碳化硅（SiC）行业将迎变革 新需求快速涌现

一、碳化硅是优质的新型半导体衬底材料

半导体材料根据时间先后可以分为三代。第一代为锗、硅等普通单质材料，其特点为开关便捷，一般多用于集成电路。第二代为砷化镓、磷化铟等化合物半导体，主要用于发光及通讯材料。第三代半导体主要包括碳化硅、氮化镓等化合物半导体和金刚石等特殊单质。凭借优秀的物理化学性质，碳化硅材料在功率、射频器件领域逐渐开启应用。

第三代半导体耐压性较好，是大功率器件的理想材料。第三代半导体主要是碳化硅和氮化镓材料，SiC的禁带宽度为3.2eV，GaN的禁带宽度为3.4eV，远超过Si的禁带宽度1.12eV。由于第三代半导体普遍带隙较宽，因此耐压、耐热性较好，常用于大功率器件。其中碳化硅已逐渐走入大规模运用，在功率器件领域，碳化硅二极管、MOSFET已经开始商业化应用。

三代半导体材料特性对比

资料来源：观研天下数据中心整理

以碳化硅为衬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优势：（1）更强的高压特性。碳化硅的击穿电场强度是硅的10余倍，使得碳化硅器件耐高压特性显著高于同等硅器件。（2）更好的高温特性。碳化硅相较硅拥有更高的热导率，使得器件散热更容易，极限工作温度更高。耐高温特性可以带来功率密度的显著提升，同时降低对散热系统的要求，使终端可以更加轻量和小型化。（3）更低的能量损耗。碳化硅具有2倍于硅的饱和电子漂移速率，使得碳化硅器件具有极低的导通电阻，导通损耗低；碳化硅具有3倍于硅的禁带宽度，使得碳化硅器件泄漏电流比硅器件大幅减少，从而降低功率损耗；碳化硅器件在关断过程中不存在电流拖尾现象，开关损耗低，大幅提高实际应用的开关频率。

根据ROHM的数据，相同规格的碳化硅基MOSFET导通电阻是硅基MOSFET的1/200，尺寸是是硅基MOSFET的1/10。对于相同规格的逆变器来说，使用碳化硅基MOSFET相比于使用硅基IGBT系统总能量损失小于1/4。

按照电学性能的不同，碳化硅衬底可分为半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化硅衬底两类，这两类衬底经外延生长后分明用于制造功率器件、射频器件等分立器件。其中，半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件、光电器件等。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成HEMT等氮化镓射频器件。导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件。

半绝缘型和导电型碳化硅衬底的对比

资料来源：观研天下数据中心整理

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二、碳化硅产业链价值集中于上游衬底和外延

根据观研报告网发布的《中国碳化硅行业发展趋势研究与未来前景分析报告（2025-2032年）》显示，碳化硅产业链主要包括衬底、外延、器件设计、器件制造、封测等。从工艺流程上看，碳化硅一般是先被制作成晶锭，然后经过切片、打磨、抛光得到碳化硅衬底；衬底经过外延生长得到外延片。外延片经过光刻、刻蚀、离子注入、沉积等步骤制造成器件。将晶圆切割成die，经过封装得到器件，器件组合在一起放入特殊外壳中组装成模组。

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SiC衬底是第三代半导体材料中氮化镓、SiC应用的基石。在SiC衬底上，主要使用化学气相沉积法（CVD法）在衬底表面生成所需的薄膜材料，即形成外延片，进一步制成器件。其中，在导电型SiC衬底上生长SiC外延层制得SiC外延片，可进一步制成功率器件，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；在半绝缘型SiC衬底上生长氮化镓外延层制得SiC基氮化镓（GaN-on-SiC）外延片，可进一步制成微波射频器件，应用于5G通讯、雷达等领域。

外延片是指在SiC衬底上生长的一层或多层外延层。相比衬底，外延材料厚度、掺杂浓度均匀性好、片间一致性优、缺陷率低，有效提高了下游产品的一致性和良率。功率器件一般对缺陷密度、高电压及电流耐受度要求高，所以会使用外延片来进行芯片制造。外延片对于提升器件的参数稳定性，具有重要意义。从生产工艺来看，目前外延常用工艺为化学气相沉积（CVD）法，即通过使用外延炉以及前驱气体来在SiC抛光片上生长外延层。外延中的核心技术包括对外延温度、气流、时间等参数的精确控制，以使得外延层的缺陷度小，从而提高器件的性能及可靠性。器件依据不同的设计，所需的外延参数也不同。一般而言，外延的厚度越大，器件能够承受的电压也就越高。针对600V~6500V的应用，SiC外延层的厚度一般在1~40μm。由于SiC外延有一定难度，所以市场上有一些专门做SiC外延的厂商，如瀚天天成、东莞天域等。目前国产6英寸SiC外延产已经实现商用化，8英寸产品在研制中。

SiC产业链附加值向上游集中，衬底和外延片是SiC器件的重要组成部分。SiC产业链从上游至下游包含SiC衬底、外延片生产、器件制造和封装测试等环节，其中衬底位于SiC产业链的最上游，成本占比达47%，其次为外延片，占比23%，这两大工序为SiC器件的重要组成部分。由于SiC衬底生产工艺壁垒高，生产良率较低，全球产量具有明显的瓶颈，因此其制造成本一直居高不下。此外，外延片的参数性能会受到SiC衬底质量的影响，其本身也会影响下游器件的性能。由此可见，SiC衬底及外延片是SiC产业链的核心环节，行业的附加值向上游集中。

数据来源：CASA，观研天下数据中心整理

三、新能源汽车渗透率不断提升，SiC器件需求有望逐步放量

按照电学性能的不同，碳化硅衬底可分为半绝缘型碳化硅衬底和导电型碳化硅衬底两类，这两类衬底经外延生长后主要用于制造功率器件、射频器件等分立器件。

其中，半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成HEMT等氮化镓射频器件。

导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造肖特基二极管、MOSFET、IGBT等功率器件。

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导电型衬底在功率器件中得到广泛应用，下游市场包括新能源汽车、光伏、高铁、工业电源等领域。导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件，功率器件是电力电子行业的重要基础元器件之一，广泛应用于电力设备的电能转化和电路控制等领域，涉及经济与生活的方方面面。碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，较好地契合功率器件的要求，因而在近年被快速推广应用，例如新能源汽车、光伏发电等领域。

新能源汽车消费兴起，渗透率不断提升。2019年及之前，国内新能源车消费的主要驱动力来自于补贴政策和B端需求。2020年以来，随着特斯拉、比亚迪、蔚小理等终端车厂陆续推出高性价比车型，在外形、续航、智能化等方面的产品竞争力不断提升，消费者对于电动汽车的接受程度进一步提升，新能源汽车的产品竞争力也逐步成为驱动新能源汽车消费的主导因素。此外，为了应对气候问题，近年来全球主要国家陆续提出实现“碳中和”的日程表，其中我国在2020年提出2030年碳达峰、2060年碳中和的目标，在目标的约束下，各国加快可再生能源的投资力度，积极推动新能源汽车销售。在需求以及“双碳”政策的驱动之下，全球新能源汽车销售高速增长，2024年全球新能源汽车销量达到1,823.6万辆，同比增长24.4%。2024年中国新能源汽车销量达到1,288.8万辆，同比增长35.7%，占全球销量比重由2023年64.8%提升至70.7%。

主要国家碳中和时间表

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数据来源：EVSales，观研天下数据中心整理

数据来源：中汽协，观研天下数据中心整理

SiC器件应用广泛，性能优势明显。在新能源汽车中，SiC器件主要应用在电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载DC/DC）、以及非车载充电桩。其中，电机驱动系统中，SiC器件主要应用在主逆变器上，与IGBT相比，能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本，据ST预计，SiCMOSFET的逆变器封装尺寸较硅基IGBT减少50%以上；同时，在电动车平均运行状态之下，SiC逆变器的效率也较IGBT高。据Wolfspeed预测，SiC逆变器能够提升电动车5%-10%的续航能力，同时节省400-800美元的电池成本。OBC以及电源转换系统方面，SiC的应用能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度，进而提升系统效率。

资料来源：观研天下数据中心整理

下游厂商积极采用SiC方案，需求有望逐步放量。2021年9月，特斯拉宣布Model3将搭载STSiC器件，全车共有48个SiCMOSFET用于主逆变器中。通过搭载SiC器件，特斯拉的逆变器效率从ModelS的82%提升至Model3的90%，同时降低了开关损耗，实现了续航能力的提升。随着特斯拉率先导入SiC器件后，比亚迪、小鹏、蔚来、现代等多个终端厂商积极跟进，其中比亚迪在2023年全面采用SiC器件替代IGBT。随着终端车厂陆续采用SiC方案，SiC的需求有望逐步放量。

四、光伏新增装机持续增长，逆变器用SiC前景可观

积极推进可再生能源建设，光伏新增装机持续高增长。在“双碳”目标约束下，全球主要国家积极推进可再生能源建设，提高可再生能源在能源消费结构中的占比，2024年球光伏新增装机规模为451.9GW，其中，我国光伏新增装机保持快速增长，2023年新增装机规模为216.88GW，同比增长148.12，2024年为277.17GW，同比增长27.80%。

数据来源：国家能源局，观研天下数据中心整理

逆变器是光伏发电重要设备，目前多采用IGBT方案。光伏逆变器作为光伏电站的转换设备，主要作用是将太阳电池组件产生的直流电转化为交流电。光伏逆变器主要由功率模块、控制电路板、断路器、滤波器、电抗器、变压器及机箱等组成。过去逆变器的功率器件多采用MOSFET器件，但由于MOSFET不适合用于高压大容量的系统中，IGBT凭借其在中、高压容量中的优势，已经逐步取代MOSFET成为逆变器的核心器件。在光伏逆变器的应用场景中，多采用IGBT单管或IGBT模块方案

SiC方案优势逐步凸显，渗透率有望加速提升。使用SiCMOSFET或SiCMOSFET与SiCSBD结合功率模块的光伏逆变器，转换效率有望从96%提升至99%以上，能量损耗降低50%以上，设备循环寿命提升50倍，从而能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。截至2024年光伏逆变器中采用SiC方案的渗透率约为40%，预计到2040年将达到80%，行业前景可观。

数据来源：观研天下数据中心整理（wys）