碳化硅行业研究报告.docx
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碳化硅行业研究报告
2021年碳化硅行业研究报告
报告综述：
新能源车全球普及加速，功率密度标准持续提升为SiC产业落地提供契机。
欧盟方面，在民众诉求的推动下，欧盟的碳排放标准日趋严格，现行的碳排放标准要求2021年生产的乘用车碳排放量满足95g/km，我们认为在此严苛要求下，新能源汽车或将替代燃油车。
美国方面，拜登上台带来美国新能源政策转向，并计划于2050年实现碳中和，我们认为政府方面也希望借助特斯拉等头部企业助力美国汽车制造业在新趋势下保持领先地位。
中国方面，2019年中国石油对外依存度超过70%，我们认为电动车对保障能源安全至关重要，且中国凭借市场空间、工程师红利等优势，有望借助汽车电动化实现汽车产业发展弯道超车的目标。
我们看到，在各国制定的电动车发展路线图中，功率密度标准逼近主流Si基器件的性能极限，SiC器件成为理想替代。
我们认为SiC有望在电动汽车产业加速发展及渗透率提升的双重推动下迎来需求快速成长。
SiC解决电动车三大需求痛点，规模普及即将到来。
我们认为，SiC有望从以下三个方面解决Si基器件的痛点问题：
1）续航里程是电动车的一大痛点，根据英飞凌数据，SiC器件整体损耗相比Si基器件降低80%以上，导通及开关损耗减小，有助于增加电动车续航里程；
2）轻量化的实现。
SiC器件具备高饱和速率、高电流密度、高热导率的特点，有利于实现电控模块小型化、周边系统小型化、冷却系统简单化，从而减轻整车重量；
3）满足800V高电平要求。
为配合快充应用，车内电平向更高的800V提高是大势所趋，在1200VIGBT车规产品难以普及的背景下，使用SiCMOSFET是良好的解决方案。
我们认为，目前SiC无法大规模商用的主要矛盾在于成本高昂，但根据我们的测算，在新能源车平价目标成本假设下（三电成本与传统动力总成价格相当），若SiC的器件成本下降至硅基器件的2倍时，其经济效益有望助推SiC在全系列车型全面普及。
小器件大市场，中国车用SiC市场将迎来高速成长。
我们测算，2025年中国电动车及快充桩将带来62亿元/78亿元的SiC器件/模块市场空间（模块中包含器件成本），2021-25年CAGR高达58%/35%。
从产业链各环节来看，我们测算SiC衬底及外延片价值量合计占比超器件总价值量的60%，2025年中国本土导电型衬底片需求超100万片，行业上游重要性强，需求空间广阔。
我国企业目前已经能实现6寸片规模量产，8寸片与海外的技术差距正在缩小。
新能源车全球普及加速，碳化硅产业落地迎机遇
欧洲：
碳排放标准倒逼新能源车对传统燃油车进行替代
欧洲推出碳中和时间表。
欧洲议会2019年11月宣布欧洲进入“气候紧急状态”，欧盟委员会在2019年12月启动了“绿色新政”，将2030年减排目标提升至50-55%，并确定了2050年实现碳中和，碳排放要求日趋严格。
欧洲自2009年以来多次制定碳排放标准，现行的碳排放标准要求2021年生产的乘用车碳排放量需满足95g/km。
欧盟委员会在2014年提出到2021年，车企生产的乘用车的碳排放量需满足95g/km，不达标的车企将面临巨额罚款。
2018年欧盟委员会进一步明确，在2021年的基础上，2025年的碳排放量减少15%；到2030年，减少37.5％，分别降至81g/km及59g/km。
2019年欧盟确定2050年实现碳中和的目标，将进一步推动更加严格的减排目标，正在推动2030年碳排放在2021年的基础上减少60%的标准制定。
在日益严格的碳排放标准下，新能源汽车替代传燃油车成为必然趋势。
燃油车的发动机难以进行本质革新，减排空间有限，新车平均碳排放量在2015年下降至119.5g/km后，2019年反而上升至122.4g/km。
要达到上述95g/km的碳排放标准，只能大力发展新能源汽车，提升新能源车的占比。
美国：
民主党上台或将推动电动车产业链加速升级，促使其重回汽车产业链领导地位
拜登就任当日便签署行政命令，表示重新加入《巴黎气候协定》，并计划于2050年实现碳中和，有望助推新能源车产业链加速升级。
根据拜登竞选推出的《清洁能源革命和环境计划》2，其在气候领域提出的目标是到2035年通过可再生能源过渡实现无碳发电，到2050年美国实现碳中和，实现100%的清洁能源经济。
具体措施包括：
恢复电动车全额7,500美金的税金抵免，取消目前的企业补贴20万辆的销量上限，加快新能源车推广，并计划于2030年前在高速公路区域建设超过50万个充电桩等。
我们认为民主党在新能源领域的转向有望提升美国对于新能源车的政策支持，助推新能源车产业链加速升级。
特斯拉等头部企业有望助力美国重夺电动汽车制造业的制高点。
汽车产业作为美国传统制造业的代表之一，二战以后却从辉煌走向衰落，我们认为主要是其经受了两次冲击：
1）20世纪70年代起，全球石油危机使精细化制造的日本汽车市占率迅速提升，以及2）2010年后德国品牌在中国市场的崛起。
根据美国商务部统计，美国汽车行业产值占GDP的比重，由1978年的1.9%降至2018年的0.8%。
我们认为，由于汽车制造业产业链条长、上下游相关行业丰富，汽车产业对GDP的贡献远大于增加值本身，行业地位尤为重要。
我们认为拜登政府的新能源政策将成为美国电动汽车市场发展的一大推动力，有助于使其在特斯拉等电动汽车头部企业的倾力配合下，保持美国高端制造领域的优势地位。
中国：
电动汽车是我国实现汽车产业弯道超车、保障能源安全的必然选择
汽车工业电动化为我国从汽车产业弯道超车提供契机。
工信部在《电动汽车安全指南（2019版）》中指出，汽车行业正在经历百年未有之大变局，电驱动相关技术、人工智能技术和互联网技术的快速发展为汽车产业的转型升级提供了强大的技术支撑，电动化、智能化、网联化是汽车产业转型重要的发展方向。
对于传统燃油车，中国虽然拥有庞大的汽车供应体系，但关键零部件技术缺失，发动机、变速箱等设备依赖海外厂商进口，我们认为以电动汽车为突破口能够推进我国汽车产业转型升级，有望实现汽车产业发展的弯道超车。
汽车产业是国民经济中重要的支柱行业，能够拉动国内消费增长，其产业链长、提供就业机会多，对推动经济增长、促进社会就业有重要作用。
汽车产业能够拉动我国消费需求及提供大量就业岗位，根据国家统计局数据，2010年至2019年汽车销售额占中国社会零售总额比重均维持在10%以上，2019年汽车新车零售从业人员达到120.92万，占城镇就业人数的10%。
同时，由于汽车行业具备高度综合性，产业链涉及国家工业的各个方面，上游包括发动机系配件、制动系配件等汽车零部件生产销售，涵盖了冶金、橡胶、玻璃、化工等重要的制造业部门，中游包括整车集成制造及销售，下游辐射汽车后维修保养、出行服务等诸多市场。
发展汽车产业能够直接及间接地拉动经济增加，提供就业岗位。
中国具备市场空间较大、“工程师红利”等优势，同时政策落地推动电动汽车发展。
由于我国庞大的人口基数及消费升级趋势，电动汽车市场空间较大，根据中金公司研究部预测，2025年我国电动汽车的出货量将达到669万辆，占全球新能源汽车销量47%，2021年至2025年年复合增长率达到35%。
同时，中国每年高校毕业生人数持续增长，根据教育部的数据，2020年高校毕业生人数达到874万人，为中国发展电动汽车提供了“工程师红利”，向产业微笑曲线的两端延伸。
在政府政策的推动下，新能源汽车产业的快速发展成为可能，根据国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，到2025年我国新能源汽车新车销售量占新车总销量的20%左右，并完善双积分制度以补充财政补贴。
中国石油的对外依存度超70%，能源安全问题有待解决。
国际上一般将50%的石油对外依存度作为石油能源安全问题的“安全警戒线”3，而根据中国统计局的数据，2019年中国石油对外依存度超过70%，远超能源安全的要求。
目前全球石油分配格局基本固定，且国际形势复杂，我国在自身石油生产无法满足需求的情况下，通过石油贸易和海外份额的方式获取石油资源的压力越来越大。
电动汽车对降低石油依存度，缓解国内石油消耗至关重要。
根据自然保护协会数据，2017年中国道路交通消耗的石油约占石油消费总量48%，我们认为，减少汽车石油消耗能够降低我国的石油依存度。
若采用天然气能源，我国天然气储量同样较低：
根据海关总署数据，2018年中国是全球第一大天然气进口国，2019年对外依存度达到43%，难以支撑汽车的能源需求。
而相比之下，我国煤炭储量较大，能够实现电力的自给自足，同时还能够通过核能、太阳能、风能等方式增加电力供给，电动汽车成为解决能源安全问题的必然选择。
各国功率密度标准持续提升，碳化硅器件对硅基器件形成替代在即
美国能源部旗下的组织U.S.Drive在2017年发布的《电气电子技术路线图》4中指出，在2025年电控的功率密度需达到100kW/L，效率应大于98%；而电机的功率密度需达到50kW/L，效率应大于97%。
根据我国工信部发布的《<中国制造2025>重点技术领域路线图（2018年版）》，在2025年，自主电控产品应实现功率密度不低于25kW/L。
我们认为，这个标准制定的初衷，是因为体积涉及到了汽车有效空间利用和乘客的体验。
目前电动汽车主要采用硅基器件，但受自身性能极限限制，硅基器件的功率密度难以进一步提高。
在电动汽车的动力单元和控制单元中，变换器和逆变器多采用Si基IGBT或MOSFET作为功率器件。
但Si材料在高开关频率及高压下损耗大幅提升，功率密度已经接近了其性能极限。
我们看到，早期的主流混动车型中，其逆变器功率密度基本在20kW/L以下，而采用了第三代化合物半导体SiC材料的逆变器，由于SiC具有效率高、尺寸更小和重量更低的优势，可以将功率密度大幅提升，我们认为其是Si材料未来的理想替代。
性能优势助推碳化硅器件快速发展，规模普及即将到来
SiC提升电能转换效率，增加续航里程
续航里程是电动车的一大痛点。
结合英飞凌的研究数据，我们认为SiC器件可以从导通/开关两个维度降低损耗，整体损耗相比Si基器件降低80%以上，实现增加电动车续航里程的目的。
SiC材料临界击穿电场高，导通电阻低，可降低器件的导通损耗。
由于SiC的禁带宽度（3.3eV）远高于Si（1.1eV），因此其漂移区宽度得到大大缩短、可实现的掺杂浓度也得到提高。
在SiCMOSFET导通时，正向压降和损耗都小于Si-IGBT。
根据英飞凌研究，当负载电流为15A时，常温下SiCMOSFET的正向压降只有SiIGBT的一半，在175℃结温下，SiCMOSFET的正向压降约是SiIGBT的80%。
SiC-MOSFET不存在拖尾电流，载流子迁移率高，降低器件开关损耗。
Si-IGBT模块中会集成快恢复二极管（FRD），在关断会存在反向恢复电流及拖尾电流，导致其开关速度受到限制，从而造成较大的关断损耗。
而SiC-MOSFET属于单极器件，更像一个刚性开关，不存在拖尾电流，且较高的载流子迁移率（约Si的3倍）也减少了开关时间，损耗因此得以降低。
根据英飞凌研究，在25℃结温下，SiCMOSFET关断损耗大约是SiIGBT的20%；在175℃的结温下，SiCMOSFET关断损耗仅有IGBT的10%。
SiC助力新能源车实现轻量化
轻量化是整车厂的不懈追求。
我们认为SiC器件具备高饱和速率、高电流密度、高热导率的特点，有利于新能源汽车零部件轻量化的实现。
SiC材料具备更高的电流密度，相同功率等级下封装尺寸更小。
SiC具备较高的载流子迁移率，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。
以IPM为例，碳化硅功率模块体积可缩小至硅功率模块的2/3-1/3。
SiC能够实现高频开关，减少无源器件的体积和成本。
SiC材料的电子饱和速率是Si的2倍，有助于提升器件的工作频率；此外，如上文所述，高临界击穿电场（10倍于Si）的特性使其能够将MOSFET带入高压领域，克服IGBT开关过程中的拖尾电流问题，开关损耗低，提升实际应用中的开关频率，减少滤波器和无源器件如变压器、电容、电感等的使用，从而减少系统体系和重量。
在实现相同电感电流的情况下，开关频率越高，可以适当降低电感值。
SiC禁带宽且具有良好的热导率，可以减小散热器的体积和成本。
由于SiC材料具有宽禁带宽度且热导率高的特点，更容易散热，器件可以在更高的环境温度下工作。
理论上，SiC功率器件可在175℃结温下工作。
主流电动汽车一般包含两套水冷系统——引擎冷却系统和电力电子设备的冷却系统，冷却温度分别为105和70℃。
如果采用SiC功率器件，可以使器件工作于较高的环境温度中，有望实现两套水冷系统合二为一，甚至采用风冷系统，减少散热器体积及成本。
快充使得整车电平提高，IGBT工作电压恐难满足需求
实现快充的关键是通过增大电流或提升电压提升充电功率，由于电流提升存在可预见的上限，高电压是实现快充的必然趋势。
根据e-technology的研究，受到充电插头及电芯的温度限制，即使采用液冷充电插头，电动车充电也存在500A的电流上限，要实现200kW以上的快充功率，电动车必然会从400V系统转向800V系统。
同时，达到相同功率的情况下，提升电压则可以相应降低电流，减少散热及导线横截面。
根据e-technology的估算，以100kWh的电池为例，从400V电车系统提升为800V电车系统，由于电池散热减重及导线质量降低可以推动电池实现25kg的重量降低，降低电车能耗，提升电车续航里程。
我们认为，若系统电压（总线电压）从400V提高至800V，需要同时提高半导体器件的耐压的水平，650VIGBT将无法工作，SiMOSFET的耐压极限也会明显被超越，若采用Si基器件，必须使用1200VIGBT。
受限于体积、功耗、散热等因素，通常情况下1200V的IGBT模块一般服务于工业场景，很难通过车规认证，2018年英飞凌才推出第七代IGBT技术，使1200V模块车用成为可能5。
但我们认为，SiC的材料特性优势有望使其在800V系统部署中更受整车厂青睐，同时，输出功率的提升也使SiC材料成为800V系统的理想选择。
成本经济性问题有望在未来解决，车用SiC需求有望迎来快速成长期
目前，由于受到SiC长晶技术壁垒高（如：
需要高温生长及精确控制；长晶速度很慢而不能像Si一样拉晶；炉体尺寸限制晶圆尺寸不好做大；材料硬度高韧性差容易断裂）、器件良率低（如：
掺杂工艺要求高、形成欧姆接触困难）等因素掣肘，因此SiC器件高昂的生产成本阻止了其初期被整车厂大量采用。
以目前的成本来看，新能源车的度电单价（三元、不含税）价格在900元人民币左右，而在2025年有望降至560元左右。
假设400km续航里程，电池包的价格分别在42,500元/24,000元左右。
若要增加10%的续航，我们线性外推得到电池包的边际成本为4,500元/2,400元。
目前，SiC器件成本约为硅基器件的5倍以上，为当前SiC器件难以在中低端车型大规模应用的主要原因。
以A级车为例，主逆变器中IGBT器件成本约为1,300元，若替换为SiC则将会带来至少5,000元以上的成本增加，而同时带来5%-10%续航里程的提升。
我们测算，若暂不考虑冷却系统节省的成本及空间节约带来的附加值，在新能源车平价目标下，若SiC能换取5%-10%的续航里程增加，则当SiC的器件成本将下降至硅基器件的1倍时，其经济效益有望助推SiC在全系列车型全面普及；如图18所示，若采用SiC材料能增加电动车10%的续航里程，对于车厂来讲，单车成本的节约在1,100人民币左右。
小器件大市场，中国车用SiC将迎高速成长
我们测算，2021年国内SiC器件/模块市场规模为10亿元/24亿元，2025年有望达到62亿元/78亿元，年复合增速达58%/35%，迎来高速增长期
功率开关器件在新能源汽车中的应用范围很广，其中主要包括主逆变器、直流DC/DC转换器、车载充电机等。
我们以自上而下的方式，以新能源车出货量为基础，配合渗透率、SiC模块/器件单车价值等假设测算，得出2025年中国新能源车及周边应用将带来62亿元的SiC器件市场空间，78亿元的SiC模块市场空间（包含器件成本），2021-2025年复合增速达58%/35%。
其中我们的关键假设如下：
第一，从成本下降曲线来看，我们认为SiC本身的成本下降曲线是线性的，但由于整体市场需求高涨，上游扩产积极，成本下降可能会呈现加速趋势，年同比降幅将有望从低双位数加速至近20%；
第二，从车型来看，我们认为到2025年SiC成本仍然难以下降至A级车Si基器件的2倍水平。
中高级乘用车由于具有品牌溢价，成本上升带来的续航里程增加、轻量化等附加体验也更容易被消费者所接受，我们认为B/C级车大规模采用SiC器件的可能性大，其中Tesla及比亚迪作为现有整车厂中最为积极两方（根据公开资料，Model3及比亚迪汉车型已经搭载了SiC模块的主逆变器），未来SiC器件渗透率有望继续加速。
未来华为、苹果等大厂及小鹏、蔚来等高端造车新势力设计的整车也有望大量采用SiC。
而非豪华品牌A级（包含）及以下车型采用SiC的可能性很小。
考虑到成本更高，对空间和续航里程敏感度更低等因素，在商用车方面，我们预计SiC渗透率将整体低于乘用车；
第三，从零部件种类来看，主逆变器（Inverter）会先进行SiC替换，由于车载充电机（OBC）、直流转换器（DC-DC）、快充（Booster）等工作频率高，从SiC高频性能来看要优于Si基材料，同样存在较大替换空间；
第四，从器件类型及价值量来看，主逆变器中由于搭载SiC模块，半导体价值量最高，而车载充电机、直流转换器等部分仅搭载单管器件，整体价值量不及主逆变器。
SiC衬底及外延合计价值量占比超60%，在产业链中地位至关重要
以65nm制程为例，目前12英寸硅片（抛光片）售价仅在100美元左右，而最终的晶圆售价高达1,500美元，原因在于Si集成电路工艺历经多次刻蚀、光刻、清洗等前道处理步骤，在硅片表面制作器件的附加价值量高。
而SiC仅被用于制造分立器件，其本身工艺难度并不大（SiCMOSFET仍是横向平面工艺器件），衬底及外延质量则从很大程度上决定了最终的器件性能。
根据我们的产业链调研，由于SiC衬底及外延生长温度高、速度慢、良率低等原因，从价值量上看，2020年2,500美元售价的SiC晶圆成品中，衬底片价值量约1,100美元，外延片价值量约500美元，合计价值量达1,700美元，约占整体晶圆成品价值量的63%。
因此，我们认为SiC产业链的上游环节地位至关重要，且从投资回报情况来看，SiC基衬底的投入产出比要优于Si，部分企业的投入产出比可以接近1：
1水平（1元人民币的投资对应1元年收入），是一个优良的赛道。
结合我们对SiC器件市场规模的测算及对衬底/外延部分价值量的假设，我们预计2025年中国本土新能源车用SiC衬底/外延片市场规模将达到26亿/39亿人民币。
国产厂商全面布局导电型机高纯半绝缘两类衬底，正努力追赶与海外差距
SiC衬底主要分为导电型和半绝缘型两类，新能源车用半导体器件基于导电型碳化硅衬底制造。
具体应用形式来看，导电型SiC衬底一般会再生长SiC外延层得到SiC外延片，主要用于制造耐高温、耐高压的功率器件，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；而在半绝缘型SiC衬底上，通常会上生长GaN外延层，制得SiC基GaN外延片，可进一步制成微波射频器件，应用于5G通讯、雷达等领域。
导电型及半绝缘型SiC衬底在制作工艺上存在较大差异。
在主流的物理气相传输法（PVT）长晶工艺中，半绝缘型SiC衬底的生长对原材料碳化硅粉末纯净度要求高，同时需要在生长过程中加入钒杂质，掺杂工艺难度大。
而导电型衬底相对容易获得，但需要对掺杂有较好的控制，且功率器件需要在较大衬底上生产才具备经济效益，SiC单晶扩径问题也是壁垒。
除了主流PVT生长方法外，我们也看到一些新工艺的进步，目前日本电装（DENSO）等企业正在利用高温化学气相沉积方法（HTCVD）将高纯气态碳源和硅源在高温结合，来得到高阻值的碳化硅单晶，且生长速率能达到1.0mm/h-3.0mm/h，值得长期关注。
但综合考虑成本、良率及工艺成熟度等问题，我们认为目前PVT方法仍为市场主流技术。
碳化硅衬底市场以海外厂商为主导，中国企业市场份额现较小。
碳化硅衬底产品的制造涉及设备研制、原料合成、晶体生长、晶体切割、晶片加工、清洗检测等诸多环节，需要长期的工艺技术积累，存在较高的技术及人才壁垒。
自1955年首次在实验室成功制备碳化硅单晶以来，美国、欧洲、日本等发达国家与地区不断创新碳化硅晶体的制备技术与设备，形成了较大优势；而中国碳化硅晶体的研究从20世纪90年底末才起步，2000年以后开始工业化生产的探索。
根据YoleDevelopment数据，2020年上半年Wolfspeed（Cree全资子公司）市占率达到45%以上，国内龙头天科合达和山东天岳的合计市场份额不到10%。
山东天岳、烁科晶体（中电科孵化）、河北同光（中科院半导体所孵化）现有主要产品为高纯半绝缘衬底，而天科合达（中科院物理所孵化）、世纪金光主要产品为导电型衬底。
当前中国企业与Wolfspeed在技术研发上仍有较大差距，但差距正在逐步缩小，8英寸碳化硅衬底研发及量产落后3年。
以头部企业天科合达/世纪金光为例，根据天科合达招股书披露，公司于2006年开始小批量生产2英寸碳化硅衬底，分别于2017年及2019年开始大批量生产导电型及绝缘型4英寸碳化硅衬底，2020年实现6英寸碳化硅衬底大批量生产。
而根据公开资料，世纪金光于2020年实现6英寸碳化硅衬底的量产6。
对比国际一线厂商，天科合达2英寸产品落后16年（国际厂商19世纪90年代开始），4英寸落后7年（国际厂商2010年开始），6英寸时间进一步缩短至5年（国际厂商2015年开始）。
Wolfspeed于2019年10月推出8英寸碳化硅衬底样品，并计划于2022年量产，而天科合达于2020年1月开始进行研发，计划于2022年6月完成研发，届
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