SiC器件性能优势显著，下游应用环节广阔，在高功率应用上替代硅基产品具有强确定性，预计未来几年行业将保持高增速。当前时间点，国内龙头企业不断扩张产能，抢占市场份额，有望打破海外垄断，投资价值凸现。建议关注衬底、外延环节具有技术优势且持续获得下游订单的龙头企业。
　　▍第三代半导体适用于高压、高频、高温、高功率领域。第三代半导体材料具有更宽的禁带、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率，在高压、高频、高温、高功率等领域具有更强的适用性。2021年GaN全球渗透率约0.2%，SiC渗透率近2%。SiC商用更加成熟，在高功率应用中优势地位凸显，在光伏新能源、轨道交通、智能电网、新能源汽车及充电桩等领域均具有广泛应用。
　　▍SiC产业链材料环节至关重要，衬底技术密集，外延承上启下。SiC产业链包含单晶生长、衬底制备、外延生长、芯片制造、器件制造、模块封装和终端应用等环节。在材料端，衬底制备难度大，需解决生产速率慢、缺陷控制不易、产品良率低等问题，是产业链中技术密集型和资金密集型的环节；外延生长是承上启下的关键一环，外延可以大幅优化衬底形貌，有效减弱晶体生长与加工中引入的缺陷所造成的不利影响，进而显著提升SiC器件的性能与可靠性。
　　▍海外占据SiC市场主流，国内龙头快速追赶。当前美欧日占据全球SiC产业主要市场，其中美国一家便占有全球70%-80%的SiC产量，但行业尚处于发展早期，国内企业有望在快速成长中做大做强，挑战海外巨头垄断地位。衬底方面，2021年半绝缘型SiC厂商天岳先进市占率30%，2018年导电型SiC厂商天科合达市占率1.7%，两家扩产规划持续推进。外延方面，国内龙头公司东莞天域、瀚天天成近年亦在快速扩张产能，有望大幅提升市占率。
　　▍多领域驱动SiC需求，同质外延片2025年国内市场规模有望超百亿。我们测算：（1）新能源车方面，电机驱动系统、车载充电系统、电源转换系统构成SiC最大市场，我们预计2025年SiC需求118万片（对应6英寸，下同）；（2）充电桩方面，高压充电桩解决充电速度+里程焦虑问题，我们预计2025年SiC需求33万片；（3）光伏方面，SiC大幅改善光伏逆变器性能，我们预计2025年SiC需求16万片。综上，预计2025年中国导电型碳化硅需求量将达202万片，对应未来三年CAGR为65.53%，对应导电型SiC衬底市场需求约100亿元，对应SiC同质外延片市场需求约191亿元。
　　▍风险因素：下游需求放量不及预期；技术渗透率提升速度不及预期；产能扩张速度不及预期；其他技术创新对SiC的影响。
　　▍投资策略：SiC器件性能优势显著，下游应用环节广阔，在高功率应用上替代硅基产品具有强确定性，预计未来几年行业将保持高增速。在当前时间点，国内龙头企业不断扩张产能，抢占市场份额，有望打破海外垄断，投资价值凸现。建议关注衬底环节具有技术优势且持续获得下游订单的天科合达、天岳先进、东尼电子、南砂晶圆，以及在外延环节持续扩张产能的龙头公司东莞天域、瀚天天成。

研究报告全文：同质外延SiC需求广阔掘金百亿高成长赛道新材料行业第三代半导体系列一202336中信证券研究部核心观点SiC器件性能优势显著下游应用环节广阔在高功率应用上替代硅基产品具有强确定性预计未来几年行业将保持高增速当前时间点国内龙头企业不断扩张产能抢占市场份额有望打破海外垄断投资价值凸现建议关注衬底外延环节具有技术优势且持续获得下游订单的龙头企业第三代半导体适用于高压高频高温高功率领域第三代半导体材料具有更宽的禁带更高的击穿电场更高的热导率更高的电子饱和速率在高压李超高频高温高功率等领域具有更强的适用性年全球渗透率约新材料行业首席2021GaN02分析师SiC渗透率近2SiC商用更加成熟在高功率应用中优势地位凸显在光伏S1010520010001新能源轨道交通智能电网新能源汽车及充电桩等领域均具有广泛应用SiC产业链材料环节至关重要衬底技术密集外延承上启下SiC产业链包含单晶生长衬底制备外延生长芯片制造器件制造模块封装和终端应用等环节在材料端衬底制备难度大需解决生产速率慢缺陷控制不易产品良率低等问题是产业链中技术密集型和资金密集型的环节外延生长是承上启下的关键一环外延可以大幅优化衬底形貌有效减弱晶体生长与加工中引入的缺陷所造成的不利影响进而显著提升SiC器件的性能与可靠性陈旺新材料分析师海外占据SiC市场主流国内龙头快速追赶当前美欧日占据全球SiC产业主要市场其中美国一家便占有全球70-80的SiC产量但行业尚处于发展早S1010520090003期国内企业有望在快速成长中做大做强挑战海外巨头垄断地位衬底方面2021年半绝缘型SiC厂商天岳先进市占率302018年导电型SiC厂商天科合达市占率17两家扩产规划持续推进外延方面国内龙头公司东莞天域瀚天天成近年亦在快速扩张产能有望大幅提升市占率多领域驱动SiC需求同质外延片2025年国内市场规模有望超百亿我们测算1新能源车方面电机驱动系统车载充电系统电源转换系统构成SiC最大市场我们预计2025年SiC需求118万片对应6英寸下同2充电桩方面高压充电桩解决充电速度里程焦虑问题我们预计2025年SiC需求33万片3光伏方面SiC大幅改善光伏逆变器性能我们预计2025年SiC需求16万片综上预计2025年中国导电型碳化硅需求量将达202万片对应未来三年CAGR为6553对应导电型SiC衬底市场需求约100亿元对应SiC同质外延片市场需求约191亿元风险因素下游需求放量不及预期技术渗透率提升速度不及预期产能扩张速新材料行业度不及预期其他技术创新对SiC的影响评级强于大市维持投资策略SiC器件性能优势显著下游应用环节广阔在高功率应用上替代硅基产品具有强确定性预计未来几年行业将保持高增速在当前时间点国内龙头企业不断扩张产能抢占市场份额有望打破海外垄断投资价值凸现建议关注衬底环节具有技术优势且持续获得下游订单的天科合达天岳先进东尼电子南砂晶圆以及在外延环节持续扩张产能的龙头公司东莞天域瀚天天成证券研究报告请务必阅读正文之后第34页起的免责条款和声明新材料行业第三代半导体系列一202336目录第三代半导体适用于高压高频高温高功率领域5SiC产业链全景衬底技术密集外延承上启下8SiC格局海外占据市场主流国内龙头快速追赶12美欧日占据全球产业链主要市场各环节国内快速成长12衬底环节美国全球领先行业大踏步迈进扩产步伐12外延环节美日两强局面国内龙头企业发展提速14SiC需求多领域驱动同质外延片国内市场望达百亿15新能源车电驱系统主逆变器增长强劲预计2025年SiC需求约118万片15高压充电桩解决充电速度里程焦虑问题预计2025年SiC需求约33万片18SiC大幅改善光伏逆变器性能预计2025年SiC需求约16万片22SiC在其他众多领域均有巨大市场前景预计2025年需求量约36万片24总结2025年中国导电型SiC衬底100亿元SiC同质外延片191亿元25重点公司25天岳先进半绝缘SiC衬底领先企业募投项目持续扩张产能25天科合达导电型SiC衬底领先企业8英寸产品有望23年量产26东尼电子导电型SiC衬底已量产交货研发团队功底深厚26同光晶体布局导电型SiC衬底承担多项重大项目27山西烁科4英寸半绝缘SiC已产业化持续向大尺寸迈进27南砂晶圆与山东大学开展产学研合作SiC衬底产品系列丰富27天域半导体SiC外延片领军企业规模体量国内领先28瀚天天成中美合资高新技术企业产能规模扩张迅速28风险因素29投资策略29请务必阅读正文之后的免责条款和声明2新材料行业第三代半导体系列一202336插图目录图1三代半导体材料5图2不同电压下SiCGaNSi各自的优势领域7图3不同频率下SiCGaNSi各自的优势领域7图4碳化硅半导体器件生产工序8图5PVT法生长碳化硅晶体示意图10图6SiCJBS成本构成10图7SiC-CVD外延5种典型反应室结构示意图11图8碳化硅产业链全景12图92018年全球导电型SiC衬底市场占有率13图102020年全球半绝缘型SiC衬底市场占有率13图112021年全球SiC衬底市场格局13图12我国SiC衬底已公布规划产能分布14图13SiC在新能源车中的应用15图14SiIGBT与SiCMOSFET器件功耗对比16图15SiIGBT与SiCMOSFET器件效率对比16图162017-2020年650VSiC和Si器件价格比较16图17SiCMOSFET2019-2020年平均价格16图18直流快速充电桩由一级AC-DC和一级DC-DC组成18图19400KM里程续航所需充电时间19图20中国充电桩行业SiC渗透率预测20图21中国新能源充电桩行业市场规模20图22光伏逆变器原理图22图23SiC器件改善光伏逆变器性能23图24光伏逆变器中SiC功率器件占比23图25轨道交通领域碳化硅功率器件占比24请务必阅读正文之后的免责条款和声明3新材料行业第三代半导体系列一202336表格目录表1三代半导体材料的指标参数对比6表2不同SiC单晶制备方法比较9表3碳化硅企业不同尺寸产品量产时间线14表4国内SiC相关产品产能统计15表5采用SiC基OBC系统的节约成本比较17表6中国新能源车领域SiC晶片市场需求测算17表7不同ACDC拓扑结构所需SiC器件数量18表820-30kW范围内不同DCDC拓扑结构所需SiC器件数量19表950kW不同DCDC拓扑结构所需SiC器件数量19表10中国直流充电桩数量预测21表11中国充电桩领域SiC晶片市场需求测算21表12中国光伏领域SiC晶片市场需求测算24表13中国其他领域SiC晶片市场需求测算25表14中国导电型SiC市场规模测算25请务必阅读正文之后的免责条款和声明4新材料行业第三代半导体系列一202336第三代半导体适用于高压高频高温高功率领域材料是半导体产业发展基石不断涌现新的材料体系第一代半导体兴起于20世纪50年代是以SiGe为代表的单质半导体其中硅基半导体材料发展时间长制备工艺复杂度低技术成熟度高在电子信息新能源光伏等领域运用广泛但是这类材料带隙较窄电子迁移率和击穿电场较低在光电子领域高频高功率器件方面应用受到明显限制第二代半导体兴起于20世纪90年代移动通信的飞速发展推动了以砷化镓GaAs锑化铟InSb为代表的化合物半导体材料的发展这类材料相较第一代半导体材料更适合制作高速高频大功率以及发光电子器件在微波通讯光通讯等领域有广泛应用但是第二代半导体材料存在资源稀缺价格高昂材料本身具有毒性以及可能造成环境污染等问题使其在应用上同样具有局限性第三代半导体兴起于21世纪与前两代半导体材料相比以SiC与GaN为代表的第三代半导体材料具有更宽的禁带23eV更高的击穿电场更高的热导率更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力同时SiC材料更有效克服了资源稀缺毒性环境污染等问题在高压高频高温高功率等领域具有更强的适用性图1三代半导体材料第三代21世纪宽禁带半导体SiCGaN等第二代20世纪90年代化合物半导体GaAsInSb等第一代20世纪50年代单质半导体SiGe资料来源天岳先进官网中信证券研究部三代半导体材料在特定的应用场景中存在各自比较优势硅基半导体材料由于储量丰富价格低的特点目前是产量最大应用最广的半导体材料90以上的半导体产品为硅基主要应用于低压低频低功率的晶体管和探测器中砷化镓半导体材料广泛应用于光电子和微电子领域是制作半导体发光二极管的关键衬底材料对于工作频段更高输出功率要求更高的器件第三代半导体是更好的选择主要应用于5G通信国防和新能源汽车领域第三代半导体主要包括SiC氮化物氧化物和金刚石等其中SiC和GaN是第三代半导体中应用最广的两类材料两者工艺最为成熟且在产业化上推进最快请务必阅读正文之后的免责条款和声明5新材料行业第三代半导体系列一202336表1三代半导体材料的指标参数对比硅砷化镓碳化硅氮化镓指标参数备注第一代第二代第三代第三代禁带宽度eV1121433234数值越大耐高压性能最好饱和漂移速率107cms10102025数值越大高频性能越好热导率Wcm-1K-1150544013数值越大耐高温性能越好击穿电场强度MVcm03043533数值越大耐高压性能越好资料来源天岳先进招股说明书宽禁带半导体高频及微波功率器件与电路赵正平中信证券研究部GaN与SiC这两种宽禁带半导体材料间也存在明显差异1二者的适用电压不同因而目标应用也不同SiC适用的电压范围为650V-33kV是1200V以上的高频器件同时兼有功率密度高的特点因此SiC在太阳能逆变器新能源汽车充电轨道交通燃料电池中的高速空气压缩机DCDC电动汽车电机驱动数字化趋势下的数据中心等领域都有着广泛应用相比SiCGaN的适用电压范围更低一般从中压80V到650V2二者在热导率上的较大差异使得SiC在高功率应用中几乎占据统治地位由于SiC的热导率是GaN的近4倍高热导率有助于功率器件的散热在同样的输出功率下可以保持更低的温度从而有效避免半导体器件在高温下因出现载流子的本征激发而导致器件失效而且材料更高的热导率会使得器件对散热设计的要求更低从而助力设备的小型化3高电子迁移率和电子饱和速度让GaN在高频率应用中更占优GaN相比Si和SiC更高的电子迁移率和电子饱和速度另其具有更高的开关速度可达MHz级因而在开关频率最高的中等功率应用如快充等中更具优势此外在光电子领域GaN在Micro-LED深紫外LED等热门赛道同样表现优异当然SiC和GaN在应用端各具优势的同时亦能有效合作在微波射频领域通过在半绝缘SiC衬底上外延生长氮化镓可以制备SiC基GaN-HEMT这是现今制造5G基站功率放大器最重要的材料整体上SiC的商用更加成熟而GaN市场则处于起步阶段从2010年IR发布业界第一款硅基GaN开关器件到现在业界对GaN的研究已经深入了很多但真正大规模的应用仍局限于最近数年相比GaN市场从1970年代便开始功率器件的研发1980年代晶体质量和制造工艺获得大幅改进90年代末开始加速发展的SiC市场运行的时间要长得多现存器件数量要大得多也因而更为成熟根据Yole的测算转引自新材料在线截至2021年全球半导体材料市场GaN的渗透率仅017而SiC的渗透率为198本文的后续研究将聚焦于SiC行业请务必阅读正文之后的免责条款和声明6新材料行业第三代半导体系列一202336图2不同电压下SiCGaNSi各自的优势领域高GaNGaNSiCSiCGaNGaNSiCSiC中SiTrenchCBSGSiSJSiIGBT性能标准频率效率功率密度SiTrenchSiCwithchargebalanceSiSJSiIGBT低shieldedgateSiIGBT低电压中电压高电压50-300V400-900V1000V半导体击穿电压资料来源宽禁带半导体行业深度SiC与GaN的兴起与未来刘翔刘尚中信证券研究部图3不同频率下SiCGaNSi各自的优势领域10MSiC1MWCentralPVPile100kStringPVOBC输出功率GaN10kSi1k1k10k100k1M10MOBC车载充电装置Pile充电桩频率HzCentralPV中央光伏StringPV分布式光伏资料来源英飞凌官网第三代半导体与硅器件将长期共存英飞凌科技著中信证券研究部请务必阅读正文之后的免责条款和声明7新材料行业第三代半导体系列一202336SiC产业链全景衬底技术密集外延承上启下碳化硅半导体器件生产工序主要包括碳化硅高纯粉料单晶衬底外延片功率器件模块封装和终端应用等环节碳化硅高纯粉料是采用PVT法生长碳化硅单晶的原料其产品纯度直接影响碳化硅单晶的生长质量以及电学性能单晶衬底是半导体的支撑材料导电材料和外延生长基片外延是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的与衬底晶向相同的单晶薄膜的碳化硅片或者氮化镓外延层图4碳化硅半导体器件生产工序资料来源简析碳化硅在半导体行业中的发展潜力杨玺苏丹茹毅等新能源汽车网罗姆官网瀚天天成公司官网中信证券研究部1衬底环节PVT法是SiC晶体生长主流方法且对应的SiC衬底可分为半绝缘型和导电型两类高纯SiC粉体生产主要是在高温下2000以上反应合成能满足晶体生长要求的高纯SiC微粉原料粉体的纯度将直接影响SiC单晶的生长质量及电学性能SiC晶体生长方法主要有物理气相传输法PVT法高温化学气相沉积法CVD法顶部籽晶溶液生长法TSSG法等其中目前大规模产业化中主要采用PVT法单晶衬底是半导体的支撑材料导电材料和外延生长基片单晶衬底加工是通过对SiC晶体整形加工切片加工晶片研磨抛光检测清洗等一系列机加工工序制得透明或半透明无损伤层低粗糙度的SiC衬底的过程SiC衬底可分为半绝缘型和导电型两类半绝缘型衬底主要通过去除晶体中的各种杂质尤其是浅能级杂质来实现晶体本征高电阻率而导电型衬底则是通过在晶体生长过程中引入氮元素来实现低晶体电阻率请务必阅读正文之后的免责条款和声明8新材料行业第三代半导体系列一202336表2不同SiC单晶制备方法比较制备方法物理气相传输法PVT高温化学气相沉积法CVD顶部籽晶溶液生长法TSSG典型生长速率200-400mh典型生长速率300mh典型生长速率500mh重要参数生长温度2200-2500生长温度2200生长温度1460-1800晶型4H6H晶型4H6H晶型4H6H工艺方法示意图1制备出的SiC纯度高于PVT法1技术发展最成熟应用最广泛的SiC2SiC原子比例能够控制1位错密度低于PVT法晶体生长方法占据主流优点3生长原料供应的连续性好2可以获得p型晶体2设备成本低结构简单4一体化设备且参数可调控3生长成本低3耗材成本低5晶体缺陷少且生长过程掺杂方便1半绝缘型制造困难生长厚度受限没1反应缓慢1金属杂质难以控制有一体化设备2设备昂贵耗材原料成本高且维2Si在溶液中溶解度有限制得晶体尺寸2晶体缺陷密度高成品率低扩径困难护困难缺点小目前主要用于实验研究成本高3可监控生长参数较少3晶体生长缓慢3生长速率慢4生长过程中进气口和排气口易堵4对材料要求高4长晶过程可监控生长参数少塞因而设备稳定性较低WolfspeedII-IVDowCorningSicrystal应用厂商Norstel日本电装等住友金属等等资料来源粉体网高温溶液法生长SiC单晶的研究进展王国宾李辉盛达等第三代半导体SiC芯片关键装备现状及发展趋势杨金巩小亮何永平中信证券研究部难点上看生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是单晶的生长也是碳化硅半导体材料应用的主要技术难点是产业链中技术密集型和资金密集型的环节影响碳化硅衬底成本的制约性因素在于生产速率慢缺陷控制难度大产品良率低硅单晶的生长速度约为300mmh碳化硅单晶的生长速度约为400mh两者相差近800倍举例来说五六厘米的晶锭形成需连续稳定生长200-300小时碳化硅晶锭制备速率十分缓慢这使得晶锭造价高昂碳化硅单晶在2300以上的密闭腔室内完成固-气-固的转化重结晶过程生产周期长控制难度大此外碳化硅单晶包括200多种不同晶型生产过程中单一特定晶型难以稳定控制请务必阅读正文之后的免责条款和声明9新材料行业第三代半导体系列一202336图5PVT法生长碳化硅晶体示意图图6SiCJBS成本构成封测5前段20SiC衬底50外延25资料来源天科合达招股说明书中信证券研究部资料来源CASA测算基本半导体公司官网中信证券研究部2外延环节外延层厚度影响SiC器件耐压等级不同外延方式可用于制备不同器件SiC外延环节是在SiC衬底上通过化学气相沉积液相外延分子束外延或升华外延等方法生长一层具有特定要求且晶体取向与衬底相同的单晶薄膜的过程目前大规模生产中主要采用化学气相沉积法外延过程可以使表面晶格排列整齐大幅优化衬底形貌从而有效减弱晶体生长与加工中引入的缺陷所造成的不利影响进而显著提升SiC器件的性能与可靠性不同外延层厚度对应不同耐压等级的器件规格因而对应不同系列的产品通常1m对应100V左右的耐压因此耐压在600V左右时需要6m左右的外延层若耐压高于10000V则相应的外延层厚度也需要在100m以上通过在半绝缘型SiC衬底上生长GaN外延层可以制得用于制备GaN射频器件的SiC基GaN外延片若在导电型SiC衬底上生长SiC外延层则可制得用于制备各类功率器件的SiC外延片难点上来看一方面SiC外延生长的参数要求很高包括设备密闭性反应室气压气体通入时间气体配比情况沉积温度控制等一方面厚度掺杂浓度均匀性作为外延片的核心参数在器件耐压等级不断提升下难度随之大幅提升随着外延层厚度的增加控制厚度和电阻率均匀性以及缺陷密度的难度越来越大请务必阅读正文之后的免责条款和声明10新材料行业第三代半导体系列一202336图7SiC-CVD外延5种典型反应室结构示意图资料来源化学气相沉积法碳化硅外延设备技术进展韩跃斌蒲勇施建新3器件环节器件制造环节以IDM模式最为常见SiC器件环节主要负责芯片的制造整体涉及的流程较长以集合芯片设计芯片制造芯片封装和测试等多个产业链环节于一体的IDMIntegratedDeviceManufacture模式最为常见SiC器件封装环节主要包括芯片固定引线封装等步骤用以解决散热和可靠性等问题SiC功率器件主要包括SiC二极管SiC开关管SiC功率模块等以直插式TO封装为主相比上游SiC下游工艺制程具有更高的包容性和宽容度下游制造环节对设备的要求也相对较低投资额相对较小4应用环节能源转换和射频通讯是下游应用的主要方向终端应用环节功能为电力设备电能变换和控制电路的SiC功率器件包括MOSFETIGBT晶闸管功率二极管功率三极管等主要应用于光伏新能源轨道交通智能电网新能源汽车及充电桩等功能为无线通信中的信号转换的SiC射频器件包括滤波器低噪声放大器功率放大器射频开关等则主要被运用于5G通信基站雷达等请务必阅读正文之后的免责条款和声明11新材料行业第三代半导体系列一202336图8碳化硅产业链全景资料来源天岳先进招股说明书Yole转引自天岳先进招股说明书中信证券研究部SiC格局海外占据市场主流国内龙头快速追赶美欧日占据全球产业链主要市场各环节国内快速成长美欧日占据全球SiC产业主要市场国内厂商各环节快速成长全球SiC市场中美国一家独大占有全球70-80的SiC产量典型公司包括WolfspeedCREEIIVIMicrosemi等欧洲拥有从衬底外延器件到应用的完整SiC产业链典型公司包括英飞凌Infineon意法半导体ST等日本在设备与模块开发方面领先典型公司有罗姆半导体ROHM三菱电机Mitsubishi富士电机Fuji瑞萨Renesas等根据Yole数据转引自天岳先进招股说明书2021年SiC基功率器件市占率约为5行业处于发展早期格局尚未定型国内企业在快速发展中有望做大做强挑战海外巨头垄断地位在衬底环节国内涌现出天科合达天岳先进同光晶体山西烁科东尼电子南砂晶圆等优秀企业外延环节国内厂商包括东莞天域瀚天天成等设计厂商包括飞锃半导体上海瀚薪等IDM厂商包括泰科天润瞻芯电子中科汉韵三安集成华润微等国内供应链在各个环节均有布局有望在巨大需求拉动下实现快速成长衬底环节美国全球领先行业大踏步迈进扩产步伐衬底方面Wolfspeed是全球最大SiC衬底生产商美国占据全球SiC衬底市场最大份额美国Wolfspeed因布局较早衬底良率及产能均全球领先又由于下游芯片制造商在衬底选择上的谨慎性Wolfspeed衬底的市场份额在半绝缘型和导电型两块都领先全球根据Yole数据转引自天岳先进招股书半绝缘型SiC衬底市场方面2020年Wolfspeed以33的市占率与II-VI天岳先进形成三足鼎立的格局天岳先进市占率为30导电型SiC衬底市场方面2018年Wolfspeed以62的市占率领先于其他生产请务必阅读正文之后的免责条款和声明12新材料行业第三代半导体系列一202336商国内厂商天科合达市占率为17从地域上看美国占据了全球约76的SiC衬底的市场份额远超其他地区市场份额的总和图92018年全球导电型SiC衬底市场占有率图102020年全球半绝缘型SiC衬底市场占有率WolfspeedII-IVROHMWolfspeedII-IV天岳先进其他陶氏昭和电工天科合达ST天岳先进其他221700500501304303312621635资料来源Yole转引自天岳先进招股书中信证券研究部资料来源Yole转引自天科合达招股书中信证券研究部图112021年全球SiC衬底市场格局Wolfspeed美国II-IV美国SiCrystalROHM日本SKSiltron韩国天科合达中国其他425131462资料来源Wolfspeed官网ROHM公司年报半导体行业观察新材料在线中信证券研究部从技术方面考虑由于全球行业龙头企业在碳化硅领域起步较早因此在碳化硅衬底各尺寸量产推出时间方面天科合达天岳先进仍扮演追赶者角色在4英寸衬底量产时间上天科合达晚于龙头企业科锐公司12年天岳先进晚于科锐公司16年在6英寸衬底的量产时间上天科合达天岳先进分别晚于科锐公司5年和10年之久在8英寸衬底方面两家国内企业尚不具备量产能力请务必阅读正文之后的免责条款和声明13新材料行业第三代半导体系列一202336表3碳化硅企业不同尺寸产品量产时间线4英寸6英寸8英寸公司名称早于天科合达天岳先早于天科合达天岳先具备量产能力时间具备量产能力时间具备量产能力时间进年数进年数科锐公司1999年12年16年2009年5年10年2015年贰陆公司2005年6年10年2012年2年7年2019年天科合达2011年2014年2020年启动研发天岳先进2015年2019年尚不具备量产能力资料来源天岳先进招股书天科合达招股书中信证券研究部从产能方面看全球碳化硅半导体市场快速发展并已经迎来爆发期国际巨头纷纷加大投入实施扩产计划其中碳化硅国际标杆企业科锐公司于2019年宣布投资10亿美元计划扩产30倍以满足未来市场需求此外美国贰陆日本罗姆也陆续公布相应扩产计划国内企业天岳先进天科合达山西烁科三安光电露笑科技等企业也纷纷公布扩产计划进一步实现国产化替代大大缩短与国外企业在第三代半导体行业的差距根据各公司公告我们计算国内SiC衬底年产能远期规划超420万片考虑受衬底良率及质量等因素影响并预计实际产出会打折扣图12我国SiC衬底已公布规划产能分布资料来源各公司公告新材料在线中信证券研究部外延环节美日两强局面国内龙头企业发展提速SiC外延设备由于价格昂贵且交期长行业由Wolfspeed和昭和电工双寡头垄断此外SiC外延企业还有II-VIROHMDowCorning三菱电机STInfineon等国内主要厂商为东莞天域瀚天天成此外普兴电子55所三安光电中电化合物启迪半导体等亦有布局从产能上来看2020年国内SiC同质外延片产能折合6英寸为22万片SiC异质外延片产能折合6英寸为48万片而国内SiC外延领域龙头公司近年正快速扩张其产能有望大幅提升市占率1瀚天天成碳化硅产业园项目一期于2019年年底投产二期项目于2020年开工2022年竣工6英寸SiC外延片年产能达20万片三期项目规划产能140万片请务必阅读正文之后的免责条款和声明14新材料行业第三代半导体系列一2023362东莞天域已实现46英寸SiC外延片全系列产品的批量生产2022年新增100万片年的6英寸8英寸碳化硅外延晶片产能公司预计2025年竣工并投产表4国内SiC相关产品产能统计应用方向产业环节2020年产能万片年SiC导电型衬底折合4英寸40SiC电力电子SiC-on-SiC外延折合6英寸22SiC-on-SiC器件模块折合6英寸26GaN-on-SiC外延折合6英寸28GaN电力电子GaN-on-SiC器件模块折合6英寸22SiC半绝缘型衬底折合4英寸18GaN-on-SiC外延折合6英寸20GaN射频微波GaN-on-SiC器件模块折合6英寸16资料来源CASA新材料在线中信证券研究部SiC需求多领域驱动同质外延片国内市场望达百亿新能源车电驱系统主逆变器增长强劲预计2025年SiC需求约118万片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DCDC和非车载充电桩碳化硅器件应用于电机驱动系统中的主逆变器车载充电系统和电源转换系统能够有效降低开关损耗提高极限工作温度提升系统效率2020年特斯拉Model3以及比亚迪汉已经采用碳化硅功率模块特斯拉Model3是第一个集成全SiC功率模块的车企主要采购意法半导体的650V碳化硅功率器件特斯拉逆变器由24个1-in-1功率模块组成预计随着成本下降未来越来越多的电动汽车将采用碳化硅模块图13SiC在新能源车中的应用资料来源新材料在线请务必阅读正文之后的免责条款和声明15新材料行业第三代半导体系列一202336对比SiIGBT和SiCMOSFET在电动车领域的应用相同规格的碳化硅基MOSFET较硅基IGBT的功率损耗降低了70以上效率提升了1-3此外SiC器件的工作结温在200以上工作频率在100kHz以上耐压可达20kV这些性能都优于传统硅器件碳化硅器件体积可减小到IGBT整机的13-15重量可减小到40-60随着新能源汽车的发展对功率器件需求量日益增加成为功率半导体器件新的增长点图14SiIGBT与SiCMOSFET器件功耗对比单位瓦图15SiIGBT与SiCMOSFET器件效率对比SiSiCSiSiC60010050099400983009720010096095AUDCNEDCWLTPARDCAHDCAUDCNEDCWLTPARDCAHDC资料来源BenefitsofnewCoolSiCTMMOSFETWaldemar资料来源BenefitsofnewCoolSiCTMMOSFETWaldemarJakobiAndreUhlemannChristianSchweikert中信证券研究部JakobiAndreUhlemannChristianSchweikert中信证券研究部制约碳化硅器件替代速度的主要原因是成本然而碳化硅器件与传统硅基器件差价正在持续缩小SiCSBD产品价格由2017年的41元A下降到了2020年的158元A与硅基器件的差价在38倍左右从2019年到2020年1200V和1700V的SiCMOSFET的平均价格跌幅达到30-40有助于加速碳化硅MOS器件的市场渗透图162017-2020年650VSiC和Si器件价格比较单位元A图17SiCMOSFET2019-2020年平均价格单位元A20192020650VSiCSBD650VSiFRD10893541845952846342018243042151582242422371021920752104200650V900V1200V1700V2017201820192020资料来源MouserDigi-KeyCSA中信证券研究部资料来源MouserDigi-KeyCSA中信证券研究部碳化硅器件的优良性能加速碳化硅在电动车功率模块领域的渗透碳化硅功率器件应用于电机驱动系统中的主逆变器能够显著降低电力电子系统的体积重量和成本提高功率密度相比Si基IGBT器件主逆变器搭载SiC基MOSFET之后提升系统的效率节电5-10至少5000元的节省空间特斯拉的Model3的主逆变器采用了共48颗请务必阅读正文之后的免责条款和声明16新材料行业第三代半导体系列一202336SiCMOSFET总成本约为5000元相较于SiIGBT单车功率半导体价值为3000元对比仅节电角度考虑碳化硅功率器件带来至少2000元的节省空间此外Wolfspeed测算在11kWOBC系统中相较于硅基功率半导体方案碳化硅基OBC的成本更低可带来约435美元的节约2018年全球已有超过20家的汽车厂商在OBC中使用了SiC肖特基二极管或SiCMOSFET表5采用SiC基OBC系统的节约成本比较系统优势11kWOBC系统SiSiC半导体器件成本4018系统成本节约10090外壳热学磁性元件电容器16功率密度2kWL3kWL系统效率运行节约959726year由SiC推动的CO2减排节约31使用碳化硅基OBC系统的总节约435资料来源Wolfspeed公司官网含测算中信证券研究部SiC在新能源车领域渗透率及用量持续提升预计2025年国内新能源车需要的SiC晶圆片数量将达118万片左右新能源汽车领域2021年使用碳化硅MOSFET的车型主要为特斯拉Model3和比亚迪汉根据电动汽车销量跟踪机构CleanTechnica数据2021年Model3和比亚迪汉市场份额占比约9即2021年电动车的碳化硅MOSFET渗透率约9我们预计渗透率未来以每年3的速度增长到2025年约为21Model3主逆变器电力模块使用共48颗SiCMOSFET加上车载充电系统OBC电源转换系统车载DCDC我们估算一辆车所用SiC芯片数量在60颗以上一片6寸SiC对应4-5台电动汽车所需的MOSFET即2021年每辆电动车所需要的SiC晶片数量约024片未来一方面随着双电机电动车占比增加对SiC需求量仍有提升空间一方面特斯拉提出在新一代产品上减少SiC器件用量可能在远期对新车型上SiC用量有影响现有车型影响不大以三年维度看我们假设该数字将以每年003的数额缓慢增加我们预测到2025年国内新能源车需要的SiC晶圆片数量将达11794万片表6中国新能源车领域SiC晶片市场需求测算202120222023E2024E2025E中国新能源汽车销量35168990011401560碳化硅MOSFET渗透率912151821每台车需要的SiC晶片数量024027030033036折合成6寸片需要SiC片数万片75822314050677211794资料来源中汽协CleanTechnica中信证券研究部预测请务必阅读正文之后的免责条款和声明17新材料行业第三代半导体系列一202336高压充电桩解决充电速度里程焦虑问题预计2025年SiC需求约33万片充电桩的充电方式主要分为交流充电和直流充电1交流充电桩的本质是一个带控制的插座主要包含交流电表控制主板显示屏急停旋钮交流接触器充电枪线等结构结构较为简单需要车载充电机自己进行变压整流几乎不涉及功率器件2直流充电桩的结构更为复杂包括充电模块主控制器绝缘检测模块通信模块主继电器等部分其中充电模块又称功率模块是充电桩行业具有技术门槛的核心部件约占据充电桩总成本的50当下消费者最感兴趣的是直流快充模式但是直流快充模式的充电桩需要非常大的充电功率以及非常高的充电效率这些都需要通过高电压来实现充电模块是直流充电桩的核心部件一个充电桩通常采用多个充电模块并联而成比如120kW充电桩可由8个15kW充电模块组成也可由4个30kW充电模块组成单个充电模块输出功率越大功率密度越高能有效优化桩内空间充电模块的组成部分包括半导体功率器件集成电路磁性元件PCB电容机箱风扇等其中半导体功率器件成本约占充电模块总成本的30是充电模块的关键组成部分也是电子装置中电能转换与电路控制的核心图18直流快速充电桩由一级AC-DC和一级DC-DC组成资料来源Wolfspeed官网当前SiC应用于充电桩的主要部位就是充电模块中的功率器件尤其是ACDC变换器和DC-DC变换器根据Wolfspeed数据25kW功率的充电桩模块大约需要用到16-20个1200V碳化硅MOSFET单管市面上主流的15kW充电桩模块一般会用到4个或8个碳化硅MOSFET具体使用数量取决于所选器件的导通电阻值和输出电流表7不同ACDC拓扑结构所需SiC器件数量ACDC拓扑结构两电平AFET-TypeNPCANPCSiCMOSFET61212SiC二极管006资料来源Wolfspeed官网中信证券研究部请务必阅读正文之后的免责条款和声明18新材料行业第三代半导体系列一202336表820-30kW范围内不同DCDC拓扑结构所需SiC器件数量DCDC拓扑结构两电平LLC两电平LLC级联双有源桥SiCMOSFET10128SiC二极管000资料来源Wolfspeed官网中信证券研究部表950kW不同DCDC拓扑结构所需SiC器件数量DCDC拓扑结构3相LLCLLC谐振变换器SiCMOSFET64SiC二极管248资料来源Wolfspeed官网中信证券研究部新能源汽车行业一个亟待解决的问题就是里程焦虑提升充电速度就需要提升充电桩的输出功率则需要提升充电电压或电流根据Wolfspeed数据当前我国商用的主流快充充电桩的功率为100150KW电动汽车充电400KM里程所需的时间为4027分钟若充电桩采用350KW大功率快充系统400KM里程所需充电时间可大大缩短至1215分钟提升充电功率可以通过提高电流或者电压两种方式来实现然而如果通过提升电流来增大充电功率会带来许多问题因此提升电压以实现大功率快充成为行业的多数选择图19400KM里程续航所需充电时间min350KW12200KW20150KW27100KW4050KW8001020304050607080资料来源Wolfspeed官网中信证券研究部为了提升电动汽车充电速度缓解里程焦虑越来越多的整车厂布局800V高压平台800V高压系统通常指整车高压电气系统电压范围达到550-930V的系统统称800V系统保时捷Taycan是全球首款量产的800V高压平台车型并将最大充电功率提升至350KW此外奥迪e-tronGT现代Ioniq5和起亚EV6都采用了800V高压平台与此同时国内的车企亦纷纷向800V高压平台迈进2021年比亚迪吉利极狐广汽小鹏等都陆续发布了搭载800V平台的车型对于直流快速充电桩来说充电电压升级至800V会带来充电桩中的SiC功率器件需求大增原因在于采用SiC模块可将充电模块功率提高至60KW以上而采用MOSFETIGBT单管的设计还是在15-30kW水平同时和硅基功率器件相比SiC功率器件可以大幅降低模块数量因此SiC的小体积优势在城市大功率充电站充电桩的应请务必阅读正文之后的免责条款和声明19新材料行业第三代半导体系列一202336用场景中具有独特优势随着超充快充需求的增加全SiC模块开始在充电桩上大量采用根据各公司官网参数800V架构的高性能充电桩大部分采用全SiC模块目前SiC在充电桩中渗透率并不高以直流充电桩为例据CASA测算电动汽车充电桩中的SiC功率器件的平均渗透率在2018年仅达到10但随着800V电压时代的到来SiC渗透率会不断上升中国充电联盟预计到2025年中国充电桩行业的SiC渗透率可达到35图20中国充电桩行业SiC渗透率预测40353530302525202017151050202120222023E2024E2025E资料来源北理工能源与环境政策研究中心中国充电联盟含预测中信证券研究部近年来中国新能源充电桩行业市场规模一直保持增长趋势市场规模从2017年的72亿元增长至2021年的4187亿元复合年均增长率高达422随着新能源汽车的超预期增长充电桩产业链有望迎来风口根据充电联盟数据预计2023年中国充电桩市场规模将突破千亿元图21中国新能源充电桩行业市场规模亿元25002210220001700115001214410008096418750019512689720124302017201820192020202120222023E2024E2025E资料来源中国充电联盟含预测中信证券研究部请务必阅读正文之后的免责条款和声明20