碳化硅：第三代半导体之星

1 耐高温高压高频，碳化硅电气性能优异

碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料的代表，在禁带宽度、击穿电场、热导率、电子饱和速率、抗辐射能力等关键参数方面具有显著优势，满足了现代工业对高功率、高电压、高频率的需求，主要被用于制作高速、高频、大功率及发光电子元器件，下游应用领域包括智能电网、新能源汽车、光伏风电、5G 通信等，在功率器件领域，碳化硅二极管、MOSFET已经开始商业化应用。

2 工艺难度大幅增加，长晶环节是瓶颈

碳化硅从材料到半导体功率器件会经历单晶生长、晶锭切片、外延生长、晶圆设计、制造、封装等工艺流程。在合成碳化硅粉后，先制作碳化硅晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底，经外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、金属钝化等工艺得到碳化硅晶圆，将晶圆切割成 die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。

3 下游应用场景丰富，新能源带来最大增长点

按照电学性能的不同，碳化硅材料制成的器件分为导电型碳化硅功率器件和半绝缘型碳化硅射频器件，两种类型碳化硅器件的终端应用领域不同。导电型碳化硅功率器件是通过在低电阻率的导电型衬底上生长碳化硅外延层后进一步加工制成，包括造肖特基二极管、MOSFET、IGBT 等，主要用于电动汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、数据中心、充电等。半绝缘型碳化硅基射频器件是通过在高电阻率的半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层后进一步加工制成，包括 HEMT 等氮化镓射频器件，主要用于 5G 通信、车载通信、国防应用、数据传输、航空航天。

4 碳化硅供需缺口持续扩大，海内外厂商加速研发扩产

4.1 供给端：海外龙头主导出货量，全球有效产能仍不足

当前制约碳化硅器件大规模商业化应用的主要因素在于高成本，碳化硅衬底制造难度大、良率低为主要原因。全球碳化硅市场呈美国、欧洲、日本三足鼎立的格局，国内龙头企业仅天科合达和天岳先进占据了全球碳化硅衬底市场份额。在全球导电型碳化硅衬底市场中，Wolfspeed 占据超 60%的市场份额，II-VI 和 Rohm 的子公司 SiCrystal 分别占据 16%和 12%，位列第二和第三；在半绝缘型碳化硅衬底市场中，Wolfspeed、II-VI 和天岳先进各占据约 30%的市场份额。

4.2 需求端：下游需求不断扩大，百亿市场空间可期

未来随着碳化硅器件在新能源汽车、能源、工业、通讯等领域渗透率提升，碳化硅器件市场规模有望持续扩大，其中新能源车和光伏下游为主要驱动因素。对碳化硅器件在电动汽车领域的市场空间进行测算，假设如下：

1)全球新能源乘用车销量：根据 Clean Technica 数据，2021 年全球乘用车销量超6500 万辆，其中新能源乘用车销量为 650 万辆，渗透率为 10.3%；2022 年全球新能源乘用车销量为 1031 万辆，渗透率为 14%，假设 2022-2025 全球新能源乘用车销量持续增长，至 2025 年新能源车渗透率达 24%；

2) 碳化硅 MOS 器件渗透率：假设碳化硅 MOS 器件在新能源车应用渗透率从 2021年 18%逐年增长 6%至 2024 年的 42%；

3) 6 英寸碳化硅衬底市场空间：特斯拉 Model 3 在主驱逆变器上共使用 48 颗 SiCMOSFET，单车消耗约 0.25 片 6 英寸碳化硅衬底，随着技术进步带来碳化硅器件使用范围进一步扩大至包括 OBC，DC/DC 转化器等方面，假设单车将消耗 0.5 片6 英寸碳化硅衬底，而其售价按照 10%的幅度逐年下降；

4) 碳化硅器件市场空间：当前碳化硅衬底占器件总成本的 46%，假设价格逐年下降，至 2025 年碳化硅衬底占总器件成本的 30%；

5)综上：2025 年碳化硅衬底(按 6 英寸算)在新能源车市场的需求量达 339 万片，市场空间为 129 亿元，碳化硅器件的市场空间达 429 亿元，2021-2025 碳化硅器件的 CAGR 达 85%

对碳化硅器件在光伏逆变器领域的市场空间进行测算，假设如下：

1）光伏逆变器总需求：光伏逆变器新增需求和全球光伏新增装机量同步，而光伏逆变器 IGBT 器件的使用寿命约 10 年，故存量更换需求与 10 年前新增装机量对应；

2）光伏逆变器 IGBT 器件市场空间：假设光伏逆变器平均售价、毛利率逐年下降，IGBT 器件价格占逆变器价格的 12%；

3）光伏逆变器碳化硅 MOS 器件市场空间：由 CASA，假设碳化硅渗透率增至 2025的 50%，而技术进步和规模效应使碳化硅器件成本从现硅基 IGBT 价格的 4 倍逐年下降；

4）6 英寸碳化硅衬底需求：假设碳化硅衬底成本占器件总成本的比例从当前 46%逐渐下降至 2025 年的 30%，而 6 英寸碳化硅衬底单价从按 10%的比例逐年下降，从而得到衬底需求量；

5）综上：预计 2021-2025 年，碳化硅器件在光伏应用领域市场空间由 23 亿元增长至92 亿元，CAGR 为 42%，到 2025 年碳化硅衬底（按 6 英寸算）需求量超过 72 万片。

审核编辑 ：李倩