第三代半导体行业研究：碳化硅与新能源景气度共振，加速行业渗透

（报告出品方/作者：国泰君安证券，王聪、舒迪）

1.碳化硅材料特性带来器件性能优势，直击新能源行业的发展痛点

1.1. 宽禁带的第三代半导体材料在高压高频应用领域具备极 佳性能优势

碳化硅半导体材料具有耐高压、耐高温、低损耗等优良性质。相比于传单晶硅，碳化硅的击穿电压约为硅基材料的 10（更高的击穿电压 有利于器件承受高压）。此外，碳化硅具备热导率是硅材料的 2-3 倍，使碳化硅散热更加迅速，有助于提高器件功率密度，在相同电流下，设 备可以做得更小。同时，碳化硅材料具有相比于2 倍的饱和电漂移速率、3 倍的禁带宽度，使得碳化硅导通电阻率更低、功率损耗 更小。另外，碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，可以大幅 提高实际应用的开关频率，降低开关损耗。

碳化硅功率器件因材料特性具有明显的性能和尺寸优势。相同规格的碳 化硅基MOSFET 与硅基 MOSFET 相比，其尺寸可大幅减小至原来的1/10， 导通电阻可至少降低至原来的 1/100。相同规格的碳化硅基 MOSFET 较 硅基 IGBT 的总能量损耗可大大降低 70%。

碳化硅功率器件的性能优势直击新能源行业的发展痛点。碳化硅功率器耐高压、耐高温、低损耗、体积小等性能优势可满足新能源行业的 发展需求。新能源行业包括电动汽车、光伏、风电、特高压输电、储能细分领域普遍的发展痛点为开关损耗、导通损耗、热管理、充电速度 等，碳化硅功率器件的性能优势直击新能源行业的发展痛点，迎来下游 应用需求推动上游供给发展的高速发展阶段。

碳化硅产品价格具备大幅下降空间，渗透率预计随着产能释放以及价格 下降而大幅提升。据 CASA 数据，在 2018 年到 2020 年，650V 的 SiC MOSFET 与 Si IGBT 产品价格比从超过 10:1 下降至约 4:1。价格比下降 一方面由于 SiC 衬底价格大幅下降导致器件价格下降，另一方面由于 Si IGBT 产能紧张代工费上涨导致 Si 基器件价格上升。目前，SiC 逆变器 模块是硅基逆变器价格的 2-3 倍，而应用碳化硅逆变器模块后，电动车 系统成本更低，可节省电池成本与热管理成本等。整体而言，产 品良率提升以及规模效应，成本仍具备大幅下降的空间，渗透率将 随着产能释放以及价格下降而大幅提升。

1.2. 碳化硅功率器件行业瓶颈集中在衬底与制造工艺环节

碳化硅功率器件产业链分布与硅基产业链类似，其主要瓶颈集中在衬底 和器件环节。碳化硅产业链主要分为衬底、外延、晶圆制造、芯片设计、 模组封装、系统应用等环节，产业链分布与硅基功率器件产业链类似， 部分企业向多个环节进行垂直整合（IDM）。目前，产业链瓶颈主要在衬底与制造工艺环节。衬底良率不足、供应不足导致衬底价格高，成 本占比高，影响行业供应链扩张以及渗透率提升。制造工艺在 SiC MOSFET 产品上仍存在一定良率问题以及器件可靠性问题，主要由于 SiC 器件产线打磨时间较短，许多实况的可靠性问题仍未充分暴露。

碳化硅二极管工艺相对简单，技术相对成熟；碳化硅 MOSFET 工艺难 度较高，由头部厂商率先推出。碳化硅功率器件从结构上分为二极管和 晶体管，模块分为混合 SiC 模块和全 SiC 模块。其中，碳化硅二极管艺相对简单，国内外技术均较为成熟，但并未直击新能源行业的需求域，应用范围有限。碳化硅 MOSFET 工艺难度较高，目前商业应用主要 由海外龙头厂商推广，而综合考虑技术、成本与效应，碳化硅模块部分 厂商采用 SiC 二极管+Si IGBT 的混合模块方式，部分厂商推出全 SiC 模 块。

导电型碳化硅衬底主要应用于功率器件领域，成长空间广阔。碳化硅衬 底主要分为导电型和半绝缘型衬底。导电型碳化硅衬底生长 SiC 外延，功率器件后应用于新能源汽车、电力系统等领域。半绝缘型碳化硅 衬底生长 GaN 外延，制造微波射频器件后应用于 5G 通讯等领域。

碳化硅衬底长晶温度高，PVT 方法长晶速度慢，是产业链的主要瓶颈之 一。碳化硅衬底的制备技术主要方法为以高纯碳粉、高纯硅粉为原料合 成碳化硅粉，在特殊温场下，采用成熟的物理气相传输法（PVT 法）生 长不同尺寸的碳化硅晶锭，经过晶锭加工、晶棒切割、切割片研磨、研 磨片抛光、抛光片清洗工序后，最终产出碳化硅衬底。其衬底的扩径技 术需要综合考虑热场设计、扩径结构设计、晶体制备工艺设计等多方面 的技术控制要素，最终实现晶体迭代扩径生长，从而获得直径达标的高 质量籽晶，继而实现后续大尺寸籽晶的连续生长。

目前主流导电型碳化硅衬底尺寸为 6 英寸，并朝 8 英寸演进。科锐公司 作为行业龙头，是目前行业内极少数能够量产 8 英寸衬底材料的公司。衬底直径是衡量晶体制备水平的重要指标之一，相同的晶体制备时间内 衬底面积的倍数提升带来衬底成本的大幅降低，与此同时，单片衬底上 制备的芯片数量随着衬底尺寸增大而增多，单位芯片的成本也即随之降 低。

2.电动车与碳化硅迎成长共振，碳化硅缓解电动车“里程焦虑”和“充电焦虑”

2.1. 碳化硅与电动车渗透率加速提升，成长共振打开广阔市场空间

2021 年全球新能源车出货量快速增长。2021 年上半年，全球新能源车 出货量超过 250 万辆，预计全年增速将超过 50%。从出货结构看，纯电 动和插混动力占据全球约 99%份额，氢燃料电池汽车占比约为 1%。

中国是新能源汽车最大市场之一。2020 年，中国占据全球新能源汽车出 货 41.27%，欧洲这一份额为 43.06%，二者是全球最大的新能源汽车市 场。从销售结构来看，国内纯电动车占据新能源汽车销量比重为 81.6%，混 合动力车占比为 18.60%，氢燃料电池汽车占比仅为 0.07%。

逆变器、OBC、DC/DC 为碳化硅在电动车的主要应用领域。电动车对 功率器件的需求增量主要体现在车载充电系统（OBC）、电池管理（BMS）、 高压负载、高压转低压 DCDC、主驱动等，用量相比于传统燃油车显著 提升，将成为电动车核心元件之一。其中，逆变器、OBC、DC/DC 为碳 化硅在电动车的主要应用领域。（报告来源：未来智库）

电动车与碳化硅渗透率加速共振，打开广阔成长空间。国内新能源汽车 渗透率 2021 年 5 月超过 10%，并逐月加速提升。据 Yole 数据，第三代 半导体基功率器件（含 SiC 和 GaN）2021 年市场占比约 6%，其中 SiC 基功率器件市场占比约 5%。预计至 2026 年，第三代半导体基功率器件 （含 SiC 和 GaN）市场占比达 19%，其中 SiC 基功率器件市场占比约 14%。碳化硅功率器件渗透率与电动车渗透率迎来共振，电动车为碳化 硅功率器件最大下游市场，碳化硅功率器件缓解电动车的“里程焦虑” 和“充电焦虑”，二者成长迎来共振。

碳化硅功率器件市场规模预计 2026 年将达 45 亿美金。据 Yole 数据， SiC 功率器件 2021 年市场规模约 8.5 亿美元，预计至 2026 年增长至 44.8 亿美元，CAGR 约 39.5%。SiC 器件的快速增长主要得益于电动车、光 伏、储能等领域对高压平台以及损耗要求逐渐提升，SiC 功率器件一方 面受益于功率行业快速成长，另一方面受益于渗透率快速提升。

外销 SiC 功率外延片市场规模预计 2026 年将超 5 亿美金。外延环节处 于衬底与器件之间，部分衬底厂向下游延伸，另外部分器件厂商具备一 定外延能力。因而，外延片分为外销和自用两种类型。据 Yole 数据，外 销 SiC 功率外延片市场规模约 1.4 亿美元，预计 2026 年增长至 5.2 亿美 元，CAGR 约 30.0%。外延片增速低于器件市场，主要由于器件良率仍 存在较大提升空间。

碳化硅衬底市场规模预计 2026 年将超 5 亿美金，单片衬底价格有望逐 年下降。据 Yole 数据，碳化硅衬底 2021 年市场规模约 3.1 亿美元，预 计 2026 年增长至 6.4 亿美元，CAGR 约 15.4%。衬底增速明显低于器件 与外延环节，主要由于随着衬底良率提升以及尺寸增大，平均价格有望 大幅下降。6 英寸导电型碳化硅衬底平均价格年降幅度预计约为 8.5%。

据测算，国内新能源汽车 SiC功率器件市场规模预计 2026 年达百亿元。假设国内汽车出货量平均每年 2500 万辆，采用 Si-MOSFET 逆变器车型 2020-2026 出货量预估为 20/28/32/35/40/42/44 万辆，SiC MOSFET 逆变 器车型在 2020-2026 年 出 货 量 占 比 分 别 为 15.0%/11.4%/12.4%/15.4%/18.4%/20.4%/22.4%，单车碳化硅功率器件价 值量约为 3000 元/辆。根据测算，预计 2026 年国内新能源车 SiC 功率器 件市场规模为 98.4 亿元，CAGR 约为 60.7%。国内市场由于新能源车以 及碳化硅双重成长共振，碳化硅市场预计迎来爆发式增长。

2.2. 应用于电动车的 6 英寸 1200V 全 SiC 模块为未来五年碳化 硅功率器件的主要成长驱动力

电动车为碳化硅功率器件最佳落地场景，“里程焦虑”和“充电焦虑” 助推碳化硅上车应用。目前，碳化硅功率模块价格是硅基 IGBT 模块价 格的 2-3 倍，因价格劣势以及量产能力短板阻缓了碳化硅功率模块的大 规模应用。而电动车因其适用场景的特殊性，“里程焦虑”和“充电焦 虑”仍是两大痛点，碳化硅模块一方面可以降低损耗提升续航缓解“里 程焦虑”，另一方面可以加快充电速度缓解“充电焦虑”。碳化硅因其明 显的性能优势，高端电动车用户对其初期的投入成本不敏感，有望成为 碳化硅功率器件落地使用的最佳场景。

电动车约占碳化硅市场的 60%，占比持续提升。据 Yole 数据，2021 年 碳化硅下游市场中，电动车、能源、工业、通讯领域占比分别为 59%、 17%、13%、8%，为碳化硅下游应用的主要市场。预计至 2026 年，电 动车市场占比将提升至 63%，仍为第一大下游应用领域。

全碳化硅模块主要应用于电动车主驱，其高壁垒高价值量为头部碳化硅 器件厂商主战场。SiC 二极管、晶体管等单管价格仍远高于硅基器件， 在光伏、能源、工业的领域的替代主要从高要求的小部分市场开始，其 渗透率的快速提升较为依赖于碳化硅器件的价格下降。全碳化硅模块主 要应用于电动车主驱，对可靠性要求极高，其高壁垒和高价值量为头部 企业的主要目标市场。据 Yole 数据全碳化硅模块占比约为 70%，占碳化 硅应用市场的主要份额。

1200V 碳化硅功率产品为主要增量产品。目前，600V产品份额高达 61%， 主要由于 Tesla 大量使用 600V 碳化硅产品，并在电动车上大量使用，占 据了主要市场份额。而随着比亚迪汉、现代 Ioniq 5 等电动车推出使用 1200V 碳化硅产品，以及后续 800V 电压平台推广，预计 1200V 碳化硅 产品将占据主要的增量市场。此外，通讯、光伏、工业等领域也将以 1200V 碳化硅产品为主。据 Yole 数据，预计 2026 年 1200V 碳化硅产品占比将 达 49%。1700V 碳化硅产品主要目标市场在工业、轨交、能源等领域， 预计份额仍较小。

6 英寸导电型为主流应用尺寸，8 英寸将逐步渗透。目前，碳化硅行业 主要瓶颈集中在衬底和制造工艺，功率器件仍以 6 英寸导电型衬底为主 流应用。据 Yole 数据，2021 年 6 英寸占比约 70%，4 英寸约 30%；预 计至 2026 年，6 英寸占比提升至 81%，4 英寸下降至 5%，8 英寸提升至 14%。6 英寸在未来较长时间占据主流应用，并逐步向 8 英寸突破。

2.3. 电动车 800V 电压平台升级，市场需求拉动碳化硅行业发 展

多款车型升级 800V 高压平台，国产碳化硅功率芯片供应链有望以 OBC 和 DCDC 产品上车推广。保时捷、小鹏、广汽埃安、极氪、理想、极狐 等多款电动车布局快充技术。小鹏汽车推出中国首个量产 800V高压 SiC 平台，预计可实现“充电 5 分钟，续航 200 公里”，并在充电桩端推广 480kW 高压超充桩。国产碳化硅功率芯片供应链有望在电动车 OBC 和 DCDC 端先上车使用，并逐步切入安全要求最高的主驱逆变器领域。

碳化硅功率器件在 800V 电压平台将大量推广应用，国产供应链迎来导 入窗口期。800V 高电压平台可明显提升充电速度，缓解“充电焦虑”， 随着国内主车厂陆续布局推广，碳化硅国产供应链迎来绝佳导入窗口期。因主车厂迫切以及旺盛的推广需求，国内碳化硅行业可能由下游市场需 求推动上游供给端快速发展。

3.老牌硅基功率企业与新兴玩家同台竞技，格局尚未固化国内企业仍具有广阔空间

3.1. 海外头部企业占据产业链主要份额，老牌硅基功率企业与 新兴玩家同台竞技

全球碳化硅产业链参与者众多，老牌硅基功率企业与新兴玩家同台竞技。碳化硅产业链各环节与硅基产业链类似，主要包括衬底（对应硅片）、 外延、工艺制造、设计、模组封装、系统应用等，部分企业进行垂直合（IDM 模式）。碳化硅产业链的全球玩家众多，包括老牌硅基功率业英飞凌、Onsemi、Rohm、ST 等，新兴专攻碳化硅领域的企业 Cree、 SICC、基本半导体、中科汉韵等，以及主车厂/Tier 1 企业比亚迪、博世、 欣锐科技等。

碳化硅产业链目前集聚了传统硅基巨头、汽车产业链巨头 以及大量的新锐玩家，并涌入了资金与投入，行业一方面蓬勃发展 另一方面也面临较强的市场竞争。而目前，碳化硅基功率器件市占率5%，行业仍处于发展的早期，相关技术选型、工艺路线、客户绑定以及 电动车格局等远未定型，给国内企业以及新锐玩家留下了足够的空间和 时间做大做强。

主车厂碳化硅主驱、800V 高电压 OBC、DCDC 等方案百花齐鸣，先发 优势与可靠性验证需综合考量。自 2018 年特斯拉与 ST 合作在 Model 3 上推出 SiC 方案后，新能源车厂陆续推出 SiC 方案的电动车。800V 高 电压平台、超级快充、碳化硅方案或将成为电动车厂打造品牌壁垒与差 异化的核心策略之一，在市场格局尚未定型情况下，先推出的车厂将获 得明显的先发优势以抢占市场份额。碳化硅方案的改型，尤其是主驱逆 变器的改型对安全驾驶的影响极大，因而碳化硅方案的上车需长时间的 可靠性验证。长时间的可靠性验证进一步加强了先发优势，预计碳化硅 方案仍将是主车厂/Tier 1 争相竞逐的舞台。

产业链上下游协同加强，碳化硅器件厂商与主车厂仍是主要推动者。因 导电型衬底良率仍较低且供应能力不富裕，主车厂、器件厂商与上游衬 底厂商陆续签订长期合作协议，形成一定的产业集群与壁垒。

海外巨头市场份额高度集中，车轨可靠性认证为最大壁垒之一。据 Yole 数据，2020 年碳化硅功率器件市场中，ST、Cree、ROHM、Infineon、 Onsemi 市占率分别为 40.5%、14.9%、14.4%、13.3%、7.7%，CR5 超过 90%。车轨级器件的可靠性认证给海外头部厂商提供了很高的进入壁垒。而传统硅基功率器件巨头 Infineon 和 Onsemi 因进入 SiC 行业较晚，未 取得先发优势。ST 因与 Tesla 合作而取得最大市场份额。

碳化硅功率外延片市场由 Cree 和 Showa Denko 双寡头垄断。据 Yole 数 据，2020 年碳化硅导电型外延片市场中 Cree 和 Showa Denko 市占率分 别为 51.4%和 43.1%，两家合计占比高达 94.5%。外延市场处于产业链 中间环节，通常器件厂商具备一定外延能力，因而市场规模以及玩家数 量相对较小。

导电型碳化硅衬底市场 Cree 一家独大。导电型衬底产业主要瓶颈受制 于良率与长晶速度，因 PVT 方法长晶速度过慢且良率低，导致碳化硅衬 底价格远高于硅片价格，碳化硅衬底成本占比约 40-45%。Cree 因布局 较早，良率与产能规模全球领先，并规划量产 8 英寸衬底，其在衬底环 节具有极强领先优势。据 Yole 数据，2020 年 Cree 在导电型碳化硅衬底 市场份额约 60%。

3.2. 国内碳化硅发力全产业链布局，挑战海外巨头垄断地位

国内碳化硅各环节全产业链布局，挑战海外巨头垄断地位。衬底环节厂 商包括天科合达、SICC、同光晶体、东尼电子等，外延厂商包括瀚天天 成、东莞天域等，设计厂商包括上海瞻芯、上海瀚薪等，IDM 厂商包括泰科天润、中科汉韵、三安集成、华润微等。国内供应链在各个环节均 有布局，而碳化硅仍在快速增长阶段，格局尚未固化，国内企业有望依 托庞大内需市场调整海外巨头垄断地位。

国内供需仍存缺口，有效产能不足。我国 2020 年碳化硅导电型衬底产 能约 40 万片/年（约当 4 英寸）、外延片折合 6 英寸 22 万片/年、器件 26 万片/年；半绝缘型衬底折算 4 英寸产能近 18 万片/年。随着新能源汽车、5G 等下游应用市场的快速起量， 国内现有产品供给无法满足需求，目前第三代半导体主要环节国产化率 仍然较低，超过 80%的产品要靠进口。

国内衬底厂商虽在产品规格和技术成熟度上有差距，但存在较大追赶可能。目前国产 SiC 衬底已经实现微管密度小于 1 个/cm2，衬底面积 95% 可用，位错约在 103 /cm2；虽然在单晶一致性、成品率方面与国际先进水 平仍有差距，但未来可期。

国内厂商积极研发布局碳化硅器件项目。现在已经商业化的 SiC 产品主 要集中在 650 V-1700 V 电压等级，主要产品为二极管和晶体管，3000V 以上电压及 SiC IGBT 尚在研发当中。国内厂商如泰科天润已发布 3300 V/0.6 A-50 A SiC 二极管系列产品；三安集成、基本半导体等公司已实现 650 V、1200 V、1700 V SiC MOSFET 的小规模量产；功率模块方面， 国内上市企业士兰微、斯达半导等公司积极布局，目前比亚迪汉已经成 功搭载了自主研发的 SiC MOSFET 控制模块。国内市场已经初步实现低 端产品的国产替代化，高端产品依然依赖进口。

国内第三代半导体投资力度高企，力争追赶国际厂商。根据 CASA Research披露，2018年至今，国内厂商始终加强布局第三代半导体产业，2020 年一共有 24 笔投资扩产项目（2019 年 17 笔），增产投资金额超过 694 亿元，同比增长 161%，其中 SiC 领域共 17 笔、投资 550 亿元，GaN 领域共 7 比、涉及资金 144 亿元。

根据CASA数据，2020年我国电力电子和射频电子总产值超过100亿元， 同比增长了 69.5%。其中，SiC、GaN 两种材料的电力电子产值合计达 44.7 亿元，同增 54%。其中，衬底材料 2.2 亿元，外延及芯片 5 亿元， 器件及模组约 7.2 亿元，装置约 30 亿元。（报告来源：未来智库）

4.投资分析

我们认为：碳化硅材料特性带来器件性能优势，直击新能源行业的发展 痛点。碳化硅功率器件的耐高压、耐高温、低损耗、体积小等性能优势 可满足新能源行业的发展需求。新能源行业包括电动汽车、光伏、风电、 特高压输电、储能等细分领域普遍的发展痛点为开关损耗、导通损耗、热管理、充电速度等，碳化硅功率器件的性能优势直击新能源行业的发 展痛点，迎来下游应用需求推动上游供给发展的高速发展阶段。

电动车与碳化硅迎景气度共振，碳化硅渗透率加速提升。国内新能源汽 车渗透率 2021 年 5 月超过 10%，并逐月加速提升。据 Yole 数据，第三 代半导体基功率器件（含 SiC 和 GaN）2021 年市场占比约 6%，其中 SiC 基功率器件市场占比约 5%。预计至 2026 年，第三代半导体基功率器件 （含 SiC 和 GaN）市场占比达 19%，其中 SiC 基功率器件市场占比约 14%。碳化硅功率器件渗透率与电动车渗透率迎来共振，电动车为碳化 硅功率器件最大下游市场，碳化硅功率器件缓解电动车的“里程焦虑” 和“充电焦虑”，二者成长迎来共振。

老牌硅基功率企业与新兴玩家同台竞技，格局尚未固化国内企业仍具有 广阔空间。碳化硅产业链的全球玩家众多，包括老牌硅基功率企业英飞 凌、Onsemi、Rohm、ST 等，新兴专攻碳化硅领域的企业 Cree、SICC、 基本半导体、中科汉韵等，以及主车厂/Tier 1 企业比亚迪、博世、欣锐 科技等。碳化硅产业链目前集聚了传统硅基巨头、汽车产业链巨头以及 大量的新锐玩家，并涌入了大量资金与投入，行业一方面蓬勃发展另一 方面也面临较强的市场竞争。而目前，碳化硅基功率器件市占率约 5%， 行业仍处于发展的早期，相关技术选型、工艺路线、客户绑定以及电动 车格局等远未定型，给国内企业以及新锐玩家留下了足够的空间和时间 做大做强。

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