研究报告全文：碳化硅搭乘新能源发展东风-安信国际TMT硬件行业深度安信国际研究部Jan2023王哲昊LukeWangCFAEquityResearchwangzh1essencecomcn请参阅本报告尾部免责声明核心观点SiC是突破性第三代半导体材料与前两代半导体材料相比以SiC制成的器件拥有良好的耐热性耐压性和极低的导通能量损耗是制造高压功率器件与高功率射频器件的理想材料SiC下游应用包括新能源光伏储能通信等领域据Yole预计全球SiC功率半导体市场规模将从2021年的11亿美元增长至2027年的63亿美元CAGR超过34下游需求旺盛产品渗透率稳步提升新能源汽车是SiC器件最大的下游应用市场SiC器件能在缩减体积的情况下提高能量密度和工作稳定性并支持高平台电压有助于解决新能源车里程焦虑问题据Yole预计SiC新能源领域应用市场将以40的CAGR从2021年的69亿美元增长至2027年的50亿美元SiC功率器件的市场渗透率将有望在2024年突破10行业前景广阔且确定性强寡头垄断市场产品供不应求SiC产业链可分为上游衬底材料中游外延生长器件制造以及下游应用市场虽然我国为全球最大的新能源汽车市场但SiC器件生产制造能力距国际领先水平仍有较大差距SiC上中游产业链多被美日欧等国企业垄断外加近年来各国政府提高对新一代芯片研发制造的政策支持使海外头部公司迅速扩张产能快速占领市场尽管近年来我国SiC企业发展迅速但在关键技术节点上还有待突破产品良率与性能均弱于海外竞品短期内国产替代难度大公司推荐WolfspeedWOLFUSOnSemiONUSSTMicroSTMUSInfineonIFNNYUS三安光电600703SH天岳先进688234SH斯达半导603290SH风险提示新能源车销量与SiC渗透率不及预期行业竞争加剧SiC国产替代进度不及预期国际政策变化风险1目录第三代半导体介绍01下游市场规模02行业竞争格局03公司推荐04什么是碳化硅碳化硅SiliconeCarbideSiC是第三代半导体材料与前两代半导体材料相比SiC有着良好的耐热性导热性和耐高压性由SiC制成的器件具有高效率开关速度快等性能优势能大幅降低产品能耗提升能量转换效率并缩小产品体积是制造高压功率器件的理想材料目前SiC器件被广泛运用于新能源汽车充电桩智能电网光伏逆变器和风力发电等领域发展历程20世纪50年代20世纪90年代21世纪初半导体材料第一代第二代第三代硅砷化镓代表材料SiGaAs碳化硅氮化镓锗Ge磷化铟InPSiCGaN制造难度较大技术壁垒高工作频率更高耐高温抗低压低频低功率的集成价格昂贵主要用于新能源主要应用辐射主要用于通讯领域的电路晶体管中车光伏发电消费电子等发光电子器件领域GaAsInP资源稀缺价禁带宽度更大能够承受更产业链成熟技术完善成主要特点格昂贵且具有毒性对环高的电压更高的工作频率本较低境损害较大更高的工作温度禁带宽度eV11143234热导率Wcm-1K-115054013饱和电子漂移速率10102025107cms击穿电场强度MVcm03043533资料来源天岳先进招股书互联网公开资料安信国际整理2技术特性与应用领域由于SiC的击穿电场强度是第一代硅片的10倍因此使用SiC器件可以显著地提高产品最大工作压强工作频率和电流密度同时大大减少导通能量损耗SiC的禁带宽度是硅片的3倍保证了SiC器件在高温条件下的工作稳定性减少因高温造成的器件故障现象理论上一般硅片的极限工作温度为300C而SiC器件的极限工作温度可达600C以上同时由于SiC的热导率比硅更高在相同的输出功率下SiC能保持更低的器件温度因此对散热设计要求更低有助于实现设备的小型化SiC的饱和电子漂移速率是硅片的2倍因此SiC器件能实现更高的工作频率和功率密度第一代硅料vs第三代半导体材料对比SiC功率器件主要应用领域资料来源英飞凌InfineonYoleDevelopment天科合达招股书安信国际整理3技术特性与应用领域续开关恢复损耗低由于SiC的宽带隙特性使得SiC器件的导通电阻约为硅件的1200导通损耗更低在SiFRDs和SiMOSFETs中当从正向偏置切换到反向偏置时会产生大量的瞬态电流造成大量的能量损耗switchingloss而SiCSBDs和SiCMOSFETs是多子载流器件切换反向偏置时只会流过少量电流且不受温度和正向电流大小的影响在任何工作环境都可实现快速稳定的反向恢复大大减少能量损耗SiCSBDvsSiFRD反向恢复损耗对比SiCSBDvsSiFRD温度依存性对比资料来源ROHMSiCApplicationNotes互联网公开资料安信国际整理4技术特性与应用领域续高压稳定性热稳定性一般来说SiMOSFETs的正常工作电压可以达到900v而由SiC制成的器件最大工作电压能轻松超过1700v且能保持极低的漂移层电阻减少能量损耗同时SiMOSFETs在温度升高至150C时漂移层电阻将会提高1倍而SiCMOSFETs在同等条件下漂移层电阻仍能保持较好的稳定性电阻提升幅度远小于SiMOSFETsSiMOSFETvsSiCMOSFET标准化导通电阻对比SiMOSFETvsSiCMOSFET标准化导通电阻温度特性资料来源ROHMSiCApplicationNotes安信国际整理5技术特性与应用领域续高能量密度设备小型化能力SiC器件的设备小型化能力主要体现在几个方面1SiC高禁带宽度决定了它能承受更高的杂质浓度并降低漂移层膜厚缩小芯片体积2SiC优良的散热性与热稳定性对芯片散热系统的要求更低SiC的饱和电子漂移速率更大在实现高工作频率的同时提高了功率密度减少了变压器电感器等外围组件的体积降低整体器件成本并缩减了器件大小SiC器件能量密度更高能量损耗更小SivsSiC器件大小对比资料来源ROHMSiCApplicationNotes天科合达招股书安信国际整理6技术特性与应用领域续SiCvsSi器件综合能力比较与传统硅片器件相比SiC系统可以有效减少约50的电导通损耗如运用在新能源车中能提升约4的车辆续航能力且降低约20的电能转换系统成本同时SiC器件散热能力强封装尺寸小能更好助力于器械小型化未来随着技术与产量的提升SiC器件价格有望持续下降从而扩大下游市场应用规模提高产品渗透率SiC器件能量密度更高能量损耗小封装尺寸小1200vSiCSBDSiFRD平均价格走势A87576666252542463843338329202131409091020172018201920202021SiCSBDSiFRD报价差资料来源CASAPowerElectronics安信国际整理7政策助力行业发展发展计划海外发布机构主要内容围绕材料外延器件应用等SiC全产业链突破SiC器件技术发展下一代SPEED计划欧盟委员会SiC基电力电子器件用于风力发电和新一代固态变压器器件耐压目标17kv和10kv以上研制新型宽禁带半导体材料器件结构以及制造工艺提高能量密度加快开关频SWITCHES计划美国能源部率增强温度控制使电力电子技术成本更低效率更高降低电机驱动和电网电能转换等应用的能量损耗使得控制和转换电能的方式发生重大变革美国国防部先NEXT计划研发能够同时实现极高速度和电压的GaN器件制造工艺满足大规模集成要求进研究项目局联合德国法国意大利瑞典和英国强化欧洲SiC衬底和GaN外延片区域内MANGA计划欧洲防务局供应能力降低对欧洲以外国家的依赖性形成服务于国防工业的GaN电子器件产业链日期国内发布机构主要内容8月14日工信部宣布将SiC复合材料Si基复合材料等纳入十四五产业科2021年8月工信部技创新相关发展规划刊登了中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目2021年3月新华网标纲要其中集成电路领域特别提出SiCGaN等宽禁带半导体即第三代半导体要取得发展新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策中指出国家鼓2020年7月国务院励集成电路企业自获利年度起第一年至第二年免征企业所得税第三年至第五年按照25的法定税率或减半征收企业所得税重点新材料首批次应用示范指导目录其中GaN单晶衬底功率器件用2019年11月工信部GaN外延片SiC外延片SiC单晶衬底等第三代半导体产品进入目录资料来源天科合达招股书工信部国务院新华网公开资料安信国际整理8目录第三代半导体介绍01下游市场规模02行业竞争格局03公司推荐04第三代半导体市场规模全球SiC功率半导体市场规模有望于2027年突破60亿美元据Yole预测全球SiC功率半导体市场将从2021年的11亿美元增长至2027年的63亿美元CAGR将超过34从应用领域看未来新能源汽车领域的应用将会主导SiC市场至2027年SiC新能源车应用市场份额将占全球SiC市场的79虽然Si仍是主流半导体材料但第三代半导体渗透率仍将逐年攀升据Yole预测Si材料器件未来仍将占据半导体市场的主导地位预计未来市场渗透率仍超过80第三代半导体材料渗透率将会逐年攀升整体渗透率预计于2024年超过10其中SiC的市场渗透率有望接近10而GaN渗透率将达到32021-2027SiC功率半导体市场规模预测SiCvsGaNvsSi市场渗透率预测2021CAGR202710011bn3463bn550M80126M91260458M740154M20144986M685M6479020202021E2022E2023E2024E2025ETelecomInfrastructureConsumerIndustrialTransportationEnergyAutomotiveSiCGaNSi资料来源YoleDevelopment安信国际整理9新能源车将成为SiC最大市场SiC功率器件降低新能源车电力损耗SiC在新能源车中主要应用在牵引逆变器电源转换系统DCDC转换器电源驱动系统车载充电系统和非车载充电桩中据统计B级以上新能源车SiC器件需求量约为66-150颗之间TeslaModelS仅SiCSBD使用量已超过60颗而直流充电桩大概需要150多颗SiC器件SiC渗透率提升四大驱动力1各国碳达峰碳中和目标2新能源车里程与功率的提升3车载电池的小型化4SiC器件价格持续下降搭载SiC器件能使新能源车辆损耗将降低50以上充电速度可提升2倍功率密度提升50以上同时器件体积能减小50第三代半导体在新能源车中的应用主要国家宣布的碳中和时间表国家目标年份中国2060前美国2050欧盟2050英国2050德国2045法国2050资料来源KeysightAutomotivePowerElectronicsTestWikipedia安信国际整理10新能源车将成为SiC最大市场续全球新能源车销售统计百万辆30M258M25M11120M908215M57616110M13203525425M3205096500060014005902220418079708620M20132014201520162017201820192020202120222030AMERxUSAAPACxChinaEMEAChinaUSARestoftheWorldTotalYoYTotalGrowth新能源车搭载第三代芯片时间统计800v充电平台时间统计品牌时间逆变器技术品牌时间形式特斯拉2018SiCMOSFET保时捷2018车型充电桩保时捷2019SiCMOSFET起亚特斯拉2020充电桩丰田2020SiCMOSFET奥迪现代2020平台比亚迪2020SiCMOSFET比亚迪2021平台奥迪2021SiCMOSFET吉利2021平台现代2021SiCMOSFET长城2021车型蔚小理等2022SiCMOSFET蔚小理等2021车型平台充电桩资料来源BloombergIEA懂车帝维科网公司官网安信国际整理11光伏发电驱动SiC器件需求提升传统Si器件是光伏系统能量损耗主要来源之一在光伏发电中传统Si逆变器成本约占10但却是系统能量损耗的主要来源之一使用SiC器件的光伏逆变器可以将能量损耗降低50以上将能量转换效率从96提升至99且能提高设备循环寿命50倍并缩小设备体积预计未来第三代半导体将在光伏发电领域逐步替代传统硅基器件据SolarPowerEurope数据在中性预期下全球光伏新增装机量将以156CAGR从2021年的168GW增长至2026年的346GW而光伏逆变器中SiC器件的市场渗透率将在同年提升至50左右第三代芯片的市场占有率将随着装机量与渗透率的提升而持续扩大全球光伏新增装机量预测光伏逆变器中SiC器件占比预测500GW45881008580400GW118075701110300GW2708122435603650200GW168181440100GW20100GW20172018201920202021202220232024202520260历史数据乐观预期悲观预期中性预期202020252030203520402048资料来源CASASolarPowerEurope天科合达招股书安信国际整理12目录第三代半导体介绍01下游市场规模02行业竞争格局03公司推荐04产业链梳理设备晶片衬底外延设计制造封测应用新能源车导电型SiC外延功率器件电力系统半导体SiC晶片器械微波射频半绝缘型GaN外延5G通讯器件AMATWOLFONROHMGEInfineonMCHPNXPILRCXII-VISTMPOWI三安光电时代电气芯源微天岳先进天岳先进北方华创天科合达斯达半导华微电子晶盛电机露笑科技资料来源公开资料安信国际整理海外公司国内公司13产业链价值对比SiC产业链中衬底的价值占比最高SiC衬底材料是碳化硅芯片的核心在一个典型的SiCMOSFET中衬底的制造成本能占到器件总成本的35以上而在6英寸SiC衬底制造过程中包含良率损失的衬底成本占到总成本的70以上SiC单晶生长缓慢衬底制造困难良品率低等因素是SiC器件价格高企的主要原因SiCMOSFETs成本占比SiC6英寸衬底成本拆分23353284441713177芯片良率成本外延良率成本测试成本制造成本外延成本衬底成本衬底制造外延正反面处理良率损失资料来源SystemPlusJENRS安信国际整理14SiC衬底生产流程介绍碳化硅衬底生产流程碳化硅衬底分为半绝缘型和导电型产1粉料合成2籽晶稳定半绝缘型导电型品图例技术难点制4衬底切割3晶体生长以SiC晶片为衬底以SiC晶片为衬底作在晶片上生长氮化镓在晶片上生长碳化硅工GaN外延片SiC外延片艺主要HEMT等微波视频器SDBMOSFET器件IGBT等功率器件件5研磨抛光6清洗检测应新能源汽车轨道交用信息通讯无线电探通大功率变电器领测等储能等域资料来源天岳先进招股书公开资料安信国际整理15全球市场竞争格局美日欧厂商占领全球SiC衬底市场的主导地位得益于先发优势全球SiC衬底市场被美日欧等企业所主导其中技术领先市场占有率高的有Wolfspeed原CREEII-VI貳陆SiCrystalROHM等上述三家公司全球市场占有率总和超过90其中Wolfspeed一家独大衬底占市率超过60SiC功率器件市场由美欧两国主导从SiC器件市场上看STM意法半导体与Infineon英凌飞占据超过50的全球SiC功率器件市场份额美企Wolfspeed从衬底技术出发向下游功率器件市场拓展2021年SiC功率器件市场份额占比达142020SiC导电型衬底市场竞争格局2021SiC功率器件市场竞争格局1142215913714621438Wolfspeed美II-VI美SiCrystal日Infineon德OnSemi美STMicro瑞SKSiltron韩天科合达OthersWolfspeed美ROHM日Others资料来源YoleDevelopmentTheInformationNetwork安信国际整理16