SiC行业深度报告：SiC全产业链拆解，新能源行业下一代浪潮之基

需求端：2027年SiC功率器件市场规模可达62.97亿美元。SiC因物理特性上较Si更有优势，做成器件表现出更为优越的电气性能（损耗低、小型化、热稳定），因此应用场景广阔。根据Yole数据，全球SiC功率器件市场规模将由2021年的10.9亿美元，增长至2027年的62.97亿美元。其中，新能源汽车、光伏储能是SiC市场增长的主要驱动力，预计2021-27年CAGR分别为39.2%、20.0%。1）新能源车市场率先在电驱上采用SiC器件节省整车成本，随着车型架构向800V高压过渡，叠加充电桩快速覆盖并向配合大功率方向发展，有望带动SiC需求进一步提升。据我们测算，全球车用SiC器件市场规模有望在2025年达到240亿元以上。2）光伏市场不少业内厂商已开始应用SiC SBD与硅基IGBT的混合模块。随着SiC技术成熟价格下探，其他领域如轨交、电网等也有望多点开花。 供给端：海外龙头仍是主要玩家，国产供应链有望弯道超车实现自主可控。SiC产业链可以分为衬底制备、外延生长、芯片设计、器件制造和应用。其中衬底在SiC功率器件成本结构中占比47%是SiC产业链的核心。海外企业如Wolfspeed、ROHM、ST等具有先发优势，但未形成专利、标准的完全垄断，国产企业正加速入局积极追赶，目前已初步实现了全产业链自主可控。在中美摩擦+新能源高景气芯片供给不足+政策支持的背景下，为国产替代带来机会。 投资建议：关注衬底环节天岳先进、天科合达、露笑科技；IDM系列三安光电、民德电子；器件环节中瓷电子、斯达半导、时代电气、士兰微；材料环节博敏电子；设备环节晶升装备、德龙激光、宇环数控、晶盛机电。 风险提示：新能源汽车销量及SiC渗透率不及预期的风险；SiC国产化进度不及预期的风险；国家产业政策变化的风险。 1.SiC性能优异，材料升级势在必行 SiC是第三代宽禁带半导体材料，在禁带宽度、击穿场强、电子饱和漂移速度等物理特性上较Si更有优势，制备的SiC器件如二极管、晶体管和功率模块具有更优异的电气特性，能够克服硅基无法满足高功率、高压、高频、高温等应用要求的缺陷，也是能够超越摩尔定律的突破路径之一，因此被广泛应用于新能源领域（光伏、储能、充电桩、电动车等）。 1.1.什么是SiC 半导体材料按被研究和规模化应用的时间先后顺序通常分为三代。 第一代：20世纪40年代，硅（Si）、锗（Ge）开始应用，硅的自然储量大、制备工艺简单，是当前产量最大、应用最广的半导体材料，应用于集成电路，涉及工业、商业、交通、医疗、军事等人类生产生活的各个环节，但在高频高功率器件和光电子器件应用上存在较大瓶颈。 第二代：20世纪60年代，砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）在光电子、微电子、射频领域被用以制作高速高频、大功率以及发光电子器件，能够应用于卫星通信、移动通信、光通信、GPS导航等。由于GaAs、InP材料资源稀缺、价格昂贵、有毒性、污染环境，使得第二代半导体材料的应用具有一定的局限性。 第三代：20世纪80年代，碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、金刚石（C）等为代表的宽禁带（Eg＞2.3eV）半导体迅速发展，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，满足高电压、高频率场景，应用于高电压功率器件、5G射频器件等领域。 图1.硅和化合物半导体的应用范围 表1.三代半导体应用区分半导体材料代表材料第一代硅、锗 与Si材料相比，SiC主要优势在于： 1）SiC具有3倍于Si的禁带宽度，能减少漏电并提高耐受温度。 2）SiC具有10倍于Si击穿场强，能提高电流密度、工作频率、耐压容量并减低导通损耗，更适合高压应用。 3）SiC具有2倍于Si的电子饱和漂移速度，所以可工作频率更高。 4）SiC具有3倍于Si的热导率，散热性能更好，能够支持高功率密度并降低散热要求，使得器件更轻量化。 因此，SiC材料具有明显的材料性能优势，能满足现代电子对高温、高功率、高压、高频、抗辐射等恶劣条件要求，适用于5G射频器件和高电压功率器件，满足新能源领域（光伏、储能、充电桩、电动车等）对于轻量化、高能效、高驱动力等要求。 表2.各类半导体物理特性比较 1.2.我们为什么要用SiC做器件 SiC器件包括二极管、晶体管和功率模块。2001年英飞凌最先发布SiCJBS产品；2008年Semisouth发布了第一款常关型的SiCJFET器件；2010年ROHM公司首先量产SiCMOSFET产品；2011年Cree公司开始销售SiC MOSFET产品，2015年ROHM继续优化推出了沟槽栅MOSFET。目前，SiCSBD二极管和MOSFET晶体管目前应用最广泛、产业化成熟度最高，SiC IGBT和GTO等器件由于技术难度更大，仍处于研发阶段，距离产业化有较大的差距。 图2.SiC功率器件分类 图3.SiC器件发展历史 SiC器件因其材料特性表现优越电气性能： 1）导通、开关/恢复损耗更低： 宽带隙使得SiC器件漏电流更少，并且在相同耐压条件下，SiC器件的导通电阻约为硅基器件的1/200，因此导通损耗更低； Si FRD和Si MOSFET从正向偏置切换到反向偏置的瞬间会产生极大的瞬态电流，过渡到反向偏置状态会产生很大损耗。而SiCSBD和SiCMOSFET是多数载流子器件，反向恢复时只会流过结电容放电程度的较小电流。并且，该瞬态电流几乎不受温度和正向电流的影响，无论在何种环境条件下都可以实现稳定快速（小于20ns）的反向恢复。根据ROHM，SiCMOSFET+SBD的模组可以将开通损耗（Eon）减小34%，因此恢复损耗低； SiC器件在关断过程中不存在电流拖尾现象 ， 根据ROHM，SiC MOSFET+SBD的模组可以将关断损耗（Eoff）减小88%，因此开关损耗更低。 图4.Si FRD正向电流依存性 图5.SiCSBD正向电流依存性 图6.Si FRD温度依存性 图7.SiCSBD温度依存性 图8.各器件DPT开通波形：SiC器件Eon减小34% 图9.各器件DPT关断波形：SiC器件Eoff可减小88% 图10.SiC器件比Si器件能量损耗更低 图11.Si /SJ /SiCMOSFET单位面积导通电阻比较 2）器件得以小型化： SiC禁带宽度决定了它能够以更高的掺杂浓度、更薄的膜厚漂移层制作出600V以上的高压功率器件（对于相同耐压的产品、同样的导通电阻，芯片尺寸更小）； SiC饱和电子漂移速率高，所以SiC器件能实现更高的工作频率和更高的功率密度，因频率的提升减少了电感、变压器等外围组件体积，从而降低了组成系统后的体积及其他组件成本。 SiC带隙宽并且导热率显著，不仅在高温条件下也能稳定工作，器件散热更容易，因此对散热系统要求更低。 图12.SiC体积约为硅基器件的1/10 3）SiC器件热稳定： SiCSBD与Si FRD开启电压都小于1V，但SiCSBD的温度依存性与Si FRD不同：温度越高，导通阻抗就会增加，VF值会变大，不易发生热失控，提升系统的安全性和可靠性。同等温度条件下，IF=10A时SiC与硅二极管正向导通电压比对，SiC肖特基二极管的导通压降为1.5V，硅快速恢复二极管的导通压降为1.7V,SiC材料性能好于硅材料。 此外，Si MOSFET的漂移层电阻在温升100℃时会变为原来2倍，但SiC MOSFET的漂移层电阻占比小，其他电阻如沟道电阻在高温时会稍微下降，n+基板的电阻几乎没有温度依存性，因此在高温条件下导通电阻也不容易升高。 图13.SiCSBD的正向特性（650V、10A等级） 图14.650VSiCMOSFET/Si MOSFET/Si IGBT的标准化导通电阻温度特性 超越摩尔定律，新材料是突破路径之一。硅基器件逼近物理极限，摩尔定律接近效能极限。SiC器件作为功率器件材料端的技术迭代产品出现，能够克服硅基无法满足高功率、高压、高频、高温等应用要求的缺陷。 图15.SiCMOSFET有望替代Si IGBT 图16.SiCSBD有望替代高压Si PND、FRD 2.多领域需求驱动，SiC市场规模可达62.97亿美元 2021-27年全球SiC功率器件市场规模CAGR为34%。SiC器件被广泛用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、国防军工等领域。Yole数据显示，全球SiC功率器件市场规模将由2021年的10.9亿美元增长至2027年的62.97亿美元，2021-27年CAGR+34%。此外，根据CASA Research统计，2020年国内SiC、GaN电力电子器件市场规模约为46.8亿元，较上年同比增长90%，占分立器件的比例为1.6%。并且预计未来五年SiC、GaN将以45%的年复合增长率增至近300亿元。 图17.2021-2027年全球SiC功率器件市场规模（亿美元） 图18.2016-2026年中国第三代半导体电力电子应用市场规模（亿元） 根据Yole，新能源汽车、光伏储能是SiC市场增长的主要驱动力。 1）全球新能源汽车SiC功率器件市场规模2019年为2.3亿美元，占比为41.6%，2021年6.8亿，占比为62.8%，预计至2027年增加至49.9亿美元，占比提升至79.2%，2021-27年CAGR为39.2%。 2）光伏储能是SiC功率器件第二大应用市场，2021年该全球市场规模为1.5亿美元，预计至2027年增加至4.6亿美元，2021-27年CAGR为20.0%。 据CASA预测，2021-26年中国第三代半导体电力电子市场将保持40%年均增速，到2026年市场规模有望达500亿元。其中，车用第三代半导体市场将从40.5亿元增长至267.3亿元；充电桩用第三代半导体市场从0.54亿元增长至24.9亿元；光伏用第三代半导体市场从5亿元增长至20亿元。 图19.2021-27全球SiC功率器件下游市场CAGR预测 图20.2021-26年中国第三代功率半导体下游市场CAGR预测 2.1.新能源车是SiC器件应用的最大驱动力，或迎替代机遇 2.1.1.角度一：SiC电驱系统抢先上车，体积、损耗有效下降 SiC功率器件做电驱，电力损耗有效下降。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。其中电驱是SiC功率器件最主要的应用部位，行业内也都率先在电驱采用SiC器件。 根据美国能源部对纯电动车Nissan-Leaf的能耗分析，电驱能量损耗约为16%，其中功率器件占其中的40%，因此，电控里功率器件能量损耗约占整车的6.4%。 若使用SiC器件，通过导通/开关等维度，总损耗相比硅器件下降70%，全车总损耗下降约4.48%，也相当于相同的电池容量下行驶里程提升比例。 据汽车之家拆分，动力电池占纯电动汽车总成本的40%-50%，假设某中高端电动车价格为20万元，电池成本约8-10万元，如以SiC方案提升里程5%计算，相同性能的产品条件下，仅电池系统就为总成本节省4000-5000元。 图21.新能源汽车成本拆分 图22.中国动力电池平均售价（元/Wh） 采用SiC可减小电力电子系统体积、减少能量损失。SiC模块可以在实现50kHz以上的高频驱动（传统IGBT模块无法实现），推动电感等被动器件的小型化。 另外，IGBT模块存在开关损耗引起的发热问题，只能按照额定电流的一半进行使用，而SiC模块开关损耗较小，即使在高频驱动时也无需进行大幅的电流降额，散热系统要求也相对较低，同样减小了SiC器件的体积。采用SiC模块可以加速高集成、高密度三合一电驱的推进，实现系统性体积的缩小，进而带来风阻（占驱动损耗的1/3）的减小，促进能量损耗进一步降低。 ROHM在2018、2019连续两年赞助纯电赛车，全硅的逆变器、电控，重新设计SiC的应用持续带来43%体积减小，6公斤的减重。 图23.