2022年碳化硅行业研究报告.docx

《2022年碳化硅行业研究报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年碳化硅行业研究报告.docx（64页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、2022年碳化硅行业研究报告1、碳化硅为第三代半导体材料，引领功率及射频领域革新1.1碳化硅较硅更能满足高温、高压、高频等需求，下游应用领域广泛碳化硅属于第三代半导体材料，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。碳化硅为第三代半导体材料典型代表,相较于硅材料等前两代半导体材料，其禁带宽度更大，在击穿电场强度、饱和电子漂移速率、热导率以及抗辐射等关键参数方面有显著优势。基于这些优良特性，碳化硅衬底在使用极限性能上优于硅衬底，可以满足高温、高压、高频、大功率等条件下的应用需求。因此，碳化硅材料制备的射频器件及功率器件可广泛应用于新能源汽车、光伏、5G通信等领域，是半导体

2、材料领域中具备广阔前景的材料之一。碳化硅用于制作功率及射频器件，产业链包括衬底制备、外延层生长、器件及下游应用。根据电化学性质不同，碳化硅晶体材料分为半绝缘型衬底（电阻率高于105Q.cm）和导电型衬底（电阻率区间15-30mQ.cm）。不同于传统硅基器件，碳化硅器件不可直接制作于衬底上，需先使用化学气相沉积法在衬底表面生成所需薄膜材料，即形成外延片，再进一步制成器件。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化钱外延层制得碳化硅基氮化钱外延片,可制成HEMT等微波射频器件，适用于高频、高温工作环境，主要应用于5G通信、卫星、雷达等领域。在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅外延片，可进一步制成

3、碳化硅二极管、碳化硅MOSFET等功率器件，适用于高温、高压工作环境，且损耗低，主要应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域。半导休材料物理特性对比GaN禁带宽度击穿电场高频转换禁带宽度（eV）击穿电场（MV/em）电子迁移率（cm2/V）热导率（W/cmK）饱和漂移速度（107cm/s）140085001.30.53.43.390010003.71.322.5饱和滓移速度国内外厂商积极布局碳化硅，产业链日趋完善。以碳化硅材料为衬底的产业链主要包括碳化硅衬底制备、外延层生长、器件及模组制造三大环节。伴随更多厂商布局碳化硅赛道，产业链加速走向成熟。目前，碳化硅行业企业形成两

4、种商业模式，第一种覆盖完整产业链各环节，同时从事碳化硅衬底、外延、器件及模组的制作，例如Wolfspeed、Rohm；第二种则只从事产业链的单个环节或部分环节，如II-VI仅从事衬底及外延的制备，英飞凌则只负责器件及模组的制造。当前，国内的碳化硅生产厂商大多属于第二种商业模式，聚焦产业链部分环节。1.2SiC较 IGBT备耐高压、低损耗和高频三大核心优势SiCMOSFET较IGBT可同时具备耐高压、低损耗和高频三大优势。1）碳化硅击穿电场强度是硅的十余倍，使得碳化硅器件耐高压特性显著高于同等硅器件。2）碳化硅具有3倍于硅的禁带宽度，使得SiCMOSFET泄漏电流较硅基IGBT大幅减少，降低导电

5、损耗。同时，SiCMOSFET属于单极器件，不存在拖尾电流，且较高的载流子迁移率减少了开关时间，开关损耗因此得以降低。根据Rohm的研究，相同规格的碳化硅MOSFET较硅基IGBT的总能量损耗可大大减低73%。3)涵盖MOSFET自身特点，较IGBT具备高频优势。此外，据Wolfspeed研究显示，相同规格的碳化硅基MOSFET与硅基MOSFET相比，其尺寸可大幅减少至原来的1/10。碳化硅MOSFET(1000V)的厚度相较硅基能够大幅降低SiMOSFET100pmSiCMOSFET10pm碳化硅助力新能源汽车实现轻量化及降低损耗,增加续航里程。1)碳化硅较硅拥有更高热导率，散热容易且极限工

6、作温度更高，可有效降低汽车系统中散热器的体积和成本。同时，SiC材料较高的载流子迁移率使其能够提供更高电流密度，在相同功率等级中，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块，进一步助力新能源汽车实现轻量化。2)SiCMOSFET器件较硅基IGBT在开关损耗、导电损耗等方面具备显著优势，其在新能源汽车的应用可有效降低损耗。根据丰田官网，丰田预测SiCMOSFET的应用有助于提升电动车的续航里程约5%-10%o3)由于SiC材料具备更高的功率密度，所以同等功率下，SiC器件的体积可以缩小至1/2甚至更低；4)由于SiCMOSFET的高频特性，SiC的应用能够显著减少电容、电感等被动元件的应用，简化周边电

7、路设计。碳化硅的性能优势：高压工作、模块小型化、高频工作、简化周边被动元件、高温工作、冷却系统小型化。金穿场依(MV/tm)高压工作模块小型化SiC可大幡成少周边被动元件数量达70%商温工作4(VWcmK)姚导华33X2冷却系筑小型化SiC可简化散热系统，使黄体系统体积减少70%SiC从特斯拉的方案来看，主逆变器采用Sic能显著降低损耗和提升功率密度。特斯拉Model3在主逆变器中率先采用SiC方案（搭意法半导体的SiCMOSFET模组），替代原先ModelX主逆变器方案（搭载英飞凌的IGBT单管）。对比产品参数可知，所用SiCMOSFET的反应恢复时间和开关损耗均显著降低。同时，Model3

8、主逆变器上有24个SiC模块，每个模块内含2颗SiC裸晶，共用到48颗SiCMOSFET,如果仍采用ModelX的IGBT,则需要54-60颗。该方案使得Model3主逆变器的整体结构更为简洁、整体质量和体积更轻、功率密度更高。特斯拉使用的SiCMOSFET与IGBT产品性能参数对比型号吴型产品级别童法半导体SCTW100N65G2AGSiCMOSFET车规级英飞凌AUIRGPS4067D1IGBT车跳级650V600V工作电流100A240A最高然法200175反向惨象时间26ns360ns开通技耗486uJ10mJ关断投也价格506uJ$23.83.8mJS3.52、全球SiC市场处于高速

9、成长阶段，国内厂商存广阔替代空间2. 1乘碳中和之东风，2025年市场规模有望较2020年翻5倍2020年全球SiC器件市场规模达11.84亿美元，预计到2025年有望增长至59.79亿美元,对应CAGR为38.2%o根据我们的测算，在碳中和趋势下，受益于SiC在新能源汽车、光伏、风电、工控等领域的持续渗透，SiC功率器件市场规模有望从2020年的2.92亿美元增长至2025年的38.58亿美元，对应CAGR为67.6%；5G、国防驱动GaN-on-SiC射频器件加速渗透，逐步取代硅基LDM0S,SiC射频器件市场规模有望从2020年的8.92亿美元增长至2025年的21.21亿美元，对应CA

10、GR为18.9%o下游SiC功率及射频器件高速增长的需求也将带动SiC材料市场规模快速成长，按照SiC材料在SiC器件中价值量占比50%计算（根据CASA）,预计将由2020年的5.92亿美元增长至2025年的29.90亿美元，对应CAGR为38.2%o全球碳化硅材料市场规模预测从下游领域来看，我们认为新能源汽车为SiC市场的核心驱动力。新能源汽车逐步向800V架构时代迈进，SiC相比于IGBT在耐高压、耐高温、频率、损耗、质量体积等方面优势更加明显。同时随着全球产能开出及良率提升，SiC价格下探将驱动其在新能源车中的逆变器、OBC等部件中加速渗透。根据Wolfspeed和我们的测算，2020

11、年全球SiC器件市场规模中，新能源汽车领域占比约为22.51%,随着SiC在主逆变器和0BC中的加速渗透，我们预计到2025年占比将提升至50.26%,为第一大驱动力。此外，基于SiC较IGBT的性能优势，随着SiC器件及模块成本的下降，我们预计SiC在光伏、风电等新能源发电领域渗透率也将逐步提升，预计市场规模占比到2025年提升至8.84%；工控市场规模占比到2025年提升至5.43%O2.2 海外厂商普遍看好.SiC市场空间，相关业务业绩展望乐观Wolfspeed看好碳化硅器件与材料广阔市场空间，预计2026年将分别突破89/17亿美元。(1)碳化硅器件方面，Wolfspeed预计2022

12、年市场规模将达到43亿美元，2024年进一步增长至66亿美元，并于2026年突破89亿美元。碳化硅器件市场增长驱动力主要来自电动汽车、射频、工业及能源领域，其中，在电动汽车大势所驱背景下，碳化硅材料在400V和800V充电架构中的优势日益凸显，Wolfspeed预计2026年汽车器件将占据超50%的市场规模，2023-2026年CAGR达30%；此外，随成本下降，碳化硅器件在工业市场的应用将更加广泛，Wolfspeed预计远期有望创造超400亿美元市场空间。(2)碳化硅材料方面，Wolfspeed认为市场供应将持续增加，但产能仍将供不应求，Wolfspeed预计2022年碳化硅材料市场达7亿美

13、元，2024年进一步增长至12亿美元，并于2026年突破17亿美元，2022至2026年增长近2.5倍。同时，公司预期150mm向200mm工艺节点的转变将带来成本优化，进一步促进市场需求扩增。Wolfspeed对全球SiC器件市场规模的预测（百万美元）10,0009,000-8,000-7,000-6,000-5,000-4,000-3,000-2,000-1,000-0汽车射频工业&能源3,2001,600202220242026市场空间逐步打开，碳化硅材料及器件主要供应商业绩展望乐观。Wolfspeed为全球碳化硅材料及器件龙头供应商之一，据Yole及Wolfspeed测算，Wolfsp

14、eed在碳化硅材料市场份额长期稳定在60%以上。截止2021年11月，与意法半导体、英飞凌、安森美等客户签订的长期意向订单达13亿美元。Wolfspeed预计在电动汽车及5G等终端对碳化硅器件的强劲需求驱动下，2024财年公司营收有望达15亿美元，2026财年增长至21亿美元。英飞凌同样为推动半导体行业从硅基向碳化硅基发展的核心力量之一，公司测算2021年碳化硅相关收入为2亿美元，预期2025年将突破10亿美元，占据全球市场30%市场份额。此外，安森美和意法半导体预期公司碳化硅相关收入将分别于2023年和2024年突破10亿美金。2.3 竞争格局：衬底及外延市场集中度高，器件领域海外厂商占绝对主导碳化硅衬底市场高度集中，Wolfspeed,II-VI全面领先。碳化硅衬底为碳化硅产业链核心环节，据Yole数据，2020年半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化硅衬底市场规模分别达1.82亿、2.76亿美元。其中，1)Wolfspeed、II-VI、山东天岳三家寡头垄断半绝缘型碳化硅衬底市场。2020年Wolfspeeds11-1及山东天岳占据98%市场份额，市场高度集中。从产品规格上看，Wolfspeed已实现4英寸及6英寸产品量产并开始建设8英寸产线，国内厂商山东天岳虽市占率行业领