碳化硅（SiC）行業將迎變革 新需求快速涌現

一、碳化硅是優質的新型半導體襯底材料

半導體材料根據時間先后可以分為三代。第一代為鍺、硅等普通單質材料，其特點為開關便捷，一般多用于集成電路。第二代為砷化鎵、磷化銦等化合物半導體，主要用于發光及通訊材料。第三代半導體主要包括碳化硅、氮化鎵等化合物半導體和金剛石等特殊單質。憑借優秀的物理化學性質，碳化硅材料在功率、射頻器件領域逐漸開啟應用。

第三代半導體耐壓性較好，是大功率器件的理想材料。第三代半導體主要是碳化硅和氮化鎵材料，SiC的禁帶寬度為3.2eV，GaN的禁帶寬度為3.4eV，遠超過Si的禁帶寬度1.12eV。由于第三代半導體普遍帶隙較寬，因此耐壓、耐熱性較好，常用于大功率器件。其中碳化硅已逐漸走入大規模運用，在功率器件領域，碳化硅二極管、MOSFET已經開始商業化應用。

三代半導體材料特性對比

資料來源：觀研天下數據中心整理

以碳化硅為襯底制成的功率器件相比硅基功率器件在性能方面更加具有優勢：（1）更強的高壓特性。碳化硅的擊穿電場強度是硅的10余倍，使得碳化硅器件耐高壓特性顯著高于同等硅器件。（2）更好的高溫特性。碳化硅相較硅擁有更高的熱導率，使得器件散熱更容易，極限工作溫度更高。耐高溫特性可以帶來功率密度的顯著提升，同時降低對散熱系統的要求，使終端可以更加輕量和小型化。（3）更低的能量損耗。碳化硅具有2倍于硅的飽和電子漂移速率，使得碳化硅器件具有極低的導通電阻，導通損耗低；碳化硅具有3倍于硅的禁帶寬度，使得碳化硅器件泄漏電流比硅器件大幅減少，從而降低功率損耗；碳化硅器件在關斷過程中不存在電流拖尾現象，開關損耗低，大幅提高實際應用的開關頻率。

根據ROHM的數據，相同規格的碳化硅基MOSFET導通電阻是硅基MOSFET的1/200，尺寸是是硅基MOSFET的1/10。對于相同規格的逆變器來說，使用碳化硅基MOSFET相比于使用硅基IGBT系統總能量損失小于1/4。

按照電學性能的不同，碳化硅襯底可分為半絕緣型碳化硅襯底和導電型碳化硅襯底兩類，這兩類襯底經外延生長后分明用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應用于制造氮化鎵射頻器件、光電器件等。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。導電型碳化硅襯底主要應用于制造功率器件。與傳統硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導電型襯底上生長碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。

半絕緣型和導電型碳化硅襯底的對比

資料來源：觀研天下數據中心整理

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二、碳化硅產業鏈價值集中于上游襯底和外延

根據觀研報告網發布的《中國碳化硅行業發展趨勢研究與未來前景分析報告（2025-2032年）》顯示，碳化硅產業鏈主要包括襯底、外延、器件設計、器件制造、封測等。從工藝流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶錠，然后經過切片、打磨、拋光得到碳化硅襯底；襯底經過外延生長得到外延片。外延片經過光刻、刻蝕、離子注入、沉積等步驟制造成器件。將晶圓切割成die，經過封裝得到器件，器件組合在一起放入特殊外殼中組裝成模組。

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SiC襯底是第三代半導體材料中氮化鎵、SiC應用的基石。在SiC襯底上，主要使用化學氣相沉積法（CVD法）在襯底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，進一步制成器件。其中，在導電型SiC襯底上生長SiC外延層制得SiC外延片，可進一步制成功率器件，應用于新能源汽車、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域；在半絕緣型SiC襯底上生長氮化鎵外延層制得SiC基氮化鎵（GaN-on-SiC）外延片，可進一步制成微波射頻器件，應用于5G通訊、雷達等領域。

外延片是指在SiC襯底上生長的一層或多層外延層。相比襯底，外延材料厚度、摻雜濃度均勻性好、片間一致性優、缺陷率低，有效提高了下游產品的一致性和良率。功率器件一般對缺陷密度、高電壓及電流耐受度要求高，所以會使用外延片來進行芯片制造。外延片對于提升器件的參數穩定性，具有重要意義。從生產工藝來看，目前外延常用工藝為化學氣相沉積（CVD）法，即通過使用外延爐以及前驅氣體來在SiC拋光片上生長外延層。外延中的核心技術包括對外延溫度、氣流、時間等參數的精確控制，以使得外延層的缺陷度小，從而提高器件的性能及可靠性。器件依據不同的設計，所需的外延參數也不同。一般而言，外延的厚度越大，器件能夠承受的電壓也就越高。針對600V~6500V的應用，SiC外延層的厚度一般在1~40μm。由于SiC外延有一定難度，所以市場上有一些專門做SiC外延的廠商，如瀚天天成、東莞天域等。目前國產6英寸SiC外延產已經實現商用化，8英寸產品在研制中。

SiC產業鏈附加值向上游集中，襯底和外延片是SiC器件的重要組成部分。SiC產業鏈從上游至下游包含SiC襯底、外延片生產、器件制造和封裝測試等環節，其中襯底位于SiC產業鏈的最上游，成本占比達47%，其次為外延片，占比23%，這兩大工序為SiC器件的重要組成部分。由于SiC襯底生產工藝壁壘高，生產良率較低，全球產量具有明顯的瓶頸，因此其制造成本一直居高不下。此外，外延片的參數性能會受到SiC襯底質量的影響，其本身也會影響下游器件的性能。由此可見，SiC襯底及外延片是SiC產業鏈的核心環節，行業的附加值向上游集中。

數據來源：CASA，觀研天下數據中心整理

三、新能源汽車滲透率不斷提升，SiC器件需求有望逐步放量

按照電學性能的不同，碳化硅襯底可分為半絕緣型碳化硅襯底和導電型碳化硅襯底兩類，這兩類襯底經外延生長后主要用于制造功率器件、射頻器件等分立器件。

其中，半絕緣型碳化硅襯底主要應用于制造氮化鎵射頻器件。通過在半絕緣型碳化硅襯底上生長氮化鎵外延層，制得碳化硅基氮化鎵外延片，可進一步制成HEMT等氮化鎵射頻器件。

導電型碳化硅襯底主要應用于制造功率器件。與傳統硅功率器件制作工藝不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅襯底上，需在導電型襯底上生長碳化硅外延層得到碳化硅外延片，并在外延層上制造肖特基二極管、MOSFET、IGBT等功率器件。

資料來源：觀研天下數據中心整理

導電型襯底在功率器件中得到廣泛應用，下游市場包括新能源汽車、光伏、高鐵、工業電源等領域。導電型碳化硅襯底主要應用于制造功率器件，功率器件是電力電子行業的重要基礎元器件之一，廣泛應用于電力設備的電能轉化和電路控制等領域，涉及經濟與生活的方方面面。碳化硅功率器件以其優異的耐高壓、耐高溫、低損耗等性能，較好地契合功率器件的要求，因而在近年被快速推廣應用，例如新能源汽車、光伏發電等領域。

新能源汽車消費興起，滲透率不斷提升。2019年及之前，國內新能源車消費的主要驅動力來自于補貼政策和B端需求。2020年以來，隨著特斯拉、比亞迪、蔚小理等終端車廠陸續推出高性價比車型，在外形、續航、智能化等方面的產品競爭力不斷提升，消費者對于電動汽車的接受程度進一步提升，新能源汽車的產品競爭力也逐步成為驅動新能源汽車消費的主導因素。此外，為了應對氣候問題，近年來全球主要國家陸續提出實現“碳中和”的日程表，其中我國在2020年提出2030年碳達峰、2060年碳中和的目標，在目標的約束下，各國加快可再生能源的投資力度，積極推動新能源汽車銷售。在需求以及“雙碳”政策的驅動之下，全球新能源汽車銷售高速增長，2024年全球新能源汽車銷量達到1,823.6萬輛，同比增長24.4%。2024年中國新能源汽車銷量達到1,288.8萬輛，同比增長35.7%，占全球銷量比重由2023年64.8%提升至70.7%。

主要國家碳中和時間表

資料來源：觀研天下數據中心整理

數據來源：EVSales，觀研天下數據中心整理

數據來源：中汽協，觀研天下數據中心整理

SiC器件應用廣泛，性能優勢明顯。在新能源汽車中，SiC器件主要應用在電機驅動系統、車載充電系統（OBC）、電源轉換系統（車載DC/DC）、以及非車載充電樁。其中，電機驅動系統中，SiC器件主要應用在主逆變器上，與IGBT相比，能夠顯著降低電力電子系統的體積、重量和成本，據ST預計，SiCMOSFET的逆變器封裝尺寸較硅基IGBT減少50%以上；同時，在電動車平均運行狀態之下，SiC逆變器的效率也較IGBT高。據Wolfspeed預測，SiC逆變器能夠提升電動車5%-10%的續航能力，同時節省400-800美元的電池成本。OBC以及電源轉換系統方面，SiC的應用能夠有效降低開關損耗、提高極限工作溫度，進而提升系統效率。

資料來源：觀研天下數據中心整理

下游廠商積極采用SiC方案，需求有望逐步放量。2021年9月，特斯拉宣布Model3將搭載STSiC器件，全車共有48個SiCMOSFET用于主逆變器中。通過搭載SiC器件，特斯拉的逆變器效率從ModelS的82%提升至Model3的90%，同時降低了開關損耗，實現了續航能力的提升。隨著特斯拉率先導入SiC器件后，比亞迪、小鵬、蔚來、現代等多個終端廠商積極跟進，其中比亞迪在2023年全面采用SiC器件替代IGBT。隨著終端車廠陸續采用SiC方案，SiC的需求有望逐步放量。

四、光伏新增裝機持續增長，逆變器用SiC前景可觀

積極推進可再生能源建設，光伏新增裝機持續高增長。在“雙碳”目標約束下，全球主要國家積極推進可再生能源建設，提高可再生能源在能源消費結構中的占比，2024年球光伏新增裝機規模為451.9GW，其中，我國光伏新增裝機保持快速增長，2023年新增裝機規模為216.88GW，同比增長148.12，2024年為277.17GW，同比增長27.80%。

數據來源：國家能源局，觀研天下數據中心整理

逆變器是光伏發電重要設備，目前多采用IGBT方案。光伏逆變器作為光伏電站的轉換設備，主要作用是將太陽電池組件產生的直流電轉化為交流電。光伏逆變器主要由功率模塊、控制電路板、斷路器、濾波器、電抗器、變壓器及機箱等組成。過去逆變器的功率器件多采用MOSFET器件，但由于MOSFET不適合用于高壓大容量的系統中，IGBT憑借其在中、高壓容量中的優勢，已經逐步取代MOSFET成為逆變器的核心器件。在光伏逆變器的應用場景中，多采用IGBT單管或IGBT模塊方案

SiC方案優勢逐步凸顯，滲透率有望加速提升。使用SiCMOSFET或SiCMOSFET與SiCSBD結合功率模塊的光伏逆變器，轉換效率有望從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設備循環壽命提升50倍，從而能夠縮小系統體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降低生產成本。截至2024年光伏逆變器中采用SiC方案的滲透率約為40%，預計到2040年將達到80%，行業前景可觀。

數據來源：觀研天下數據中心整理（wys）