电子行业第三代半导体行业深度报告：电力电子器件领域，碳化硅大有可为

创造财富担当责任 股票代码：601881.SH06881.HK 第三代半导体行业深度报告 电力电子器件领域，碳化硅大有可为 银河证券电子团队 分析师：高峰 ：gaofeng_yj@chinastock.com.cn 分析师登记编码：S0130522040001 王子路 ：wangzilu_yj@chinastock.com.cn 分析师登记编码：S0130522050001 2022.10.31 中国银河证券股份有限公司 CHINAGALAXYSECURITIESCO.,LTD. 核心观点 第三代半导体：更先进的材料，更优异的产品特性。第三代半导体材料是指带隙宽度达到2.0-6.0eV的宽禁带半导体材料，包括了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），是制造高压大功率电力电子器件的突破性材料。相比硅基，SiC材料在热导率、开关频率、电子迁移率和击穿场强均具备优势，因此SiC材料具备更高效率和功率密度。从产业链来看，衬底是价值链核心，在成本SICSBD器件中，衬底价值量占比达到47%。我们认为，衬底价格下降是推动碳化硅产业链发展的核心环节，衬底行业的发展也是未来SiC产业降本增效和商业化落地的核心驱动因素。 市场空间仍待开发，产业链成熟度逐步提升。从市场空间上来看，根据Yole数据，预计2027年市场空间将超过60亿美元，仅碳化硅器件中的功率器件的市场规模将从2021年的10.90亿美金增长至2027年的62.97亿美金，GAGR达到34%，从细分行业需求来看，新能源产业链和充电基础设施将为增长最快领域。从供给端来看，目前整体产业链受限于SiC衬底产能、对衬底缺陷缺 乏有效控制、向大尺寸衬底转移等因素，同时在外延膜生产设备基本依靠海外、厚度与掺杂浓度均匀性等因素，外延生产同样存在壁垒。多因素导致国内SiC市场短期仍表现为供不应求局面。 海外厂商为主导，国内企业正加速追赶。从行业竞争角度来看，美欧日为主导，海外厂商例如Wolfspeed已突破8英寸节点，国内企业还处于4、6英寸衬底导入阶段。但是国内企业目前正在加速追赶，在专利和市占率持续提升，国内碳化硅产业化带有“学研”基因极为突出，包括天岳、天科合达均为始于院校研究所。 渗透率提升市场空间打开，短期分歧不改长期趋势。市场对SiC产业呈现众多分歧，包括长期系统成本与单一成本成本分歧、技术进步对产业链冲击以及多制造环节的自主可控等，但我们认为针对新兴产业来说，随着未来长期衬底价格下降，SiC器件接受度和渗透率迎提升，短期分歧不改行业长期成长。 投资建议SiC行业近期飞速发展，海外多家厂商具备先发优势，短期内在产品、产能和良率等方面均领先国内企业，但随着国内市场对SiC行业重视程度提高，技术不断进步，未来有望实现对海外厂商的弯道超车。建议关注国内SiC产业链处于领先地位的优质厂商，IDM全产业链布局：三安光电，国内优秀衬底厂商：天岳先进、天科合达；在设计环节具备优秀壁垒的：斯达半导、时代电气、新洁能、士兰微、东微半导等，以及布局封装材料厂商：博敏电子 风险提示地缘政治风险及宏观经济发展不及预期，产能扩张周期不及预期，材料端产能及良率提升不及预期，下游行业推 广渗透率不及预期，碳化硅器件成本下降程度不及预期 创造财富/担当责任2 目录 —第三代半导体：更先进的材料，更优异的产品特性 二市场空间仍待开发，产业链成熟度逐步提升 三海外厂商为主导，国内企业正加速追赶 四渗透率提升市场空间打开，短期分歧不改长期趋势 五重点公司分析与投资建议 创造财富/担当责任 六风险提示 电力电子技术是能够有效利用功率器件、应用电路和设计理论及分析方法实现对电能的高效变换和控制一门技术。电力电子技术始于20世纪70年代，经过40余年发展，目前已成为现在工业社会非常重要的支撑产业之一。在大量实际应用场景下，例如农业生产、国防军工、航空航天、石油冶炼、核工业和新能源产业， 大到百兆直流输电装置，小到家用电器，均能看到电力电子装置的身影。 表：主要应用领域中关键的电力电子装置 应用领域 电力电子装置（系统） 电力 电压直流输电系统柔性交流输电系统（有源电力滤波器、动态电压补偿器、电力调节器、短路电流限制器等） 能源 大功率高性能DC/DC交流器、大功率风力发电机的力磁控制器、永磁风力发电机并网逆变器、光伏并网逆变器等。 交通运输 大功率牵引电机、变频网速装置；电力牵引供电系统电能质量控制装置和通讯系统 先进装备制造 大功率变流器及其控制系统；大功率高精度可程控交、直流电源系统；高精度数控机床的驱动和控制系统；快中子堆、磁约束核聚变用高精度电源等 航空航天 350～800Hz变频交流供电系统、270V高压直流供电系统、机电和电业作动结构、电动飞机电力推进器和高功率 密度电源、卫星和空间站太阳能电池电源和配电系统 船舰 船舰综合电力系统（发电机静止力磁、静止电能变换、直流配电系统、电力推进系统、电磁弹射回收系统） 现代武装设备 高速鱼雷电推进器和电源、电磁炮、微波和激光武器专用电源、大功率雷达电源系统 激光 超大功率脉冲电源 创造财富/担当责任 资料来源：中国银河证券研究院4 第三代半导体材料是继以硅（Si）和砷化镓（GaAs）为代表的第一代和第二代半导体材料之后，迅速发展起来的宽禁带半导体材料。具体是指带隙宽度达到2.0-6.0eV的宽禁带半导体材料，包括了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）,从现阶段发展来看，GaN材料更适合1000V以下电压等级，高开关频率的器件，相比之下， 表：第三代半导体的分类及应用领域 第三代半导体分类 典型代表 用途 III族氮化物 GaN 在军事领域GaN基微波功率器用于雷达、电子对抗、导弹和无线通信；在民用商业领域用于基站、卫星通信、有线电视、手机充电器等小家电。 SiC 军事领域用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机、风洞、航天器外壳的温度、压力测试；民用领域电动汽车、消费电子、新能源、轨道交通等领域的直流、交流输变电、温度检测控制等。 宽禁带氧化物 ZnO 用于压力传感器、记忆存储器、柔性电子器件，目前技术和应用不成熟，主要产品有发光二极管、激光、纳米发电机、纳米线晶体管、紫外探测器等。 金刚石 用于光电子、生物医学、航空航天、核能等领域的大功率红外激光器探测器，技术和应用还在开发中。 SiC材料及器件能用在10kV以下应用场景，更适合制作高压大功率电力电子装置，且目前SiC功率器件商业化落地速度极快。 创造财富/担当责任 资料来源：中国银河证券研究院5 从SiC材料适用范围来看，碳化硅器件可广泛应用于高压、高频和大电流场景，因此十分适合光伏、新能源车和5G通信领域。 从电化学性质差异来看，SiC衬底材料可以分为导电型衬底（电阻率区间15~30mΩ·cm）和半绝缘型衬底 （电阻率高于105Ω·cm），在不同衬底片上生长GaN外延制成HEMT等微波射频器件，应用于5G通信、卫星 、雷达等领域。在导电型衬底片上生长SiC外延层，通过进一步加工制成SiCSBD，SiCMOSFET等功率器件，应用于新能源车电驱电控、OBD和DC/DC，光伏逆变电站、轨交、电网和航空领域 图：SiC材料所应用领域 图：碳化硅的主要器件形式及下游应用 创造财富/担当责任资料来源：Wolfspeed，天科合达招股书，中国银河证券研究院6 SiC的发现始于1824年的瑞典科学家J.J.Berzelius，但是鉴于当时硅（Si）技术的卓越发展，SiC的研究工作没有再进一步。直到20实际90年代，Si基电力电子装置出现了性能瓶颈，再次激发了相关机构对SiC材料的研究兴趣。 由于Si和C之间的共价键比Si原子之间的要强，因此SiC材料要比Si材料具备更高的击穿电场强度、载流子饱和漂移速率、惹到行和热稳定性。SiC具有250多种不同晶体结构，但目前能商业化落地只有4H-SiC和6H-SiC，由于4H-SiC相比6H-SiC具备更高载流子迁移率，因此成为SiC基电力电子器件的首选。 表：室温下（25℃）几种半导体材料的物理特征 图：SiC、GaN相比Si的优越特性 物理特性指标 SiC Si GaAs 4H-SiC 6H-SiC 3C-SiC 禁带宽度（eV） 3.2 3.0 2.2 1.1 1.4 临界击穿电场（mv/cm） 2.2 2.5 2.0 0.3 0.4 热导率（W/cmK） 3-4 3-4 3-4 1.0 0.5 饱和漂移速度（10^7cm/s） 2.0 2.0 2.5 1.0 1.0 相对介电常数 9.7 10.0 9.7 11.8 12.8 电子迁移率（cm²/Vs） 980 370 1000 1350 8500 空穴迁移率（cm²/Vs） 120 80 40 480 400 创造财富/担当责任资料来源：ROMH交流会，中国银河证券研究院7 第三代半导体（SiC）相对于Si基： 1.更高的额定电压，无论是单极性还是双极型器件，SiC基器件的额定电压远高于Si基同类型器件； 2.更低的导通电阻，在1kV电压等级下，SiC基单极性器件的导通电阻是Si基器件的1/60； 3.更高开关频率，设定最大结温在175℃、10kV条件下，SiC基器件仍能达到33kHZ的最大开关频率； 4.更低热阻，SiC基热导率是Si的3倍，期间内部更易散热，减小器件过温失效风险，提高可靠性； 5.理论上,SiC基器件极限工作结温能达到600℃，远高于Si基器件，但是受限于封装材料； 图：Si基和SiC基器件理论比导通电阻值对比 图：Si基和SiC基器件理论工作频率性能对比 图：Si基和SiC基器件额定电压比较 6.具备极强抗辐射性，过量辐射不会导致SiC器件出现性能衰退，在航空领域应用较广。 创造财富/担当责任资料来源：中国银河证券研究院8 在同电压场景下，宽禁带半导体能做到更薄和更低的电阻。相同规格的SiC基MOSFET和Si基MOSFET相比，导通电阻降低为1/200，尺寸减小为1/10；相同规格的使用SiC基MOSFET的逆变器和使用Si基IGBT相比，总能量损失小于1/4。 图：对比900V的Si基器件和SiC基器件大小 图：在22kW的充电桩场景下Si和SiC期间数量 在OBC充电桩场景下，SiC更高的击穿电场强度，极低的导通电阻使得SiC能在22kW快充条件下实现更少期间数量和更高运行效率。在使用SiC材料情况下，相同功率条件下，期间个数也由22只硅基IGBT减少至14只SiCMOSFET。 创造财富/担当责任资料来源：Wolfspeed，中国银河证券研究院9 在22kW双向OBC应用场景下，对比Si基和SiC基系统成本和经济效益 Si的系统成本基本上是SiC基系统成本的1.18倍。其中SiC基器件组成OBC充电装时，栅极驱动、磁性DC/DC、磁性AC/DC要节能接近一半左右，Si基器件的总系统成本是SiC基器件的1.18倍。 从系统经济性角度来看，SiC基系统峰值效率能够达到97%，而Si基系统峰值效率仅为95%，同时SiC基的能 量密度能够提升50%以上，具有非常强劲的性能提升。 图：在22kW双向OBC的系统成本分类 表：在22kW双向OBC应用场景Si基和SiC基的经济效益 SiC基系统 Si基系统 系统成本对比 1.00x 1.18x 系统峰值效率 97% 95% 能量密度 ~3kW/L ~2W/L 创造财富/担当责任资料来源：Wolfspeed，中国银河证券研究院10 从材料特性来看，更高效率和功率密度是SiC材料应用的核心推动力 图：SiC基器件对电力电子装置的影响分析 创造财富/担当责任资料来源：中国银河证券研究院11 自1824年J.J.Berzelius首次发现SiC材料后，至今已200年历史。但是SiC材料走出实验室始于CREE（现 Wolfspeed）开展SiC商用生产线，SiC材