TMT硬件行业深度：碳化硅：搭乘新能源发展东风

碳化硅：搭乘新能源发展东风王哲昊Luke Wang，CFAEquity Researchwangzh1@essence.com.cn安信国际研究部Jan 2023请参阅本报告尾部免责声明-安信国际TMT 硬件行业深度 核心观点1▪SiC 是突破性第三代半导体材料：与前两代半导体材料相比，以SiC 制成的器件拥有良好的耐热性、耐压性和极低的导通能量损耗，是制造高压功率器件与高功率射频器件的理想材料。SiC 下游应用包括新能源、光伏、储能、通信等领域。据Yole预计，全球SiC 功率半导体市场规模将从2021年的11亿美元增长至2027年的63亿美元，CAGR 超过34%。▪下游需求旺盛，产品渗透率稳步提升：新能源汽车是SiC 器件最大的下游应用市场。SiC 器件能在缩减体积的情况下提高能量密度和工作稳定性，并支持高平台电压，有助于解决新能源车“里程焦虑”问题。据Yole预计，SiC 新能源领域应用市场将以40%的CAGR 从2021年的6.9亿美元增长至2027年的50亿美元。SiC 功率器件的市场渗透率将有望在2024年突破10%,行业前景广阔且确定性强。▪寡头垄断市场，产品供不应求：SiC 产业链可分为上游衬底材料、中游外延生长、器件制造以及下游应用市场。虽然我国为全球最大的新能源汽车市场，但SiC 器件生产制造能力距国际领先水平仍有较大差距。SiC 上中游产业链多被美、日、欧等国企业垄断，外加近年来各国政府提高对新一代芯片研发制造的政策支持，使海外头部公司迅速扩张产能，快速占领市场。尽管近年来我国SiC 企业发展迅速，但在关键技术节点上还有待突破，产品良率与性能均弱于海外竞品，短期内国产替代难度大。▪公司推荐：Wolfspeed （WOLF.US）、On Semi （ON.US）、ST Micro（STM.US）、Infineon （IFNNY.US）、三安光电（600703.SH）、天岳先进（688234.SH）、斯达半导（603290.SH）▪风险提示：新能源车销量与SiC 渗透率不及预期；行业竞争加剧；SiC 国产替代进度不及预期；国际政策变化风险 目录第三代半导体介绍01下游市场规模02行业竞争格局03公司推荐04 什么是碳化硅2▪碳化硅（Silicone Carbide, SiC）是第三代半导体材料。与前两代半导体材料相比，SiC 有着良好的耐热性、导热性和耐高压性。由SiC 制成的器件，具有高效率、开关速度快等性能优势，能大幅降低产品能耗、提升能量转换效率并缩小产品体积，是制造高压功率器件的理想材料。▪目前SiC 器件被广泛运用于新能源汽车、充电桩、智能电网、光伏逆变器和风力发电等领域。半导体材料第一代第二代第三代代表材料硅（Si ）锗（Ge）砷化镓（GaAs）磷化铟（InP）碳化硅（SiC）氮化镓（GaN）主要应用低压、低频、低功率的集成电路晶体管中工作频率更高、耐高温、抗辐射；主要用于通讯领域的发光电子器件制造难度较大，技术壁垒高，价格昂贵；主要用于新能源车、光伏发电、消费电子等领域主要特点产业链成熟，技术完善，成本较低GaAs、InP资源稀缺，价格昂贵，且具有毒性，对环境损害较大禁带宽度更大，能够承受更高的电压、更高的工作频率、更高的工作温度禁带宽度（eV）1.11.43.23.4热导率(W·cm-1·K-1)1.50.54.01.3饱和电子漂移速率（107cm/s）1.01.02.02.5击穿电场强度（MV/cm）0.30.43.53.3 发展历程20世纪50年代20世纪90年代21世纪初资料来源：天岳先进招股书、互联网公开资料，安信国际整理 技术特性与应用领域3▪由于SiC 的击穿电场强度是第一代硅片的10+倍，因此，使用SiC 器件可以显著地提高产品最大工作压强、工作频率和电流密度，同时大大减少导通能量损耗。▪SiC 的禁带宽度是硅片的3+倍，保证了SiC 器件在高温条件下的工作稳定性，减少因高温造成的器件故障现象。理论上一般硅片的极限工作温度为300°C，而SiC 器件的极限工作温度可达600°C以上。同时，由于SiC 的热导率比硅更高，在相同的输出功率下SiC 能保持更低的器件温度，因此对散热设计要求更低，有助于实现设备的小型化。▪SiC 的饱和电子漂移速率是硅片的2+倍，因此SiC 器件能实现更高的工作频率和功率密度。资料来源：英飞凌Infineon，YoleDevelopment、天科合达招股书，安信国际整理第一代硅料vs 第三代半导体材料对比SiC 功率器件主要应用领域 技术特性与应用领域（续）4▪开关/恢复损耗低：由于SiC 的宽带隙特性，使得SiC 器件的导通电阻约为硅件的1/200，导通损耗更低。▪在Si FRDs 和Si MOSFETs 中，当从正向偏置切换到反向偏置时，会产生大量的瞬态电流，造成大量的能量损耗（switching loss）。而SiC SBDs 和SiC MOSFETs 是多子载流器件，切换反向偏置时只会流过少量电流，且不受温度和正向电流大小的影响，在任何工作环境都可实现快速稳定的反向恢复，大大减少能量损耗。SiC SBDvs Si FRD温度依存性对比资料来源：ROHM SiC Application Notes、互联网公开资料，安信国际整理SiC SBD vs Si FRD 反向恢复损耗对比 技术特性与应用领域（续）5▪高压稳定性& 热稳定性：一般来说Si MOSFETs 的正常工作电压可以达到900v。而由SiC 制成的器件，最大工作电压能轻松超过1700v，且能保持极低的漂移层电阻，减少能量损耗。同时，SiMOSFETs在温度升高至150°C时，漂移层电阻将会提高1倍，而SiC MOSFETs 在同等条件下漂移层电阻仍能保持较好的稳定性，电阻提升幅度远小于Si MOSFETs。Si MOSFET vs SiC MOSFET 标准化导通电阻对比Si MOSFET vs SiC MOSFET 标准化导通电阻温度特性资料来源：ROHM SiC Application Notes，安信国际整理 技术特性与应用领域（续）6▪高能量密度& 设备小型化能力：SiC 器件的设备小型化能力主要体现在几个方面：▪1）SiC高禁带宽度决定了它能承受更高的杂质浓度并降低漂移层膜厚，缩小芯片体积；▪2）SiC 优良的散热性与热稳定性对芯片散热系统的要求更低。▪SiC 的饱和电子漂移速率更大，在实现高工作频率的同时提高了功率密度，减少了变压器、电感器等外围组件的体积，降低整体器件成本并缩减了器件大小。SiC 器件能量密度更高、能量损耗更小Si vs SiC 器件大小对比资料来源：ROHM SiC Application Notes、天科合达招股书，安信国际整理 技术特性与应用领域（续）7▪SiC vs Si 器件综合能力比较：与传统硅片器件相比，SiC 系统可以有效减少约50%的电导通损耗，如运用在新能源车中，能提升约4%的车辆续航能力，且降低约20%的电能转换系统成本。同时，SiC 器件散热能力强、封装尺寸小，能更好助力于器械小型化。▪未来随着技术与产量的提升，SiC 器件价格有望持续下降，从而扩大下游市场应用规模，提高产品渗透率。SiC 器件能量密度更高、能量损耗小、封装尺寸小资料来源：CASA、Power Electronics ，安信国际整理1200v SiC SBD & Si FRD 平均价格走势（￥/A）6.67.54.23.85.22.01.30.90.91.44.66.23.32.93.8¥0¥1¥2¥3¥4¥5¥6¥7¥820172018201920202021SiC SBDSi FRD报价差 政策助力行业发展8发展计划（海外）发布机构主要内容SPEED 计划欧盟委员会围绕材料、外延、器件、应用等SiC 全产业链，突破SiC 器件技术，发展下一代SiC 基电力电子器件，用于风力发电和新一代固态变压器，器件耐压目标1.7kv 和10kv 以上SWITCHES 计划美国能源部研制新型宽禁带半导体材料、器件结构以及制造工艺，提高能量密度，加快开关频率，增强温度控制，使电力电子技术成本更低，效率更高，降低电机驱动和电网电能转换等应用的能量损耗，使得控制和转换电能的方式发生重大变革NEXT 计划美国国防部先进研究项目局研发能够同时实现极高速度和电压的GaN器件制造工艺，满足大规模集成要求MANGA 计划欧洲防务局联合德国、法国、意大利、瑞典和英国，强化欧洲SiC 衬底和GaN外延片区域内供应能力，降低对欧洲以外国家的依赖性，形成服务于国防工业的GaN电子器件产业链日期（国内）发布机构主要内容2021年8月工信部8月14日，工信部宣布将SiC 复合材料、Si 基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划2021年3月新华网刊登了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，其中“集成电路”领域，特别提出SiC、GaN等宽禁带半导体即第三代半导体要取得发展2020年7月国务院《新时期促进集成电路产业和软件产业高质量发展的若干政策》中指出，国家鼓励集成电路企业，自获利年度起，第一年至第二年免征企业所得税，第三年至第五年按照25%的法定税率或减半征收企业所得税2019年11月工信部《重点新材料首批次应用示范指导目录》，其中GaN单晶衬底、功率器件用GaN外延片、SiC 外延片，SiC 单晶衬底等第三代半导体产品进入目录资料来源：天科合达招股书、工信部、国务院、新华网、公开资料，安信国际整理 目录第三代半导体介绍01下游市场规模02行业竞争格局03公司推荐04 $126M; 12%$154M; 14%$685M; 64%Telecom & InfrastructureConsumerIndustrialTransportationEnergyAutomotive2027$6.3bn$550M;9%$458M; 7%$4,986M; 79%2021$1.1bn第三代半导体市场规模9▪全球SiC 功率半导体市场规模有望于2027年突破60亿美元：据Yole预测，全球SiC 功率半导体市场将从2021年的11亿美元增长至2027年的63亿美元，CAGR将超过34%。从应用领域看，未来新能源汽车领域的应用将会主导SiC 市场。至2027年，SiC 新能源车应用市场份额将占全球SiC市场的79%。▪虽然Si 仍是主流半导体材料，但第三代半导体渗透率仍将逐年攀升：据Yole预测，Si 材料器件未来仍将占据半导体市场的主导地位，预计未来市场渗透率仍超过80%。第三代半导体材料渗透率将会逐年攀升，整体渗透率预计于2024年超过10%，其中SiC 的市场渗透率有望接近10%，而GaN渗透率将达到3%。2021-2027 SiC 功率半导体市场规模预测CAGR +34%SiC vs GaNvs Si 市场渗透率预测资料来源：YoleDevelopment，安信国际整理0%20%40%60%80%100%20202021E2022E2023E2024E2025ESiCGaNSi 新能源车将成为SiC 最大市场10▪SiC 功率器件降低新能源车电力损耗：SiC 在新能源车中主要应用在牵引逆变器、电源转换系统（DC/DC转换器）、电源驱动系统、车载充电系统和非车载充电桩中。据统计，B级以上新能源车SiC 器件需求量约为66-150颗之间（Tesla Model S 仅SiC SBD 使用量已超过60颗），而直流充电桩大概需要150多颗SiC 器件。▪SiC 渗透率提升四大驱动力：1）各国“碳达峰、碳中和”目标；2）新能源车里程与功率的提升；3）车载电池的小型化；4）SiC 器件价格持续下降▪搭载SiC 器件能使新能源车辆损耗将降低50%以上、充电速度可提升2倍、功率密度提升50%以上，同时器件体积能减小50%。第三代半导体在新能