碳化硅（SiC）行業(yè)將迎變革 新需求快速涌現(xiàn)

一、碳化硅是優(yōu)質(zhì)的新型半導(dǎo)體襯底材料

半導(dǎo)體材料根據(jù)時間先后可以分為三代。第一代為鍺、硅等普通單質(zhì)材料，其特點為開關(guān)便捷，一般多用于集成電路。第二代為砷化鎵、磷化銦等化合物半導(dǎo)體，主要用于發(fā)光及通訊材料。第三代半導(dǎo)體主要包括碳化硅、氮化鎵等化合物半導(dǎo)體和金剛石等特殊單質(zhì)。憑借優(yōu)秀的物理化學(xué)性質(zhì)，碳化硅材料在功率、射頻器件領(lǐng)域逐漸開啟應(yīng)用。

第三代半導(dǎo)體耐壓性較好，是大功率器件的理想材料。第三代半導(dǎo)體主要是碳化硅和氮化鎵材料，SiC的禁帶寬度為3.2eV，GaN的禁帶寬度為3.4eV，遠(yuǎn)超過Si的禁帶寬度1.12eV。由于第三代半導(dǎo)體普遍帶隙較寬，因此耐壓、耐熱性較好，常用于大功率器件。其中碳化硅已逐漸走入大規(guī)模運用，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(yīng)用。

三代半導(dǎo)體材料特性對比

資料來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件在性能方面更加具有優(yōu)勢：（1）更強(qiáng)的高壓特性。碳化硅的擊穿電場強(qiáng)度是硅的10余倍，使得碳化硅器件耐高壓特性顯著高于同等硅器件。（2）更好的高溫特性。碳化硅相較硅擁有更高的熱導(dǎo)率，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以帶來功率密度的顯著提升，同時降低對散熱系統(tǒng)的要求，使終端可以更加輕量和小型化。（3）更低的能量損耗。碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率，使得碳化硅器件具有極低的導(dǎo)通電阻，導(dǎo)通損耗低；碳化硅具有3倍于硅的禁帶寬度，使得碳化硅器件泄漏電流比硅器件大幅減少，從而降低功率損耗；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，大幅提高實際應(yīng)用的開關(guān)頻率。

根據(jù)ROHM的數(shù)據(jù)，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET導(dǎo)通電阻是硅基MOSFET的1/200，尺寸是是硅基MOSFET的1/10。對于相同規(guī)格的逆變器來說，使用碳化硅基MOSFET相比于使用硅基IGBT系統(tǒng)總能量損失小于1/4。

按照電學(xué)性能的不同，碳化硅襯底可分為半絕緣型碳化硅襯底和導(dǎo)電型碳化硅襯底兩類，這兩類襯底經(jīng)外延生長后分明用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)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(jìn)一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)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(dǎo)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。

半絕緣型和導(dǎo)電型碳化硅襯底的對比

資料來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

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二、碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈價值集中于上游襯底和外延

根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國碳化硅行業(yè)發(fā)展趨勢研究與未來前景分析報告（2025-2032年）》顯示，碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈主要包括襯底、外延、器件設(shè)計、器件制造、封測等。從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠，然后經(jīng)過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經(jīng)過外延生長得到外延片。外延片經(jīng)過光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件。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。

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SiC襯底是第三代半導(dǎo)體材料中氮化鎵、SiC應(yīng)用的基石。在SiC襯底上，主要使用化學(xué)氣相沉積法（CVD法）在襯底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，進(jìn)一步制成器件。其中，在導(dǎo)電型SiC襯底上生長SiC外延層制得SiC外延片，可進(jìn)一步制成功率器件，應(yīng)用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領(lǐng)域；在半絕緣型SiC襯底上生長氮化鎵外延層制得SiC基氮化鎵（GaN-on-SiC）外延片，可進(jìn)一步制成微波射頻器件，應(yīng)用于5G通訊、雷達(dá)等領(lǐng)域。

外延片是指在SiC襯底上生長的一層或多層外延層。相比襯底，外延材料厚度、摻雜濃度均勻性好、片間一致性優(yōu)、缺陷率低，有效提高了下游產(chǎn)品的一致性和良率。功率器件一般對缺陷密度、高電壓及電流耐受度要求高，所以會使用外延片來進(jìn)行芯片制造。外延片對于提升器件的參數(shù)穩(wěn)定性，具有重要意義。從生產(chǎn)工藝來看，目前外延常用工藝為化學(xué)氣相沉積（CVD）法，即通過使用外延爐以及前驅(qū)氣體來在SiC拋光片上生長外延層。外延中的核心技術(shù)包括對外延溫度、氣流、時間等參數(shù)的精確控制，以使得外延層的缺陷度小，從而提高器件的性能及可靠性。器件依據(jù)不同的設(shè)計，所需的外延參數(shù)也不同。一般而言，外延的厚度越大，器件能夠承受的電壓也就越高。針對600V~6500V的應(yīng)用，SiC外延層的厚度一般在1~40μm。由于SiC外延有一定難度，所以市場上有一些專門做SiC外延的廠商，如瀚天天成、東莞天域等。目前國產(chǎn)6英寸SiC外延產(chǎn)已經(jīng)實現(xiàn)商用化，8英寸產(chǎn)品在研制中。

SiC產(chǎn)業(yè)鏈附加值向上游集中，襯底和外延片是SiC器件的重要組成部分。SiC產(chǎn)業(yè)鏈從上游至下游包含SiC襯底、外延片生產(chǎn)、器件制造和封裝測試等環(huán)節(jié)，其中襯底位于SiC產(chǎn)業(yè)鏈的最上游，成本占比達(dá)47%，其次為外延片，占比23%，這兩大工序為SiC器件的重要組成部分。由于SiC襯底生產(chǎn)工藝壁壘高，生產(chǎn)良率較低，全球產(chǎn)量具有明顯的瓶頸，因此其制造成本一直居高不下。此外，外延片的參數(shù)性能會受到SiC襯底質(zhì)量的影響，其本身也會影響下游器件的性能。由此可見，SiC襯底及外延片是SiC產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)，行業(yè)的附加值向上游集中。

數(shù)據(jù)來源：CASA，觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

三、新能源汽車滲透率不斷提升，SiC器件需求有望逐步放量

按照電學(xué)性能的不同，碳化硅襯底可分為半絕緣型碳化硅襯底和導(dǎo)電型碳化硅襯底兩類，這兩類襯底經(jīng)外延生長后主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。

其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造氮化鎵射頻器件。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(jìn)一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。

導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)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(dǎo)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。

資料來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

導(dǎo)電型襯底在功率器件中得到廣泛應(yīng)用，下游市場包括新能源汽車、光伏、高鐵、工業(yè)電源等領(lǐng)域。導(dǎo)電型碳化硅襯底主要應(yīng)用于制造功率器件，功率器件是電力電子行業(yè)的重要基礎(chǔ)元器件之一，廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的電能轉(zhuǎn)化和電路控制等領(lǐng)域，涉及經(jīng)濟(jì)與生活的方方面面。碳化硅功率器件以其優(yōu)異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，較好地契合功率器件的要求，因而在近年被快速推廣應(yīng)用，例如新能源汽車、光伏發(fā)電等領(lǐng)域。

新能源汽車消費興起，滲透率不斷提升。2019年及之前，國內(nèi)新能源車消費的主要驅(qū)動力來自于補(bǔ)貼政策和B端需求。2020年以來，隨著特斯拉、比亞迪、蔚小理等終端車廠陸續(xù)推出高性價比車型，在外形、續(xù)航、智能化等方面的產(chǎn)品競爭力不斷提升，消費者對于電動汽車的接受程度進(jìn)一步提升，新能源汽車的產(chǎn)品競爭力也逐步成為驅(qū)動新能源汽車消費的主導(dǎo)因素。此外，為了應(yīng)對氣候問題，近年來全球主要國家陸續(xù)提出實現(xiàn)“碳中和”的日程表，其中我國在2020年提出2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的目標(biāo)，在目標(biāo)的約束下，各國加快可再生能源的投資力度，積極推動新能源汽車銷售。在需求以及“雙碳”政策的驅(qū)動之下，全球新能源汽車銷售高速增長，2024年全球新能源汽車銷量達(dá)到1,823.6萬輛，同比增長24.4%。2024年中國新能源汽車銷量達(dá)到1,288.8萬輛，同比增長35.7%，占全球銷量比重由2023年64.8%提升至70.7%。

主要國家碳中和時間表

資料來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

數(shù)據(jù)來源：EVSales，觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

數(shù)據(jù)來源：中汽協(xié)，觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

SiC器件應(yīng)用廣泛，性能優(yōu)勢明顯。在新能源汽車中，SiC器件主要應(yīng)用在電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、車載充電系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載DC/DC）、以及非車載充電樁。其中，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，SiC器件主要應(yīng)用在主逆變器上，與IGBT相比，能夠顯著降低電力電子系統(tǒng)的體積、重量和成本，據(jù)ST預(yù)計，SiCMOSFET的逆變器封裝尺寸較硅基IGBT減少50%以上；同時，在電動車平均運行狀態(tài)之下，SiC逆變器的效率也較IGBT高。據(jù)Wolfspeed預(yù)測，SiC逆變器能夠提升電動車5%-10%的續(xù)航能力，同時節(jié)省400-800美元的電池成本。OBC以及電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方面，SiC的應(yīng)用能夠有效降低開關(guān)損耗、提高極限工作溫度，進(jìn)而提升系統(tǒng)效率。

資料來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

下游廠商積極采用SiC方案，需求有望逐步放量。2021年9月，特斯拉宣布Model3將搭載STSiC器件，全車共有48個SiCMOSFET用于主逆變器中。通過搭載SiC器件，特斯拉的逆變器效率從ModelS的82%提升至Model3的90%，同時降低了開關(guān)損耗，實現(xiàn)了續(xù)航能力的提升。隨著特斯拉率先導(dǎo)入SiC器件后，比亞迪、小鵬、蔚來、現(xiàn)代等多個終端廠商積極跟進(jìn)，其中比亞迪在2023年全面采用SiC器件替代IGBT。隨著終端車廠陸續(xù)采用SiC方案，SiC的需求有望逐步放量。

四、光伏新增裝機(jī)持續(xù)增長，逆變器用SiC前景可觀

積極推進(jìn)可再生能源建設(shè)，光伏新增裝機(jī)持續(xù)高增長。在“雙碳”目標(biāo)約束下，全球主要國家積極推進(jìn)可再生能源建設(shè)，提高可再生能源在能源消費結(jié)構(gòu)中的占比，2024年球光伏新增裝機(jī)規(guī)模為451.9GW，其中，我國光伏新增裝機(jī)保持快速增長，2023年新增裝機(jī)規(guī)模為216.88GW，同比增長148.12，2024年為277.17GW，同比增長27.80%。

數(shù)據(jù)來源：國家能源局，觀研天下數(shù)據(jù)中心整理

逆變器是光伏發(fā)電重要設(shè)備，目前多采用IGBT方案。光伏逆變器作為光伏電站的轉(zhuǎn)換設(shè)備，主要作用是將太陽電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為交流電。光伏逆變器主要由功率模塊、控制電路板、斷路器、濾波器、電抗器、變壓器及機(jī)箱等組成。過去逆變器的功率器件多采用MOSFET器件，但由于MOSFET不適合用于高壓大容量的系統(tǒng)中，IGBT憑借其在中、高壓容量中的優(yōu)勢，已經(jīng)逐步取代MOSFET成為逆變器的核心器件。在光伏逆變器的應(yīng)用場景中，多采用IGBT單管或IGBT模塊方案

SiC方案優(yōu)勢逐步凸顯，滲透率有望加速提升。使用SiCMOSFET或SiCMOSFET與SiCSBD結(jié)合功率模塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率有望從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，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。截至2024年光伏逆變器中采用SiC方案的滲透率約為40%，預(yù)計到2040年將達(dá)到80%，行業(yè)前景可觀。

數(shù)據(jù)來源：觀研天下數(shù)據(jù)中心整理（wys）