光切片技术相较于现有技术的优势 ....................................................................................................... 8

图6： 4H-SiC 衬底和外延示意图 .................................................................................................................................................. 8

图7： EPIGRESS 公司的热壁式外延设备反应腔结构图 ............................................................................................................. 8

图8：厚度为 30um 的4H-SiC 外延层 SEM 截面图像 ................................................................................................................ 9

图9： 3、4和6英寸碳化硅外延晶片 ........................................................................................................................................... 9

图10：碳化硅器件的下游应用领域 ............................................................................................................................................ 10

图11：两类碳化硅器件的不同终端应用领域 ............................................................................................................................ 10

图12： 2021 年导电型碳化硅功率器件下游应用占比 ............................................................................................................... 10

图13： 2027 年导电型碳化硅功率器件下游应用占比预测 ....................................................................................................... 10

图14：碳化硅器件在电动汽车领域的应用 ................................................................................................................................ 11

图15：特斯拉 Model 3 采用碳化硅 MOSFET 器件 .................................................................................................................. 11

图16：不同电压平台下，SiC 和Si 基逆变器的损耗 ................................................................................................................ 11

图17：小鹏 G9 搭载了国内首个量产的车端 800V 高压 SiC 平台 .......................................................................................... 11

图18：我国新能源充电桩数量存在较大缺口 ............................................................................................................................ 12

图19： 2026 年碳化硅在汽车各部件的价值占比预测 ............................................................................................................... 12

图20： SiC MOS 应用于光伏逆变器可带来更低的损耗和更高的频率.................................................................................... 12

图21： 2020-2050 年碳化硅功率器件在光伏逆变器的渗透率 .................................................................................................. 12

图22：碳化硅的单位面积导通电阻远小于硅器件 .................................................................................................................... 13

图23： Danfoss 和美国田纳西大学联合开发的 12.4kV 光伏并网变换器 ................................................................................ 13

图24：碳化硅模块的开关和导通损耗均优于传统硅模块 ........................................................................................................ 13

图25： 2018-2050 年轨道交通中碳化硅功率器件渗透率 .......................................................................................................... 13

图26：不同材料微波射频器件的应用范围对比 ........................................................................................................................ 14

图27：碳化硅基氮化镓在 5G 中的应用 ..................................................................................................................................... 14

图28： 2018 年全球导电型碳化硅衬底市场份额 ....................................................................................................................... 14

图29： 2020 年全球半绝缘型碳化硅衬底市场份额 ................................................................................................................... 14

图30：碳化硅器件发展历程 ........................................................................................................................................................ 15

图31： 2021-2025 碳化硅衬底市场空间(亿元) ........................................................................................................................... 17

图32： 2021-2025 碳化硅器件市场空间(亿元) ........................................................................................................................... 17

图33：全球碳化硅市场竞争格局 ................................................................................................................................................ 18

图34： Wolfspeed 碳化硅 MOSFET 和裸芯片 ............................................................................................................................ 18

图35：英飞凌 48V 车规级功率 SiC MOSFET ........................................................................................................................... 19

图36：意法半导体 SiC MOSFET 系列产品 ............................................................................................................................... 19

图37：罗姆第四代 SiC MOSFET 和栅极驱动器 IC .................................................................................................................. 20

图38：合盛新材料 4H-N 型SiC 衬底产品 ................................................................................................................................. 20

图39：天岳先进导电型碳化硅衬底 ............................................................................................................................................ 21

图40：三安光电 SiC MOSFET 应用于车载 DC/DC 变换器和 OBC ........................................................................................ 21

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