半导体：市场空间巨大SiC国产化趋势加速.pdf

1 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 市场空间巨大， SiC 国产化趋势加速 碳化硅具备耐高压、耐高温、高频、抗辐射等优良电气特性，突破硅 基半导体材料物理限制，是第三代半导体核心材料： 碳化硅材料的禁 带宽度大约为硅材料的三倍，且硅材料的极限温度不足碳化硅材料的 二分之一，这些物理特性使得碳化硅材料更好地应用于高压、高温环 境。此外，相比于硅基器件，同性能的碳化硅器件尺寸更小、重量更 轻、能量损耗更少。在高温、高压、高频领域，碳化硅将逐步替代硅 器件，如 5G 通讯基站、轨道交通、特高压输电、新能源汽车等领域。 碳化硅优异的性能符合下游市场的新兴需求，以新能源汽车为例，采 用碳化硅器件可延长电动车的行驶里程、缩短电动车的充电时间以及 扩大电池容量等，越来越多的新能源汽车企业布局碳化硅器件使用。 新能源汽车 、光伏发电等领域发展迅猛，释放碳化硅需求： 碳化硅 材料主要可以制成碳化硅基氮化镓射频器件和碳化硅功率器件。受益 于 5G 通信、国防军工、新能源汽车和新能源光伏等领域的发展，碳化 硅需求增速可观。 IHS 报告显示， 2027 年碳化硅功率器件的市场规模 有望突破 100 亿美元。其中 2019 年新能源汽车细分市场的碳化硅应用 规模约为 4.2 亿元，新能源车销量持续超预期使得 SiC MOSFET 有望成 为最畅销的功率器件，并保持较快增速。在光伏发电应用中，使用碳 化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 与碳化硅 SBD 结合的功率模块的光 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。射频领域，据 Yole 报告，全球氮化镓射 频器件市场规模有望在 2025 年达到 20 亿美元，在高频率、高功率应用 场景下，氮化镓射频器件预计持续替代硅基 LDMOS， 2025 年占据射频 器件市场约 50%的份额。新兴科技驱动碳化硅器件需求快速增长，下 游应用市场前景广阔。 CREE 公司占据垄断地位，国产替代进展加速： 目前碳化硅晶片产业 格局呈现美、欧、日系公司主导、美国优势显著的特点。以导电型产 品为例， CREE 公司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。 2019 年全球碳化硅产量 70%-80%来自美 国； 2020 年上半年 SiC 晶片，美国 CREE 公司出货量占据全球 SiC 晶 片 45%份额。国际龙头企业半导体发展先于国内几十年的时间，具有 技术积累优势，但是第三代半导体碳化硅产业仍处于初期阶段，国内 企业与国外巨头差距较小，有望追赶。我国碳化硅晶体研究经过十多 年的自主研发，国内市场先后涌现天科合达、山东天岳等优秀自主制 造企业，逐步掌握 2-6 英寸碳化硅晶体制造技术，打破碳化硅晶片制造 国际垄断。并且天科合达、山东天岳产品在很多关键技 术参数上达到 Table_Tit le 2021 年 11 月 05 日 半导体 Table_BaseI nfo 行业深度分析 证券研究报告 投资 评级 领先大市 -A 首次 评级 Table_Fir st St ock 首选股票 目标价 评级 Table_Char t 行业表现 资料来源： Wind资讯 % 1M 3M 12M 相对收益 5.35 -8.54 30.69 绝对收益 5.40 -10.15 30.35 马良 分析师 SAC 执业证书编号： S1450518060001 021-35082935 相关报告 -13% -4% 6% 15% 24% 33% 42% 51% 2020-11 2021-03 2021-07 半导体 (中信 ) 沪深 300 2 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 国际领先水平，可与美国 CREE 公司、贰陆公司等直接竞争。国内企 业相继推出产能扩张计划，来满足国内巨大的新兴领域碳化硅器件需 求。 投资建议： 建议关注山东天岳、三安光电、露笑科技、凤凰光学、 天科合达。 风险提示： 下游需求 不及预期风险；产品研发不及预期风险；相关扩 产项目不及预期风险； 光伏、轨交等领域渗透率不及预期风险 ； 相关 募投项目不及预期风险 。 行业深度分析 /半导体 3 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 内容目录 1. 碳化硅性能突出，是宽禁带半导体核心材料 . 5 1.1. 碳化硅基本情况 . 5 1.2. 碳化硅产品及应用领域 . 6 1.3. 碳化硅技术发展历程 . 7 2. 多领域需求驱动，碳化硅市场前景广阔 . 9 2.1. 碳化硅在电力电子领域应用场景及市场空间 . 9 2.1.1. 新能源汽车为 SiC 带来持续发展动力 . 10 2.1.2. 光伏发电领域，碳化硅功率器件逐步替代硅基器件 .11 2.1.3. 碳化硅功率器件是轨道交通领域的关键器件 .11 2.2. 碳 化硅射频器件应用领域及市场空间 . 12 3. 海外龙头企业仍是半导体行业主要玩家 . 13 3.1. 碳化硅各生产环节技术难点 . 13 3.2. CREE 公司一家独大， 国外巨头占据垄断地位 . 14 4. 国内企业持续布局，加强产品创新 . 16 4.1. 国家鼓励半导体 SiC 行业发展 . 16 4.2. 国内企业坚持自主研发，缩小与国外企业差距 . 17 4.3. 国内碳化硅企业进展 . 18 4.4. 国内进口替代趋势不可逆转 . 20 5. 建议关注 . 21 5.1. 山东天岳（未上市） . 21 5.2. 三安光电（股票代码： 600703） . 21 5.3. 露笑科技（股票代码： 002617） . 22 5.4. 凤凰光学（ 股票代码： 600071） . 23 5.5. 天科合达（未上市） . 23 6. 风险提示 . 24 图表目录 图 1：硅基与碳化硅基 MOSFET 对比（ 1000V 电压） . 5 图 2：硅基 IGBT 与碳化硅 MOSFET 对比（ 40kHz 开关频率） . 5 图 3：碳化硅衬底的产业链 . 6 图 4：碳化硅功率器件应用领域 . 7 图 5：碳化硅功率器件发展历程 . 8 图 6：碳化硅功率器件应用发展路径 . 8 图 7：碳化硅功率器件市场规模测算 . 9 图 8：碳化硅在电动汽车中的应用 . 10 图 9： 2013-2020 年新能源汽车销量及增长率 .11 图 10： 2021 年新能源汽车产销量 .11 图 11：光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测 .11 图 12：全球光伏装机量预测 .11 图 13：轨道交通中碳化硅功率器件占比预测 . 12 图 14：半绝缘型碳化硅衬底销量预测（万片） . 12 图 15：不同材料微波射频器件的应用范围对比 . 13 图 16： 2018-2025 年全球射频器件市场规模预测 . 13 行业深度分析 /半导体 4 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 17：科锐公司碳化硅衬底尺寸演进 . 14 图 18：全球碳化硅产业链主要公司 . 15 图 19： SiC 衬底市场情况 . 15 图 20： 2018 年导电型碳化硅晶片厂商市场占有率 . 15 图 21：公司产品发展历程 . 21 图 22：山东天岳营业收入情况 . 21 图 23：山东天岳归母净利润情况 . 21 图 24：三安光电产业布局图 . 22 图 25： 2015-2021Q1-3 三安光电营业收入情况 . 22 图 26： 2015-2021Q1-3 三安光电归母净利润情况 . 22 图 27： 2015-2021Q1-3 露笑科技营业收入情况 . 23 图 28： 2015-2021Q1-3 露笑科技归母净利润情况 . 23 图 29： 2015-2021Q-3 凤凰光学营业收入情况 . 23 图 30： 2015-2021Q1-3 凤凰光学扣非归母净利润情况 . 23 表 1：三代半导体材料的指标参数对比 . 5 表 2：半导体材料发展历程 . 8 表 3：碳化硅相关企业发展历程 . 9 表 4：行业主要法律法规政策 . 16 表 5：国内厂商产品及产能情况 . 18 表 6： 4 英寸半绝缘型碳化硅衬底 . 18 表 7： 6 英寸半绝缘型碳化硅衬底 . 19 表 8： 6 英寸导电型碳化硅衬底 . 19 表 9：山东天岳公司主要环节良率 . 19 行业深度分析 /半导体 5 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 1. 碳化硅性能突出，是宽禁带半导体核心材料 1.1. 碳化硅基本情况 半导体是电子产品的核心、现代工业的“粮食”。 半导体是指常温下导电能力介于导体与绝 缘体之间的电子材料，其电阻率约在 1m cm1G cm。半导体物理特性使得其主要用 于制造集成电路、光电子器件、分立器件和传感器四类产品。半导体制造产业链由设计、制 造和封装测试环节构成，其产品广泛应用于移动通信、电力电子、国防军工等领域。 碳化硅是第三代半导体材料，光电特性优越，满足新兴应用需求。 第一代半导体主要有硅和 锗，由于硅的自然储量大、制备工艺简单，硅成为制造半导体产品的主要原材料，广泛应用 于集成电路等低压、低频、低功率场景。但是，第一代半导体材料难以满足高功率及高频器 件需求。砷化镓是第二代半导体材料的代表，较高的电子迁移率使其应用于光电子和微电子 领域， 是制作半导体发光二极管和通信器件的核心材料。但砷化镓材料的禁带宽度较小、击 穿电场低且具有毒性，无法在高温、高频、高功率器件领域推广。第三代半导体材料以碳化 硅、氮化镓为代表，与前两代半导体材料相比最大的优势是较宽的禁带宽度，保证了其可击 穿更高的电场强度，适合制备耐高压、高频的功率器件，是电动汽车、 5G 基站、卫星等新 兴领域的理想材料。 表 1：三代半导体材料的指标参数对比 指标参数 硅 （第一代） 砷化镓 （第二代） 碳化硅 （第三代） 氮化镓 （第三代） 禁带宽度 （ eV） 1.12 1.43 3.2 3.4 饱和电子漂移速率 （ 107cm/s） 1.0 1.0 2.0 2.5 热导率 （ Wcm-1K-1） 1.5 0.54 4.0 1.3 击穿电场强度 （ MV/cm） 0.3 0.4 3.5 3.3 资料来源：天岳先进 招股书， 安信证券研究中心 图 1：硅基与碳化硅基 MOSFET 对比（ 1000V 电压） 图 2：硅基 IGBT 与碳化硅 MOSFET 对比（ 40kHz 开关频 率） 资料来源： 科锐公司官网， 安信证券研究中心 资料来源： 应用材料官网， 安信证券研究中心 SiC 具有宽的禁带宽度、高击穿电场、高热传导率和高电子饱和速率的物理性能，使其有耐 高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等优点，可降低下游产品能耗、减少终端体积。 碳化 硅的禁带宽度大约为 3.2eV，硅的宽带宽度为 1.12eV，大约为碳化硅禁带宽度的 1/3，这也 就说明碳化硅的耐高压性能显著好于硅材料。此外，碳化硅的热导率大幅高于其他材料，从 行业深度分析 /半导体 6 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 而使得碳化硅器件可在较高的温度下运行，其工作温度高达 600，而硅器件的极限温度仅 为 300；另一方面，高热导率有助于器件快速降温，从而下游企业可简化器件终端的冷却 系统，使得器件轻量化。根据 CREE 的数据，相同规格的碳化硅基 MOSFET 尺寸仅为硅基 MOSFET 的 1/10。同时，碳化硅具有较高的能量转换效率，且不会随着频率的提高而降低， 碳化硅器件的工作频率可以达到硅基器件的 10 倍，相同规格的碳化硅基 MOSFET 总能量损 耗仅为 硅基 IGBT 的 30%。碳化硅材料将在高温、高频、高频领域逐步替代硅，在 5G 通信、 航空航天、新能源汽车、智能电网领域发挥重要作用。 1.2. 碳化硅产品及应用领域 碳化硅产业链可分为三个环节：碳化硅衬底材料的制备、外延层的生长、器件制造以及下游 应用市场，通常采用物理气相传输法（ PVT 法）制备碳化硅单晶，再在衬底上使用化学气相 沉积法（ CVD 法）生成外延片，最后制成器件。在 SiC 器件的产业链中，主要价值量集中 于上游碳化硅衬底（占比 50%左右）。 图 3：碳化硅衬底的产业链 资料来源：天岳先进招股书，安信证券研究中心 碳化硅衬底根据电阻率划分： 半绝缘型碳化硅衬底 ：指电阻率高于 105cm 的碳化硅衬底，其主要用于制造氮化镓微 波射频器件。微波射频器件是无线通讯领域的基础性零部件，中国大力发展 5G 技术推 动碳化硅衬底需求释放。 导电型碳化硅衬底 ：指电阻率在 1530mcm 的碳化硅衬底。由导电型碳化硅衬底生长 出的碳化硅外延片可进一步制成功率器件，功率器件是电力电子变换装臵的核心器件， 广泛应用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域。汽车电动化趋势利好 SiC 发展。 碳化硅应用场景根据产品类型划分： 射频器件 ：射频器件是在无线通信领域负责信号转换的部件，如功率放大器、射频开关、 滤波器、低噪声放大器等。碳化硅基氮化镓射频器件具有热导率高、高频率、高功率等 优点，相较于传统的硅基 LDMOS 器件，其可以更好地适应 5G 通信基站、雷达应用 等 领域低能耗、高效率要求。 功率器件 ：又称电力电 子器件，主要应用于电力设备电能变换和控制电路方面的大功率 电子器件，有功率二极管、功率三极管、晶闸管、 MOSFET、 IGBT 等。碳化硅基碳化 硅器件在 1000V 以上的中高压领域有深远影响，主要应用领域有 电动汽车 /充电桩、光伏 新能源、轨道交通、智能电网 等。 行业深度分析 /半导体 7 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 4：碳化硅功率器件应用领域 资料来源： Yole Development，安信证券研究中心 新能源汽车：电动汽车系统涉及功率半导体应用的组件有电机驱动系统、车载充电系统 （ On-board charger， OBC）、车载 DC/DC 及非车载充电桩。其中，电动车逆变器市场碳 化硅功率器件应用最多，碳化硅模块的使用使得整车的能耗更低、尺寸更小、行驶里程更长。 目前，国内外车企均积极布局碳化硅器件应用，以优化电动汽车性能，特斯拉、比亚迪、丰 田等车企均开始采用碳化硅器件。随着碳化硅功率器件的生产成本降低，碳化硅在充电桩领 域的应用也将逐步深入。 光伏发电：目前，光伏逆变器龙头企业已采用碳化硅 MOSFET 功率器件替代硅器件。根据 中商情报网数据，使用碳化硅功率器件可使转换效率从 96%提高至 99%以上，能量损耗降 低 50%以上，设备循环寿命提升 50 倍，从而带来成本低、效能高的好处。 智能电网：国家大力发展新基建，特高压输电工程对碳化硅功率器件具有重大需求。其在智 能电网中的主要应用场景包括：高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电 装臵、高压直流断路器、电力电子变压器等装臵。相比其他电力电子装臵，电力系统要求更 高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电 压、高功率和高温度方面的限制所导致的系统局限性，并具有高频、高可靠性、高效率、低 损耗等独特优势 ，在固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统 等应用方面推动智能电网的发展和变革。 轨道交通：轨道交通对其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电 源充电机等装臵的性能提出更好的要求，采用碳化硅功率器件可帮其实现提升。碳化硅功率 器件可大幅提高这些电力电子装臵的功率密度和工作效率，有利于减轻轨道交通的载重系 统。 射频通信：碳化硅基氮化镓射频器件同时具备碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功 率射频输出的优势，能够满足 5G 通讯对高频性能和高功率处理能力的要求，逐步成为 5G 功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。 1.3. 碳化硅技术发展历程 半导体衬底材料变化共经历三个阶段，三代半导体并非指某一代更优，而是分别适用于不同 领域。第一阶段是 20 世纪 50 年代，第一代半导体材料制成的二极管取代电子管，用于电脑 CPU、内存等器件，根据山东天岳招股书的数据，当今 90%的半导体产品由硅基材料制得。 第二阶段是 20 世纪 90 年代，砷化镓材料克服硅材料的物理限制，应用于光电子领域，同时 行业深度分析 /半导体 8 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 4G 通信设备中的高速器件也采用第二代半导体材料器件，如发光器件、卫星通讯、 GPS 导 航等。第三阶段是近年来，以碳化硅 为代表的第三代半导体材料在现代工业中发挥关键作用。 碳化硅拥有较宽的禁带宽度、较高的饱和电子漂移速率、较强的抗辐射导热能力等优点，满 足新兴科技对器件高温、高压、高频率的要求，故是 5G 时代、新基建、新能源工程的主要 材料。 表 2：半导体材料发展历程 历程 主要材料 技术标志水平 应用 第一代 硅（ Si）、锗（ Ge） 大的晶片尺寸、摘得 线条宽度（如 12 英 寸 /14nm技术） 应用于低压、低频、中功率晶体管以及光电探测 器中 第二代 砷化镓（ GaAs）、磷 化铟（ InP）等 -砷 化物和磷化物 通讯速度、信息容 量、存储密度大幅度 提高 适用于制作高速、高频、大功率以及发光电子器 件，是制作高性能微波、毫米波器件及发光器件 的优良材料，广泛应用于卫星通讯、移动通讯、 光通信、 GPS 导航等领域 第三代 碳化硅（ SiC）、氮化 镓（ GaN）等宽禁带半 导体材料 禁带宽度更高 具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速 率和高键合能等优点，应用于在宽带通讯、太阳 能、汽车制造、半导体照明、智能电网等众多战 略行业 资料来源：中国集成电路，安信证券研究中心 1824 年瑞典化学家 Berzelius 在人工生长金刚石时发现碳化硅 SiC。二十世纪初，人们开始 应用碳化硅材料。 1907 年，美国 Round 制造出第一个碳化硅发光二极管，但由于单晶生长 难度大，碳化硅材料没有被广泛应用。 1955 年，飞利浦提出 Lely 法，改善碳化硅材料制备 过程，但仍存在晶核、尺寸、结构难以控制和产率低的问题。七八十年代，碳化硅材料制备 实现重大突破， 1978 年前苏联科学家 Tairov 和 Tsvetkov 提出改进 Lely 法，即物理气传输法 PVT 法，可获得较大尺寸的碳化硅晶体。 1991 年 Cree 公司采用升 华法实现碳化硅晶片产业 化，经过几十年研发，碳化硅器件逐步商业化。 2001 年开始商用碳化硅 SBD 器件；后于 2010 年出现碳化硅 MOSFET 器件；碳化硅 IGBT 器件尚在研发。 图 5：碳化硅功率器件发展历程 图 6：碳化硅功率器件应用发展路径 资料来源： IHS，安信证券研究中心 资料来源： Yole Development，安信证券研究中心 为提高生产效率，碳化硅晶片尺寸向大尺寸方向发展。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，故单位芯片成本越低。在半绝缘型碳化硅衬底市场，主流衬底 产品规格为 4 英寸；在导电型碳化硅衬底市场，主流产品规格为 6 英寸。随着越来越多企业 6 英寸碳化硅晶片生产线的建立，下游厂商的采购需求逐渐由 4 英寸转向 6 英寸。国外龙头 企业率先完成 8 英寸衬底的研发，国内企业也大力布局大尺寸衬底。 行业深度分析 /半导体 9 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 表 3：碳化硅相关企业发展历程 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 年启动建设 未披露 资料来源：天科合达招股说明书，安信证券研究中心 2. 多领域需求驱动，碳化硅市场前景广阔 自 1955 年菲力浦实验室的 Lely 首次在实验室成功制备碳化硅单晶以来，在随后的 60 余年 中，美国、欧洲、日本等发达国家与地区的科研院所与企业不断创新和改良碳化硅单晶的制 备技术与设备，在碳化硅单晶晶体及晶片技术与产业化领域形成了较大优势。 2.1. 碳化硅在电力电子领域应用场景及市场空间 碳化硅功率器件在风力发电、工业电源、航空航天等领域已实现成熟应用。伴随新能源汽车、 光伏发电、轨道交通、智能电网等产业的快速发展，功率器件的使用需求大幅增加。根据 IC Insights 2019 年光电子、传感器、分立器件市场分析与预测报告， 2018 年全球功率器 件的销售额增长率为 14%，达到 163 亿美元。未来，随着碳化硅和氮化镓功率器件的加速 发展，全球功率器件的销售额预计将持续保持增长。预计 2018 至 2023 年期间，全球功 率器件的销售额复合年增长率达到 3.3%， 2023 年全球功率器件收 入将达到 192 亿美元。 根据 IHSMarkit 数据， 2018 年碳化硅功率器件市场规模约 3.9 亿美元，受新能源汽车庞 大需求的驱动，以及电力设备等领域的带动，预计到 2027 年碳化硅功率器件的市场规模将 超过 100 亿美元，碳化硅衬底的市场需求也将大幅增长。 图 7：碳化硅功率器件市场规模测算 资料来源： IHS Markit，安信证券研究中心 行业深度分析 /半导体 10 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 2.1.1. 新能源汽车为 SiC 带来持续发展动力 新能源汽车行业是市场空间巨大的新兴市场，全球范围内新能源车的普及趋势逐步清晰化。 随着新能源汽车的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。 新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、车载充电系统 （ OBC）、电源转换系统（车载 DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅功率器件应用于电机驱 动系统中的主逆变器，能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本，提高功率密度。美 国特斯拉公司的 Model 3 车型采用以 24 个碳化硅 MOSFET 为功率模块的逆变器，是第 一家在 主逆变器中集成全碳化硅功率器件的汽车厂商；碳化硅器件应用于车载充电系统和电 源转换系统，能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率，目前全球已有超 过 20 家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件；碳化硅器件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。 SiC 在新能源汽车上的应用将在保证汽车的强 度和安全性能的前提下大大减轻汽车的重量，有效提升电动车 10%以上的续航里程，减少 80%的电控系统体积。 图 8：碳化硅 在电动汽车中的应用 资料来源：电力电子网，安信证券研究中心 新能源汽车碳化硅功率器件市场规模推算： 根据中国汽车工业协会数据，我国新能源汽车销 量由 2015 年的 33.1 万辆增至 2019 年的 120.6 万辆，复合增长率达 38%，渗透率达到 4.7%。 根据工信部发布的新能源汽车产业发展规划（ 2021-2035 年）， 2025 年我国 汽车销量有望达到 3000 万辆，其中新能源汽车占新车总销量 20%，新能源汽车销量有望达 到 600 万辆。据天科合达招股书披露，根据现有技术方案，每辆新能源汽车使用的功率器件 价值约 700 美元到 1000 美元。粗略估计，我国 2025 年新能源汽车使用的功率器件市场 达 4260 亿美元。 行业深度分析 /半导体 11 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 9： 2013-2020 年新能源汽车销量及增长率 图 10： 2021 年新能源汽车产销量 资料来源：中汽协，安信证券研究中心 资料来源：中汽协，安信证券研究中心 2.1.2. 光伏发电领域，碳化硅功率器件逐步替代硅基器件 在光伏发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右，却是系统能量损 耗的主要来源之一。使用碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 与碳化硅 SBD 结合的功率模 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。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式 光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。 图 11：光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测 图 12：全球光伏装机量预测 资料来源： CASA，天科合达招股书，安信证券研究中心 资料来源：中国光伏行业协会 CPIA，安信证券研究中心 2.1.3. 碳化硅功率器件是轨道交通领域的关键器件 轨道交通车辆呈现多样化发展，从运行状态上可分为干线机车、城市轨道车辆、高速列车， 其中城市轨道车辆和高速列车是轨道交通未来发展的主要动力。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。 1.8 7.5 33.1 50.7 77.7 125.6 120.6 136.7 -50.00% 0.00% 50.00% 100.00% 150.00% 200.00% 250.00% 300.00% 350.00% 400.00% 0 20 40 60 80 100 120 140 160 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 销量（万辆） 增长率（ %） 10% 50% 70% 75% 80% 85% 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 2020 2025 2030 2035 2040 2048 碳化硅功率器件占比 行业深度分析 /半导体 12 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 13：轨道交通中碳化硅功率器件占比预测 资料来源： CASA，安信证券研究中心 其中，牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，将碳化硅器件应用于轨道交通牵 引变流器，能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装臵效率，符 合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装臵的应用需求，提升系统的整体效能。根据 天科合达招股书， 2012 年，包含碳化硅 SBD 的混合碳化硅功率模块在东京地铁银座线 37 列车辆中商业化应用，实现了列车牵引系统节能效果的明显提升、电动机能量损耗的大幅下 降和冷却单元的小型化； 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%。 2.2. 碳化硅射频器件应用领域及市场空间 半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件。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，可进一步制成氮化镓射频器件。微波射频器件是 实现信号发送和接收的基础部件，是无线通讯的核心，主要包括射频开关、 LNA、功率放大 器、滤波器等器件，其中，功率放大器是放大射频信号的器件，直接决定移动终端和基站的 无线通信距离、信号质量等关键参数。根据 Yole 的预测，得益于 5G 基站建设和雷达下游 市场的大量需求，用于氮化镓外延的半绝缘型碳化硅衬底市场规模取得较快增长，半绝缘型 碳化硅衬底市场出货量（折算为 4 英寸）将由 2020 年的 16.58 万片增长至 2025 年的 43.84 万片，期间复合增长率为 21.50%。 图 14：半绝缘型碳化硅衬底销量预测（万片） 资料来源：天科合达招股书，安信证券研究中心 13.38 16.56 21.82 28.46 36.38 40.79 43.84 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 2019 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E 销量（万片） 行业深度分析 /半导体 13 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 随着全球 5G 通讯技术的发展和推广， 5G 基站建设将为射频器件带来新的增长动力。 5G 通 讯高频、高速、高功率的特点对功率放大器的高频、高速以及功率性能有更高要求。以碳化 硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射 频输出的优势，突破了砷化镓和硅基 LDMOS 器件的固有缺陷，能够满足 5G 通讯对高频性 能和高功率处理能力的要求，碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为 5G 功率放大器尤其宏基 站功率放大器的主流技术路线。据 Yole Development 预测， 2025 年全球射频器件市场将 超过 250 亿美元，其中射频功率放大器市场规模将从 2018 年的 60 亿美元增长到 2025 年的 104 亿美元，而氮化镓射频器件在功率放大器中的渗透率将持续提高。随着 5G 市场对碳化 硅基氮化镓器件需求的增长，半绝缘型碳化硅晶片的需求量也将大幅增长。 图 15：不同材料微波射频器件的应用范围对比 图 16： 2018-2025 年全球射频器件市场规模预测 资料来源： Analog Dialogue，安信证券研究中心 资料来源： Yole Development，安信证券研究中心 3. 海外龙头企业仍是半导体行业主要玩家 3.1. 碳化硅各生产环节技术难点 碳化硅器件代工领域，国内企业有相当竞争力。 中车时代电气建有 6 英寸双极器件、 8 英寸 IGBT 和 6 英寸碳化硅的产业化基地，拥有芯片、模块、组件及应用的全套自主技术；华润 微具备碳化硅功率器件制备技术。泰科天润是国内领先的碳化硅功率器件生产商，其在北京 拥有一座完整的半导体工艺晶圆厂，可在 4/6 英寸 SiC 晶圆上实现半导体功率器件的制造工 艺。目前泰科天润的碳化硅器件 650V/2A-100A， 1200V/2A-50A， 1700V/5A -50A， 3300V/0.6A-50A 等系列的产品已经投入批量生产，产品质量可以比肩国际同行业的先进水 平。在 SiC 外延的研发和量产方面，我国也已紧跟世界一流水平，瀚天天成的产品已打 入国 际市场；我国 SiC IDM 主要有泰科天润、世纪金光、基本半导体、中电科 15 所、中电科 13 所等。 衬底制备是碳化硅器件核心难点，也是成本高企的主要原因。 由于晶体生长速率慢、制备技 术难度较大，大尺寸、高品质碳化硅衬底生产成本较高，碳化硅底较低的供应量和较高的价 格一直是制约碳化硅基器件大规模应用的主要因素，限制了产品在下游行业的应用和推广。 碳化硅价格昂贵，主要原因是其制造难度高。硅材料 72 小时可长出 2 米左右的晶体；但是 碳化硅 144 小时生长出的晶体厚度只有 2-3 厘米，碳化硅长晶速度不到硅材料的百分之一。 其次， 由于碳化硅硬度高（其硬度仅次于金刚石），对该材料进行光刻加工、切割都非常困 难，损耗极大，将一个 3 厘米厚的晶锭切割 35-40 片需要花费 120 小时，远远慢于切割硅晶 锭。另外，碳化硅生长环境温度远高于硅材料，硅的升华温度为 1400 度左右，而碳化硅的 晶片生长需要 2000 度左右，这对炉管设备的要求更高。并且， SiC 的生长周期长，长出来 晶锭的厚度较薄，控制良率难度高。 行业深度分析 /半导体 14 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 而随着尺寸的增大，碳化硅单晶扩径技术的要求越来越高。扩径技术需要综合考虑热场设计、 扩径结构设计、晶体制备工艺设计等多方面的技术控制要素，最终实现晶体迭 代扩径生长， 从而获得直径达标的高质量籽晶，继而实现后续大尺寸将晶的连续生长。在最新技术研发储 备上，行业领先者科锐公司和贰陆公司均已成功研发并投产 8 英寸产品，而国内公司在此方 面较为落后。 目前导电型碳化硅衬底以 6 英寸为主， 8 英寸衬底开始研发；半绝缘碳化硅衬底以 4 英寸为 主，目前逐渐向 6 英寸衬底发展。 6 英寸衬底面积为 4 英寸衬底的 2.25 倍，相同的晶体制备 时间内衬底面积的倍数提升带来衬底成本的大幅降低。与此同时，单片衬底上制备的芯片数 量随着衬底尺寸增大而增多，单位芯片的成本也即随之降低，因此碳化硅衬底正在不断向大 尺寸的方向发展。 图 17：科锐公司碳化硅衬底尺寸演进 资料来源：科锐公司公告，山东天岳招股说明书，安信证券研究中心 3.2. CREE 公司一家独大，国外巨头占据垄断地位 从产业格局看，全球碳化硅产业格局呈现美国、欧洲、日本三足鼎立态势。 其中美国全球独 大，占有全球碳化硅产量的 70%80%，碳化硅晶圆市场 CREE 一家市占率高达六成之多； 欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件以及应用产业链，在全球电力电子市场拥有强大的 话语权；日本是设备和模块开发方面的绝对领先者。 上世纪 90 年代初美国 CREE 公司已成功推出碳化硅晶片产品， 90 年代末成功研制出 4 英寸 碳化硅晶片，并于 2001 年成功研制首个商用碳化硅 SBD 产品。随着碳化硅衬底和器件制备 技术的成熟和不断完善，以及下游应用的需求增长，国际碳化硅龙头企业在保持技术和市场 占有率的情况下，不断加强产业布局，主要措施包括：继续扩大产能，根据 CREE 公司官网， 2019 年 5 月 CREE 斥资 10 亿美元扩大碳化硅晶片生产能力；加强与上下游产业链的联合， 通过合同、联盟或其他方式提前锁定订单（如 2018 年 CREE 相继与 Infineon、 ST 等欧美 主要第三代半导体下游企业签订长期供货协议）。整体来看，国际半导体龙头企业纷纷在碳 化硅领域加速布局，一方面将推动碳化硅材料的市场渗透率加速，另一方面也初步奠定了未 来几年第三代半导体领域的竞争格局。 行业深度分析 /半导体 15 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 18：全球碳化硅产业链主要公司 资料来源：天科合达招股说明书，安信证券研究中心 从全球碳化硅 (SiC)衬底的企业经营情况来看，以 2018 年导电性碳化硅晶片厂商市场占有率 为参考，美国 CREE 公司占龙头地位，市场份额达 62，其次是美国 II-VI 公司，市场份额 约为 16。总体来看，在碳化硅市场中，美国厂商占据主要地位。 图 19： SiC 衬底市场情况 (2018 年 ) 图 20： 2018 年导电型碳化硅晶片厂商市场占有率 资料来源：公司官网，安信证券研究中心 资料来源： Yole Development，安信证券研究中心 科锐公司（纳斯达克： CREE） 科锐公司成立于 1987 年，于 1993 年在美国纳斯达克上市。科锐公司的子公司 Wolfspeed 从事碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体衬底、功率器件、射频器件等产品的技术研究与生产制 造 :此外，科锐公司还曾从事 ED 芯片及组件等业务。科锐公司能够批量供应 4 英寸至 6 英寸 导电型和半绝缘型碳化硅衬底，且已成功研发并开始建设 8 英寸产品生产线，目前科锐公司 的碳化硅晶片供应量位居世界前列。 2020 年 10 月 13 日，科锐公司将 LED 产品业务出售， 全力争取电动汽车、 5G 通信和工业应用等领域的增长机会。 截至 2020 年末，科锐公司约有 3,491 项有效授权专利，与碳化硅相关的专