半导体行业深度分析：SiC衬底--产业瓶颈亟待突破国内厂商加速发展.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。 SiC 衬底 -产业瓶颈亟待突破，国内厂商加速发展 衬底是产业链最核心的环节，直接制约碳化硅应用放量： 碳化硅材料属于第三代半导体，碳化硅产业链分为衬底材料制备、外延层生长、器件制造以及下游应用，衬底属于碳化硅产业链上游，制备工艺复杂，生长速度慢，产出良率低，是碳化硅产业链亟待突破的最核心部分，也是国内外厂商重点发力的环节。根据 CASA，产业链价值量集中于衬底环节，目前价值量占整个产业链 50%左右。与硅相比，碳化硅衬底制备技术壁垒高，成本远高于硅衬底。碳化硅衬底制备过程主要存在以下难点：一是对温度和压力的控制要求高，其生长温度在2300 以上；二是长晶速度慢， 7 天的时间大约可生长 2cm 碳化硅晶棒；三是晶型要求 高、良率低，只有少数几种晶体结构的单晶型碳化硅才可作为半导体材料；四是切割磨损高，由于碳化硅的硬度极大，在对其进行切割时加工难度较高且磨损多。昂贵的时间成本和复杂的加工工艺使得碳化硅衬底的成本较高，限制了碳化硅的应用放量。随着国内外企业布局碳化硅衬底研发，尺寸不断扩大、良率逐渐提升，碳化硅衬底成本 有望不断 下降，提高下游应用市场渗透率。 Cree/II-VI 等国际巨头占据主导地位，国内公司加速追赶： 欧美国家在碳化硅产业的布局早先于我国，国际龙头企业市场占有率极高。根据 2020 年中国第三代半导体碳化硅晶 片行业分析报告， 2020 上半年全球半导体 SiC 晶片市场中，美国 Cree 出货量占据全球 45%。此外， Cree/II-VI 等国际碳化硅衬底龙头企业的制备技术也领先于国内。 Cree 公司可批量供应 4-6 英寸导电型和半绝缘型碳化硅衬底，并成功研发 8 英寸衬底，先已开始建设 8 英寸产品生产线；贰陆公司也可实现 4 至 6 英寸碳化硅衬底的供应，并计划未来 5 年内，将 SiC 衬底的生产能力提高 5 至 10 倍。而国内碳化硅衬底厂商仍以 4 英寸衬底供应为主。但是，国内碳化硅衬底企业发展态势良好，在较短时间内完成了 4-6 英寸衬底制备技术的研发， 并持续积极投资碳化硅项目，以缩小与国际龙头企业的差距，有望实现追赶。 投资建议： 建议关注露笑科技、三安光电、天科合达（未上市）、山西烁科（未上市）、山东天岳（未上市）等公司。 风险提示： SiC 技术难度大，产品研发不及预期风险；相关扩产项目不及预期风险； SiC 成本高居不下，渗透率不及预期风险。 Table_Tit le 2021 年 11 月 23 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 维持 评级 Table_Fir st St ock Table_Char t 行业表现 资料来源： Wind 资讯 % 1M 3M 12M 相对收益 11.63 -2.40 37.81 绝对收益 10.67 -0.82 35.96 马良 分析师 SAC执业证书编号： S1450518060001 021-35082935 相关报告 市场空间巨大， SiC 国产化趋势加速 2021-11-06 -13%-4%5%14%23%32%41%50%2020-11 2021-03 2021-07半导体 (中信 ) 沪深 300 行业深度分析 /半导体 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。 内容目录 1. 第三代半导体， SiC衬底性能优越 . 4 1.1. SiC-新一代电力电子核心材料 . 4 1.2. 碳化硅衬底可分 为导电型与半绝缘型 . 5 1.3. 碳化硅衬底的尺寸演进和发展态势 . 5 2. 下游市场多点开花，替代硅基材料进程加快 . 6 2.1. 受益新能源市场发展，导电型碳化硅衬底前景广阔 . 6 2.1.1. 新能源车销量持续超预期，助推导电型碳化硅衬底发展 . 7 2.1.2. 光伏发电打开碳化硅衬底市场空间 . 9 2.2. 5G 等无线通讯 需求推动半绝缘型碳化硅衬底快速发展 .11 3. 碳化硅衬底技术壁垒高，处于产业链核心位臵 . 12 3.1. 碳化硅衬底生产流程与硅基类似，但是难度大幅度增加 . 12 3.2. 碳化硅衬底生产难度较高，温场控制是工艺核心 . 14 3.3. 尺寸增加并进一步改进电化学性能是 SiC 技术下一阶段发展方向 . 15 3.4. 碳化硅衬底成本下降趋势可期 . 15 4. 国际龙头企业占市场主要 位臵，国内企业加速追赶 . 16 4.1. 国际大厂市场占有率高，提前布局大尺寸衬底量产计划 . 16 4.2. 国内碳化硅衬底企业加大投入，提速追赶 . 17 4.2.1. 国内企业持续扩大投资碳化硅衬底项目 . 17 4.2.2. 经过多年自主研发，国内企业掌握碳化硅衬底制备技术 . 18 5. 相关企业 . 20 5.1. 露笑科技（股票代码： 002617） . 20 5.2. 三安光电（股票代码： 600703） . 20 5.3. 天科合达（未上市） . 21 5.4. 山西烁科（未上市） . 22 5.5. 山东天岳（未上市） . 22 6. 风险提示 . 23 图表目录 图 1： 碳化硅衬底的产业链 . 4 图 2： Cree 碳化硅衬底尺寸演进 . 5 图 3： 碳化硅衬底下游器件的应用场景 . 6 图 4： 2019-2025 年碳化硅 功率器件市场规模将快速增长 . 7 图 5： 碳化硅在电动汽车中的应用 . 7 图 6： Model3 逆变器 PCB 板 . 8 图 7：比亚迪采用 SiC MOSFET 模块 . 8 图 8： 中国新能源汽车销量预测（万辆） . 9 图 9：光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测 . 10 图 10：全球光伏装机量预 测 . 10 图 11： 半绝缘型碳化硅衬底销量预测（万片） .11 图 12： 2021-2025 年 5G 宏基站建设量预测 . 12 图 13：不同材料微波射频器件的应用范围对比 . 12 图 14： 2018-2025 年全球射频器件市场规模预算 . 12 图 15： 碳化硅衬底生产流程 . 12 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。 图 16： 物理气相传输法生产碳化硅晶体示意 图 . 13 图 17： 碳化硅器件的成本结构 . 16 图 18： SiC 衬底市场情况 . 17 图 19： 2018 年导电型碳化硅晶片厂商市场占有率 . 17 图 20： 2020-2021 年国内 SiC 项目签约布局情况 . 18 图 21： 2015-2021Q1-3 露笑科技营业收入情况 . 20 图 22： 2015-2021Q1-3 露笑科技归母净利润情况 . 20 图 23：三安光电产业布局图 . 21 图 24： 2015-2021Q1-3 三安光电营业收入情况 . 21 图 25： 2015-2021Q1-3 三安光电归母净利润情况 . 21 图 26：天科合达营业收入情况 . 22 图 27：天科合达归母净利润 . 22 图 28：山东天岳营业收入情况 . 22 图 29：山东天岳归母净利润情况 . 22 表 1：三代半导体材料的指标参数对比 . 4 表 2：天科合达主要产品 . 5 表 3：国内车企布局碳化硅器件进展 . 9 表 4： 碳化硅 光伏逆变器开发进展 . 10 表 5：山东天岳主要生产环节良率对比 . 16 表 6：国内厂商碳化硅投资情况 . 18 表 7： 4 英寸半绝缘型碳化硅晶片 . 19 表 8： 6 英寸半绝缘型碳化硅晶片 . 19 表 9： 6 英寸导电型碳化硅晶片 . 19 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。 1. 第三代半导体， SiC 衬底性能优越 1.1. SiC-新一代电力电子核心材料 碳化硅属于第三代半导体材料，在低功耗、小型化、高压、高频的应用场景有极大优势。第一代半导体主要有硅和锗，广泛应用于集成电路等低压、低频、低功率场景。但是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，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。 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：宽禁带半导体高频及微波功率器件与电路 ， 安信证券研究中心 碳化硅材料性能优越，下游应用广泛。 碳化硅制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等特点，具有开关速度快、效率高的优势，可大幅降低产品功耗、提高能量转换效率并减小产品体积，下游应用广泛。目前碳化硅半导体主要应用于以 5G 通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域和以新能源汽车、 “新基建 ”为代表的电力电子领域，在民用、军用领域均具有明确且可观的市场前景。 碳化硅产业链分为 衬底材料制备、外延层生长、器件制造以及下游应用。 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）等生成外延片，最后制成相关器件。在 SiC 器件的产业链中，由于衬底制造工艺难度大，产业链价值量主要集中于上游衬底环节。 图 1： 碳化硅衬底的产业链 资料来源：天科合达招股说明书，安信证券研究中心 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。 1.2. 碳化硅衬底可分为导电型与半绝缘型 衬底电学性能决定了下游芯片功能与性能的优劣。 碳化硅衬底可分为两类：一类是具有高电阻率（电阻率 105cm）的半绝缘型碳化硅衬底，另一类是低电阻率（电阻率区间为 1530mcm）的导电型碳化硅衬底。 半绝缘型衬底： 指电阻率高于 105 cm 的碳化硅衬底，主要用于制造氮化镓微波射频器件，是无线通讯领域的基础性零部件。 导电型衬底： 指电阻率在 1530m cm 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，广泛应用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域。 表 2：天科合达主要 产品 产品种类 产品种类 产品种类 导电型 作为衬底材料，经过外延生长、器件制造、封装测试，制成碳化硅二 极管、碳化硅 MOSFET 等功率器件，适用于高温、高压等工作环境，应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域 半绝缘型 作为衬底材料，经过外延生长、器件制造、封装测试，制成 HEMT 等 微波射频器件，适用于高频、高温等工作环境，主要应用于 5G 通讯、卫星、雷达等领域 资料来源：天科合达 招股 说明 书， 安信证券研究中心 1.3. 碳化硅衬底的尺寸演进和发展态势 碳化硅衬底的尺寸（按直径计算）主要有 2 英寸（ 50mm）、 3 英寸（ 75mm）、 4 英寸（ 100mm）、 6 英寸（ 150mm）、 8 英寸（ 200mm）等规格。碳化硅衬底正在不断向大尺寸的方向发展，目前行业内公司主要量产产品尺寸集中在 4 英寸及 6 英寸。在最新技术研发储备上，以行业领先者 Cree 公司的研发进程为例， Cree 公司已成功研发 8 英寸产品。 图 2： Cree 碳化硅衬底尺寸演进 资料来源： Cree公告，安信证券研究中心 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。 为提高生产效率并降低成本，大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向。 衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低。衬底的尺寸越大，边缘的浪费就越小，有利于进一步降低芯片的成本。在半绝缘型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为 4 英寸。在导电型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为 6 英寸。在 8 英寸方面，与硅材料芯片相比， 8 英寸和 6 英寸 SiC 生产的主要差别在高温工艺上，例如高温离子注入，高温氧化，高温激活等，以及这些高温工艺所需求的硬掩模工艺等。根据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟的预测，预计 2020-2025 年国内市场的需求， 4 英寸逐步从 10 万片市场减少到 5 万片， 6 英寸晶圆将从 8 万片增长到 20 万片； 20252030 年： 4 英寸晶圆将逐渐退出市场， 6 英寸晶圆将增长至 40 万片。 2. 下游市场多点开花，替代硅基材料进程加快 由于碳化硅材料具备耐高温、耐高压、高功率、高频、低能耗等优良电气特性，采用碳化硅衬底可突破传统材料的物理限制，碳化硅器件将被广泛用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天、 5G 通讯、国防军工等领域，发展前景广阔。 图 3： 碳化硅衬底下游器件的应用场景 资料来源： Infineon，安信证券研究中心 2.1. 受益新能源市场发展，导电型碳化硅衬底前景广阔 导电型碳化硅衬底主要用于制作功率器件，是电力电子行业的核心 。应用场景有电动汽车、数字新基建、工业电机等。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。 目前，功率器件主要由硅基材料制成，但是硅基器件由于自身的物理特性限制，其性能、能耗已达到极限，难以满足新兴电能应用需求。碳化硅功率器件凭借耐高压、耐高温等特点，可更加有效地应用于新能源汽车等战略领域。根据 Yole 数据， 2019 年碳化硅功率器件的市场规模为 5.41 亿美元，预计 2025 年将增长至 25.62 亿美元，复合年增长率达 30%。碳化硅功率器件市场的高速增长也将推动导电型碳化硅衬底的需求释放。 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： 2019-2025 年碳化硅功率器件市场规模将快速增长 资料来源： Yole Development，安信证券研究中心 2.1.1. 新能源车销量持续超预期，助推导电型碳化硅衬底发展 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。 图 5： 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 新能源汽车的 OBC、 DC/DC 和电机控制器主要采用 Si 基 IGBT 器件，碳化硅器件有望替代。 IGBT 已经达到硅基材料的物理极限，难以满足新能源汽车未来提高续航能力、减轻汽车重量、缩短充电时间等要求，碳化硅器件在未来存在明显优势。根据英飞凌官网报告，对于主逆变器来说，采用 SiC 模块替代 IGBT 模块，其系统效率可以提高 5%左右。在电池容量相同的情况下，其续航里程可提高 5%；在续航里程相同的情况下，电池容量可以减少5%，可为新能源汽车的使用节约大量成本。此外， IGBT 是双极型器件，在关断时存在拖尾电流；而 MOSFET 是单极器件，不存在拖尾电流，该特性使得 SiC MOSFET 的开关损耗大幅降低，提高能源转换效率。随着越来越多的车厂提高车的电池电压，在未来的高压场景下，碳化硅的性能优势会更加明显。 电机驱动系统 ：碳化硅功率器件主要应用于新能源汽车电机驱动系统中的电机控制器，可减小电力电子系统体积、提高功率密度等。特斯拉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，其 Model3 车型率先采用了 24 个碳化硅 MOSFET，采用标准 6-switches 逆变器拓扑，每个 switch 由 4 个单管模块组成，共 24 个单管模块 ，可实现模块行业深度分析 /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。 封装良率的提升、半导体器件成本的下降。 2020 年比亚迪汉 EV 车型电机控制器使用其自主研发制造的 SiC MOSFET 控制模块，可以在更高的电压平台下工作，减少设备电阻损失。比亚迪汉在电力电子系统更小的体积（同功率情况下，体积不及硅基 IGBT 的 50%）下达到更高功率（ 363Kw），提升车型的加速性能，实现 3.9s 内 0-100 公里的加速，延长汽车的续航里程（ 605 公里），这均与碳化硅低开关、耐高压、耐高温、导热率高的优良特性有关。 图 6： Model3 逆变器 PCB 板 图 7：比亚迪采用 SiC MOSFET 模块 资料来源：旺财电动车，安信证券研究中心 资料来源： Omdia，安信证券研究中心 车载充电系统（ OBC） ：车载蓄电池充电机可将来自电池子系统的 DC 电源转换为主驱动电机的 AC 电源。 SiC 器件使得 OBC 的能量损耗减少、热能管理改善。根据 Wolfspeed，OBC 采用碳化硅器件，与硅器件相比，其体积可减少 60%， BOM 成本将降低 15%， 在400V 系统相同充电速度下， SiC 充电量翻倍 。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 电源转换系统（车载 DC/DC） ：车载 DC/DC 变换器可将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电。采用碳化硅器件，设备温度积累减少，加之材料本身高导热率、耐高温的特点，散热设备可以简化，从而减小变压器体积。 非车载充电桩 ：非车载直流快速充电机可将输入的外部 AC 电源转换为电动车需要的 DC 电源。 SiC 的高开关速度保证了快速充电器的充电速度。 目前大多数新能源汽车的电压平台为 400V，为提高电动汽车的充电速度、减轻器件重量，新能源汽 车 800V 电压平台 正在推进。据 ST 测试数据，在 800V 平台下 SiC 器件损耗显著低于 IGBT，在常用的 25%的负载下其损耗低于 IGBT 80%。当新能源汽车的电压平台提升至 800V 后， OBC、 DC/DC 及 PDU 等电源产品都需要升级，碳化硅器件在新能源汽车市场渗透率也将进一步提高。目前， SiC MOSFET 单管器件的价格 大约 为 Si IGBT 价格的 3-5 倍 ， 800V 电压平台下， 整车成本及充电装臵将会更昂贵 ，采用碳化硅器件模块的车型有望率先应用于高档车。随着碳化硅尺寸的增大、产业链的完善，碳化硅衬底成本下降，碳化硅 器件会逐渐扩展至中低端车市场， SiC 市场空间将被进一步打开。据 CASA 预测，到2025 年新能源汽车中 SiC 功率半导体市场预计将以 38的年复合增长率增长。 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：国内车企布局碳化硅器件进展 序号 公司名称 碳化硅器件布局情况 1 蔚来 计划 2022 一季度开始交付的蔚来首款轿车 ET7，该车将是全球首批应用碳化硅功率模块的电动车之一。在新技术的帮助下， ET7的续航里程能够超过 1000 公里。 2 江淮汽车 2021 年 4 月江淮汽车与博世动力总成系统中国区在上海签订了 SiC逆变器方面的战略协议 3 比亚迪 比亚迪扩建模块生产线，对外招标采购 “SiC分选机 ”和“SiC测试机 ”；公司计划到 2023 年，在旗下所有电动车中用 SiC功率半导体全面替代 IGBT。 2020 年 12 月，比亚迪半导体公布目前在规划自建 SiC 产线，预计 2021 年建成自有 SiC产线。 4 一汽集团 一汽集团合资企业苏州亿马半导体的碳化硅模块项目正 式投产，一期投资 2亿元。 5 吉利汽车 2021 年 8 月，吉利汽车宣布采用罗姆 SiC器件。吉利将利用罗姆的先进 SiC功率解决方案，开发高效电控系统和车载充电系统，以延长电动汽车的续航里程，降低电池成本并缩短充电时间。 5月透过旗下威睿电动汽车与SiC功率厂商芯聚能合资成立广东芯粤能半导体，布局车规级功率半导体，与芯聚能产业链上下形成联动。 6 鸿海 鸿海以 25.2 亿台币（约合 5.87 亿人民币）收购旺宏位于竹科的 6 英寸晶圆厂。鸿海方面透露，买这个厂将用来开发与生产第三代半导体，特别是电动车使用的 SiC功率器件。 资料来源：公司官网，公司公告 ， 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： 据 IDC 预测数据， 2025 年中国新能源车销量500 万台左右。 我们假设 2025 年 中国 新能源汽车 销 量 500 万 600 万辆， 据产业调研，车规碳化硅电驱模块价值量大约为 3000-4000 元，加之 OBC、 DC/DC 等部件使用，假设整车的碳化硅器件价值量约为 5000 元，根据 CASA 数据，碳化硅衬底价值量大约为器件的50%，假设 30%的新能源汽车采用碳化硅模块，则 预计到 2025 年新能源汽车 SiC 衬底 需求空间 为 37.5-45 亿元 。 图 8： 中国新能源汽车销量预测（万辆） 资料来源： IDC，安信证券研究中心 2.1.2. 光伏发电打开碳化硅衬底市场空间 采用碳化硅器件可有效提高光伏发电转换效率 ，根据天科合达招股书，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。高效、可靠、低成本发电正0%10%20%30%40%50%60%70%01002003004005006002020 2021 2022 2023 2024 2025纯电动（ BEV） 插电混合动力（ PHEV） 总体增长率 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。 是光伏发电的未来发展方向，故碳化硅产品有望替代硅基器件光伏逆变器。 根据 SolarPower Europe 数据，我国光伏装机容量保持增长态势，有望在 2025 年达到101GW。近年来，越来越多的公司投资碳化硅光伏逆变器，追求低能耗、轻量级、高效率等，根据 CASA 预测，在 2048 年，光伏逆变器中碳化硅功率器件占比可达 85%。 图 9：光伏逆变器中碳化硅功率器件占比预测 图 10：全球光伏装机量预测 资料来源： CASA，天科合达招股说明书，安信证券研究中心 资料来源： SolarPower Europe 安信证券研究中心 表 4： 碳化硅 光伏逆变器开发进展 序号 公司名称 碳化硅光伏逆变器开发情况 1 英飞凌 英飞凌开发出了适用于光伏发电用逆变器的耐压为 1200V 的 SiC 型 JFET“ CoolSiC 产品群”。采用 SiC型 JFET 可以实现装臵的小型轻量化，同时提高工作频率，也能降低开关损耗。 2 富士电机 富士电机积极推进 SiC MOSFET的实用化，用于 2014年 8 月开始量产输出功率 1000kW的百万瓦级光伏电站使用的光伏逆变器。 3 田渊电机 该公司采用 SiC 二极管的逆变器通过减少开关损耗和导通损耗，大幅降低了转换损失。虽然仍需组合采用IGBT，但今后通过完全采用 SiC，估计损耗还将减少60%左右，并且成本反而可能下降。 4 三菱电机 在可再生能源技术及产品展 “PVJapan2014”上，三菱电机展示了 “全 SiC-IPM”电源调整器产品，只使用一个逆变器，可支持 4.4kW 的输出功率，将直流电力转换成交流电力的转换效率为 98.0%。 5 西门子 西门子旗下子公司 Kaco new energy 于 2020 年 12 月推出了两款用于大型光伏项目的组串型逆变器，blueplanet 155 TL3 和 165 TL3，额定输出功率分别为155kW 和 165kW，均采用了碳化硅晶体管设计。与传统逆变器相比，采用碳化硅晶体管的逆变器具有更高的功率密度、更少的冷却需求和更低的整体系统成本。 6 德国 Fraunhofer ISE 德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所 (Fraunhofer ISE)研发了一款 250kW 的碳化硅逆变器，可用于连接中压系统的公用事业规模的光伏项目，其运行转换效率为98.4%，可以节省高达 40% 的体积。 7 安森美半导体 2020 年，安森美半导体推出了一款适用于太阳能逆变器应用的全 SiC 功率模块，该产品已被全球领先的电源和热管理方案供应商台达选用，用于支持其 M70A 三相光伏组串逆变器，产品能实现高达 98.8的峰值能量转换能效。 8 阳光电源 2014 年，阳光电源 SG60KTL-M、 SG60KTL 组串逆变器采用了 SiC MOS器件； 2017 年，阳光电源将 SiC模块规模化应用于 SG80KTL-M组串逆变器。 资料来源：公司官网，公司公告 ， 安信证券研究中心 10% 50% 70% 75% 80% 85% 00.10.20.30.40.50.60.70.80.92020 2025 2030 2035 2040 2048碳化硅功率器件占比 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。 2.2. 5G 等无线通讯需求推动半绝缘型碳化硅衬底快速发展 半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件。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。 与 2G、 3G、 4G 相比， 5G 的频率较高， 其跳跃式的反射特性使其传输距离较短，对功率的要求非常高。碳化硅基氮化镓器件可满足 5G 基站对于高频、高速、高功率的要求，突破了砷化镓和硅基 LDMOS 器件的缺陷。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。 赛迪顾问预测 5G 基站总数量将是 4G 基站 1.11.5 倍，大约为 360 万至 492 万宏基站，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，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。根据 Yole 的预测，半绝缘型碳化硅衬底市场出货量（折算为 4 英寸） 有望由 2020 年的 16.56 万片增长至 2025 年的 43.84 万片，期间复合增长率为 21.50%。根据山东天岳招股书， 2020 年衬底的平均单位价格为 9204.94 元 /片，粗略推算， 2025 年半绝缘型碳化硅衬底市场规模有望达到 40.35 亿元。 图 11： 半绝缘型碳化硅衬底销量预测（万片） 资料来源： Yole Development，安信证券研究中心 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 12： 2021-2025 年 5G 宏基站建设量预测 资料来源：中国产业研究网，安信证券研究中心 图 13：不同材料微波射频器件的应用范围对比 图 14： 2018-2025 年全球射频器件市场规模预算 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. 碳化硅衬底技术壁垒高，处于产业链核心位臵 3.1. 碳化硅衬底生产流程与硅基类似，但是难度大幅度增加 碳化硅衬底的制作流程一般包括原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、晶片研磨、抛光、清洗等环节 。其中晶体生长阶段为整个流程的核心，决定了碳化硅衬底的电学性质。 图 15： 碳化硅衬底生产流程 资料来源：天岳先进招股说明书，安信证券研究中心 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。 原料合成： 将高纯硅粉和高纯碳粉按工艺配方均匀混合，在 2,000以上的高温条件下，于反应腔室内通过特定反应工艺，去除反应环境中残余的、反应微粉表面吸附的痕量杂质，使硅粉和碳粉按照既定化学计量比反应合成特定晶型和颗粒度的碳化硅颗粒。再经过破碎、筛分、清洗等工序，制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅粉原料。 晶体生长：目前主要有物理气相传输法（ PVT）、高温化学气相沉积法（ HT-CVD）和液相法三种方法。 其中液相法生长晶体因尺寸较小目前仅用于实验室生长，综合生长条件控制、生长效率、缺陷控制等因素，商业化的技术路线主要是 PVT 和 HT-CVD，与 HT-CVD 法相比， 采用 PVT 法生长的碳化硅单晶所需要的设备简单，操作容易控制，设备价格以及运行成本低等优点成为工业生产所采用的主要方法。 物理气相传输法（ PVT）： PVT 法是碳化硅晶体生长的主流制备方式。 将高纯碳化硅微粉和籽晶分别臵于单晶生长炉内圆柱状密闭的石墨坩埚下部和顶部， 通过 感应加热的方式 将坩埚加热至 2000 以上， 此时碳粉和硅粉升华分解成为 Si 原子、 Si2C 分子和SiC2 分子等气相物质， 控制籽晶处温度略低于下 部微粉处， 在坩埚内形成轴向温度梯度。碳化硅微粉在高温下升华形成不同气相组分的反应气体，在温度梯度驱动下到达温度较低的籽晶处，并在其上结 晶形成圆柱状碳化硅晶锭。 图 16： 物理气相传输法生产碳化硅晶体示意图 资料来源：天科合达招股说明书，安信证券研究中心 碳化硅粉料纯度对晶片质量影响较大，粉料中一般含有极微量的氮，硼、铝、铁等杂质，其中氮是 n 型掺杂剂，在碳化硅中产生游离的电子，硼、铝是 p 型掺杂剂，产生游离的空穴。为了制备 n 型导电碳化硅晶片，在生长时需要通入氮气，让它产生的一部分电子中和掉硼、铝产生的空穴（即补偿），另外的游离电子使碳化硅表现为 n 型导电。为了制备高阻不导电的碳化硅（半绝缘型），在生长时需要加入钒（ V）杂质，钒既可以产生电子，也可以产生空穴，让它产生的电子中和掉硼、铝产生的空穴（即补偿），它产生的空穴中和掉氮产生的电子，所以所生长的碳化硅几乎没有游离的电子、空穴，形成高阻不导电的晶片。 高温化学气相沉积法（ HT-CVD） ： 高温化学气相沉积方法是用气态的高纯碳源和硅源，目前少量公司应用。 在 2200左右合成碳化硅 分子，反应气体在高温下分解生成碳化硅并附着在衬底材料表面，并沿着材料表面不断生长，生长速率一般为 0.51mm/h 左右。气态的高纯碳源和硅源比高纯 SiC 粉末更容易获得，成本更低。由于气态源几乎没有杂质，如果生长时不加入 n 型掺杂剂或 p 型掺杂剂，生长出的 4H-SiC 就是高纯半绝行业深度分析 /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。 缘（ HPSI）半导体。如果要生长 n 型掺杂或 p 型掺杂的 4H-SiC 也非常好控制，只要分别通入氮或者硼的气态源就可以实现，而且通过控制通入的氮或者硼的流量，就可以控制碳化硅晶体的导电强弱。 液相法 ： 液相法有望成为碳化硅晶体制备的未来发展方向 。 碳化硅没有液态，把硅加热到 1400 度变成液态，将碳溶解到硅里。生产温度下降（ 1700 度），生产速度提升 5 倍，每小时 1mm，未来有可能更高。 PVT 方法的晶体生长过程中位错缺陷较难控制，液相法由于生长过程处于稳定的液相中，可生长没有螺旋位错、边缘位错和几乎无堆垛层错的碳化硅单晶，该优势为高品质大尺寸碳化硅单晶制备技术提供另一种重要的方向和未来发展的储备。 晶锭加工： 将碳化硅晶锭使用 X 射线单晶定向仪进行定向，之后通过精密机械加工的方式磨平、滚圆，加工成标准直径尺寸和角度的碳化硅晶棒。对所有成型晶棒进行尺寸 、角度等指标检测。 晶棒切割： 使用金刚石细线将碳化硅晶棒切割成满足客户需求的不同厚度的切割，并使用全自动测试设备进行翘曲度、弯曲度、厚度变化等面型检测。 晶片研磨、抛光、清洗 ：晶片研磨指通过不同颗粒粒径的金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度，使用全自动测试设备及非接触电阻率测试仪对全部切割片进行面型及电学性能检测；晶片抛光指通过机械抛光和化学机械抛光方法，除表面划痕、降低表面粗糙度及消除加工应力等，使研磨片表面达到纳米级平整度。使用 X 射线衍射仪、原子力显微镜、表面平整度测试仪、表面缺陷综合测试仪等仪器设备，检测碳化硅抛光片的各项参数指标，据此判定抛光片的质量等级；晶片清洗指通过特定配比的化学试剂及去离子水对清洗机内的抛光片进行清洗，去除抛光片上残留的抛光液等表面玷污物，再通过超高纯氮气和甩干机将晶片吹干、甩干；将晶片在超净室封装在洁净片盒内，形成可供下游即开即用的碳化硅晶片。 3.2. 碳化硅衬底生产难度较高，温场控制是工艺核心 工艺困难导致碳化硅衬底制造效率较低。 碳化硅半导体晶片材料核心参数包括微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗糙度等 。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很难液相生长，现今市场主流采用气相生长的方法，在密闭高温腔体内进行原子有序排列并完成晶体生长、同时还要提升长晶效率是复杂的系统工程，温场控制是最核心的难度，后续将生长好的晶体加工成可以满足半导体器件制造所需晶片又涉及一系列高难度工艺调控。在整个过程中主要有以下几个难点： 温度要求高，黑箱操作观测难： 一般而言，碳化硅气相生长温度在 2300以上，且在生产中需要精确调控生长温度，与之对比，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。 长晶速度慢，时间成本高： 碳化硅的生长速度缓慢，现有国内主流工艺使用物理气相传输法（ PVT）约 7 天才能生长 2cm 左右。对比来看，硅棒拉晶 2-3 天即可拉出约 2m长的 8英寸硅棒。 晶型要求高，产出良率低： 碳化硅存在 200 多种晶体结构类型，其中六方结构的 4H 型（ 4H-SiC）等少数几种晶体结构的单晶型碳化硅才是所需的半导体材料，在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数，需要精确的行业深度分析 /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。 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否则容易产生多晶型夹杂，导致产出的晶体不合格。 材料硬度大，切割磨损高： 碳化硅硬度仅次于金刚石，为第二硬的材料，这导致其切割、研磨、抛光的加工难度也显著增加，工艺水平的提高需要长期的研发积累。另外，碳化硅晶片的厚度是会比硅基的硅的晶锭会薄很多。它在做切磨抛的时候需要更硬的一些设备，从而在切割、磨的时候碳化硅损失也会更多，产出比只有 60%左右。 3.3. 尺寸增加并进一步改进电化学性能是 SiC 技术下一阶段发展方向 扩径技术： 为提高 生产效率并降低成本，大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向。目前国内公司主要量产产品尺寸集中在 4 英寸及 6 英寸，而行业龙头 Cree 已成功研发 8 英寸产品。随着尺寸的不断增大，扩径技术的要求也越来越高，需要综合热场设计、结构设计、晶体制备工艺设计等多方面的技术控制要素，最终实现晶体的迭代扩径生长。 改进电学性能： 碳化硅衬底以电学性能分为导电性与半绝缘型，未来技术的发展需要保证电学性能的不断改进。 半绝缘型衬底 ： 目前行业领先企业已普遍将电阻率稳定控制在 108 cm 以上。在半绝缘型衬底制备过程中，去除晶体中的各种杂质对实现碳化硅晶体本征高电阻率十分重要。因此在 PVT 制备条件下，生长反应腔室内的反应物料的纯度需要得到保证，以避免粉料释放出杂质。 导电型衬