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 -安信国际TMT硬件行业深度 安信国际研究部Jan2023 王哲昊LukeWang，CFAEquityResearchwangzh1@essence.com.cn 请参阅本报告尾部免责声明 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）、OnSemi（ON.US）、STMicro（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 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 碳化硅（SiliconeCarbide,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。 发展历程20世纪50年代20世纪90年代21世纪初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 产业链成熟，技术完善，成 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 GaAs、InP资源稀缺，价 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 禁带宽度更大，能够承受更 主要特点 本较低 格昂贵，且具有毒性，对环境损害较大 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 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。 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 资料来源：英飞凌Infineon，YoleDevelopment、天科合达招股书，安信国际整理 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SiFRDs和SiMOSFETs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（switchingloss）。而SiCSBDs和SiCMOSFETs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。 SiCSBDvsSiFRD反向恢复损耗对比 资料来源：ROHMSiCApplicationNotes、互联网公开资料，安信国际整理 SiCSBDvsSiFRD温度依存性对比 高压稳定性&热稳定性：一般来说SiMOSFETs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SiCMOSFETs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SiMOSFETs。 SiMOSFETvsSiCMOSFET标准化导通电阻对比SiMOSFETvsSiCMOSFET标准化导通电阻温度特性 资料来源：ROHMSiCApplicationNotes，安信国际整理 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SivsSiC器件大小对比 资料来源：ROHMSiCApplicationNotes、天科合达招股书，安信国际整理 SiCvsSi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、PowerElectronics，安信国际整理 1200vSiCSBD&SiFRD平均价格走势（￥/A） 6.6 6.2 5.2 4.6 4.2 3.8 3.3 3.8 2.0 2.9 1.3 1.4 0.90.9 ¥87.5 ¥7 ¥6 ¥5 ¥4 ¥3 ¥2 ¥1 ¥0 20172018201920202021 SiCSBDSiFRD报价差 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 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 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%。 2027 $6.3bn 2021 $1.1bn 2021-2027SiC功率半导体市场规模预测 100% SiCvsGaNvsSi市场渗透率预测 $126M;12% $550M;9% CAGR +34% $458M;7% 80% 60% 40% $685M;64% $154M;14% $4,986M; 79% 20% 0% Telecom&InfrastructureConsumerIndustrial TransportationEnergyAutomotive 资料来源：YoleDevelopment，安信国际整理 20202021E2022E2023E2024E2025E SiCGaNSi 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（TeslaModelS仅SiCSBD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源车中的应用主要国家宣布的碳中和时间表 国家 目标年份 中国 2060前 美国 2050 欧盟 2050 英国 2050 德国 2045 法国 2050 资料来源：KeysightAutomotivePowerElectronicsTest、Wikipedia，安信国际整理 全球新能源车销售统计（百万辆） 30M 25.8M 25M 111% 20M 90% 15M82%10M57%