功率半導體的技術和材料創新都致力于提高能量轉化效率（理想轉化率100%），基于 SIC 材料的功率器件相比傳統的 Si 基功率器件效率高、損耗小，在新能源車、光伏風電、不間斷電源、家電工控等有廣闊的應用前景。目前 SIC 行業發展的瓶頸主要在于 SIC 襯底成本高（是 Si 的 4-5 倍，預計未來 3-4 年價格會逐漸降為 Si 的 2 倍），同時 SIC MOS 為代表的 SIC 器件產品穩定性需要時間驗證。國內外 SIC 產業鏈日趨成熟，成本也在持續下降，產業鏈爆發的拐點臨近。

　　一、 第三代半導體 SIC：性能優異，爆發前夜

　　1、 第三代半導體 SIC 材料的性能優勢

　　Si 基器件在 600V 以上高電壓以及高功率場合達到其性能的極限；為了提升在高壓/高功率下器件的性能，第三代半導體材料 SiC （寬禁帶）應運而生；

　　第三代半導體主要是 SIC 和 GaN，第二代和第三代也稱作化合物半導體，即兩種元素組成的半導體材料，區別于硅/鍺等單質半導體：

　　SIC 材料具有明顯的性能優勢。SiC 和 GaN 是第三代半導體材料，與第一二代半導體材料相比，具有更寬的禁帶寬度、更高的擊穿電場、更高的熱導率等性能優勢，所以又叫寬禁帶半導體材料，特別適用于 5G 射頻器件和高電壓功率器件。

　　2、 第三代半導體 SIC 器件的性能優勢

　　SIC 的功率器件如 SIC MOS，相比于 Si 基的 IGBT，其導通電阻可以做的更低，體現在產品上面，就是尺寸降低，從而縮小體積，并且開關速度快，功耗相比于傳統功率器件要大大降低。

　　在電動車領域，電池重量大且價值量高，如果在 SIC 器件的使用中可以降低功耗，減小體積，那么在電池的安排上就更游刃有余；同時在高壓直流充電樁中應用 SIC 會使得充電時間大大縮短，帶來的巨大社會效益。

　　SiC 器件具備的多種優勢將帶動電動車續航能力的提升：

　　1）。 高電能轉換效率：SiC 屬于寬能隙材料， 擊穿場強度大比 Si 基半導體材料更適用在高功率的應用場景；

　　2）。 高電能利用效率：SiC 屬于寬能隙材料， 擊穿場強度大比 Si 基半導體材料更適用在高功率的應用場景；

　　3）。 低無效熱耗：開關頻率高， 速度快， 所產生無效的熱耗減少， 使的電路、散熱系統得以簡化。

　　2019 年國際上的功率半導體巨頭不斷推出新的基于 SIC 材料的功率器件，且推出的幾款 SiC SBD 及 MOSFET 均符合車規級（AEC-Q101）標準，這些產品應用于新能源車或者光伏領域等功率器件需求場景，將顯著減少功耗，提高轉化效率。

　　3、 政策支持 VS 產業成熟度提升

　　我國的“中國制造 2025”計劃中明確提出要大力發展第三代半導體產業。2015 年 5 月，中國建立第三代半導體材料及應用聯合創新基地，搶占第三代半導體戰略新高地；國家科技部、工信部、北京市科委牽頭成立第三代半導體產業技術創新戰略聯盟（CASA），對推動我國第三代半導體材料及器件研發和相關產業發展具有重要意義。

　　行業發展的瓶頸目前在于 SIC 襯底成本高：目前 SIC 的成本是 Si 的 4-5 倍，預計未來 3-5 年價格會逐漸降為 Si 的 2 倍左右，SIC 行業的增速取決于 SIC 產業鏈成熟的速度，目前成本較高，且 SIC 器件產品參數和質量還未經足夠驗證；

　　SIC MOS 的產品穩定性需要時間驗證：根據英飛凌 2020 年功率半導體應用大會上專家披露，目前 SiC MOSFET 真正落地的時間還非常短，在車載領域才剛開始商用（Model 3 中率先使用了 SIC MOS 的功率模塊），一些諸如短路耐受時間等技術指標沒有提供足夠多的驗證，SIC MOS 在車載和工控等領域驗證自己的穩定性和壽命等指標需要較長時間；

　　目前國內外 SIC 產業鏈日趨成熟，成本持續下降，下游接受度也開始提升，目前整個產業鏈處于行業爆發的前夜。

　　4、SiC 產業鏈總結

　　SIC 產業鏈分為三大環節：上游的 SIC 晶片和外延→中間的功率器件的制造（包含經典的 IC 設計→制造→封裝三個小環節）→下游工控、新能源車、光伏風電等應用。

　　國外 SIC 功率器件玩家：

　　傳統的功率器件廠商包括英飛凌、意法半導體、三菱電機、富士電機；借助SIC 材料介入 SIC 器件的 CREE；

　　國內 SIC 功率器件玩家：泰科天潤，中電科 55 所，基本半導體，三安集成，華潤微等。

　　SIC 晶片、外延和設備：國外 CREE 和 II-VI 占據了 SIC 片 70%以上的份額，國內山東天岳和天科合達已經初具規模；露笑科技 2019 年 11 月公告，露笑科技將為中科鋼研、國宏中宇主導的碳化硅產業化項目定制約 200 臺碳化硅長晶爐，設備總采購金額約 3 億元，同時露笑科技另外 2020 年 8 月公告計劃與合肥合作投資 100 億元建設第三代半導體產業園，從 SIC 設備切入襯底和外延等環節。

　　二、 SIC 器件：10 年 20 倍成長，國內全面布局

　　1、 應用：新能源車充電樁和光伏等將率先采用

　　SiC 具有前述所說的各種優勢，是高壓/高功率/高頻的功率器件相對理想的材料， 所以 SiC 功率器件在新能源車、充電樁、新能源發電的光伏風電等這些對效率、節能和損耗等指標比較看重的領域，具有明顯的發展前景。

　　以新能源車中應用 SIC MOS 為例，根據 Cree 提供的測算： 將純電動車 BEV逆變器中的功率組件改成 SIC 時， 大概可以減少整車功耗 5%-10%；這樣可以提升續航能力，或者減少動力電池成本。

　　同時 SIC MOS 在快充充電樁等領域也將大有可為?？焖俪潆姌妒菍⑼獠拷涣麟姡高^ IGBT 或者 SIC MOS 轉變為直流電， 然后直接對新能源汽車電池進行充電，對于損耗和其自身占用體積問題也很敏感，因此不考慮成本，SIC MOS比 IGBT 更有前景和需求，由于目前 SIC 的成本目前是 Si 的 4-5 倍，因此會在高功率規格的快速充電樁首先導入。在光伏領域，高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器未來的發展趨勢，因此基于性能更優異的 SIC 材料的光伏逆變器也將是未來重要的應用趨勢。

　　SIC 肖特基二極管的應用比傳統的肖特基二極管同樣有優勢。碳化硅肖特基二極管相比于傳統的硅快恢復二極管（SiFRD），具有理想的反向恢復特性。在器件從正向導通向反向阻斷轉換時，幾乎沒有反向恢復電流，反向恢復時間小于 20ns，因此碳化硅肖特基二極管可以工作在更高的頻率，在相同頻率下具有更高的效率。

　　另一個重要的特點是碳化硅肖特基二極管具有正的溫度系數，隨著溫度的上升電阻也逐漸上升，這使得 SIC 肖特基二極管非常適合并聯實用，增加了系統的安全性和可靠性。

　　總結來看，SIC 肖特基二極管具有的特點如下：

　　1）幾乎無開關損耗；

　　2）更高的開關頻率；

　　3）更高的效率；

　　4）更高的工作溫度；

　　5）正的溫度系數，適合于并聯工作；

　　6）開關特性幾乎與溫度無關。

　　根據 CASA 的統計，業內反應 SiC SBD 實際的批量采購成交價已經降至 1元/A 以下，耐壓 600-650V 的產品業內批量采購價約為 0.6 元/A，而耐壓 1200V的產品業內批量采購價約為 1 元/A。

　　2、 門檻：SIC 器件的壁壘和難點

　　SIC 難度大部分集中在 SIC 晶片的長晶和襯底制作方面，但是要做成器件，也有一些自身的難點，主要包括：

　　1）外延工藝效率低：碳化硅的氣相同質外延一般要在 1500℃以上的高溫下進行。由于有升華的問題，溫度不能太高，一般不能超過 1800℃，因而生長速率較低。液相外延溫度較低、速率較高，但產量較低 。

　　2）歐姆接觸的制作：歐姆接觸是器件器件制作中十分重要的工藝之一，要形成好的碳化硅的歐姆接觸在實際中還是有較大難度；

　　3）配套材料的耐高溫：碳化硅芯片本身是耐高溫的，但與其配套的材料就不見得能夠耐得住 600℃以上的溫度。所以整體工作溫度的提高，需要不斷的進行配套材料方面創新。

　　SIC 的優異性能大家認識的較早，之所以最近幾年才有較好的進展主要是因為 SIC 片和 SIC 器件兩個方面相比傳統的功率器件均有一些難點，器件生產的高難度高成本加上碳化硅片制造的高難度（后面會提及），兩者互為循環，一定程度上制約了過去幾年 SIC 應用的推廣速度，我們認為隨著產業鏈逐漸成熟，SIC正處于爆發的前夜，拐點漸行漸近。

　　3、 空間&增速：SIC 器件未來 5-10 年復合 40%增長

　　IHS 預計未來 5-10 年 SIC 器件復合增速 40%：根據 IHSMarkit 數據，2018年碳化硅功率器件市場規模約 3.9 億美元，受新能源汽車龐大需求的驅動，以及光伏風電和充電樁等領域對于效率和功耗要求提升，預計到 2027 年碳化硅功率器件的市場規模將超過 100 億美元，18-27 年 9 年的復合增速接近 40%。

　　滲透率角度測算 SIC MOS 器件市場空間：（SIC MOS 只是 SIC 器件的一種）SIC MOS 器件的下游和 IGBT 重合度較大，因此，驅動 IGBT 行業空間高成長驅動因素如車載、充電樁、工控、光伏風電以及家電市場，也都是 SIC MOS 功率器件將來要涉足的領域；根據我們之前系列行業報告的大致測算，2019 年 IGBT 全球 58 億美金，中國 22 億美金空間，在車載和充電樁和工控光伏風電等的帶動下，預計 2025 年 IGBT 全球 120 億美金，中國 60 億美金。

　　SIC MOS 器件的滲透率取決于其成本下降和產業鏈成熟的速度，根據英飛凌和國內相關公司調研和產業里的專家的判斷來看，SIC MOS 滲透 IGBT 的拐點可能在 2024 年附近。預計 2025 年全球滲透率 25%，則全球有 30 億美金 SIC MOS 器件市場，中國按照 20%滲透率 2025 年則有 12 億美金的 SIC MOS 空間。即不考慮SIC SBD 和其他 SIC 功率器件，僅測算替代 IGBT 那部分的 SIC MOS 市場預計2025 年全球 30 億美金，相對 2019 年不到 4 億美金有超過 7 倍成長，且 2025-2030年增速延續。

　　4、 格局：SIC 器件的競爭格局

　　目前，碳化硅器件市場還是以國外的傳統功率龍頭公司為主，2017 年全球市場份額占比前三的是科銳，羅姆和意法半導體，其中 CREE 從 SIC 上游材料切入到了 SIC 器件，相當于其擁有了從上游 SIC 片到下游 SIC 器件的產業鏈一體化能力。

　　國內的企業均處于初創期或者剛剛介入 SIC 領域，包括傳統的功率器件廠商華潤微、捷捷微電、揚杰科技，從傳統的硅基 MOSFET、晶閘管、二極管等切入 SIC 領域，IGBT 廠商斯達半導、比亞迪半導體等，但國內當前的 SIC 器件營收規模都比較小（揚杰科技最新披露 SIC 營收 2020 年上半年 19.28 萬元左右）；

　　三、SIC 晶片：高成長高壁壘，國產奮起直追

　　1、 成長分析

　　如前分析所述，碳化硅晶片主要用來做成高壓功率器件和高頻功率器件：SIC片主要分為兩種類型：導電型的 SIC 晶片經過 SIC 外延后制作高壓功率器件；半絕緣型的 SIC 晶片經過 GaN 外延后制 5G 射頻器件（特別是 PA）；

　　碳化硅晶片主要用于大功率和高頻功率器件：2018 年氮化鎵射頻器件全球市場規模約 4.2 億美元（約 28 億元人民幣），隨著 5G 通訊網絡的推進，氮化鎵射頻器件市場將迅速擴大。

　　導電型碳化硅單晶襯底材料是制造碳化硅功率半導體器件的基材，根據中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟的測算：2020-2025 年市場需求：4 英寸逐步從 10 萬片市場減少到 5 萬片，6 英寸晶圓將從 8 萬片增長到 20 萬片；2025~2030 年：4 英寸晶圓逐漸退出市場，6 英寸晶圓將增長至 40 萬片。

　　半絕緣碳化硅具備高電阻的同時可以承受更高的頻率，主要應用在高頻射頻器件；同樣根據中國寬禁帶功率半導體及應用產業聯盟的測算：2025 年市場需求：預計 4 英寸半絕緣到 2 萬片、6 英寸到 10 萬片；2025-2030 年市場需求：4 英寸半絕緣襯底逐漸退出市場，而 6 英寸需求到 20萬片。

　　整體 SIC 晶片全球市場空間預計從 2020 的 30 億 RMB 增長至 2027年 150 億元 RMB，作為對比，2018 年全球硅片市場 90 億美元，國內硅片市場約130 億元（近 8 年復合增長 5%-7%）。

　　2、 壁壘分析

　　SIC 晶片的壁壘較高，主要體現在下面幾個方面：

　　1）精確調控溫度：碳化硅晶體需要在 2,000℃以上的高溫環境中生長，且在生產中需要精確調控生長溫度，控制難度極大；

　　2）容易產生多晶型雜質：碳化硅存在 200 多種晶體結構類型，其中六方結構的 4H 型（4H-SiC） 等少數幾種晶體結構的單晶型碳化硅才是所需的半導體材料，在晶體生長過程中需要精確控制硅碳比、生長溫度梯度、晶體生長速率以及氣流氣壓等參數，否則容易產生多晶型夾雜，導致產出的晶體不合格；

　　3）晶體擴徑難度大：氣相傳輸法下，碳化硅晶體生長的擴徑技術難度極大，隨著晶體尺寸的擴大，其生長難度工藝呈幾何級增長；

　　4）硬度極大難切割：碳化硅硬度與金剛石接近，切割、研磨、拋光技術難度大， 工藝水平的提高需要長期的研發積累；

　　3、 競爭分析

　　目前，碳化硅晶片產業格局呈現美國全球獨大的特點。以導電型產品為例，2018 年美國占有全球碳化硅晶片產量的 70%以上，僅 CREE 公司就占據60%以上市場份額，剩余份額大部分被日本和歐洲的其他碳化硅企業占據。

　　由于碳化硅材料特殊的物理性質，其晶體生長、晶體切割、 晶片加工等環節的技術和工藝要求高，需要長期投入和深耕才能形成產業化生產能力，行業門檻很高。

　　后進入的碳化硅晶片生產商在短期內形成規?；芰Υ嬖谳^大難度，市場供給仍主要依靠現有晶片生產商擴大自身生產能力，國內碳化硅晶片供給不足的局面預計仍將維持一段時間。

　　4、 價值分析

　　上游 SIC 晶片主要用于 SIC 功率器件和 5G 高頻射頻器件，未來 10 年市場空間隨著下游 SIC 功率器件+高頻射頻器件的增長而增長，我們預計將從 2020 年30 億 RMB 到 2027 年接近 150 億 RMB；

　　行業高增長+國產替代+高壁壘：天科合達/山東天岳可簡單類比于 SIC 晶片領域的滬硅產業，而且傳統硅片分布在日韓美五個巨頭，而 SIC 晶片龍頭 70%+的份額都在美國 CREE 和 II-VI 等公司，國產化也更迫切；在過去十年下游半導體的成長中，國內上游硅片商參與的有限；而這一次，未來 10 年的 SIC 器件和5G 高頻射頻器件中，國內的 SIC 晶片龍頭將積極參與其中，行業爆發增長和國產化同時進行，可持續享受較高估值。

　　智東西認為，半導體材料目前經歷了三個發展階段，第一代的硅（Si）、鍺（Ge）；第二代開始由2種以上元素組成化合物半導體，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦 （InP）；以及第三代的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等寬禁帶材料。碳化硅具備低導通電阻、高切換頻率、耐高溫與耐高壓等優勢， 在新能源車、光伏風電、不間斷電源、家電工控等有廣闊的應用前景。雖然成本目前仍然是制約碳化硅產業鏈發展的一大重要阻礙，但隨著國內外相關產業的發展、成本不斷降低，產業的發展爆發點降至。