碳化硅（SiC）材料是功率半导体行业主要进步发展方向，用于制作功率器件，可显着提高电能利用率。可预见的未来内，新能源汽车是碳化硅功率器件的主要应用场景。特斯拉作为技术先驱，已率先在Model3中集成全碳化硅模块，其他一线车企亦皆计划扩大碳化硅的应用。随着碳化硅器件制造成本的日渐降低、工艺技术的逐步成熟，碳化硅功率器件行业未来可期。

一、什么是碳化硅?

碳化硅（SiC）是第三代化合物半导体材料。半导体产业的基石是芯片，制作芯片的核心材料按照历史进程分为：第一代半导体材料（大部分为目前广泛使用的高纯度硅），第二代化合物半导体材料（砷化镓、磷化铟），第三代化合物半导体材料（碳化硅、氮化镓）。碳化硅因其优越的物理性能：高禁带宽度（对应高击穿电场和高功率密度）、高电导率、高热导率，将是未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。

碳化硅在半导体芯片中的主要形式为衬底。半导体芯片分为集成电路和分立器件，但不论是集成电路还是分立器件，其基本结构都可划分为“衬底-外延-器件”结构。碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。

碳化硅晶片是碳化硅晶体经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成的单晶薄片。

碳化硅晶片作为半导体衬底材料，经过外延生长、器件制造等环节，可制成碳化硅基功率器件和微波射频器件，是第三代半导体产业发展的重要基础材料。

根据电阻率不同，碳化硅晶片可分为导电型和半绝缘型。其中，导电型碳化硅晶片主要应用于制造耐高温、耐高压的功率器件，市场规模较大；半绝缘型碳化硅衬底主要应用于微波射频器件等领域，随着5G通讯网络的加速建设，市场需求提升较为明显。

SiC的硬度仅次于金刚石，可以作为砂轮等磨具的磨料，因此对其进行机械加工主要是利用金刚石砂轮磨削、研磨和抛光，其中金刚石砂轮磨削加工的效率最高，是加工SiC的重要手段。但是SiC材料不仅具有高硬度的特点，高脆性、低断裂韧性也使得其磨削加工过程中易引起材料的脆性断裂从而在材料表面留下表面破碎层，且产生较为严重的表面与亚表层损伤，影响加工精度。因此，深入研究SiC磨削机理与亚表面损伤对于提高SiC磨削加工效率和表面质量具有重要意义。

二、碳化硅材料优势何在？

与硅基半导体材料相比，以碳化硅为代表的第三代半导体材料具有高击穿电场、高饱和 电子漂移速度、高热导率、高抗辐射能力等特点，适合于制作高温、高频、抗辐射及大 功率器件。

具体优势体现在：

（1）能量损耗低。碳化硅模块的开关损耗和导通损耗显著低于同等 IGBT 模块，且随着 开关频率的提高，与 IGBT 模块的损耗差越大，碳化硅模块在降低损耗的同时可以实现 高速开关，有助于降低电池用量，提高续航里程，解决新能源汽车痛点；

（2）更小的封装尺寸。碳化硅器件具备更小的能量损耗，能够提供较高的电流密度。 在相同功率等级下，碳化硅功率模块的体积显著小于硅基模块，有助于提升系统的功率 密度；

（3）实现高频开关。碳化硅材料的电子饱和漂移速率是 硅基的 2 倍，有助于提升器件 的工作频率；高临界击穿电场的特性使其能够将 MOSFET 带入高压领域，克服 IGBT 在开关过程中的拖尾电流问题，降低开关损耗和整车能耗，减少无源器件如电容、电感 等的使用，从而减少系统体积和重量；

（4）耐高温、散热能力强。碳化硅的禁带宽度、热导率约是硅基的 3 倍，可承受温度 更高，高热导率也将带来功率密度的提升和热量的更易释放，冷却部件可小型化，有利 于系统的小型化和轻量化。

这些优势有利于电源的高效率化，并且通过高频驱动实现电感等无源器件的小型化、低 噪化，可广泛应用于空调、电源、光伏发电系统中的功率调节器、电动汽车的快速充电 器等的功率因数校正电路（PFC 电路）和整流桥电路中。

三、碳化硅产业链全景

碳化硅产业链涉及多个复杂技术环节。

依次可分为：衬底、外延、器件、终端应用。

受制于材料端的制备难度大，良率低，产能小，目前产业链的价值集中于衬底和外延部分，前端两部分占碳化硅器件成本的 47%、23%，而后端的设计、制造、封测环节仅占 30%。

（1）碳化硅衬底

衬底制造是碳化硅产业链技术壁垒最高、价值量最大的环节，是未来碳化硅大规模产业化推进的核心环节。碳化硅的衬底可以按照电阻率分为导电型衬底和半绝缘型衬底，导电型电阻率在0.02Ω·cm左右，半绝缘型电阻率大于106Ω·cm。

在导电型衬底上生长SiC衬底制作的功率器件可以应用在新能源汽车、电网、光伏逆变器、轨道交通等高压工作场景。在半绝缘型衬底上生长GaN外延制作的微波射频器件主要应用在射频开关、功率放大器、滤波器等通讯场景，可以满足5G通讯对高频性能和高功率处理性能的要求。

随着国内碳化硅衬底产能建设的推进，市场对于其原材料高纯热场、高纯保温、高纯碳粉、高纯碳化硅粉等需求将快速增加。

目前中国大陆碳化硅衬底规划投资超200亿元，未来远期规划年产能超400万片。

从行业市场格局来看，目前具备半绝缘型碳化硅衬底生产能力的国外同行业公司主要有CREE公司及II-VI公司。

由于碳化硅衬底生产技术难度高，国内具备技术储备和量产能力的公司较少，行业竞争格局较好。

我国的导电型碳化硅衬底龙头天科合达市场份额不足2%。

在半绝缘型衬底方面，我国的天岳先进进入全球头部厂商地位，2020年市场份额为30%，市场占有率排名全球第三、国内第一。

碳化硅生长技术难度高导致了目前碳化硅衬底厂商生产良率较低。

天岳先进作为国内半绝缘型碳化硅衬底龙头企业，晶棒环节良率近两年平均水平约为50%，衬底环节良率近两年在70%-75%区间。

当前国内碳化硅衬底产能仍有较大部分为2-4英寸，部分头部厂商完成了6英寸碳化硅衬底的技术储备并实现了量产，但规模较小，8英寸衬底生产技术仍处于技术储备之中。

（2）碳化硅外延

碳化硅外延片是指在碳化硅衬底上生长了一层有一定要求的单晶薄膜（外延层）的碳化硅片。

外延加工占碳化硅器件成本结构的23%，仅次于衬底制备。

在晶体生长和晶片加工过程中，不可避免地会在表面或近表面产生缺陷，导致衬底的材料质量和表面质量下降，直接影响制得器件的性能。

而外延局的生长可以消除许多缺陷，使晶格排列整齐，表面形貌得到改观。

外延设备主要由意大利LPE公司、德国Aixtron公司、日本TEL和Nuflare公司所垄断。

四家公司的设备工作原理不同，在性能上各有优势。

国际上碳化硅外延企业主要有昭和电工、II-VI、Norstel、CREE、Rohm、三菱电机、英飞凌等。

国内主要有东莞天域和厦门瀚天天成，两者均已实现产业化，可供应4-6英寸外延片。此外中电科13 所、55 所亦均有内部供应的外延片生产部门。

(3)碳化硅器件

下游碳化硅器件市场，意法半导体占据最大市场份额，达40%，其次为CREE和Rohm，分别占据15%和14%的市场份额。

从碳化硅行业整体竞争格局来看，海外龙头占据主导地位，IDM模式是行业主流。

而国内企业则专注于单个环节制造，如衬底领域的天科合达、天岳先进，外延领域的瀚天天成、东莞天域，器件领域的斯达半导、泰科天润等。国内布局碳化硅的主要企业还包括三安光电、中车时代电气、东微半导、士兰微、扬杰科技、新洁能、双良节能等。

碳中和趋势下，碳化硅有望在新能源汽车、光伏、风电、工控等领域的持续渗透。

Wolfspeed预计2023年碳化硅材料市场达2000万美元，2025年进一步增长至2700万美元。工艺节点的转变将带来成本优化，进一步促进市场需求扩增。全球碳化硅市场处于高速成长阶段，国内厂商替代空间广阔。

文章来源： 东方财富网，潜力大牛股研究，硬件笔记本