请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 行业 研究 Page1 研究 证券研究报告 深度报告 电子元器件 Table_IndustryInfo 半导体系列报告之 二 超配 2021 年 12 月 30 日 一年该行业与 上证综指 走势比较 行业深度 碳化硅 ： 能量转换链的材料变革 碳化硅是功率器件材料 端的技术 演进 随着终端 应用 电子架构复杂程度提升，硅基器件物理极限无法满足 部分高压、高温、高频 及低功耗的 应用 要求 ， 具备热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点 的 碳化硅 （ SiC） 器件作为功率器件材料端的技术 迭代产品 出现 ，应用于 新能源汽车、光伏、工控等领域， 在 电力电子设备中实现对电能的 高效 管理 。 以 逆变器 为例 ， 碳化硅模块代替硅 基 IGBT 后，逆变器输出功率可增至 硅基系统的 2.5 倍，体积缩小 1.5倍，功率密度为原有 3.6 倍 ，最终实现系统成本 整体 降低 。 碳化硅 技术壁垒高， 技术演进空间大 一方面， 由于 碳化硅 长晶速度 慢 ，每小时 仅 生长 0.2-0.3mm， 在 200 多种晶型中仅一种可用 （ SiC-4H） ， 且 晶棒 切割难度大， 因此碳化硅 衬底从样品到稳定批量供货大 约 需要 5 年 ； 另一方面， 作为 碳化硅器件性能及可靠性的关键 ，高压 器件用 、低缺陷密度且均匀掺杂的 碳化硅外延工艺难度大；叠加 离子注入、栅氧可靠性及客户验证等器件端 挑战，碳化硅市场进入壁垒高 ，技术挑战大 。未来，碳化硅将 继续 向 衬底 大尺寸化、切割 高效 化及器件模块化等低成本高可靠性方向发展。 上游产能不断扩充，产业 垂直整合 加速 碳化硅 衬底成本占 比为 46%，外延成本占 比为 23%， 产业链价值量倒挂 ，衬底供应 商掌握了产业链的核心话语权 。 以 Wolfspeed 为例， 其衬底 产能全球第一，已获 13 亿美元长期协议 ，在车规级器件端 扩展迅速 。 目前， ST、英飞凌、安森美等 传统功率 器件商均在上游材料 进行扩产 ， 同时 基于多年客户积累 与汽车等终端建立合作 ， 产业垂直整合加速 。 我国 目前在衬底端已开始占据一定市场份额， 如 山东天岳 2020 年 半绝缘衬底 全球市占率 已 至 30%； 而器件端，目前 全球 意法半导体一家独大，国内公司尚 属 发展 早期 ， 但 已有 部分企业 如斯达半导、比亚迪半导体 等 碳化硅 模块 已 实现 上车应用 。 新能源汽车驱动 市场加速 ， 国内 SiC 产业链蓄势待发 根据 Yol预测 ， 碳化硅 器件市场将从 2019 年 5 亿美元增至 2025 年 25亿美元，复合增速达 30%。其中，新能源汽车 作为主驱动力， 从 2019年 2.25 亿增至 2025 年 15 亿美元， 占整个市场 60%，对应 复合增速 38%。随着 快充需求增加， 电动汽车 逐步 向 800V 架构过渡 ，碳化硅渗透加速。目前 ， 国内企业 在 衬底端已有 开始占据 少量 份额，器件端 仍属 发展 早期 。未来 ， 考虑 产业链价值量分布及客户优势 等因素 ， 我们认为 上游 拥有衬底量产技术、外延能力 的企业及 拥有功率半导体经验 、下游 客户或具备大量上车 数据的 功率半导体 公司有望脱颖而出 。 国内 SiC 产业链 上市或 IPO 阶段 相关公司 ： 天岳先进 （衬底） 、 凤凰光学 （外延） 、 斯达半导 （器件）、 比亚迪半导体 （器件） 、中车时代电气（器件） 、华润微（器件）等 。 风险提示： 新能源 汽车 销量不及预期； 碳化硅 器件 渗透不及预期 等 。 相关研究报告： 电子行业 2022 年投资策略：关注量变引起质变的 3C 创新及国产替代 2021-12-27 电子行业周报：多品牌折叠机纷至沓来，关注铰链及 UTG 2021-12-27 电子行业周报： 2021 年全球半导体资本支出创新高 2021-12-20 电子行业周报： Meta 元宇宙生态再进阶，OPPO 折叠机将面市 2021-12-15 电子行业周报：大厂增产 MLCC， 4Q 折叠新机频发 2021-12-06 证券分析师：胡剑 电话： 02160893306 E-MAIL： 证券投资咨询执业资格证书编码： S0980521080001 证券分析师：胡慧 电话： 021-60871321 E-MAIL： 证券投资咨询执业资格证书编码： S0980521080002 独立性声明： 作者保证报告所采用的数据均来自合规渠道，分析逻辑基于本人的职业理解，通过合理判断并得出结论，力求客观、公正，其结论不受其它任何第三方的授意、影响，特此声明 0.60.70.80.91.01.1J/21 M/21 M/21 J/21 S/21 N/21上证综指 电子元器件 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page2 内容目录 碳化硅：能量转换链的材料变革 . 5 为什么要用碳化硅？ . 6 碳化硅材料：发挥碳化硅优势的最关键环节 . 7 碳化硅器件：电能转换的载体 . 9 碳化硅壁垒：长晶、外延及器件 . 12 碳化硅发展趋势：衬底大尺 寸化，切割高效化、器件模块化 . 14 碳化硅的竞与合：以 Wolfspeed 为例 . 15 从 Cree 到 Wolfspeed：碳化硅龙头的转型之路 . 15 Wolfspeed：转型影响短期盈利，成长性带来市值新高 . 18 由 Wolfspeed 看碳化硅市场的竞与合 . 21 应用驱动下的碳化硅行业 . 24 新能源时代开启，碳化硅加速渗透 . 24 产业链价值量倒挂，产业垂直整合加速 . 26 电动汽车 800V 架构 碳化硅上车的催化剂 . 28 碳化硅国产化的喜与忧 . 29 下游需求起量初期，国产进入市场正当时 . 29 量产技术参差不齐，国产衬底初露头角 . 30 国内上游衬底及功率器件龙头成长性高 . 31 国信证券投资评级 . 35 分析师承诺 . 35 风险提示 . 35 证券投资咨询业务的说明 . 35 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page3 图 表 目录 图 1：不同半导体材料对应的应用领域 . 5 图 2： SiC 器件与 Si 器件性能比较 . 6 图 3： SiC 器件相对 IGBT 的优越性 . 6 图 4：引入 SiC 后功率密度提升体积减小 . 7 图 5： 22kW 双向 OBCSiCvs.Si 系统成本分析 . 7 图 6： 碳化硅材料 . 7 图 7： 碳化硅材料 . 8 图 8： 碳化硅制造过程 . 8 图 9： 碳化硅外延工艺对器件性能至关重要 . 9 图 10： 碳化硅器件应用场景 . 10 图 11：不同电压下的 碳化硅器件解决方案（以 Wolfspeed 为例） . 10 图 12： MOSFET 如何实现电流变换 . 11 图 13：电动汽车关键功率半导体分布 . 11 图 14：电动汽车逆变器中 SiC MOSFET 应用 . 11 图 15：电动汽车 DC-DC 中 SiC MOSFET 应用 . 12 图 16：电动汽车 OBC 中 SiC MOSFET 应用 . 12 图 17：从样品到规模制造 SiC 衬底需要多年时间 . 12 图 18：碳化硅长晶工艺难点 . 13 图 19：碳化硅外延层工艺难点 . 13 图 20： 6 英寸到 8 英寸碳化硅晶圆数变化 . 14 图 21：冷切割工艺使得切割良率大幅提升 . 15 图 22： Cree|Wolfspeed 的发展历史 . 16 图 23： Wolfspeed 转型历程 . 17 图 24： Wolfspeed 碳化硅材料 . 17 图 25： Wolfspeed 晶圆厂情况 . 17 图 26： Wolfspeed 功率器件产品 . 18 图 27： GaN-on-SiC 为基础的通信架构应用 . 18 图 28： GaN-on-SiC 器件的多元射频应用 . 18 图 29： Wolfspeed 收入和归母净利润（百万美元） . 19 图 30： Wolfspeed 毛利率及研发投入情况 . 19 图 31： Wolfspeed 各业务收入占比及器件收入增速 . 19 图 32： Wolfspeed 各业务部门毛利率 . 19 图 33： Wolfspeed 资本开支及自由现金流情况 . 20 图 34： Wolfspeed 毛利率优化路径 . 20 图 35： Wolfspeed 未来 5 年规划 . 20 图 36： Wolfspeed 市值创新高 . 21 图 37： Wolfspeed 衬底产能 . 21 图 38： Wolfspeed 衬底市占率第一 . 21 图 39： 下游厂商与 Wolfspeed 达成长期材料供应协议 . 22 图 40： Wolfspeed Design-in 情况 . 22 图 41： Wolfspeed 三大领域的 Pipeline development . 23 图 42： Wolfspeed 碳化硅器件及材料市场机会 . 23 图 43： SiC 垂直整合加速 . 23 图 44： SiC 器件厂商与车厂及 Tier1 建立紧密合作 . 24 图 45：新能源汽车拉动 SiC 器件加速渗透 . 24 图 46： 2020-2021 年新能源汽车销量（万辆）及渗透率 . 25 图 47： 不同程度电动化汽车的碳排放量比较 . 25 图 48： SiC 器件厂商与车厂及 Tier 1 建立紧密合作 . 25 图 49： 2020-2025 年新能源汽车对碳化硅晶圆需求（万片） . 26 图 50： 2025 年碳化硅车身应用组件占比 . 26 图 51： SiC 产业链及价值量分布 . 26 图 52： SiC 产业链及价值量分布 . 27 图 53： SiC 产业链参与者众多 . 28 图 54： SiC 与 Si 基 22kW 双向 OBC 性能对比 . 28 图 55： SiC 上车情况 . 28 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page4 图 56： SiC 产业发展历程演进 . 29 图 57：我国 SiC 项目概况 . 30 图 58： 2019-2020 全球半绝缘碳化硅衬底市占率情况 . 31 图 59： 2020 年碳化硅功率器件市占率情况 . 31 图 60：碳化硅投资策略 . 31 表 1：各类半导体材料特性参数比较 . 5 表 2：碳化硅半绝缘型衬底与导电型衬底对比 . 8 表 3： SiC 器件进展 . 10 表 4：碳化硅材料常见缺陷 . 13 表 5： Cree 发展中不断收购和剥离 . 16 表 6：全球主要 SiC 衬底厂扩展计划 . 23 表 7：国际龙头企业产业链合作部分情况 . 27 表 8： 800VSiC 逆变器将是下一代高效电动车的核心部件 . 29 表 9：国内代表性厂商的 SiC 产品进展 . 30 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page5 碳化硅 ： 能量转换链的 材料 变革 碳化硅（ SiC）是一种由碳和硅两种元素组成的宽禁带化合物半导体材料，具备禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高、电子饱和漂移速率高等特点。 由于 碳化硅宽能带（ 3.2eV） 的 物理性质 ，又称为宽禁带半导体 。 经过几十年的发展， 硅 （ Si） 作为半导体行业的基础材料 ， 完成了 全球 95%以上的集成电路 的 制造 ； 随着电子的发展 ， 化合物半导体 如 砷化镓（ GaAs） 、碳化硅、氮化镓（ GaN） 等 也逐渐渗透到 下游应用中 。按 在 下游应用 中 出现的先后顺序，半导体 主要的 可分为三类 ： 一、 锗、硅等半导体材料 ： 硅拥有 1.1eV 的禁带宽度以及氧化后非常稳定的特性 ， 广泛应用于电力电子、光 伏 等领域 。 二、 砷化镓、锑化铟等半导体材料 ： 砷化镓拥有 1.4eV 的禁带宽度以及比硅高五倍的电子迁移率 ，主要用于手机等 需要高频率的通信应用中 。 三、 以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料 ： 有更高饱和漂移速度和更高的临界击穿电压等突出优点，适合大功率、高温、高频、抗辐照 的 应用场合。 图 1： 不同半导体材料对应的应用领域 资料来源： 英飞凌 ，国信证券经济研究所 整理 半导材料发展至今， 硅材料已经接近完美晶体 。 基于硅材料上器件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新，正在逐渐接近硅的 物理 极限 。 基于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小 ， 而 以氮化镓、碳化硅为代表的 、 半导体具备优异的材料物理特性，为进一步提升电力电子器件的性能提供了更大的空间。 表 1： 各类 半导体材料特性参数比较 参数 单位 Si SiC GaAs GaN 禁带宽度 eV 1.12 3.26 1.43 3.5 电子迁移率 cm2/(Vs) 1400 900 8500 1250 击穿电场 MV/cm 0.3 3 0.4 3.3 漂移速度 107/s 1 2.7 2 2.7 热传导率 W/(cmK) 1.5 4.9 0.5 1.3 资料来源： Rohm，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page6 为什么要用碳化硅？ （ 1）与 Si 相比， SiC 在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势，是材料端革命性的突破。 SiC 击穿场强是 Si 的 10 倍，这意味着同样电压等级的 SiC MOSFET 外延层厚度只需要 Si 的十分之一，对应漂移区阻抗大大降低 ； 且 SiC禁带宽度是 Si 的 3 倍，导电能力更强。 同时 ， SiC 热导率及熔点非常高，是Si 的 2-3 倍。 此外 ， SiC 电子饱和速度是 Si 的 2-3 倍，能够实现 10 倍的工作频率。 图 2： SiC 器件与 Si 器件性能比较 资料来源： Rohm，国信证券经济研究所 整理 （ 2） 与 IGBT 相比 ， SiC 可以同时实现高耐压、低导通电阻、高频三个特性。在 600V 以上的应用中， 对于 Si 材料来说，为了改善由于器件高压化所带来的导通电阻增大的问题，主要 使用 绝缘栅极双极型晶体管 （ IGBT） 等 为代表的 少数载流子器件 。 IGBT 中， 由于少数载流子 积聚 使得 其 在关断时 存在 拖尾电流 ，继而 产生 较大 的 开关损耗， 并 伴随 发热。 而 SiC 是 具有快速器件结构特征的多数载流子器件 ， 开关关断 时没有拖尾电流 ， 开关损耗 减少 74%。 图 3： SiC 器件 相对 IGBT 的优越性 资料来源： Rohm，国信证券经济研究所 整理 以 Wolfspeed 提供 的 碳化硅 模块 为例，在 代替硅 IGBT 后， 逆变器 输出功率 可增 至 2.5 倍 ，体积缩小 1.5 倍 ，功率密度为原有 3.6 倍 。 一方面， 碳化硅模块可减小开关损耗，改善电源效率并且简化散热系统 ，如 散热器小型化、水冷 /强制风冷改为自然冷却 ；另一方面， 碳化硅模块 工作频率高频化， 可 实现外围器件 (电 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page7 感和电容器等 )的小型化 。 图 4： 引入 SiC 后 功率密度 提升体积减小 资料来源： Wolfspeed，国信证券经济研究所 整理 此外， 碳化硅的加入 还可 使得系统整体成本下降 ， 以 22kW 双向 OBC 为例，SiC 系统成本 与 Si 相比，减少了 15%； 同时 能量密度是 Si 系统的 1.5 倍， 通过减少能耗 每年可减少 40 美元左右的单位成本。 图 5： 22kW 双向 OBCSiCvs.Si 系统成本分析 资料来源： Rohm，国信证券经济研究所 整理 碳化硅 材料 ： 发挥碳化硅 优势的 最关键环节 根据 Si， C 原子的排列顺序 不同 ， SiC 晶体 对应 结构不同 ，目前 发现的 SiC 大约有 200 多 种晶体结构形态，其中，仅有晶型 4H（ 4H-SiC）可以用来制造功率器件。 图 6： 碳化硅材料 资料来源： Wolfspeed，国信证券经济研究所 整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page8 根据电阻率不同，碳化硅晶片可分为导电型和半绝缘型衬底 。 导电型 SiC 衬底可通过 N 和 Al 作为 掺杂剂 实现 N 型和 P 型 导电性，目前 产品 以 N 型为主 （氮气掺杂），电阻率通常低于 0.02 cm， 晶体生长关注氮 掺杂浓度 均匀性 及缺陷控制 。 通过在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅同质外延片，可制成肖特基二极管、 MOSFET 等功率器件，应用 于 新能源汽车，轨道交通以及大功率输电变电等领域 ； 与导电衬底不同， 半绝缘型 SiC 衬底 电阻率 则 需要高于 106cm（国际水平 108 cm）， 晶体生长关注 高纯度 高电阻 。 通过 在半绝缘衬底上 生长氮化镓外延层制得碳化硅基氮化镓 （ GaN on SiC） 外延片， 而后 可 进一步制成HEMT 等微波射频器件，应用于信息通讯、无线电探测等领域。 图 7： 碳化硅材料 资料来源： 山东天岳 ，国信证券经济研究所 整理 表 2： 碳化硅半绝缘型衬底与导电型衬底对比 衬底类型 电阻率要求 生长工艺 参数关注点 半绝缘型 SiC 高于 106 cm （国际 108 cm） 原料 高纯度，生长过程高 真空度 ， 避免引入 浅能级杂质，实现晶体的本征高电阻率 衬底高纯度、高电阻率，低缺陷浓度 导电型 SiC 低于 0.02 cm 采用 N 掺杂， 需标定 引入系统的 氮气掺杂浓度、生长速度等参数 ， 以 实现电阻率 精确 控制 衬底面内电阻率径向均匀分布 ，不同批次衬底电阻率一致性 资料来源： 天岳先进、天科合达招股说明书 ，国信证券经济研究所整理 要得到 碳化硅 衬底 ， 需要 先 以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料， 采用物理气相传输法（ PVT）生长 出 碳化硅 晶锭 ， 再 经过切割、研磨、抛光、清洗等工序 对晶锭 进行 加工 ， 最终 得到 碳化硅晶片。 图 8： 碳化硅 制造过程 资料来源： 山东天岳招股说明书 ，国信证券经济研究所 整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page9 具体流程如下： 原料合成 ： 将高纯硅粉和高纯碳粉按一定配比混合，在 2000以上的高温下反应合成碳化硅。再经过破碎、清洗等工序，制得高纯碳化硅微粉原料。 晶体生长 ： 将高纯 SiC 微粉和籽晶置于单晶生长炉 两端 ，通过电磁感应将原料 加热至 2000以上 形成蒸汽 ，蒸汽 上升 到达温度较低的籽晶处结晶形成碳化硅晶锭。 晶锭加工 ： 用 X 射线单晶定向仪 对晶锭 定向，磨平、滚磨加工成标准尺寸。 晶体切割 ： 使用切割设备，将碳化硅晶体切割成厚度不超过 1mm 薄片。 晶片研磨 ： 通过金刚石研磨液将晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。 晶片抛光 ： 通过机械抛光和化学机械抛光得到表面无损伤的碳化硅抛光片。 晶片检测 ： 检测碳化硅晶片的微管密度、结晶质量、表面粗糙度、电阻率、翘曲度、弯曲度、厚度变化、表面划痕等各项参数指标，据此判定质量等级。 晶片清洗 ： 以清洗药剂和纯水对碳化硅抛光片进行处理。 SiC 长晶环节制造成本高且工艺难度大 ，其晶体生长 效率极其缓慢， 生长速度仅为 0.2-0.3mm/h； 且 在 生长过程 中升温降温 速度 缓慢 ，因此 ，一个炉子 一周仅能长 2cm 厚的碳化硅晶棒 。 此外， 由于碳化硅硬度大，切割 过程中易碎，切割良率低 。 图 9： 碳化硅 外延工艺 对器件性能至关重要 资料来源： 山东天岳招股说明书 ，国信证券经济研究所 整理 碳化硅外延工艺 是 提高 碳化硅 器件性能及可靠性的关键 。 碳化硅 外延是 指在衬底的上表面生长一层与衬底同质的单晶材料 4H-SiC。目前标准化工艺是使用 4斜切的 4H-SiC 单晶衬底，采用台阶控制生长技术 ， 通过 CVD 进行沉积 。外延层 可减小 晶体生长和加工中引入的缺陷 带来的影响 ，使 碳化硅 表面 晶格排列整齐，形貌较衬底大幅优化。 在此基础上 制造的功率器件， 器件性能和可靠性将显著提升 。因此， 生长 出 合适厚度 、 高晶体质量 和 均匀 掺杂浓度 的外延层 至为关键 。 碳化硅器件 ： 电能转换的载体 功率器件作为电路中电压、电流、频率、开关等物理状态改变的载体， 从 20 世纪 50 年代 开始 广泛应用于电子电力 设备 中，以实现对电能的管理。其产品包括分立器件（二极管、三极管、晶闸管、 MOSFET、 IGBT 等）、功率模组。 随着应用终端功能多样化，电子架构复杂程度提升 。 相应地，工作电流电压提升，而整体功耗要求在稳步下降 。此时， 硅基器件物理极限无法满足应用要求， 碳化硅器件作为功率器件材料端的技术迭代产品出现。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page10 图 10： 碳化硅器件应用场景 资料来源： CASA，国信证券经济研究所 整理 目前碳化硅功率器件主要 分为 肖特基二极管 (SBD)、 MOSFET 以及 模块 ： SiC SBD，是利用金属与半导体接触形成的金属半导体结原理 制造的 低功耗、超高速 的分立 器件 ，器件电压可达 1200V 以上 （ Si SBD 最高耐压为 200V 左右 ） ，能够大幅减小反向恢复损耗。 SiC MOSFET 分为 平面式 MOSFET 和沟槽式MOSFET 两种类型 ，可 用于 满足 高耐压和低导通电阻 的应用需求 。 目前 ， 大部分车规级 SiC MOSFET 以平面型为主。 SiC 功率模块 是 搭载了 SiC MOSFET和 SiC SBD 的 器件形式 ， 可满足 高压下 器件匹配 、 系统效率 及可靠性 的要求 。 图 11： 不同电压下的 碳化硅器件 解决 方案（以 Wolfspeed 为例） 资料来源： Wolfspeed，国信证券经济研究所 整理 表 3： SiC 器件进展 公司 SBD JFET 平面 型 MOSFET Trench 型 MOSFET Wolfspeed Gen3-1200V,Rsp 2.7 mQcm2 Gen4 开发中 Infineon 1200V Gen1-1200V.Rsp 33.5mQcm2 Rohm Gen2-1200V,Rsp 810mQcm2 Gen3-1200V,Rsp 4.1mQcm2 Gen4-1200V,Rsp 2.5mQcm2 ST Gen1-1200V， Rsp10 mQcm2 Gen2-1200V.Rsp 4mQcm2 Gen3-1200V,Rsp 3mQcm2开发中 Gen4 预研 Onsemi Gen1-1200V,Rsp 5mQcm2 Bosch 1200V， 750V Microsemi 1200V， Rsp 4-5mQcm2 Monolith(Littelfuse) 1200V.， Rsp 3-4mQcm2 USCI(Qorvo) 650V. Rsp 0.75mQ-cm2 开发中 资料来源： Trendforce，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page11 SiC 器件 主要 装载 于 电力电子设备中 以实现电能转换 。 以逆变器为例， 通过 SiC MOSFET 可 实现 交流电与直流电的转换。 在本过程中主要 分为 两 个 部分 ： 第一步： 利用 MOSFET 实现开关不停切换， 使得 电流 方向 不断正负变换 ，将直流电变为方形交流电 。 第二步： 通过 引入比较器控制 MOSFET 开关。 而后 通过 电感平滑电流曲线，电容平滑电压曲线， 最终 使得 方形交流电 平滑为 正弦交流电 输出使用 。 图 12： MOSFET 如何实现电流变换 资料来源： Lesics，国信证券经济研究所 整理 以新能源汽车为例， SiC 功率 器件主要 应用于 逆变器、 DC/DC 转换器、电机驱动器和车载充电器 (OBC)等核心 电控领域 ， 以完成高效的电能转换 。 在电动 车传动系统中 ， 主逆变器 的功能是 将电池输出的 12V 直流电电转换为驱动电机用的 220V 三相交流电 以驱动车辆行驶 。 通过使用 SiC MOSFET， 马达的损耗 可大幅减小 ， 马达 、平滑电容、线圈等部件 可实现 小型化， 最终 达到逆变器 效率提升 ，电池续航时间 延长的应用目标 。 图 13： 电动汽车关键功率半导体分布 图 14： 电动汽车逆变器中 SiC MOSFET 应用 资料来源： 英飞凌 ，国信证券经济研究所整理 资料来源： 英飞凌 ，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page12 耐压性能优异的 SiC MOSFET 在 800V 电池的高压机型中最适合使用 。在DC/DC 转换器 中 则 是 通过 SiC MOSFET 等 功率 器件将高压电池电压转换为低电压 ，为动力转向系统 、 空调以及其他辅助设备提供所需的电力 。 车载充电器(OBC)是内置在车辆 中 用于 实现 交流电网 向 高压电池再充电的 AC/DC 转换器 。目前， 为了缩短充电时间，快速充电电压趋于变高， 适合高压快速 充电 场景的SiC MOSFET 被大量选用 。 图 15： 电动汽车 DC-DC 中 SiC MOSFET 应用 图 16： 电动汽车 OBC 中 SiC MOSFET 应用 资料来源： 英飞凌 ，国信证券经济研究所整理 资料来源： 英飞凌 ，国信证券经济研究所整理 碳化硅 壁垒 ：长晶、外延及器件 碳化硅技术难点主要集中在长晶、外延 、 器件 可靠性及验证上 。根据 Wolfspeed介绍 ， 碳化硅衬底 从样品到 稳定批量供货大约需要 5 年时间 ； 叠加车规级器件长验证周期，碳化硅市场的进入壁垒相对 较高。 图 17： 从样品到规模制造 SiC 衬底需要多年时间 资料来源： Wolfspeed， 国信证券经济研究所 整理 一、 长晶工艺 涉及四大难点 由于晶体生长速率慢、制备技术难度较大，大尺寸、高品质碳化硅衬底生产成本较高， 进入的技术壁垒相对较高 。 具体 涉及四大难点： （ 1） 用于长晶的 高纯 SiC 粉料 制备难 ； （ 2） 长晶 慢 且特定晶型生长难度大 。在 200 多种不同晶型碳化硅单晶中生长 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page13 出 特定的 4H-SiC 晶型难度大。由于 PVT（物理气相传输）的方法生长过程中高温段无法监测 ，如何通过控制炉子的温度场、气流、生长面间距等工艺参数得到 特定的 4H-SiC 晶型是最大难点 ； （ 3） 单晶生长炉 是 SiC 单晶生长的核心设备， 通常需要厂商 基于生长经验的积累在发展材料的过程中不断 进行 改造 、调试和优化 ； （ 4） 碳化硅硬度与金刚石接近， 切割难度大 ， 切割过程需保证稳定获得低翘曲度的晶片 ，还需 在研磨和抛光工艺中 控制晶片的平整度 。 图 18： 碳化硅长晶 工艺难点 图 19： 碳化硅外延层工艺难点 资料来源： Wolfspeed，国信证券经济研究所整理 资料来源： 基本半导体 ，国信证券经济研究所整理 二、外延工艺 涉及三大难点 与硅功率器件工艺不同，其器件加工 过程 需采用高温离子注入、高温氧化以及高温退火等高温工艺。由于 碳化硅功率器件必须在单晶衬底上的高质量外延层制造 ， 且 外延参数 因 器件应用场景 而各不相同 ， 因此， 外延层工艺挑战 较大 。 （ 1） 应用于 高压 的 外延层难度大 。 低压 600V，需要外延的厚度约为 6m 左右；中压 1200-1700V，厚度为 10-15m；高压 10kV 以上，需要 100m 以上 ； 外延厚度增加，材料的缺陷控制难度加大。 （ 2） 碳化硅 缺陷 种类多， 控制难度大 。 在碳化硅中，外延缺陷将影响器件的可靠性。致命性缺陷会对所有类型器件击穿电压造成巨大影响，最终使得器件良率提升难度大。 （ 3） 掺杂浓度控制难度大 。 掺杂浓度决定了器件的电子传输性能，在高压领域，由于外延层增厚掺杂浓度均匀性 难控制 。 表 4： 碳化硅 材料 常见 缺陷 缺陷 /器件 SBD MOSFET,JFET pin,BJT,晶闸管， IGBT TSD（无蚀坑） 无 无 无，但会引发局部载流子寿命降低 TED（无蚀坑） 无 无 无，但会引发局部载流子寿命降低 BPD（界面位错、半环阵列） 无，但会引发 MPS 二极管退化 无，但会引发体二极管退化 双极退化（导通电阻及漏电流增加） 内生堆垛层错 VB降低 （ 20%-50%） VB降低 （ 20%-50%） VB降低 （ 20%-50%） 胡萝卜缺陷、 三角形缺陷 VB降低 （ 30%-70%） VB降低 （ 30%-70%） VB降低 （ 30%-70%） 掉落物缺陷 VB降低 （ 50%-90%） VB降低 （ 50%-90%） VB降低 （ 50%-90%） 资料来源： 基本半导体 ，国信证券经济研究所整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page14 三、器件 工艺及 客户验证 涉及七大难点 碳化硅器件壁垒主要来源于加工工艺及器件应用方面： （ 1） 光刻对准 难 ： 相较于传统硅片，双面抛光的碳化硅晶圆是透明的， 稳定的光刻对准 工艺 是一个难点。 （ 2） 离子注入和退火激活工艺 ： 制备器件时掺杂需要高能 离子 注入；退火温度高达 1600，在此温度下要达到高的离子激活率和相对准确的 P区形状 难度大 。 （ 3） 栅氧可靠性 ： 在热氧化工艺中 多余的 碳原子 析出形成表面态 ， 影响MOSFET 栅氧 质量 。 （ 4） 功率模块难度大 ： 高温、高功率密度封装的工艺及材料 难度大 。 （ 5） 工艺设备 ： 基本上被国外公司所垄断 ，高温离子注入设备、超高温退火设备和高质量氧化层生长设备等基本需要进口。 （ 6） 车规级半导体要求高 ：环境要求 ， 汽车行驶的外部温差较大，要求 芯片可承受 温度 区间 为 -40 150， 同时需 抗湿度 、抗腐蚀 。可靠性要求 ， 整车设计寿命通常在 15 年及以上， 车规级半导体需做到 零失效。供货周期要求 ，需要覆盖整车的全生命周期，供应链 可追溯 。 （ 7） 客户验证 ： 车规级器件 认证周期和供货周期长，通常要求其产品拥有一定规模的上车数据，国产厂商缺乏应用及试验平台，在车规级半导体正常供给的状态下较难寻得突破。 碳化硅 发展 趋势 ： 衬底 大尺寸化， 切割高效化、器件模块化 大尺寸 化 是碳化硅衬底制备技术的重要发展方向 。为提高生产效率并降低成本，衬底尺寸越大，单位衬底可制造的芯片数量越多，边缘的浪费越小， 单位芯片成本越低。 碳化硅晶圆 从 6 英寸到 8 英寸，芯片数量由 488 增至 845 个（ 单位面积： 32mm2），边 缘 浪费由 14%减至 7%。 目前，碳化硅衬底主流尺寸为 4-6英寸， 8 英寸衬底仅有 Wolfspeed、 II-VI 公司和意法半导体 ST 等少数几家研制成功，其中， Wolfspeed 是首家掌握 8 英寸量产技术并建设对应晶圆厂的公司。 图 20： 6 英寸 到 8 英寸碳化硅晶圆 数变化 资料来源： Wolfspeed， 国信证券经济研究所 整理 衬底切割 良率 提高是 降低成本 的重要课题 。 目前常用的 线 切割工艺通常会损耗75%的原材料，英飞凌 使用的一种 冷切 割技术可 使得 原材料损耗减至 50%。 该工艺源于英飞凌 收购 的公司 Siltectra。 这种 冷切割（ Cold Split）技术可高效处理晶体材料，最大限度减少材料损耗 ， 使单片晶圆产出的芯片数量翻倍，从而有效降低 SiC 成本。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page15 图 21： 冷切割工艺使得切割良率大幅提升 资料来源： 英飞凌 ， 国信证券经济研究所 整理 碳化硅器件模块化是高可靠性应用的 选择 。 碳化硅 模块可以简化电路布局及组装，同时避免了电路中元件的相互干扰， 在高压应用中 使得 其 可靠性增加 ，还可 最大限度地减少人工和系统组件的成本 ，是 功率密度 最大化 的最优选择。 碳化硅 的竞与合 ： 以 Wolfspeed 为例 从 Cree 到 Wolfspeed： 碳化硅龙头 的 转型之路 Wolfspeed 总部位于美国， 是 引领碳化硅（ SiC）和氮化镓（ GaN）技术的 IDM半导体公司 ， 致力于 为高功率和射频（ RF）应用提供 高效 绿色的 解决方案 。 公司产品 围绕 SiC 和 GaN 布局 ，包括 SiC 和 GaN 材料、 功率器件、射频 器件等 ，针对新能源汽车 、 快速充电、可再生能源及储能、通讯、航空航天和国防等领域的应用需求 。 作为碳化硅的全球领导者， Wolfspeed 在碳化硅衬底市占率超60%， 是全球最大的 SiC 材料供应商 。经历了长达四年的业务结构调整， 2021年，公司从 Cree 更名为 Wolfspeed，以新名称于纽约证券交易所上市（代码“ WOLF”），转型为碳化硅半导体公司 。 材料 （ Materials） ： 公司提供 SiC 和 GaN 基的衬底及外延片材料，其中包括用于功率半导体的 N 型 SiC 导电衬底、用于射频器件的 SiC 半绝缘衬底、SiC N 型 /P 型外延片及 GaNAlInNInGaN 外延片。 功率器件 （ Power） ： 公司提供碳化硅基功率芯片、分立器件及模组产品，以满足新能源汽车、工业及能源等领域中高能源转换效率、高功率密度及高电压的应用需求。 射频器件 （ RFPower） ： 公司提供 SiC 基 GaN 射频器件，具体包括GaN-on-SiC 功率放大器（ PA）、 GaN HEMT 等产品，主要用于 5G 通信系统及雷达等通信领域，以实现高频率、高功率密度的通信应用需求 。 Wolfspeed (原 CREE) 经历了从 LED 到碳化硅龙头的业务转变。 公司成立于1987 年，其早期的技术来自于卡罗来纳州立大学（ NCSU）。公司的发展大致经历了三个阶段 : 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野本土智慧 Page16 图 22： Cree|Wolfspeed 的发展历史 资料来源：公司公告， 国信证券经济研究所整理 第一阶段：技术积累期 （ 1990s-2000s）：公司以碳化硅技术起家，基于碳化硅的光电性质，试图在 LED、功率及射频器件领域寻找适合 SiC 的产品进行布局，在 LED 和碳化硅基器件产品上创造了多个业界第一。 第二阶段： LED 时期（ 2003-2015）：从 2003 年公司发布全球最亮的白光 LED开始，公司不断在 LED 技术方面取得突破。通过收购多家 LED 企业，公司建立了 LED 制造、渠道及产品的完整布局，在 2013 年成为全球仅次于日亚化学的 LED 巨头。 第三阶段：碳化硅时期（ 2016-至今）： 公司早期碳化硅器件主要服务于军用领域， 2015 年，随着 LED 业务壮大，公司一度计划将功率及射频器件业务（ Wolfspeed）拆出。 在 WolfspeedIPO 失败，向英飞凌出售失败以及 LED 业务下滑等多因素影响下， 2017 年公司重启 Wolfspeed 功率及射频业务。随着业务加速， 2018 年公司收购英飞凌射频业务，随后将 LED 及照明业务剥离， 2021年更名为 Wolfspeed，彻底转型为基于碳化硅的半导体公司 。 表 5： Cree 发展中不断收购和剥离 年份 收购 与剥离 2006 收购碳化硅衬底公司 INTRIN SIC Semiconductor Corporation 2007 收购 LED 制造企