功率半導(dǎo)體的技術(shù)和材料創(chuàng)新都致力于提高能量轉(zhuǎn)化效率（理想轉(zhuǎn)化率100%），基于 SIC 材料的功率器件相比傳統(tǒng)的 Si 基功率器件效率高、損耗小，在新能源車、光伏風(fēng)電、不間斷電源、家電工控等有廣闊的應(yīng)用前景。目前 SIC 行業(yè)發(fā)展的瓶頸主要在于 SIC 襯底成本高（是 Si 的 4-5 倍，預(yù)計(jì)未來 3-4 年價(jià)格會(huì)逐漸降為 Si 的 2 倍），同時(shí) SIC MOS 為代表的 SIC 器件產(chǎn)品穩(wěn)定性需要時(shí)間驗(yàn)證。國內(nèi)外 SIC 產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，成本也在持續(xù)下降，產(chǎn)業(yè)鏈爆發(fā)的拐點(diǎn)臨近。

　　一、 第三代半導(dǎo)體 SIC：性能優(yōu)異，爆發(fā)前夜

　　1、 第三代半導(dǎo)體 SIC 材料的性能優(yōu)勢(shì)

　　Si 基器件在 600V 以上高電壓以及高功率場(chǎng)合達(dá)到其性能的極限；為了提升在高壓/高功率下器件的性能，第三代半導(dǎo)體材料 SiC （寬禁帶）應(yīng)運(yùn)而生；

　　第三代半導(dǎo)體主要是 SIC 和 GaN，第二代和第三代也稱作化合物半導(dǎo)體，即兩種元素組成的半導(dǎo)體材料，區(qū)別于硅/鍺等單質(zhì)半導(dǎo)體：

　　SIC 材料具有明顯的性能優(yōu)勢(shì)。SiC 和 GaN 是第三代半導(dǎo)體材料，與第一二代半導(dǎo)體材料相比，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場(chǎng)、更高的熱導(dǎo)率等性能優(yōu)勢(shì)，所以又叫寬禁帶半導(dǎo)體材料，特別適用于 5G 射頻器件和高電壓功率器件。

　　2、 第三代半導(dǎo)體 SIC 器件的性能優(yōu)勢(shì)

　　SIC 的功率器件如 SIC MOS，相比于 Si 基的 IGBT，其導(dǎo)通電阻可以做的更低，體現(xiàn)在產(chǎn)品上面，就是尺寸降低，從而縮小體積，并且開關(guān)速度快，功耗相比于傳統(tǒng)功率器件要大大降低。

　　在電動(dòng)車領(lǐng)域，電池重量大且價(jià)值量高，如果在 SIC 器件的使用中可以降低功耗，減小體積，那么在電池的安排上就更游刃有余；同時(shí)在高壓直流充電樁中應(yīng)用 SIC 會(huì)使得充電時(shí)間大大縮短，帶來的巨大社會(huì)效益。

　　SiC 器件具備的多種優(yōu)勢(shì)將帶動(dòng)電動(dòng)車?yán)m(xù)航能力的提升：

　　1）。 高電能轉(zhuǎn)換效率：SiC 屬于寬能隙材料， 擊穿場(chǎng)強(qiáng)度大比 Si 基半導(dǎo)體材料更適用在高功率的應(yīng)用場(chǎng)景；

　　2）。 高電能利用效率：SiC 屬于寬能隙材料， 擊穿場(chǎng)強(qiáng)度大比 Si 基半導(dǎo)體材料更適用在高功率的應(yīng)用場(chǎng)景；

　　3）。 低無效熱耗：開關(guān)頻率高， 速度快， 所產(chǎn)生無效的熱耗減少， 使的電路、散熱系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化。

　　2019 年國際上的功率半導(dǎo)體巨頭不斷推出新的基于 SIC 材料的功率器件，且推出的幾款 SiC SBD 及 MOSFET 均符合車規(guī)級(jí)（AEC-Q101）標(biāo)準(zhǔn)，這些產(chǎn)品應(yīng)用于新能源車或者光伏領(lǐng)域等功率器件需求場(chǎng)景，將顯著減少功耗，提高轉(zhuǎn)化效率。

　　3、 政策支持 VS 產(chǎn)業(yè)成熟度提升

　　我國的“中國制造 2025”計(jì)劃中明確提出要大力發(fā)展第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。2015 年 5 月，中國建立第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新基地，搶占第三代半導(dǎo)體戰(zhàn)略新高地；國家科技部、工信部、北京市科委牽頭成立第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟（CASA），對(duì)推動(dòng)我國第三代半導(dǎo)體材料及器件研發(fā)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

　　行業(yè)發(fā)展的瓶頸目前在于 SIC 襯底成本高：目前 SIC 的成本是 Si 的 4-5 倍，預(yù)計(jì)未來 3-5 年價(jià)格會(huì)逐漸降為 Si 的 2 倍左右，SIC 行業(yè)的增速取決于 SIC 產(chǎn)業(yè)鏈成熟的速度，目前成本較高，且 SIC 器件產(chǎn)品參數(shù)和質(zhì)量還未經(jīng)足夠驗(yàn)證；

　　SIC MOS 的產(chǎn)品穩(wěn)定性需要時(shí)間驗(yàn)證：根據(jù)英飛凌 2020 年功率半導(dǎo)體應(yīng)用大會(huì)上專家披露，目前 SiC MOSFET 真正落地的時(shí)間還非常短，在車載領(lǐng)域才剛開始商用（Model 3 中率先使用了 SIC MOS 的功率模塊），一些諸如短路耐受時(shí)間等技術(shù)指標(biāo)沒有提供足夠多的驗(yàn)證，SIC MOS 在車載和工控等領(lǐng)域驗(yàn)證自己的穩(wěn)定性和壽命等指標(biāo)需要較長時(shí)間；

　　目前國內(nèi)外 SIC 產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟，成本持續(xù)下降，下游接受度也開始提升，目前整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈處于行業(yè)爆發(fā)的前夜。

　　4、SiC 產(chǎn)業(yè)鏈總結(jié)

　　SIC 產(chǎn)業(yè)鏈分為三大環(huán)節(jié)：上游的 SIC 晶片和外延→中間的功率器件的制造（包含經(jīng)典的 IC 設(shè)計(jì)→制造→封裝三個(gè)小環(huán)節(jié)）→下游工控、新能源車、光伏風(fēng)電等應(yīng)用。

　　國外 SIC 功率器件玩家：

　　傳統(tǒng)的功率器件廠商包括英飛凌、意法半導(dǎo)體、三菱電機(jī)、富士電機(jī)；借助SIC 材料介入 SIC 器件的 CREE；

　　國內(nèi) SIC 功率器件玩家：泰科天潤，中電科 55 所，基本半導(dǎo)體，三安集成，華潤微等。

　　SIC 晶片、外延和設(shè)備：國外 CREE 和 II-VI 占據(jù)了 SIC 片 70%以上的份額，國內(nèi)山東天岳和天科合達(dá)已經(jīng)初具規(guī)模；露笑科技 2019 年 11 月公告，露笑科技將為中科鋼研、國宏中宇主導(dǎo)的碳化硅產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目定制約 200 臺(tái)碳化硅長晶爐，設(shè)備總采購金額約 3 億元，同時(shí)露笑科技另外 2020 年 8 月公告計(jì)劃與合肥合作投資 100 億元建設(shè)第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)園，從 SIC 設(shè)備切入襯底和外延等環(huán)節(jié)。

　　二、 SIC 器件：10 年 20 倍成長，國內(nèi)全面布局

　　1、 應(yīng)用：新能源車充電樁和光伏等將率先采用

　　SiC 具有前述所說的各種優(yōu)勢(shì)，是高壓/高功率/高頻的功率器件相對(duì)理想的材料， 所以 SiC 功率器件在新能源車、充電樁、新能源發(fā)電的光伏風(fēng)電等這些對(duì)效率、節(jié)能和損耗等指標(biāo)比較看重的領(lǐng)域，具有明顯的發(fā)展前景。

　　以新能源車中應(yīng)用 SIC MOS 為例，根據(jù) Cree 提供的測(cè)算： 將純電動(dòng)車 BEV逆變器中的功率組件改成 SIC 時(shí)， 大概可以減少整車功耗 5%-10%；這樣可以提升續(xù)航能力，或者減少動(dòng)力電池成本。

　　同時(shí) SIC MOS 在快充充電樁等領(lǐng)域也將大有可為?？焖俪潆姌妒菍⑼獠拷涣麟姡高^ IGBT 或者 SIC MOS 轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡?然后直接對(duì)新能源汽車電池進(jìn)行充電，對(duì)于損耗和其自身占用體積問題也很敏感，因此不考慮成本，SIC MOS比 IGBT 更有前景和需求，由于目前 SIC 的成本目前是 Si 的 4-5 倍，因此會(huì)在高功率規(guī)格的快速充電樁首先導(dǎo)入。在光伏領(lǐng)域，高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器未來的發(fā)展趨勢(shì)，因此基于性能更優(yōu)異的 SIC 材料的光伏逆變器也將是未來重要的應(yīng)用趨勢(shì)。

　　SIC 肖特基二極管的應(yīng)用比傳統(tǒng)的肖特基二極管同樣有優(yōu)勢(shì)。碳化硅肖特基二極管相比于傳統(tǒng)的硅快恢復(fù)二極管（SiFRD），具有理想的反向恢復(fù)特性。在器件從正向?qū)ㄏ蚍聪蜃钄噢D(zhuǎn)換時(shí)，幾乎沒有反向恢復(fù)電流，反向恢復(fù)時(shí)間小于 20ns，因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的效率。

　　另一個(gè)重要的特點(diǎn)是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數(shù)，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這使得 SIC 肖特基二極管非常適合并聯(lián)實(shí)用，增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

　　總結(jié)來看，SIC 肖特基二極管具有的特點(diǎn)如下：

　　1）幾乎無開關(guān)損耗；

　　2）更高的開關(guān)頻率；

　　3）更高的效率；

　　4）更高的工作溫度；

　　5）正的溫度系數(shù)，適合于并聯(lián)工作；

　　6）開關(guān)特性幾乎與溫度無關(guān)。

　　根據(jù) CASA 的統(tǒng)計(jì)，業(yè)內(nèi)反應(yīng) SiC SBD 實(shí)際的批量采購成交價(jià)已經(jīng)降至 1元/A 以下，耐壓 600-650V 的產(chǎn)品業(yè)內(nèi)批量采購價(jià)約為 0.6 元/A，而耐壓 1200V的產(chǎn)品業(yè)內(nèi)批量采購價(jià)約為 1 元/A。

　　2、 門檻：SIC 器件的壁壘和難點(diǎn)

　　SIC 難度大部分集中在 SIC 晶片的長晶和襯底制作方面，但是要做成器件，也有一些自身的難點(diǎn)，主要包括：

　　1）外延工藝效率低：碳化硅的氣相同質(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 。

　　2）歐姆接觸的制作：歐姆接觸是器件器件制作中十分重要的工藝之一，要形成好的碳化硅的歐姆接觸在實(shí)際中還是有較大難度；

　　3）配套材料的耐高溫：碳化硅芯片本身是耐高溫的，但與其配套的材料就不見得能夠耐得住 600℃以上的溫度。所以整體工作溫度的提高，需要不斷的進(jìn)行配套材料方面創(chuàng)新。

　　SIC 的優(yōu)異性能大家認(rèn)識(shí)的較早，之所以最近幾年才有較好的進(jìn)展主要是因?yàn)?SIC 片和 SIC 器件兩個(gè)方面相比傳統(tǒng)的功率器件均有一些難點(diǎn)，器件生產(chǎn)的高難度高成本加上碳化硅片制造的高難度（后面會(huì)提及），兩者互為循環(huán)，一定程度上制約了過去幾年 SIC 應(yīng)用的推廣速度，我們認(rèn)為隨著產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟，SIC正處于爆發(fā)的前夜，拐點(diǎn)漸行漸近。

　　3、 空間&增速：SIC 器件未來 5-10 年復(fù)合 40%增長

　　IHS 預(yù)計(jì)未來 5-10 年 SIC 器件復(fù)合增速 40%：根據(jù) IHSMarkit 數(shù)據(jù)，2018年碳化硅功率器件市場(chǎng)規(guī)模約 3.9 億美元，受新能源汽車龐大需求的驅(qū)動(dòng)，以及光伏風(fēng)電和充電樁等領(lǐng)域?qū)τ谛屎凸囊筇嵘?，預(yù)計(jì)到 2027 年碳化硅功率器件的市場(chǎng)規(guī)模將超過 100 億美元，18-27 年 9 年的復(fù)合增速接近 40%。

　　滲透率角度測(cè)算 SIC MOS 器件市場(chǎng)空間：（SIC MOS 只是 SIC 器件的一種）SIC MOS 器件的下游和 IGBT 重合度較大，因此，驅(qū)動(dòng) IGBT 行業(yè)空間高成長驅(qū)動(dòng)因素如車載、充電樁、工控、光伏風(fēng)電以及家電市場(chǎng)，也都是 SIC MOS 功率器件將來要涉足的領(lǐng)域；根據(jù)我們之前系列行業(yè)報(bào)告的大致測(cè)算，2019 年 IGBT 全球 58 億美金，中國 22 億美金空間，在車載和充電樁和工控光伏風(fēng)電等的帶動(dòng)下，預(yù)計(jì) 2025 年 IGBT 全球 120 億美金，中國 60 億美金。

　　SIC MOS 器件的滲透率取決于其成本下降和產(chǎn)業(yè)鏈成熟的速度，根據(jù)英飛凌和國內(nèi)相關(guān)公司調(diào)研和產(chǎn)業(yè)里的專家的判斷來看，SIC MOS 滲透 IGBT 的拐點(diǎn)可能在 2024 年附近。預(yù)計(jì) 2025 年全球滲透率 25%，則全球有 30 億美金 SIC MOS 器件市場(chǎng)，中國按照 20%滲透率 2025 年則有 12 億美金的 SIC MOS 空間。即不考慮SIC SBD 和其他 SIC 功率器件，僅測(cè)算替代 IGBT 那部分的 SIC MOS 市場(chǎng)預(yù)計(jì)2025 年全球 30 億美金，相對(duì) 2019 年不到 4 億美金有超過 7 倍成長，且 2025-2030年增速延續(xù)。

　　4、 格局：SIC 器件的競(jìng)爭(zhēng)格局

　　目前，碳化硅器件市場(chǎng)還是以國外的傳統(tǒng)功率龍頭公司為主，2017 年全球市場(chǎng)份額占比前三的是科銳，羅姆和意法半導(dǎo)體，其中 CREE 從 SIC 上游材料切入到了 SIC 器件，相當(dāng)于其擁有了從上游 SIC 片到下游 SIC 器件的產(chǎn)業(yè)鏈一體化能力。

　　國內(nèi)的企業(yè)均處于初創(chuàng)期或者剛剛介入 SIC 領(lǐng)域，包括傳統(tǒng)的功率器件廠商華潤微、捷捷微電、揚(yáng)杰科技，從傳統(tǒng)的硅基 MOSFET、晶閘管、二極管等切入 SIC 領(lǐng)域，IGBT 廠商斯達(dá)半導(dǎo)、比亞迪半導(dǎo)體等，但國內(nèi)當(dāng)前的 SIC 器件營收規(guī)模都比較?。〒P(yáng)杰科技最新披露 SIC 營收 2020 年上半年 19.28 萬元左右）；

　　三、SIC 晶片：高成長高壁壘，國產(chǎn)奮起直追

　　1、 成長分析

　　如前分析所述，碳化硅晶片主要用來做成高壓功率器件和高頻功率器件：SIC片主要分為兩種類型：導(dǎo)電型的 SIC 晶片經(jīng)過 SIC 外延后制作高壓功率器件；半絕緣型的 SIC 晶片經(jīng)過 GaN 外延后制 5G 射頻器件（特別是 PA）；

　　碳化硅晶片主要用于大功率和高頻功率器件：2018 年氮化鎵射頻器件全球市場(chǎng)規(guī)模約 4.2 億美元（約 28 億元人民幣），隨著 5G 通訊網(wǎng)絡(luò)的推進(jìn)，氮化鎵射頻器件市場(chǎng)將迅速擴(kuò)大。

　　導(dǎo)電型碳化硅單晶襯底材料是制造碳化硅功率半導(dǎo)體器件的基材，根據(jù)中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的測(cè)算：2020-2025 年市場(chǎng)需求：4 英寸逐步從 10 萬片市場(chǎng)減少到 5 萬片，6 英寸晶圓將從 8 萬片增長到 20 萬片；2025~2030 年：4 英寸晶圓逐漸退出市場(chǎng)，6 英寸晶圓將增長至 40 萬片。

　　半絕緣碳化硅具備高電阻的同時(shí)可以承受更高的頻率，主要應(yīng)用在高頻射頻器件；同樣根據(jù)中國寬禁帶功率半導(dǎo)體及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的測(cè)算：2025 年市場(chǎng)需求：預(yù)計(jì) 4 英寸半絕緣到 2 萬片、6 英寸到 10 萬片；2025-2030 年市場(chǎng)需求：4 英寸半絕緣襯底逐漸退出市場(chǎng)，而 6 英寸需求到 20萬片。

　　整體 SIC 晶片全球市場(chǎng)空間預(yù)計(jì)從 2020 的 30 億 RMB 增長至 2027年 150 億元 RMB，作為對(duì)比，2018 年全球硅片市場(chǎng) 90 億美元，國內(nèi)硅片市場(chǎng)約130 億元（近 8 年復(fù)合增長 5%-7%）。

　　2、 壁壘分析

　　SIC 晶片的壁壘較高，主要體現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：

　　1）精確調(diào)控溫度：碳化硅晶體需要在 2,000℃以上的高溫環(huán)境中生長，且在生產(chǎn)中需要精確調(diào)控生長溫度，控制難度極大；

　　2）容易產(chǎn)生多晶型雜質(zhì)：碳化硅存在 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)的單晶型碳化硅才是所需的半導(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；

　　3）晶體擴(kuò)徑難度大：氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長的擴(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；

　　4）硬度極大難切割：碳化硅硬度與金剛石接近，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；

　　3、 競(jìng)爭(zhēng)分析

　　目前，碳化硅晶片產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國全球獨(dú)大的特點(diǎn)。以導(dǎo)電型產(chǎn)品為例，2018 年美國占有全球碳化硅晶片產(chǎn)量的 70%以上，僅 CREE 公司就占據(jù)60%以上市場(chǎng)份額，剩余份額大部分被日本和歐洲的其他碳化硅企業(yè)占據(jù)。

　　由于碳化硅材料特殊的物理性質(zhì)，其晶體生長、晶體切割、 晶片加工等環(huán)節(jié)的技術(shù)和工藝要求高，需要長期投入和深耕才能形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)能力，行業(yè)門檻很高。

　　后進(jìn)入的碳化硅晶片生產(chǎn)商在短期內(nèi)形成規(guī)?；?yīng)能力存在較大難度，市場(chǎng)供給仍主要依靠現(xiàn)有晶片生產(chǎn)商擴(kuò)大自身生產(chǎn)能力，國內(nèi)碳化硅晶片供給不足的局面預(yù)計(jì)仍將維持一段時(shí)間。

　　4、 價(jià)值分析

　　上游 SIC 晶片主要用于 SIC 功率器件和 5G 高頻射頻器件，未來 10 年市場(chǎng)空間隨著下游 SIC 功率器件+高頻射頻器件的增長而增長，我們預(yù)計(jì)將從 2020 年30 億 RMB 到 2027 年接近 150 億 RMB；

　　行業(yè)高增長+國產(chǎn)替代+高壁壘：天科合達(dá)/山東天岳可簡(jiǎn)單類比于 SIC 晶片領(lǐng)域的滬硅產(chǎn)業(yè)，而且傳統(tǒng)硅片分布在日韓美五個(gè)巨頭，而 SIC 晶片龍頭 70%+的份額都在美國 CREE 和 II-VI 等公司，國產(chǎn)化也更迫切；在過去十年下游半導(dǎo)體的成長中，國內(nèi)上游硅片商參與的有限；而這一次，未來 10 年的 SIC 器件和5G 高頻射頻器件中，國內(nèi)的 SIC 晶片龍頭將積極參與其中，行業(yè)爆發(fā)增長和國產(chǎn)化同時(shí)進(jìn)行，可持續(xù)享受較高估值。

　　智東西認(rèn)為，半導(dǎo)體材料目前經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，第一代的硅（Si）、鍺（Ge）；第二代開始由2種以上元素組成化合物半導(dǎo)體，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦 （InP）；以及第三代的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬禁帶材料。碳化硅具備低導(dǎo)通電阻、高切換頻率、耐高溫與耐高壓等優(yōu)勢(shì)， 在新能源車、光伏風(fēng)電、不間斷電源、家電工控等有廣闊的應(yīng)用前景。雖然成本目前仍然是制約碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的一大重要阻礙，但隨著國內(nèi)外相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、成本不斷降低，產(chǎn)業(yè)的發(fā)展爆發(fā)點(diǎn)降至。