Wolfspeed对国产SiC的启示（三）

• 根据中国充电联盟和公安部统计数据，初步计算我国车桩比从2016年的4.27下降到了2021年的3.00。根据国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案》指引和工信部的规划，预计到2025年我国车桩比应在2:1到3:1之间，到2030年接近1:1的合理值。
• 
  
• 新能源汽车作为运输工具低碳转型的重要推动力，即将进入快速发展期，与之相匹配的公共基础配套设施充电桩也将随之迎来广阔的市场前景，带动碳化硅市场空间持续扩容。

中国充电桩市场规模及增速：

数据来源：头豹研究院，东吴证券研究所

新能源车、充电桩保有量及车桩比：

数据来源：中国电动汽车充电基础设施促进联盟，公安部，东吴证券研究所

碳化硅在大功率充电领域具备较强的竞争优势，渗透率有望进一步提升。

• 充电桩行业发展主要围绕着大功率直流快充进行，充电模块是构建高功率充电基础设施的核心部分。相较于硅基功率器件，使用碳化硅功率器件可以实现高功率密度、超小体积，同时能够支持快速充电，因此可以实现充电模块的高效化和高功率化，进而实现充电速度的提升和充电成本的降低。
• 
  
• 参考泰科天润提供的一款基于碳化硅的直流快速充电桩，输出功率为60kw，其体积比同样输出功率的硅基充电桩小30-35%左右，因而能够通过散热性能和所占空间节省成本。根据CASA的测算，2019年碳化硅在直流充电桩的充电模块渗透率约10%，预期未来随着成本的降低，渗透率将进一步提升。

根据我们测算，2025年我国应用于直流充电桩的碳化硅功率器件市场规模将达到27.1亿元，2020-2025年CAGR为72.7%。

充电桩碳化硅市场规模测算（2020-2025E）：

数据来源：头豹研究院，北理工能源与环境政策研究中心，充电联盟，公安部，东吴证券研究所测算

射频

全球氮化镓射频器件市场快速扩张，碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）是主流产品和技术解决方案。

• 据Yole预测，到2024年，全球氮化镓射频器件市场将达到20亿美元，2018-2024年CAGR约21%。氮化镓是极稳定的化合物，具有高热导率、高电离度和化学稳定性，相较硅和砷化镓，抗辐照能力更强；
• 
  
• 同时氮化镓又是高熔点材料，热传导率高，通常采用热传导率更优的碳化硅衬底，因此氮化镓功率器件具有较高的结温，能够在高温环境下工作。据Yole预测，到2023年，氮化镓射频器件的市场规模将占3W以上射频功率市场的45%，未来10年内，氮化镓将成为射频应用的主流技术。

5G基站端氮化镓射频器件应用前景广阔，带动碳化硅衬底市场空间突破。

• 相比于4G，5G的通信频段往高频波段迁移，而氮化镓射频器件更能有效满足高功率、高通信频段和高效率等要求，在宏基站和回传领域将占据主导位置。伴随5G基础设施建设，中国氮化镓射频器件市场将实现快速发展。
• 
  
• 根据工信部统计，截至2021年上半年，我国移动通信基站总数达948万站，其中5G基站总数达96.1万站，我国已开通5G基站数量全球排名第一。GaN HEMT是5G基站射频功放主流技术，碳化硅衬底作为主流解决方案，市场空间将持续突破。

综合工信部数据，根据我们测算，到2023年，中国5G射频领域碳化硅衬底市场规模将达到20.9亿元，2020-2023年CAGR达17.4%。

碳化硅在射频领域的应用：

数据来源：Yole，东吴证券研究所

中国5G射频领域碳化硅市场规模测算：

数据来源：工信部，前瞻经济学人，东吴证券研究所

供给端：技术壁垒及中国产业链

生产工艺及壁垒

碳化硅生产流程主要涉及以下过程：

• 单晶生长，以高纯硅粉和高纯碳粉作为原材料形成碳化硅晶体；
• 
  
• 衬底环节，碳化硅晶体经过切割、研磨、抛光、清洗等工序加工形成单晶薄片，也即半导体衬底材料；
• 
  
• 外延片环节，通常使用化学气相沉积（CVD）方法，在晶片上淀积一层单晶形成外延片；
• 
  
• 晶圆加工，通过光刻、沉积、离子注入和金属钝化等前段工艺加工形成的碳化硅晶圆，经后段工艺可制成碳化硅芯片；
• 
  
• 器件制造与封装测试，所制造的电子电力器件及模组可通过验证进入应用环节。

碳化硅产品从生产到应用的全流程历时较长。以碳化硅功率器件为例，从单晶生长到形成衬底需耗时1个月，从外延生长到晶圆前后段加工完成需耗时6-12个月，从器件制造再到上车验证更需1-2年时间。对于碳化硅功率器件IDM厂商而言，从工业设计、应用等环节转化为收入增长的周期非常之长，汽车行业一般需要4-5年。

碳化硅生产全流程：

数据来源：宽禁带半导体技术创新联盟、新材料，东吴证券研究所

就技术路线而言，碳化硅的单晶生产方式主要有物理气相传输法（PVT）、高温气相化学沉积法（HT-CVD）、液相法（LPE）等方法，目前商用碳化硅单晶生长主流方法为相对成熟的PVT法。

• PVT法通过感应加热的方式在2300℃以上高温、接近真空的低压下加热碳化硅粉料，使其升华产生包含Si原子、Si2C分子、SiC2分子等气相物质，通过固-气反应产生碳化硅单晶反应源；在温度梯度的驱动下，这些气相物质被输运到温度较低的碳化硅籽晶上形成碳化硅晶体。
• 
  
• 整个固-气-固反应过程都处于一个完整且密闭的生长腔室内，任意生长条件的波动将导致整个单晶生长系统的变化，且由于200多种碳化硅的同质异构晶型之间能量转化势垒极低，导致PVT法下生长系统稳定性不佳、晶体生长效率低、易产生标晶型杂乱以及各种结晶缺陷等严重质量问题，进一步导致碳化硅材料成本高昂。

HT-CVD法起步较晚，其原理是在1500-2200℃的高温下，通入硅烷、乙烷、氢气等高纯气体，先在温度较高的裂解反应区形成SixCy的前驱物，再经由气体的带动下进入较低温的籽晶端前沉积形成单晶。

• 因为特气纯度高、杂质含量低，因此HT-CVD法能够制备高纯度、高质量的半绝缘碳化硅晶体；其原料可持续添加、参数可调整，具有产品多样性等优势。但由于设备昂贵、高纯气体价格不菲，该方法商业化慢于PVT法。

LPE法则类似硅晶制备的提拉法，使用长晶炉结构，碳化硅籽晶固定在籽晶杆前端，石墨坩埚里装填硅原料以及少量的掺杂物，加热至硅的熔点以上（1500-1700℃）。

• 将硅熔化后，加入如过渡金属元素等助熔剂，在硅的熔体中熔解碳，然后在液相外延通过籽晶向上提拉，借由缓慢降温使溶液过饱和后在籽晶前端生长出碳化硅单晶。
• 
  
• LPE法虽目前尚未成熟，但优势显著，可以大幅降低生产温度、提升生产速度，且在此方法下熔体本身更易扩型，晶体质量亦大为提高，因而被认为是碳化硅材料走向低成本的较好路径，有积极的发展空间。

碳化硅晶体生产工艺比较：

数据来源：行家说，Snow Intelligence，上海大革智能科技有限公司，东吴证券研究所

碳化硅单晶生长周期长、控制难度大，易产生晶体缺陷。

• 碳化硅常见缺陷包括微管、晶型夹杂、包裹物、位错、层错等，且缺陷之间存在相互影响和演变。因此，控制晶体生长的环境参数从而有效控制晶体缺陷是核心技术难点。
• 
  
• 在长晶条件极为苛刻的情况下，若要生成低缺陷、高质量的碳化硅单晶，需要精确的温场控制、压力控制等控制技术，更需长期的技术积累和工艺优化，形成系统性的晶体缺陷控制技术。

碳化硅衬底环节的质量水平直接影响下游外延和器件的质量，其可靠性至关重要。

• 衬底也即晶片，其良好的表面质量可抑制外延生长中缺陷的产生；如果近表面的残余损伤未被充分去除，则将导致外延生长的宏观缺陷。
• 
  
• 据研究，衬底中的螺型位错（TSD）约98%转化为外延片的TSD；刃型位错（TED）则100%转化为外延片的TED；基面位错（BPD）约95%转化为TED，少量维持BPD。
• 
  
• 其中TSD和TED会引发局部载流子寿命降低，但基本不影响最终的碳化硅器件的性能，而BPD则会引发器件性能的退化，导致导通电阻及漏电流的增加。因此，控制衬底缺陷、提升衬底质量，是提高外延片质量、器件制备良率、器件可靠性及寿命的重要途径。

碳化硅衬底缺陷类型：

数据来源：CASA，东吴证券研究所

长晶核心难点：

数据来源：CNKI，东吴证券研究所

碳化硅国产供应链不断优化，向国际靠拢。就产业链布局而言，国际龙头企业通过调整业务领域、整合并购等方式积极向上下游延伸、建立垂直集成平台，大力完善产业布局，如Wolfspeed和ROHM提供从衬底到最终器件的整体解决方案；而国内企业则相对规模较小，各环节较为分散：

• 天科合达、天岳先进等厂商专注于碳化硅衬底，东莞天域、瀚天天成等厂商专注于外延片，华润微、泰科天润、扬杰科技、闻泰科技、士兰微等厂商则专注于器件制造。
• 
  
• 衬底厂商现亦有晶棒出售业务；三安集成、世纪金光等目前已形成碳化硅垂直产业链布局。随着市场需求的增加、产能扩张伴随优胜劣汰，向上下游延伸或谋求合作将成为国产供应链重要的降本和资源整合的路径。

更多详见：Wolfspeed对国产SiC的启示（四）