（报告出品方/作者：中信证券，李超、陈旺）

第三代半导体适用于高压、高频、高温、高功率领域

材料是半导体产业发展基石，不断涌现新的材料体系。第一代半导体兴起于 20 世纪 50 年代，是以 Si、Ge 为代表的单质半导体。其中，硅基半导体材料发展时间长、制备工 艺复杂度低、技术成熟度高，在电子信息、新能源、光伏等领域运用广泛。但是，这类材 料带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低，在光电子领域、高频高功率器件方面应用受到 明显限制。第二代半导体兴起于 20 世纪 90 年代，移动通信的飞速发展推动了以砷化镓 （GaAs）、锑化铟（InSb）为代表的化合物半导体材料的发展。这类材料相较第一代半导 体材料，更适合制作高速、高频、大功率以及发光电子器件，在微波通讯、光通讯等领域 有广泛应用。但是，第二代半导体材料存在资源稀缺、价格高昂、材料本身具有毒性，以 及可能造成环境污染等问题，使其在应用上同样具有局限性。第三代半导体兴起于 21 世 纪，与前两代半导体材料相比，以 SiC 与 GaN 为代表的第三代半导体材料具有更宽的禁 带(>2.3eV)、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力。 同时，SiC 材料更有效克服了资源稀缺、毒性、环境污染等问题，在高压、高频、高温、 高功率等领域具有更强的适用性。

三代半导体材料在特定的应用场景中存在各自比较优势。硅基半导体材料由于储量丰 富、价格低的特点，目前是产量最大、应用最广的半导体材料，90%以上的半导体产品为 硅基，主要应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中；砷化镓半导体材料广泛应用 于光电子和微电子领域，是制作半导体发光二极管的关键衬底材料；对于工作频段更高、 输出功率要求更高的器件，第三代半导体是更好的选择，主要应用于 5G 通信、国防和新 能源汽车领域。第三代半导体主要包括 SiC、氮化物、氧化物和金刚石等。其中，SiC 和 GaN 是第三代半导体中应用最广的两类材料，两者工艺最为成熟，且在产业化上推进最快。

GaN 与 SiC 这两种宽禁带半导体材料间也存在明显差异。（1）二者的适用电压不同 因而目标应用也不同：SiC 适用的电压范围为 650 V-3.3 kV，是 1200 V 以上的高频器件, 同时兼有功率密度高的特点。因此，SiC 在太阳能逆变器、新能源汽车充电、轨道交通、 燃料电池中的高速空气压缩机、DCDC 、电动汽车电机驱动、数字化趋势下的数据中心等 领域都有着广泛应用。相比 SiC，GaN 的适用电压范围更低，一般从中压 80 V 到 650 V。 （2）二者在热导率上的较大差异，使得 SiC 在高功率应用中几乎占据统治地位：由于 SiC 的热导率是 GaN 的近 4 倍，高热导率有助于功率器件的散热，在同样的输出功率下可以 保持更低的温度，从而有效避免半导体器件在高温下因出现载流子的本征激发，而导致器 件失效。而且，材料更高的热导率会使得器件对散热设计的要求更低，从而助力设备的小 型化。（3）高电子迁移率和电子饱和速度让 GaN 在高频率应用中更占优：GaN 相比 Si 和 SiC 更高的电子迁移率和电子饱和速度另其具有更高的开关速度（可达 MHz 级），因而 在开关频率最高的中等功率应用（如快充等）中更具优势。此外，在光电子领域，GaN 在 Micro-LED、深紫外 LED 等热门赛道同样表现优异。当然，SiC 和 GaN 在应用端各具优 势的同时，亦能有效合作：在微波射频领域，通过在半绝缘 SiC 衬底上外延生长氮化镓， 可以制备 SiC 基 GaN-HEMT。这是现今制造 5G 基站功率放大器最重要的材料。

整体上 SiC 的商用更加成熟，而 GaN 市场则处于起步阶段。从 2010 年 IR 发布业界 第一款硅基 GaN 开关器件到现在，业界对 GaN 的研究已经深入了很多，但真正大规模的 应用仍局限于最近数年。相比 GaN 市场，从 1970 年代便开始功率器件的研发，1980 年 代晶体质量和制造工艺获得大幅改进，90 年代末开始加速发展的 SiC 市场，运行的时间 要长得多，现存器件数量要大得多，也因而更为成熟。根据 Yole 的测算（转引自新材料在 线），截至 2021 年，全球半导体材料市场，GaN 的渗透率仅 0.17%，而 SiC 的渗透率为 1.98%。本文的后续研究将聚焦于 SiC 行业。

SiC 产业链全景：衬底技术密集，外延承上启下

碳化硅半导体器件生产工序主要包括碳化硅高纯粉料、单晶衬底、外延片、功率器件、 模块封装和终端应用等环节。碳化硅高纯粉料是采用 PVT 法生长碳化硅单晶的原料，其 产品纯度直接影响碳化硅单晶的生长质量以及电学性能。单晶衬底是半导体的支撑材料、 导电材料和外延生长基片。外延是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的、与衬底晶 向相同的单晶薄膜的碳化硅片或者氮化镓外延层。

（1）衬底环节：PVT 法是 SiC 晶体生长主流方法，且对应的 SiC 衬底可分为半绝缘 型和导电型两类。高纯 SiC 粉体生产主要是在高温下（2000 以上）反应合成能满足晶体 生长要求的高纯 SiC 微粉原料。粉体的纯度将直接影响 SiC 单晶的生长质量及电学性能。 SiC 晶体生长方法主要有物理气相传输法（PVT 法）、高温化学气相沉积法（CVD 法）、顶 部籽晶溶液生长法（TSSG 法）等。其中，目前大规模产业化中主要采用 PVT 法。单晶衬 底是半导体的支撑材料、导电材料和外延生长基片。单晶衬底加工是通过对 SiC 晶体整形 加工、切片加工、晶片研磨、抛光、检测、清洗等一系列机加工工序，制得透明或半透明、 无损伤层、低粗糙度的 SiC 衬底的过程。SiC 衬底可分为半绝缘型和导电型两类。半绝缘 型衬底主要通过去除晶体中的各种杂质（尤其是浅能级杂质），来实现晶体本征高电阻率， 而导电型衬底则是通过在晶体生长过程中引入氮元素，来实现低晶体电阻率。

难点上看：生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是单晶的生长，也是碳化硅半导体材料应 用的主要技术难点，是产业链中技术密集型和资金密集型的环节。影响碳化硅衬底成本的 制约性因素在于生产速率慢、缺陷控制难度大、产品良率低。硅单晶的生长速度约为 300mm/h，碳化硅单晶的生长速度约为 400μm/h，两者相差近 800 倍。举例来说，五六 厘米的晶锭形成，需连续稳定生长 200-300 小时，碳化硅晶锭制备速率十分缓慢，这使得 晶锭造价高昂。碳化硅单晶在 2300 以上的密闭腔室内完成“固-气-固”的转化重结晶过 程，生产周期长、控制难度大。此外，碳化硅单晶包括 200 多种不同晶型，生产过程中单 一特定晶型难以稳定控制。

（2）外延环节：外延层厚度影响 SiC 器件耐压等级，不同外延方式可用于制备不同 器件。SiC 外延环节是在 SiC 衬底上，通过化学气相沉积、液相外延、分子束外延、或升 华外延等方法，生长一层具有特定要求且晶体取向与衬底相同的单晶薄膜的过程。目前大 规模生产中主要采用化学气相沉积法。外延过程可以使表面晶格排列整齐，大幅优化衬底 形貌，从而有效减弱晶体生长与加工中引入的缺陷所造成的不利影响，进而显著提升 SiC 器件的性能与可靠性。不同外延层厚度对应不同耐压等级的器件规格，因而对应不同系列 的产品。通常，1µm 对应 100V 左右的耐压。因此，耐压在 600V 左右时，需要 6µm 左右 的外延层。若耐压高于 10000V，则相应的外延层厚度也需要在 100µm 以上。通过在半绝 缘型 SiC 衬底上生长 GaN 外延层，可以制得用于制备 GaN 射频器件的 SiC 基 GaN 外延 片。若在导电型 SiC 衬底上生长 SiC 外延层，则可制得用于制备各类功率器件的 SiC 外延 片。

难点上来看：一方面，SiC 外延生长的参数要求很高，包括设备密闭性、反应室气压、 气体通入时间、气体配比情况、沉积温度控制等。一方面，厚度、掺杂浓度均匀性作为外 延片的核心参数，在器件耐压等级不断提升下，难度随之大幅提升。随着外延层厚度的增 加，控制厚度和电阻率均匀性以及缺陷密度的难度越来越大。

（3）器件环节：器件制造环节以 IDM 模式最为常见。SiC 器件环节主要负责芯片的 制造，整体涉及的流程较长，以集合芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链 环节于一体的 IDM （Integrated Device Manufacture）模式最为常见。SiC 器件封装环节 主要包括芯片固定、引线封装等步骤，用以解决散热和可靠性等问题。SiC 功率器件主要 包括 SiC 二极管、SiC 开关管、SiC 功率模块等，以直插式（TO）封装为主。相比上游， SiC 下游工艺制程具有更高的包容性和宽容度。下游制造环节对设备的要求也相对较低， 投资额相对较小。

（4）应用环节：能源转换和射频通讯是下游应用的主要方向。终端应用环节，功能 为电力设备电能变换和控制电路的 SiC 功率器件，包括 MOSFET、IGBT、晶闸管、功率 二极管、功率三极管等，主要应用于光伏新能源、轨道交通、智能电网、新能源汽车及充 电桩等。功能为无线通信中的信号转换的 SiC 射频器件，包括滤波器、低噪声放大器、功 率放大器、射频开关等，则主要被运用于 5G 通信基站、雷达等。

SiC 格局：海外占据市场主流，国内龙头快速追赶

美欧日占据全球产业链主要市场，各环节国内快速成长

美、欧、日占据全球 SiC 产业主要市场，国内厂商各环节快速成长。全球 SiC 市场中， 美国一家独大，占有全球 70%-80%的 SiC 产量，典型公司包括 Wolfspeed（CREE）、II –VI、Microsemi 等。欧洲拥有从衬底、外延、器件到应用的完整 SiC 产业链，典型公司 包括英飞凌（Infineon）、意法半导体（ST）等。日本在设备与模块开发方面领先，典型公 司有罗姆半导体（ROHM）、三菱电机（Mitsubishi）、富士电机（Fuji）、瑞萨（Renesas） 等。根据 Yole 数据（转引自天岳先进招股说明书），2021 年 SiC 基功率器件市占率约为 5%，行业处于发展早期，格局尚未定型，国内企业在快速发展中有望做大做强，挑战海外 巨头垄断地位。在衬底环节，国内涌现出天科合达、天岳先进、同光晶体、山西烁科、东 尼电子、南砂晶圆等优秀企业；外延环节，国内厂商包括东莞天域、瀚天天成等；设计厂 商包括飞锃半导体、上海瀚薪等；IDM 厂商包括泰科天润、瞻芯电子、中科汉韵、三安集 成、华润微等。国内供应链在各个环节均有布局，有望在巨大需求拉动下实现快速成长。

衬底环节美国全球领先，行业大踏步迈进扩产步伐

衬底方面，Wolfspeed 是全球最大 SiC 衬底生产商，美国占据全球 SiC 衬底市场最 大份额。美国 Wolfspeed 因布局较早，衬底良率及产能均全球领先。又由于下游芯片制造 商在衬底选择上的谨慎性，Wolfspeed 衬底的市场份额在半绝缘型和导电型两块都领先全 球。根据 Yole 数据（转引自天岳先进招股书），半绝缘型 SiC 衬底市场方面，2020 年， Wolfspeed 以 33%的市占率，与 II-VI、天岳先进形成三足鼎立的格局，天岳先进市占率为 30%。导电型 SiC 衬底市场方面，2018 年，Wolfspeed 以 62%的市占率领先于其他生产商，国内厂商天科合达市占率为 1.7%。从地域上看，美国占据了全球约 76%的 SiC 衬底 的市场份额，远超其他地区市场份额的总和。

从技术方面考虑，由于全球行业龙头企业在碳化硅领域起步较早，因此在碳化硅衬底 各尺寸量产推出时间方面，天科合达、天岳先进仍扮演追赶者角色。在 4 英寸衬底量产时 间上，天科合达晚于龙头企业科锐公司 12 年，天岳先进晚于科锐公司 16 年；在 6 英寸衬 底的量产时间上，天科合达、天岳先进分别晚于科锐公司 5 年和 10 年之久； 在 8 英寸衬 底方面，两家国内企业尚不具备量产能力。

从产能方面看，全球碳化硅半导体市场快速发展并已经迎来爆发期，国际巨头纷纷加 大投入实施扩产计划。其中，碳化硅国际标杆企业科锐公司于 2019 年宣布投资 10 亿美元 计划扩产 30 倍，以满足未来市场需求；此外，美国贰陆、日本罗姆也陆续公布相应扩产 计划。国内企业天岳先进、天科合达、山西烁科、三安光电、露笑科技等企业也纷纷公布 扩产计划，进一步实现国产化替代，大大缩短与国外企业在第三代半导体行业的差距。根 据各公司公告，我们计算国内 SiC 衬底年产能远期规划超 420 万片，考虑受衬底良率及质 量等因素影响，并预计实际产出会打折扣。

外延环节美日两强局面，国内龙头企业发展提速

SiC 外延设备由于价格昂贵且交期长，行业由 Wolfspeed 和昭和电工双寡头垄断。 此外 SiC 外延企业还有 II-VI、ROHM、Dow Corning、三菱电机、ST、Infineon 等。国内 主要厂商为东莞天域、瀚天天成，此外普兴电子、55 所、三安光电、中电化合物、启迪半 导体等亦有布局。从产能上来看，2020 年国内 SiC 同质外延片产能折合 6 英寸为 22 万片， SiC 异质外延片产能折合 6 英寸为 48 万片。而国内 SiC 外延领域龙头公司近年正快速扩 张其产能，有望大幅提升市占率。

（1）瀚天天成：碳化硅产业园项目一期于 2019 年年底投产；二期项目于 2020 年开 工，2022 年竣工，6 英寸 SiC 外延片年产能达 20 万片；三期项目规划产能 140 万片。

（2）东莞天域：已实现 4、6 英寸 SiC 外延片全系列产品的批量生产，2022 年新增 100 万片/年的 6 英寸/8 英寸碳化硅外延晶片产能，公司预计 2025 年竣工并投产。

SiC 需求：多领域驱动，同质外延片国内市场望达百亿

新能源车电驱系统主逆变器增长强劲，预计 2025 年 SiC 需求约 118 万片

新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动系统、车载充电 系统（OBC）、电源转换系统（车载 DC/DC）和非车载充电桩。碳化硅器件应用于电机 驱动系统中的主逆变器、车载充电系统和电源转换系统，能够有效降低开关损耗、提高极 限工作温度、提升系统效率。2020 年，特斯拉 Model3 以及比亚迪汉已经采用碳化硅功率 模块，特斯拉 Model 3 是第一个集成全 SiC 功率模块的车企，主要采购意法半导体的 650V 碳化硅功率器件，特斯拉逆变器由 24 个 1-in-1 功率模块组成。预计随着成本下降，未来 越来越多的电动汽车将采用碳化硅模块。

对比 Si IGBT 和 SiC MOSFET 在电动车领域的应用，相同规格的碳化硅基 MOSFET 较硅基 IGBT 的功率损耗降低了 70%以上，效率提升了 1-3%。此外，SiC 器件的工作结 温在 200 以上，工作频率在 100kHz 以上，耐压可达 20kV，这些性能都优于传统硅器件； 碳化硅器件体积可减小到 IGBT 整机的 1/3-1/5，重量可减小到 40-60%。随着新能源汽车 的发展，对功率器件需求量日益增加，成为功率半导体器件新的增长点。

制约碳化硅器件替代速度的主要原因是成本，然而碳化硅器件与传统硅基器件差价正 在持续缩小。SiC SBD 产品价格由 2017 年的 4.1 元/A 下降到了 2020 年的 1.58 元/A，与 硅基器件的差价在 3.8 倍左右。从 2019 年到 2020 年，1200V 和 1700V 的 SiC MOSFET 的平均价格跌幅达到 30%-40%，有助于加速碳化硅 MOS 器件的市场渗透。

碳化硅器件的优良性能加速碳化硅在电动车功率模块领域的渗透。碳化硅功率器件应 用于电机驱动系统中的主逆变器，能够显著降低电力电子系统的体积、重量和成本，提高 功率密度。相比 Si 基 IGBT 器件，主逆变器搭载 SiC 基 MOSFET 之后，提升系统的效率， 节电 5%-10%，至少 5000 元的节省空间。特斯拉的 Model3 的主逆变器采用了共 48 颗SiC MOSFET，总成本约为 5000 元，相较于 Si IGBT 单车功率半导体价值为 3000 元对 比，仅节电角度考虑，碳化硅功率器件带来至少 2000 元的节省空间。 此外，Wolfspeed 测算，在 11kW OBC 系统中，相较于硅基功率半导体方案，碳化 硅基 OBC 的成本更低，可带来约 435 美元的节约。2018 年全球已有超过 20 家的汽车厂 商在 OBC 中使用了 SiC 肖特基二极管或 SiC MOSFET。

SiC 在新能源车领域渗透率及用量持续提升，预计 2025 年国内新能源车需要的 SiC 晶圆片数量将达 118 万片左右。新能源汽车领域，2021 年使用碳化硅 MOSFET 的车型主 要为特斯拉 Model 3 和比亚迪汉，根据电动汽车销量跟踪机构 CleanTechnica 数据，2021 年 Model 3 和比亚迪汉市场份额占比约 9%，即 2021 年电动车的碳化硅 MOSFET 渗透率 约 9%，我们预计渗透率未来以每年 3%的速度增长，到 2025 年约为 21%。Model 3 主逆 变器电力模块使用共 48 颗 SiC MOSFET，加上车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车 载 DC/DC），我们估算一辆车所用 SiC 芯片数量在 60 颗以上，一片 6 寸 SiC 对应 4-5 台 电动汽车所需的 MOSFET，即 2021 年每辆电动车所需要的 SiC 晶片数量约 0.24 片。未 来，一方面随着双电机电动车占比增加，对 SiC 需求量仍有提升空间；一方面，特斯拉提 出在新一代产品上减少 SiC 器件用量，可能在远期对新车型上 SiC 用量有影响，现有车型 影响不大。以三年维度看，我们假设该数字将以每年 0.03 的数额缓慢增加。我们预测，到 2025 年国内新能源车需要的 SiC 晶圆片数量将达 117.94 万片。

高压充电桩解决充电速度+里程焦虑问题，预计 2025 年 SiC 需求约 33 万片

充电桩的充电方式主要分为交流充电和直流充电。（1）交流充电桩的本质是一个带控 制的插座，主要包含交流电表、控制主板、显示屏、急停旋钮、交流接触器、充电枪线等 结构，结构较为简单，需要车载充电机自己进行变压整流，几乎不涉及功率器件。（2）直 流充电桩的结构更为复杂，包括充电模块、主控制器、绝缘检测模块、通信模块、主继电 器等部分，其中充电模块又称功率模块，是充电桩行业具有技术门槛的核心部件，约占据 充电桩总成本的 50%。当下消费者最感兴趣的是直流快充模式，但是直流快充模式的充电 桩需要非常大的充电功率以及非常高的充电效率，这些都需要通过高电压来实现。

充电模块是直流充电桩的核心部件。一个充电桩通常采用多个充电模块并联而成，比 如 120kW 充电桩可由 8 个 15kW 充电模块组成，也可由 4 个 30kW 充电模块组成。单个 充电模块输出功率越大，功率密度越高，能有效优化桩内空间。充电模块的组成部分包括 半导体功率器件、集成电路、磁性元件、PCB、电容、机箱风扇等，其中半导体功率器件 成本约占充电模块总成本的 30%，是充电模块的关键组成部分，也是电子装置中电能转换 与电路控制的核心。

当前 SiC 应用于充电桩的主要部位就是充电模块中的功率器件，尤其是 AC/DC 变换 器和 DC-DC 变换器。根据 Wolfspeed 数据，25kW 功率的充电桩模块，大约需要用到 16-20 个 1200V 碳化硅 MOSFET 单管。市面上主流的 15kW 充电桩模块一般会用到 4 个或 8 个 碳化硅 MOSFET，具体使用数量取决于所选器件的导通电阻值和输出电流。

新能源汽车行业一个亟待解决的问题就是“里程焦虑”，提升充电速度就需要提升充 电桩的输出功率，则需要提升充电电压或电流。根据 Wolfspeed 数据，当前我国商用的主 流快充充电桩的功率为 100~150KW，电动汽车充电 400KM 里程所需的时间为 40~27 分 钟。若充电桩采用 350KW 大功率快充系统，400KM 里程所需充电时间可大大缩短至 12~15 分钟。提升充电功率可以通过提高电流或者电压两种方式来实现。然而，如果通过提升电 流来增大充电功率，会带来许多问题。因此提升电压以实现大功率快充成为行业的多数选 择。

为了提升电动汽车充电速度、缓解里程焦虑，越来越多的整车厂布局 800V 高压平台。 800V 高压系统通常指整车高压电气系统电压范围达到 550-930V 的系统，统称 800V 系统。 保时捷 Taycan 是全球首款量产的 800V 高压平台车型，并将最大充电功率提升至 350KW。 此外，奥迪 e-tronGT、现代 Ioniq5 和起亚 EV6 都采用了 800V 高压平台。与此同时，国 内的车企亦纷纷向 800V 高压平台迈进。2021 年，比亚迪、吉利、极狐、广汽、小鹏等都 陆续发布了搭载 800V 平台的车型。

对于直流快速充电桩来说，充电电压升级至 800V 会带来充电桩中的 SiC 功率器件需 求大增。原因在于，采用 SiC 模块可将充电模块功率提高至 60KW 以上，而采用 MOSFET/IGBT 单管的设计还是在 15-30kW 水平。同时，和硅基功率器件相比，SiC 功率 器件可以大幅降低模块数量。因此，SiC 的小体积优势在城市大功率充电站、充电桩的应用场景中具有独特优势。随着超充、快充需求的增加，全 SiC 模块开始在充电桩上大量采 用，根据各公司官网参数，800V 架构的高性能充电桩大部分采用全 SiC 模块。目前，SiC 在充电桩中渗透率并不高。以直流充电桩为例，据 CASA 测算，电动汽车充电桩中的 SiC 功率器件的平均渗透率在 2018 年仅达到 10%。但随着 800V 电压时代的到来，SiC 渗透 率会不断上升，中国充电联盟预计到 2025 年，中国充电桩行业的 SiC 渗透率可达到 35%。

近年来，中国新能源充电桩行业市场规模一直保持增长趋势，市场规模从 2017 年的 72 亿元增长至 2021 年的 418.7 亿元，复合年均增长率高达 42.2%。随着新能源汽车的超 预期增长，充电桩产业链有望迎来风口，根据充电联盟数据，预计 2023 年中国充电桩市 场规模将突破千亿元。

截至目前，中国主流的直流充电桩仍是 400V 标准。根据中国充电联盟预测，国内直 流充电桩数量有望从 2021 年的 47 万台增长至 2025 年的 219 万台。考虑高压直流快充在 产业端应用逐步铺开，我们预计 800V 直流充电桩铺设数量有望从 2021 年的 0.3 万台发展 至 2025 年的 8 万台，400V 直流充电桩铺设数量有望从 2021 年的 46.7 万台发展至 2025 年的 211 万台。400V 直流充电桩功率在 60KW 居多，120KW 及以上的直流充电桩仍占比 较少。与此同时，目前较为主流的充电模块是 20kW 和 30kW，其中 20kW 模块占据市场 容量大部分。

（1）假设当前所有的 400V 直流充电桩功率均为 60kW，800V 直流充电桩功率均为 120kW。 （2）假设所有 400V 充电桩均使用 Wolfspeed 的 20kW 充电模块型号 CGD15HB62LP， 该模块使用了 1200V/62mΩ第三代 SiC MOSFET（C3M0065100K）和驱动器。根据该模 块的技术规格，每个模块需要使用 10 个 SiC MOSFET。而由于该 SiC MOSFET 产品所 采用的是单芯片结构，因此每个 SiC MOSFET 只包含 1 个 SiC 芯片。 （3）假设所有 800V充电桩均使用Wolfspeed 的 30kW 充电模块型号 C3M0075120K， 该型号使用的是 1200V/75mΩ第三代 SiC MOSFET，需要约 12 个 SiC MOSFET，且它 采用的是多芯片结构，每个芯片尺寸为 3.3mmx3.3mm。根据 Wolfspeed 数据，每个 MOSFET 包含 96 个并联的 SiC 芯片。 （4）假设 1 个 6 寸晶圆大概对应 600 个 SiC 芯片。 我们测算，到 2025 年国内充电桩需要的 SiC 晶圆片数量将达 32.9 万片。

SiC 大幅改善光伏逆变器性能，预计 2025 年 SiC 需求约 16 万片

SiC 在光伏领域主要用于光伏逆变器。光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、 光伏逆变器等部分构成，并根据应用场景需要配备能量通信器、关断器、配电柜、储能系 统等设备。其中，光伏逆变器是光伏发电系统的核心设备，将光伏发电系统所发的直流电 转化成交流电，并跟踪光伏组件阵列的最大输出功率，将其能量以最小的变换损耗、最佳 的电能质量用于电器设备应用或馈入电网。SiC 主要应用于光伏逆变器中，当前光伏逆变 器龙头企业已开始采用碳化硅 MOSFET 功率器件替代硅器件。

SiC 可提升逆变器转换效率，减少能量损耗。相较于 Si 基 IGBT，适用 SiC MOSFET 功率模块的光伏逆变器，其转换效率可从 98.8%提升至 99%以上，能量损耗降低 8%，相 同条件下输出功率提升 27%，推动发电系统在体积、寿命及成本上实现突破。行业内，光 伏逆变器龙头企业已开始采用碳化硅 MOSFET 功率器件替代硅器件。

预计 2025 年 SiC 功率器件在光伏逆变器中占比可达 50%。高效、高功率密度、高可 靠和低成本是光伏逆变器未来的发展趋势，基于 SiC 功率器件能够有效缩小系统体积、增 加功率密度、延长器件适用寿命、降低生产成本，在组串式和集中式光伏逆变器中，预计 碳化硅产品会逐渐替代硅基器件。根据 CASA 数据，2020 年 SiC 功率器件在光伏逆变器 中占比为 10%，且该机构预计到 2025 年占比可提升至 50%。

新增+更换需求双重驱动，预计 2025 年中国光伏领域 SiC 需求量约 16 万片。一方面， 国内光伏装机量持续增长，拉动光伏逆变器产品新增市场需求。另一方面，光伏组件的寿 命一般在 20-25 年，而逆变器中的 IGBT 等部件寿命在 10-15 年左右，在组件的寿命周期 中，至少需要更换一次逆变器，逆变器更换需求市场较大。在此基础上，假设每 GW 新增 光伏装机需要 1500 片 SiC（折合成 6 寸片），预计中国光伏领域碳化硅需求量 2025 年将 达到 15.81 万片。

SiC 在其他众多领域均有巨大市场前景，预计 2025 年需求量约 36 万片

同质外延 SiC 除了在上述的新能源车、充电桩、光伏领域应用以外，在储能、风电、 轨道交通、智能电网、航空航天等领域，均有巨大的市场潜力。例如轨道交通方面，牵引 变流器是机车大功率交流传动系统的核心装备，将碳化硅器件应用于轨道交通牵引变流器， 能极大发挥碳化硅器件高温、高频和低损耗特性，提高牵引变流器装置效率，符合轨道交 通大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求，提升系统的整体效能。2012 年， 包含碳化硅 SBD 的混合碳化硅功率模块在东京地铁银座线 37 列车辆中商业化应用，实现 了列车牵引系统节能效果的明显提升、电动机能量损耗的大幅下降和冷却单元的小型化； 2014 年，日本小田急电铁新型通勤车辆配备了三菱电机 3300V/1500A 全碳化硅功率模块 逆变器，开关损耗降低 55%、体积和重量减少 65%，电能损耗降低 20%至 36%。

市场潜力广阔，预计 2025 年中国其他领域 SiC 需求量约 36 万片。储能领域，假设 每 GW 新增储能装机需要 1500 片 SiC（折合成 6 寸片）；其他领域，SiC 市场占比及增速 基于 Yole 统计及预测数据（转引自天科合达招股书），其他导电型市场 2021-2025 年 CAGR 约为 31%。预计中国其他领域碳化硅需求量 2025 年将达到 35.54 万片。

总结：2025 年中国导电型 SiC 衬底 100 亿元， SiC 同质外延片 191 亿元

根据我们的测算，到2025年，中国导电型碳化硅需求量将达202万片，未来三年CAGR 为 65.53%，对应导电型 SiC 衬底市场需求约为 100 亿元，对应 SiC 同质外延片市场需求 约为 191 亿元。

重点公司分析

天岳先进：半绝缘 SiC 衬底领先企业，募投项目持续扩张产能

多年深耕衬底领域，客户覆盖国内外知名客户。公司主要产品包括半绝缘型和导电 型碳化硅衬底，自 2011 年以来专注于碳化硅衬底的研发、生产和销售，2013 年启动 4 英 寸半绝缘型碳化硅衬底的研发工作，通过持续的技术研究和产品开发，于 2015 年实现 4 英寸半绝缘型碳化硅衬底的量产能力。此后，公司继续改进工艺并不断开发新工艺，以持 续提高该类产品的品质。2017 年，公司开始向下游行业主要的领先客户小批量发货并验 证，2018 年 1 月通过其验证并开始批量下单。根据公司公告，目前，公司已批量供应国 内碳化硅半导体行业的下游核心客户，同时已被国外知名的半导体公司使用。在导电型碳 化硅衬底领域，公司 6 英寸产品已送样至多家国内外知名客户，并于 2019 年中标国家电 网的采购计划。

技术实力领先，承担多项国家重点项目。公司设有碳化硅半导体材料研发技术国家地 方联合工程研究中心、国家级博士后科研工作站等国家和省级研发平台，拥有一批高素质 的研发人员，承担了国家核高基重大专项（01 专项）项目、国家新一代宽带无线移动通信网重大专项（03 专项）项目、国家新材料专项、国家高技术研究发展计划（863 计划）项 目、国家重大科技成果转化专项等多项国家和省部级项目。自设立以来，公司获得了多项 国家级和省级荣誉，于 2019 年获得了国家科学技术进步一等奖。 持续扩张衬底产能，满足市场增长需求。截至 2021 年上半年，公司拥有长晶炉 585 台，2021 年公司全年碳化硅衬底产量约 6.7 万片，产能处于饱和状态。公司通过募投资金 建设碳化硅半导体材料项目，公司预计 2026 年完全达产，扩大碳化硅单晶衬底的生产能 力，满足公司产品日益增长的市场需求。

天科合达：导电型 SiC 衬底领先企业，8 英寸产品有望 23 年量产

国内最早实现碳化硅晶片产业化企业，导电型 SiC 市场领先。公司是国内领先的碳 化硅晶片生产企业，也是全球主要碳化硅晶片生产企业之一。公司自 2006 年成立以来， 一直专注于碳化硅晶体生长和晶片生产领域，公司建立了国内第一条碳化硅晶片中试生产 线，先后研制出 2 英寸、3 英寸、4 英寸碳化硅衬底，于 2014 年在国内首次研制出 6 英寸 碳化硅晶片，并已形成规模化生产能力，工艺技术水平处于国内领先地位。根据 Yole Development 统计，2018 年公司导电型晶片的全球市场占有率为 1.7%，排名全球第六、 国内第一。 产能规模持续增长，布局 8 英寸导电型 SiC。截至 2019 年，公司拥有长晶炉 300 台， 具备碳化硅晶片产能 37525 片。公司经过多年发展已分别在北京、江苏和新疆建有 3 个生 产基地，可以为客户稳定供应 2 英寸至 6 英寸的高品质碳化硅晶片，同时在经营规模不断 提升的背景下，公司有效产能也在持续增加。2022 年，天科合达举办了 8 英寸导电型碳 化硅衬底新产品发布会，公司预计将于 2023 年实现 8英寸导电型碳化硅衬底小规模量产。

东尼电子：导电型 SiC 衬底已量产交货，研发团队功底深厚

募投项目布局导电型 SiC，产品已处于量产交货阶段。2021 年，公司通过募投项目 建设年产 12 万片碳化硅半导体材料项目，产品为导电型。2022 年 9 月，公司子公司东尼 半导体与下游客户签订《采购合同》，约定东尼半导体向该客户交付 6 寸碳化硅衬底 2 万 片，含税销售金额合计人民币 1 亿元。目前公司正处于量产交货阶段，根据现有机台产能 情况，综合良率在 60%左右。 研发团队经验丰富，具备深厚技术功底。公司碳化硅半导体材料项目团队业务及研发 能力突出、团队人员结构完善、具备丰富的技术积累、产品研发及生产的实践经验。该项 目主要由两位台湾的博士牵头，曾任职于台湾中央研究院物理研究所，分别为浙江省“引 才计划”人才、湖州市“南太湖精英计划领军”人才，长期致力于材料科学与晶体技术研 究，擅长晶体材料生长与精密切磨抛加工，具有二十余年的产品研发和量产导入经验。曾 赴日本学习碳化硅衬底制造技术，在晶体材料领域具有深厚功底。

同光晶体：布局导电型 SiC 衬底，承担多项重大项目

布局导电型 SiC 衬底，企业处于快速发展阶段。河北同光晶体有限公司成立于 2012 年，主要从事第三代半导体材料碳化硅衬底的研发和生产，是中科院半导体所的合作单位， 建成了完整的碳化硅衬底生产线，主要产品包括 4 英寸导电型碳化硅单晶衬底和 6 英寸导 电型碳化硅衬底。2020 年，同光晶体拥有自主研发设计的单晶生长炉 200 余台（套）， 2020 年 1-8 月，实现供货量 1.1 万片，达到稳定月供 2000 片的能力。2020 年 3 月 22 日， 同光晶体与涞源县人民政府正式签约，600 台单晶生长炉、年产 40 万片直径 4-6 英寸碳 化硅单晶衬底项目顺利落地。

重视技术创新，承担多项国家和省重大项目。同光晶体先后承担国家 863 计划、国家 重点研发计划、国家技术改造工程等重大国家专项，承担省级研究课题 10 余项。2014 年 同光晶体主持了国家 863“大功率 GaN 电子器件用大尺寸 SiC 衬底制备及外延技术研究” 课题，2016 年参与了国家重点研发计划“中低压 SiC 材料、器件及在电动汽车充电设备 中的应用示范”项目，2019 年同光晶体承担国家技术改造工程“直径 6 英寸碳化硅单晶 衬底改造”项目，共 3 项国家级项目。此外同光晶体还承担省级研究课题 10 余项，多项 产品获省、市科技进步奖。

山西烁科：4 英寸半绝缘 SiC 已产业化，持续向大尺寸迈进

4 英寸半绝缘 SiC 已产业化，6 英寸产品小批量供应。山西烁科晶体有限公司是国内 从事第三代半导体碳化硅生产和研发的领先企业。公司同光自主创新和自主研发全面掌握 了碳化硅生长装备制造、高纯碳化硅粉料制备工艺、N 型碳化硅单晶衬底和高纯半绝缘碳 化硅单晶衬底的制备工艺，形成碳化硅粉料制备、单晶生长、晶片加工等整套生产线，并 完成 4、6、8 英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底技术攻关。拥有强大的自主供应能力。公司 目前拥有 600 台单晶生长设备，已实现 4 英寸高纯半绝缘晶片的产业化，月产能可达 8000 片；6 英寸产品已实现小批量供应。公司 4 英寸高纯半绝缘产品国内市占率达到 50%。

拥有国内外优质客户群，持续向大尺寸方向突破。公司在行业内处于领先地位，产品 综合实力具备优势，拥有台积电、中芯国际、Magnachip 等国内外一流客户群。在大尺寸 碳化硅方面，2021 年 8 月，山西烁科晶体有限公司成功研制出 8 英寸碳化硅晶体，解决 大尺寸单晶制备的重要难题。2022 年 1 月，公司实现 8 英寸 N 型碳化硅抛光片小批量生 产，向 8 英寸国产 N 型碳化硅抛光片的批量化生产迈出关键一步。

南砂晶圆：与山东大学开展产学研合作，SiC 衬底产品系列丰富

量产 6 英寸迈向 8 英寸，与山东大学开展产学研合作。广州南砂晶圆半导体技术有 限公司成立于 2018 年，从事碳化硅单晶材料研发、生产和销售。公司产品以 6 英寸半绝 缘和 N 型碳化硅衬底为主，并不断丰富产品线。公司以山东大学晶体材料国家重点实验室 研发的碳化硅单晶生长与衬底加工技术成果为基础，与山东大学开展全方位产学研合作。 2022 年，山东大学与南砂晶圆团队实现了 8 英寸导电型 4H-SiC 单晶和衬底制备。 自 2018 年成立后发展速度迅猛，产能布局持续扩张。2018 年 11 月，南砂晶圆在南 沙区租用厂房并开始进行中试，2019 年 11 月全面投产。2022 年，广州市发改委公布“广州市 2022 年重点项目计划”，南砂晶圆碳化硅项目位列其中。南砂晶圆碳化硅单晶材料与 晶片生产项目总投资 9 亿元，达产后年产各类衬底片和外延片共 20 万片，公司预计年产 值将达 13.5 亿元。

天域半导体：SiC 外延片领军企业，规模体量国内领先

深耕外延市场多年，逐步实现从研发到量产的突破。公司成立于 2009 年，是中国第 一家从事 SiC 外延晶片市场营销、研发和制造的民营企业。2010 年，天域与中国科学院 半导体研究所合作，共同创建了碳化硅研究所。2012 年 1 月，公司完成 N 型外延片研发； 2013 年 2 月，公司完成 P 型外延片研发，各项参数达到同期国际先进水平，并开始向客 户供应；2014 年 7 月，公司 6 英寸外延片研发成功，产品正式向客户供货；2016 年 3 月， 公司成为国内第一家获得汽车质量管理体系（IATF 16949:2016）的外延材料厂家；2018 年 5 月，公司新引进生产线调试完成，4 英寸、6 英寸碳化硅外延片产能达到量产规模。

规模体量国内领先，年产百万片新项目产能增量显著。目前，天域在国内拥有数量众 多的碳化硅外延炉-CVD，2022 年 4 月，天域半导体 8 英寸碳化硅外延片项目落地东莞， 项目内容为新增产能达 100 万片/年的 6 英寸/8 英寸碳化硅外延晶片生产线、8 英寸碳化硅 外延晶片产业化关键技术的研发、6 英寸/8 英寸碳化硅外延晶片的生产和销售。凭着先进 的外延炉设备、外延技术和先进的测试和表征能力，为全球客户提供 n-型和 p-型掺杂外延 材料，制作肖特基二极管、JFET、BJT、MOSFET、GTO 和 IGBT 等。

瀚天天成：中美合资高新技术企业，产能规模扩张迅速

中美合资高新技术企业，产品涵盖 3-6 英寸 SiC 外延片。瀚天天成电子科技(厦门)有 限公司成立于 2011 年，是一家研发、生产、销售碳化硅半导体外延晶片的中美合资高新 科技企业。2012 年 3 月，公司正式向国内外市场供应产业化 3 英寸和 4 英寸碳化硅半导 体外延晶片；2014 年 4 月，正式供应 6 英寸碳化硅外延晶片。公司引进了国际新型的碳 化硅外延生产线和各种高端检测设备，汇集了国内外碳化硅半导体领域优秀技术专家，为 客户提供 3 英寸、4 英寸和 6 英寸碳化硅半导体外延晶片。 产能规模持续提升，三期项目预计产能规模可达 140 万片。瀚天天成碳化硅产业园一 期项目于 2019 年年底投产，二期项目于 2020 年开工，2022 年 3 月 31 日通过竣工验收， 公司预计 2023 年全部达产后，可实现产值约 24 亿元。瀚天天成碳化硅产业园三期项目公 司预计产能规模将达 140 万片。

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精选报告来源：【未来智库】。