电子设备行业专题研究：新能源提效在即，碳化硅优势显现开启全新增长极

/ 电子设备行业专题研究 新能源提效在即，碳化硅优势显现开启全新增长极 / 2022年11月15日 【投资要点】 碳化硅性能优势显著，国内外厂商加速布局。SiC具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率高、电子饱和漂移速率高、抗辐射能力强等优势，更适用于高压、高温、高频环境。当前SiC市场仍被海外厂商主导，我国在该领域已催生出一批优质企业，并实现全产业链覆盖。衬底作为产业链核心，当前以PVT法为主流技术。 新能源提效迫切，800V强势催化打开SiC广阔空间。SiC器件应用领域覆盖新能源汽车、光伏、轨道交通、5G等景气市场。在新能源车载模块，SiC器件主要应用于电机驱动系统逆变器、车载DC/DC、车载充电系统，助力整车提升加速度、降低系统成本、增加续航里程、实现轻量化。车用充电桩方面，我国存在巨大市场缺口，截至2021H1车桩比仅为3.1：1，且快速直流充电桩不足半数。因此需求端，充电问题造成的“里程焦虑”阻碍了新能源车进一步普及，800V需求迫切；供给端，主流车厂加速布局800V平台及碳化硅模块。此外，光伏市场高增，轨交中SiC器件占比快速提升将进一步打开SiC市场空间。据我们测算，到2027年全球SiC市场规模有望达到481-675亿元。 国产替代、成本下降、良率提升持续推进。国产替代方面，我国SiC研发及工业化起步晚，海外厂商仍占主导，2021年全球SiC衬底市场仅美国厂商就占据逾76%的份额。但我国厂商产品迭代加速，研发时间较海外厂商更短，且性能参数均可对标，市占率呈快速上升趋势。成本方面，后道的冷切割、高速抛光等工艺及尺寸的扩大提升了晶片的加工效率及使用效率，使SiC器件与Si器件价差逐渐缩小。良率方面，针对影响良率的温度控制、晶型控制等难题，国内已有先进设备和专利技术，随着学界和业界的持续探索，SiC良率提升未来可期。 【配置建议】 下游新能源汽车、光伏等景气市场持续催化，看好SiC成长空间。建议重点关注天岳先进（国内半绝缘型衬底龙头，加速发展导电型）、三安光电（SiC客户开拓进程快）、新洁能（拟入股SiC衬底提供商，力求打通产业链）；建议关注天科合达（全球第五大衬底提供商）、露笑科技（国内先进研究团队加盟）。 【风险提示】 受消费市场影响，新能源汽车需求不及预期； SiC工艺难度大，研发不及预期； 衬底成本下降不及预期，影响SiC渗透率； 产能扩张不及预期。 挖掘价值投资成长 强于大市（维持） 东方财富证券研究所 证券分析师：周旭辉 证书编号：S1160521050001 联系人：夏嘉鑫 电话：021-23586316 相对指数表现 11/151/153/155/157/159/15 4.13% -4.80% -13.73% -22.65% -31.58% -40.50% 电子设备沪深300 相关研究 《MiniLED日趋成熟，或迎加速发展期》 2022.11.07 《光学光电子系列报告之二：电子纸产业逆势成长，产业应用格局已打开》 2022.10.19 《电子2022年中报预告总结—分化，持续拥抱高景气，开始关注反转迹象》 2022.08.03 《汽车电子系列报告1：激光雷达从0到1，投资将走向业绩驱动》 2022.08.01 《半导体材料系列之二：电子气体，集成电路的血液》 2022.05.23 行业研究 电子设备 证券研究报告 2017 正文目录 1.碳化硅优势显著，衬底为价值链核心4 1.1.耐高温、高压、高频，碳化硅替代大势所趋4 1.2.衬底为价值链主导，国内外厂商积极布局5 1.3.三大技术各有千秋，PVT法成为主流6 2.应用场景丰富，800V助力碳化硅腾飞8 2.1.两大类型各司其职，下游应用多点开花8 2.2.800V快充新趋势，碳化硅加速向上10 2.2.1.碳化硅应用于新能源汽车车载模块10 2.2.2.碳化硅提升充电桩能效，市场缺口大12 2.2.3.800V供需齐升，碳化硅成为最优解14 2.2.4.车企积极布局碳化硅模块15 2.3.光伏、轨交需求大，应用渠道进一步拓宽15 2.4.碳化硅衬底市场空间预测17 3.降本提效齐发力，国产迭代加速未来可期19 3.1.国内厂商尺寸迭代加速，助力国产替代19 3.2.大尺寸+技术改进推动成本持续下降21 3.3.衬底良率提升难，技术铸就高壁垒24 4.相关标的26 4.1.天岳先进26 4.2.天科合达28 4.3.三安光电29 4.4.新洁能31 4.5.露笑科技33 5.风险提示35 图表目录 图表1：三代半导体发展历程及应用4 图表2：碳化硅性能优势显著4 图表3：相同规格的SiC基与Si基MOSFET相比性能提升，尺寸减小5 图表4：碳化硅器件成本结构5 图表5：碳化硅产业链及国内外相关企业6 图表6：三大碳化硅衬底制备方法比较分析7 图表7：物理气相传输法制备碳化硅衬底原理示意图8 图表8：半绝缘型和导电型衬底的制备和应用8 图表9：碳化硅功率器件在下游的应用领域9 图表10：碳化硅功率器件市场空间及预测（单位：亿美元）9 图表11：碳化硅功率器件市场空间及预测（单位：百万美元）9 图表12：不同材料微波射频器件的应用范围10 图表13：2018-2025年全球射频器件市场规模预测10 图表14：SiC器件应用于新能源车载模块11 图表15：新能源汽车中使用SiC产品节省的成本12 图表16：碳化硅在新能源车充电桩上的应用12 2017 图表17：碳化硅在新能源车充电桩上的应用12 图表18：2015-2021H1中国车桩比变化情况13 图表19：截至2021年9月我国公共充电桩结构占比13 图表20：小鹏于2021年发布的车端、桩端、站端面向快充的考虑14 图表21：车企800V快充技术布局14 图表22：新能源主要车企对碳化硅的应用15 图表23：碳化硅器件应用于光伏逆变器16 图表24：2022-2030全球光伏新增装机预测（GW）16 图表25：2015-2020年中国光伏发电累计装机容量变化情况（单位：万千瓦） ..........................................................................................................................16 图表26：轨道交通中碳化硅功率器件占比预测17 图表27：碳化硅衬底市场空间推算逻辑17 图表28：SiC在新能源汽车领域市场空间测算18 图表29：SiC整体市场空间测算18 图表30：2018年导电型碳化硅衬底厂商市占率19 图表31：国内外厂商研发不同尺寸衬底时间线20 图表32：6英寸衬底产品性能海内外厂商对比20 图表33：2021年全球碳化硅衬底市场份额21 图表34：2019年半绝缘型碳化硅市场份额21 图表35：2020年半绝缘型碳化硅市场份额21 图表36：2017-2021年650V的SiCSBD与SiFRD价格对比（单位：元/A） ..........................................................................................................................22 图表37：2018-2021年650V的SiCMOSFET与SiIGBT价格对比（单位：元/A） ..........................................................................................................................22 图表38：8英寸衬底相较6英寸制造芯片更多，边缘浪费更少22 图表39：冷切割工艺及效果图解23 图表40：高速抛光的6英寸碳化硅晶片外观24 图表41：碳化硅晶体生长速率和温度的关系曲线24 图表42：各种碳化硅同质异构体生成的条件25 图表43：恒普科技电阻晶体生长炉示意图25 图表44：世纪金光针对稳定晶型的专利技术设备26 图表45：天岳先进研发进程在国内处于前列，产品覆盖全面27 图表46：天岳先进在半绝缘型衬底市场位居前列且市占率仍在提高27 图表47：天岳先进产能逐年提升28 图表48：天科合达产品体系形成良性循环28 图表49：天科合达核心技术及优势29 图表50：2017-2020Q1天科合达营业收入（单位：亿元）29 图表51：2017-2020Q1天科合达归母净利润（单位：亿元）29 图表52：三安光电产品覆盖面广30 图表53：三安光电在碳化硅领域积极布局30 图表54：三安光电产业基地分布31 图表55：湖南三安建设稳定开展31 图表56：常州臻晶未来三年发展规划32 图表57：常州臻晶的液相法与市场主流PVT法对比32 图表58：露笑科技业务涉及碳化硅在内的三个板块33 图表59：2019-2021年露笑科技研发费用及增速34 图表60：露笑科技近年来在碳化硅领域积极布局34 1.碳化硅优势显著，衬底为价值链核心 1.1.耐高温、高压、高频，碳化硅替代大势所趋 第三代半导体材料伴随产业需求应运而生。二十世纪五十年代以来，伴随着电子信息网络、光电子、微电子等产业的发展，以硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的一二代半导体材料得到广泛应用，但随着当前新能源汽车、光伏、5G等新兴产业崛起，一二代半导体材料的性能缺陷逐渐暴露，以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体崭露头角。 图表1：三代半导体发展历程及应用 资料来源：中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟，东方财富证券研究所 图表2：碳化硅性能优势显著 碳化硅可耐高压、高温、高频，助力设备轻量小型化。SiC的禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、饱和电子漂移速率高、抗辐射能力强等优势，且器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，可以大幅提高开关频率。碳化硅材料的优越性能使得相同规格的碳化硅基MOSFET与硅基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MOSFET的逆变器与硅基IGBT相比，总能量损失小于1/4。 2017 资料来源：今日半导体，东方财富证券研究所 2017 图表3：相同规格的SiC基与Si基MOSFET相比性能提升，尺寸减小 资料来源：天科合达招股书，东方财富证券研究所 1.2.衬底为价值链主导，国内外厂商积极布局 碳化硅器件制备难度大，衬底成为价值链主导。碳化硅器件产业链可分为衬底加工——外延生长——器件设计——制造——封装等步骤。其中，衬底是所有半导体芯片的底层材料，用于物理支撑、导电、导热；外延是在衬底材料上生长出新的晶层。衬底和外延加工技术难度极大，相比于成熟的硅基半导体工艺，碳化硅器件由于原料的独特物理性质，在制备过程中需要多道工艺，对厂商的技术要求极高。由于碳化硅衬底制备难度最高，同时需要外延工艺来满足器件生产要求，衬底和外延占据价值链主导，成本占比分别达47%和23%。 图表4：碳化硅器件成本结构 6% 5% 19% 47% 23% 衬底外延前段其他研发费用 资料来源：立鼎产业研究院，东方财富证券研究所 国内企业奋起直追，实现全产业链覆盖。目前整个碳化硅市场中美、日、欧等外商仍占据主导地位。根据Yole数据显示，Cree（现Wolfspeed）、英飞凌、罗姆约占据90%的碳化硅市场份额，其中Cree是碳化硅衬底的主要供应商，占据了一半以上的碳化硅晶片市场。虽然相较于国外市场，我国开展碳化硅方面的研究工作比较晚，但国内目前已经催生出一批优质企业并实现碳化硅制造的全产业链覆盖。目前该领域我国以山东天岳、天科合达、同光晶体、中科钢研等衬底产品竞争优势相对突出。以露笑科技、瀚天天成等外延片优势企业为 2017 代表，竞争优势不断提升。此外，我国也有企业采用IDM模式，