碳化硅行业深度报告：乘新能源之风，行业需求有望高增

证券研究报告 乘新能源之风，行业需求有望高增 ——碳化硅行业深度报告 长城证券研究院 电子首席分析师：邹兰兰执业证书编号：S1070518060001 研究助理：张元默执业证书编号：S1070120110006 主要观点 碳化硅是第三代半导体重要基础材料，衬底是产业链最核心环节：SiC是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，SiC材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等特性，相比硅基器件具有耐高压、耐高温、功耗低、体积小、重量轻等优势。SiC产业链主要包括衬底、外延、器件制造及下游应用四大环节。 需求端：电动车技术升级拉动市场扩容，低耗优势契合能源发展潮流：目前SiC主要应用于汽车、能工业、交通运输、通信等领域，主要产品形式有电动车逆变器、车载充电器、DC/DC变换器、充电装置、光电能量转换器和铁路。行业市场空间方面，根据Yole预测，2021年到2027年，SiC器件市场规模将由10.9亿美元增长至63.0亿美元，CAGR将超过34%。目前多个整车厂例如特斯拉，比亚迪，蔚来等车企搭载SiC模块，800V平台的应用能够大幅提高电动汽车的充电效率，提升续航里程。未来SiC在新能源汽车渗透率有望持续提升。 供给端：衬底成制造工艺关键点，国内厂商加速崛起：碳化硅产业链中，衬底材料是产业链的基础，产业链价值占比达46%，处于核心地位。从SiC晶圆成本来看，衬底成本占比44%，良率损失占比32%，提高良率是SiC降本的核心。SiC衬底竞争格局方面，Wolfspeed占据了45%市场份额，Rohm排名占据20%市场份额，国内天科合达和山东天岳分别占据5%和3%市场份额。SiC器件竞争格局方面，ST占据40%市场份额，英飞凌占据22%市场份额。海外大厂大力扩产占据主要市场，而国内厂商正加速布局，国产化率有望持续提升。 投资建议：斯达半导、时代电气、天岳先进、三安光电、士兰微。 风险提示：市场需求不达预期；中美经贸摩擦、新冠肺炎疫情等外部环境风险；原材料价格波动和供应风险，SiC衬底成本高昂制约下游应用发展的风险。 www.cgws.com|2 产业链概况：高压性能击中新能源痛点 www.cgws.com|2 定义：碳化硅（SiC）是由碳元素和硅元素组成的一种化合物半导体材料，是第三代半导体材料，因具备宽禁带特性，也被称为宽禁带半导体材料。 优势：SiC材料具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等特性,以SiC材料制成的半导体器件相比硅基器件具有耐高压、耐高温、功耗低、体积小、重量轻等优势。 SiC产业链主要包括衬底、外延、器件制造及下游应用四大环节。 三代半导体材料的指标参数对比： 指标参数 第一代 第二代 第三代 材料 硅（Si） 砷化镓（GaAs） 磷化铟（InP） 碳化硅（SiC） 氮化镓（GaN） 禁带宽度（eV） 1.12 1.43 1.3 3.2 3.4 饱和电子漂移速率（107cm/s） 1.0 1.0 2.0 2.5 1.0 热导率（W·cm-1·K-1） 1.5 0.54 0.7 4.9 1.3 击穿电场强度（MV/cm） 0.3 0.4 0.5 2.8 3.3 介电常数 11.9 13.1 10.8 10.1 9 最高工作温度/℃ 175 350 - 600 800 表：三代半导体材料的指标参数对比图：半导体材料对比 图：硅基IGBT与碳化硅MOSFET对比 40kHz开关频率 导通损耗 关断损耗 开通损耗 资料来源：天岳先进招股书、天科合达招股书、应用材料官网、华东交通大学《电力电子技术》 SiIGBTSiCMOSFET www.cgws.com|3 衬底：衬底即通过沿特定的结晶方向将晶体切割、研磨、抛光，得到具有特定晶面和适当电学、光学和机械特性，用于生长外延层的洁净单晶圆薄片，可分为半绝缘型及导电型。 外延：外延即在晶片的基础上，经过外延工艺生长出的特定单晶薄膜，衬底晶片和外延薄膜合称外延片。 若外延薄膜和衬底的材料相同，称为同质外延片，若不相同，称为异质外延片。 器件：SiC器件主要分为功率器件和微波射频器件，分别由同质外延片和异质外延片加工而成，其中功率器件主要包含SiC二极管、SiC晶体管（SiC-MOSFET/SiC-BJT/SiC-IGBT等），主要用于高温、高压场景，下游应用涵盖新能源汽车、光伏发电等领域。微波射频器件主要包含HEMT等，主要用于高频、高温场景，下游应用涵盖5G通讯、卫星、雷达等领域。 产品种类 图示 产品用途 半绝缘型 通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成 HEMT等微波射频器件，应用于信息通讯、无线电探测等领域。 导电型 通过在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层，制得碳化硅同质外延片，可进一步制成肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件，应用在新能源汽车，轨道交通以及大功率输电变电等领域。 图：SiC晶片用途图：SiC衬底分类 资料来源：天岳先进招股书、天科合达招股书、应用材料官网 www.cgws.com|4 需求端：电动车技术升级拉动市场扩容，低耗优势契合能源发展潮流 www.cgws.com|5 目前SiC的主要应用于汽车、能源、工业、交通运输、通信等领域，主要产品形式有电动车逆变器、车载充电器、DC/DC变换器；充电装置；光电能量转换器和铁路。这些应用的首代技术在2017-2018年已实现了商业化，并已进入快速增长阶段，最快将在2023年实现商业价值，预计2024-2026年这些应用将实现大规模出货。 SiC市场空间有望快速扩张。根据Yole预测，2021年到2027年，SiC器件市场规模将由10.9亿美元增长至63.0亿美元，CAGR将超过34%。 据三安光电预测，2025年碳化硅在高压平台需求量将达到219万片，中高压平台需求将达到437万片。而 2025年碳化硅衬底/芯片的产能预计为242-282万片，预计存在约400万片的产能缺口。 图：SiC下游应用图：SiC器件市场规模及下游应用展望（亿美元） 车载领域，SiC功率器件主要应用于电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC转换器）、非车载充电桩等核心电控领域，提供更高效的电能转换。在整车性能方面，搭载SiC的车辆损耗将会降低80%，充电速度可提高2倍，功率密度提升80%，体积减小50%。 800V平台的应用能够大幅提高电动汽车的充电效率，进一步满足远距离行驶的需求。相较于600V平台， 在同等充电功率下，工作电流更小，节省线束体积，降低电路内阻损耗，提高充电效率和安全率；而在同等电流的情况下，800V平台可大幅提升总功率，显著提高充电速度，已成为快速直流电充电的新解决方案。 据ST测试数据显示，在800V电压平台下，SiC器件损耗显著低于IGBT，在25%的负载下损耗低于IGBT80%。未来随着电压平台的升级，车载充电系统、电源转换系统和非车载充电等均需要迭代升级，SiC器件将发挥重要作用。 图：电动汽车平台正在向高压升级图：SiC功率器件在汽车领域的应用 图：SiC在高压平台800V的优势 2022年1月-8月，中国新能源汽车销量达到386万辆，同比增长114.8%。随着未来更多国家新能源汽车推广政策的实施，新能源汽车的产销量将会持续快速增长，拉动SiC器件需求爆发。 多个整车厂例如特斯拉，比亚迪，蔚来等车企搭载SiC模块，车企已开启800V电压平台时代。 图：中国新能源汽车销量（万辆）及其同比增速（%）表：近期整车厂装载SiC器件情况 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 中国新能源汽车销量（万辆）YOY（%） 400% 近期整车厂装载SiC器件情况 企业名称 4英寸 特斯拉 特斯拉Model3/Y车型采用TPAK碳化硅MOSFET模块，结合多管并联技术，可以在其电动汽车驱动系统中，按照不同的功率等级选择不同数量的TPAK并联，并根据不同的效率和成本要求选择碳化硅MOSFET或者IGBT作为TPAK核心芯片。之后相继推出的ModelY以及ModelSPlaid也采用了SiC技术 现代 IONIQ5车型采用800V逆变器，内部使用了英飞凌生产的SiC模块 意 比亚迪 比亚迪在2020年发布的汉EV高性能四驱版，是国内首款采用自研SiC模块的车 型，并于2022年推出1200V1040A的SiC模块。 蔚来 蔚来ET7采用了具备碳化硅功率模块的第二代高效电驱平台 小鹏 小鹏G9是国内首款搭载800V碳化硅高压电驱平台量产电动车 长城 长城汽车全新品牌沙龙汽车旗下首款车型——机甲龙引进800V高压技术，支持800V超级快充。该款车型已应用SiC产品，后续系列车型也将规模化应用SiC。 350% 300% 250% 200% 示 装 图的右边的示意图用列表表示近期整车厂 载SiC器件的情况， 150% 100% 50% 0% -50% 光伏领域，目前光伏产业正在迈入“大组件、大逆变器、大跨度支架、大组串”的时代。通过元器件升级，提高功率密度可以极大地帮助光伏逆变器提效将本。 与Si器件相比，SiC器件的高击穿电压、低导通电阻、栅极电荷、反向恢复电荷等特性，使其可以在更高的电压、频率以及电流下切换，同时进行有效散热。 光伏电压等级从1000伏提升至1500伏，要求必须使用第三代半导体材料SiC功率器件。随着光伏电压等级的不断提高，未来光伏功率器件将会以SiC为主。 图：SiC逆变器与普通逆变器对比（%） 120% 100% 80% 60% 40% 20% 图：光伏逆变器示意图 0% 能量损耗转换效率 普通逆变器碳化硅逆变器 2020年SiC功率器件在光伏逆变器的渗透率为10%，随着光伏电压等级的提升，SiC功率器件的渗透率将不断提高，预计2050年达到85%的渗透率。 在全球光伏产业迅速发展的推动下，全球光伏逆变器市场保持良好发展态势，全球光伏逆变器出货量由 2017年的98.5GW上涨至2021年的201GW，CAGR高达17.90%。预计2022年增长至221GW。 20世纪90年代起，中国崛起了如阳光能源、SMA等跨国光伏逆变器企业，占据了全球市场的主要份额。目前华为占据了全球光伏逆变器市场的23%。本土光伏逆变器企业的崛起，为SiC的应用创造了优良的下游市场环境。 图：SiC功率器件在光伏逆变器的渗透率图：全球光伏逆变器出货量（千兆瓦）图：全球光伏逆变器竞争格局 90% 85% 80% 250 201 185.1 126.74 98.5 106 221 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 10% 50% 70% 75% 200 150 100 50 0 5%5% 23% 41% 19% 7% 华为阳光能源 SMAPowerElectronics 20202025E2030E2035E2040E2050E 201720182019202020212022E 古耐瓦特其他 2020年SiC功率器件在光伏逆变器的渗透率为10%，随着光伏电压等级的提升，SiC功率器件的渗透率将不断提高，预计2050年达到85%的渗透率。 在全球光伏产业迅速发展的推动下，全球光伏逆变器市场保持良好发展态势，全球光伏逆变器出货量由 2017年的98.5GW上涨至2021年的190.3GW，CAGR高达17.90%。预计2022年增长至213.8GW。 20世纪90年代起，中国崛起了如阳光能源、SMA等跨国光伏逆变器企业，占据了全球市场的主要份额。目前华为占据了全球光伏逆变器市场的23%。本土光伏逆变器企业的崛起，为SiC的应用创造了优良的下游市场环境。 图：SiC功率器件在光伏逆变器