本文精編自：中泰證券《寬禁帶半導體行業深度：SiC 與 GaN 的興起與未來》
摘要：自從特斯拉 Tesla 推出 Model 3，在逆變器模組上采用碳化硅后，碳化硅這類新型半導體材料越來越受重視。碳化硅具有高功率、耐高壓、耐高溫等優點，在未來「新基建」，「數字基建」有著巨大的商業前景。
特斯拉領軍，半導體新材料碳化硅需求起飛
電動車已成為汽車市場主流，多數電動車仍是以硅材料的IGBT來作逆變器芯片模組，是功率半導體在電動車領域的技術主流。但自從特斯拉Tesla推出Model3，采用以24個碳化硅 MOSFET為功率模塊的逆變器后，碳化硅（SiC）這類新型半導體材料越來越受重視。
目前碳化硅器件在電動車上應用主要是功率控制單元、逆變器、DC-DC 轉換器、車載充電器等方面。2015年，汽車巨頭豐田便展示了全碳化硅模組的PCU。相比之下，碳化硅PCU僅為傳統硅PCU的體積的1/5，重量減輕35%，電力損耗從20%降低到5%，提升混動車10%以上的經濟性，經濟社會效益十分明顯。
根據IHSMarkit數據，2018年碳化硅功率器件市場規模約3.9億美元，受新能源汽車龐大需求的驅動，以及電力設備等領域的帶動，預計到2027年碳化硅功率器件的市場規模將超過100億美元，碳化硅襯底的市場需求也將大幅增長。
新一代黃金賽道，得碳化硅者得天下
碳化硅到底是何方神圣？碳化硅是一種寬禁帶半導體材料，屬于第三代半導體材料，其禁帶寬度高達3.0eV，相比第一代半導體材料硅，碳化硅的禁帶寬度是硅的3倍；導熱率為硅的4-5倍；擊穿電壓為硅的8倍；電子飽和漂移速率為硅的2倍。
碳化硅具有高功率、耐高壓、耐高溫、高頻、低能耗、抗輻射能力強等優點，未來將廣泛應用于新能源汽車、5G通訊、光伏發電、軌道交通、智能電網、航空航天等領域，在未來「新基建」，「數字基建」有著巨大的商業前景。
同時，目前碳化硅領域國內外差距較傳統硅基行業小，具有「換道超車」的機會，成為各方都十分看好的賽道，堪稱半導體產業內新一代「黃金賽道」。
但碳化硅也有巨大的痛點：短缺且昂貴，常常有價無市。
目前傳統硅基產業極其成熟的商業環境，至少有一大半原因是硅材料較為容易得到。硅材料成熟且高效的制備技術使得硅材料目前十分低廉，目前6英寸硅拋光片僅150元，8英寸300元，12英寸850元左右。用直拉法生產硅晶片，72小時能生長出2-3米左右的硅單晶棒，一根單晶棒一次能切下上千片硅片。
目前最快的碳化硅單晶生長的方法，生長速度在0.1mm/h-0.2mm/h左右，因此72小時也僅有7.2mm~14.4mm厚度的晶體。只有幾厘米都不到！目前4英寸碳化硅售價在4000-5000元左右，6英寸更是達到8000-10000元的水平。
因此國內外下游廠家，紛紛和科銳（Cree）等碳化硅龍頭簽訂長期合約鎖定產能。
碳化硅產業鏈
SiC 生產過程分為 SiC 單晶生長、外延層生長及器件制造三大步驟，對應的是產業鏈襯底、外延、器件與模組三大環節。
SiC襯底：SiC晶體通常用Lely法制造，國際主流產品正從4英寸向6英寸過渡，且已經開發出8英寸導電型襯底產品，國內襯底以4英寸為主。由于現有的6英寸的硅晶圓產線可以升級改造用于生產SiC器件，所以6英寸SiC襯底的高市占率將維持較長時間。
SiC外延：通常用化學氣相沉積（CVD）方法制造，根據不同的摻雜類型，分為n型、p型外延片。國內瀚天天成、東莞天域已能提供4寸/6寸SiC外延片。
SiC器件：國際上600~1700V SiC SBD、MOSFET已經實現產業化，主流產品耐壓水平在1200V以下，封裝形式以TO封裝為主。價格方面，國際上的SiC產品價格是對應Si產品的5~6倍，正以每年10%的速度下降，隨著上游材料器件紛紛擴產上線，未來2~3年后市場供應加大，價格將進一步下降，預計價格達到對應Si產品2~3倍時，由系統成本減少和性能提升帶來的優勢將推動SiC逐步占領Si器件的市場空間。
碳化硅市場格局
目前，碳化硅晶片產業格局呈現美國全球獨大的特點。以導電型產品為例，2018年美國占有全球碳化硅晶片產量的70%以上，僅CREE公司就占據一半以上市場份額，剩余份額大部分被日本和歐洲的其他碳化硅企業占據。其中，國內天科合達以1.7%的市場占有率排名全球第六、國內第一。
科銳（Cree）：全球第一
在碳化硅功率器件市場，Wolfspeed占據市場最大的份額。Wolfspeed雖然目前是Cree三大部門（LED、LED照明應用、Wolfspeed）中體量最小的，但已經是公司最核心的業務部門。Wolfspeed 2018 年實現營收 3.29 億美元，同比增長 25.47%；毛利率高達 47%。
根據公開業績說明會，Wolfspeed 的目標是在 2022 年收入番兩番，達到 8.5 億美元，屆時將成為 Cree 最大的收入來源。在 Wolfspeed 看來，到 2022年只要有25%的目標市場轉換為SiC和GaN，就將是20億美元的市場，是現今市場的 8 倍，公司為極具潛力的 SiC 和 GaN 已經做好了準備。
天科合達：國內第一
天科合達自2006年成立以來，2020年7月14日申請科創板上市，一直專注于碳化硅晶體生長和單晶片生產領域，先后研制出2英寸、3英寸、4英寸碳化硅襯底，于2014年在研制出6英寸碳化硅單晶片，并已形成規模化生產能力，工藝技術水平處于國內領先地位，堪稱碳化硅的「明日之星」。此外，中科院物理所、大基金、華為的哈勃投資等均為天科合達的股東之一。
編輯/jasonzeng
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