第三代半导体碳化硅器件：可让新能源车能耗降低50%

从航母到理想L9都使用了碳化硅材料，是因为该材料有如下优势。

一、碳化硅是优秀的第三代半导体材料

性能优良的碳化硅，代表着先进的生产力，第三代半导体材料是由碳化硅、氮化镓等构成的一种宽禁带半导体材料，它的击穿电场高、热导率高、电子饱和率高、抗辐射能力强。

因而可以在高温、高频率环境下工作，并可在低功耗条件下实现高功率工作。

二、推动新能源汽车变革

早在2018年，特斯拉MODEL 3在主逆变器中就率先安装了24个由意法半导体生产的碳化硅MOSFET功率模块，这也是该种材料在民用方面较早的大规模应用。

以新能源汽车为例，根据Cree公司的计算，如果将纯电动汽车的电源元件转换为碳化硅，则可以提高电能转换效率，提高电能利用效率，降低无效热耗，从而降低整体能耗5%-10%。

2019年，碳化硅功率装置的市场规模达到5.41亿美元，2025年有望达到25.62亿，年均复合增长率30%左右。随着下游应用如电动车等的不断发展，导电碳化硅基板的市场将会迅速发展。

在应用方面，未来5年，高速发展的新能源汽车将是碳化硅行业的一个长期发展动力。2025-2030年，由于充电桩设施完善，光伏技术成熟，碳化硅产业有望成为第二、第三个驱动力。

三、应用市场十分广泛

碳化硅不仅仅可以应用在新能源汽车，在高铁列车、航空航天、无线通讯等行业中都有广泛的应用前景，但碳化硅的市场潜力还没有完全开发出来，从产业链的中游来看，它的成长空间很大，将会是推动上游材料发展的一大推动力。

碳化硅和硅单质的稳定性具体区别如下。

碳化硅，与硅相比，碳化硅拥有更为优越的电气特性：①耐高压：击穿电场强度大，是硅的 10 倍，用碳化硅制备器件可以极大地提高耐压容量、工作频率和电流密度，并大大降低器件的导通损耗。②耐高温：半导体器件在较高的温度下，会产生载流子的本征激发现象，造成器件失效。禁带宽度越大，器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍，可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过 300℃，而碳化硅器件的极限工作温度可以达到 600℃以上。

同时，碳化硅的热导率比硅更高，高热导率有助于碳化硅器件的散热，在同 样的输出功率下保持更低的温度，碳化硅器件也因此对散热的设计要求更低，有助于实现设备的小型化。③实现高频的性能：碳化硅的饱和电子漂移速率大，是硅的2倍，这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。基于这些优良的特性，碳化硅衬底的使用极限性能优于硅衬底，可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求，已应用于射频器件及功率器件。

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以碳化硅为代表的第三代半导体具有出色的性能，例如高频、高效率、高输出、耐高压、耐高温和强抗辐射性，众多特点切合节能减排、智能制造、信息安全等国家重大战略需求，它们支撑新一代移动通信、新能源 汽车 、高速轨道列车等产业自主创新发展和转型升级的中心核心材料和电子元器件，已成为全球半导体技术和产业竞争焦点。

碳化硅性能优势明显

由于碳化硅的禁止宽度是硅的三倍，所以碳化硅器件的泄漏电流明显小于硅器件的泄漏电流，从而降低了功率损耗。其次，碳化硅能耐高压，并且其击穿电场强度是硅的十倍以上。最后，碳化硅能耐高温。 碳化硅的热导率比硅更高，这使其更易于散发器件的热量。 但是，目前各种碳化硅器件的成本是硅基器件的2.4-8倍，其中衬底成本和外延成本最高，分别占47%和23%。

从全球碳化硅衬底市场格局来看，美国的CREE在2018年以62%的市场份额领先，其次是美国的II-VI，市场份额约为16%。 总体而言，美国制造商主导着碳化硅市场。

电动 汽车 推动碳化硅市场爆发

第三代半导体另一个重要产品碳化硅，则将受益于电动 汽车 行业的快速成长而迎来爆发机会。

随着新能源 汽车 的发展，对功率半导体器件的需求日益增长。数据显示，传统燃料 汽车 中，半导体器件的平均价值为355美元，而新能源 汽车 中，半导体器件的价值为695美元，几乎翻了一番，其中，功率器件的增长最为显著，从17美元增加到265美元，增长幅度近15倍。目前市场上，用于新能源 汽车 的大多数功率半导体都是硅基器件，例如硅基IGBT和硅基MOSFET。随着技术和产品的成熟，第三代半导体将逐渐取代大多数硅基产品，市场对碳化硅的需求量越来越大。

在2019年，以碳化硅为代表的第三代半导体电力电子设备应用在电动 汽车 领域取得了快速进展。全球有20多家 汽车 制造商在其车载充电器中使用碳化硅器件。特斯拉Model 3逆变器使用ST Microelectronics的全碳化硅功率模块。各 汽车 制造商都计划于未来几年内将碳化硅电力电子器件用于主逆变器中。在充电基础设施方面，台达联手通用等合作开发，将碳化硅功率半导体器件应用于400KW的拆快读充电器中。在电驱动方面，Cree联手，双方都已达成战略合作协议，促进使用基于碳化硅的逆变器开发电驱动动力总成。

碳化硅在光伏产业中的应用

在太阳能应用中，基于硅器件的传统逆变器的成本约占系统的10%，但却是导致系统能量损耗的主要原因之一。将碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器可将转换效率从96%提高到99%以上，能源消耗有50%以上的降幅，并且设备使用寿命能够提升50%，达到减少系统体积、增加功率密度、延长设备寿命和降低制造成本的效果。高效率、高功率密度，高可靠性和低成本是太阳能逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品有望逐步取代硅基器件。

碳化硅产业链依次为上游衬底，中游外延晶片制造，下游器件制造。从整个碳化硅产业来看，美国、日本和欧洲是产业内部的三老巨头。其中，美国全球独大，占世界碳化硅产量的70%至80%。CREE在碳化硅晶片市场中的市场份额高达60%；欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件和应用程序的产业链，并且在全球电力电子市场中拥有较强的影响力。日本是设备和模块开发方面的绝对领导者。自上世纪八十年代以来，美国、日本和欧洲等发达国家一直将宽禁带半导体技术置于极其重要的战略地位，以保持在航空航天、军事和技术上的领先地位。这些国家和地区在碳化硅半导体领域，已走在世界前列。碳化硅半导体器件产业化主要以英飞凌、Cree公司、GE和罗姆公司、丰田公司等为代表。

国内碳化硅半导体企业正全力赶超

与美日欧相比之下，我国碳化硅企业在技术、产能等方面虽然仍有欠缺，国内拥有全球最大的消费市场，增长速度高于世界平均水平。国第三代半导体产业从 2015 年开始高速增长，从终端市场看未来应用将广泛扩展到人工智能、新能源 汽车 、自动驾驶、5G 技术、车联网等领域。第三代半导体器件在新兴应用领域的渗透迅猛，国内市场化进度显著快于国外。当前我国碳化硅产业链已初具规模，具备将碳化硅产业化的基础，国内企业有望在本土市场应用中实现弯道超车，一些代表性的企业如天科合达、山东天岳、河北同光等竞争力不断提高。

碳化硅半导体具有广泛的潜在应用，在新能源 汽车 、太阳能发电和其他电力相关领域均具有潜在价值。随着下游行业对具有轻量化、高转换效率和低发热特性的半导体功率器件的需求不断增长，工业发展不可避免地要用碳化硅代替功率器件中的硅。然而，碳化硅单晶和外延材料的高成本、材料缺陷等问题尚未完全解决，制造难度高，不成熟的器件封装无法满足高频和高温应用的需求，全球碳化硅技术与产业距离成熟尚有一定的差距，因此碳化硅器件市场的扩张步伐在一定程度上受到限制。

碳化硅材料具有出色的耐热性、耐腐蚀性和导热性，应用前景非常广阔。作为第三代半导体材料，碳化硅得到外界越来越多的关注和重视，现已成为国内外研究热点。未来发展空间不可限量。在各国加紧布置的同时，国内也需要加快碳化硅半导体的整体研究与开发，创建一个独立且具有国际竞争力的碳化硅材料和器件产业。

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碳化硅功率模块与同等级的硅基IGBT功率模块相比，碳化硅导通电阻、开关损耗大幅降低，适用于更高的工作频率，另由于其高温工作特性，大大提高了高温稳定性。XPT蔚来驱动科技在新电驱系统中使用了碳化硅模块⌄碳化硅作为一种新型半导体材料，具有开关速度快，关断电压高和耐高温能力强等优点。

而利用碳化硅功率器件设计的电机控制器，能大幅提高永磁同步电机驱动系统的效率及功率密度。在新能源汽车行业，碳化硅能够充分发挥自身的优势，不仅能增强新能源车的动力，还能提升车辆的整体续航表现。

广泛的。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。

智通 财经 APP获悉，浙商证券发布研究报告指出，受益新能源车爆发，SiC产业化黄金时代将来临。Yole预计2026年SiC功率器件市场规模将达45亿美元，2020-2026年CAGR为36%。SiC衬底的市场空间方面，预计2025年新能源车加光伏逆变器市场需求达261亿元，2021-2025年CAGR达到79%。目前国内外差距在逐步缩小，国产替代可期。目前海外龙头（Wolfspeed、II-VI占据60%以上市场份额）已实现6英寸规模化供应、向8英寸进军；国产厂家（天岳先进、天科合达、晶盛机电、露笑 科技 等）以小尺寸为主、向6英寸进军。浙商证券重点推荐晶盛机电（300316.SZ）。

1）高压、高功率应用场景下性能优越,适用于600V以上高压场景。相同规格的碳化硅基MOSFET与硅基MOSFET相比，尺寸减小至原来1/10，导通电阻降低至原来1/100，总能损耗降低70%，能源转换效率提高。下游应用新能源车、充电桩、光伏、风电、轨道交通等领域。

2）受益新能源车爆发，SiC产业化黄金时代将来临。Yole预计2026年SiC功率器件市场规模将达45亿美元，2020-2026年CAGR=36%。新能源 汽车 是碳化硅功率器件市场的主要增长驱动，应用端：解决续航痛点。成本端：单车可节省400-800美元的电池成本。客户端：特斯拉等车企相继布局。目前特斯拉仅使用在主逆变器上、未来有进一步应用提升空间。

3）性价比是决定SiC器件大批量使用的关键，衬底制备为碳化硅性价比提升的核心。在碳化硅器件的成本占比当中：衬底、外延、器件分别占比46%、23%、20%。衬底为碳化硅降本的核心、也是技术壁垒最高环节，是未来SiC降本、大规模产业化推进的核心关键。

SiC衬底：新能源车+光伏需求潜力巨大；国内外差距逐步缩小、国产替代可期

1）市场空间：预计2025年新能源车+光伏逆变器市场需求达261亿元，2021-2025年CAGR=79%。新能源车：目前单特斯拉Model 3/Y一年需求量就能消耗全球SiC晶圆绝大产能。我们测算如2025年SiC在新能源车渗透率达60%，预计6英寸SiC衬底需求达587万片/年，市场空间达231亿元。光伏逆变器：“大组件、大逆变器、大组串”时代，光伏电站电压等级从1000V提升至1500V以上，碳化硅功率器件有望成为标配。我们假设2025年碳化硅渗透率提升至50%，对应SiC衬底市场达30亿元。行业核心瓶颈在于供给端不足。

2）竞争格局：国内外差距在逐步缩小，国产替代可期。目前海外龙头（Wolfspeed、II-VI占据60%以上市场份额）已实现6英寸规模化供应、向8英寸进军。国产厂家（天岳先进、天科合达、晶盛机电、露笑 科技 等）以小尺寸为主、向6英寸进军。但可观测到，国内外差距正在缩小、且整体差距小于传统硅基半导体。国内外差距已从过去的10-15年（4英寸）、缩小至5-10年以内（6英寸）。预计未来向8英寸进军过程中，差距是、有望进一步缩小。

3）生产工艺：较硅基半导体难度大幅增加；长晶环节是关键。碳化硅衬底属于技术密集型行业。核心难点在于：长晶工艺复杂（只有4H型等少数几种是所需的晶型），生长速度慢（每小时仅能生长0.2-0.3mm，较传统晶硅慢近百倍以上），产出良率低（硬度与金刚石接近，切磨抛难度大）。“产学研用”为国内碳化硅衬底发展的重要推进动力。国内高校和科研单位主要包括中科院物理所、山东大学、上海硅酸盐所等。

4）行业趋势：降本是产业化核心，向大尺寸延伸。目前6英寸SiC衬底价格在1000美金/片，数倍于传统硅基半导体。未来降本方式包括：提升材料使用率（大尺寸化，由4英寸向6英寸、8英寸延伸）、降低制造成本（提升良率）、提升生产效率（更成熟长晶工艺）。

SiC衬底设备：与传统晶硅差异较小，工艺调教为核心壁垒

主要包括：长晶炉、切片机、研磨机、抛光机、清洗设备等。与传统传统晶硅设备具一定相通性、但工艺难度更高。碳化硅衬底第三方设备厂商较少，企业更多为设备+制造一体化布局为主，便于将核心工艺机密掌握自己手里。设备+工艺联合研发、形成互哺是关键。

投资建议

风险提示：研发进度不及预期风险；国际贸易争端加剧风险。