碳化硅時代來了。
第三代半導體終迎爆發
碳化硅作為第三代半導體，其實并不是新鮮概念。
碳化硅作為材料已有百年歷史，商業化也已超過30多年。1824年，瑞典科學家在人工合成金剛石的實驗中意外發現了碳化硅這一物質，其硬度比鉆石小但光彩更亮；1955年，LELY提出生長高品質碳化硅的方法，從此將碳化硅作為重要的電子材料；1987年，科銳制造了出世界上第一塊商用碳化硅襯底，并把它應用在LED領域；2001年，英飛凌和科銳分別推出首款小型碳化硅肖特基二極管；2011年，科銳推出首款商用碳化硅功率MOSFET。
當前Si半導體已逼近物理極限，以SiC為代表的第三代半導體成為后摩爾時代半導體行業發展的重點方向之一，SiC材料擁有禁帶寬度大，具有擊穿電場高、熱導率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強等優勢，因此采用第三代半導體材料制備的半導體器件不僅能在更高的溫度下穩定運行，適用于高電壓、高頻率場景，此外還能以較少的電能消耗，獲得更高的運行能力。
SiC功率器件相較于Si器件具有明顯優勢，其一是能量損耗低：SiC具有極低的導通電阻，同規格SiC-MOS相較Si-IGBT總能量損失可降低約80%。其二是器件尺寸小：SiC損耗低且電流密度高，同規SiC-MOS僅為Si-MOS原尺寸的1/10。其三是開關頻率高：SiC不存在電流拖尾現象，開關損耗低，能大幅提高實際用的開關頻率。其四是工作溫度高：SiC擁有更高的熱導率，器件散熱更加容易，能夠降低對散熱系統的需求，利于終端輕量化和小型化。
碳化硅被正式引爆獲得廣泛關注的是2018年，馬斯克首次宣布在特斯拉Model3的主驅逆變器里使用碳化硅MOSFET以替代傳統的硅基IGBT，奠定了碳化硅“上車”的里程碑。此后，比亞迪、小鵬、吉利紛紛效仿，開始布局碳化硅器件。
產業化進程不斷加速
下游新能源發展對高頻、大功率射頻及電力電子需求的快速增長，極大推動了碳化硅的產業化進程。
碳化硅器件在新能源汽車產業中主要應用在電機控制器（電驅）、車載充電機OBC、DC/DC變換器以及充電樁，碳化硅器件相比硅基器件有更優越的物理性能，體積小，性能優越，節能性強，還順帶緩解了續航問題，更適應新能源汽車增加續航里程、縮短充電時長、提高電池容量、降低車身自重的需求。
從2021年起，碳化硅器件便進入供應短缺狀態，至今依然沒有得到完全緩解。其中，汽車對碳化硅器件應用量的提升，成為拉動行業增長的主要因素。2023年，國內碳化硅產業更是經歷了快速發展的一年。根據EV芯聞，截至2023年上半年，全球已有40款碳化硅車型進入量產交付，上半年全球碳化硅車型銷量超過120萬輛。
根據NE時代數據，1-12月國內上險乘用車主驅碳化硅模塊滲透率約為10.7%，下半年800V車型中碳化硅滲透率顯著提升：6-12月800V車型中碳化硅車型占比分別為15%/18%/29%/35%/39%/45%，12月問界M9、理想MEGA等多個碳化硅車型上市。
不過SiC晶體生長慢且加工難，提升良率和產能是控制成本的關鍵。SiC器件成本是Si器件的3倍左右，是制約SiC行業快速發展的核心因素之一，造成該問題的主要原因在于SiC長晶速度緩慢且加工難度大，從原材料到晶圓轉換率僅為50%，目前SiC MOSFET的成本與同類Si IGBT分立器件相比仍然有較大差距，這阻礙了SiC器件大規模的產業化推廣。
好在盡管當前SiC-MOS成本約為Si-IGBT的3倍，但根據英飛凌測算，SiC-MOS可以減少6-10%電力損耗，電池成本節省將超過SiC器件增加的成本，最高可以節省6%的綜合系統成本。同時，SiC優勢在800V平臺中將進一步放大，以小鵬G9為例，其800V高壓SiC平臺相較400V平臺續航提升5%，可實現充電5分鐘續航超過200Km。
而且當前海外對華科技限制持續加碼，產業鏈自主可控刻不容緩，SiC作為半導體領域的重要新材料，國內外SiC技術代差約為5-8年，相較硅基半導體，具備實現國產替代機遇，國家重視程度將不斷上升。
專業機構認為，2024年碳化硅產業化進展會隨著高壓快充趨勢及碳化硅產業鏈降本而加速。
由于高壓快充是電車的大勢所趨，未來會逐漸下沉到更低區間的價格帶，高壓快充背景下，電車對碳化硅需求的迫切性預計對應進一步提高。另一方面，隨著產能的逐步釋放、8英寸量產的不斷成熟、碳化硅長晶及加工工藝的不斷改進、進而碳化硅行業良率的提升，尤其是在國產廠商紛紛入局后，可能會進一步加速碳化硅的降本。
未來在技術進步和規模經濟共同作用下，產線將向8英寸轉移，襯底尺寸擴徑將助力產業鏈降本，預計襯底價格將以每年8%的速度下降，也將進一步加速SiC發展滲透。
市場空間有多大？
以碳化硅材料為襯底的產業鏈主要包括碳化硅襯底材料的制備、外延層的生長、器件制造以及下游應用市場。襯底根據電學性能不同分為半絕緣型和半導電型，分別應用到不同的應用場景上，在新能源汽車、光伏以及軌道交通等領域具備廣闊的替代空間。
其中半絕緣型碳化硅主要用在射頻器件上，主要為面向4G/5G通信基站和新一代有源相控陣雷達應用的功率放大器。半導電型碳化硅主要用在功率器件上，主要面向電動汽車/充電樁、光伏新能源、軌道交通、智能電網等高壓高溫高頻場景。
Yole數據顯示，2022年碳化硅器件市場規模為19.7億美元，其中半導電型碳化硅功率器件市場規模為17.9億美元，半絕緣型碳化硅射頻器件市場規模為1.8億美元。
根據Yole預測，2022年碳化硅功率器件市場規模為18億美元，2028年有望達到89億美元，22-28年CAGR高達31%。碳化硅功率器件可應用于汽車、能源、交通、工業等多個領域，其中汽車占據主導地位，市場規模占比超過七成，2022年市場規模為13億美元，2028年有望達到66億美元，22-28年CAGR高達32%。半絕緣型碳化硅射頻器件市場規模有望達到22.9億美元，年化增速達到52.79%。
此外在光伏發電應用中，使用SiC材料可將轉換效率可從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。得益于SiC功率器件帶來的降本增效優勢，根據CASA預測，在2025年碳化硅功率器件占比將達到50%，未來將繼續保持穩定增長態勢。
2027年全球光伏SiC功率器件市場規模將達4.2億美元。2021年全球光伏碳化硅功率器件市場規模為1.54億美元，隨著SiC器件滲透率持續提升，預計2027年全球光伏SiC功率器件市場規模將增加至4.23億美元，2021-2027年年復合增長率為18%。
相關企業有哪些？
碳化硅從生產到應用的全流程歷時較長。以碳化硅功率器件為例，從單晶生長到形成襯底需要耗時1個月，從外延生長到晶圓前后段加工完成需要耗時6-12個月，從器件制造再到上車驗證更是需要1-2年時間，對于碳化硅功率器件IDM廠商而言，從工業設計、應用等環節轉化為收入增長的周期非常漫長，汽車行業一般需要4-5年之久。
碳化硅產業鏈附加值向上游集中，襯底和外延的成本占比最高。根據CASA整理的數據，產業鏈中，碳化硅襯底和外延的成本分別占整個器件成本的47%和23%，為產業鏈中價值量最大的兩個環節，相比硅基器件、價值量顯著倒掛。
建議關注技術底蘊扎實且產能擴充順利的SiC產業鏈公司天岳先進、時代電氣、斯達半導、新潔能、晶盛機電、晶升股份、三安光電。
其中天岳先進是國內領先的SiC襯底生產企業。公司當前已具備4/6英寸半絕緣型和導電型SiC襯底量產能力，自2020年起，公司開始著力研究8英寸導電型SiC襯底，其中，2019-2022年公司在全球半絕緣型SiC襯底市場市占率連續四年保持全球前三。
2022年7月，公司與某戰略客戶簽訂13.93億元長期協議，將在2023-2025年向該客戶供應6英寸導電型襯底，2023年公司與英飛凌簽訂長期供應協議，將向英飛凌供應6英寸SiC襯底。產能方面，公司已在山東濟南、濟寧建立碳化硅襯底生產基地，主要生產半絕緣型襯底，同時，公司IPO募集25億在上海臨港建設6英寸導電型SiC襯底生產基地，22Q3年一期試生產，預計2026年達產，達產后新增SiC襯底30萬片/年。
斯達半導是國產IGBT模塊龍頭，目前SiC業務進展順利，公司在芯片端實施SiC芯片研發及產業化項目后，將形成年產6萬片6英寸SiC芯片生產能力，擁有自主的車規級SiCMOSFET芯片，有助于公司加速SiC芯片技術迭代升級，提高車規級SiC模塊的產品競爭力，加強供應鏈的穩定性。截至2023年上半年，該項目累計投資額度已經達到4.24億元，占預計投資總額的21.22%。
模塊端，公司建設全SiC功率模塊產線，將形成年產8萬顆車規級全碳化硅功率模組生產能力，進一步提高公司在車規級SiC模塊的供貨保障能力，助力公司抓住SiC市場爆發機遇，快速提高市占率。
新潔能SiC和GaN產品持續推出，公司已開發完成1200V 23mohm~62mohm SiC MOSFET系列產品，新開發650V SiC MOSFET工藝平臺，用于新能源汽車OBC、光伏儲能、工業及自動化等行業，相關產品通過客戶驗證，并實現小規模銷售；650V/190mohmE-Mode GaN HEMT產品開發完成，產品各項電學參數指標達到國內領先水平，項目產品通過可靠性考核，100V/200VGaN產品開發中。
晶升股份是國內碳化硅長晶爐龍頭，產品已進入三安光電、比亞迪半導體、東尼電子、天岳先進等下游核心客戶。2024年初以來，華為智選S7、問界M9、小米汽車等800V碳化硅車型密集發布，預計2024年碳化硅在新能源電車中的滲透率將呈翻倍增長。2026年國內碳化硅襯底有望達到500萬片，是2022年國內碳化硅襯底產能的10倍，公司將充分受益碳化硅擴產紅利。
晶盛機電2024年碳化硅襯底業務將加速放量。公司“年產25萬片6英寸、5萬片8英寸碳化硅襯底片項目”已啟動。8英寸碳化硅襯底片已批量生產，可提供500um和350um兩種厚度的8英寸襯底片。6英寸和8英寸量產晶片的核心位錯可以穩定實現TSD<100個/cm2，BPD<400個/cm2，行業領先。
來源：全景網