中商情報(bào)網(wǎng)訊：碳化硅功率器件早在20年前已推出，受制于成本及下游擴(kuò)產(chǎn)意愿不足，碳化硅產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)緩慢。2018年，特斯拉作為全球第一的造車新勢力率先使用全碳化硅方案后，碳化硅器件才開始成為市場發(fā)展熱點(diǎn)。

一、碳化硅器件產(chǎn)業(yè)鏈

第3代半導(dǎo)體是以SiC及氮化鎵（GaN）為主要材料，有別于第1代半導(dǎo)體以硅（Si）、鍺（Ge）為主要材料，及第2代半導(dǎo)體以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、鋁砷化鎵（AlGaAs）為主要材料。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈也可分為三個(gè)環(huán)節(jié)：分別是上游襯底，外延片，中游器件制造，下游為碳化硅器件的應(yīng)用領(lǐng)域。

資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

二、產(chǎn)業(yè)鏈上游

碳化硅在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域中是第三代半導(dǎo)體材料代表之一，從碳化硅器件的制造成本結(jié)構(gòu)來看，襯底成本最大，占比達(dá)47%；其次是外延成本，占比為23%。這兩大工序是SiC器件的重要組成部分。

數(shù)據(jù)來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

1.碳化硅襯底

碳化硅襯底是一種由碳和硅兩種元素組成的化合物半導(dǎo)體單晶材料，具備禁帶寬度大、熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場強(qiáng)高、電子飽和漂移速率高等特點(diǎn)。根據(jù)下游應(yīng)用領(lǐng)域不同，可分類為導(dǎo)電型和半絕緣型。

在半絕緣型碳化硅襯底方面，2020年全球半絕緣型碳化硅襯底市場集中度較高，美國的Wolfspeed、II-IV以及國內(nèi)山東天岳三家獨(dú)大，占比合計(jì)高達(dá)98%。

數(shù)據(jù)來源：Yole，Wolfspeed，勢銀（TrendBank）、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

在導(dǎo)電型碳化硅襯底方面，2020年全球?qū)щ娦吞蓟枰r底美國的Wolfspeed一家獨(dú)大，市占率高達(dá)62%，II-VI、SiCrystal、SKSiltron、天科合達(dá)等等企業(yè)瓜分剩余市場。

數(shù)據(jù)來源：Yole，Wolfspeed，勢銀（TrendBank）、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

2.外延材料

碳化硅外延片，是指在碳化硅襯底上生長了一層有一定要求的、與襯底晶相同的單晶薄膜（外延層）的碳化硅片。在器件制備方面，由于材料的特殊性，器件過程的加工和硅不同的是，其采用了高溫的工藝，包括高溫離子注入、高溫氧化以及高溫退火工藝。通常用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法制造，根據(jù)不同的摻雜類型，分為n型、p型外延片。

3.重點(diǎn)企業(yè)分析

在全球市場中，單晶襯底企業(yè)主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日鐵住金、Norstel等，外延片企業(yè)主要有DowCorning、II-VI、Norstel、Cree、羅姆、三菱電機(jī)、Infineon等，器件方面，全球大部分市場份額被Infineon、Cree、羅姆、意法半導(dǎo)體等少數(shù)企業(yè)瓜分。

碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)企業(yè)

資料來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

三、產(chǎn)業(yè)鏈中游

1.碳化硅器件特性

硅（Si）基功率器件技術(shù)經(jīng)過60年的發(fā)展，已經(jīng)愈來愈接近其物理理論極限，難以滿足現(xiàn)階段應(yīng)用環(huán)境對系統(tǒng)提出的高溫，高頻，高效和高功率密度等要求。碳化硅（SiC）材料作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，有著Si材料所不具備的優(yōu)異特性。其高擊穿場強(qiáng)，高電子遷移率和高熱導(dǎo)率等性能正在逐步替代Si基功率器件的高端市場應(yīng)用。碳化硅應(yīng)用場景根據(jù)產(chǎn)品類型可分為射頻器件和功率器件。

資料來源：網(wǎng)絡(luò)公開資料

2.碳化硅射頻器件

射頻器件是在無線通信領(lǐng)域負(fù)責(zé)信號轉(zhuǎn)換的部件，如功率放大器、射頻開關(guān)、濾波器、低噪聲放大器等。碳化硅基氮化鎵射頻器件具有熱導(dǎo)率高、高頻率、高功率等優(yōu)點(diǎn)，相較于傳統(tǒng)的硅基LDMOS器件，其可以更好地適應(yīng)5G通信基站、雷達(dá)應(yīng)用等領(lǐng)域低能耗、高效率要求。

隨著全球5G通訊技術(shù)的發(fā)展和推廣，5G基站建設(shè)將為射頻器件帶來新的增長動力。5G通訊高頻、高速、高功率的特點(diǎn)對功率放大器的高頻、高速以及功率性能有更高要求。以碳化硅為襯底的氮化鎵射頻器件同時(shí)具備了碳化硅的高導(dǎo)熱性能和氮化鎵在高頻段下大功率射頻輸出的優(yōu)勢，突破了砷化鎵和硅基LDMOS器件的固有缺陷，能夠滿足5G通訊對高頻性能和高功率處理能力的要求，碳化硅基氮化鎵射頻器件已逐步成為5G功率放大器尤其是宏基站功率放大器的主流技術(shù)路線。

據(jù)Yole Development預(yù)測，2025年全球射頻器件市場將超過250億美元，其中射頻功率放大器市場規(guī)模將從2018年的60億美元增長到2025年的104億美元，而氮化鎵射頻器件在功率放大器中的滲透率將持續(xù)提高。隨著5G市場對碳化硅基氮化鎵器件需求的增長，半絕緣型碳化硅晶片的需求量也將大幅增長。

數(shù)據(jù)來源：Yole Development、天科合達(dá)招股書

3.碳化硅功率器件

碳化硅功率器件又稱電力電子器件，主要應(yīng)用于電力設(shè)備電能變換和控制電路方面的大功率電子器件，有功率二極管、功率三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等。

隨著技術(shù)突破和成本的下降，SiC器件預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來會大規(guī)模的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)數(shù)據(jù)，2018年和2021年碳化硅功率器件市場規(guī)模分別約4億和9.3億美元，復(fù)合增速約32.4%，按照該復(fù)合增速，中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì)2022年碳化硅功率器件市場規(guī)模約10.9億美元。受益于5G通信、國防軍工、新能源汽車和新能源光伏等領(lǐng)域的發(fā)展，碳化硅器件市場規(guī)模增速可觀。

數(shù)據(jù)來源：Yole、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

在功率器件端，目前意法半導(dǎo)體一家獨(dú)大，前幾位均為國外公司，國內(nèi)公司尚未形成一定市占率。

數(shù)據(jù)來源：Yole、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

4.碳化硅器件專利

2016年我國關(guān)于碳化硅的專利申請相較以往年有了明顯增長，并在2018年達(dá)到頂峰，而在2019年碳化硅器件專利申請卻開始有了一定數(shù)量上的減少，為16項(xiàng)。

數(shù)據(jù)來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

四、產(chǎn)業(yè)鏈下游

在未來的10年內(nèi)，SiC器件將開始大范圍地應(yīng)用于各類工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域。碳化硅器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域和市場成長的主要驅(qū)動力為：

1.5G基建——通信電源

通信電源是服務(wù)器、基站通訊的能源庫，為各種傳輸設(shè)備提供電能，保證通訊系統(tǒng)正常運(yùn)行。碳化硅MOSFET的高頻特性使得電源電路中的磁性單元體積更小、重量更輕，電源整體效率更高；碳化硅肖特基二極管反向恢復(fù)幾乎為零的特性使其在許多PFC電路中具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，在3kW高效通信電源無橋交錯(cuò)PFC電路中，使用650V/10A碳化硅肖特基二極管，可以幫助客戶實(shí)現(xiàn)滿載效率大于等于95%的高技術(shù)要求。

目前，我國5G建設(shè)和應(yīng)用保持在全球領(lǐng)先水平，5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋全國所有地市一級和所有縣城城區(qū)，87%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)，這對穩(wěn)增長、穩(wěn)投資發(fā)揮了重要作用。預(yù)計(jì)2022年我國5G新建基站將超60萬個(gè)，加上目前累計(jì)建成開通的142.5萬個(gè)，年底5G基站總數(shù)將突破200萬個(gè)。

數(shù)據(jù)來源：工信部、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

2.新能源汽車充電樁——充電樁電源模塊

新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展帶動了充電柱的需求增長，對新能源電動汽車而言，提升充電速度和降低充電成本是行業(yè)發(fā)展的兩大目標(biāo)。在充電樁電源模塊中使用碳化硅器件，可以實(shí)現(xiàn)充電樁電源模塊的高效化和高功率化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)充電速度的提升和充電成本的降低。

自納入“新基建”以來，我國充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入積極發(fā)展階段，地方政府爭相發(fā)布相關(guān)布局規(guī)劃，加快充換電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，積極引導(dǎo)、促進(jìn)充電樁行業(yè)的建設(shè)與發(fā)展。截至2020年12月，聯(lián)盟內(nèi)成員單位總計(jì)上報(bào)公共類充電樁80.7萬臺。截至2021年12月，聯(lián)盟內(nèi)成員單位總計(jì)上報(bào)公共類充電樁114.7萬臺，環(huán)比增加5.5萬臺，同比增長42.1%。其中直流充電樁47.0萬臺、交流充電樁67.7萬臺、交直流一體充電樁589臺。2021年，月均新增公共類充電樁約2.83萬臺。

數(shù)據(jù)來源：充電聯(lián)盟、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

3.大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)——服務(wù)器電源

服務(wù)器電源是服務(wù)器能源庫，服務(wù)器提供電能，保證服務(wù)器系統(tǒng)正常運(yùn)行。在服務(wù)器電源中使用碳化硅功率器件，可以提升服務(wù)器電源的功率密度和效率，整體上縮小數(shù)據(jù)中心的體積，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心整體建設(shè)成本的降低，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的環(huán)保效率。例如，在3kW服務(wù)器電源模塊中，在圖騰柱PFC中使用碳化硅MOSFET可以顯著提升服務(wù)器電源的效率，實(shí)現(xiàn)更高的效率要求。

近年來，我國數(shù)據(jù)中心在機(jī)架規(guī)模、市場規(guī)模、用電規(guī)模等方面均保持高速增長。在機(jī)架規(guī)模方面，截至2020年底，我國在用數(shù)據(jù)中心機(jī)架總規(guī)模達(dá)到400萬架，大型及超大型大數(shù)據(jù)中心占比75%以上。在市場規(guī)模方面，我國數(shù)據(jù)中心市場規(guī)模從2016年的714.5億元快速增長至2020年的2238.7億元，預(yù)計(jì)2022年將增長至2803.9億元。

數(shù)據(jù)來源：《能源數(shù)字化轉(zhuǎn)型白皮書》、中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

4．特高壓——應(yīng)用柔性輸電直流斷路器

特高壓作為大型系統(tǒng)工程，將催發(fā)從原材料和元器件等一系列的需求，而功率器件是輸電端特高壓直流輸電中FACTS柔性輸電技術(shù)和變電端電力電子變壓器（PET）的關(guān)鍵器件。直流斷路器作為柔性直流輸電的關(guān)鍵部分之一，其可靠性對整個(gè)輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著較大影響。使用傳統(tǒng)硅基器件設(shè)計(jì)直流斷路器需要多級子單元串聯(lián)，在直流斷路器中使用高電壓碳化硅器件可以大大減少串聯(lián)子單元數(shù)量，是行業(yè)研究的重點(diǎn)方向。

根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2020年我國特高壓產(chǎn)業(yè)及其產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)配套環(huán)節(jié)所帶動的總投資規(guī)模超3000億元，其中特高壓產(chǎn)業(yè)投資規(guī)模近1000億元，帶動社會投資超2000億元。到2022年，中國特高壓產(chǎn)業(yè)及其產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)配套環(huán)節(jié)所帶動的總投資規(guī)模將達(dá)到4140億元；到2025年，特高壓產(chǎn)業(yè)與其帶動產(chǎn)業(yè)整體投資規(guī)模將達(dá)5870億元。

數(shù)據(jù)來源：中商產(chǎn)業(yè)研究院整理

5.城際高鐵和城際軌道交通——牽引變流器、電力電子變壓器、輔助變流器、輔助電源

未來軌道交通對電力電子裝置，比如牽引變流器、電力電子電壓器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高這些裝置的功率密度和工作效率，將有助于明顯減輕軌道交通的載重系統(tǒng)。碳化硅器件可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)一步高效率化和小型化，在軌道交通方面具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢。日本新干線N700S已經(jīng)率先在牽引變流器中使用碳化硅功率器件，大幅降低整車的重量，實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)載效率和降低運(yùn)營成本。

數(shù)據(jù)來源：CASA、天科合達(dá)招股書