碳化硅(gui)时代来了。
第三代半导体终迎爆发
碳化硅(gui)作为第三代半导体，其(qi)实并不是(shi)新鲜概念。
碳化硅(gui)作为材料已有百年历史，商业化也已超(chao)过30多(duo)年。1824年，瑞典科学家在人工合成金刚石的(de)实验中意外(wai)发现了碳化硅(gui)这一物质，其(qi)硬度比钻石小但光彩更(geng)亮；1955年，LELY提(ti)出生长高品质碳化硅(gui)的(de)方法，从此(ci)将碳化硅(gui)作为重要(yao)的(de)电(dian)子材料；1987年，科锐(rui)制造了出世界上第一块商用碳化硅(gui)衬底，并把它应用在LED领域；2001年，英飞凌和科锐(rui)分别推出首款小型碳化硅(gui)肖特基二极管；2011年，科锐(rui)推出首款商用碳化硅(gui)功率MOSFET。
当前Si半导体已逼近物理(li)极限，以SiC为代表(biao)的(de)第三代半导体成为后(hou)摩尔时代半导体行业发展(zhan)的(de)重点方向之一，SiC材料拥有禁带宽(kuan)度大，具(ju)有击穿电(dian)场高、热导率高、电(dian)子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，因此(ci)采用第三代半导体材料制备的(de)半导体器件不仅(jin)能在更(geng)高的(de)温度下稳定运(yun)行，适用于高电(dian)压、高频率场景，此(ci)外(wai)还能以较(jiao)少(shao)的(de)电(dian)能消耗，获得更(geng)高的(de)运(yun)行能力。
SiC功率器件相较(jiao)于Si器件具(ju)有明显优势，其(qi)一是(shi)能量损耗低(di)：SiC具(ju)有极低(di)的(de)导通电(dian)阻，同规格SiC-MOS相较(jiao)Si-IGBT总能量损失可降低(di)约80%。其(qi)二是(shi)器件尺(chi)寸小：SiC损耗低(di)且电(dian)流密度高，同规SiC-MOS仅(jin)为Si-MOS原尺(chi)寸的(de)1/10。其(qi)三是(shi)开(kai)关频率高：SiC不存在电(dian)流拖尾现象(xiang)，开(kai)关损耗低(di)，能大幅提(ti)高实际用的(de)开(kai)关频率。其(qi)四是(shi)工作温度高：SiC拥有更(geng)高的(de)热导率，器件散(san)热更(geng)加容易，能够降低(di)对(dui)散(san)热系统的(de)需求，利于终端轻量化和小型化。
碳化硅(gui)被正(zheng)式引(yin)爆获得广泛关注的(de)是(shi)2018年，马斯(si)克首次(ci)宣布在特斯(si)拉(la)Model3的(de)主驱逆变器里使(shi)用碳化硅(gui)MOSFET以替代传(chuan)统的(de)硅(gui)基IGBT，奠(dian)定了碳化硅(gui)“上车”的(de)里程碑(bei)。此(ci)后(hou)，比亚迪、小鹏(peng)、吉(ji)利纷纷效仿，开(kai)始布局(ju)碳化硅(gui)器件。
产业化进程不断加速
下游新能源发展(zhan)对(dui)高频、大功率射频及电(dian)力电(dian)子需求的(de)快速增(zeng)长，极大推动(dong)了碳化硅(gui)的(de)产业化进程。
碳化硅(gui)器件在新能源汽车产业中主要(yao)应用在电(dian)机控制器（电(dian)驱）、车载充电(dian)机OBC、DC/DC变换器以及充电(dian)桩(zhuang)，碳化硅(gui)器件相比硅(gui)基器件有更(geng)优越的(de)物理(li)性能，体积小，性能优越，节能性强，还顺带缓解了续航问题，更(geng)适应新能源汽车增(zeng)加续航里程、缩短充电(dian)时长、提(ti)高电(dian)池(shi)容量、降低(di)车身(shen)自重的(de)需求。
从2021年起(qi)，碳化硅(gui)器件便进入供应短缺状态，至(zhi)今依然没有得到完全(quan)缓解。其(qi)中，汽车对(dui)碳化硅(gui)器件应用量的(de)提(ti)升，成为拉(la)动(dong)行业增(zeng)长的(de)主要(yao)因素。2023年，国内碳化硅(gui)产业更(geng)是(shi)经(jing)历了快速发展(zhan)的(de)一年。根据(ju)EV芯(xin)闻，截至(zhi)2023年上半年，全(quan)球已有40款碳化硅(gui)车型进入量产交付，上半年全(quan)球碳化硅(gui)车型销量超(chao)过120万辆(liang)。
根据(ju)NE时代数(shu)据(ju)，1-12月国内上险(xian)乘用车主驱碳化硅(gui)模块渗透率约为10.7%，下半年800V车型中碳化硅(gui)渗透率显著提(ti)升：6-12月800V车型中碳化硅(gui)车型占比分别为15%/18%/29%/35%/39%/45%，12月问界M9、理(li)想MEGA等多(duo)个碳化硅(gui)车型上市(shi)。
不过SiC晶体生长慢且加工难，提(ti)升良率和产能是(shi)控制成本的(de)关键。SiC器件成本是(shi)Si器件的(de)3倍左右，是(shi)制约SiC行业快速发展(zhan)的(de)核心因素之一，造成该问题的(de)主要(yao)原因在于SiC长晶速度缓慢且加工难度大，从原材料到晶圆(yuan)转换率仅(jin)为50%，目前SiC MOSFET的(de)成本与同类Si IGBT分立器件相比仍然有较(jiao)大差距，这阻碍了SiC器件大规模的(de)产业化推广。
好在尽管当前SiC-MOS成本约为Si-IGBT的(de)3倍，但根据(ju)英飞凌测算(suan)，SiC-MOS可以减少(shao)6-10%电(dian)力损耗，电(dian)池(shi)成本节省将超(chao)过SiC器件增(zeng)加的(de)成本，最高可以节省6%的(de)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(peng)G9为例，其(qi)800V高压SiC平台相较(jiao)400V平台续航提(ti)升5%，可实现充电(dian)5分钟续航超(chao)过200Km。
而且当前海外(wai)对(dui)华科技限制持续加码，产业链自主可控刻不容缓，SiC作为半导体领域的(de)重要(yao)新材料，国内外(wai)SiC技术(shu)代差约为5-8年，相较(jiao)硅(gui)基半导体，具(ju)备实现国产替代机遇，国家重视程度将不断上升。
专业机构认(ren)为，2024年碳化硅(gui)产业化进展(zhan)会随着(zhe)高压快充趋势及碳化硅(gui)产业链降本而加速。
由(you)于高压快充是(shi)电(dian)车的(de)大势所趋，未来会逐渐下沉到更(geng)低(di)区间的(de)价格带，高压快充背景下，电(dian)车对(dui)碳化硅(gui)需求的(de)迫切性预计对(dui)应进一步提(ti)高。另一方面，随着(zhe)产能的(de)逐步释放、8英寸量产的(de)不断成熟、碳化硅(gui)长晶及加工工艺的(de)不断改进、进而碳化硅(gui)行业良率的(de)提(ti)升，尤其(qi)是(shi)在国产厂商纷纷入局(ju)后(hou)，可能会进一步加速碳化硅(gui)的(de)降本。
未来在技术(shu)进步和规模经(jing)济共同作用下，产线将向8英寸转移，衬底尺(chi)寸扩径将助力产业链降本，预计衬底价格将以每(mei)年8%的(de)速度下降，也将进一步加速SiC发展(zhan)渗透。
市(shi)场空间有多(duo)大？
以碳化硅(gui)材料为衬底的(de)产业链主要(yao)包括(kuo)碳化硅(gui)衬底材料的(de)制备、外(wai)延层的(de)生长、器件制造以及下游应用市(shi)场。衬底根据(ju)电(dian)学性能不同分为半绝缘(yuan)型和半导电(dian)型，分别应用到不同的(de)应用场景上，在新能源汽车、光伏(fu)以及轨道(dao)交通等领域具(ju)备广阔的(de)替代空间。
其(qi)中半绝缘(yuan)型碳化硅(gui)主要(yao)用在射频器件上，主要(yao)为面向4G/5G通信基站和新一代有源相控阵雷达应用的(de)功率放大器。半导电(dian)型碳化硅(gui)主要(yao)用在功率器件上，主要(yao)面向电(dian)动(dong)汽车/充电(dian)桩(zhuang)、光伏(fu)新能源、轨道(dao)交通、智(zhi)能电(dian)网等高压高温高频场景。
Yole数(shu)据(ju)显示，2022年碳化硅(gui)器件市(shi)场规模为19.7亿美元，其(qi)中半导电(dian)型碳化硅(gui)功率器件市(shi)场规模为17.9亿美元，半绝缘(yuan)型碳化硅(gui)射频器件市(shi)场规模为1.8亿美元。
根据(ju)Yole预测，2022年碳化硅(gui)功率器件市(shi)场规模为18亿美元，2028年有望(wang)达到89亿美元，22-28年CAGR高达31%。碳化硅(gui)功率器件可应用于汽车、能源、交通、工业等多(duo)个领域，其(qi)中汽车占据(ju)主导地位，市(shi)场规模占比超(chao)过七成，2022年市(shi)场规模为13亿美元，2028年有望(wang)达到66亿美元，22-28年CAGR高达32%。半绝缘(yuan)型碳化硅(gui)射频器件市(shi)场规模有望(wang)达到22.9亿美元，年化增(zeng)速达到52.79%。
此(ci)外(wai)在光伏(fu)发电(dian)应用中，使(shi)用SiC材料可将转换效率可从96%提(ti)升至(zhi)99%以上，能量损耗降低(di)50%以上，设备循环寿命提(ti)升50倍。得益于SiC功率器件带来的(de)降本增(zeng)效优势，根据(ju)CASA预测，在2025年碳化硅(gui)功率器件占比将达到50%，未来将继续保(bao)持稳定增(zeng)长态势。
2027年全(quan)球光伏(fu)SiC功率器件市(shi)场规模将达4.2亿美元。2021年全(quan)球光伏(fu)碳化硅(gui)功率器件市(shi)场规模为1.54亿美元，随着(zhe)SiC器件渗透率持续提(ti)升，预计2027年全(quan)球光伏(fu)SiC功率器件市(shi)场规模将增(zeng)加至(zhi)4.23亿美元，2021-2027年年复合增(zeng)长率为18%。
相关企业有哪些？
碳化硅(gui)从生产到应用的(de)全(quan)流程历时较(jiao)长。以碳化硅(gui)功率器件为例，从单晶生长到形成衬底需要(yao)耗时1个月，从外(wai)延生长到晶圆(yuan)前后(hou)段(duan)加工完成需要(yao)耗时6-12个月，从器件制造再(zai)到上车验证更(geng)是(shi)需要(yao)1-2年时间，对(dui)于碳化硅(gui)功率器件IDM厂商而言(yan)，从工业设计、应用等环节转化为收入增(zeng)长的(de)周期非常漫长，汽车行业一般需要(yao)4-5年之久(jiu)。
碳化硅(gui)产业链附加值向上游集中，衬底和外(wai)延的(de)成本占比最高。根据(ju)CASA整理(li)的(de)数(shu)据(ju)，产业链中，碳化硅(gui)衬底和外(wai)延的(de)成本分别占整个器件成本的(de)47%和23%，为产业链中价值量最大的(de)两个环节，相比硅(gui)基器件、价值量显著倒挂(gua)。
建议(yi)关注技术(shu)底蕴(yun)扎实且产能扩充顺利的(de)SiC产业链公司天岳先进、时代电(dian)气、斯(si)达半导、新洁能、晶盛机电(dian)、晶升股份、三安光电(dian)。
其(qi)中天岳先进是(shi)国内领先的(de)SiC衬底生产企业。公司当前已具(ju)备4/6英寸半绝缘(yuan)型和导电(dian)型SiC衬底量产能力，自2020年起(qi)，公司开(kai)始着(zhe)力研究8英寸导电(dian)型SiC衬底，其(qi)中，2019-2022年公司在全(quan)球半绝缘(yuan)型SiC衬底市(shi)场市(shi)占率连续四年保(bao)持全(quan)球前三。
2022年7月，公司与某战略(lue)客户签订13.93亿元长期协议(yi)，将在2023-2025年向该客户供应6英寸导电(dian)型衬底，2023年公司与英飞凌签订长期供应协议(yi)，将向英飞凌供应6英寸SiC衬底。产能方面，公司已在山东济南、济宁建立碳化硅(gui)衬底生产基地，主要(yao)生产半绝缘(yuan)型衬底，同时，公司IPO募集25亿在上海临港建设6英寸导电(dian)型SiC衬底生产基地，22Q3年一期试生产，预计2026年达产，达产后(hou)新增(zeng)SiC衬底30万片/年。
斯(si)达半导是(shi)国产IGBT模块龙头，目前SiC业务进展(zhan)顺利，公司在芯(xin)片端实施SiC芯(xin)片研发及产业化项目后(hou)，将形成年产6万片6英寸SiC芯(xin)片生产能力，拥有自主的(de)车规级SiCMOSFET芯(xin)片，有助于公司加速SiC芯(xin)片技术(shu)迭代升级，提(ti)高车规级SiC模块的(de)产品竞争力，加强供应链的(de)稳定性。截至(zhi)2023年上半年，该项目累计投资额度已经(jing)达到4.24亿元，占预计投资总额的(de)21.22%。
模块端，公司建设全(quan)SiC功率模块产线，将形成年产8万颗车规级全(quan)碳化硅(gui)功率模组生产能力，进一步提(ti)高公司在车规级SiC模块的(de)供货(huo)保(bao)障能力，助力公司抓住SiC市(shi)场爆发机遇，快速提(ti)高市(shi)占率。
新洁能SiC和GaN产品持续推出，公司已开(kai)发完成1200V 23mohm~62mohm SiC MOSFET系列产品，新开(kai)发650V SiC MOSFET工艺平台，用于新能源汽车OBC、光伏(fu)储能、工业及自动(dong)化等行业，相关产品通过客户验证，并实现小规模销售；650V/190mohmE-Mode GaN HEMT产品开(kai)发完成，产品各项电(dian)学参数(shu)指标达到国内领先水平，项目产品通过可靠性考核，100V/200VGaN产品开(kai)发中。
晶升股份是(shi)国内碳化硅(gui)长晶炉龙头，产品已进入三安光电(dian)、比亚迪半导体、东尼电(dian)子、天岳先进等下游核心客户。2024年初以来，华为智(zhi)选(xuan)S7、问界M9、小米汽车等800V碳化硅(gui)车型密集发布，预计2024年碳化硅(gui)在新能源电(dian)车中的(de)渗透率将呈翻倍增(zeng)长。2026年国内碳化硅(gui)衬底有望(wang)达到500万片，是(shi)2022年国内碳化硅(gui)衬底产能的(de)10倍，公司将充分受益碳化硅(gui)扩产红利。
晶盛机电(dian)2024年碳化硅(gui)衬底业务将加速放量。公司“年产25万片6英寸、5万片8英寸碳化硅(gui)衬底片项目”已启动(dong)。8英寸碳化硅(gui)衬底片已批(pi)量生产，可提(ti)供500um和350um两种厚度的(de)8英寸衬底片。6英寸和8英寸量产晶片的(de)核心位错可以稳定实现TSD<100个/cm2，BPD<400个/cm2，行业领先。