碳化硅：前途光明的第三代半導(dǎo)體材料。我們認(rèn)為下游電力電子領(lǐng)域向高電壓、高頻等趨勢(shì)邁進(jìn)，碳化硅材料的特性決定了它將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)硅基，打開(kāi)巨大的市場(chǎng)空間。由于碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈涉及多個(gè)復(fù)雜技術(shù)環(huán)節(jié)，將會(huì)通過(guò)系列報(bào)告形式對(duì)其進(jìn)行完整梳理。
第三代半導(dǎo)體性能優(yōu)越，應(yīng)用場(chǎng)景更廣。半導(dǎo)體材料作為電子信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，經(jīng)歷了數(shù)代的更迭。隨著應(yīng)用場(chǎng)景提出更高的要求，以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化加速放量階段。相較于前兩代材料，碳化硅具有耐高壓、耐高溫、低損耗等優(yōu)越性能，廣泛應(yīng)用于制作高溫、高頻、大功率和抗輻射電子器件。
國(guó)外廠商多以IDM模式布局，國(guó)內(nèi)企業(yè)專注單個(gè)環(huán)節(jié)。碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈依次可分為：襯底、外延、器件、終端應(yīng)用。國(guó)外企業(yè)多以IDM模式布局全產(chǎn)業(yè)鏈，如Wolfspeed、Rohm及意法半導(dǎo)體（ST），而國(guó)內(nèi)企業(yè)則專注于單個(gè)環(huán)節(jié)制造，如襯底領(lǐng)域的天科合達(dá)、天岳先進(jìn)，外延領(lǐng)域的瀚天天成、東莞天域，器件領(lǐng)域的斯達(dá)半島、泰科天潤(rùn)。
新能源車(chē)領(lǐng)域?qū)?huì)為SiC功率器件帶來(lái)巨大增量。在新能源車(chē)上，碳化硅器件主要使用在主驅(qū)逆變器、OBC（車(chē)載充電機(jī)）、DC-DC車(chē)載電源轉(zhuǎn)換器和大功率DCDC充電設(shè)備。隨著各大車(chē)企相繼推出800V電壓平臺(tái)，為滿足大電流、高電壓的需求，電機(jī)控制器的主驅(qū)逆變器將不可避免的由硅基IGBT替換為SiC-MOS，帶來(lái)巨大增長(zhǎng)空間。
碳化硅功率器件能提高光伏逆變器轉(zhuǎn)換效率，減少能量損耗。光伏發(fā)電方面，目前基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來(lái)源之一。使用SiC-MOS為基礎(chǔ)材料的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從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(zhǎng)器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。
2025年碳化硅襯底市場(chǎng)或?qū)⒃鲩L(zhǎng)至143億元，需求量達(dá)到420萬(wàn)片。根據(jù)我們測(cè)算：到2025年，新能源車(chē)領(lǐng)域用碳化硅襯底市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到102億元，需求量達(dá)304萬(wàn)片；光伏領(lǐng)域?qū)⑦_(dá)到20億元，需求量53萬(wàn)片。全球碳化硅襯底總市場(chǎng)規(guī)模將從19億元增長(zhǎng)至143億元，需求量將從30萬(wàn)片增長(zhǎng)至420萬(wàn)片。
風(fēng)險(xiǎn)提示：下游應(yīng)用領(lǐng)域滲透率上升不及預(yù)期
第三代半導(dǎo)體性能優(yōu)越，應(yīng)用場(chǎng)景更廣。半導(dǎo)體材料作為電子信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，經(jīng)歷了數(shù)代的更迭。隨著應(yīng)用場(chǎng)景提出更高的要求，以碳化硅、氮化鎵為代表的第三代半導(dǎo)體材料逐漸進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化加速放量階段。相較于前兩代材料，碳化硅具有耐高壓、耐高溫、低損耗等優(yōu)越性能，廣泛應(yīng)用于制作高溫、高頻、大功率和抗輻射電子器件。
碳化硅器件應(yīng)用場(chǎng)景廣闊。因其高熱導(dǎo)性、高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度及高電流密度，基于碳化硅材料的半導(dǎo)體器件可應(yīng)用于汽車(chē)、充電設(shè)備、便攜式電源、通信設(shè)備、機(jī)械臂、飛行器等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。其應(yīng)用的范圍也在不斷地普及和深化，是一種應(yīng)用前景非常廣泛、非常具有價(jià)值的材料。
第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度遠(yuǎn)大于前兩代。第一代和第二代半導(dǎo)體都是窄帶隙半導(dǎo)體，而從第三代半導(dǎo)體開(kāi)始，寬禁帶（帶隙大于2.2eV）半導(dǎo)體材料開(kāi)始被大量應(yīng)用。碳化硅作為第三代半導(dǎo)體的典型代表，具有200多種空間結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著不同的帶隙值，一般在2.4eV-3.35eV之間。碳化硅材料除寬禁帶之外，還具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高飽和漂移速度及高穩(wěn)定性、最大功率等優(yōu)點(diǎn)。
1.2.1寬禁帶：提高材料穩(wěn)定性和擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度
禁帶寬度決定材料特性，寬禁帶提高更好性能。禁帶寬度是衡量半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要指標(biāo)，更寬的禁帶意味著更高的激發(fā)要求，即電子和空穴更難以形成，這也導(dǎo)致了寬帶隙半導(dǎo)體在不需要工作時(shí)可以保持類似絕緣體的特性，這也使得其具有更好的穩(wěn)定性，寬禁帶同時(shí)也有助于提高擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而增強(qiáng)對(duì)工作環(huán)境的承受能力，具體體現(xiàn)在具有更好的耐熱性和耐高電壓性、抗輻射性。
同時(shí)因?qū)捊麕w系中導(dǎo)帶與價(jià)帶間的高能量差，使得電子與空穴被激發(fā)后的復(fù)合率大大降低，這就使得更多的電子和空穴可以用于導(dǎo)電或者傳熱，這也是碳化硅具有更強(qiáng)的導(dǎo)熱性與導(dǎo)電能力的一個(gè)原因。
基于這些特點(diǎn)，碳化硅器件可以在更高強(qiáng)度的環(huán)境下進(jìn)行工作，也能夠更快速地進(jìn)行散熱，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以帶來(lái)功率密度的顯著提升，同時(shí)降低對(duì)散熱系統(tǒng)的要求，使終端可以更加輕量和小型化。碳化硅的高禁帶寬度也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(guò)程中不存在電流拖尾現(xiàn)象，開(kāi)關(guān)損耗低，大幅提高實(shí)際應(yīng)用的開(kāi)關(guān)頻率。
1.2.2 高擊穿電壓：帶來(lái)更大的工作區(qū)間及功率范圍
擊穿電壓越高，工作區(qū)間及功率范圍越大。擊穿電壓指的是使電介質(zhì)擊穿的電壓。對(duì)于半導(dǎo)體來(lái)說(shuō)，一旦電壓到達(dá)了擊穿電壓就意味著半導(dǎo)體失去了其介電性能，因內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞而呈現(xiàn)出類似與導(dǎo)體的性能，進(jìn)而無(wú)法工作。所以更高的擊穿電場(chǎng)意味著更大的工作區(qū)間及功率范圍，即擊穿電場(chǎng)越高越好。
碳化硅器件功率更大、體積更小，能量損失更低。碳化硅材料因其更高的擊穿電壓特性，可以廣泛地應(yīng)用于大功率器件的制備，這是硅基半導(dǎo)體所無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。碳化硅更高的電擊穿允許碳化硅功率器件具有更薄更重?fù)诫s的阻擋層，這使得同等要求下使用碳化硅材料可以將器件做的更薄，這可以起到節(jié)省空間、提高單位能量密度的作用。此外，高擊穿電場(chǎng)還可以使得碳化硅在外電壓中的導(dǎo)通電阻更小，而更小的導(dǎo)通電阻意味著更低的能量損失。
1.2.3 高飽和漂移速度：能量損耗更小
碳化硅因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有更高的飽和漂移速度。漂移速度反應(yīng)的是載流子在外電壓下的遷移速度，理論上講漂移速度是可以隨著外界電場(chǎng)的增加而無(wú)限提高的，但實(shí)際上隨著外加電場(chǎng)的增加，材料內(nèi)部載流子之間的碰撞也會(huì)隨之增加，所以會(huì)存在一個(gè)飽和的漂移速度。在碳化硅材料中，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有很好的緩沖碰撞的能力，所以具有更高的飽和漂移速度。
高飽和漂移速度帶來(lái)更小的能量損耗。高飽和漂移速度意味著載流子能更快地遷移，以及更低的電阻。這也使得碳化硅材料中的能量損耗大大減小。與硅相比，相同規(guī)格的碳化硅基MOSFET和硅基MOSFET相比，導(dǎo)通電阻降低為1/200，尺寸減小為1/10；相同規(guī)格的使用碳化硅基MOSFET和使用硅基IGBT的逆變器相比，總能量損失小于1/4。這些特點(diǎn)為碳化硅材料在光伏逆變器、高頻器件中的應(yīng)用提供了有力的支撐。
國(guó)外廠商多以IDM模式布局，國(guó)內(nèi)企業(yè)專注單個(gè)環(huán)節(jié)。碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈依次可分為：襯底、外延、器件、終端應(yīng)用。國(guó)外企業(yè)多以IDM模式布局全產(chǎn)業(yè)鏈，如Wolfspeed、Rohm及意法半導(dǎo)體（ST），而國(guó)內(nèi)企業(yè)則專注于單個(gè)環(huán)節(jié)制造，如襯底領(lǐng)域的天科合達(dá)、天岳先進(jìn)，外延領(lǐng)域的瀚天天成、東莞天域，器件領(lǐng)域的斯達(dá)半島、泰科天潤(rùn)。
襯底與外延占據(jù)70%的碳化硅器件成本。受制于材料端的制備難度大，良率低，產(chǎn)能小，目前產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)值集中于襯底和外延部分，前端兩部分占碳化硅器件成本的47%、23%，而后端的設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)環(huán)節(jié)僅占30%。
行業(yè)呈現(xiàn)一超格局，Wolfspeed占據(jù)62%市場(chǎng)份額。自2018年特斯拉首次將碳化硅器件導(dǎo)入Model3代替IGBT模塊，便打開(kāi)了碳化硅在新能源車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用，行業(yè)迅速進(jìn)入升溫期。目前碳化硅襯底市場(chǎng)呈現(xiàn)一超格局，Wolfspeed（原Cree）以62%的市占率高居第一，Ⅱ-Ⅵ、Rohm則以14%和13%的市占率位列第二、三位，CR3接近90%。國(guó)內(nèi)廠商天科合達(dá)市占率僅為4%。
碳化硅襯底可分為導(dǎo)電型和半絕緣型。導(dǎo)電型是指電阻率在15~30mΩ·cm的碳化硅襯底，將其進(jìn)行外延后可進(jìn)一步制成功率器件，應(yīng)用于新能源車(chē)、光伏、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域。半絕緣型則是指電阻率高于105mΩ·cm的碳化硅襯底，主要用于制造氮化鎵微波射頻器件，作為無(wú)線通訊領(lǐng)域的基礎(chǔ)零部件。
碳化硅襯底是由高純硅、碳粉經(jīng)過(guò)合成成SiC微粉后，通過(guò)物理氣相沉積法（PVT）生長(zhǎng)成為晶錠，之后加工得到標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸的碳化硅晶體，再經(jīng)過(guò)切磨拋工藝獲得表面無(wú)損傷的碳化硅拋光片，最后對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)、清洗形成可交付下游外延廠商使用碳化硅襯底。
2.1.1原料合成：各家襯底廠商自產(chǎn)為主
高純SiC粉末可使用氣相法、液相法及固相法合成，目前產(chǎn)業(yè)中主要使用固相法中自蔓延高溫合成法，即將固態(tài)的Si源和C源作為原料，使其在1400～2000℃的高溫下持續(xù)反應(yīng)，最后得到高純SiC粉體。這種方法原料便宜，合成質(zhì)量穩(wěn)定，合成效率高。目前各家襯底廠商基本自產(chǎn)高純SiC粉末。
2.1.2晶錠生長(zhǎng)：目前行業(yè)內(nèi)以PVT法為主，整體良率較低
90%襯底企業(yè)選擇PVT法。碳化硅單晶主要有物理氣相傳輸法(PVT)、高溫化學(xué)氣相沉積(HTCVD)法和液相外延法（LPE)法，目前PVT法由于設(shè)備易于制造、長(zhǎng)晶過(guò)程更好控制以及成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是業(yè)內(nèi)最成熟的工藝。其原理是通過(guò)將處于2000℃以上的SiC原料升華分解成氣相物質(zhì)，這些氣相物質(zhì)輸運(yùn)到溫度較低的籽晶處，結(jié)晶生成SiC單晶。業(yè)內(nèi)90%的企業(yè)都使用PVT法。
HTCVD法的原理是將Si源和C源氣體在2100℃左右的高溫環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成SiC，這種長(zhǎng)晶法可實(shí)現(xiàn)晶體長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)生長(zhǎng)，但設(shè)備成本高，且生長(zhǎng)速度也很慢。業(yè)內(nèi)使用HTCVD法的有Norstel和日本電裝。
LPE法通過(guò)在高溫純硅溶液中將碳溶解其中，從過(guò)飽和液中析出碳化硅晶體。LPE適用于制備高質(zhì)量大尺寸碳化硅襯底，但是生長(zhǎng)速度極其緩慢，材料要求也高，應(yīng)用廠家有住友金屬。
PVT法生長(zhǎng)速度慢、厚度低，且良率較低。根據(jù)劉得偉等人在《PVT法生長(zhǎng)6英寸4H-SiC晶體的工藝研究》文中數(shù)據(jù)，在不同原料區(qū)溫度下，80小時(shí)生長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)晶錠厚度8-15mm，并且由于粉源石墨化的影響，晶錠長(zhǎng)度限制在50mm左右。且碳化硅晶體的生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜、工藝控制難度大，整體良率較低，據(jù)天岳先進(jìn)招股書(shū)中披露，公司晶棒環(huán)節(jié)整體良率在50%。
2.1.3切磨拋：SiC晶錠硬度高、脆性大，加工困難
生長(zhǎng)完成的SiC晶錠在經(jīng)過(guò)初加工定型后，還需要經(jīng)過(guò)切磨拋環(huán)節(jié)制成碳化硅拋光片。受加工技術(shù)的制約，目前高表面質(zhì)量碳化硅晶片的加工效率較低，據(jù)天岳先進(jìn)招股書(shū)中披露，公司襯底環(huán)節(jié)整體良率在75%。
國(guó)內(nèi)切割環(huán)節(jié)主要用固結(jié)磨料多線切割。由于碳化硅硬度高、脆性大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)法使用傳統(tǒng)鋸切工具。國(guó)內(nèi)目前最多使用固結(jié)磨料多線切割法來(lái)加工，將金剛石磨料固結(jié)在金屬絲上，隨鋸絲運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)磨粒的鋸切加工。目前國(guó)內(nèi)外正在研究激光切割、冷分離和電火花切片等技術(shù)。
研磨主要是為了去除晶片切割后表面的缺陷，并達(dá)到預(yù)定厚度，同時(shí)將晶片的翹曲、彎曲、總厚度變化、表面粗糙度降至最小。目前主要用單面減薄技術(shù)以及雙面研磨，使用的磨料通常為碳化硼或金剛石。
拋光主要通過(guò)配比好的拋光液對(duì)研磨片進(jìn)行機(jī)械拋光和化學(xué)拋光（CMP），用來(lái)消除表面劃痕、降低表面粗糙度及消除加工應(yīng)力等，使研磨片表面達(dá)到納米級(jí)平整度。最后通過(guò)檢測(cè)、清洗，將襯底交付給下游外延環(huán)節(jié)。
2.2外延：可滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ骷碾娮璧葏?shù)要求 外延可滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ζ骷?shù)要求。外延是指在碳化硅襯底上生長(zhǎng)了一層與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的過(guò)程。為了滿足SiC器件在不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄娮璧葏?shù)的特定要求，必須在襯底上進(jìn)行滿足條件的外延后才可制作器件，因此外延質(zhì)量的好壞將會(huì)影響SiC器件的性能。目前SiC襯底上常見(jiàn)外延有SiC同質(zhì)外延和GaN異質(zhì)外延，前者用于功率器件，后者用于射頻器件。
目前主要使用CVD法進(jìn)行外延。目前碳化硅外延技術(shù)主要采用化學(xué)氣相沉積法（CVD），可以在較高生長(zhǎng)速率下獲得高質(zhì)量外延層。通常采用H2作為載氣，硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8)作為Si源與C源，在淀積室發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成SiC分子并沉積在碳化硅襯底上。
國(guó)內(nèi)還欠缺高電壓器件所需的厚膜技術(shù)。外延層厚度及摻雜濃度是制作外延層時(shí)最基本的兩個(gè)參數(shù)，兩者共同決定了器件的電壓檔級(jí)。電壓等級(jí)越高，厚度越厚，摻雜濃度越低。通常來(lái)說(shuō)每1000V電壓需要10μm的外延層，國(guó)內(nèi)外延技術(shù)可滿足中低壓器件的需求，高壓器件需要的厚膜方面缺陷還較多。
目前外延片的制備環(huán)節(jié)受限于設(shè)備交付環(huán)節(jié)，無(wú)法快速放量。外延生長(zhǎng)設(shè)備目前被意大利的LPE公司、德國(guó)AIXTRON公司以及日本Nuflare和TEL公司所壟斷，主流SiC高溫外延設(shè)備交付周期已拉長(zhǎng)至1.5-2年左右。國(guó)內(nèi)目前有晶盛機(jī)電，北方華創(chuàng)等企業(yè)開(kāi)始小批量生產(chǎn)碳化硅外延設(shè)備。
新能源車(chē)領(lǐng)域?qū)?huì)為SiC功率器件帶來(lái)巨大增量。在新能源車(chē)上，碳化硅器件主要使用在主驅(qū)逆變器、OBC（車(chē)載充電機(jī)）、DC-DC車(chē)載電源轉(zhuǎn)換器和大功率DCDC充電設(shè)備。隨著各大車(chē)企相繼推出800V電壓平臺(tái)，為滿足大電流、高電壓的需求，電機(jī)控制器的主驅(qū)逆變器將不可避免的由硅基IGBT替換為SiC-MOS，帶來(lái)巨大增長(zhǎng)空間。
電機(jī)控制器中功率模塊占整車(chē)成本8%。電機(jī)控制器在新能車(chē)成本中占比20%，是除電池外占比最大的一個(gè)部件，負(fù)責(zé)把動(dòng)力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)換成頻率和電流可變的三相交流電，給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩，同時(shí)在能量回收時(shí)把電機(jī)的三相交流電整流成直流電給動(dòng)力電池充電。而功率模塊占其成本41%，折合占整車(chē)成本8%。
使用碳化硅器件能帶來(lái)好處：
1） 提升加速度。碳化硅器件的使用能讓驅(qū)動(dòng)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)承受更大輸入功率，且因其高熱性能，不怕電流過(guò)大導(dǎo)致的熱效應(yīng)和功率損耗。在車(chē)輛起步時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠輸出更大扭矩，獲得更強(qiáng)的加速能力。
2） 增加續(xù)航里程。SiC器件可以通過(guò)導(dǎo)通/開(kāi)關(guān)兩個(gè)維度降低損耗，從而實(shí)現(xiàn)增加電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程的目的。結(jié)合英飛凌的研究數(shù)據(jù)，在25℃結(jié)溫下，SiC-MOS關(guān)斷損耗大約是Si-IGBT的20%；在175℃的結(jié)溫下，SiC-MOS關(guān)斷損耗僅為Si-IGBT的10%。綜合來(lái)說(shuō)，新能源車(chē)使用SiC器件能夠增加5-10%續(xù)航里程。
3） 實(shí)現(xiàn)輕量化。得益于SiC的優(yōu)越性能，SiC器件可在以下方面可達(dá)到縮小體積的效果：1）封裝尺寸更小、2）減少濾波器和無(wú)源器件如變壓器、電容、電感等的使用、3）減少散熱器體積、4）同樣續(xù)航范圍內(nèi)，可以減少電池容量。以羅姆公司設(shè)計(jì)的SiC逆變器為例，使用全SiC模組后，主逆變器尺寸降低43%，重量降低6kg。
4） 降低系統(tǒng)成本。目前SiC器件的價(jià)格是硅基器件的4-6倍，但采用SiC器件實(shí)現(xiàn)了電池成本的大幅下降和續(xù)航里程的提升，綜合降低了整車(chē)成本。使用SiC-MOS的驅(qū)動(dòng)逆變器，器件帶來(lái)的成本增加約為75～200美元，然而從電池、無(wú)源元器件、冷卻系統(tǒng)節(jié)省的成本在525～850美元，系統(tǒng)性成本顯著下降。相同里程條件下，采用SiC逆變器單車(chē)可節(jié)省至少200美元。
碳化硅功率器件能提高光伏逆變器轉(zhuǎn)換效率，減少能量損耗。光伏發(fā)電方面，目前基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來(lái)源之一。使用SiC-MOS為基礎(chǔ)材料的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從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(zhǎng)器件使用壽命、降低生產(chǎn)成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。在組串式和集中式光伏逆變器中，碳化硅產(chǎn)品預(yù)計(jì)會(huì)逐漸替代硅基器件。目前國(guó)內(nèi)在光伏領(lǐng)域應(yīng)用碳化硅光伏逆變器的很少，但在全球范圍內(nèi)已經(jīng)有光伏逆變器公司開(kāi)始應(yīng)用碳化硅光伏逆變器，比如西班牙Ingeteam公司的TLM 系列。
在軌道交通方面，軌道交通車(chē)輛中大量應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，其牽引變流器、輔助變流器、主輔一體變流器、電力電子變壓器、電源充電機(jī)都有使用碳化硅器件的需求。其中，牽引變流器是機(jī)車(chē)大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)的核心裝備，將碳化硅器件應(yīng)用于軌道交通牽引變流器，能極大發(fā)揮碳化硅器件高溫、高頻和低損耗特性，提高牽引變流器裝置效率，符合軌道交通大容量、輕量化和節(jié)能型牽引變流裝置的應(yīng)用需求，提升系統(tǒng)的整體效能。
智能電網(wǎng)方面，相比其他電力電子裝置，電力系統(tǒng)要求更高的電壓、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導(dǎo)體器件在大電壓、高功率和高溫度方面的限制所導(dǎo)致的系統(tǒng)局限性，并具有高頻、高可靠性、高效率、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在固態(tài)變壓器、柔性交流輸電、柔性直流輸電、高壓直流輸電及配電系統(tǒng)等應(yīng)用方面推動(dòng)智能電網(wǎng)的發(fā)展和變革。
在射頻器件方面，以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時(shí)具備了碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢(shì)，突破了砷化鎵和硅基LDMOS器件的固有缺陷，能夠滿足5G通訊對(duì)高頻性能和高功率處理能力的要求，碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G功率放大器尤其是宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線。
4.碳化硅襯底全球市場(chǎng)空間測(cè)算 碳化硅襯底是碳化硅器件制備必不可少、也是目前成本最高的一環(huán)，分析碳化硅襯底的市場(chǎng)空間有著重要的意義。在這里，我們對(duì)全球碳化硅襯底2021年到2025年在新能源汽車(chē)、光伏領(lǐng)域的市場(chǎng)空間、襯底需求量進(jìn)行了測(cè)算，并以此為參比預(yù)測(cè)出了碳化硅襯底的總市場(chǎng)空間及襯底需求量。
4.1新能源汽車(chē)領(lǐng)域：25年需求量或達(dá)300萬(wàn)片，市場(chǎng)空間超100億元 針對(duì)新能源車(chē)領(lǐng)域的碳化硅襯底市場(chǎng)預(yù)測(cè)，我們對(duì)關(guān)鍵參數(shù)做出以下假設(shè)：
單片價(jià)格：目前6英寸碳化硅平均售價(jià)為1000美金，約6400元/片，由于未來(lái)6英寸上的技術(shù)路線發(fā)展以及進(jìn)一步規(guī)模經(jīng)濟(jì)的形成，預(yù)期碳化硅價(jià)格總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，對(duì)于具體的價(jià)格趨勢(shì)，我們對(duì)2021-2025年襯底價(jià)格下降幅度進(jìn)行以下三種假設(shè)：1）10%降幅；2）15%降幅；3）20%降幅。
單車(chē)消耗襯底數(shù)：考慮到未來(lái)價(jià)格下降后將逐步增加碳化硅在新能源車(chē)上的應(yīng)用場(chǎng)景，以目前Model 3單車(chē)用48個(gè)碳化硅MOSFET芯片計(jì)算，單車(chē)用6英寸襯底數(shù)約0.16片，之后逐漸增長(zhǎng)到2025年的0.4片。
滲透率：這里的滲透率定義為采用SiC器件為主體的新能源汽車(chē)銷(xiāo)量在全部新能源汽車(chē)銷(xiāo)量中的占比。2021年的滲透率為14%，預(yù)期2021-2025的滲透率增速為6%。
結(jié)合以上數(shù)據(jù)及假設(shè)，在10%/15%/20%三種價(jià)格降幅預(yù)期下，新能源車(chē)領(lǐng)域的碳化硅襯底市場(chǎng)或?qū)⒎謩e達(dá)到128/102/80億元，相應(yīng)襯底需求量達(dá)到304萬(wàn)片。
4.2光伏領(lǐng)域：25年需求量或超50萬(wàn)片，市場(chǎng)空間達(dá)20億元 全球新增裝機(jī)量：碳化硅襯底在光伏行業(yè)中主要應(yīng)用于光伏逆變器，2020年全球裝機(jī)量為137GW，2025年預(yù)期可超過(guò)400GW，按400GW作為參考。2021年數(shù)據(jù)參考陽(yáng)光電源年報(bào)相關(guān)數(shù)據(jù)換算，約為156GW。假設(shè)在這段區(qū)間內(nèi)光伏裝機(jī)量加速增長(zhǎng)。
IGBT成本占比：根據(jù)天科合達(dá)招股說(shuō)明書(shū)披露的數(shù)據(jù)，硅基IGBT的成本占比約為光伏逆變器總成本的10%，假設(shè)硅基IGBT的成本比例在未來(lái)幾年內(nèi)占比維持不變。
逆變器價(jià)格：2021年陽(yáng)光電源光伏逆變器材料基本均為硅基材料，銷(xiāo)量為47GW,相關(guān)業(yè)務(wù)營(yíng)業(yè)收入為90.5億元，故硅基光伏逆變器價(jià)格約為0.19元/W。根據(jù)陽(yáng)光電源2017-2021年的逆變器價(jià)格變化數(shù)據(jù)，平均每年價(jià)格約下降0.02元/W。故預(yù)期在未來(lái)價(jià)格會(huì)逐漸降低，假設(shè)按照0.02元/W每年的速度下降到0.13元/W。
碳化硅/硅價(jià)格比：目前碳化硅器件和硅基器件的價(jià)格比約為4，而在未來(lái)預(yù)期成本替代比會(huì)降低，下降比例應(yīng)該與價(jià)格變化幅度正相關(guān)，故假設(shè)成本替代比例每年遞減。
襯底成本比例：目前襯底占比為46%，預(yù)期占比比例每年按照3%的速度遞減。
滲透率：這里的滲透率指的是碳化硅光伏逆變器在總逆變器中的占比。參考CASA數(shù)據(jù)，2021年滲透率為10%，預(yù)期每年滲透率按照10%的速度增長(zhǎng)。到2025年達(dá)到50%。
結(jié)合以上數(shù)據(jù)及假設(shè)，得到如下圖所示的測(cè)算表：市場(chǎng)空間的年復(fù)合增長(zhǎng)率為39%、需求量的年復(fù)合增長(zhǎng)率為58%。到2025年市場(chǎng)空間達(dá)到20億元，襯底需求量超過(guò)50萬(wàn)片。
根據(jù)Wolfspeed投資者報(bào)告中的數(shù)據(jù)，2021年新能源汽車(chē)+光伏在碳化硅總市場(chǎng)里占比為77%，2027年預(yù)期達(dá)到86%。故本部分測(cè)算中2021年占比為77%，按照市場(chǎng)占比每年2%的速度增長(zhǎng)，預(yù)期2025年達(dá)到85%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)反推出總體數(shù)據(jù)，可以得到從2021年到2025年全球碳化硅襯底總市場(chǎng)規(guī)模將從19億元增長(zhǎng)至143億元，需求量將從30萬(wàn)片增長(zhǎng)至420萬(wàn)片。
