深度解讀第三代半導體—碳化硅

碳化硅概況

碳化硅介紹

碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素組成的一種化合物半導體材料，是制作高溫、高頻、大功率、高壓器件的理想材料之一。相比傳統(tǒng)的硅材料（Si），碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導熱率為硅的4-5倍；擊穿電壓為硅的8-10倍；電子飽和漂移速率為硅的2-3倍，滿足了現(xiàn)代工業(yè)對高功率、高電壓、高頻率的需求，主要被用于制作高速、高頻、大功率及發(fā)光電子元器件，下游應用領(lǐng)域包括智能電網(wǎng)、新能源汽車、光伏風電、5G通信等，在功率器件領(lǐng)域，碳化硅二極管、MOSFET已經(jīng)開始商業(yè)化應用。

圖表 1：半導體材料發(fā)展路徑

數(shù)據(jù)來源：浙商證券研究所

耐高溫。碳化硅的禁帶寬度是硅的2-3倍，在高溫下電子不易發(fā)生躍遷，可耐受更高的工作溫度，且碳化硅的熱導率是硅的4-5倍，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以顯著提升功率密度，同時降低對散熱系統(tǒng)的要求，使終端更加輕量和小型化。

耐高壓。碳化硅的擊穿電場強度是硅的10倍，能夠耐受更高的電壓，更適用于高電壓器件。

耐高頻。碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率，導致其器件在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，能有效提高器件的開關(guān)頻率，實現(xiàn)器件小型化。

低能量損耗。碳化硅相較于硅材料具有極低的導通電阻，導通損耗低；同時，碳化硅的高禁帶寬度大幅減少泄漏電流，功率損耗降低；此外，碳化硅器件在關(guān)斷過程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開關(guān)損耗低。

圖表 2：不同半導體材料性能對比

數(shù)據(jù)來源：《寬禁帶半導體高頻及微波功率器件與電路》趙正平,浙商證券研究所

圖表 3：GaN、SiC與Si性能對比雷達圖

數(shù)據(jù)來源：天科合達招股書，浙商證券研究所

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈

主要包括**襯底、外延、器件設(shè)計、制造、封測等環(huán)節(jié)。**碳化硅從材料到半導體功率器件會經(jīng)歷單晶生長、晶錠切片、外延生長、晶圓設(shè)計、制造、封裝等工藝流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶錠，然后經(jīng)過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底，經(jīng)外延生長得到外延片。外延片經(jīng)過光刻、刻蝕、離子注入、金屬鈍化等工藝得到碳化硅晶圓，將晶圓切割成die，經(jīng)過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。

產(chǎn)業(yè)鏈上游****1：襯底—晶體生長為最核心工藝環(huán)節(jié)

碳化硅襯底約占碳化硅器件成本的47%，制造技術(shù)壁壘最高、價值量最大，是未來SiC大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推進的核心。

從電化學性質(zhì)差異來看，碳化硅襯底材料可以分為導電型襯底（電阻率區(qū)15~30mΩ·cm）和半絕緣型襯底（電阻率高于105Ω·cm）。這兩類襯底經(jīng)外延生長后分別用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應用于制造氮化鎵射頻器件、光電器件等。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。導電型碳化硅襯底主要應用于制造功率器件。與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導電型襯底上生長碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。

圖表 4：半絕緣型和導電型碳化硅襯底的對比

數(shù)據(jù)來源：億渡數(shù)據(jù)

以高純碳粉、高純硅粉為原料合成碳化硅粉，在特殊溫場下生長不同尺寸的碳化硅晶錠，再經(jīng)過多道加工工序產(chǎn)出碳化硅襯底。核心工藝流程包括：

原料合成：將高純的硅粉+碳粉按配方混合，在2000°C以上的高溫條件下于反應腔室內(nèi)進行反應，合成特定晶型和顆粒度的碳化硅顆粒。再通過破碎、篩分、清洗等工序，得到滿足要求的高純碳化硅粉原料。

晶體生長：為碳化硅襯底制造最核心工藝環(huán)節(jié)，決定了碳化硅襯底的電學性質(zhì)。目前晶體生長的主要方法有物理氣相傳輸法（PVT）、高溫化學氣相沉積法（HT-CVD）和液相外延（LPE）三種方法。其中PVT法是現(xiàn)階段商業(yè)化生長SiC襯底的主流方法，技術(shù)成熟度最高、工程化應用最廣。

圖表 5：三種SiC襯底制作方法對比

晶體加工：通過晶錠加工、晶棒切割、研磨、拋光、清洗等環(huán)節(jié)，將碳化硅晶棒加工成襯底。

圖表 6：SiC襯底工藝流程

SiC 襯底制備難度大，導致其價格居高不下

溫場控制困難：Si 晶棒生長只需 1500℃，而 SiC 晶棒需要在 2000℃以上高溫下進行生長，并且 SiC 同質(zhì)異構(gòu)體有 250 多種，但用于制作功率器件的主要是 4H-SiC 單晶結(jié)構(gòu)，如果不做精確控制，將會得到其他晶體結(jié)構(gòu)。此外，坩堝內(nèi)的溫度梯度決定了 SiC 升華傳輸?shù)乃俾?、以及氣態(tài)原子在晶體界面上排列生長方式，進而影響晶體生長速度和結(jié)晶質(zhì)量，因此需要形成系統(tǒng)性的溫場控制技術(shù)。與 Si 材料相比，SiC 生產(chǎn)的差別還在如高溫離子注入、高溫氧化、高溫激活等高溫工藝上，以及這些高溫工藝所需求的硬掩模工藝等。

晶體生長緩慢：Si 晶棒生長速度可達 30～150mm/h，生產(chǎn) 1-3m 的硅晶棒僅需約 1 天的時間；而 SiC 晶棒以 PVT 法為例，生長速度約為 0.2-0.4mm/h，7 天才能生長不到 3-6cm，長晶速度不到硅材料的百分之一，產(chǎn)能極為受限。

良品參數(shù)要求高、良率低：SiC 襯底的核心參數(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)進行原子有序排列并完成晶體生長，同時控制參數(shù)指標，是復雜的系統(tǒng)工程。

材料硬度大、脆性高，切割耗時長、磨損高：SiC 莫氏硬度達 9.25 僅次于金剛石，這導致其切割、研磨、拋光的加工難度顯著增加，將一個 3cm 厚的晶錠切割 35-40 片大致需要花費 120 小時。另外，由于 SiC 脆性高，晶片加工磨損也會更多，產(chǎn)出比只有 60%左右。

發(fā)展趨勢：尺寸增加+價格下降

全球SiC市場6英寸量產(chǎn)線正走向成熟，領(lǐng)先公司已進軍8英寸市場。國內(nèi)正在開發(fā)項目以6英寸為主。目前雖然國內(nèi)大部分公司還是以4寸產(chǎn)線為主，但是產(chǎn)業(yè)逐步向6英寸擴展，隨著6英寸配套設(shè)備技術(shù)成熟后，國產(chǎn)SiC襯底技術(shù)也在逐步提升大尺寸產(chǎn)線的規(guī)模經(jīng)濟將會體現(xiàn)，目前國內(nèi)6英寸的量產(chǎn)時間差距縮小至7年。更大的晶圓尺寸可以帶來單片芯片數(shù)量的提升、提高產(chǎn)出率，以及降低邊緣芯片的比例，研發(fā)和良率損失部分成本也將保持在7%左右，從而提升晶圓利用率。

圖表 7：4-6-8英寸的芯片數(shù)量變化



數(shù)據(jù)來源：億渡數(shù)據(jù)

襯底直徑及大直徑襯底占比將不斷增加，助力全產(chǎn)業(yè)鏈降本。預計未來30年，大尺寸襯底的比例將不斷增加，在大部分襯底提供商具備新型大尺寸量產(chǎn)能力，一輪尺寸更新周期迭代完成后，襯底單位面積價格會迎來相對快速的降低。

SiC襯底價格會隨著尺寸增加有所下降，同時進一步帶來銷量的穩(wěn)步上升。目前襯底發(fā)展最重要的方向趨勢是擴大直徑，這會降低襯底生產(chǎn)成本進而降低售價，價格的下降也會加速SiC襯底在各領(lǐng)域內(nèi)的滲透。根據(jù)CASA數(shù)據(jù)預測，SiC襯底和外延隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)逐步成熟(良率提升)和產(chǎn)能擴張(供給提升)，預計襯底價格將以每年8%的速度下降。

產(chǎn)業(yè)鏈上游2：外延—提高 SiC 器件性能及可靠性的關(guān)鍵

與傳統(tǒng)硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅單晶材料上，須在經(jīng)過切、磨、拋等仔細加工的單晶襯底上生長一層微米級新單晶，新單晶和襯底可以是相同材料，也可以是不同材料，稱為同質(zhì)外延或異質(zhì)外延。外延層可以消除晶體生長和加工時引入的表面或亞表面缺陷，使晶格排列整齊，表面形貌更優(yōu)，外延的質(zhì)量對最終器件的性能起關(guān)鍵影響作用。

圖表 8：SiC外延工藝

數(shù)據(jù)來源：Wolfspeed Investor Day 2021，財通證券研究所

碳化硅晶體生長的過程中會不可避免地產(chǎn)生缺陷、引入雜質(zhì)，導致襯底材料的質(zhì)量和性能都不夠好。而外延層的生長可以消除襯底中的某些缺陷，使晶格排列整齊。控制碳化硅外延缺陷是制備高性能器件的關(guān)鍵，缺陷會對碳化硅功率器件的性能和可靠性有嚴重影響。TSD和TED基本不影響最終的碳化硅器件的性能，而BPD會引發(fā)器件性能的退化。堆垛層錯、胡蘿卜缺陷、三角形缺陷、掉落物等缺陷，一旦出現(xiàn)在器件上，器件就會測試失敗，導致良率降低。

圖表 9：SiC材料常見缺陷



數(shù)據(jù)來源：基本半導體官網(wǎng)，財通證券研究所

碳化硅外延的制作方法包括：化學氣相淀積（CVD）、分子束外延（MBE）、液相外延法（LPE）、脈沖激光淀積和升華法（PLD）等，其中CVD法是最為普及的4H-SiC外延方法，其優(yōu)勢在于可以有效控制生長過程中氣體源流量、反應室溫度及壓力，精準控制外延層的厚度、摻雜濃度以及摻雜類型，工藝可控性強。早期碳化硅是在無偏角襯底上外延生長的，受多型體混合影響，外延效果不理想。隨后發(fā)展出臺階控制外延法，在不同偏角下斜切碳化硅襯底，形成高密度外延臺階，在實現(xiàn)低溫生長的同時穩(wěn)定晶型的控制。隨后引入TCS，突破臺階控制外延法的限制，將生長速率大幅提升至傳統(tǒng)方法的10倍以上。目前常用SiH4、CH4、C2H4作為反應前驅(qū)氣體，N2和TMA作為雜質(zhì)源，使用4°斜切的4H-SiC襯底在1500-1650℃下生長外延。

外延參數(shù)主要取決于器件設(shè)計，其中厚度和摻雜濃度為外延片關(guān)鍵參數(shù)。器件電壓越高，對外延厚度和摻雜濃度均勻性要求越高，生產(chǎn)難度越大。在600V低壓下，外延厚度需達6um左右，在1200-1700V中壓下，外延厚度需達10-15um左右，而在10kV的高壓下，外延厚度需達100um以上。在中、低壓應用領(lǐng)域，碳化硅外延的技術(shù)相對比較成熟，外延片的厚度和摻雜濃度等參數(shù)較優(yōu)，基本可以滿足中低壓的SBD、JBS、MOS等器件的需求。而在高壓領(lǐng)域外延的技術(shù)發(fā)展相對比較滯后。目前外延片需要攻克的難關(guān)還很多，主要參數(shù)指標包括厚度、摻雜濃度均勻性、三角缺陷等，缺陷多主要影響大電流的器件制備，大電流需要大的芯片面積。

產(chǎn)業(yè)鏈中游1：器件設(shè)計仍難點眾多****

SiC二極管商業(yè)化逐步完善，目前國內(nèi)多家廠商已設(shè)計出SiC SBD產(chǎn)品，中高壓SiC SBD產(chǎn)品穩(wěn)定性較好，在車載OBC中，多采用SiC SBD+SI IGBT實現(xiàn)穩(wěn)定的電流密度。目前國內(nèi)在SiC SBD產(chǎn)品上在專利設(shè)計方面沒有障礙，與國外差距較小。

SiC MOS仍存眾多難點，SiC MOS仍與海外廠商存在差距，相關(guān)制造平臺仍在搭建中。目前ST、英飛凌、Rohm等600-1700V SiC MOS已實現(xiàn)量產(chǎn)并和多制造業(yè)達成簽單出貨，而國內(nèi)目前SiC MOS設(shè)計已基本完成，多家設(shè)計廠商正與晶圓廠流片階段，后期客戶驗證仍需部分時間，因此距離大規(guī)模商業(yè)化仍有較長時間。

目前平面型結(jié)構(gòu)為主流選擇，未來溝槽型在高壓領(lǐng)域應用廣泛。平面結(jié)構(gòu)SiC MOS廠商眾多，平面結(jié)構(gòu)相比溝槽不容易產(chǎn)生局部擊穿問題，影響工作穩(wěn)定性，在1200V以下市場具備廣泛應用價值，并且平面結(jié)構(gòu)在制造端相對簡單，滿足可制造性和成本可控兩方面。溝槽型器件寄生電感極低，開關(guān)速度快，損耗低，器件性能相對高效。

圖表 10：平面結(jié)構(gòu)與溝槽結(jié)構(gòu)的對比

數(shù)據(jù)來源：億渡數(shù)據(jù)

產(chǎn)業(yè)鏈中游2：器件制造技術(shù)尚需積累

SiC器件制造的工藝環(huán)節(jié)與硅基器件基本類似，包括涂膠、顯影、光刻、減薄、退火、摻雜、刻蝕、氧化、清洗等前道工藝。但由于碳化硅材料特性的不同，廠商在晶圓制造過程中需要特定的設(shè)備以及開發(fā)特定的工藝，無法與過去的硅制程設(shè)備、工藝完全通用，因此當前**SiC晶圓制造產(chǎn)能緊缺。**SiC晶圓制造特定工藝與Si工藝的一些差異點主要在于：

光刻對準。由于SiC晶圓是透明的，因此CD-SEM和計量測量變得復雜，光刻對準、設(shè)備傳送取片等難度較大。

蝕刻工藝。由于SiC在化學溶劑中呈現(xiàn)惰性，因此同光使用干法蝕刻。則掩膜材料、掩膜蝕刻的選擇、混合氣體、側(cè)壁斜率的控制、蝕刻速率、側(cè)壁粗糙度等都需要重新開發(fā)。

高溫大劑量高能離子注入工藝。由于SiC器件的特性，SiC擴散溫度遠高于硅，傳統(tǒng)的熱擴散在碳化硅中并不實用，摻雜時只能采用高溫離子注入的方式。

超高溫退火工藝。高溫離子注入會破壞材料本身的晶格結(jié)構(gòu)，因此需要在惰性氣體中高溫退火來恢復結(jié)構(gòu)，通常退火溫度高達1600-1700度，使SiC表面再結(jié)晶并電激活摻雜劑。

高質(zhì)量柵極氧化層生長。較差的SiC/氧化硅界面質(zhì)量會降低MOSFET反轉(zhuǎn)層的遷移率，導致閾值電壓不穩(wěn)定，因此需要開發(fā)鈍化技術(shù)，以提高SiC/氧化硅界面質(zhì)量。

SiC晶圓制造特定工藝帶來特定設(shè)備的需求，主要包括高溫離子注入機、高溫退火爐、SiC減薄設(shè)備、背面金屬沉積設(shè)備、背面激光退火設(shè)備、SiC襯底和外延片表面缺陷檢測和計量。其中，是否具備高溫離子注入機是衡量碳化硅產(chǎn)線的重要標準之一。

圖表 11：SiC晶圓制造在原來Si基礎(chǔ)上需求特定設(shè)備

數(shù)據(jù)來源：億渡數(shù)據(jù)

產(chǎn)業(yè)鏈中游3：最佳碳化硅器件封裝材料—AMB襯板

陶瓷基板按照工藝主要分為DBC、AMB、DPC、HTCC、LTCC等基板，國內(nèi)常用陶瓷基板材料主要為氧化鋁、氮化鋁和氮化硅，其中氧化鋁陶瓷基板最常用，主要采用DBC工藝；氮化鋁陶瓷基板導熱率較高，主要采用DBC和AMB工藝；氮化硅可靠性較為優(yōu)秀，主要采用AMB工藝。AMB工藝生產(chǎn)的陶瓷襯板主要運用在功率半導體模塊上作為硅基、碳化基功率芯片的基底。

DBC襯板應用場景受限，AMB襯板性能優(yōu)勢明顯。由于AMB氮化硅基板有較高熱導率（>90W/mK），可將非常厚的銅金屬（厚度可達0.8mm）焊接到相對薄的氮化硅陶瓷上，載流能力較高；且氮化硅陶瓷基板的熱膨脹系數(shù)與第3代半導體襯底SiC晶體接近，使其能夠與SiC晶體材料匹配更穩(wěn)定，因此成為SiC半導體導熱基板材料首選，特別在800V以上高端新能源汽車中應用中不可或缺。另外，目前以硅基材料為主的IGBT模塊在具有高導熱性、高可靠性、高功率等要求的軌道交通、工業(yè)級、車規(guī)級領(lǐng)域正逐漸采用AMB陶瓷襯板替代原有的DBC陶瓷襯板。

中國AMB陶瓷基板主要依賴進口，國內(nèi)廠商加速擴產(chǎn)，國產(chǎn)替代進行時。受益于SiC功率模塊新機遇，部分國際企業(yè)已在計劃對AMB進行擴產(chǎn)，開始生產(chǎn)氮化硅陶瓷基板。與此同時，國產(chǎn)AMB基板廠商有望隨著擴產(chǎn)加速國產(chǎn)替代，實現(xiàn)快速成長。

圖表 11：DBC/AMB應用場景比較

數(shù)據(jù)來源：億渡數(shù)據(jù)

產(chǎn)業(yè)鏈下游：應用場景豐富，多領(lǐng)域需求驅(qū)動

按照電學性能的不同，碳化硅材料制成的器件分為導電型碳化硅功率器件和半絕緣型碳化硅射頻器件，兩種類型碳化硅器件的終端應用領(lǐng)域不同。導電型碳化硅功率器件是通過在低電阻率的導電型襯底上生長碳化硅外延層后進一步加工制成，包括造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等，主要用于電動汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、充電等。半絕緣型碳化硅基射頻器件是通過在高電阻率的半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層后進一步加工制成，包括HEMT等氮化鎵射頻器件，主要用于5G通信、車載通信、國防應用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天。

圖表 12：兩種類型SiC器件終端用途

數(shù)據(jù)來源：公開資料

增長點1：汽車為碳化硅器件的最大終端應用市場

未來隨著碳化硅器件在新能源汽車、能源、工業(yè)等領(lǐng)域滲透率不斷提升，碳化硅器件市場規(guī)模有望持續(xù)提升。根據(jù)Yole的預測，2027年全球?qū)щ娦吞蓟韫β势骷袌鲆?guī)模有望達62.97億美元，2021-2027年CAGR達34%；其中汽車市場導電型碳化硅功率器件規(guī)模有望達49.86億美元，占比達79.2%，是導電型碳化硅功率器件第一大應用市場。

圖表 13：2021年、2027年全球各細分市場導電型碳化硅功率器件市場規(guī)模

數(shù)據(jù)來源：YOLE，億渡數(shù)據(jù)整理

碳化硅在汽車領(lǐng)域主要用于：主驅(qū)逆變器、車載充電系統(tǒng)(OBC)、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(車載DC/DC)和非車載充電樁。根據(jù)全球碳化硅領(lǐng)域龍頭廠商Wolfspeed公司的預測，到2026年汽車中逆變器所占據(jù)的碳化硅價值量約為83%，是電動汽車中價值量最大的部分。其次為OBC，價值量占比約為15%；DC-DC轉(zhuǎn)換器中SiC價值量占比在2%左右。

導電型碳化硅功率器件目前主要應用于逆變器中。逆變器是一種將直流信號轉(zhuǎn)化為高壓交流電的裝置，在傳統(tǒng)硅基IGBT逆變器中，其基本原理為利用方波電源控制IGBT的開關(guān)，使得原來的直流電路輸出方波高電壓，經(jīng)過整形模塊的整形后形成正弦電壓，即交流電。由于輸出電壓和輸出頻率可以任意控制，所以逆變器被廣泛用于控制交流電機和無刷電機的轉(zhuǎn)速，是新能源發(fā)電、不間斷電源、電動汽車、軌道交通、白色家電、電力配送等領(lǐng)域不可或缺的功率轉(zhuǎn)換裝置。碳化硅MOSFET在電動汽車主驅(qū)逆變器中相比Si-IGBT優(yōu)勢明顯，雖然當前SiC器件單車價格高于Si-IGBT，但SiC器件的優(yōu)勢可降低整車系統(tǒng)成本：

（1）由于碳化硅MOSFET相比硅基IGBT功率轉(zhuǎn)換效率更高，根據(jù)Wolfspeed數(shù)據(jù)，采用碳化硅MOSFET的電動汽車續(xù)航距離相比硅基IGBT可延長5-10%，即在同樣續(xù)航里程的情況下可削減電池容量，降低電池成本。

（2）碳化硅MOSFET的高頻特性可使得逆變器線圈、電容小型化，電驅(qū)尺寸得以大幅減少，而可聽噪聲的降低可以減少電機鐵損。

（3）碳化硅MOSFET可承受更高電壓，在電機功率相同的情況下可以通過提升電壓來降低電流強度，從而使得束線輕量化，節(jié)省安裝空間。

車載充電系統(tǒng)(OBC)可將電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)換為直流電對電池進行充電，實現(xiàn)為電動汽車的高壓直流電池組充電的功能，是決定充電功率和效率的關(guān)鍵器件。碳化硅MOSFET相比Si基器件能提升約50%的系統(tǒng)功率密度，從而能減少OBC的重量和體積，并節(jié)省磁感器件和驅(qū)動器件成本。

圖表 14：OBC在電動汽車中的作用

數(shù)據(jù)來源：億渡數(shù)據(jù)

電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(DC/DC)是轉(zhuǎn)變輸入電壓并有效輸出固定電壓的電壓轉(zhuǎn)換器，可將動力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換為低壓直流電，主要給車內(nèi)動力轉(zhuǎn)向、水泵、車燈、空調(diào)等低壓用電系統(tǒng)供電。未來隨著電動汽車電池電壓升至800V高壓平臺，1200V的SiC MOSFET有望被廣泛應用于DC-DC轉(zhuǎn)換器中。

高壓充電樁能有效解決充電速度和里程焦慮的問題，帶來對SiC器件需求的增加。當前我國的車樁比難以匹配需求，車載充電及充電樁效率仍待提高，因此越來越多的整車廠布局800V高壓平臺。800V高壓系統(tǒng)通常指整車高壓電氣系統(tǒng)電壓范圍達到550-930V的系統(tǒng)，相較于600V平臺：在同等充電功率下，工作電流更小，節(jié)省線束體積，降低電路內(nèi)阻損耗，提高充電效率和安全率；在同等電流的情況下，800V平臺可大幅提升總功率，顯著提高充電速度，已成為快速直流電充電的新解決方案。對于直流快速充電樁來說，充電電壓升級至800V會帶來充電樁中的SiC功率器件需求大增。與MOSFET/IGBT單管設(shè)計的15-30kW相比，SiC模塊可將充電模塊功率提高至60kW以上，且和硅基功率器件相比，SiC功率器件可以大幅降低模塊數(shù)量，具有小體積優(yōu)勢。

圖表 15：不同電壓平臺下，SiC和Si基逆變器的損耗

數(shù)據(jù)來源：億渡數(shù)據(jù)

新能源車數(shù)量增速高于充電樁，我國充電樁市場缺口大。據(jù)中國能源報，截止2022年12月，全國充電基礎(chǔ)設(shè)施累計總量約為521萬臺，增量為259.3萬臺，同比增加99.1%。其中公共充電樁增量為65.1萬臺，同比上漲91.6%；隨車配建私人充電樁增量為194.2萬臺，同比上升225.5%。截至2022年底，全國新能源汽車保有量達1310萬輛，占汽車總量的4.10%，同比增長67.13%，其中，純電動汽車保有量1045萬輛，占新能源汽車總量的79.78%。2022年底，我國新能源車車樁比為2.5：1，充電樁數(shù)量還存在巨大的缺口。

圖表 16：我國新能源充電樁數(shù)量存在較大缺口

數(shù)據(jù)來源：中國能源報，浙商證券研究所

**增長點2：**SiC 賦能光伏發(fā)電，市場規(guī)模持續(xù)增長

政策驅(qū)動光伏國產(chǎn)化進程加速，新增裝機量持續(xù)提升。光伏逆變器是可以將光伏（PV）太陽能板產(chǎn)生的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為市電頻率交流電（AC）的逆變器，可以反饋回商用輸電系統(tǒng)，或是供離網(wǎng)的電網(wǎng)使用。根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會（CPIA）數(shù)據(jù)，2021 年全球光伏新增裝機規(guī)模有望達到 170GW，創(chuàng)歷史新高，各國光伏新增裝機數(shù)據(jù)亮眼，其中中國新增裝機規(guī)模 54.88GW，同比增長13.9%。未來在光伏發(fā)電成本持續(xù)下降和全球綠色復蘇等有利因素的推動下，全球光伏市場將快速增長，預計“十四五”期間，全球光伏年均新增裝機超過 220GW，我國光伏年均新增裝機或?qū)⒊^ 75GW。

圖表 17：全球與中國光伏規(guī)模增長情況（GW）

數(shù)據(jù)來源：CPIA，財通證券研究所

使用Si基器件的傳統(tǒng)逆變器會帶來較大的系統(tǒng)能量損耗，而碳化硅的寬帶隙、高熱導率、高擊穿電壓和低導通電阻使其能在更高的電壓及頻率下切換，散熱能力更佳，擁有更好的開關(guān)效率和熱量累計。使用碳化硅功率器件的光伏逆變器可將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍，從而縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長使用壽命。SiC 還可以通過降低無源元件的故障率、減少散熱器尺寸、減少占地面積和節(jié)省安裝成本等方式間接節(jié)約成本。

預計 SiC 在光伏逆變器中滲透率逐步提高。根據(jù)觀研天下數(shù)據(jù)顯示，2020 年，SiC 光伏逆變器占比為 10%，預計 2025 年 SiC 光伏逆變器占比將達到 50%，2048 年達到 85%。目前從應用端來看，受成本影響，SiC 在光伏逆變器上應用有限，預期未來器件成本下降后，SiC 光伏逆變器應用潛力將會大幅增加。CPIA 預測到2025 年，樂觀情景下全球光伏新增裝機量有望超 330GW。受益于光伏裝機量上升，逆變器市場需求將大幅增長，我們測算 2025 年全球 SiC 光伏逆變器新增市場有望增長至 108.90億元。

圖表 18：光伏SiC器件市場空間預測

數(shù)據(jù)來源：CPIA，財通證券研究所

增長點3：應用場景多點開花，滲透率逐步提升

射頻/5G：半絕緣型碳化硅器件廣泛應用于射頻器件領(lǐng)域，受5G驅(qū)動增長良好。射頻器件是在無線通信領(lǐng)域負責信號轉(zhuǎn)換的部件，如功率放大器、射頻開關(guān)、濾波器、低噪聲放大器等。目前主流的射頻器件材料有砷化鎵、硅基LDMOS、碳化硅基氮化鎵等不同類型。碳化硅基氮化鎵射頻器件同時具備碳化硅的高導熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，應用于5G通信、車載通信、國防應用、數(shù)據(jù)傳輸、航空航天等領(lǐng)域。據(jù)Yole Development預測，2025年全球射頻器件市場將超過250億美元，功率在3W以上的射頻器件市場中，氮化鎵射頻器件有望替代大部分硅基LDMOS份額，占據(jù)射頻器件市場約50%的份額。

在應用方面，5G通信推動著碳化硅成為射頻器件的主流材料。5G通訊高頻、高速、高功率的特點對微波射頻器件提出了更高要求，對目前采用的砷化鎵和硅基LDMOS器件提出了挑戰(zhàn)。不同于砷化鎵和硅基LDMOS器件的固有缺陷，如高頻段性能差、功率效率較差等。由于半絕緣型碳化硅襯底制備的氮化鎵射頻器件在高頻段表現(xiàn)良好、能抗高溫高壓，具有高功率處理能力，已逐步成為5G時代較大基站功率放大器的候選技術(shù)。

智能電網(wǎng)：目前電網(wǎng)使用的硅基器件的參數(shù)性能已接近其材料的物理極限，無法擔負起支撐大規(guī)模清潔能源生產(chǎn)傳輸和消納吸收的重任。SiC在智能電網(wǎng)的主要應用場景包括高壓直流輸電換流閥、柔性直流輸電換流閥、靈活交流輸電裝置、高壓直流斷路器、電力電子變壓器等裝置。碳化硅在電壓等級、導通電阻和開關(guān)速度方面的優(yōu)勢能很好的適配電力系統(tǒng)對電壓、功率和可靠性的更高要求，可以直接替換硅器件，提升電能轉(zhuǎn)換效率和功率密度，同時還能簡化拓撲結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)新的并網(wǎng)功能如增加電網(wǎng)穩(wěn)定性，提供有源濾波功能等。

圖表 19：碳化硅的單位面積導通電阻遠小于硅器件

數(shù)據(jù)來源：《應用于中壓配電網(wǎng)的碳化硅電力電子技術(shù)》，浙商證券研究所

軌道交通：在軌道交通領(lǐng)域，牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機等環(huán)節(jié)均可用到SiC功率器件，其中牽引變流器是核心器件，采用SiC功率器件替代后，在高溫、高頻和低損耗方面得到顯著改善，有效減小整體器件的體積和重量，符合大容量、輕量化和節(jié)能型的需求。目前 SiC 器件已在城市軌道交通系統(tǒng)中得以應用，蘇州軌交3號線0312號列車是國內(nèi)首個基于SiC變流技術(shù)的永磁直驅(qū)牽引系統(tǒng)項目，實現(xiàn)了牽引節(jié)能20%的目標。

圖表 20：碳化硅模塊的開關(guān)和導通損耗均優(yōu)于傳統(tǒng)硅模塊

數(shù)據(jù)來源：《基于混合碳化硅器件的城市軌道交通車輛牽引節(jié)能研究》

主要參考：浙商證券研究所報告；財通證券研究報告；億渡數(shù)據(jù)研究報告

審核編輯：劉清