（报告出品方/作者：安信证券，马良）

1.第三代半导体，SiC衬底性能优越

1.1.SiC--新一代电力电子核心材料

碳化硅属于第三代半导体材料，在低功耗、小型化、高压、高频的应用场景有极大优势。第一代半导体主要有硅和，广泛应用于集成电路等低压、低频、低功率场景。但是难以满足高功率及高频器件需求。砷化镓是第二代半导体材料的代表，是制作半导体发光二极管和通信器件的核心材料，但砷化镓材料的禁带宽度较小、击穿电场低且具有毒性，无法在高温、高频、高功率器件领域推广。第三代半导体材料以碳化硅、氮化镓为代表，与前两代半导体材料相比最大的优势是较宽的禁带宽度，保证了其可击穿更高的电场强度，适合制备耐高压、高频的功率器件。

碳化硅材料性能优越，下游应用广泛。碳化硅制作的器件具有耐高温、耐高压、高频、大功率、抗辐射等特点，具有开关速度快、效率高的优势，可大幅降低产品功耗、提高能量转换效率并减小产品体积，下游应用广泛。目前碳化硅半导体主要应用于以5G通信、国防军工、航空航天为代表的射频领域和以新能源汽车、“新基建”为代表的电力电子领域，在民用、军用领域均具有明确且可观的市场前景。碳化硅产业链分为衬底材料制备、外延层生长、器件制造以及下游应用。通常采用物理气相传输法（PVT法）制备碳化硅单晶，再在衬底上使用化学气相沉积法（CVD法）等生成外延片，最后制成相关器件。在SiC器件的产业链中，由于衬底制造工艺难度大，产业链价值量主要集中于上游衬底环节。

1.2.碳化硅衬底可分为导电型与半绝缘型

衬底电学性能决定了下游芯片功能与性能的优劣。碳化硅衬底可分为两类：一类是具有高电阻率（电阻率≥Ω·cm）的半绝缘型碳化硅衬底，另一类是低电阻率（电阻率区间为15~30mΩ·cm）的导电型碳化硅衬底。半绝缘型衬底：指电阻率高于Ω〃cm的碳化硅衬底，主要用于制造氮化镓微波射频器件，是无线通讯领域的基础性零部件。导电型衬底：指电阻率在15~30mΩ〃cm的碳化硅衬底。由导电型碳化硅衬底生长出的碳化硅外延片可进一步制成功率器件，广泛应用于新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域。

1.3.碳化硅衬底的尺寸演进和发展态势

碳化硅衬底的尺寸（按直径计算）主要有2英寸（50mm）、3英寸（75mm）、4英寸（mm）、6英寸（mm）、8英寸（mm）等规格。碳化硅衬底正在不断向大尺寸的方向发展，目前行业内公司主要量产产品尺寸集中在4英寸及6英寸。在最新技术研发储备上，以行业领先者Cree公司的研发进程为例，Cree公司已成功研发8英寸产品。

为提高生产效率并降低成本，大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向。衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，单位芯片成本越低。衬底的尺寸越大，边缘的浪费就越小，有利于进一步降低芯片的成本。

在半绝缘型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规4英寸。在导电型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为6英寸。在8英寸方面，与硅材料芯片相比，8英寸和6英寸SiC生产的主要差别在高温工艺上，例如高温离子注入，高温氧化，高温激活等，以及这些高温工艺所需求的硬掩模工艺等。根据中国宽禁带功率半导体及应用产业联盟的预测，预计-年国内市场的需求，4英寸逐步从10万片市场减少到5万片，6英寸晶圆将从8万片增长到20万片；~年：4英寸晶圆将逐渐退出市场，6英寸晶圆将增长至40万片。

2.下游市场多点开花，替代硅基材料进程加快

由于碳化硅材料具备耐高温、耐高压、高功率、高频、低能耗等优良电气特性，采用碳化硅衬底可突破传统材料的物理限制，碳化硅器件将被广泛用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天、5G通讯、国防军工等领域，发展前景广阔。

2.1.受益新能源市场发展，导电型碳化硅衬底前景广阔

导电型碳化硅衬底主要用于制作功率器件，是电力电子行业的核心。应用场景有电动汽车、数字新基建、工业电机等。年全球功率器件的销售额增长率为14%，达到亿美元。目前，器件主要由硅基材料制成，但是硅基器件由于自身的物理特性限制，其性能、能耗已达到极限，难以满足新兴电能应用需求。

碳化硅功率器件凭借耐高压、耐高温等特点，可更加有效地应用于新能源汽车等战略领域。根据Yole数据，年碳化硅功率器件的市场规模为5.41亿美元，预计年将增长至25.62亿美元，复合年增长率达30%。碳化硅功率器件市场的高速增长也将推动导电型碳化硅衬底的需求释放。

2.1.1.新能源车销量持续超预期，助推导电型碳化硅衬底发展

新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC）和非车载充电桩。

新能源汽车的OBC、DC/DC和电机控制器主要采用Si基IGBT器件，碳化硅器件有望代。IGBT已经达到硅基材料的物理极限，难以满足新能源汽车未来提高续航能力、减轻汽车重量、缩短充电时间等要求，碳化硅器件在未来存在明显优势。对于主逆变器来说，SiC模块替代IGBT模块，系统效率可以提高5%左右。

在电池容量相同的情况下，其续航里程可提高5%；在续航里程相同的情况下，电池容量可以减少5%，可为新能源汽车的使用节约大量成本。此外，IGBT是双极型器件，在关断时存在拖尾电流；而MOSFET是单极器件，不存在拖尾电流，该特性使得SiCMOSFET的开关损耗降低，提高能源转换效率。随着越来越多的车厂提高车的电池电压，在未来的高压场景下，碳化硅的性能优势会更加明显。

电机驱动系统：碳化硅功率器件主要应用于新能源汽车电机驱动系统中的电机控制器，可减小电力电子系统体积、提高功率密度等。特斯拉是第一家在主逆变器中集成全碳化硅功器件的汽车厂商，其Model3车型率先采用了24个碳化硅MOSFET，采用标准6-switches逆变器拓扑，每个switch由4个单管模块组成，共24个单管模块，可实现模块

封装良率的提升、半导体器件成本的下降。年比亚迪汉EV车型电机控制器使用其自主研发制造的SiCMOSFET控制模块，可以在更高的电压平台下工作，减少设备电阻损失。比亚迪在电力电子系统更小的体积（同功率情况下，体积不及硅基IGBT的50%）下达到更高功率（Kw），提升车型的加速性能，实现3.9s内0-公里的加速，延长汽车的续航里程（公里），这均与碳化硅低开关、耐高压、耐高温、导热率高的优良特性有关。

车载充电系统（OBC）：车载蓄电池充电机可将来自电池子系统的DC电源转换为主驱动电机的AC电源。SiC器件使得OBC的能量损耗减少、热能管理改善。根据Wolfspeed，OBC采用碳化硅器件，与硅器件相比，其体积可减少60%，BOM成本将降低15%，在V系统相同充电速度下，SiC充电量翻倍。目前，全球已有超过20家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件电源转换系统（车载DC/DC）：车载DC/DC变换器可将动力电池输出的高压直流电转换为低压直流电。采用碳化硅器件，设备温度积累减少，加之材料本身高导热率、耐高温的特点，散热设备可以简化，从而减小变压器体积。（报告来源：未来智库）

非车载充电桩：非车载直流快速充电机可将输入的外部AC电源转换为电动车需要的DC电源。SiC的高开关速度保证了快速充电器的充电速度。目前大多数新能源汽车的电压平台为V，为提高电动汽车的充电速度、减轻器件重量，新能源汽车V电压平台正在推进。据ST测试数据，在V平台下SiC器件损耗显著低于IGBT，在常用的25%的负载下其损耗低于IGBT80%。

当新能源汽车的电压平台提升至V后，OBC、DC/DC及PDU等电源产品都需要升级，碳化硅器件在新能源汽车市场渗透率也将进一步提高。目前，SiCMOSFET单管器件的价格大约为SiIGBT价格的3-5倍，V电压平台下，整车成本及充电装将会更昂贵，采用碳化硅器件模块的车型有望率先应用于高档车。随着碳化硅尺寸的增大、产业链的完善，碳化硅衬底成本下降，碳化硅器件会逐渐扩展至中低端车市场，SiC市场空间将被进一步打开。据CASA预测，到年新能源汽车中SiC功率半导体市场预计将以38％的年复合增长率增长。

新能源汽车碳化硅功率器件市场规模推算：据IDC预测数据，年中国新能源车销量万台左右。我们假设年中国新能源汽车销量万~万辆，据产业调研，车碳化硅电驱模块价值量大约为-0元，加之OBC、DC/DC等部件使用，假设整车的碳化硅器件价值量约为0元，根据CASA数据，碳化硅衬底价值量大约为器件的50%，假设30%的新能源汽车采用碳化硅模块，则预计到年新能源汽车SiC衬底需求空间为37.5-45亿元。

2.1.2.光伏发电打开碳化硅衬底市场空间

采用碳化硅器件可有效提高光伏发电转换效率，根据天科合达招股书，碳化硅MOSFET或碳化硅MOSFET与碳化硅SBD结合的功率模块的光伏逆变器，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。高效、可靠、低成本发电正是光伏发电的未来发展方向，故碳化硅产品有望替代硅基器件光伏逆变器。根据SolarPowerEurope数据，我国光伏装机容量保持增长态势，有望在年达到GW。近年来，越来越多的公司投资碳化硅光伏逆变器，追求低能耗、轻量级、高效率等，根据CASA预测，在年，光伏逆变器中碳化硅功率器件占比可达85%。

2.2.5G等无线通讯需求推动半绝缘型碳化硅衬底快速发展

半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化射频器件。微波射频器件是实现信号发送和接收的基础部件，是无线通讯的核心。与2G、3G、4G相比，5G的频率较高，其跳跃式的反射特性使其传输距离较短，对功率的要求非常高。碳化硅基氮化镓器件可满足5G基站对于高频、高速、高功率的要求，突破了砷化镓和硅基LDMOS器件的缺陷。碳化硅基氮化镓射频器件已逐步成为5G功率放大器尤其宏基站功率放大器的主流技术路线。

赛迪顾问预测5G基站总数量将是4G基站1.1~1.5倍，大约为万万宏基站，据YoleDevelopment预测，年全球射频器件市场将超过亿美元，其中射频功率放大器市场规模将从年的60亿美元增长到年的亿美元，氮化镓射频器件在功率放大器中的渗透率将持续提高。随着5G市场对碳化硅基氮化镓器件需求的增长，半绝缘型碳化硅晶片的需求量也将大幅增长。

根据Yole的预测，半绝缘型碳化硅衬底市场出货量（折算为4英寸）有望由年的16.56万片增长至年的43.84万片，期间复合增长率为21.50%。根据山东天岳招股书，年衬底的平均单位价格为.94元/片，粗略推算，年半绝缘型碳化硅衬底市场规模有望达到40.35亿元。

3.碳化硅衬底技术壁垒高，处于产业链核心位臵

3.1.碳化硅衬底生产流程与硅基类似，但是难度大幅度增加

碳化硅衬底的制作流程一般包括原料合成、晶体生长、晶锭加工、晶棒切割、晶片研磨、抛光、清洗等环节。其中晶体生长阶段为整个流程的核心，决定了碳化硅衬底的电学性质。

原料合成：将高纯硅粉和高纯碳粉按工艺配方均匀混合，在2,℃以上的高温条件下，于反应腔室内通过特定反应工艺，去除反应环境中残余的、反应微粉表面吸附的痕量杂质，使硅粉和碳粉按照既定化学计量比反应合成特定晶型和颗粒度的碳化硅颗粒。再经过破碎、筛分、清洗等工序，制得满足晶体生长要求的高纯度碳化硅粉原料。

晶体生长：目前主要有物理气相传输法（PVT）、高温化学气相沉积法（HT-CVD）和液相法三种方法。其中液相法生长晶体因尺寸较小目前仅用于实验室生长，综合生长条件控制、生长效率、缺陷控制等因素，商业化的技术路线主要是PVT和HT-CVD，与HT-CVD法相比，采用PVT法生长的碳化硅单晶所需要的设备简单，操作容易控制，设备价格以及运行成本低等优点成为工业生产所采用的主要方法。

物理气相传输法（PVT）：PVT法是碳化硅晶体生长的主流制备方式。将高纯碳化硅粉和籽晶分别于单晶生长炉内圆柱状密闭的石墨下部和顶部，通过感应加热的方式将加热至0℃以上，此时碳粉和硅粉升华分解成为Si原子、Si2C分子和SiC2分子等气相物质，控制籽晶处温度略低于下部微粉处，在坩埚内形成轴向温度梯度。碳化硅微粉在高温下升华形成不同气相组分的反应气体，在温度梯度驱动下到达温度较低的籽晶处，并在其上结晶形成圆柱状碳化硅晶锭。

碳化硅粉料纯度对晶片质量影响较大，粉料中一般含有极微量的氮，硼、铝、铁等杂质，其中氮是n型掺杂剂，在碳化硅中产生游离的电子，硼、铝是p型掺杂剂，产生游离的空穴。为了制备n型导电碳化硅晶片，在生长时需要通入氮气，让它产生的一部分电子中和掉硼、铝产生的空穴（即补偿），另外的游离电子使碳化硅表现为n型导电。为了制备高阻不导电的碳化硅（半绝缘型），在生长时需要加入钒（V）杂质，钒既可以产生电子，也可以产生空穴，让它产生的电子中和掉硼、铝产生的空穴（即补偿），它产生的空穴中和掉氮产生的电子，所以所生长的碳化硅几乎没有游离的电子、空穴，形成高阻不导电的晶片。（报告来源：未来智库）

3.2.碳化硅衬底生产难度较高，温场控制是工艺核心

工艺困难导致碳化硅衬底制造效率较低。碳化硅半导体晶片材料核心参数包括微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗糙度等。与传统的单晶硅使用提拉法制备不同，碳化硅材料因为一般条件下很难液相生长，现今市场主流采用气相生长的方法，在密闭高温腔体内进行原子有序排列并完成晶体生长、同时还要提升长晶效率是复杂的系统工程，温场控制是最核心的难度，后续将生长好的晶体加工成可以满足半导体器件制造所需晶片又涉及一系列高难度工艺调控。在整个过程中主要有以下几个难点：

温度要求高，黑箱操作观测难：一般而言，碳化硅气相生长温度在℃以上，且在生产中需要精确调控生长温度，与之对比，硅仅需1℃左右。高温对设备和工艺控制带来了极高的要求，生产过程几乎是黑箱操作难以观测。如果温度和压力控制稍有失误，则会导致数天的产品失败。长晶速度慢，时间成本高：碳化硅的生长速度缓慢，现有国内主流工艺使用物理气相传输法（PVT）约7天才能生长2cm左右。对比来看，硅棒拉晶2-3天即可拉出约2m长的8英寸硅棒。

晶型要求高，产出良率低：碳化硅存在多种晶体结构类型，其中六方结构的4H型（4H-SiC）等少数几种晶体结构的单晶型碳化硅才是所需的半导体材料，在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等参数，需要精确的材料配比、热场控制和经验积累，才能在高温下制备出无缺陷、皆为4H晶型的可用碳化硅衬底否则容易产生多晶型夹杂，导致产出的晶体不合格。

材料硬度大，切割磨损高：碳化硅硬度仅次于金刚石，为第二硬的材料，这导致其切割、研磨、抛光的加工难度也显著增加，工艺水平的提高需要长期的研发积累。另外，碳化硅晶片的厚度是会比硅基的硅的晶锭会薄很多。它在做切磨抛的时候需要更硬的一些设备，从而在切割、磨的时候碳化硅损失也会更多，产出比只有60%左右。

3.3.尺寸增加并进一步改进电化学性能是SiC技术下一阶段发展方向

扩径技术：为提高生产效率并降低成本，大尺寸是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向。目前国内公司主要量产产品尺寸集中在4英寸及6英寸，而行业龙头Cree已成功研发8英寸产品。随着尺寸的不断增大，扩径技术的要求也越来越高，需要综合热场设计、结构设计、晶体制备工艺设计等多方面的技术控制要素，最终实现晶体的迭代扩径生长。改进电学性能：碳化硅衬底以电学性能分为导电性与半绝缘型，未来技术的发展需要保证电学性能的不断改进。

半绝缘型衬底：目前行业领先企业已普遍将电阻率稳定控制在Ω〃cm以上。在半绝缘型衬底制备过程中，去除晶体中的各种杂质对实现碳化硅晶体本征高电阻率十分重要。因此在PVT制备条件下，生长反应腔室内的反应物料的纯度需要得到保证，以避免粉料释放出杂质。

导电型衬底：导电型碳化硅衬底具有低电阻率。在生产过程中，电阻率容易发生分布不均匀的情况，具体表现为径向上电阻率中间低、边缘高；轴向上电阻率生长前期低、后期高的特征，如何实现碳化硅衬底的均匀电阻率与不同碳化硅衬底的电阻率一致是未来技术发展趋势。降低微管密度：微管是延伸并贯穿整个晶棒的中空管道，微管的存在密度将直接决定外延层的结晶质量，器件区存在微管将直接导致器件漏电甚至击穿失效。因此，降低微管密度是碳化硅产业化应用的重要技术方向。

3.4.碳化硅衬底成本下降趋势可期

在碳化硅器件成本结构中，衬底成本约占50%。碳化硅衬底较低的供应量和较高的价格一直是制约碳化硅基器件大规模应用的主要因素之一，碳化硅衬底需要在2度高温设备下进行生产，而硅晶只需0度；碳化硅晶圆约需要7至10天，而硅晶棒只需要2天半；目前碳化硅晶圆主要是4英寸与6英寸，而用于功率器件的硅晶圆8英寸为主，这意味着碳化硅单晶片所产芯片数量较少、碳化硅芯片制造成本较高,目前碳化硅功率器件的价格仍数倍于硅基器件，下游应用领域仍需平衡碳化硅器件的高价格与碳化硅器件优越性能带来的综合成本下降间的关系。

据产业调研，目前6寸导电型衬底片的市场零售价约0美元/片,目前4、6寸片价格是硅的60倍以上，但是由于高频、高压的性能，可以降低对无源器件的使用，这同时能节省系统成本，碳化硅的系统成本目前是硅的2-8倍。结合国际技术路线对成本考量，到年有望下降至美元以下，硅基和sic基成本差距会在2倍内，一些高电压大电流的功器件会被碳化硅替代和渗透。

4.国际龙头企业占市场主要位臵，国内企业加速追赶

4.1.国际大厂市场占有率高，提前布局大尺寸衬底量产计划

Cree公司是全球龙头，占主要地位。上半年全球半导体SiC晶片市场中，美国Cree出货量占据全球45%，欧洲拥有完整的碳化硅衬底、外延、器件以及应用产业链，主要企业有Siltronic、意法半导体、IQE、英飞凌等，在全球电力电子市场拥有强大的话语权；日本是设备和模块开发方面的绝对领先者，代表企业有松下、罗姆、住友电气、三菱等，罗姆子公司SiCrystal占据20%，II-VI占13%。

Cree公司能够批量供应4英寸至6英寸导电型和半绝缘型碳化硅衬底，且已成功研发并开始建设8英寸产品，目前Cree公司的碳化硅晶片供应量位居世界前列。贰陆公司能提供4至6英寸导电型和半绝缘型碳化硅衬底。在量产时间表方面，年5月，Cree宣布投入10亿美元建设新工厂，将于年量产8英寸碳化硅等产品。意法半导体与CREE和SiCrystal签署长期供应，通过收购Norstel来自主生产6英寸晶圆，并且，Norstel最近已经成功交付了首个8英寸SiC晶圆。

年4月，II-VI表示，未来5年内，将SiC衬底的生产能力提高5至10倍，其中包括量产8英寸的衬底。英飞凌预计年左右开始量产8英寸衬底，以年为目标，量产8英寸SiC衬底器件。年9月，英飞凌表示8英寸SiC晶圆生产线已经建成。（报告来源：未来智库）

4.2.国内碳化硅衬底企业加大投入，提速追赶

经过十余年的技术自主研发，国内龙头碳化硅衬底企业已经掌握2-6英寸的碳化硅衬底制备方法，产品质量达到国际先进水平，并逐步提升市场份额。

4.2.1.国内企业持续扩大投资碳化硅衬底项目

根据集微咨询统计，-年国内签约落地的SiC产业相关项目衬底项目比较多，占比44%。据中国电子材料行业协会半导体材料分会统计，截至年，我国从事碳化硅衬底研制的企业已经有30家（不包括中国电科46所、硅酸盐所、浙江大学和天津理工大学等纯研究机构），近年来规划总投资已经超过亿元，规划总产能已经超过万片/年。露笑科技、山东天岳、天科合达等多家国内公司投资建厂，一方面，建成更加完善的产业链，实现6英寸碳化硅衬底的产业化生产；另一方面，推进8英寸碳化硅衬底的研发，缩小与国际龙头企业的技术差距。

4.2.2.经过多年自主研发，国内企业掌握碳化硅衬底制备技术

国内企业逐步掌握碳化硅衬底的制备技术。国内企业天科合达、山东天岳和同光晶体等公司在导电型衬底已经实现4英寸衬底商业化，逐步向6英寸发展。国内在6英寸SiC产线上也已经有所成绩，已知的6英寸SiC生产线有中电55所、中国中车、三安光电、华润微电子、积塔、燕东微电子（与深圳基本半导体共建）、国家电网等。我国碳化硅衬底公司生产的产品质量也不断提高，达到国际先进水平，在多个技术参数可与国际龙头公司比较。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

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