智芯研报 | 国内碳化硅产业链大盘点

第三代半导体材料主要分为碳化硅SiC和氮化镓GaN，在高温、高压、高功率和高频领域将替代前两代半导体材料。新能源汽车为SiC的最重要下游领域，主要应用包括主驱逆变器、DC/DC转换器、车载充电机和充电桩等，根据Yole数据，SiC功率器件市场规模将从2018年的4亿美金增加到2027年172亿美金，CAGR约51%。。

碳化硅是第三代半导体产业发展的重要基础材料，碳化硅功率器件以其优异的耐高压、耐高温、低损耗等性能，能够有效满足电力电子系统的高效率、小型化和轻量化要求。
在新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等领域具有明显优势。

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，有望成为未来最被广泛使用的制作半导体芯片的基础材料。

碳化硅产业链

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。

碳化硅产业链也可分为三个环节：分别是上游衬底，中游外延片和下游器件制造。

图表来源：中信证券

▌碳化硅上游——衬底

碳化硅在半导体中存在的主要形式是作为衬底材料。

◆ 碳化硅衬底类型

碳化硅分为立方相（闪锌矿结构）、六方相（纤锌矿结构）和菱方相3大类共 260多种结构，目前只有六方相中的 4H-SiC、6H-SiC才有商业价值。另碳化硅根据电学性能的不同主要可分为高电阻（电阻率 ≥105Ω·cm）的半绝缘型碳化硅衬底和低电阻（电阻率区间为 15~30mΩ·cm）的导电型碳化硅衬底，满足不同功能芯片需求，其中：

• 半绝缘型碳化硅衬底主要应用于制造氮化镓射频器件。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅基氮化镓外延片，可进一步制成氮化镓射频器件；
• 导电型碳化硅衬底主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造各类功率器件。

大尺寸碳化硅衬底有助于实现降本增效，已成主流发展趋势。衬底尺寸越大，单位衬底可生产更多的芯片，因而单位芯片成本越低，同时边缘浪费的减少将进一步降低芯片生产成本。目前业内企业量产的碳化硅衬底主要以4英寸和6英寸为主，在半绝缘型碳化硅市场，目前衬底规格以4英寸为主；而在导电型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为6英寸。国际巨头CREE、II-VI以及国内的烁科晶体都已成功研发8英寸衬底产品。

◆ 碳化硅晶片产业链

碳化硅晶片作为半导体衬底材料，长晶难度大，技术壁垒高，毛利率可达50%左右。
已经过外延生长、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。晶片尺寸越大，对应晶体的生长与加工技术难度越大。

图表来源：天科合达招股说明书

衬底常用Lely法制造，国际主流采用6英寸晶圆，正向8英寸晶圆过渡；国内衬底以4英寸为主，主要用于10A以下小电流产品。

全球碳化硅市场呈现寡头垄断局面，欧美日企业领先美国全球独大，全球SiC产量的70%~80%来自美国公司。

海外碳化硅单晶衬底企业主要有Cree、DowCorning、SiCrystal、II-VI、新日铁住金、Norstel等。

其中CREE、II-VI等国际龙头企业已开始投资建设8英寸碳化硅晶片生产线。

国内企业也在积极研发和探索碳化硅器件的产业化，已经形成相对完整的碳化硅产业链体系。

中国企业在单晶衬底方面以4英寸为主，目前已经开发出了6英寸导电性SiC衬底和高纯半绝缘SiC衬底。
以天科合达和山东天岳为主的SiC晶片厂商发展速度较快，市占率提升明显。三安光电在SiC方面也在深度布局。

山东天岳、天科合达、河北同光、中科节能均已完成6英寸衬底的研发，中电科装备研制出6英寸半绝缘衬底。

华润微拥有3条6英寸产线和一条正在建设的12英寸产线，并拥有国内首条实现商用量产的6英寸碳化硅晶圆生产线。
露笑科技2020年引进碳化硅重磅研发团队并联合合肥政府共同投资碳化硅。

国内碳化硅衬底代表企业

来源：DT新材料

▌碳化硅中游——外延

外延常用PECVD法制造。

国外外延片企业主要有DowCorning、II-VI、Norstel、CREE、罗姆、三菱电机、英飞凌等；器件方面相关主要企业包括英飞凌、CREE、罗姆、意法半导体等。

国内从事外延片生长的企业包括厦门瀚天天成和东莞天域半导体等；从事碳化硅器件设计制造的企业包括泰科天润、华润微、绿能芯创、上海詹芯、基本半导体、中国中车等。
同时从事外延生长和器件制作的企业包括中电科五十五所、中电科十三所和三安集成等。

外延片方面，中国瀚天天成、东莞天域半导体、国民天成均可供应4-6英寸外延片。模块方面有斯达半导体、比亚迪电子、中车时代电气等公司。

▌碳化硅下游——器件

下游器件的制造效率越高、单位成本越低。

器件领域国际上600-1700V碳化硅SBD、MOSFET都已量产，Cree已开始布局8英寸产线，国内企业碳化硅MOSFET还有待突破，产线在向6英寸过渡。

碳化硅器件领域代表性的企业中，目前来看在国际上技术比较领先的是美国的Cree，其覆盖了整个碳化硅产业链的上下游（衬底-外延-器件），具有核心的技术。

下游碳化硅器件市场，美国Cree占据最大市场份额，达26%，其次为罗姆和英飞凌，分别占据21%和16%的市场份额。

英飞凌已经推出了采用转模封装的1200V碳化硅（SiC）集成功率模块（IPM），并大规模推出了SiC解决方案。

国内厂商主要有器件：泰科天润、瀚薪、扬杰科技、中电55所、中电13所、科能芯、中车时代电气、国联万众等。

模组：嘉兴斯达、河南森源、常州武进科华、中车时代电气目前碳化硅市场处于起步阶段。
碳化硅功率器件产业链公司梳理：

资料来源：银河证券
Yole预计2025年碳化硅射频器件全球市场规模可达250亿美元，2023年碳化硅功率器件全球市场规模可达14亿美元。
在未来的10年内，碳化硅器件有望大范围地应用于工业及电动汽车领域。

SiC器件的典型应用

▌5G基建——通信电源

通信电源是服务器、基站通讯的能源库，为各种传输设备提供电能，保证通讯系统正常运行。碳化硅MOSFET的高频特性使得电源电路中的磁性单元体积更小、重量更轻，电源整体效率更高；碳化硅肖特基二极管反向恢复几乎为零的特性使其在许多PFC电路中具有广阔的应用前景。例如，在3kW高效通信电源无桥交错PFC电路中，使用650V/10A碳化硅肖特基二极管，可以帮助客户实现满载效率大于等于95%的高技术要求。

▌新能源汽车充电桩——充电桩电源模块

新能源汽车行业的快速发展带动了充电柱的需求增长，对新能源电动汽车而言，提升充电速度和降低充电成本是行业发展的两大目标。在充电桩电源模块中使用碳化硅器件，可以实现充电桩电源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。

▌大数据中心、工业互联网——服务器电源

服务器电源是服务器能源库，服务器提供电能，保证服务器系统正常运行。在服务器电源中使用碳化硅功率器件，可以提升服务器电源的功率密度和效率，整体上缩小数据中心的体积，实现数据中心整体建设成本的降低，同时实现更高的环保效率。例如，在3kW服务器电源模块中，在图腾柱PFC中使用碳化硅MOSFET可以显着提升服务器电源的效率，实现更高的效率要求。

▌特高压——应用柔性输电直流断路器

特高压作为大型系统工程，将催发从原材料和元器件等一系列的需求，而功率器件是输电端特高压直流输电中FACTS柔性输电技术和变电端电力电子变压器（PET）的关键器件。直流断路器作为柔性直流输电的关键部分之一，其可靠性对整个输电系统的稳定性有着较大影响。使用传统硅基器件设计直流断路器需要多级子单元串联，在直流断路器中使用高电压碳化硅器件可以大大减少串联子单元数量，是行业研究的重点方向。

▌城际高铁和城际轨道交通——牵引变流器、电力电子变压器、辅助变流器、辅助电源

未来轨道交通对电力电子装置，比如牵引变流器、电力电子电压器等提出了更高的要求。采用碳化硅功率器件可以大幅度提高这些装置的功率密度和工作效率，将有助于明显减轻轨道交通的载重系统。碳化硅器件可以实现设备进一步高效率化和小型化，在轨道交通方面具有巨大的技术优势。日本新干线N700S已经率先在牵引变流器中使用碳化硅功率器件，大幅降低整车的重量，实现更高的运载效率和降低运营成本。

国内碳化硅产业链企业

碳化硅产业链环节分为设备、衬底片、外延片和器件环节。从事衬底片的国内厂商主要有露笑科技、三安光电、天科合达、山东天岳等；从事碳化硅外延生长的厂商主要有瀚天天成和东莞天域等；从事碳化硅功率器件的厂商较多，包括比亚迪半导体、闻泰科技、华润微、士兰微、斯达半导、扬杰科技、泰科天润、国联万众等。

▌单晶衬底

山东天岳先进材料科技有限公司成立于2010年10月，山东天岳晶体材料公司是其旗下控股公司。山东天岳是山东大学晶体研究所的产业化基地，主要从事宽禁带碳化硅半导体衬底的研发与生产，广泛应用于电力输送、航空航天、新能源汽车、半导体照明、5G通讯等技术领域。

北京天科合达半导体股份有限公司成立于2006年9月，由新疆天富集团、中国科学院物理研究所共同设立，专注于第三代半导体碳化硅晶片研发、生产和销售。天科合达在北京总部拥有一个研发中心和一个集晶体生长-晶体加工-晶片加工-清洗检测的全套碳化硅晶片生产基地，新疆子公司主要进行碳化硅晶体生长。

天科合达在国内首次建立了完整的碳化硅晶片生产线、实现碳化硅晶体的产业化，打破了国外长期的技术封锁和垄断，向国内60余家科研机构批量供应晶片2~4英寸碳化硅单晶衬底（包括半绝缘体、导电、沿C轴和偏角度等），已形成一条年产量达7万片的生产线。今年7月消息显示，天科合达6英寸碳化硅晶片正在准备中，尚未实现批量生产。

河北同光晶体有限公司成立于2012年，主要从事第三代半导体材料碳化硅衬底的研发和生产。同光晶体的主要产品包括4英寸和6英寸导电型、半绝缘碳化硅衬底，其中4英寸衬底已达到世界先进水平，目前已建成完整的碳化硅衬底生产线。

▌外延片

瀚天天成电子科技（厦门）有限公司成立于2011年3月，是一家集研发、生产、销售碳化硅外延晶片的中美合资高新技术企业，已形成3英寸、4英寸以及6英寸的完整碳化硅半导体外延晶片生产线，并满足600V、1200V、1700V器件制作的需求。

官网信息显示，2012年3月瀚天天成宣布开始接受商业化碳化硅半导体外延晶片订单，成为中国第一家提供产业化3英寸和4英寸碳化硅半导体外延晶片生产商。2014年4月，瀚天天成正式接受商业化6英寸碳化硅外延晶片订单，成为国内首家提供商业化6英寸碳化硅外延晶片的生产商。

东莞市天域半导体科技有限公司（TYSTC）成立于2009年1月，是我国首家专业从事第三代半导体碳化硅外延片研发、生产和销售的高新技术企业。

2010年天域半导体与中国科学院半导体所合作成立了“碳化硅技术研究院”，联合进行“第三代半导体碳化硅外延晶片研发及产业化”，成为全球成为全球碳化硅外延晶片的主要生产商之一。

根据媒体报道，2012年天域半导体已实现年产超2万片3英寸、4英寸碳化硅外延晶片的产业化能力，目前可提供6英寸碳化硅外延晶片以及各种单极、双极型SiC功率器件等产品。

▌器件/模块/IDM

中国电子科技集团有限公司是在原信息产业部直属的46家电子科研院所及26家全资或控股公司基础上组建而成，于2002年3月正式挂牌运营，主要从事国家重要军民用大型电子信息系统的工程建设，以及重大电子装备、软件、基础元器件、功能材料的研制、生产及保障服务。

中电科旗下2所、13所、55所等均在碳化硅产业有相关布局。其中，中电科2所官网显示其产品有N型4H-SiC衬底材料、高纯4H-SiC衬底材料；中电科13所量产高纯碳化硅材料、高纯半绝缘晶片，实现4-6寸碳化硅外延片、芯片设计制造、模块封装的完整产业链；中电科55所是国内少数从4-6寸碳化硅外延生长、芯片设计与制造、模块封装领域实现全产业链的企业单位，其6英寸碳化硅中试线已投入运行。

株洲中车时代电气股份有限公司是中国中车旗下股份制企业，其前身及母公司——中车株洲电力机车研究所有限公司创立于1959年。

2011年，中车时代电气与中科院微电子所成立联合研发中心，正式开展碳化硅功率半导体器件研究；2013年后，陆续获得国家科技重大专项“02专项”等多项国家重点项目支持；2016年该公司自主研发的碳化硅功率模块在轨道交通、光伏逆变器成功进行示范应用。

2017年12月，中车时代电气总投资3.5亿元人民币的6英寸碳化硅产业基地技术调试成功，2018年1月首批芯片试制成功。这是国内首条6英寸碳化硅生产线，获得了国家“02专项 ”、国家发改委新材料专项等国家重点项目支持，是中车时代电气的重点投资项目之一，实现碳化硅二极管和MOSFET芯片工艺流程整合，成功试制1200V碳化硅肖特基二极管功率芯片。

北京世纪金光半导体有限公司成立于2010年12月，前身为始建于1970年的中原半导体研究所（国营542厂），主要产品包括碳化硅高纯粉料、碳化硅单晶片、碳化硅同质外延片、氮化镓基外延片、石墨烯、碳化硅SBD器件、碳化硅MOSFET器件、碳化硅功率模块、IGBT模块等，集半导体单晶材料、外延、器件、模块的研发、设计、生产与销售于一体的，贯通了第三代半导体全产业链。

世纪金光于2015年第一款碳化硅SBD研制成功，开始碳化硅全产业链工业生产线建设；2016年第一款碳化硅 MOSFET器件研发成功；2018年2月1日，世纪金光6英寸碳化硅器件生产线成功通线，我国首次实现碳化硅全产业链贯通。

泰科天润成立于2012年，致力于碳化硅功率器件的自主研发、生产、销售和应用解决方案，目前在北京已建成国内第一条完整的4～6寸碳化硅器件量产线，可在碳化硅外延上实现半导体功率器件的制造工艺。

泰科天润的基础核心产品以碳化硅肖特基二极管为代表，产品包含各种封装形式的碳化硅肖特基二极管、碳化硅MOSFET和碳化硅模块等，其中600V/5A～50A、1200V/5A～50A和1700V/10A等系列的碳化硅肖特基二极管产品已投入批量生产。

此外，泰科天润还研制成功1200V碳化硅MOSFET功率器件，掌握了碳化硅MOSFET器件的设计、关键工艺和制造等全套技术，成为国际上少数几个能提供碳化硅MOSFET器件的公司之一。

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