第三代半導(dǎo)體碳化硅 爆發(fā)式增長的明日之星

看點(diǎn)：第三代半導(dǎo)體碳化硅，爆發(fā)式增長的明日之星。

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，Yole 預(yù)計(jì) SIC 器件空間將從 2019 年4.8 億美金到 2025 年 30 億美金 2030 年 100 億美金，即 10 年 20 倍增長。 本期推薦華安證券的研究報(bào)告，揭秘第三代半導(dǎo)體材料碳化硅及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的最新發(fā)展情況。本期內(nèi)參來源：華安證券 原標(biāo)題： 《 第三代半導(dǎo)體 SIC：爆發(fā)式增長的明日之星》 作者：尹沿技 劉體勁

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

第一代半導(dǎo)體材料主要是指硅（Si）、鍺元素（Ge）半導(dǎo)體材料，應(yīng)用極為普遍，包括集成電路、電子信息網(wǎng)絡(luò)工程、電腦、手機(jī)、電視、航空航天、各類軍事工程和迅速發(fā)展的新能源、硅光伏產(chǎn)業(yè)中都得到了極為廣泛的應(yīng)用； 第二代半導(dǎo)體材料主要是指化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb），主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件（LED），是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。 Si 基器件在 600V 以上高電壓以及高功率場合達(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：

▲半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈一覽

SIC 材料具有明顯的性能優(yōu)勢。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、更高的熱導(dǎo)率等性能優(yōu)勢，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。

▲Si 與 SiC 材料優(yōu)缺點(diǎn)對比

2、 第三代半導(dǎo)體 SIC 器件的性能優(yōu)勢

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 會使得充電時(shí)間大大縮短，帶來的巨大社會效益。

▲SiC MOS 相比 Si 功率器件的對比

根據(jù) Cree 提供的測算: 將純電動車 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，或者減少動力電池成本。 總結(jié)來說，SiC 器件具備的多種優(yōu)勢將帶動電動車?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)用場景； 2). 高電能利用效率：SiC 屬于寬能隙材料, 擊穿場強(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（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景，將顯著減少功耗，提高轉(zhuǎn)化效率。

▲2019 年國際企業(yè)推出的部分經(jīng)典 SiC 器件產(chǎn)品

3、 政策支持 VS 產(chǎn)業(yè)成熟度提升

2014 年初，美國宣布成立“下一代功率電子技術(shù)國家制造業(yè)創(chuàng)新中心”，期望通過加強(qiáng)第三代半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，使美國占領(lǐng)下一代功率電子產(chǎn)業(yè)這個(gè)正出現(xiàn)的規(guī)模最大、發(fā)展最快的新興市場，并為美國創(chuàng)造出一大批高收入就業(yè)崗位。 日本建立了“下一代功率半導(dǎo)體封裝技術(shù)開發(fā)聯(lián)盟”由大阪大學(xué)牽頭，協(xié)同羅姆、三菱電機(jī)、松下電器等 18 家從事 SiC 和 GaN 材料、器件以及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化的知名企業(yè)、大學(xué)和研究中心； 歐洲啟動了產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目“LAST POWER”，由意法半導(dǎo)體公司牽頭，協(xié)同來自意大利、德國等六個(gè)歐洲國家的私營企業(yè)、大學(xué)和公共研究中心，聯(lián)合攻關(guān) SiC和 GaN 的關(guān)鍵技術(shù)。 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），對推動我國第三代半導(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。

▲2017-2019 年國家第三代半導(dǎo)體相關(guān)政策

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； 根據(jù) Yole 預(yù)測，SIC 和 GaN 電力電子器件（注意是 GaN 在電力電子中的應(yīng)用，不包括在高頻射頻器件）2023 年在整體功率器件滲透率分別為 3.75%和 1%；驅(qū)動因素是新能源汽車新能源發(fā)電以及快充。 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。

▲SiC vs GaN vs Si 在電力電子器件中的滲透率

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。目前上游的晶片基本被美國 CREE 和 II-VI 等美國廠商壟斷；國內(nèi)方面，SiC 晶片商山東天岳和天科合達(dá)已經(jīng)能供應(yīng) 2 英寸~6 英寸的單晶襯底，且營收都達(dá)到了一定的規(guī)模（今年均會超過 2 億元 RMB）；SiC 外延片：廈門瀚天天成與東莞天域可生產(chǎn) 2 英寸~6 英寸 SiC 外延片。 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)。

▲SIC 產(chǎn)業(yè)鏈以及國內(nèi)外的主要玩家

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，是高壓/高功率/高頻的功率器件相對理想的材料, 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。 高頻低壓用 Si-IGBT,高頻高壓用 SiC MOS,電壓功率不大但是高頻則用GaN。當(dāng)?shù)皖l、高壓的情況下用 Si 的 IGBT 是最好，如果稍稍高頻但是電壓不是很高，功率不是很高的情況下，用 Si 的 MOSFET 是最好。如果既是高頻又是高壓的情況下，用 SiC 的 MOSFET 最好。電壓不需要很大，功率不需要很大，但是頻率需要很高，這種情況下用 GaN 效果最佳。

▲SIC 器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域

以新能源車中應(yīng)用 SIC MOS 為例，根據(jù) Cree 提供的測算: 將純電動車 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，或者減少動力電池成本。

▲SIC MOS 多種優(yōu)勢帶動電動車?yán)m(xù)航力提升

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?透過 IGBT 或者 SIC MOS 轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟? 然后直接對新能源汽車電池進(jìn)行充電，對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，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。

▲2019 年各個(gè)領(lǐng)域的 SiC 模塊產(chǎn)品推出情況

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。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?？偨Y(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。

▲2018-2019 年不同制造商 SiC SBD 產(chǎn)品價(jià)格對比 單位（元/A）

如上表所示，2019 年部分 SIC 肖特基二極管產(chǎn)品價(jià)格實(shí)現(xiàn)了 20%-35%的降幅，SIC 二極管價(jià)格的持續(xù)降低以及和 Si 二極管價(jià)差的縮小將進(jìn)一步促進(jìn) SIC 二極管的應(yīng)用。

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規(guī)模約 3.9 億美元，受新能源汽車龐大需求的驅(qū)動，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規(guī)模將超過 100 億美元，18-27 年 9 年的復(fù)合增速接近 40%。

▲SiC 功率器件市場規(guī)模預(yù)測

滲透率角度測算 SIC MOS 器件市場空間：（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 IGBT 行業(yè)空間高成長驅(qū)動因素如車載、充電樁、工控、光伏風(fēng)電以及家電市場，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)電等的帶動下，預(yù)計(jì) 2025 年 IGBT 全球 120 億美金，中國 60 億美金。

▲SiC 功率器件在電動車?yán)锏臐B透時(shí)間預(yù)測

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，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，僅測算替代 IGBT 那部分的 SIC MOS 市場預(yù)計(jì)2025 年全球 30 億美金，相對 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 器件的競爭格局

目前，碳化硅器件市場還是以國外的傳統(tǒng)功率龍頭公司為主，2017 年全球市場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。

▲2017 年 SIC 器件和模塊市場份額

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)模都比較小（揚(yáng)杰科技最新披露 SIC 營收 2020 年上半年 19.28 萬元左右）； 未上市公司和單位中做的較好的有前面產(chǎn)業(yè)鏈總結(jié)中提到的一些，包括： 泰科天潤：可以量產(chǎn) SiC SBD，產(chǎn)品涵蓋 600V/5A～50A、1200V/5A～50A 和1700V/10A 系列；并且早在 2015 年，泰科天潤就宣布推出了一款高功率碳化硅肖特基二極管產(chǎn)品，是從事 SIC 器件的較純正的公司； 中電科 55 所：國內(nèi)從 4-6 寸碳化硅外延生長、芯片設(shè)計(jì)與制造、模塊封裝實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈的單位； 深圳基本半導(dǎo)體：成立于 2016 年，由清華大學(xué)、浙江大學(xué)、劍橋大學(xué)等國內(nèi)外知名高校博士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立，專注于 SIC 功率器件，也是深圳第三代半導(dǎo)體研究院發(fā)起單位之一，目前已經(jīng)開始推出其 1200V 的 SiC MOSFET 產(chǎn)品。

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）；

▲SiC 晶片產(chǎn)業(yè)鏈

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將迅速擴(kuò)大，Yole 預(yù)計(jì)到 2023 年，全球射頻氮化鎵器件市場規(guī)模將達(dá)到 13 億美元（約 91 億元人民幣）；繼續(xù)引用前面 IHS 的預(yù)測，則 SIC功率器件將由 2019 年的 4.5 億美元到 2025 年接近 30 億美元。

▲SIC 和 GaN 功率器件市場規(guī)模預(yù)測

第三代半導(dǎo)體 GaN 在高頻射頻領(lǐng)域的市場規(guī)模：根據(jù) Yole 的數(shù)據(jù)，2017 年氮化鎵射頻市場規(guī)模為 4 億美元，將于 2023 年增長至接近 13 億美元，復(fù)合增速為 22%，下游應(yīng)用結(jié)構(gòu)整體保持穩(wěn)定，以通訊與軍工為主，二者合計(jì)占比約為 80%。而整體射頻器件的市場空間在 2018-2025 在 8%左右，GaN 射頻器件增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于射頻器件整體市場的增長。

▲射頻器件整體市場規(guī)模增長預(yù)測

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)盟的測算： 2017-2020 年市場需求：2017 年 4 英寸 10 萬片、6 英寸 1.5 萬片→預(yù)計(jì)到 2020年 4 英寸保持 10 萬片、6 英寸超過 8 萬片。 2020-2025 年市場需求：4 英寸逐步從 10 萬片市場減少到 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，6 英寸晶圓將增長至 40 萬片。

▲導(dǎo)電型碳化硅襯底市場規(guī)模（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)盟的測算：

▲半絕緣碳化硅襯底市場規(guī)模（萬片）

2017 年市場需求：全球半絕緣碳化硅晶片的市場需求約 4 萬片；2020 年：4英寸半絕緣 SIC 維持 4 萬片、6 英寸半絕緣 SIC 晶片 5 萬片； 2025 年市場需求：預(yù)計(jì) 4 英寸半絕緣到 2 萬片、6 英寸到 10 萬片； 2025-2030 年市場需求：4 英寸半絕緣襯底逐漸退出市場，而 6 英寸需求到 20萬片。 整體 SIC 晶片全球市場空間預(yù)計(jì)從 2020 的 30 億 RMB 增長至 2027年 150 億元 RMB，作為對比，2018 年全球硅片市場 90 億美元，國內(nèi)硅片市場約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： SIC 晶片的核心參數(shù)包括微管密度、位錯密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等。在密閉高溫腔體內(nèi)進(jìn)行原子有序排列并完成晶體生長、同時(shí)控制參數(shù)指標(biāo)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，將生長好的晶體加工成可以滿足半導(dǎo)體器件制造所需晶片又涉及一系列高難度工藝調(diào)控；隨著碳化硅晶體尺寸的增大及產(chǎn)品參數(shù)要求的提高，生產(chǎn)參數(shù)的定制化設(shè)定和動態(tài)控制難度會進(jìn)一步提升。因此，穩(wěn)定量產(chǎn)各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)波動幅度較低的高品質(zhì)碳化硅晶片的技術(shù)難度很大，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、 競爭分析

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)。

▲2018 年導(dǎo)電型碳化硅晶片廠商市場占有率

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。

▲行業(yè)內(nèi)各公司不同尺寸 SIC 晶片的推出對比

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。 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， 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。

來源：智東西

原文標(biāo)題：揭秘第三代半導(dǎo)體碳化硅！爆發(fā)增長的明日之星，國產(chǎn)前途無量

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