1、 Table_yemei1 观点聚焦 Investment Focus Table_yejiao1 本研究报告由海通国际分销，海通国际是由海通国际研究有限公司，海通证券印度私人有限公司，海通国际株式会社和海通国际证券集团其他各成员单位的证券研究团队所组成的全球品牌，海通国际证券集团各成员分别在其许可的司法管辖区内从事证券活动。关于海通国际的分析师证明，重要披露声明和免责声明，请参阅附录。(Please see appendix for English translation of the disclaimer) 研究报告 Research Report 29 Apr 2022 中国有色金属中国

2、有色金属 China Non-ferrous Metals 碳化硅（SiC）：新一代半导体材料，打开新能源车百亿市场空间 Silicon Carbide: New Generation of Semiconductor Material, Unlocks a Ten- Billions Of Market Space For NEV Table_Info 股票名称 评级 股票名称 评级 紫金矿业 Outperform 川能动力 Outperform 赣锋锂业 Outperform 石英股份 Outperform 天齐锂业 Outperform 银泰黄金 Outperform 华友钴业 Outp

3、erform 金力永磁 Outperform 洛阳钼业 Outperform 盛屯矿业 Outperform 山东黄金 Outperform 安宁股份 Outperform 南山铝业 Outperform 安宁股份 Outperform 铜陵有色 Outperform 甬金股份 Outperform 天华超净 Outperform 立中集团 Outperform 格林美 Outperform 贵研铂业 Outperform 锡业股份 Outperform 博威合金 Outperform 神火股份 Outperform 宁波韵升 Outperform 赤峰黄金 Outperform 盛达资源 O

4、utperform 中矿资源 Outperform 万丰奥威 Outperform 驰宏锌锗 Outperform 鑫铂股份 Outperform 横店东磁 Outperform 资料来源： Factset, HTI (Please see APPENDIX 1 for English summary) 碳化硅：前途光明的第三代半导体材料。碳化硅：前途光明的第三代半导体材料。我们认为下游电力电子领域向高电压、高频等趋势迈进，碳化硅材料的特性决定了它将会逐步取代传统硅基，打开巨大的市场空间。由于碳化硅产业链涉及多个复杂技术环节，将会通过系列报告形式对其进行完整梳理。 第三代半导体性能优越，应用场

5、景更广。第三代半导体性能优越，应用场景更广。半导体材料作为电子信息技术发展的基础，经历了数代的更迭。随着应用场景提出更高的要求，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料逐渐进入产业化加速放量阶段。相较于前两代材料，碳化硅具有耐高压、耐高温、低损耗等优越性能，广泛应用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件。 国外厂商多以国外厂商多以 IDM 模式布局，国内企业专注单个环节。模式布局，国内企业专注单个环节。碳化硅产业链依次可分为：衬底、外延、器件、终端应用。国外企业多以IDM 模式布局全产业链，如 Wolfspeed、Rohm 及意法半导体（ST），而国内企业则专注于单个环节制造，如衬底领域的天

6、科合达、天岳先进，外延领域的瀚天天成、东莞天域，器件领域的斯达半岛、泰科天润。 新能源车领域新能源车领域将会为将会为 SiC 功率器件带来巨大增量。功率器件带来巨大增量。在新能源车上，碳化硅器件主要使用在主驱逆变器、OBC（车载充电机）、DC-DC车载电源转换器和大功率 DCDC 充电设备。随着各大车企相继推出800V 电压平台，为满足大电流、高电压的需求，电机控制器的主驱逆变器将不可避免的由硅基 IGBT 替换为 SiC-MOS，带来巨大增长空间。 碳化硅功率器件能提高光伏逆变器转换效率，减少能量损耗。碳化硅功率器件能提高光伏逆变器转换效率，减少能量损耗。光伏发电方面，目前基于硅基器件的传统

7、逆变器成本约占系统 10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。使用 SiC-MOS 为基础材料的光伏逆变器，转换效率可从 96%提升至 99%以上、能量损耗降低50%以上、设备循环寿命提升 50 倍，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。 2025 年碳化硅衬底市场或将增长至年碳化硅衬底市场或将增长至 143 亿元，需求量达到亿元，需求量达到 420 万万片。片。根据我们测算：到 2025 年，新能源车领域用碳化硅衬底市场规模将达到 102 亿元，需求量达 304 万片；光伏领域将达到 20 亿元，需求量 53 万片。全球碳化硅衬底总市场规模将从 19 亿元增长

8、至 143 亿元，需求量将从 30 万片增长至 420 万片。 风险提示：风险提示：下游应用领域渗透率上升不及预期下游应用领域渗透率上升不及预期 Table_Author Yuntao Jin 2060100140180Apr-21Jul-21Oct-21Jan-22Apr-22HAI China Non-ferrous MetalsMSCI China 29 Apr 2022 2 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 1.1 碳化硅半导体材料碳化硅半导体材料 第三代半导体性能优越，应用场景更广第三代半导体性能优越，应用场景更广。半导体材料作为电子信息技术发展的基础，经历了数代

9、的更迭。随着应用场景提出更高的要求，以碳化硅、氮化镓为代表的第三代半导体材料逐渐进入产业化加速放量阶段。相较于前两代材料，碳化硅具有耐高压、耐高温、低损耗等优越性能，广泛应用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件。 图表图表 1：各代半导体材料简介各代半导体材料简介 资料来源：电子发烧友网，海通国际整理 碳化硅器件应用场景广阔。碳化硅器件应用场景广阔。因其高热导性、高击穿电场强度及高电流密度，基于碳化硅材料的半导体器件可应用于汽车、充电设备、便携式电源、通信设备、机械臂、飞行器等多个工业领域。其应用的范围也在不断地普及和深化，是一种应用前景非常广泛、非常具有价值的材料。 图表图表 2：碳化硅

10、衬底的应用领域：碳化硅衬底的应用领域 资料来源：Wolfspeed 投资者报告，海通国际 特点分析特点分析技术成熟度较高且具有成本优势，目前世界上主要的半导体制品源自于第一代半导体材料。但由于这一类半导体的带隙普遍较窄、电子迁移率和击穿电场较低，应用上受到诸多限制。相比单质半导体，具有更宽的带隙及更强的适用性，但仍属于窄带隙。另外GaAs、InP等化合材料原料稀缺，价格相对较高，并且对环境危害性较大，使得其难以被更广泛应用，局限性较大。相比前两代半导体具有更宽的带隙，抗高压、抗高温，能够在更大的功率范围内进行工作。缺点在于目前制备成本高，且技术上制备周期较长。应用范围应用范围应用于大规模集成电

11、路中及低压低频器件主要用于制作高频、高速以及大功率电子器件广泛应用于制作高温、高频、大功率和抗辐射电子器件第一代半导体第一代半导体第二代半导体第二代半导体第三代半导体第三代半导体主要代表主要代表硅（Si）、锗（Ge）等单质类半导体砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等化合物类半导体以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）为代表的宽带隙半导体PZiZiViXwOxOoM9PaOaQmOnNtRpNlOnNtOkPoOtO8OoPnMxNnOnQxNmNrN 29 Apr 2022 3 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 1.2 碳化硅的优势分析碳化硅的优势分析 第三代半导体材料禁带

12、宽度远大于第三代半导体材料禁带宽度远大于前两代。前两代。第一代和第二代半导体都是窄带隙半导体，而从第三代半导体开始，宽禁带（带隙大于 2.2eV）半导体材料开始被大量应用。碳化硅作为第三代半导体的典型代表，具有 200 多种空间结构，不同的结构对应着不同的带隙值，一般在 2.4eV-3.35eV 之间。碳化硅材料除宽禁带之外，还具有高击穿场强、高饱和漂移速度及高稳定性、最大功率等优点。 图表图表 3：不同类型半导体的能带对比：不同类型半导体的能带对比 资料来源：宽禁带半导体高频及微波功率器件与电路，赵正平著，海通国际 1.2.1 宽禁带宽禁带：提高材料稳定性和击穿电场强度：提高材料稳定性和击穿

13、电场强度 禁带宽度决定材料特性，禁带宽度决定材料特性，宽禁带提高更好性能。宽禁带提高更好性能。禁带宽度是衡量半导体性能的一个重要指标，更宽的禁带意味着更高的激发要求，即电子和空穴更难以形成，这也导致了宽带隙半导体在不需要工作时可以保持类似绝缘体的特性，这也使得其具具有更好的稳定性有更好的稳定性，宽禁带同时也有助于提高击穿电场强度提高击穿电场强度，进而增强对工作环境的增强对工作环境的承受能力承受能力，具体体现在具有更好的耐热性和耐高电压性、抗辐射性。 同时因宽禁带体系中导带与价带间的高能量差，使得电子与空穴被激发后的复合率大大降低，这就使得更多的电子和空穴可以用于导电或者传热，这也是碳化硅具有更

14、强的导热性与导电能力的一个原因。 图表图表 4：不同类型半导体的能带对比：不同类型半导体的能带对比 资料来源：2019 年Cree 投资者报告，海通国际 GaASInPSiCGaN1.41.33.23.3913.112.59.79.80.40.52.23.32122.50.50.74.5238,5005,4009001,0000.51.81030热导率（热导率（W/cm K）1.5电子迁移率（电子迁移率（cm2/Vs）1,350功率密度（功率密度（W/mm）0.2相对介电常数相对介电常数11.7绝缘击穿场强（绝缘击穿场强（MV/cm）0.3漂移饱和速度（漂移饱和速度（107cm/s）1性能指标

15、性能指标第一代半导体第一代半导体第二代半导体第二代半导体第三代半导体第三代半导体Si禁带宽度（禁带宽度（eV）1.12 29 Apr 2022 4 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 基于这些特点，碳化硅器件可以在更高强度的环境下进行工作，也能够更快速地进行散热，极限工作温度更高。耐高温特性可以带来功率密度的显著提升，同时降低对散热系统的要求，使终端可以更加轻量和小型化。碳化硅的高禁带宽度也使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅减少，从而降低功率损耗；碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，大幅提高实际应用的开关频率。 1.2.2 高击穿电高击穿电压：带来更大的工作

16、区间及功率范围压：带来更大的工作区间及功率范围 击穿电压越高，工作区间及功率范围越大。击穿电压越高，工作区间及功率范围越大。击穿电压指的是使电介质击穿的电压。对于半导体来说，一旦电压到达了击穿电压就意味着半导体失去了其介电性能，因内部结构被破坏而呈现出类似与导体的性能，进而无法工作。所以更高的击穿电场意味着更大的工作区间及功率范围，即击穿电场越高越好。 碳化硅器件功率更大、体积更小，能量损失更低。碳化硅器件功率更大、体积更小，能量损失更低。碳化硅材料因其更高的击穿电压特性，可以广泛地应用于大功率器件的制备，这是硅基半导体所无法替代的优势。碳化硅更高的电击穿允许碳化硅功率器件具有更薄更重掺杂的阻

17、挡层，这使得同等要求下使用碳化硅材料可以将器件做的更薄，这可以起到节省空间、提高单位能量密度的作用。此外，高击穿电场还可以使得碳化硅在外电压中的导通电阻更小，而更小的导通电阻意味着更低的能量损失。 图表图表 5：高电压击穿：高电压击穿-厚度更薄厚度更薄 资料来源：2019 年 Cree 投资者报告，海通国际 图表图表 6：高电压击穿：高电压击穿-低阻抗低阻抗 资料来源：2019 年Cree 投资者报告，海通国际 1.2.3 高饱和漂移速度高饱和漂移速度：能量损耗更小：能量损耗更小 碳化硅因其内部结构，具有更高的饱和漂移速度。碳化硅因其内部结构，具有更高的饱和漂移速度。漂移速度反应的是载流子在外

18、电压下的迁移速度，理论上讲漂移速度是可以随着外界电场的增加而无限提高的，但实际上随着外加电场的增加，材料内部载流子之间的碰撞也会随之增加，所以会存在一个饱和的漂移速度。在碳化硅材料中，其内部结构具有很好的缓冲碰撞的能力，所以具有更高的饱和漂移速度。 高饱和漂移速度带来更小的能量损耗。高饱和漂移速度带来更小的能量损耗。高饱和漂移速度意味着载流子能更快地迁移，以及更低的电阻。这也使得碳化硅材料中的能量损耗大大减小。与硅相比，相同规格的碳化硅基 MOSFET 和硅基 MOSFET 相比，导通电阻降低为 1/200，尺寸减小为 1/10；相同规格的使用碳化硅基 MOSFET 和使用硅基 IGBT 的逆

19、变器相比，总能量损失小于 1/4。这些特点为碳化硅材料在光伏逆变器、高频器件中的应用提供了有力的支撑。 29 Apr 2022 5 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 图表图表 7：同规格碳化硅与硅器件对比：同规格碳化硅与硅器件对比 资料来源：ROHM，海通国际 图表图表 8：不同电压下碳化硅与硅的能量损失对比：不同电压下碳化硅与硅的能量损失对比 资料来源：2019 年Cree 投资者报告，海通国际 2.碳化硅碳化硅产业链产业链 国外厂商多以国外厂商多以 IDM 模式布局，国内企业专注单个环节。模式布局，国内企业专注单个环节。碳化硅产业链依次可分为：衬底、外延、器件、终端应用

20、。国外企业多以 IDM 模式布局全产业链，如Wolfspeed、Rohm 及意法半导体（ST），而国内企业则专注于单个环节制造，如衬底领域的天科合达、天岳先进，外延领域的瀚天天成、东莞天域，器件领域的斯达半岛、泰科天润。 图表图表 9：碳化硅产业链图谱碳化硅产业链图谱 资料来源：维科网 锂电，海通国际整理 衬底衬底外延外延器件设计器件设计器件制造器件制造新日铁住金新日铁住金SK SiltronX-Fab昭和电工昭和电工台湾汉磊台湾汉磊X-Fab台湾汉磊台湾汉磊台湾环宇台湾环宇瑞萨、瑞萨、Littlefuse、GeneSiC、USCI、Microsemi、台湾瀚薪、台湾瀚薪DowCorning、

21、-Panasonic、MitsubishiInfineon、富士、富士电机、三菱电机、安森美、住友电气电机、三菱电机、安森美、住友电气Wolfspeed、Rohm、 ST瞻芯电子瞻芯电子苏州锴威特苏州锴威特瀚天天成瀚天天成东莞天域东莞天域天科合达、山东天岳天科合达、山东天岳山西烁科、东尼电子山西烁科、东尼电子同光晶体、中科钢同光晶体、中科钢研研露笑科技露笑科技泰科天润、中车时代、扬杰电子、斯达半导体泰科天润、中车时代、扬杰电子、斯达半导体比亚迪半导体、华润微、士兰微比亚迪半导体、华润微、士兰微三安光电、世纪金光、华大半导体、中电科三安光电、世纪金光、华大半导体、中电科55所所基本半导体、中电科

22、基本半导体、中电科13所所国国际际国国内内 29 Apr 2022 6 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 衬底与外延占据衬底与外延占据 70%的的碳化硅器件成本碳化硅器件成本。受制于材料端的制备难度大，良率低，产能小，目前产业链的价值集中于衬底和外延部分，前端两部分占碳化硅器件成本的 47%、23%，而后端的设计、制造、封测环节仅占 30%。 图表图表 10：碳化硅器件成本构成：碳化硅器件成本构成 资料来源：维科网、头豹研究院，海通国际 2.1 衬底：行业呈现一超格局衬底：行业呈现一超格局 行业呈现一超格局，Wolfspeed 占据 62%市场份额。自 2018 年特斯拉首

23、次将碳化硅器件导入 Model3 代替 IGBT 模块，便打开了碳化硅在新能源车领域的应用，行业迅速进入升温期。目前碳化硅衬底市场呈现一超格局，Wolfspeed（原 Cree）以62%的市占率高居第一，-、Rohm 则以 14%和 13%的市占率位列第二、三位，CR3 接近 90%。国内厂商天科合达市占率仅为 4%。 衬底, 47%外延, 23%设计、制造、封测, 30% 29 Apr 2022 7 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 图表图表 11：碳化硅衬底市场呈现一超格局：碳化硅衬底市场呈现一超格局 资料来源：Wolfspeed 2021 Investor Day，海

24、通国际 碳化硅衬底可分为导电型和半绝缘型。碳化硅衬底可分为导电型和半绝缘型。导电型是指电阻率在 1530mcm 的碳化硅衬底，将其进行外延后可进一步制成功率器件，应用于新能源车、光伏、智能电网等领域。半绝缘型则是指电阻率高于 105mcm 的碳化硅衬底，主要用于制造氮化镓微波射频器件，作为无线通讯领域的基础零部件。 图表图表 12：碳化硅晶片产业链：碳化硅晶片产业链 料来源：天科合达招股说明书，海通国际 碳化硅衬底是由高纯硅、碳粉经过合成成 SiC 微粉后，通过物理气相沉积法（PVT）生长成为晶锭，之后加工得到标准直径尺寸的碳化硅晶体，再经过切磨抛工艺获得表面无损伤的碳化硅抛光片，最后对其进行

25、检测、清洗形成可交付下游外延厂商使用碳化硅衬底。 Wolfspeed, 62%-, 14%Rohm, 13%SK Siltron, 5%天科合达, 4%其他, 2% 29 Apr 2022 8 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 制备工艺制备工艺气相法气相法液相法液相法固相法固相法制备过程制备过程通过气体的高温反应得到超细、高纯的SiC粉体，其中Si源一般选择SiH4和SiCl4等，C源一般选择CH4、C2H2和CCl4等将无机盐或醇盐溶于溶剂中形成均匀溶液，得到均匀的溶胶，经过干燥或脱水转化成凝胶，再经过热处理得到所需要的超细粉体。将固态的Si源和C源作为原料，使其在140

26、02000的高温下持续反应优点优点粉体纯度极高，尤其是氮元素的杂质含量很低，可用于生产半绝缘SiC单晶粉体纯度高，粒径分布均匀，通过工艺可以较好地控制粉体粒径大小粉体纯度较高，原料便宜，合成过程简单，可用于大批量的生产。缺点缺点粉体粒径太小，原料昂贵，合成效率低杂质含量较高，制备成本较高，合成过程复杂粉体粒径分布较大，氮元素杂质含量无法控制图表图表 13：碳化硅晶片工艺流程：碳化硅晶片工艺流程 资料来源：天科合达招股说明书，海通国际 2.1.1 原料合成：原料合成：各家衬底厂商自产为主各家衬底厂商自产为主 高纯 SiC 粉末可使用气相法、液相法及固相法合成，目前产业中主要使用固相法中自蔓延高温

27、合成法，即将固态的 Si 源和 C 源作为原料，使其在 14002000的高温下持续反应，最后得到高纯 SiC 粉体。这种方法原料便宜，合成质量稳定，合成效率高。目前各家衬底厂商基本自产高纯 SiC 粉末。 图表图表 14：高纯碳化硅粉末合成工艺：高纯碳化硅粉末合成工艺 资料来源：碳化硅单晶生长用高纯碳化硅粉体的研究进展，罗昊等；海通国际 2.1.2 晶锭生长：晶锭生长：目前行业内以目前行业内以 PVT 法为主，整体良率较低法为主，整体良率较低 90%衬底企业选择衬底企业选择 PVT 法。法。碳化硅单晶主要有物理气相传输法(PVT)、高温化学气相沉积(HTCVD)法和液相外延法（LPE)法，目

28、前 PVT 法由于设备易于制造、长晶过程更好控制以及成本较低等优点，是业内最成熟的工艺。其原理是通过将处于2000以上的 SiC 原料升华分解成气相物质，这些气相物质输运到温度较低的籽晶处，结晶生成 SiC 单晶。业内 90%的企业都使用 PVT 法。 29 Apr 2022 9 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 HTCVD 法的原理是将 Si 源和 C 源气体在 2100左右的高温环境下发生化学反应生成 SiC，这种长晶法可实现晶体长时间持续生长，但设备成本高，且生长速度也很慢。业内使用 HTCVD 法的有 Norstel 和日本电装。 LPE 法通过在高温纯硅溶液中将碳

29、溶解其中，从过饱和液中析出碳化硅晶体。LPE 适用于制备高质量大尺寸碳化硅衬底，但是生长速度极其缓慢，材料要求也高，应用厂家有住友金属。 图表图表 15：三种：三种 SiC 单晶生长技术的原理示意图单晶生长技术的原理示意图 资料来源：高温溶液法生长 SiC 单晶的研究进展，王国宾等；海通国际 PVT 法生长速度慢、厚度低，且良率较低法生长速度慢、厚度低，且良率较低。根据刘得伟等人在PVT 法生长 6英寸 4H-SiC 晶体的工艺研究文中数据，在不同原料区温度下，80 小时生长时间内晶锭厚度 8-15mm，并且由于粉源石墨化的影响，晶锭长度限制在 50mm 左右。且碳化硅晶体的生长环境复杂、工艺

30、控制难度大，整体良率较低，据天岳先进招股书中披露，公司晶棒环节整体良率在 50%。 图表图表 16：不同原料区温度下碳化硅晶锭厚度：不同原料区温度下碳化硅晶锭厚度 资料来源：PVT 法生长 6 英寸 4H-SiC 晶体的工艺研究，刘得伟等；海通国际 2.1.3 切磨抛：切磨抛：SiC 晶锭硬度高、脆性大，加工困难晶锭硬度高、脆性大，加工困难 生长完成的 SiC 晶锭在经过初加工定型后，还需要经过切磨抛环节制成碳化硅抛光片。受加工技术的制约，目前高表面质量碳化硅晶片的加工效率较低，据天岳先进招股书中披露，公司衬底环节整体良率在 75%。 国内切割环节主要用固结磨料多线切割。国内切割环节主要用固结

31、磨料多线切割。由于碳化硅硬度高、脆性大、化学性质稳定，无法使用传统锯切工具。国内目前最多使用固结磨料多线切割法来加工，将金刚石磨料固结在金属丝上，随锯丝运动实现磨粒的锯切加工。目前国内外正在研究激光切割、冷分离和电火花切片等技术。 实验样品实验样品原料区温度原料区温度生长温度生长温度温度差温度差压强压强生长时间生长时间中心厚度中心厚度序号序号/Pa /h /mm3822502089225027902225035212008015 29 Apr 2022 10 Table_header2 中国有色金属中国有色

32、金属 图表图表 17：不同原料区温度下碳化硅晶锭厚度：不同原料区温度下碳化硅晶锭厚度 资料来源：SiC 晶片加工技术现状与趋势，何超等；海通国际 研磨主要是为了去除晶片切割后表面的缺陷，并达到预定厚度，同时将晶片的翘曲、弯曲、总厚度变化、表面粗糙度降至最小。目前主要用单面减薄技术以及双面研磨，使用的磨料通常为碳化硼或金刚石。 图表图表 18：碳化硅单面：碳化硅单面减薄技术减薄技术 资料来源：SiC 晶片加工技术现状与趋势，何超等；海通国际 抛光主要通过配比好的抛光液对研磨片进行机械抛光和化学抛光（CMP），用来消除表面划痕、降低表面粗糙度及消除加工应力等，使研磨片表面达到纳米级平整度。最后通过

33、检测、清洗，将衬底交付给下游外延环节。 图表图表 19：加工过程中：加工过程中 SiC 晶片的平整度及粗糙度晶片的平整度及粗糙度 资料来源：SiC 晶片加工技术现状与趋势，何超等；海通国际 切割工艺切割工艺传统切割传统切割游离磨料切片游离磨料切片 金刚石线锯切片金刚石线锯切片冷分离冷分离材料去除原理金刚石刀片切磨游离磨料研磨固结磨料研磨激光改性切割片数单片单片、多片单片、多片单片切缝宽度 /m30050020025020025010损伤层厚度 /m35402535253535切割直径 /mm200200200300切片厚度 /m3502002001000总厚度变化 /m3030301翘曲程度严

34、重轻微轻微轻微加工工艺加工工艺切割切割粗磨粗磨精磨精磨粗抛粗抛精抛精抛CMP绝对弯曲度/m201510555翘曲度/m402015151515总厚度变化/m2042222表面粗糙度/nm300200300100610.2 29 Apr 2022 11 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 2.2 外延：外延：可可满足不同应用领域满足不同应用领域对器件的对器件的电阻等参数要求电阻等参数要求 外延可满足不同应用领域对器件参数要求。外延可满足不同应用领域对器件参数要求。外延是指在碳化硅衬底上生长了一层与衬底晶相同的单晶薄膜（外延层）的过程。为了满足 SiC 器件在不同应用领域对电阻等

35、参数的特定要求，必须在衬底上进行满足条件的外延后才可制作器件，因此外延质量的好坏将会影响 SiC 器件的性能。目前 SiC 衬底上常见外延有 SiC 同质外延和 GaN 异质外延，前者用于功率器件，后者用于射频器件。 图表图表 20：SiC 同质外延同质外延 资料来源：SPIE，海通国际 图表图表 21：SiC 异质外延异质外延 资料来源：基于碳化硅衬底的宽禁带半导体外延，开翠红等；海通国际 目前主要使用目前主要使用 CVD 法进行外延。法进行外延。目前碳化硅外延技术主要采用化学气相沉积法（CVD），可以在较高生长速率下获得高质量外延层。通常采用 H2作为载气，硅烷(SiH4)和丙烷(C3H8

36、)作为 Si 源与 C 源，在淀积室发生化学反应后生成 SiC 分子并沉积在碳化硅衬底上。 图表图表 22：不同：不同 CVD 外延生长设备外延生长设备 资料来源：基于碳化硅衬底的宽禁带半导体外延，开翠红等；海通国际 国内还欠缺高电压器件所需的厚膜技术。国内还欠缺高电压器件所需的厚膜技术。外延层厚度及掺杂浓度是制作外延层时最基本的两个参数，两者共同决定了器件的电压档级。电压等级越高，厚度越厚，掺杂浓度越低。通常来说每 1000V 电压需要 10m 的外延层，国内外延技术可满足中低压器件的需求，高压器件需要的厚膜方面缺陷还较多。 29 Apr 2022 12 Table_header2 中国有色

37、金属中国有色金属 图表图表 23：SiC 双极器件中击穿电压对漂移区掺杂浓度和厚度要求双极器件中击穿电压对漂移区掺杂浓度和厚度要求 资料来源：基于碳化硅衬底的宽禁带半导体外延，开翠红等；海通国际 目前目前外延片的制备环节外延片的制备环节受限于设备交付环节，无法快速放量。受限于设备交付环节，无法快速放量。外延生长设备目前被意大利的 LPE 公司、德国 AIXTRON 公司以及日本 Nuflare 和 TEL 公司所垄断，主流 SiC 高温外延设备交付周期已拉长至 1.5-2 年左右。国内目前有晶盛机电，北方华创等企业开始小批量生产碳化硅外延设备。 图表图表 24：四大四大 SiC 外延设备厂商外

38、延设备厂商 资料来源：Recent advances in 4H-SiC epitaxy for high-voltage power devices，Hidekazu Tsuchida 等；海通国际 企业企业型号型号生长速率生长速率 背景浓度背景浓度生长能力生长能力腔体类型腔体类型优点优点Aixtron G5WW 30 m/h5E+1410*100mm6*150mmB产能大LPEPE106 90 m/h2E+131*100mm1*150mmA生长速率大TELProbus 30 m/h5E+147*100mm3*150mmA双腔体NuflareS630 m/h2E+131*100mm1*150

39、mmC气流方式不易产生缺陷 29 Apr 2022 13 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 3.碳化硅下游使用情况碳化硅下游使用情况 3.1 新能源车新能源车 新能源车领域新能源车领域将会为将会为 SiC 功率器件带来巨大增量。功率器件带来巨大增量。在新能源车上，碳化硅器件主要使用在主驱逆变器、OBC（车载充电机）、DC-DC 车载电源转换器和大功率DCDC 充电设备。随着各大车企相继推出 800V 电压平台，为满足大电流、高电压的需求，电机控制器的主驱逆变器将不可避免的由硅基 IGBT 替换为 SiC-MOS，带来巨大增长空间。 图表图表 25：Wolfspeed 高性能

40、双三相逆变器高性能双三相逆变器 资料来源：Wolfspeed 官网 图表图表 26：电动汽车传动系统电动汽车传动系统 资料来源：Wolfspeed 官网 电机控制器中功率模块占整车成本电机控制器中功率模块占整车成本 8%。电机控制器在新能车成本中占比20%，是除电池外占比最大的一个部件，负责把动力电池输出的高压直流电转换成频率和电流可变的三相交流电，给驱动电机供电，改变电机的转速和扭矩，同时在能量回收时把电机的三相交流电整流成直流电给动力电池充电。而功率模块占其成本 41%，折合占整车成本 8%。 图表图表 27：电动汽车的成本分解：电动汽车的成本分解 资料来源： 车用 SiC 功率模块原位表

41、征、系统集成与寿命评估 ，曾正；海通国际 图表图表 28：电机控制器的成本分解：电机控制器的成本分解 资料来源： 车用 SiC 功率模块原位表征、系统集成与寿命评估 ，曾正；海通国际 使用碳化硅器件能带来好处：使用碳化硅器件能带来好处： 1） 提升加速度。提升加速度。碳化硅器件的使用能让驱动电机在低转速时承受更大输入功率，且因其高热性能，不怕电流过大导致的热效应和功率损耗。在车辆起步时，驱动电机能够输出更大扭矩，获得更强的加速能力。 电池, 40%电机控制器, 20%电机, 15%电驱零部件, 8%其他, 17%功率模块, 41%电容, 10%人工, 10%散热器, 9%PCB, 8%其他,

42、22% 29 Apr 2022 14 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 2） 增加续航里程。增加续航里程。SiC 器件可以通过导通/开关两个维度降低损耗，从而实现增加电动车续航里程的目的。结合英飞凌的研究数据，在 25结温下，SiC-MOS 关断损耗大约是 Si-IGBT 的 20%；在 175的结温下，SiC-MOS 关断损耗仅为 Si-IGBT 的 10%。综合来说，新能源车使用 SiC 器件能够增加 5-10%续航里程。 3） 实现轻量化。实现轻量化。得益于 SiC 的优越性能，SiC 器件可在以下方面可达到缩小体积的效果：1）封装尺寸更小、2）减少滤波器和无源器件如

43、变压器、电容、电感等的使用、3）减少散热器体积、4）同样续航范围内，可以减少电池容量。以罗姆公司设计的 SiC 逆变器为例，使用全 SiC 模组后，主逆变器尺寸降低 43%，重量降低 6kg。 图表图表 29：Rohm 公司设计的逆变器公司设计的逆变器 资料来源：Rohm 官网，海通国际 4） 降低系统成本。降低系统成本。目前 SiC 器件的价格是硅基器件的 4-6 倍，但采用 SiC 器件实现了电池成本的大幅下降和续航里程的提升，综合降低了整车成本。使用 SiC-MOS 的驱动逆变器，器件带来的成本增加约为 75200 美元，然而从电池、无源元器件、冷却系统节省的成本在 525850 美元，

44、系统性成本显著下降。相同里程条件下，采用 SiC 逆变器单车可节省至少 200 美元。 图表图表 30：SiC 逆变器可给单车节省至少逆变器可给单车节省至少 200 美元美元 资料来源：Wolfspeed2021Investorday，海通国际 29 Apr 2022 15 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 3.2 光伏逆变器光伏逆变器 碳化硅功率器件能提高光伏逆变器转换效率，减少能量损耗。碳化硅功率器件能提高光伏逆变器转换效率，减少能量损耗。光伏发电方面，目前基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。使用 SiC-MOS 为基础材料

45、的光伏逆变器，转换效率可从 96%提升至 99%以上、能量损耗降低 50%以上、设备循环寿命提升 50 倍，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。高效、高功率密度、高可靠和低成本是光伏逆变器的未来发展趋势。在组串式和集中式光伏逆变器中，碳化硅产品预计会逐渐替代硅基器件。目前国内在光伏领域应用碳化硅光伏逆变器的很少，但在全球范围内已经有光伏逆变器公司开始应用碳化硅光伏逆变器，比如西班牙 Ingeteam 公司的 TLM 系列。 图表图表 31：基于碳化硅衬底的光伏逆变器工作原理示意图：基于碳化硅衬底的光伏逆变器工作原理示意图 资料来源：韬放科技，海通国际 图表图表

46、32：Ingeteam 公司公司 TLM 系列光伏逆变器系列光伏逆变器 资料来源：Ingeteam 公司官网，海通国际 3.3 轨道交通轨道交通 在轨道交通方面，轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件，其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用碳化硅器件的需求。其中，牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器，能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装置效率，符合轨道交通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求，提升系统的整体效能。 3.4 智能电网智能电网 智能电网方面，相比其他电力电子装置，电力系

47、统要求更高的电压、更大的功率容量和更高的可靠性，碳化硅器件突破了硅基功率半导体器件在大电压、高功率和高温度方面的限制所导致的系统局限性，并具有高频、高可靠性、高效率、低损耗等独特优势，在固态变压器、柔性交流输电、柔性直流输电、高压直流输电及配电系统等应用方面推动智能电网的发展和变革。 3.5 射频领域射频领域 在射频器件方面，以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件同时具备了碳化硅的高导热性能和氮化镓在高频段下大功率射频输出的优势，突破了砷化镓和硅基 LDMOS器件的固有缺陷，能够满足 5G 通讯对高频性能和高功率处理能力的要求，碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为 5G 功率放大器尤其是宏基站功率放大器的

48、主流技术路线。 29 Apr 2022 16 Table_header2 中国有色金属中国有色金属 10%降幅降幅15%降幅降幅20%降幅降幅10%降幅降幅15%降幅降幅20%降幅降幅2021E65014%0.166,4006,4006,400159992022E1,00020%0.165,7605,4405,2023E1,30026%0.25,1844,6244,096683531282024E1,70032%0.34,6663,9303,27725E2,00038%0.44,1993,3412,620碳化硅衬底价格碳化硅衬底

49、价格时间时间渗透率渗透率单车使用碳单车使用碳化硅的片数化硅的片数新能源车销量新能源车销量（万辆）（万辆）碳化硅衬底市场规模（亿元）碳化硅衬底市场规模（亿元）碳化硅衬底需求量碳化硅衬底需求量(万片万片)图表图表 33：GaN-SiC 复合材料具有的优越性复合材料具有的优越性 资料来源：Wolfspeed 2021 年投资者报告，海通国际 图表图表 34：GaN-SiC 射频器件的应用范围射频器件的应用范围 资料来源：Ingeteam 公司官网，海通国际 4.碳化硅衬底全球市场空间测算碳化硅衬底全球市场空间测算 碳化硅衬底是碳化硅器件制备必不可少、也是目前成本最高的一环，分析碳化硅衬底的市场空间有

50、着重要的意义。在这里，我们对全球碳化硅衬底 2021 年到2025 年在新能源汽车、光伏领域的市场空间、衬底需求量进行了测算，并以此为参比预测出了碳化硅衬底的总市场空间及衬底需求量。 4.1 新能源汽车领域新能源汽车领域：25 年需求量年需求量或达或达 300 万片万片，市场空间超，市场空间超 100 亿元亿元 针对新能源车领域的碳化硅衬底市场预测，我们对关键参数做出以下假设： 单片价格：单片价格：目前 6 英寸碳化硅平均售价为 1000 美金，约 6400 元/片，由于未来 6 英寸上的技术路线发展以及进一步规模经济的形成，预期碳化硅价格总体呈现降低趋势，对于具体的价格趋势，我们对 2021