碳化硅产业：已处于爆发前夜有望引领中国半导体进入黄金时代.pdf

敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DONGXING SECURITIES 行 业 研 究 东 兴 证 券 股 份 有 限 公 司 证 券 研 究 报 告 碳化硅产业：已处于爆发前夜，有望引领 中国半导体进入黄金时代 2021年 07月 02 日 看好 /维持 电子元器件 行业 报告 分析师 吴 昊 电话： 010-66554130 邮箱： wuhao_ 执业证书编号： S1480521040001 分析师 陈宇哲 电话： 021-25102909 邮箱： 执业证书编号： S1480520040001 研究助理 吴天元 电话： 021-25102895 邮箱： 执业证书编号： S1480119070053 投资摘要 ： 传统硅材料难以满足新兴需求， 碳化硅对硅的部分替代是顺应时代和科技趋势的必然 。 硅因其自然界储量大，制备相对简单 等优点，成为了目前制造半导体芯片和器件最为主要的原材料，目前 90%以上的半导体产品是以硅为衬底制成的。然而受材 料本身特性的限制，硅基功率器件已经渐渐难以满足 5G 基站、新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需求。 第三代半导体材料中的碳化硅（ SiC）有望部分替代硅，成为制备高 压 及高频器件新的衬底材料 。在新的时代背景下， 市场对 高 压 和高频器件的需求越来越高 ， 碳化硅对 硅 的 部分 替代是顺应时代和科技趋势的必然。 碳化硅材料具备突出的性能优势，可以有效提高功率器件的功率密度和效率，降低系统成本。 碳化硅作为宽禁带半导体材料 的一种，与硅的主要差别在禁带宽度上，这让同性能的碳化硅器件尺寸缩小到硅基的十分之一，能量损失减少了四分之三。 优异的性能也让碳化硅器件具备广阔的应用领域和市场空间，尤其是在电动车领域，碳化硅器件的应用已经成为提升电动车 延长行驶里程、缩短充电时间及增大电池容量的重要手段，拥有着跟新能源车共成长的能力。 2019 年全球碳化硅功率器件市 场规模为 5.41 亿美元，预计 2025 年将增长至 25.62 亿美元，年化复合增速 约 30%。 衬底制备是碳化硅产业链的核心环节，价值量占比也最高。 碳化硅与硅基器件的原理相似，但碳化硅无论是材料还是器件的 制造难度，都显著高于传统硅基。其中大部分的难度都是碳化硅材料高熔点和高硬度所需特殊工艺带来的，各步骤中难度和 价值量最高的是衬底制备环节。衬底方面美国科锐布局最早，产能和市占率最高。国内以天科合达、山东天岳为首的衬底制 造厂商正努力追赶。 碳化硅产业链上的主要玩家仍以海外龙头为主。 碳化硅行业仍处于成长期，从企业和竞争格局的角度看，技术问题尚未完全 解决，先行者和传统龙头依靠着先发优势和工艺的成熟度构筑了明显的壁垒。衬底方面以行业布局较早的科锐和 贰陆较为领 先，而器件制造领域传统的海外功率半导体龙头仍有较高份额，但领先优势相比于硅基器件有明显减小。 碳化硅除了器件本身， 更 对产业有着全方位的带动 ，有望引领中国半导体进入黄金时代。 第三代半导体对我国而言意义非凡， 是中国大陆半导体（尤其是功率和射频器件）追赶的极佳突破口，在第三代半导体追赶的路上，中国企业受到的阻碍将远小 于传统硅基领域，发达国家可以用来制裁和控制中国第三代半导体发展的手段和技术也十分有限，中国企业正迎来追赶和发 展的良机；碳化硅器件的意义不仅在于其本身的优异性能，其更是会对产业带来全方位的带动 ，第三代半导体器件主要的应 用领域如新能源车、光伏和高铁等，未来的主战场都集中在中国，国内企业也与 部分 车企和家电企业等进行了配套和产业合 作，国产器件逐渐导入终端产品供应链，为国内企业带来更多试用、改进的机会。我们认为碳化硅有望引领中国半导体进入 黄金时代。 投资建议： 我们认为 在 新能源车等新增下游需求的带动下，碳化硅材料及相关器件需求有望迎来爆发式增长， 建议关注 提前 布局 碳化硅产业链 上市公司 三安光电、华润微、斯达半导、闻泰科技、露笑科技、新洁能 等。 风险提示： 新能源汽车销量不及预期， 碳化硅 量产进度不及预期 ，量产过程 中遭遇技术难题 导致不及预期 等 。 P2 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 目 录 1. 性能突出 +空间巨大，碳化硅材料成为市场焦点 . 4 1.1 碳化硅材料性能优势突出 . 4 1.2 应用领域广阔， 5 年 5 倍市场空 间增长，替代空间巨大 . 5 1.3 海外龙头仍是产业中的主要玩家 . 9 2. 技术难度不容忽视，海外龙头占据较大份额 .10 2.1 从器件生产流程看各环节难度和壁垒 .10 2.1.1 衬底制备 碳化硅器件最为核心的工艺 .10 2.1.2 外延 对器件性能影响很大 . 11 2.1.3 器件制造与封测 高温的特性带来新的技术难度 .12 2.2 衬底和器件两大环节分别呈 “一超 ”和 “多强 ”格局 .12 2.2.1 衬底呈 “一超 ”格局，科锐一家独大 .12 2.2.2 器件呈 “多强 ”格局，海外衬底龙头和功率龙头占据主要市场 .13 3. 碳化硅时代是中国半导体的黄金时代 .14 3.1 物联网时代的新增需求是产业最重要的驱动力 .14 3.2 碳化硅器件与硅基器件价差正在缩小 .15 3.3 国内外大力布局， 碳化硅有望引领中国半导体进入黄金时代 .16 4. 投资建议 .18 5. 风险提示 .18 插图目录 图 1： 同规格碳化硅器件性能优于硅器件 . 5 图 2： 碳化硅器件优势总结 . 5 图 3： 碳化硅器件产业链 . 6 图 4： 碳化硅功率器件应用领域 . 7 图 5： 光伏逆变器中碳化硅渗透率有望在 2025年达到 50% . 7 图 6： 轨道交通中碳化硅渗透率将在 2050年达到 90%. 7 图 7： 2019-2025年碳化硅功率器件市场规模将快速增长（单位：美元） . 8 图 8： 不同材料射频器件应用范围对比 . 8 图 9： 不同类型射频器件市场份额预测（功率 3W以上） . 8 图 10： 2019-2025年氮化镓射频器件市场规模将持续增长（单位：美元） . 9 图 11： 碳化硅器件产业链各环节主要参与者 .10 图 12： 天岳先进碳化硅衬底制备流程 .10 图 13： 2018年导电型碳化硅衬底厂商市场占有率 .13 图 14： 2020年半绝缘型碳化硅晶片厂商市场占有率 .13 图 15： 2019年全球分立 IGBT 器件市场份额 .14 图 16： 2019年全球 IGBT 模块市场份额 .14 图 17： 衬底占碳化硅器件成本的近一半 .15 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 P3 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 图 18： SiC MOSFET 2020 年平均价格（元 /A） .15 表格目录 表 1： 常见半导体衬底材料性能对比 . 4 表 2： 衬底制备各环节流程及难点 . 11 表 3： 外延层厚度越大，额定电压越高 . 11 表 4： 各企业在衬底尺寸方面的研发进度 .13 表 5： 2020年国内碳化硅功率晶圆产线汇总 .14 表 6： 2020年我 国第三代半导体产能统计 .15 表 7： 国际龙头在碳化硅等第三代半导体领域持续扩产并进行产业链合作 .16 表 8： 部分国内上市公司第三代半导体布局情况 .17 表 9： 国内第三代半导体产业合作情况 .18 P4 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 1. 性能突出 +空间巨大， 碳化硅 材料成为市场焦点 1.1 碳化硅材料 性能优势突出 硅是 制造 半导体 芯片及器件最为主要的原材料，但其性能已经 难以 满足高功率 及高频 器件的需求 ，碳化硅材 料有望在高功率和高频领域 部分替代硅 。 硅因其自然界储量大，制备相对简单等优点，成为了目前制造半导 体芯片和器件最为主要的原材料，目前 90%以上的半导体产品是以硅为衬底制成的。然而受材料本身特性的 限制，硅基功率器件已经渐渐难以满足 5G 基站、新能源车及高铁等新兴应用对器件高功率及高频性能的需 求。第三代半导体材料中的碳化硅（ SiC）有望部分替代硅，成为制备高压及高频器件新的衬底材料。 而其 他领域仍将以硅为主流，短期内不会被替代。 第三代半导体材料又称宽禁带半导体材料，和传统硅材料主要的区别在禁带宽度上 。 禁带宽度是判断一种半 导体材料击穿电压高低的重要指标，禁带宽度数值越大，则该 种 材料制成器件的耐高压能力越强。以碳化硅 为代表的 第三代半导体材料往往具备更宽的禁带宽度，因此也被称为宽禁带半导体材料 （大于 2.3eV） 。 由于 氮化镓在材料制备环节仍有技术难 度，当前具备大规模量产条件的可用于制备功率器件的第三代半导体材料 仅有碳化硅。 根据天科合达招股书数据， 4H型碳化硅的禁带宽度为 3.2eV，是硅材料禁带宽度 1.1eV 的约 3 倍， 这使得其击穿电场强度达到了硅的约 7 倍， 非常适合 用来 制备功率器件。 表 1： 常见半导体衬底材料性能对比 项目 Si GaAs 4H-SiC GaN 备注 禁带宽度（ eV） 1.12 1.43 3.2 3.4 数值越大，耐高压性能越好 饱和电子漂移速率（ cm/s） 1.0107 1.0107 2.0107 2.5107 数值越大，高频性能越好 热导率（ W cm-1 K-1） 1.5 0.54 4.0 1.3 数值越大，散热性能越好 击穿电场强度（ MV/cm） 0.3 0.4 3.5 3.3 数值越大，耐高压性能越好 资料来源：宽禁带半导体高频及微波功率器件与电路，天科合达招股书，东兴证券研究所整理 除了更耐高压 ，碳化硅基功率器件在 开关频率、 散热能力和 损耗 等 指标上也 远 好 于硅基器件。 除了禁带宽度 更宽， 碳化硅材料还具有更高的饱和电子迁移速度、更高的热导率和更低的导通阻抗， 碳化硅器件相比于硅 基器件的优势体现在： （ 1） 阻抗更低 ，可以缩小产品体积，提高 转换 效率； （ 2） 频率更高 ，碳化硅器件的工作频率可达硅基器件的 10 倍，而且效率不随着频率的升高而降低， 可以降低能量损耗； （ 3） 能在更高的温度下运行 ， 同时 冷却系统可以做的更简单。 碳化硅功率器件工作温度可达 600以 上，是同等硅器件的 4 倍，可以承受更加极端的工作环境。 碳化硅材料能够把器件体积做的越来越小，能量密度越来越大，这也是为什么几乎全球的半导体巨头都在不 断研发碳化硅器件的原因。 根据 ROHM 的数据， 一款 5kW 的 LLC DC/DC 转换器 ， 其电源控制板 由碳化硅 替代硅基器件后，重量从 7kg 减少到 0.9kg，体积从 8755cc 降低到 1350cc。 碳化硅器件尺寸仅为同规格硅 器件的 1/10， 碳化硅 MOSFET 系统能量损失小于硅基 IGBT 的 1/4， 这些优势 也 能够为 终端 产品带来显著的 性能提升。根据 CREE 的 数据， 相同的电池下 搭载了 碳化硅 MOSFET 的电动车比使用硅基 IGBT 的电动车 续航里程增加了 5%10%。 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 P5 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 图 1： 同规格碳化硅器件性能优于硅器件 资料来源： ROHM，天科合达招股书，东兴证券研究所整理 图 2： 碳化硅器件优势总结 资料来源：泰科天润，东兴证券研究所 1.2 应用领域广阔， 5 年 5 倍市场空间 增长，替代空间巨大 碳化硅衬底依电阻率不同分为导电型和半绝缘型两类，分别外延沉积碳化硅和氮化镓后，用于功率器件和射 频器件的制作。 P6 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES （ 1） 导电型衬底： 具有低电阻率（ 1530mcm）的碳化硅衬底 。通过在导电型碳化硅衬底上生长 碳化硅外延层，制得碳化硅同质外延片，可进一步制成肖特基二极管、 MOSFET、 IGBT 等功率 器件 。 （ 2） 半绝缘型衬底： 具有高电阻率（ 105cm）的碳化硅衬底 。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长 氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成微波射频器件 。 图 3： 碳化硅器件产业链 资料来源：天岳先进招股书，东兴证券研究所 优异的性能使得 碳化硅材料 应用领域 广阔， 目前主流的器件种类为功率器件（碳化硅基碳化硅）和射频器件 （碳化硅基氮化镓）， 可以说需要高压和高频器件的应用场景，都是碳化硅潜在替代的市场 。 尤其是对电力 转换需求频繁、使用条件苛刻及对模块体积和重量等有要求的场景，碳化硅器件优势明显 ： （ 1） 功率器件 （电力电子领域） a) 应用一： 电动车逆变器 及充电桩 。 电动车逆变器是碳化硅功率器件最为主要的市场，在相同功 率下，碳化硅模块封装尺寸更小，损耗更低。在动力电池性能提升已经有限的情况下，碳化硅 功率器件将成为提升电动 车延长行驶里程、缩短充电时间及增大电池容量的重要手段 。 国内外知名车企也在积极推动碳化硅器件的应用 。 特斯拉 是全球第一家将 碳化硅 MOSFET 应 用于商用车主逆变器的厂商 ， Model 3 的主逆 变器采用了意法半导体生产的 24 个碳化硅 MOSFET 功率模块。 随后国内厂商比亚迪也迅速跟进，在汉 EV 上搭载了自主研发的 碳化硅 功率模块。未来随着碳化硅材料成本的 不断下降，未来将有更多车型使用碳化硅器件。 碳化硅 器件 也可 应用于新能源汽车 充电桩， 可以减小充电桩 体积，提高充电速度。 b) 应用二： 光伏逆变器 。 光伏发电系统中，硅基逆变器成本占系统的 10%，但 却 是系统能量损耗 的主要来源。 使用碳化硅 MOSFET 功率模块的光伏逆变器，转换效率可从 96%提升至 99%以 上，能量损耗降低 50%以上 ， 设备循环寿命提升 50 倍 ， 从而能够 缩小 系统体积 、 增加功率密 度、延长器件使用寿命、降低生产成本。 c) 应用三： 轨道交通 。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件，其牵引变流器、辅助变流器、 主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。其中牵引 变流器 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 P7 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 是机车大功率交流传动系统的核心装备 ，碳化硅器件的应用可以提高牵引变流器装置效率，提 升系统整体效能。 2014 年 ， 日本 小田 急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机 3300V/1500A 全碳 化硅功率模块逆变 器， 开关损耗降低 55%、体积和重量减少 65%， 电能损耗降低 20%至 36%。 图 4： 碳化硅功率器件应用领域 资料来源： Yole Development，天科合达招股书， 东 兴证券研究所 图 5： 光伏逆变器中碳化硅 渗透率有望在 2025 年达到 50% 图 6： 轨道交通中碳化硅 渗透率将在 2050年达到 90% 资料来源： CASA，天科合达招股书， 东兴证券研究所 资料来源： CASA，天科合达招股书， 东兴证券研究所 碳化硅使功率器件突破了传统硅基器件性能的上限，未来具备广阔的市场空间。 根据 Yole 报告， 2019 年全球碳化硅功率器件市场规模为 5.41 亿美元，预计 2025 年将增长至 25.62 亿美元，年化复合增速约 30%。 10% 50% 70% 75% 80% 85% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 2020年 2025年 2030年 2035年 2040年 2048年 光伏逆变器中碳化硅功率器件渗透率预测 98% 70% 30% 10% 2% 17% 35% 30% 5% 30% 40% 8% 15% 20% 0% 20% 40% 60% 80% 100% 2018年 2030年 2040年 2050年 轨道交通中碳化硅功率器件 渗透率预测 硅基 IGBT器件 混合碳化硅器件 全碳化硅器件 碳化硅分立器件 P8 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 图 7： 2019-2025 年碳化硅功率器件市场规模将快速增长（单位：美元） 资料来源： Yole Development，天岳先进招股书，东兴证券研究所 整理 （ 2） 射频 器件 （军工及 通讯 领域） 射频器件是无线通信的核心部件，包括射频开关、 LNA、功率放大器和滤波器等。 其中功率放大器是对 信号进行放大的器件，直接影响着基站信号传输距离及信号质量。 硅基 LDMOS 器件已经应用多年，但 主要应用于 4GHz 以下的低频领域。 5G 通讯高频、高速和高功率的特点对功率放大器性能也提出了更高的要求，碳化硅基氮化镓 具有良好 的导热性能、高频率、高功率等优势，成为 5G 移动通讯系统、新一代有源相控阵雷达等系统的核心射 频器件 ，有望替代硅基 LDMOS。 根据 Yole 的预测， 2025 年功率在 3W 以上的射频器件中，砷化镓器 件市场份额保持不变，碳化硅基氮化镓将替代大部分硅基 LDMOS，占市场 50%左右的份额。 图 8： 不同材料射频器件应用范围对比 图 9： 不同类型射频器件市场份额预测（功率 3W 以上） 资料来源： Analog Dialogue，天科合达招股书， 东兴证券研究所 整理 资料来源： Yole Development，天岳先进招股书，东兴证券研究所整理 根据 Yole 的报告，预计全球氮化镓射频器件市场规模将持续增长，预计从 2019 年的 7.4 亿美元增长至 2025 年的 20 亿美元，年化复合增速达 18%。半绝缘型碳化硅衬底需求有望受益。 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 P9 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 图 10： 2019-2025 年氮化镓射频器件市场规模将持续增长（单位：美元） 资料来源： Yole Development，天岳先进招股书，东兴证券研究所整理 1.3 海外龙头仍是产业中的主要玩家 碳化硅器件的产业链主要由上游衬底材料及外延、中游器件制造和下游应用，以及各环节所用设备构成。 目 前 产业 的参与者主要 以两类海外厂商为主 ： 传统功率半导体龙头： 英飞凌 （欧洲） 、意法半导体 （欧洲） 、 三菱电机（日本）、安森美（美国）、瑞萨 电子（日本） 、罗姆（日本） 等。这些公司凭借着在硅基功率器件制造中积累的经验，提前布局碳化硅 器件的制造。目前这些厂商是碳化硅功率器件制造的主力。 具备光电子和光通信材料技术的公司 ： CREE（科锐，美国）、道康宁（美国）、 II-VI（贰陆公司，美国）、 昭和电工（日本）等。化合物半导体材料在光电子和光通信领域有着广泛的应用，这些公司依靠着在材 料领域积累的优势，从材料端切入了碳化硅产业链 ，并基本实现从衬底到外延的连续布局 。 其中，科锐和罗姆两 家厂商已经具备了从材料端到器件生产端的全流程覆盖 ，具备产业链中最强的实力 。 其 他厂商大多专注于其中的 12 个环节。 近年来，国内厂商追赶进度明显， 产业链布局完善， 各个环节也都出现了大量的国内参与者 ： 衬底环节：天科合达、山东天岳和同光晶体等 ，已经实现 4 英寸衬底商业化，逐步向 6 英寸发展； 外延环节： 瀚天天成、东莞天域等 ； 器件环节：泰科天润、华润微、基本半导体等。 其中三安集成、世纪金光等也成功实现了产业链贯通， 进行了全流程布局。 P10 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 图 11： 碳化硅器件产业链各环节主要参与者 资料来源：天岳科技 招股书，东兴证券研究所整理 2. 技术难度 不容忽视 ，海外龙头占据较大份额 2.1 从器件生产流程看各环节难度和壁垒 碳化硅与硅基 器件的 原理相似，但碳化硅 无论是材料还是器件的 制造难度 ，都显著高于传统硅基。其中大部 分的难度都是碳化硅材料高熔点和高硬度所需特殊工艺带来的。 碳化硅器件的生产环节主要包括衬底制备、 外延和器件制造封测三大步骤。各步骤中难度和价值量最高的是衬底制备环节， 而 衬底制备环节中晶体生长 是最困难的步骤。 2.1.1 衬底制备 碳化硅器件最为核心的工艺 碳化硅衬底的主要制备工序为，将高纯的碳化硅粉在特殊温度下，采用物理气相传输法（ PVT）生长不同尺 寸的碳化硅晶锭，再经过切割、研磨等多道工序产出碳化硅衬底。 图 12： 天岳先进碳化硅衬底制备流程 资料来源：天岳先进招股书，东兴证券研究所整理 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 P11 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 碳化硅晶体生长难度高，工艺是核心 。碳化硅性能有明显优势，却始终未能转换成市场规模，最主要的原因 是碳化硅衬底制造困难。 与传统的单晶硅使用提拉法制备不同，碳化硅材料因为一般条件下无法液相生长，只能使用气相生长的方法， 如物理气相传输法（ PVT）。这也就带来了碳化硅晶体制备的两个难点： （ 1） 生长条件苛刻，需要在高温下进行。 一般而言，碳化硅气相生长温度在 2300以上，压力 350MPa， 而硅仅需 1600左右。高温对设备和工艺控制带来了极高的要求，生产过程几乎是黑箱操作难 以观测。如果温度和压力控制稍有失误，则会导致生长数天的产品失败。 （ 2） 生长速度慢。 PVT 法生长碳化硅的速度缓慢， 7 天才能生长 2cm 左右。而硅棒拉晶 2-3 天即可 拉出约 2m 长的 8 英寸硅棒。 同时碳化硅材料本身的 特性 也让晶体生长难度较高 ，带来了另外两个难点： （ 3） 材料晶型多样。 碳化硅有超过 200 种相 似的晶型，需要精确的材料配比、热场控制和经验积累， 才能在高温下制备出无缺陷、皆为 4H晶型的可用碳化硅衬底（其他晶型不可用）。 （ 4） 材料硬度大，后加工困难 。碳化硅是硬度仅次于金刚石的材料，晶棒后续的切片、研磨、抛光等 工艺的加工难度也显著增加。 在上述技术难点的影响下，能够稳定量产大尺寸碳化硅衬底的企业较少，这也使得碳化硅器件成本较高。 表 2： 衬底制备各环节流程及难点 环节 目的 难点 设备 晶体生长 生长碳化硅。 无法使用提拉法 碳化硅沉积温度高，生长速度慢， PVT技术不可监控。难点不在技术而在工艺上 长晶炉，国产化率较高 切割 将晶锭切成薄片 碳化硅是第二硬的材料，切割困难，对设 备稳定性要求高 金刚线切割机，国产化 率低 研磨 、 抛光 、 清洗 等 消除晶圆表面的线痕和损伤 硬度大，加工难度更高 与硅片生产类似，研磨 液和研磨盘有差别。 资料来源：天科合达招股书，天岳先进招股书等，东兴证券研究所整理 2.1.2 外延 对器件性能影响很大 碳化硅器件制造必须要 经过 外延步骤，外延质量对器件性能影响很大。 碳化硅基器件与传统的硅器件不同， 碳化硅衬底的质量和表面特性不能满足直接制造器件的要求，因此在制造大功率和高压高频器件时，不能直 接在碳化硅衬底上制作器件，而必须在单晶衬底上额外沉积一层高质量的外延材料，并在外延层上制造各类 器件。因此外延的质量对器件性能的影响非常大。 外延的质量又受到衬底质量的影响。 在外延过程中产生的缺陷，很多都是从衬底中直接复制来的，因此衬底 的质量和加工水平对于外延的缺陷控制也十分关键。 碳化硅材料外延主要是要控制外延的厚度和掺杂浓度两个参数。 器件依据不同的设计，所需的外延参数也不 同。一般而 言，外延的厚度越大，器件能够承受的电压也就越高。但外延层厚度越大，高质量外延片的制备 就越困难，尤其是在高压领域，对缺陷的控制是非常大的挑战。 表 3： 外延层厚度越大，额定电压越高 P12 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 额定电压 600V 1200V 1700V 3300V 6500V 10000V 15000V 击穿电压 750V 1500V 2125V 4125V 8125V 12500V 18750V 掺杂浓度（ cm-3） 2.51016 11016 71015 31015 1.21015 71014 41014 外延厚度（ m） 6 10 15 30 60 95 145 资料来源：启迪半导体，东兴证券研究所整理 2.1.3 器件制造与封测 高温的特性带来新的技术难度 碳化硅功率器件制造原理与传统硅基相似，但 因为材料性质的改变， 所需设备和技术难度有增加 。 碳化硅 产 业链 大部分难点在衬底生长 环节 ，不过在器件制造过程中 的难度也有所增加，主要体现在部分工艺需要在高 温下完成： （ 1） 掺杂步骤中，传统硅基材料可以用扩散的方式完成掺杂，但由于碳化硅扩散温度远高于硅，无法 使用扩散工艺，只能采用 高温离子注入 的方式； （ 2） 高温离子注入后，材料原本的晶格结构被破坏，需要用 高温退火工艺 进行修复。碳化硅退火温度 高达 1600，这对设备和工艺控制都带来了极大的挑战。 除了碳化硅器件自身，与其配套的其他材料的也要围绕着高温进行改变，例如： （ 3） 碳化硅器件工作温度可达 600以上，组成模块的其他材料，如绝缘材料、焊料、电极材料、外 壳等也无法与硅基器件通用； （ 4） 器件的引出电极材料也需要同时保证耐高温和低接触电阻，大部分材料难以同时满足两条要求。 功率器件的稳定性和工艺成熟度十分重要，上述以“高温”为核心的难点构筑了较强的技术壁垒。 上述工艺 不成熟 会导致碳化硅功率器件存在缺陷 ，从而影响其长期工作的可靠性。因此目前全球绝大部分器件制造产 能仍掌握在具备衬底技术的巨头（科锐公司、罗姆公司）及具备较多功率半导体制造经验的 IDM 厂商（英飞 凌、意法半导体等）手中。 2.2 衬底和器件两大环节分别呈“一超”和“多强”格局 碳化硅行业仍处于成长期，从企业和竞争格局的角度看，技术问题尚未完全解决，先行者和传统龙头依靠着 先发优势和工艺的成熟度构筑了明显的壁垒。这也使得 产业的关键环节上呈现出 “一超”和“多强”格局 。 2.2.1 衬底 呈“ 一超 ”格局，科锐一家独大 从市占率角度来看， 衬底环节呈现 “一超”格局 ， 美国企业 科锐 全球独大 。用于制备功率器件的导电型衬底 方面， 2018 年美国占有全球碳化硅晶片产量的 70%以上， 科锐作为行业先驱，独自 占据一半以 上市场份额， 剩余份额大部分被日本和欧洲的其他碳化硅企业占据。前三家企业合计占 90%的份额。用于制备射频器件的 半绝缘型衬底方面， 2020 年美国的科锐和贰陆依旧合计占据近 70%的市场份额，但国内企业山东天岳市占 率近年来大幅提升，已经以 30%的市占率位列第三， 缩小了与国外 巨头 的差距。 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 P13 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 图 13： 2018 年 导电型碳化硅 衬底 厂商市场占有率 图 14： 2020 年 半绝缘 型碳化硅晶片厂商市场占有率 资料来源：天科合达招股书， Yole，东兴证券研究所整理 资料来源：天岳科技招股书， Yole。东兴证券研究所整理 技术方面，科锐 和贰陆公司 已经 成功研发 8 寸 衬底 ，国内企业 产品集中在 4 寸和 6 寸 。 与硅晶圆类似，大尺 寸的晶圆也是碳化硅衬底的发展方向。 衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多， 边缘浪费越小， 单 位芯片成本越低。 科锐和贰陆公司 基于先发优势，率先完成 8 寸衬底的研发。 国内企业 起步较晚， 研发进度稍慢， 衬底质量与国外差距明显， 但也已经完成 6 寸产品的布局， 与龙头的差 距在不断缩小 。 表 4： 各企业在衬底尺寸方面的研发进度 衬底尺寸 科锐 贰陆 罗姆 山东天岳 天科合达 三安光电 4 寸 成功研制并规 模化生产 成功研制并规模化 生产 成功研制并规模化生产 成功研制并规模 化生产 成功研制并规模化 生产 2020 年启动建设 6 寸 2012 年全球首 次成功研制并 规模化生产 成功研制并规模化 生产 成功研制并 规模化生产 成功研制， 2019 年宣布产线建设 计划 2014 年国内首次成 功研制，已规模化生 产 2020 年 启动建设 8 寸 成功研制， 2019 年宣布产 线建设计划 2015 年全球首次 成功研制， 2019 年 宣布产线建设计划 未披露 未披露 2020 年启动研发 未披露 资料来源：天科合达招股书，三安光电公告，东兴证券研究所整理 2.2.2 器件 呈“多强”格局，海外 衬底龙头和 功率龙头 占据主要市场 碳化硅器件的市场也主要掌握在科锐、罗姆两大全产业链覆盖的龙头，以及英飞凌、意法半导体等功率龙头 手中。因为碳化硅器件对稳定性要求较高，并有较长的验证周期，国内厂商切入较为缓慢。 器件 制造方面，碳化硅给了国内制造企业弯道 赶超 的机会 。在传统 IGBT 领域 ，无论是分立器件还是模块， 英飞凌、三菱电机、富士电机、东芝等巨头都占领了四分之三以上的市场， 英飞凌优势明显， 国内企业只有 士兰微和斯达半导进入了全球前十，份额也仅有 5%。在这样的竞争格局下，国内企业想要突围十分困难。 而碳化硅的出现则有望颠覆传统的 IGBT 竞争格局。 碳化硅器件虽与 硅基器件制造原理类似，但仍需要提前 的研发和布局，碳化硅时代 英飞凌的优势不再那么明显， 其碳化硅 MOSFET 开发进度 明显 落后于科锐、罗 姆、意法半导体等 提前布局的 公司，而且由于英飞凌未向上游布局碳化硅衬底生产环节，使得在当前碳化硅 衬底和器件 供不应求的情况下，碳化硅功率器件 行业第一变成了科锐。 科锐 62.0% 贰陆公司 16.0% 罗姆 12.0% 道康宁 4.0% 昭和 电工 2.0% 北电新材 0.5% 天科合达 1.7% 山东天岳 0.5% 其他 1.3% 科锐 33% 贰陆公司 36% 山东天岳 30% 其他 1% P14 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 图 15： 2019 年全球分立 IGBT 器件市场份额 图 16： 2019 年全球 IGBT 模块市场份额 资料来源：英飞凌，东兴证券研究所 整理 资料来源：英飞凌，东兴证券研究所 整理 可见在碳化硅这个新的赛道，后进入者是有机会弯道超车的。 国内企业已经在抓紧布局碳化硅器件制造，据 CASA 不完全统计， 2020 年国内投产 3 条 6 英寸 SiC 晶圆产线 ， 截至 2020 年底，国内至少已有 8 条 6 英 寸 SiC 晶圆制造产线（包括中试线），另有约 10 条 SiC 生产线正在建设。 表 5： 2020 年 国内碳化硅功率晶圆产线汇总 产线状态 产线数量 主要企业 已有产线 7 条 泰科天润、三安集成、中电科 55 所、世纪金光、国家电网、中车时代、华润微 新增产线 3 条 积塔半导体、启迪半导体、泰科天润 在建产线 10 条 三安光电、燕东微电子、中科汉韵、比亚迪、富能半导体、广东芯聚能、南京百识电子、青岛惠科、华瑞微、英唐智控 资料来源： CASA， 东兴证券研究所 整理 3. 碳化硅 时代是中国半导体的黄金时代 3.1 物联网时代的 新增 需求是产业最重要的驱动力 从碳化硅本身 来看，其对传统硅基功率器件的替代是顺应时代和科技趋势的必然。下游需求的热点已经逐步 从智能手机和 4G为代表的移动互联网时代，转向智能汽车和 5G为代表的的物联网时代， 在新的时代背景 下，功率器件大放异彩的机会已经来临。 碳化硅器件的爆发离不开下游需求的持续扩张 ，终端厂商正积极导入 。 碳化硅材料和器件的优异性能市场早 有认识，但是近几年才逐步形成产业规模，除了因为技术的成熟外，下游应用端对更高性能器件有着迫切的 需求，也促使各下游积极验证和导入碳化硅产品。 产业链各环节产能增长，但供给仍然不足。 据 CASA 数 据显示， SiC 电力电子方面 ， SiC 导电型衬底折算 4 英寸产能约为 40 万片 /年， SiC-on-SiC 外延片 （表示在碳化硅衬底上沉积碳化硅） 折算 6 英寸产能约为 22 万片 /年， SiC-on-SiC 器件 /模块（ 4/6 英寸兼容）产能约 26 万 片 /年。 微波射频方面， SiC 半 绝缘衬底折算 4 英寸产能约为 18 万片 /年 。 2020 年，新能源汽车、 快充、 5G 等下游应用市场 增长超预期，国内现有产品 商业化供给无法满足市场需求， SiC 电力电子和 射频存在较大缺口。 英飞凌 39% 富士 电机 14% 安森美 9% 东芝 7% 三菱 7% 意法半导体 6% 美国力特 6% 瑞萨 5% MagnaChip 4% 士兰微 3% 英飞凌 44% 三菱 15% 富士电机 13% 德国赛米 控 9% 德国威科 4% 日立 4% 丹佛斯 3% 斯达半导 3% 东芝 3% ABB 2% 东兴证券深度报告 碳化硅 产业 ： 已处于爆发前夜，有望引领中国半导体进入黄金时代 P15 敬请参阅报告结尾处的免责声明 东方财智 兴盛之源 DON GX IN G SECURIT IES 我们认为供需错配下，供给端已成为碳化硅重要的制约因素 ， 技术优势带来的稳定 产能将是重 要的竞争力 。 在旺盛的需求下，具备量产能力的厂商大都会受到市场的青睐和认可，尚无须忧虑产业出现充分的竞争，因 此企业加强自身的研发和技术攻关 ，制造出高性能、高良率和可靠性的产品 是 当前的 第一要义 ，更大的产能 储备将是最为重要的竞争力 。 表 6： 2020 年我国第三代半导体产能统计 应用方向 产业环节 2019年产能（万片 /年） 2020年产能（万片 /年） 同比 电力电子 SiC 导电型衬底（折合 4 英寸） 16 40 +150% SiC-on-SiC 外延（折合 6 英寸） 20 22 +10% SiC-on-SiC 器件 /模块（折合 6 英寸） 16 26 +63% 微波射频 SiC 半绝缘衬底（折合 4 英寸） 10 18 +80% GaN-on-SiC 外延 （表示在碳化硅衬底 上沉积氮化镓） （折合 4 英寸） 10 20 +100% GaN-on-SiC 器件 /模块（折合 4 英寸） 8 16 +100% 资料来源： CASA，东兴证券研究所整理 3.2 碳化硅器件与硅基器件 价差正在缩小 碳化硅器件具备足够多的优势，但价格相较于传统硅基器件仍然偏高。 从 衬底角度来看，受碳化硅生长速度 较慢的影响，一片 6 寸的碳化硅晶圆价格在 1000 美