1、 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 行业行业研究研究 Page1 行业行业研究研究 Page1 证券研究报告证券研究报告深度报告深度报告 电子元器件电子元器件 半导体系列报告之半导体系列报告之二二 超配超配 2021 年年 12 月月 30 日日 一年该行业与一年该行业与上证综指上证综指走势比较走势比较 行业深度行业深度 碳化硅碳化硅：能量转换链的材料变革能量转换链的材料变革 碳化硅是功率器件材料碳化硅是功率器件材料端的技术端的技术演进演进 随着终端应用电子架构复杂程度提升，硅基器件物理极限无法满足部分高压、高温、高频及低功耗的应用要求，具备热导率高、临界击穿
2、场强高、电子饱和漂移速率高等特点的碳化硅（SiC）器件作为功率器件材料端的技术迭代产品出现，应用于新能源汽车、光伏、工控等领域，在电力电子设备中实现对电能的高效管理。以逆变器为例，碳化硅模块代替硅基 IGBT 后，逆变器输出功率可增至硅基系统的 2.5 倍，体积缩小 1.5倍，功率密度为原有 3.6 倍，最终实现系统成本整体降低。 碳化硅碳化硅技术壁垒高，技术壁垒高，技术演进空间大技术演进空间大 一方面，由于碳化硅长晶速度慢，每小时仅生长 0.2-0.3mm，在 200 多种晶型中仅一种可用（SiC-4H） ，且晶棒切割难度大，因此碳化硅衬底从样品到稳定批量供货大约需要 5 年；另一方面，作为
3、碳化硅器件性能及可靠性的关键，高压器件用、低缺陷密度且均匀掺杂的碳化硅外延工艺难度大；叠加离子注入、栅氧可靠性及客户验证等器件端挑战，碳化硅市场进入壁垒高，技术挑战大。未来，碳化硅将继续向衬底大尺寸化、切割高效化及器件模块化等低成本高可靠性方向发展。 上游产能不断扩充，产业上游产能不断扩充，产业垂直整合垂直整合加速加速 碳化硅衬底成本占比为 46%， 外延成本占比为 23%， 产业链价值量倒挂，衬底供应商掌握了产业链的核心话语权。以 Wolfspeed 为例，其衬底产能全球第一， 已获 13 亿美元长期协议， 在车规级器件端扩展迅速。 目前， ST、英飞凌、安森美等传统功率器件商均在上游材料进
4、行扩产，同时基于多年客户积累与汽车等终端建立合作，产业垂直整合加速。我国目前在衬底端已开始占据一定市场份额， 如山东天岳 2020 年半绝缘衬底全球市占率已至 30%；而器件端，目前全球意法半导体一家独大，国内公司尚属发展早期，但已有部分企业如斯达半导、比亚迪半导体等碳化硅模块已实现上车应用。 新能源汽车驱动新能源汽车驱动市场加速市场加速，国内国内 SiC 产业链蓄势待发产业链蓄势待发 根据 Yol预测，碳化硅器件市场将从 2019 年 5 亿美元增至 2025 年 25亿美元，复合增速达 30%。其中，新能源汽车作为主驱动力，从 2019年 2.25亿增至 2025年 15 亿美元， 占整个
5、市场 60%， 对应复合增速 38%。随着快充需求增加，电动汽车逐步向 800V 架构过渡，碳化硅渗透加速。目前，国内企业在衬底端已有开始占据少量份额，器件端仍属发展早期。未来，考虑产业链价值量分布及客户优势等因素，我们认为上游拥有衬底量产技术、外延能力的企业及拥有功率半导体经验、下游客户或具备大量上车数据的功率半导体公司有望脱颖而出。 国内国内 SiC 产业链产业链上市或上市或 IPO 阶段阶段相关公司相关公司：天岳先进（衬底） 、凤凰光学（外延） 、斯达半导（器件） 、比亚迪半导体（器件） 、中车时代电气（器件） 、华润微（器件）等。 风险提示：风险提示：新能源汽车销量不及预期；碳化硅器件
6、渗透不及预期等。 相关研究报告：相关研究报告： 电子行业 2022 年投资策略：关注量变引起质变的 3C 创新及国产替代 2021-12-27 电子行业周报：多品牌折叠机纷至沓来，关注铰链及 UTG 2021-12-27 电子行业周报： 2021 年全球半导体资本支出创新高 2021-12-20 电子行业周报：Meta 元宇宙生态再进阶，OPPO 折叠机将面市 2021-12-15 电子行业周报：大厂增产 MLCC，4Q 折叠新机频发 2021-12-06 独立性声明：独立性声明： 作者保证报告所采用的数据均来自合规渠道，分析逻辑基于本人的职业理解，通过合理判断并得出结论，力求客观、公正，其结
7、论不受其它任何第三方的授意、影响，特此声明 0.60.70.80.91.01.1J/21M/21M/21J/21S/21N/21上证综指电子元器件 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page2 内容目录内容目录 碳化硅：能量转换链的材料变革碳化硅：能量转换链的材料变革 . 5 为什么要用碳化硅？ . 6 碳化硅材料：发挥碳化硅优势的最关键环节 . 7 碳化硅器件：电能转换的载体 . 9 碳化硅壁垒：长晶、外延及器件 . 12 碳化硅发展趋势：衬底大尺寸化，切割高效化、器件模块化 . 14 碳化硅的竞与合：以碳化硅的竞与合：以 Wolfspeed 为例为例 .
8、15 从 Cree 到 Wolfspeed：碳化硅龙头的转型之路 . 15 Wolfspeed：转型影响短期盈利，成长性带来市值新高 . 18 由 Wolfspeed 看碳化硅市场的竞与合 . 21 应用驱动下的碳化硅行业应用驱动下的碳化硅行业 . 24 新能源时代开启，碳化硅加速渗透 . 24 产业链价值量倒挂，产业垂直整合加速 . 26 电动汽车 800V 架构碳化硅上车的催化剂 . 28 碳化硅国产化的喜与忧碳化硅国产化的喜与忧. 29 下游需求起量初期，国产进入市场正当时 . 29 量产技术参差不齐，国产衬底初露头角 . 30 国内上游衬底及功率器件龙头成长性高国内上游衬底及功率器件龙
9、头成长性高 . 31 国信证券投资评级国信证券投资评级 . 35 分析师承诺分析师承诺 . 35 风险提示风险提示 . 35 证券投资咨询业务的说明证券投资咨询业务的说明 . 35 qRrPmOqOqMvNtRsRwPyQxOaQbPaQsQmMsQqReRoPtRiNoNrQbRoOyRuOtQpQMYqNqO 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page3 图图表表目录目录 图图 1：不同半导体材料对应的应用领域：不同半导体材料对应的应用领域 . 5 图图 2：SiC 器件与器件与 Si 器件性能比较器件性能比较 . 6 图图 3：SiC 器件相对器件相对
10、IGBT 的优越性的优越性 . 6 图图 4：引入：引入 SiC 后功率密度提升体积减小后功率密度提升体积减小 . 7 图图 5：22kW 双向双向 OBCSiCvs.Si 系统成本分析系统成本分析 . 7 图图 6：碳化硅材料碳化硅材料 . 7 图图 7：碳化硅材料碳化硅材料 . 8 图图 8：碳化硅制造过程碳化硅制造过程 . 8 图图 9：碳化硅外延工艺对器件性能至关重要碳化硅外延工艺对器件性能至关重要 . 9 图图 10：碳化硅器件应用场景碳化硅器件应用场景 . 10 图图 11：不同电压下的：不同电压下的碳化硅器件解决方案（以碳化硅器件解决方案（以 Wolfspeed 为例）为例） .
11、 10 图图 12：MOSFET 如何实现电流变换如何实现电流变换 . 11 图图 13：电动汽车关键功率半导体分布：电动汽车关键功率半导体分布 . 11 图图 14：电动汽车逆变器中：电动汽车逆变器中 SiC MOSFET 应用应用 . 11 图图 15：电动汽车：电动汽车 DC-DC 中中 SiC MOSFET 应用应用 . 12 图图 16：电动汽车：电动汽车 OBC 中中 SiC MOSFET 应用应用 . 12 图图 17：从样品到规模制造：从样品到规模制造 SiC 衬底需要多年时间衬底需要多年时间 . 12 图图 18：碳化硅长晶工艺难点：碳化硅长晶工艺难点 . 13 图图 19：
12、碳化硅外延层工艺难点：碳化硅外延层工艺难点 . 13 图图 20：6 英寸到英寸到 8 英寸碳化硅晶圆数变化英寸碳化硅晶圆数变化 . 14 图图 21：冷切割工艺使得切割良率大幅提升：冷切割工艺使得切割良率大幅提升 . 15 图图 22：Cree|Wolfspeed 的发展历史的发展历史 . 16 图图 23：Wolfspeed 转型历程转型历程 . 17 图图 24：Wolfspeed 碳化硅材料碳化硅材料. 17 图图 25：Wolfspeed 晶圆厂情况晶圆厂情况. 17 图图 26：Wolfspeed 功率器件产品功率器件产品 . 18 图图 27：GaN-on-SiC 为基础的通信架
13、构应用为基础的通信架构应用. 18 图图 28：GaN-on-SiC 器件的多元射频应用器件的多元射频应用 . 18 图图 29：Wolfspeed 收入和归母净利润（百万美元）收入和归母净利润（百万美元） . 19 图图 30：Wolfspeed 毛利率及研发投入情况毛利率及研发投入情况 . 19 图图 31：Wolfspeed 各业务收入占比及器件收入增速各业务收入占比及器件收入增速 . 19 图图 32：Wolfspeed 各业务部门毛利率各业务部门毛利率 . 19 图图 33：Wolfspeed 资本开支及自由现金流情况资本开支及自由现金流情况 . 20 图图 34：Wolfspeed
14、 毛利率优化路径毛利率优化路径 . 20 图图 35：Wolfspeed 未来未来 5 年规划年规划 . 20 图图 36：Wolfspeed 市值创新高市值创新高. 21 图图 37：Wolfspeed 衬底产能衬底产能 . 21 图图 38：Wolfspeed 衬底市占率第一衬底市占率第一 . 21 图图 39：下游厂商与下游厂商与 Wolfspeed 达成长期材料供应协议达成长期材料供应协议 . 22 图图 40：Wolfspeed Design-in 情况情况 . 22 图图 41：Wolfspeed 三大领域的三大领域的 Pipeline development . 23 图图 42
15、：Wolfspeed 碳化硅器件及材料市场机会碳化硅器件及材料市场机会 . 23 图图 43：SiC 垂直整合加速垂直整合加速 . 23 图图 44：SiC 器件厂商与车厂及器件厂商与车厂及 Tier1 建立紧密合作建立紧密合作 . 24 图图 45：新能源汽车拉动：新能源汽车拉动 SiC 器件加速渗透器件加速渗透 . 24 图图 46：2020-2021 年新能源汽车销量（万辆）及渗透率年新能源汽车销量（万辆）及渗透率 . 25 图图 47：不同程度电动化汽车的碳排放量比较不同程度电动化汽车的碳排放量比较 . 25 图图 48：SiC 器件厂商与车厂及器件厂商与车厂及 Tier 1 建立紧密
16、合作建立紧密合作 . 25 图图 49：2020-2025 年新能源汽车对碳化硅晶圆需求（万片）年新能源汽车对碳化硅晶圆需求（万片） . 26 图图 50：2025 年碳化硅车身应用组件占比年碳化硅车身应用组件占比 . 26 图图 51：SiC 产业链及价值量分布产业链及价值量分布 . 26 图图 52：SiC 产业链及价值量分布产业链及价值量分布 . 27 图图 53：SiC 产业链参与者众多产业链参与者众多 . 28 图图 54：SiC 与与 Si 基基 22kW 双向双向 OBC 性能对比性能对比 . 28 图图 55：SiC 上车情况上车情况 . 28 请务必阅读正文之后的免责条款部分
17、 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page4 图图 56：SiC 产业发展历程演进产业发展历程演进 . 29 图图 57：我国：我国 SiC 项目概况项目概况 . 30 图图 58：2019-2020 全球半绝缘碳化硅衬底市占率情况全球半绝缘碳化硅衬底市占率情况 . 31 图图 59：2020 年碳化硅功率器件市占率情况年碳化硅功率器件市占率情况 . 31 图图 60：碳化硅投资策略：碳化硅投资策略 . 31 表表 1：各类半导体材料特性参数比较：各类半导体材料特性参数比较 . 5 表表 2：碳化硅半绝缘型衬底与导电型衬底对比：碳化硅半绝缘型衬底与导电型衬底对比 . 8 表表 3：SiC 器
18、件进展器件进展 . 10 表表 4：碳化硅材料常见缺陷：碳化硅材料常见缺陷 . 13 表表 5：Cree 发展中不断收购和剥离发展中不断收购和剥离 . 16 表表 6：全球主要：全球主要 SiC 衬底厂扩展计划衬底厂扩展计划 . 23 表表 7：国际龙头企业产业链合作部分情况：国际龙头企业产业链合作部分情况 . 27 表表 8：800VSiC 逆变器将是下一代高效电动车的核心部件逆变器将是下一代高效电动车的核心部件 . 29 表表 9：国内代表性厂商的：国内代表性厂商的 SiC 产品进展产品进展 . 30 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page5 碳化硅碳
19、化硅：能量转换链的能量转换链的材料材料变革变革 碳化硅（碳化硅（SiC）是一种由碳和硅两种元素组成的宽禁带化合物半导体材料，具）是一种由碳和硅两种元素组成的宽禁带化合物半导体材料，具备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点。备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点。由于碳化硅宽能带（3.2eV）的物理性质，又称为宽禁带半导体。 经过几十年的发展，硅（Si）作为半导体行业的基础材料，完成了全球 95%以上的集成电路的制造；随着电子的发展，化合物半导体如砷化镓（GaAs） 、碳化硅、氮化镓（GaN）等也逐渐渗透到下游应用中。按在下游应用中出现的先后顺
20、序，半导体主要的可分为三类： 一、锗、硅等半导体材料：硅拥有 1.1eV 的禁带宽度以及氧化后非常稳定的特性，广泛应用于电力电子、光伏等领域。 二、砷化镓、锑化铟等半导体材料：砷化镓拥有 1.4eV 的禁带宽度以及比硅高五倍的电子迁移率，主要用于手机等需要高频率的通信应用中。 三、以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料：有更高饱和漂移速度和更高的临界击穿电压等突出优点，适合大功率、高温、高频、抗辐照的应用场合。 图图 1：不同半导体材料对应的应用领域不同半导体材料对应的应用领域 资料来源：英飞凌，国信证券经济研究所整理 半导材料发展至今，硅材料已经接近完美晶体。基于硅材料上器件的设计和开发也
21、经过了许多代的结构和工艺优化和更新，正在逐渐接近硅的物理极限。基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小，而以氮化镓、碳化硅为代表的、半导体具备优异的材料物理特性，为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。 表表 1：各类各类半导体材料特性参数比较半导体材料特性参数比较 参数参数 单位单位 Si SiC GaAs GaN 禁带宽度 eV 1.12 3.26 1.43 3.5 电子迁移率 cm2/(V s) 1400 900 8500 1250 击穿电场 MV/cm 0.3 3 0.4 3.3 漂移速度 107/s 1 2.7 2 2.7 热传导率 W/(cm K) 1.5 4.9 0.5 1
22、.3 资料来源：Rohm，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page6 为什么要用碳化硅？为什么要用碳化硅？ （1）与）与 Si 相比，相比，SiC 在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势，是材料在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势，是材料端革命性的突破。端革命性的突破。SiC 击穿场强是 Si 的 10 倍，这意味着同样电压等级的 SiC MOSFET 外延层厚度只需要 Si 的十分之一， 对应漂移区阻抗大大降低； 且 SiC禁带宽度是 Si 的 3 倍，导电能力更强。同时，SiC 热导率及熔点非常高，是Si 的 2-3 倍。此
23、外，SiC 电子饱和速度是 Si 的 2-3 倍，能够实现 10 倍的工作频率。 图图 2：SiC 器件与器件与 Si 器件性能比较器件性能比较 资料来源：Rohm，国信证券经济研究所整理 （2）与与 IGBT 相比相比，SiC 可以同时实现高耐压、低导通电阻、高频三个特性。可以同时实现高耐压、低导通电阻、高频三个特性。在 600V 以上的应用中，对于 Si 材料来说，为了改善由于器件高压化所带来的导通电阻增大的问题，主要使用绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）等为代表的少数载流子器件。IGBT 中，由于少数载流子积聚使得其在关断时存在拖尾电流，继而产生较大的开关损耗，并伴随发热。而 SiC 是具
24、有快速器件结构特征的多数载流子器件，开关关断时没有拖尾电流，开关损耗减少 74%。 图图 3：SiC 器件器件相对相对 IGBT 的优越性的优越性 资料来源：Rohm，国信证券经济研究所整理 以 Wolfspeed 提供的碳化硅模块为例，在代替硅 IGBT 后，逆变器输出功率可增至 2.5 倍，体积缩小 1.5 倍，功率密度为原有 3.6 倍。一方面，碳化硅模块可减小开关损耗，改善电源效率并且简化散热系统，如散热器小型化、水冷/强制风冷改为自然冷却； 另一方面， 碳化硅模块工作频率高频化， 可实现外围器件(电 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page7 感和
25、电容器等)的小型化。 图图 4：引入引入 SiC 后后功率密度功率密度提升体积减小提升体积减小 资料来源：Wolfspeed，国信证券经济研究所整理 此外，此外，碳化硅的加入碳化硅的加入还可还可使得系统整体成本下降使得系统整体成本下降，以 22kW 双向 OBC 为例，SiC 系统成本与 Si 相比，减少了 15%；同时能量密度是 Si 系统的 1.5 倍，通过减少能耗每年可减少 40 美元左右的单位成本。 图图 5：22kW 双向双向 OBCSiCvs.Si 系统成本分析系统成本分析 资料来源：Rohm，国信证券经济研究所整理 碳化硅碳化硅材料材料：发挥碳化硅发挥碳化硅优势的优势的最关键环节
26、最关键环节 根据 Si，C 原子的排列顺序不同，SiC 晶体对应结构不同，目前发现的 SiC 大大约有约有 200 多多种晶体结构形态，其中，仅有晶型种晶体结构形态，其中，仅有晶型 4H（4H-SiC）可以用来制造）可以用来制造功率器件。功率器件。 图图 6：碳化硅材料碳化硅材料 资料来源：Wolfspeed，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page8 根据电阻率不同，碳化硅晶片可分为导电型和半绝缘型衬底根据电阻率不同，碳化硅晶片可分为导电型和半绝缘型衬底。导电型 SiC 衬底可通过 N 和 Al 作为掺杂剂实现 N 型和 P 型导电
27、性，目前产品以 N 型为主（氮气掺杂） ，电阻率通常低于 0.02 cm，晶体生长关注氮掺杂浓度均匀性及缺陷控制。通过在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅同质外延片，可制成肖特基二极管、MOSFET 等功率器件，应用于新能源汽车，轨道交通以及大功率输电变电等领域；与导电衬底不同，半绝缘型 SiC 衬底电阻率则需要高于 106cm（国际水平 108 cm） ，晶体生长关注高纯度高电阻。通过在半绝缘衬底上生长氮化镓外延层制得碳化硅基氮化镓（GaN on SiC）外延片，而后可进一步制成HEMT 等微波射频器件，应用于信息通讯、无线电探测等领域。 图图 7：碳化硅材料碳化硅材料 资料来源：山东天岳，国信证
28、券经济研究所整理 表表 2：碳化硅半绝缘型衬底与导电型衬底对比碳化硅半绝缘型衬底与导电型衬底对比 衬底类型衬底类型 电阻率要求电阻率要求 生长工艺生长工艺 参数关注点参数关注点 半绝缘型半绝缘型 SiC 高于 106cm （国际108cm） 原料高纯度，生长过程高真空度，避免引入浅能级杂质，实现晶体的本征高电阻率 衬底高纯度、高电阻率，低缺陷浓度 导电型导电型 SiC 低于 0.02 cm 采用 N 掺杂，需标定引入系统的氮气掺杂浓度、生长速度等参数，以实现电阻率精确控制 衬底面内电阻率径向均匀分布，不同批次衬底电阻率一致性 资料来源：天岳先进、天科合达招股说明书，国信证券经济研究所整理 要得
29、到碳化硅衬底，需要先以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料，采用物理气相传输法（PVT）生长出碳化硅晶锭，再经过切割、研磨、抛光、清洗等工序对晶锭进行加工，最终得到碳化硅晶片。 图图 8：碳化硅碳化硅制造过程制造过程 资料来源：山东天岳招股说明书，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page9 具体流程如下： 原料合成：将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合，在 2000以上的高温下反应合成碳化硅。再经过破碎、清洗等工序，制得高纯碳化硅微粉原料。 晶体生长：将高纯 SiC 微粉和籽晶置于单晶生长炉两端，通过电磁感应将原料加热至 2000以上形成蒸汽，
30、 蒸汽上升到达温度较低的籽晶处结晶形成碳化硅晶锭。 晶锭加工： 用 X 射线单晶定向仪对晶锭定向， 磨平、 滚磨加工成标准尺寸。 晶体切割：使用切割设备，将碳化硅晶体切割成厚度不超过 1mm 薄片。 晶片研磨：通过金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。 晶片抛光： 通过机械抛光和化学机械抛光得到表面无损伤的碳化硅抛光片。 晶片检测：检测碳化硅晶片的微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面划痕等各项参数指标，据此判定质量等级。 晶片清洗：以清洗药剂和纯水对碳化硅抛光片进行处理。 SiC 长晶环节制造成本高且工艺难度大长晶环节制造成本高且工艺难度大，其晶体生长
31、，其晶体生长效率极其缓慢，效率极其缓慢，生长速度生长速度仅为仅为 0.2-0.3mm/h；且在生长过程中升温降温速度缓慢，因此，一个炉子一周仅能长 2cm 厚的碳化硅晶棒。此外，由于碳化硅硬度大，切割过程中易碎，切割良率低。 图图 9：碳化硅碳化硅外延工艺外延工艺对器件性能至关重要对器件性能至关重要 资料来源：山东天岳招股说明书，国信证券经济研究所整理 碳化硅外延工艺碳化硅外延工艺是是提高提高碳化硅碳化硅器件性能及可靠性的关键器件性能及可靠性的关键。碳化硅外延是指在衬底的上表面生长一层与衬底同质的单晶材料 4H-SiC。目前标准化工艺是使用 4斜切的 4H-SiC 单晶衬底，采用台阶控制生长技
32、术，通过 CVD 进行沉积。外延层可减小晶体生长和加工中引入的缺陷带来的影响，使碳化硅表面晶格排列整齐，形貌较衬底大幅优化。在此基础上制造的功率器件，器件性能和可靠性将显著提升。因此，生长出合适厚度、高晶体质量和均匀掺杂浓度的外延层至为关键。 碳化硅器件碳化硅器件：电能转换的载体电能转换的载体 功率器件作为电路中电压、电流、频率、开关等物理状态改变的载体，从 20 世纪 50 年代开始广泛应用于电子电力设备中，以实现对电能的管理。其产品包括分立器件（二极管、三极管、晶闸管、MOSFET、IGBT 等） 、功率模组。随着应用终端功能多样化，电子架构复杂程度提升。相应地，工作电流电压提升，而整体功
33、耗要求在稳步下降。此时，硅基器件物理极限无法满足应用要求，碳碳化硅器件作为功率器件材料端的技术迭代产品出现。化硅器件作为功率器件材料端的技术迭代产品出现。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page10 图图 10：碳化硅器件应用场景碳化硅器件应用场景 资料来源：CASA，国信证券经济研究所整理 目前碳化硅功率器件主要目前碳化硅功率器件主要分为分为肖特基二极管肖特基二极管(SBD)、MOSFET 以及以及模块模块：SiC SBD，是利用金属与半导体接触形成的金属半导体结原理制造的低功耗、超高速的分立器件， 器件电压可达 1200V 以上 （Si SBD 最高耐
34、压为 200V 左右） ，能够大幅减小反向恢复损耗。SiC MOSFET 分为平面式 MOSFET 和沟槽式MOSFET 两种类型，可用于满足高耐压和低导通电阻的应用需求。目前，大部分车规级 SiC MOSFET 以平面型为主。SiC 功率模块是搭载了 SiC MOSFET和 SiC SBD 的器件形式，可满足高压下器件匹配、系统效率及可靠性的要求。 图图 11：不同电压下的不同电压下的碳化硅器件碳化硅器件解决解决方案（以方案（以 Wolfspeed 为例）为例） 资料来源：Wolfspeed，国信证券经济研究所整理 表表 3：SiC 器件进展器件进展 公司公司 SBD JFET 平面平面型型
35、 MOSFET Trench 型型 MOSFET Wolfspeed Gen3-1200V,Rsp 2.7 mQ cm2 Gen4 开发中 Infineon 1200V Gen1-1200V.Rsp 33.5mQ cm2 Rohm Gen2-1200V,Rsp 810mQ cm2 Gen3-1200V,Rsp 4.1mQ cm2 Gen4-1200V,Rsp 2.5mQ cm2 ST Gen1-1200V，Rsp10 mQ cm2 Gen2-1200V.Rsp 4mQ cm2 Gen3-1200V,Rsp 3mQ cm2开发中 Gen4 预研 Onsemi Gen1-1200V,Rsp 5mQ
36、 cm2 Bosch 1200V，750V Microsemi 1200V，Rsp 4-5mQ cm2 Monolith(Littelfuse) 1200V.，Rsp 3-4mQ cm2 USCI(Qorvo) 650V. Rsp 0.75mQ- cm2 开发中 资料来源：Trendforce，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page11 SiC 器件器件主要主要装载装载于于电力电子设备中电力电子设备中以实现电能转换以实现电能转换。 以逆变器为例， 通过 SiC MOSFET 可实现交流电与直流电的转换。在本过程中主要分为两个部分：第
37、一步：利用 MOSFET 实现开关不停切换，使得电流方向不断正负变换，将直流电变为方形交流电。第二步：通过引入比较器控制 MOSFET 开关。而后通过电感平滑电流曲线，电容平滑电压曲线，最终使得方形交流电平滑为正弦交流电输出使用。 图图 12：MOSFET 如何实现电流变换如何实现电流变换 资料来源：Lesics，国信证券经济研究所整理 以新能源汽车为例，以新能源汽车为例，SiC 功率功率器件主要器件主要应用于应用于逆变器、逆变器、DC/DC 转换器、电机驱转换器、电机驱动器和车载充电器动器和车载充电器(OBC)等核心等核心电控领域电控领域，以完成高效的电能转换以完成高效的电能转换。在电动车传
38、动系统中，主逆变器的功能是将电池输出的 12V 直流电电转换为驱动电机用的 220V 三相交流电以驱动车辆行驶。通过使用 SiC MOSFET，马达的损耗可大幅减小，马达、平滑电容、线圈等部件可实现小型化，最终达到逆变器效率提升，电池续航时间延长的应用目标。 图图 13：电动汽车关键功率半导体分布电动汽车关键功率半导体分布 图图 14：电动汽车逆变器中电动汽车逆变器中 SiC MOSFET 应用应用 资料来源：英飞凌，国信证券经济研究所整理 资料来源：英飞凌，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page12 耐压性能优异的 SiC MOS
39、FET 在 800V 电池的高压机型中最适合使用。在DC/DC 转换器中则是通过 SiC MOSFET 等功率器件将高压电池电压转换为低电压，为动力转向系统、空调以及其他辅助设备提供所需的电力。车载充电器(OBC)是内置在车辆中用于实现交流电网向高压电池再充电的 AC/DC 转换器。目前，为了缩短充电时间，快速充电电压趋于变高，适合高压快速充电场景的SiC MOSFET 被大量选用。 图图 15：电动汽车电动汽车 DC-DC 中中 SiC MOSFET 应用应用 图图 16：电动汽车电动汽车 OBC 中中 SiC MOSFET 应用应用 资料来源：英飞凌，国信证券经济研究所整理 资料来源：英飞
40、凌，国信证券经济研究所整理 碳化硅碳化硅壁垒壁垒：长晶、外延及器件：长晶、外延及器件 碳化硅技术难点主要集中在长晶、 外延碳化硅技术难点主要集中在长晶、 外延、 器件器件可靠性及验证上可靠性及验证上。 根据 Wolfspeed介绍，碳化硅衬底从样品到稳定批量供货大约需要 5 年时间；叠加车规级器件长验证周期，碳化硅市场的进入壁垒相对较高。 图图 17：从样品到规模制造从样品到规模制造 SiC 衬底需要多年时间衬底需要多年时间 资料来源：Wolfspeed，国信证券经济研究所整理 一、一、长晶工艺长晶工艺涉及四大难点涉及四大难点 由于晶体生长速率慢、制备技术难度较大，大尺寸、高品质碳化硅衬底生产
41、成本较高，进入的技术壁垒相对较高。具体涉及四大难点： （1）用于长晶的高纯 SiC 粉料制备难； （2）长晶慢且特定晶型生长难度大。在 200 多种不同晶型碳化硅单晶中生长 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page13 出特定的 4H-SiC 晶型难度大。由于 PVT（物理气相传输）的方法生长过程中高温段无法监测，如何通过控制炉子的温度场、气流、生长面间距等工艺参数得到特定的 4H-SiC 晶型是最大难点； （3） 单晶生长炉是 SiC 单晶生长的核心设备， 通常需要厂商基于生长经验的积累在发展材料的过程中不断进行改造、调试和优化； （4）碳化硅硬度与金刚石
42、接近，切割难度大，切割过程需保证稳定获得低翘曲度的晶片，还需在研磨和抛光工艺中控制晶片的平整度。 图图 18：碳化硅长晶碳化硅长晶工艺难点工艺难点 图图 19：碳化硅外延层工艺难点碳化硅外延层工艺难点 资料来源：Wolfspeed，国信证券经济研究所整理 资料来源：基本半导体，国信证券经济研究所整理 二、外延工艺二、外延工艺涉及三大难点涉及三大难点 与硅功率器件工艺不同，其器件加工过程需采用高温离子注入、高温氧化以及高温退火等高温工艺。由于碳化硅功率器件必须在单晶衬底上的高质量外延层制造，且外延参数因器件应用场景而各不相同，因此，外延层工艺挑战较大。 （1） 应用于高压的外延层难度大。 低压
43、600V， 需要外延的厚度约为 6m 左右；中压 1200-1700V，厚度为 10-15m；高压 10kV 以上，需要 100m 以上；外延厚度增加，材料的缺陷控制难度加大。 （2）碳化硅缺陷种类多，控制难度大。在碳化硅中，外延缺陷将影响器件的可靠性。致命性缺陷会对所有类型器件击穿电压造成巨大影响，最终使得器件良率提升难度大。 （3） 掺杂浓度控制难度大。 掺杂浓度决定了器件的电子传输性能， 在高压领域，由于外延层增厚掺杂浓度均匀性难控制。 表表 4：碳化硅碳化硅材料材料常见常见缺陷缺陷 缺陷缺陷/器件器件 SBD MOSFET,JFET pin,BJT,晶闸管，晶闸管，IGBT TSD（无
44、蚀坑）（无蚀坑） 无 无 无，但会引发局部载流子寿命降低 TED（无蚀坑）（无蚀坑） 无 无 无，但会引发局部载流子寿命降低 BPD（界面位错、半环阵列）（界面位错、半环阵列） 无，但会引发 MPS 二极管退化 无，但会引发体二极管退化 双极退化（导通电阻及漏电流增加） 内生堆垛层错内生堆垛层错 VB降低（20%-50%） VB降低（20%-50%） VB降低（20%-50%） 胡萝卜缺陷、胡萝卜缺陷、 三角形缺陷三角形缺陷 VB降低（30%-70%） VB降低（30%-70%） VB降低（30%-70%） 掉落物缺陷掉落物缺陷 VB降低（50%-90%） VB降低（50%-90%） VB降低
45、（50%-90%） 资料来源：基本半导体，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page14 三、器件三、器件工艺及工艺及客户验证客户验证涉及七大难点涉及七大难点 碳化硅器件壁垒主要来源于加工工艺及器件应用方面： （1）光刻对准难：相较于传统硅片，双面抛光的碳化硅晶圆是透明的，稳定的光刻对准工艺是一个难点。 （2）离子注入和退火激活工艺：制备器件时掺杂需要高能离子注入；退火温度高达1600， 在此温度下要达到高的离子激活率和相对准确的P区形状难度大。 （3）栅氧可靠性：在热氧化工艺中多余的碳原子析出形成表面态，影响MOSFET 栅氧质量。
46、（4）功率模块难度大：高温、高功率密度封装的工艺及材料难度大。 （5）工艺设备：基本上被国外公司所垄断，高温离子注入设备、超高温退火设备和高质量氧化层生长设备等基本需要进口。 （6）车规级半导体要求高：环境要求，汽车行驶的外部温差较大，要求芯片可承受温度区间为-40150，同时需抗湿度、抗腐蚀。可靠性要求，整车设计寿命通常在 15 年及以上，车规级半导体需做到零失效。供货周期要求，需要覆盖整车的全生命周期，供应链可追溯。 （7）客户验证：车规级器件认证周期和供货周期长，通常要求其产品拥有一定规模的上车数据，国产厂商缺乏应用及试验平台，在车规级半导体正常供给的状态下较难寻得突破。 碳化硅碳化硅发
47、展发展趋势趋势：衬底衬底大尺寸化，大尺寸化，切割高效化、器件模块化切割高效化、器件模块化 大尺寸大尺寸化化是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向。 为提高生产效率并降低成本，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，边缘的浪费越小，单位芯片成本越低。碳化硅晶圆从 6 英寸到 8 英寸，芯片数量由 488 增至 845 个（单位面积：32mm2） ，边缘浪费由 14%减至 7%。目前，碳化硅衬底主流尺寸为 4-6英寸，8 英寸衬底仅有 Wolfspeed、II-VI 公司和意法半导体 ST 等少数几家研制成功， 其中， Wolfspeed 是首家掌握 8 英寸量产
48、技术并建设对应晶圆厂的公司。 图图 20：6 英寸英寸到到 8 英寸碳化硅晶圆英寸碳化硅晶圆数变化数变化 资料来源：Wolfspeed，国信证券经济研究所整理 衬底切割衬底切割良率良率提高是提高是降低成本降低成本的重要课题的重要课题。目前常用的线切割工艺通常会损耗75%的原材料，英飞凌使用的一种冷切割技术可使得原材料损耗减至 50%。该工艺源于英飞凌收购的公司 Siltectra。这种冷切割（Cold Split）技术可高效处理晶体材料，最大限度减少材料损耗，使单片晶圆产出的芯片数量翻倍，从而有效降低 SiC 成本。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧全球视野本土智慧 Page
49、15 图图 21：冷切割工艺使得切割良率大幅提升冷切割工艺使得切割良率大幅提升 资料来源：英飞凌，国信证券经济研究所整理 碳化硅器件模块化是高可靠性应用的碳化硅器件模块化是高可靠性应用的选择选择。碳化硅模块可以简化电路布局及组装，同时避免了电路中元件的相互干扰，在高压应用中使得其可靠性增加，还可最大限度地减少人工和系统组件的成本，是功率密度最大化的最优选择。 碳化硅碳化硅的竞与合的竞与合：以以 Wolfspeed 为例为例 从从 Cree 到到 Wolfspeed：碳化硅龙头碳化硅龙头的的转型之路转型之路 Wolfspeed 总部位于美国，是引领碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术的 IDM
50、半导体公司，致力于为高功率和射频（RF）应用提供高效绿色的解决方案。公司产品围绕 SiC 和 GaN 布局， 包括 SiC 和 GaN 材料、 功率器件、 射频器件等，针对新能源汽车、快速充电、可再生能源及储能、通讯、航空航天和国防等领域的应用需求。作为碳化硅的全球领导者，Wolfspeed 在碳化硅衬底市占率超60%，是全球最大的 SiC 材料供应商。经历了长达四年的业务结构调整，2021年，公司从 Cree 更名为 Wolfspeed，以新名称于纽约证券交易所上市（代码“WOLF” ） ，转型为碳化硅半导体公司。 材料材料（Materials） ：公司提供 SiC 和 GaN 基的衬底及外
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