碳化硅行业专题报告：关注渗透加速下的国产化机会

（报告出品方：中国平安）

一、降本提效增益明显，下游景气带动需求提升

硅基半导体逼近物理极限，第三代半导体性能优势突出

第三代半导体是指化合物半导体，包括碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、氧化铝（Al₂O₃）以及金刚石等宽禁带半导体材料（导带与禁带间能隙差Eg>2.3eV）。第三代半导体综合性能优势突出。当前硅基半导体在架构、可靠性、综合性能的提升方面都已经逼近物理极限，摩尔定律演进逐步放缓，相较第一代半导体，以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体从材料端至器件端的性能优势突出，具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温等特点，是未来半导体产业发展的重要方向。

碳化硅分类及应用下游

当前第三代半导体主要以碳化硅作为衬底材料，根据电阻率又可分为导电型和半绝缘型。其中，通过在导电型衬底上生长同质碳化硅外延可制成功率器件，主要应用于新能源汽车、光伏发电等领域，在半绝缘型衬底生长异质氮化镓外延可制成射频器件，主要应用于通信、雷达等领域。

SiC衬底为核心价值环节，成本占比高达47%

碳化硅衬底技术壁垒高，为价值链条核心环节。碳化硅器件的生产流程与硅基器件基本一致，包括衬底制备、外延生长、晶圆制造以及封装测试等环节，但碳化硅器件价值量存在倒挂，其成本主要集中在衬底和外延，根据CASA数据，两者占成本比例合计70%。其中，衬底制造技术壁垒最高，成本占比高达47%，是最核心环节。

车用SiC功率器件主导市场，市场占比逐年提升

电动汽车为SiC功率器件核心应用下游，市场占比逐年提升。由于SiC功率器件在能源转换效率方面具有明显优势，因此广泛应用于电动汽车、光伏新能源、轨道交通和智慧电网等领域。其中，汽车应用为SiC功率器件最核心应用下游，且市场占比呈现逐年增加态势，Yole预计2027年车用SiC功率器件占总市场比例将由2021年的63%增加至79%，其次为工业和新能源领域，占比分别为9%和7%。

新能源汽车：新能源汽车为SiC功率器件实现增长的核心推手

Si C功率器件在车用领域主要涉及逆变器、OBC以及DC/DC。新能源车通过搭载SiC功率器件，将带来逆变器效率提升、系统尺寸小型化、综合成本降低以及行驶里程增加等好处，将取代Si器件成为未来新能源车升级功率器件的主要趋势。尽管当前SiC-MOS成本约为Si-IGBT的3倍，但是根据英飞凌测算，SiC-MOS可以减少6-10%电力损耗，电池成本节省将超过SiC器件增加的成本，最高可以节省6%的综合系统成本。同时，SiC优势在800V平台中将进一步放大，以小鹏G9为例，其800V高压SiC平台相较400V平台续航提升5%，可实现充电5分钟续航超过200Km。

2027年全球车用SiC功率器件市场规模有望达50亿美元。考虑到未来新能源汽车存在续航里程以及充电效率提升的需求，SiC功率器件渗透率将进一步提升，市场规模也有望从2021年的7亿美元增加至2027年的50亿美元，2021-2027年年复合增长率达39%，其中，逆变器为主要应用领域，2027年全球市场规模将达46亿美元，OBC和DC/DC分别为3.4亿美元和0.6亿美元。

二、晶体生长慢且加工难，提高良率和产能是关键

晶体生长效率缓慢是造成供应缺口的重要原因

碳化硅晶体生长存在三大难点：1）长晶速度慢：以主流物理气相传输法（PVT）为例，碳化硅晶棒生长速度为0.2-0.4mm/h，硅晶棒可达1-10mm/h；2）黑盒操作良率低：在封闭的石墨坩埚中无法即时控制晶体生长状况，容易产生如微管、位错等缺陷问题，十分依赖工艺经验；3）扩径难度大：随着尺寸扩大，碳化硅晶体生长难度工艺呈几何级增长。

PVT为当前晶体生长主流工艺，温度控制是关键。碳化硅在常压高温下不熔化，但在1800℃以上的高温时，会发生分解升华成多种气相组分，PVT法主要是将高纯碳化硅微粉和籽晶分别置于单晶生长炉内的底部和顶部，通过电磁感应将坩埚加热至2000℃以上，碳化硅微粉升华且分解产生气态物质，在温度梯度驱动下到达温度较低的籽晶处形成碳化硅晶体。

8英寸衬底为行业重点发展方向，未来SiC衬底价格将持续下探

8英寸衬底为未来SiC行业重点发展趋势。由于SiC衬底制备难度大且良率较低，造成SiC器件成本明显高于Si产品，随着衬底尺寸增大，可集成的芯片单位总数就越大，根据Wolfspeed数据，8英寸SiC衬底相较于6英寸可制备32mm2 芯片的总数将提升89%，边缘浪费将由14%降低至7%。同时，根据GTAT公司预测，相较于6英寸平台，8英寸衬底的引入将使SiC器件成本降低20%-35%。展望未来，随着8英寸SiC生产工艺优化改良以及生产设备配套更新，叠加相关产能的不断提升，未来SiC衬底价格将逐步下探。

2026年全球SiC衬底市场规模将达20亿美元

2026年全球导电型SiC衬底市场规模将达16亿美元。2019年全球导电型SiC衬底市场规模达2.3亿美元，受新能源汽车等下游领域的持续景气，预计2026年将增长至16.2亿美元，2019-2026年年复合增长率达32%。

2026年全球半绝缘型SiC衬底市场规模将达4亿美元。2019年全球半绝缘型SiC衬底市场规模达1.5亿美元，受益于5G 渗透加速以及全球地缘政治动荡，预计2026年将增长至4.3亿美元，2019-2026年年复合增长率达16%。

平面结构为主流选择，沟槽器件在高压领域更具优势

当前SiC器件设计结构主要分为平面型和沟槽型。目前SiC器件主要以平面型结构为主，平面型相比沟槽型不容易产生局部击穿问题，工作稳定性更高，在1200V以下市场具备广泛应用价值，同时，平面型结构制造工艺更加简单，在量产及成本方面更具优势。而通过沟槽侧壁形成沟道的沟槽型SiC MOS可以在提高沟道迁移率的同时消除JFET区域，能够进一步降低器件导通电阻，开关速度更快，器件性能相对高效。当前市场中选择平面型MOS的厂商包括Wolfspeed、ST、Microsemi、斯达半导等，能够量产沟槽型MOS的厂商为ROHM的双沟槽节、英飞凌的半包沟槽和日本住友的接地双掩埋结构。

三、行业重点公司

意法半导体：市场份额全球领先，持续扩大衬底制造产能

意法半导体作为全球第一大车用SiC功率器件供应商，于2004年推出第一款SiC二极管，2009年推出SiC MOS，并于2014年实现量产，凭借公司领先的技术实力和产品性能，公司成为特斯拉SiC器件的核心供应商。根据TrendForce数据，以销售额作为统计口径，2022年公司以37%的市占率位列全球SiC功率器件市场首位。

当前公司的碳化硅产品主要由位于意大利及新加坡的晶圆厂进行生产，封装测试等后端制造则在中国深圳及摩洛哥完成，2022年公司宣布在意大利新建一座碳化硅衬底制造厂，2023年6月公司与三安光电合作在中国重庆建立一个新8英寸SiC器件制造厂，同年12月，公司与理想汽车签订了SiC长期供货协议，当前公司的车企客户包括特斯拉、比亚迪、吉利、现代等。

英飞凌：自研沟槽型SiC技术，产品矩阵持续扩充

英飞凌于1992年便开始研发SiC相关技术，相较于当前主流的平面型SiC器件，英飞凌选择基于沟槽半导体工艺开发独有的 CoolSiC™ MOS技术，并于2019年推出车用1200V SiC MOS产品，迄今为止，英飞凌已向全球3600多家汽车和工业客户提供碳化硅半导体产品，根据TrendForce数据，2022年公司以12%市占率位列全球SiC功率器件市场第二位。为了提高SiC材料供应，一方面，公司先后与天科合达和天岳先进等多家晶圆厂签订长期供货协议；另一方面，在未来5年内，公司将再投入50亿欧元进行居林第三厂区的二期建设，打造全球最大的8英寸SiC功率半导体晶圆制造厂。

Wolfspeed：全球领先SiC龙头，已实现8英寸量产

Wolfspeed（前Cree）为全球SiC全产业链龙头企业，总部位于美国，主营产品涉及SiC材料、功率器件和射频器件三大类，公司碳化硅晶片供应量位居世界第一，根据Yole数据，2021年全球导电型SiC衬底市场份额高达49%，全球SiC功率器件市场份额达14%（位列第三）。同时，公司早在2015年便完成了8英寸SiC衬底的研发，并于2022年4月宣布启用8英寸碳化硅晶圆厂产线，当前公司SiC衬底产能在85万片/年（折合成6英寸），在技术与产能上均处于全球领先位置。

2022年公司宣布未来五年将投入65亿美元进行全球产能扩张，将提升现有材料产能10倍以上，预计到2027年将为公司带来约40亿美元收入，当前该产能扩张计划主要包括John Palmour 碳化硅制造中心（全球最大碳化硅晶体生长工厂）、8英寸莫霍克谷器件工厂以及德国恩斯多夫8英寸SiC晶圆工厂。