4.3.2. 复盘历史缺货周期，国产替代有望加速

行业缺货是国内功率半导体厂商完成客户导入，实现快速发展的重要 契机。因 此，对于国内功率半导体企业而言，下游需求放量或者上游供给短缺 导致的产品缺货阶段，是其实现客户导入的重要窗口期。复盘过往两 次功率半导体的景气周期（2009-2011,2016-2018）可以发现，当行业缺 货时，若恰逢细分产品技术成熟及产能释放，国内厂商有望获得重要 发展机遇。

1、2009-2011 年的功率景气周期。2008 年经济危机使得各大厂商缩减 制造产能，随着 2009 年年末全球经济复苏，市场对功率器件的需求大 幅上升，导致功率器件开始供不应求。根据 Vishay 披露的二极管 book to bill数据，2010 年第一季度 book to bill达到了 1.63。随着供给的不断 释放，功率行业景气度随后开始逐渐下滑。

士兰微功率 MOSFET、二极管等产品出货提升。在缺货的背景下，国 内厂商如士兰微凭借其产能不断释放（2010 年扩产后的士兰集成产能 达到 12.5 万片每月，2011 年达到 15.8 万片每月）以及技术的发展 （2009 年开始具备高压 VDMOS 和低压 VDMOS 等产品量产能力），实 现了在 MOSFET 以及二极管等产品领域的出货提升。2010 年全年公司 分立器件业务营收达到了 5.13 亿，同比增长 60%以上。

2、2016-2018 年的功率景气周期。2016 年末美国二极管和三极管制造 商Diodes 密苏里州工厂KFAB因火灾停工（后于2017年Q3正式关闭）， 导致供给下滑。同时由于指纹识别芯片、CIS 芯片占用了大量的 8 寸产 能，导致全球功率半导体供给雪上加霜。2016 年末起，功率半导体器 件行情回暖，部分 MOSFET、二极管、晶闸管交期出现延长。2017 年， 随长电科技大涨 MOSFET 价格，台厂富鼎、尼克森的供货商开始全面 涨价，铸就 2016-2018 两年的功率半导体景气周期。最终，2018 年 Q3， 台厂商营收到达高点，随后开始逐月回落，景气度逐渐下滑。

士兰微 IPM产品受益缺货实现客户导入。士兰微自2007年发力高压驱 动电路 HVIC 设计，2010 年进军高压功率模块 IPM 封装。2012 年起， 公司 IPM产品开始在白电工业领域推广。在 2016-2018年功率半导体缺 货的背景下，士兰微 IPM在国内白电客户中持续取得突破（其 8寸产线 亦在 2017 年开始贡献产能，年末实现 1.5 万片月产能），完成了客户导 入并取得在国内厂商中的先发优势，其白电核心客户目前已经包括海 信、海尔、长虹、美的、格力等知名厂商。2020 年，士兰微在白电客 户 IPM 的出货量超过 1800 万颗（2016 年 IPM 出货数仅为 100 万颗左 右），实现了爆发式的增长。

本次缺货亦将成为国内功率半导体厂商发展的重要机遇，无论IDM还是 Fabless 都有机会，理由有二：

1、大陆功率产能恰在本轮缺货周期中释放，功率半导体厂商产品供给 较为充沛。其中英飞凌、意法半导体以及国内的华虹 （代工厂）、士兰微将领先增长，合计将增加 70万片/月等效 8寸产能。

国内功率半导体代工产能在缺货周期不断释放。IDM厂商士兰微12寸 特色工艺产线于 2020 年年末投产，21 年底产能有望达到 3.5 万片/月， 2022 年有望爬坡至 6 万片/月。华虹无锡 12 寸代工产能自 2019 年 Q3投 产后持续释放，预期 2021 年底会达到 6.5 万片/月的产能，且目前已经 具备量产 IGBT 能力。中芯绍兴 8 寸产能自 2019 年年末量产后，2021 年 8 月月产能已爬坡至 7 万片/月。此外，IDM 厂商华润微规划 3 万片/ 月的 12 寸产线亦预计在 2022 年实现产能贡献。在本轮缺货周期中，国 内功率新增产能占全球比重较高。因此，在本轮景气周期中，国内厂商代工供给较为充沛，新客户的导 入预计将较为顺利。

2、国内功率半导体产品力持续升级，有望在中高端市场快速渗透。与 上两轮周期比，当下国内功率半导体厂商已具备更高的产品力，有望 向中高端市场快速渗透，相关公司有望获得长期持续成长。IPM 来看， 如士兰微在 IPM 领域优势明显，恰逢其 12 寸线产能释放，有望在缺货 周期进一步提升 IPM 市场份额。车规 IGBT 来看，斯达半导 IGBT 产品 已经进入到国内新能源汽车 tier 1 中，随华虹 12 寸产能不断爬坡、释放， IGBT 模块在国内新能源车型中份额或将显著提升。光伏 IGBT 来看，根据宏微科技披露，其光伏产品亦在逐步放量。（报告来源：未来智库）

5.趋势三：碳化硅产业链崛起，国内外望同台竞技

前文论述过关于功率半导体的国产替代问题，而碳化硅产业仍处于起 步阶段，国内、外厂商有望同台竞技。

5.1. 碳化硅材料高性能，市场快速持续增长

5.1.1. 碳化硅性能较优异，下游需求快速扩张

区别于传统硅基衬底，碳化硅半导体材料具有耐高压、耐高温、低损 耗等优良性质。相比于传统单晶硅，碳化硅的击穿电压约为硅基材料 的 10 倍（更高的击穿电压有利于器件承受高压）。此外，碳化硅具备热 导率是硅材料的 2-3 倍，使得碳化硅散热更加迅速，有助于提高器件功 率密度，在相同电流下，设备尺寸可以做得更小。同时，碳化硅材料 具有相比于硅约 2 倍的饱和电子漂移速率、3 倍的禁带宽度，使得碳化 硅导通电阻率更低、功率损耗更小。另外，碳化硅器件在关断过程中 不存在电流拖尾现象，可以大幅提高实际应用的开关频率，降低开关 损耗。

根据电阻率不同，碳化硅衬底可以分为导电型和半绝缘型两类，分别 外延 SiC 和 GaN后，适用于不同的场景，下游需求正持续扩张。

1）导电型衬底电阻率在 15-30 mΩ·cm，主要适用于耐高温、耐高压的 功率器件。通过化学气相沉淀生长碳化硅外延层后，可制得碳化硅基 碳化硅外延片（SiC-on-SiC），进一步可制成肖特基二极管、MOSFET、 IGBT 等，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。根据 Yole 数据，2020 年 SiC 电子电力市场规模约 5.4亿美 元，到 2025 年这一规模有望超过 25 亿美金。

2）半绝缘型衬底电阻率约在 105Ω·cm以上，外延生长 GaN材料，形成 碳化硅基氮化镓外延片（GaN-on-SiC），主要应用于微波射频领域，在 5G 驱动的通讯变革中，GaN 外延片需求有望得到提升。2020 年底， GaN 电子电力市场约 1.51 亿美元，预计 2025 年将超过 6.8 亿美元。

5.1.2. 技术资金壁垒限制，目前供需仍存缺口

因此，尽管碳化硅材料性质优异，但受到技术、资金双重壁垒限制， 当前碳化硅衬底供需仍存缺口。

1）技术：熔点高、硬度强、晶体结构复杂造成碳化硅制备工艺难。碳化硅衬底制备采用物理气相传输法（PVT），区别于传统单晶 1600 ℃的 生长环境，碳化硅生长温度需高达 2000 ℃、压强近 350 MPa，以使其 升华，这对长晶炉、热场等设备都提出了更高的要求。此外，碳化硅 硬度强，是仅次于金刚石硬度的材料，为消除表面的损伤，后续切片、 打磨、抛光的材料要求比传统工艺更加苛刻。碳化硅本身晶形多样， 有超过 200 种近似的晶形，但只有零缺陷、全为 4H 晶形的衬底才算制 备成功，而为达到这一目的，则需要更精确的材料配比、温度控制， 以及丰富的经验积累。

2）资金：投资门槛不高但回报期长。对于衬底而言，厂商需要对设备 进行较为复杂的工艺调试从而提升良率，耗时较大。对于器件而言， 碳化硅器件与传统硅工艺有一定差异，部分工艺需要高温处理（离子 注入和退火）。国内部分碳化硅产线采用旧 6 寸硅生产线搭配部分专用设备，尽管初始 投资规模不大，但需要对制造工艺进行长期打磨和调试。为在技术上 取得突破，行业新进入者需要长期持续的资本投入，导致器件出货价 也较高。但随着工艺不断成熟，单位成本降低，碳化硅半导体价格逐 渐下降，有望部分替代 IGBT，同时持续带动需求放量，反过来进一步 助推制造商形成规模效应、降低成本，实现良性循环。

国内供需仍存缺口，有效产能不足。我国2020年碳化硅导电型衬底产 能约 40万片/年（约当 4英寸）、外延片折合 6英寸 22万片/年、器件 26 万片/年；半绝缘型衬底折算 4 英寸产能近 18万片/年。随着新能源汽车、5G 等下游应用市场的快速起量， 国内现有产品供给无法满足需求，目前第三代半导体主要环节国产化 率仍然较低，超过 80%的产品要靠进口。

5.2. 国内厂商发力布局，行业格局尚未固化

5.2.1. 市场份额美日领先，国内技术不断发展

当前碳化硅市场呈现美国一家独大，日本、欧洲紧随其后的格局，国 内厂商正在加速追赶，有望实现弯道超车，在全球市场占据一定份额。

1）从衬底来看，美、日厂商占据市场主要份额。美国CREE、II-VI和 日本 ROHM 旗下子公司 SiCrystal已成功研制并规模化生产 4 英寸、6英寸衬底，2019 年 CREE 和 II-VI 同时宣布 8 英寸产线建设计划，预计 2022 年有望实现量产。国内厂商中，山东天岳在 2019 年开始建设 6 英 寸产线；天科合达在 2014 年成功研制 6 英寸产线，现已实现小批量生 产，于 2020 年成为国内首家启动研发 8 英寸衬底的厂商。

国内衬底厂商虽在产品规格和技术成熟度上有差距，但存在较大追赶 可能。国内厂商目前虽无法规模化生产高质量、大规模的6英寸的碳化 硅晶片，但是在高质量的 4 英寸晶片方面，天科合达等中国厂商有足够 的竞争能力。目前国产 SiC 衬底已经实现微管密度小于 1 个/cm2，衬底 面积 95%可用，位错约在 103 /cm2；虽然在单晶一致性、成品率方面与 国际先进水平仍有差距，但未来可期。

2）从器件来看，相比器件设计，制造附加值更高。

市场和技术主要掌握在英飞凌、ROHM、CREE和意法半导体等国际 龙头手中。2020 年，国际上共有 10 余家公司推出 211 款 SiC MOSFET 系列产品。CREE 推出第三代 SiC MOSFET，击穿电压 650 V，导通电 阻降低至 15 mΩ，开关损耗降低 20%；ROHM 推出 1200 V 第四代 SiC MOSFET。此外，国际厂商 CREE、ROHM 和英飞凌均已推出车规级 SiC MOSFET，比国内产品元胞尺寸更小、导通电阻更低、阈值电压更 高。

国内厂商积极研发布局碳化硅器件项目。现在已经商业化的SiC产品主 要集中在 650 V-1700 V电压等级，主要产品为二极管和晶体管，3000V 以上电压及 SiC IGBT 尚在研发当中。国内厂商如泰科天润已发布 3300 V/0.6 A-50 A SiC 二极管系列产品；三安集成、基本半导体等公司已实 现 650 V、1200 V、1700 V SiC MOSFET 的小规模量产；功率模块方面， 国内上市企业士兰微、斯达半导等公司积极布局，目前比亚迪汉已经 成功搭载了自主研发的 SiC MOSFET 控制模块。国内市场已经初步实现 低端产品的国产替代化，高端产品依然依赖进口。

3）资金来看，国内第三代半导体投资力度高企，力争追赶国际厂商。根据 CASA Research 披露，2018年至今，国内厂商始终加强布局第三代 半导体产业，2020 年一共有 24 笔投资扩产项目（2019 年 17 笔），增产 投资金额超过 694 亿元，同比增长 161%，其中 SiC 领域共 17笔、投资 550 亿元，GaN 领域共 7 比、涉及资金 144 亿元。

根据 CASA 数据，2020 年我国电力电子和射频电子总产值超过 100 亿 元，同比增长了 69.5%。其中，SiC、GaN 两种材料的电力电子产值合 计达 44.7 亿元，同增 54%。其中，衬底材料 2.2亿元，外延及芯片 5亿 元，器件及模组约 7.2 亿元，装置约 30 亿元。

来源：光刻人的世界