碳化硅行业深度研究报告：能量转换链的材料变革

（报告出品方/作者：国信证券，胡剑、胡慧）

1 碳化硅：能量转换链的材料变革

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 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。

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。

为什么要用碳化硅？

（1）与 Si 相比，SiC 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。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。

（2）与 IGBT 相比，SiC 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%。

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(电感和电容器等)的小型化。

此外，碳化硅的加入还可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。

碳化硅材料：发挥碳化硅优势的最关键环节

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 约有 200 多种晶体结构形态，其中，仅有α晶型 4H（4H-SiC）可以用来制造 功率器件。

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 型导电性，目前产品以 N 型为主（氮 气掺杂），电阻率通常低于 0.02 Ω·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 10 6Ω·cm（国 际水平 10 8 Ω·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。

要得到碳化硅衬底，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。

具体流程如下：① 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。② 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，蒸汽上升到达温度较低的籽晶处结晶形成碳 化硅晶锭。③ 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。④ 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。⑤ 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。⑥ 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。⑦ 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。⑧ 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，其晶体生长效率极其缓慢，生长速度 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。

碳化硅外延工艺是提高碳化硅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：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 化硅器件作为功率器件材料端的技术迭代产品出现。

目前碳化硅功率器件主要分为肖特基二极管(SBD)、MOSFET 以及模块：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。

SiC 器件主要装载于电力电子设备中以实现电能转换。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。

以新能源汽车为例，SiC 功率器件主要应用于逆变器、DC/DC 转换器、电机驱 动器和车载充电器(OBC)等核心电控领域，以完成高效的电能转换。在电动车 传动系统中，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。

耐压性能优异的 SiC MOSFET 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。

碳化硅壁垒：长晶、外延及器件

碳化硅技术难点主要集中在长晶、外延、器件可靠性及验证上。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。

一、长晶工艺涉及四大难点

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

二、外延工艺涉及三大难点

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 600V，需要外延的厚度约为 6μm 左右；中压 1200-1700V，厚度为 10-15μm；高压 10kV 以上，需要 100μm 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。

三、器件工艺及客户验证涉及七大难点

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。（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：①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-40℃~150℃，同时需抗湿度、抗腐蚀。②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。③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。

碳化硅发展趋势：衬底大尺寸化，切割高效化、器件模块化

大尺寸化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 英寸量产技术并建设对应晶圆厂的公司。

衬底切割良率提高是降低成本的重要课题。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。

碳化硅器件模块化是高可靠性应用的选择。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。

2 碳化硅的竞与合：以Wolfspeed为例

从 Cree 到 Wolfspeed：碳化硅龙头的转型之路

Wolfspeed 总部位于美国，是引领碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）技术的 IDM 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。

Wolfspeed (原 CREE) 经历了从 LED 到碳化硅龙头的业务转变。公司成立于 1987 年，其早期的技术来自于卡罗来纳州立大学（NCSU）。公司的发展大致 经历了三个阶段:

第一阶段：技术积累期（1990s-2000s）：公司以碳化硅技术起家，基于碳化硅 的光电性质，试图在 LED、功率及射频器件领域寻找适合 SiC 的产品进行布局， 在 LED 和碳化硅基器件产品上创造了多个业界第一。

第二阶段：LED 时期（2003-2015）：从 2003 年公司发布全球最亮的白光 LED 开始，公司不断在 LED 技术方面取得突破。通过收购多家 LED 企业，公司建 立了 LED 制造、渠道及产品的完整布局，在 2013 年成为全球仅次于日亚化学 的 LED 巨头。

第三阶段：碳化硅时期（2016-至今）：公司早期碳化硅器件主要服务于军用领 域，2015 年，随着 LED 业务壮大，公司一度计划将功率及射频器件业务 （Wolfspeed）拆出。在 WolfspeedIPO 失败，向英飞凌出售失败以及 LED 业 务下滑等多因素影响下，2017 年公司重启 Wolfspeed 功率及射频业务。随着业 务加速，2018 年公司收购英飞凌射频业务，随后将 LED 及照明业务剥离，2021 年更名为 Wolfspeed，彻底转型为基于碳化硅的半导体公司。

Wolfspeed 是全球首家突破 8 英寸碳化硅量产技术的公司。与硅基半导体器件 不同，碳化硅产业链价值量集中于上游且进入壁垒最高，产能缺口最大。由于 碳化硅晶棒生长速度慢且难度大，其器件制造成本中衬底成本占比近 46%，外 延成本占比近 23%。因此，在衬底环节拥有最先进技术及产能的公司将拥有产 业链话语权。目前，全球头部厂商产能集中于 6 英寸及以下晶圆，公司是首家 在 8 英寸碳化硅晶圆量产技术上实现突破的公司，并建设了全球首家 8 英寸碳 化硅晶圆厂。

从分立器件、芯片到模组，公司拥有全面的 SiC 功率器件布局。随着电动车、 工业及新能源应用等领域电能功耗提升，在高效低损耗的需求驱动下，碳化硅 功率器件渗透率不断增加。公司从碳化硅芯片到分立器件及模组全面布局，技 术领先。针对汽车、工业及能源客户的不同需求，公司提供碳化硅分立器件及 模组产品；分立器件主要针对相对低损耗的应用，模组则针对高功率的应用。此外，基于模组、汽车 OEM 及 Tier1 厂商的高功率及定制化应用需求，公司亦 提供碳化硅芯片及整体电源解决方案。

从雷达到 5G 应用，公司拥有全面的 RF 解决方案。早在 2001 年，公司就推出 了横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）、GaN on SiC 高电子迁移率晶体管 （HEMT）和单片微波集成电路（MMIC）等一系列射频产品。其中，SiC 基 GaN 的 RF 器件主要为军用及政府项目服务，应用于航空航天、军用雷达等高 频率高功率的特殊场景。随着商用雷达市场扩大，5G 通信渗透加速，其 RF 器 件业务加速发展。目前，公司已掌握商用和军用航空、空中交通管制、天气服 务、飞行器到卫星的通信、太空探索等领域的无线通信和雷达系统的核心技术， 可提供 SiC 基 GaN HEMT 分立器件及芯片、MMIC 和 LDMOS 器件。

纵观公司发展历程，从聚焦 LED 到聚焦碳化硅半导体应用的业务转型背后依旧 是对 SiC 及 GaN 材料及其器件应用进行的不断探索。因此，经过多年发展，公 司不仅在器件端打造了设计、制造、封测及销售的 IDM 模式，亦在衬底、外延 环节自主生产，成为了全球最大的碳化硅衬底供应商，整体形成了从材料到器 件的 IDM+全产业链模式。

Wolfspeed：转型影响短期盈利，成长性带来市值新高

从 LED 转型到 SiC，业务调整期影响整体短期盈利能力。早期，公司随着 LED 业务加速发展，叠加照明产品布局加速，整体收入不断增加，在 FY2014 年达 到顶峰，成为全球第二大 LED 龙头公司，随着 FY2015-2016 照明及 LED 业务 连续下滑，公司业绩大幅下跌。FY2017 公司转型，业务重心转移至 SiC 为中心的半导体业务，Wolfspeed 重启，研发投入持续增加，成就了公司在技术端 的先发优势。经历收购英飞凌，剥离占公司三分之二的照明及 LED 业务，公司 营收体量减小。但随着照明及 LED 的剥离，从 FY2019 可以看到明显的毛利率 有所增加，随后 SiC 的扩产叠加疫情影响开工率，毛利率再度下滑。

Wolfspeed(功率及射频业务)营收持续增长。公司在功率及射频业务端多年基 本保持持续增长，自 Wolfspeed 业务重启，FY2017-FY2021 Wolfspeed 营收 以 24%复合增速快速增加，并于 FY2019 实现营收超 5 亿美元；近两年受疫情 等多方因素影响，营收增速放缓，但整体增长趋势不变。得益于新能源汽车高 增长，FY2022 Q1 公司收入 1.57 亿美元，同比增加 35.6%，环比增加 7.4%， 实现连续 5 个季度增长。相比 LED、照明业务，功率及射频业务毛利率持续保 持较好水平，近两年受扩产影响，短期下降至 30%左右。未来，随着资本开支 减少，毛利率将稳步提升。

资本开支峰值已过，盈利能力逐步改善。在业务调整及产能扩建的影响下，公 司盈利能力尚未体现。根据公司计划，FY2021 资本开支已达峰值，随后将逐 年回落，同时自由现金流将逐步改善。此外，在 8 英寸的产能爬坡过程中，前 期的成本会抵消 8 英寸大直径的好处。随着产量提高、周转变快，预计 FY2024毛利率能够达到 50%（目前 30%左右）。同时，8 英寸晶圆将使得器件工艺可 向更多的晶圆代工厂转移，叠加成本优势，将催化碳化硅市场加速爆发。

公司预计未来两年公司营收将进入加速期，过去的 FY2021 资本开支已达最高 点，公司转型基本完成；随着 Design-in 及 LTA 数量不断增加，公司预计 FY2022 将步入业绩拐点，亏损将逐渐收窄。在新能源汽车、充电设施、5G、工业及能 源等领域驱动下，预计公司 FY2024 营收将达 15 亿美元。

新能源汽车需求旺盛，公司市值创历史新高。公司近几年由于业务调整，整体 盈利表现不佳；但由于其业务剥离战略和在碳化硅领域的绝对龙头地位得到市 场认可，市值呈逐步上升态势。2020 年下半年，随着新能源汽车渗透率提升， 光伏等新能源应用需求不断增长，公司市值快速拉升；2021 年 10 月 4 日，在 经过了长达四年的转型后，Wolfspeed 在美国纽交所上市（代码“WOLF”）， 市值再创历史新高。

由 Wolfspeed 看碳化硅市场的竞与合

当前，Wolfspeed 的发展喜忧参半。在材料端，由于当前碳化硅产能有限且渗 透率较低，产业链倾向通过合作优化资源配置；因此，拥有产能及先进技术的 Wolfspeed 赢得了大量的材料订单。然而，ST 意法半导体、罗姆、II-VI 等均对 6-8 英寸产能进行扩产布局，未来达产后将与 Wolfspeed 形成竞争。在器件端， 相比传统功率半导体公司拥有良好的客户基础和更完整的产品布局，Wolfspeed 产品及客户还需进一步拓展；最终，Wolfspeed 要实现龙头的进击，还面临巨 大的挑战。

Wolfspeed 目前优势：（1）材料端产能及市占率全球第一，已获 13 亿美元材料供应长期协议。随着 8 英寸晶圆厂投产，该产线预计 FY2022 实现小批量出货，FY2024 达产，届时 公司碳化硅产能将从目前 16.7 万平方英尺增加至 24.2 万平方英尺。随着公司 8 寸晶圆厂。目前，Wolfspeed 衬底市占率约 62%，第二位 II-VI 市占率仅 14%， 公司衬底端的优势巨大，并将在未来几年内保持绝对领先。随着下游需求起量， 多家器件龙头提前锁定产能，Infineon、ST、On Semi 等中游企业纷纷与公司 签订长期供货协议，以保证 SiC 衬底供给。目前，Wolfspeed 已经在多个行业 达成了总额超过 13 亿美元的材料供应长期协议。

（2）碳化硅功率器件加快发展，Design-in 对应增量近 29 亿美元。汽车产品 从 Design-in 到批量供货需要 3-4 年，车型的生产周期一般是 4-10 年。假设 2025 年至 2030 年为电动汽车爆发的时间，碳化硅 Design-in 的黄金时间约为 2021 年至 2026 年。Wolfspeed 碳化硅器件当前 Pipeline 为 180 亿美元，汽车应用 占比超 70%。FY2021，已有 1 千多家选择 Wolfspeed 碳化硅器件作为应用方 案，预估价值近 29 亿美元，2021Q4，公司 design-in 超过了 10 亿美元，其中， 汽车客户占据三分之二。

基于公司的良好发展势头，Wolfspeed 认为汽车、工业及能源应用和 RF 将成 为公司主要发力方向。公司 pipeline 从 FY2020 到 FY2022 增加了两倍，其中， 随着汽车 OEM 对逆变器需求的增加，汽车以 75%的复合增速增加；在车载充 电、云服务器电源供应、HVAC、电机控制及可再生能源的应用需求下，工业级 能源应用以 65%增速增加；RF 应用受限于国际贸易政策等影响，主要在商用 雷达和军事通信上有所拓展，对应 10%年复合增速。

相应地，Wolfspeed 认为 2026 年公司在器件端可发展的市场空间将由 43 亿美 元增加至 89 亿美元，其中汽车器件占据 50%，年复合增速接近 30%。在材料 端，预计供不应求将持续几年，随着市场逐渐向 8 英寸晶圆转移，材料成本将 下降，催化碳化硅市场加速渗透，Wolfspeed 在材料端可发展的市场空间将由 2022 年 7 亿美元增加至 2026 年 17 亿美元。

Wolfspeed 未来挑战：（1）13 亿美元 LTA 涉及的合作对象扩产持续，衬底端长期保持 60%市占率难 度大。Wolfspeed 与 ST、英飞凌、安森美和 X-fab 等公司达成的超过 13 亿美 元的长期协议（LTA）可持续性不强。当下，由于产能有限，各家迫切需要确保 供应，合同的利润非常可观。然而，随着 GT Advanced（GTA）向英飞凌供货、 Global Wafers 向安森美提供 SiC 晶体（包括 200mm），ST 收购 Norstel 后宣 布扩产；预计 2023-2024 年各家公司扩产到位后，对外部材料供应的需求将减 小；届时，Wolfspeed 市场份额必将受到挤压。

（2）碳化硅器件汽车应用目前拓展顺利，然而长期市占率承压。在电动汽车， 尤其是 800V 架构应用中，Wolfspeed 与通用和蔚来（通过 Delphi/BGW）、奥 迪/大众和宝马（均通过 ABB）已建立合作，市场拓展顺利。然而，相比英飞凌 和 ST 等功率器件龙头，Wolfspeed 无法提供 MCU/分立器件等其他配套产品， 同时在模块上的数据积累相对有限，最终 Wolfspeed 只能先立足于芯片或分立 器件的销售。随着市场成熟，模块成为主流，Wolfspeed 发展面临受限风险。

当前，在市场竞争与合作中，Wolfspeed 面临不小的挑战：公司盈利能力对 8 寸晶圆扩产进度依赖性较高，而待 ST、英飞凌、安森美等合作者扩产后，衬底 端利润将受挤压；此外，器件业务布局集中宇碳化硅，而公司在碳化硅模块有 限的竞争力将使得大部分盈利终来源于裸芯片及衬底销售，市场份额长期承压。（报告来源：报告研究所）

3 应用驱动下的碳化硅行业

新能源时代开启，碳化硅加速渗透

碳化硅功率器件早在 20 年前已推出，受制于成本及下游扩产意愿不足，碳化硅 产业化推进缓慢。2018 年，特斯拉作为全球第一的造车新势力率先使用全碳化 硅方案后，碳化硅器件才开始成为市场发展热点。

未来 5 年，汽车将成为碳化硅市场的主要驱动力。当前，全球新能源汽车市场正 在加速发展，2021 年前三季度，中国新能源汽车销量达 215.7 万辆，欧洲新能源 汽车销量达 158.9 万辆，美国新能源汽车销量达 42.4 万辆，预计全球 2021 年新 能源汽车销量有望突破 600 万辆。

根据 Yolé预测，SiC 器件市场将从 2019 年 5 亿美元增至 2025 年 25 亿美元以 上，复合增速达 30%。其中，新能源汽车将从 2019 年 2.25 亿增至 2025 年 15 亿美元，复合增速 38%，占整个市场 60%。相应地，充电设施市场将快速发展， 增速高达 90%。除汽车外，第二大应用光伏市场将从 2019 年 2.25 亿美元增加 至 2025 年 3.14 亿美元，复合增速为 17%。此外，轨道交通和电机驱动等领域 也将快速增加。

随着新能源汽车不断渗透，TrendForce 预计 2025 年全球系能源汽车市场对导 电碳化硅衬底需求可达 169 万片（按 6 英寸计算）。其中，81%将用于主逆变 器，15%应用于 OBC，4%应用于 DC-DC。

产业链价值量倒挂，产业垂直整合加速

碳化硅产业链结构与硅基功率半导体类似，主要包含衬底、外延、器件及模块 和应用等环节。然而。其成本分布与硅基半导体器件不同：硅基功率半导体晶 圆制造成本占 50%，而碳化硅由于晶棒生长速度慢且技术难度大，产业链成本 集中于上游，价值量倒挂。SiC 衬底成本占比 46%，外延的成本占比 23%，这 两大工序占器件制造成本约 70%。因此，衬底供应商掌握了碳化硅产业链的核 心话语权。

收购与扩产并行，上下游厂商不断向 IDM 模式发展。目前，全球龙头企业 Wolfspeed、Rohm、ST 都已形成了 SiC 衬底-外延-器件-模块垂直供应的体系， 而 Infineon、Bosch、On Semi 等厂商则不断进行并购，拓展在上游原材料的 布局。Rohm 收购 Si Crystal，布局 SiC 衬底；II-VI 收购 Ascatron AB 和 INNOViON Corporation 建 立 SiC 垂 直 集 成 平 台 ， 同 时 计 划 建 立 射 频 GaN-on-SiC 技术平台；ST 收购 Norstel，上游延伸至 SiC 衬底。在此基础上， 各家开始大规模扩产，Wolfspeed 在 2024 年前产能扩充 30 倍；Rohm 在 2024 年前产能扩充 16 倍；II-VI 计划产能扩充 5-10 倍。目前，Wolfspeed、Infineon、 Rohm、ST、X-Fab 等大厂均已实现 6 英寸产线量产。

与终端合作向下延伸，持续加强产业链话语权。Wolfspeed、Rohm、Infineon、 ST 等一方面向上游延伸，确保供应链稳定；另一方面，通过与终端应用企业合 作，攻克市场验证壁垒，重点锁定车规级应用。例如特斯拉采用 ST 的 SiC 功 率器件；德国大陆集团子公司 Vitesco Technologies 将为现代汽车提供 800V 碳化硅逆变器；Wolfspeed 和 Infineon 分别与大众汽车合作，成为其 FAST 项 目 SiC 合作伙伴。

市场玩家多样化，竞争格局复杂。随着碳化硅用于纯电动车趋势日益明确，该 市场成为了多方厂商的必争之地。传统功率半导体厂商是碳化硅器件的最早参 与者，但由于下游需求启动慢，业务空间尚未打开。其次是 LED 等化合物半导 体公司，由于 LED 材料与 SiC 均为化合物半导体，在生长等制造工艺上有相似 性，资金壁垒相对低，碳化硅成为了公司第二增长曲线的最佳选择。此外，随 着传统车企及 Tier 1 在汽车电动化方面达成共识，厂商们纷纷加入碳化硅市场。

电动汽车 800V 架构——碳化硅上车的催化剂

快充需求增加，电动汽车向 800V 架构过渡，碳化硅将被大规模应用于 OBC。当 前，电动车在续航里程方面仍面临着补能焦虑的问题。为提升汽车充电效率，800V 高压平台方案应运而生。在此技术方案下，高电压对功率器件提出更高要求，碳化 硅在该应用上优势明显。以 22kW 800V 双向 OBC 为例，从 Si 设计转到 SiC 设计， 功率器件和栅极驱动的数量都减少 30%以上，开关频率提高一倍以上，降低了功 率转换系统的组件尺寸、重量和成本，同时提高了运行效率。

车厂纷纷选用 800V 架构，推动碳化硅上车进程。比亚迪 e 平台 3.0、现代 E-GMP、 奔驰 EVA 等都已宣布 800V 高压平台应用；预计在未来三年内，基于 800V 架 构的新能源汽车将陆续量产。目前，碳化硅在 OBC、DC/DC 上已有多家车企 应用，而在主逆变器中量产车企极少。800V 架构的引入将促进碳化硅器件的渗 透，增加市场对其可靠性的验证，为其在主逆变器的应用作铺垫。

4 碳化硅国产化的喜与忧

下游需求起量初期，国产进入市场正当时

2018 年，特斯拉率先使用全碳化硅方案后，碳化硅器件才开始成为市场发展热 点。此前，受制于多方面因素，全球碳化硅器件产业化推进速度慢：一方面， 由于车规级功率器件验证周期长且成本较高，产品推广有限；另一方面，除中 国率先进入新能源车领域，传统汽车大国由于在燃油机、零部件等领域存在巨 大优势而发展电动车意愿不足，因此全球碳化硅厂商起步时间早但始终未在下 游市场中形成规模优势。

不同于全球产业，我国在如新能源汽车、光伏等碳化硅应用的主要市场均有一 定先发优势，市场规模占比大，需求率先启动，在此基础上，我国碳化硅产业 发展动力足。此时，恰逢国产替代黄金期，产品验证壁垒及周期相对降低，制 造业升级带来电动化的内生增量空间，使得我国碳化硅器件加速发展。此外， 我国碳化硅产业上游扩产与器件研发同步进行，相比全球产业的前期渗透，初 创期大大缩短。

此外，受《瓦森纳协定》的出口管制影响，用于有源相控阵雷达、毫米波通信 设备等军事装备的半绝缘碳化硅衬底国产化成为刚需。《瓦森纳协定》，是一项 由 42 个国家签署，管制传统武器及军商两用货品出口的条约。2008 年修订后， 该协定限制了半绝缘碳化硅衬底等材料向中国等部分国家进行出口。此外，根 据美国商务部工业与安全局（BIS）出口管制清单，碳化硅晶片为限制出口产品， 碳化硅衬底国产化具有必要性。

量产技术参差不齐，国产衬底初露头角

目前，我国宣布投资的碳化硅项目超百个，形成了产业过热的表象。然而经过 对碳化硅项目逐一梳理及动态跟踪，我们发现实际情况为：项目签约多动工少， 实际投资额远低于宣布投资额，研发多量产少，先进 6 英寸及以上量产比例低， 碳化硅器件集中于低端的二极管产品上。

纵观我国碳化硅产业链，参与公司主要可分为几大类：以三安光电为代表的化 合物半导体公司，华润微为代表的功率器件制造公司，斯达半导为代表的功率 器件设计公司，中电科及中科钢研两大体系，天科合达、山东天岳、泰科天润 等碳化硅公司，以及中车时代电气、比亚迪、华为等终端厂商。

国内衬底企业初露头角，器件企业仍属早期。2020 年全球半导体 SiC 晶片市场 中，Wolfspeed 出货量占据全球 60%，从细分市场看，2020 年半绝缘衬底中国 企业发展较快，国内头部企业市占率逐步提升，山东天岳市占率从 2019 年 18% 提升至 2020 年 30%。然而在器件端，目前意法半导体一家独大，前几位均为 国外公司，国内公司尚未形成一定市占率。

未来，我国碳化硅产业将呈现两极分化：龙头企业进入终端供应链借由中国市 场优势快速进击，获得一定市场份额，强者恒强；低端产品以及落后产能公司 进入激烈价格战竞争期，大部分出清或被收购；正在发展的产学研机构在多方 支持下持续推进，有望成为下一轮增长期的有力竞争者。

5 国内上游衬底及功率器件龙头成长性高

国内目前处于初创期，下游市场起速才开始，该阶段投资逻辑落脚于企业中长 期的发展能力，即技术研发、量产能力。衬底端，需关注 6 英寸量产及产品良 率的进展。器件端，考虑新能源汽车 2024-2025 迎来增长高峰，其验证时间至 少两到三年，品牌后期更换器件可能性不大，目前聚焦车规级产品的公司需进 入送样验证阶段；若尚未进入该阶段，则需关注是否有可能进入电驱整机零件 的供应链。对于工控、光伏等应用市场，由于相对利润空间小，则需考虑产品 上量、良率等与生产成本强相关的环节。此外，对于设计企业还需关注其产能 保证的情况。

山东天岳 ：公司是国内领先的碳化硅衬底生产商，主要产品包括半绝缘型和导电型碳化硅 衬底。目前，公司主要销售为半绝缘型碳化硅衬底产品，用于通信和微波射频 等领域。在国外部分发达国家对我国实行技术封锁和产品禁运的背景下，公司 半绝缘型碳化硅衬底产品在国内通信射频器件厂商中拓展迅速。截至 2020 年， 公司产能为 48,064 片（主要为半绝缘型），对应月平均拥有长晶炉 432 台。未 来，公司计划投资 25 亿元（包括募集资金 20 亿元）在上海建设碳化硅半导体 材料项目，在满足半绝缘衬底需求的基础上重点发展导电型碳化硅衬底。项目 计划于 2026 年达产，届时将新增导电型碳化硅衬底材料产能 30 万片/年（兼容 半绝缘型碳化硅衬底材料），；对应投入用于晶体生长的长晶炉 800 台；占全球 导电型衬底产出量 15%左右。

凤凰光学 ：凤凰光学发布公告并购中国电科旗下半导体外延材料厂商普兴电子、国盛电子， 通过将原有光学产品、智能控制器产品和锂电芯产品业务出售，同时将半导体 外延材料业务重组注入上市公司，凤凰光学将从光学制造转型升级为半导体材 料公司。目前，国盛电子掌握 8 英寸硅外延工艺和技术，以 8 英寸硅外延材料 核心制造技术打破了发达国家的技术垄断与壁垒，产品能够满足 0.09-0.18μm 功率器件及集成电路芯片需求；普兴电子则在国内率先稳定量产 8 英寸硅外延 材料，碳化硅外延材料已经成功实现量产，填补了国内硅和碳化硅外延材料的 技术及产业化空白。经过本次并购后，凤凰光学将拥有国内最大的硅片外延片 产能，未来有望成为国内碳化硅外延片主要生产商。

比亚迪半导体：比亚迪半导体是比亚迪子公司，是中国最大的车规级 IGBT 厂商。公司主要业 务覆盖功率半导体、智能控制 IC、智能传感器及光电半导体的研发、生产及销 售，以 IDM 模式，拥有包含芯片设计、晶圆制造、封装测试和下游应用在内的 一体化经营全产业链。公司 2019 年在中国新能源乘用车电机驱动控制器用 IGBT 模块厂商中排名第二，仅次于英飞凌，市占率 19%，2020 年在该领域保 持全球厂商排名第二、国内厂商排名第一的领先地位。在 SiC 器件领域，公司 已实现 SiC 模块在新能源汽车高端车型电机驱动控制器中的规模化应用，也是 全球首家、国内唯一实现 SiC 三相全桥模块在电机驱动控制器中大批量装车的 功率半导体供应商，比亚迪旗舰车型汉 EV 是国内首款批量搭载 SiC 模块的车 型，通过碳化硅功率模块使得电驱性能提升，该车型百公里加速最快可达 3.9s。目前比亚迪车规级碳化硅模块电压主要为 1200V，电流等级覆盖 400A- 950A；自有 SiC 产线（宁波半导体）正在建设中，预计 3 年后实现月产 SiC 晶圆 1 万 片，5 年后实现月产 SiC 晶圆 2 万片。

斯达半导：斯达半导自成立以来长期致力于 IGBT、快恢复二极管、SiC 等功率芯片的设计 和工艺以及 IGBT、SiC 等功率模块的设计、制造和测试。根据 HIS Markit 的数 据，2019 年公司在全球 IGBT 模块市场排名第七，市占率 2.5%。2021 年上半 年，公司用于新能源汽车主控制器的车规级 IGBT 模块和车规级 SiC 模块配套 超过 20 万辆新能源汽车，车规级 SiC 模块已获得国内外多家车企和 Tier1 客户 的项目定点，部分项目已经拿到了正式订单，但 SiC 芯片仍依赖进口。目前， 公司已投资约 2.29 亿元建设全碳化硅功率模组产业化项目，预计项目 2023 年 建成后将实现年产 8 万颗车规级全碳化硅功率模组。此外，公司募集资金 15亿用于开展 SiC 芯片的研发和产业化，预计将形成年产 6 万片 6 英寸 SiC 芯片 生产能力。

中车时代电气：中车时代电气是中国中车旗下股份制企业，是全球为数不多的同时掌握 IGBT、 SiC、大功率晶闸管及 IGCT 器件及其组件技术，并且集器件开发、生产与应用 于一体的 IDM 模式企业。公司建有 6 英寸双极器件、8 英寸 IGBT 和 6 英寸碳 化硅的产业化基地，拥有芯片、模块、组件及应用的全套自主技术。目前，公 司功率器件产品要应用于电网、轨道交通、新能源汽车、光伏逆变器等领域， 大功率晶闸管设计电压覆盖 600V-8500V，IGBT 已覆盖 750V- 6500V，SiC 器 件（包括 SiC SBD、SiC MOSFET 及 SiC 模块）已覆盖 650V-1700V，700V、 3300V 混合 SiC 牵引变流器以及 3300V 全 SiC 牵引变流器已开始在轨道交通 领域应用。

三安光电 ：三安光电主要通过子公司三安集成进行微波射频、高功率电力电子、光通讯等 领域的化合物半导体制造。此外，子公司湖南三安半导体的碳化硅半导体产业 化项目将打造碳化硅衬底材料、外延生长以及芯片制造的 IDM 模式。该项目总 投资金额约 160 亿元，项目已点火投产，预计项目达产后，公司碳化硅功率器 件产能将从 2.4 万片/年提升至 36 万片/年。目前，公司碳化硅产品主要为高功 率密度二极管和 MOSFET。2021 年上半年，碳化硅二极管新开拓客户 518 家， 出货客户超过 180 家，超过 60 种产品已进入量产阶段，在服务器电源、通信 电源、光伏逆变器、充电桩、车载充电机、家电等细分应用市场标杆客户实现 稳定供货。同时，已与国际标杆客户实现战略合作，海外市场有所突破。目前， 碳化硅二极管已有 2 款产品通过车载认证并送样行业标杆客户，处于小批量生 产阶段。碳化硅 MOSFET 工业级产品已送样客户验证，车规级产品正配合多家 车企做流片设计及测试。（报告来源：报告研究所）

华润微：华润微是中国领先的拥有芯片设计、晶圆制造、封装测试等全产业链一体化的 IDM 半导体公司。公司拥有 CRMICRO、华晶、IPS 等多个功率器件自主品牌， 自主开发的 SGTMOS、SJMOS、SBD、FRD、IGBT 工艺平台及相应模块和 系统应用方案技术水平处于国内领先。目前，公司在 6 英寸及 8 英寸 IGBT 技 术工艺上均有进展，并计划投资 75.5 亿元建设 12 英寸功率半导体晶圆生产线。2021 年上半年，公司 IGBT 产品销售收入同比增长 94%，已实现在工业领域和 白电领域的头部客户拓展。在碳化硅方面，2020 年公司已实现国内首条 6 英寸 商用 SiC 晶圆生产线正式量产，SiC JBS 产品在 PC 电源以及充电桩、太阳能 逆变器、通信电源等工控领域的客户均有送样，订单大幅增加，销售收入实现 突破性增长。近期，公司相继发布了 SiC JBS 第二代产品（芯片尺寸较第一代 缩小 25%）及 1200V SiC MOSFET 产品。

闻泰科技 ：公司 2018 年开始收购安世半导体，进入功率半导体领域，2020 年 12 月公司 取得安世半导体 100%股权。安世半导体是全球领先的功率半导体公司，功率 半导体收入排名第九，采用 IDM 模式。每年可交付 900 多亿件产品，产品组合 丰富，拥有近 1.6 万种产品料号，包括功率半导体中的二极管、双极性晶体管、 ESD 保护器件、MOSFET 器件、氮化镓(GaN)和碳化硅（SiC）等宽禁带半导体产品，以及模拟和逻辑 IC 等。在碳化硅方面，公司技术研发进展顺利，2021 年公司展出了首款工业级 650V/10A 碳化硅肖特基二极管，目前计划持续扩充 SiC 二极管产品组合，预计将推出总共 72 款在 650V 和 1200V 电压、6-20A 电 流范围下工作的工业级部件和车规级部件。

士兰微 ：士兰微电子是国内集芯片设计、芯片制造、芯片封装为一体的 IDM 公司之一。经过二十多年的发展，公司逐步建成了特色工艺的芯片制造平台，并将技术和 制造平台延伸至功率器件、功率模块、MEMS 传感器等封装领域。在功率器件 方面，公司的超结 MOSFET、IGBT、FRD、高性能低压分离栅 MOSFET 等分 立器件的技术平台研发进展较快，产品性能达到业内领先的水平。分立器件和 大功率模块在白电、工业控制、新能源汽车、光伏等市场均有突破。目前公司 士兰集成 5/6 寸产能约 21 万片/月，士兰集昕 8 寸产能约 6 万片/月，士兰集科 12 寸产能持续扩张，预计到 2021 年底有望实现月产芯片 3.5 万片。在碳化硅 器件方面，公司碳化硅器件中试线已于 2021 年二季度实现通线。

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