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碳化硅襯底是第三代半導體材料中氮化鎵、碳化硅應用的基石。受技術與工藝水平限制， 氮化鎵材料作為襯底實現(xiàn)規(guī)模化應用仍面臨挑戰(zhàn)，其應用主要是以藍寶石、硅晶片或半 絕緣碳化硅晶片為襯底，通過外延生長氮化鎵以制造氮化鎵器件，主要應用于宏基站通 信射頻領域；而碳化硅材料則主要以在導電型碳化硅襯底上外延生長碳化硅外延層，應 用在各類功率器件上，近年來隨著技術工藝的成熟、制備成本的下降，在新能源領域的 應用持續(xù)滲透。碳化硅材料將是未來新能源、5G 通信領域中碳化硅、氮化鎵器件的重 要基礎。
SiC 材料擁有寬禁帶、高擊穿電場、高熱導率、高電子遷移率以及抗輻射等特性，SiC 基的 SBD 以及 MOSFET 更適合在高頻、高溫、高壓、高功率以及耐輻射的環(huán)境中工 作。在功率等級相同的條件下，采用 SiC 器件可將電驅(qū)、電控等體積縮小化，滿足功率 密度更高、設計更緊湊的需求，同時也能使電動車續(xù)航里程更長。一方面是 SiC 功率器 件在技術方面的逐漸成熟，一方面是智能化、電氣化趨勢持續(xù)演進，下游傳統(tǒng)汽車升級 帶來龐大的功率半導體需求，SiC 功率器件替代空間廣闊。
龐大的市場需求下是尚未真正爆發(fā)的 SiC 應用，核心原因是價格高昂，相比 Si 器件， SiC 價格往往高出數(shù)倍。SiC 功率器件的成本是影響其市場推廣的重要因素，而 SiC 襯 底是致其成本較高的重要原因。SiC 器件的制造成本中，SiC 襯底成本約占總成本的 47%，SiC 外延的成本占比 23%，這兩大工序是 SiC 器件的重要組成部分。而 SiC 襯 底制備受限于 SiC 晶體生長速度慢、過程難以調(diào)控、生長多型多、切割難度大等多種問 題，全球產(chǎn)能一直處于較低水平。未來，隨著核心供應商如 Cree、II-VI 大規(guī)模擴產(chǎn)， 我國三安光電（北電新材）、天科合達等企業(yè)產(chǎn)能逐步釋放，SiC 應用有望加速滲透。
碳化硅（SiC）襯底是第三代半導體材料中氮化鎵（GaN）、碳化硅應用的基石。受技術 與工藝水平限制，GaN 材料作為襯底實現(xiàn)規(guī)模化應用仍面臨挑戰(zhàn)，其應用主要是以藍寶 石、硅（Si）晶片或半絕緣 SiC 晶片為襯底，通過外延生長 GaN 外延層以制造 GaN 器 件，主要應用于宏基站通信射頻領域；而 SiC 材料則主要以在導電型 SiC 襯底上外延生 長 SiC 外延層，應用在各類功率器件上，近年來隨著技術工藝的成熟、制備成本的下降， 在新能源領域的應用持續(xù)滲透。由此可以看出，SiC 材料將是未來新能源、5G 通信領 域中 SiC、GaN 器件的重要基礎。
硅基器件逼近物理極限，化合物半導體前景廣闊。目前絕大多數(shù)的半導體器件和集成電 路都是由硅制作的，出色的性能和成本優(yōu)勢讓硅在集成電路等領域占有絕對的優(yōu)勢，無 論是在電力電子領域還是通信射頻等領域，硅基器件在低壓、低頻、中功率等場景，應 用也非常廣泛。但在一些高功率、高壓、高頻、高溫等應用領域如新能源和 5G 通信等， 硅基器件的表現(xiàn)逐漸達不到理想的要求，以三五族為代表的化合物半導體以其性能優(yōu)勢 在通訊射頻、光通信、電力電子等領域逐步大規(guī)模民用化。
區(qū)別于第一代單元素半導體，化合物半導體具有確定的禁帶寬度和能帶結(jié)構(gòu)等半導體性 質(zhì)，如近年來在通信、新能源領域嶄露頭角的氮化鎵、碳化硅材料，在電子遷移率、禁 帶寬度、功耗等指標上表現(xiàn)更優(yōu)，具有高頻、抗輻射、耐高電壓等特性。
在第三代半導體材料中，GaN 禁帶寬度達到 3.5eV，禁帶寬度越大，耐高電壓和高溫性 能越好；同時高電子飽和漂移速度較高，因此 GaN 相比 Si 具有更高的頻率特性。GaN 的適用頻率、輸出功率、功率密度遠遠大于 LDMOS 和 GaAs，具有作為射頻器件的先 天優(yōu)勢。
而由于毫米波的功率要求非常高，對于 5G 來說，GaN 將成為最適合 PA 的材料，尤其 在 28GHz 以上的頻段。GaN 誕生初期主要用于制作高頻大功率微波器件，多用于軍用 雷達、智能武器和通信系統(tǒng)等方面，目前已逐漸向 5G 移動通訊基站等民用領域拓展， 在低頻段 3-6GHz 和毫米波頻段發(fā)揮作用，成為基站功放器的重要新材料。
GaN 射頻器件未來前景廣闊，主要受益于 5G 基站建設數(shù)量、射頻器件用量的提升 近年來 5G 基站快速滲透，射頻芯片數(shù)量提升。4G 基站設備由 BBU（基帶單元）和 RRU （射頻拉遠單元）組成，RRU 通常會拉遠至接近天線的地方，BBU 與 RRU 之間通過 光纖連接，而 RRU 與天線之間通過饋線連接。5G 基站設備將 BBU 分割為 CU（中央 單元）和 DU（分布式單元），并通過光纖與 AAU（有源天線單元）連接。5G 基站天線 采用 MassiveMIMO 技術，天線和 RRU 合設，組成 AAU。MassiveMIMO 天線一般為 64T64R，則單個宏基站天線數(shù)量為 192 個，放大器數(shù)量為 192 個。5G 基站之于 4G 基 站的主要變化有：
天線：1）產(chǎn)品形態(tài)變化，基站天線+RRU（4G 時代）--→AAU（5G 時代）；2）高頻特性 3.5GHz/5GHz，覆蓋面積小，帶動天線數(shù)量提升；3）MassiveMIMO 技術變化，基站天線（4T4R）--→AAU（64T64R），單天線價值量提升；
濾波器：1）輕量化、小型化、有源化，金屬腔體濾波器--→陶瓷介質(zhì)濾波器；2）MassiveMIMO 多通道，每個通道需要濾波器，單個基站的濾波器數(shù)量增多。
5G 基站數(shù)量相較 4G 大幅提升。2~4G 均是低頻段信號傳輸，宏基站幾乎能覆蓋所有的 信號傳輸，但由于 5G 主要是中高頻段，宏基站能覆蓋的信號范圍相對有限，因此為了 保障信號的覆蓋程度，5G 基站的部署密度相較于 4G 基站將會有所增加，同時還通過 小基站模式增強信號覆蓋能力。根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，截至 2020 年 10 月我國共建成 5G 基 站超 70 萬座，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預計 2022 年底我國 5G 基站數(shù)可能達到 110 萬個，實 現(xiàn)全國所有地級市室外的 5G 連續(xù)覆蓋、縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)重點覆蓋、重點場景室內(nèi)覆蓋。
GaN 因其小體積、大功率的特性，通常應用在雷達上面，目前已逐漸應用在基站 PA 芯 片上。GaN 器件有 Si 基和 SiC 基兩種，GaN-on-Si 主要應用于電力電子領域，用作高 功率開關，GaN-on-SiC 主要應用于射頻領域，主要得益于 SiC 的高導熱率以及低 RFloss，適用于功率較大的宏基站。據(jù) Yole，預計 2025 年 GaN 射頻器件在通信基建 上的市場將達 7.31 億美元，2019~2025 年復合增速達 14.88%，2025 年整體市場規(guī)模 達 20 億美元，2019~2025 年復合增速達 12%。
而 GaN 射頻器件主要在 SiC 襯底上制作，因此 5G 基站對 SiC 襯底也有較大需 求。以我國 5G 基站市場為例，據(jù)拓璞產(chǎn)業(yè)研究院，預計 2023 年我國 5G 基站 建設需求 GaN 晶圓約 45.3 萬片，對應 4 寸半絕緣 SiC 襯底片需求 45.3 萬片， 襯底需求量持續(xù)增加。
如前文所述，SiC 絕緣擊穿場強是硅的 10 倍（意味著外延層厚底是硅的 1/10），帶隙、 導熱系數(shù)約為硅的 3 倍，同時在器件制作時可以在較寬范圍內(nèi)控制必要的 p 型、n 型， 能夠在高溫、高壓等工作環(huán)境下工作，同時能源轉(zhuǎn)換效率更高，所以被認為是一種超越 Si 極限的功率器件材料，在新能源領域中具有相比 Si 器件更好的表現(xiàn)。我們認為，未來 SiC 材料將在對能源轉(zhuǎn)換效率、高溫高壓環(huán)境下工作可靠性好、體積重 量要求高的電力電子領域大放異彩，主要因為：
擊穿電場高→耐高壓、導通電阻低→小型化、可靠性強。SiC 的絕緣擊穿場強是 Si 的 10 倍，因此與 Si 器件相比，能夠以具有更高的雜質(zhì)濃度和更薄的厚度的漂移 層制作 600V～數(shù)千 V 的高耐壓功率器件。高耐壓功率器件的阻抗主要由該漂移層 的阻抗組成，因此采用 SiC 可以得到單位面積導通電阻非常低的高耐壓器件。理 論上，相同耐壓的器件，SiC 的單位面積的漂移層阻抗可以降低到 Si 的 1/300。
高電子飽和漂移速度→高頻開關損耗小→提高轉(zhuǎn)換效率。Si 材料中，為了改善伴 隨高耐壓化而引起的導通電阻增大的問題，主要采用如 IGBT 等少數(shù)載流子器件 （雙極型器件），但是這類器件卻存在開關損耗大的問題，其結(jié)果是由此產(chǎn)生的發(fā) 熱會限制相應功率器件的高頻驅(qū)動。而 SiC 材料飽和電子漂移速度是 Si 器件的 2.7 倍，能夠以高頻器件結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件（SBD 和 MOSFET）同時實現(xiàn)"高耐壓 "、"低導通電阻"、"高頻"這三個特性。
禁帶寬度大、導熱系數(shù)高→耐高溫→可在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作，減小散熱設備面積。SiC 材料帶隙較寬，約為 Si 的 3 倍，因此 SiC 功率器件即使在高溫下也可以穩(wěn)定 工作。對于主流的大功率 HEV，一般包含兩套水冷系統(tǒng)，一套是引擎冷卻系統(tǒng)， 冷卻溫度約 105℃，另一套是電力電子設備的冷卻系統(tǒng)，冷卻溫度約為 70℃。如 果采用 SiC 功率器件，由于其具有 3 倍于 Si 的導熱能力，可以使器件工作于較高 的環(huán)境溫度中，使得未來車企或?qū)⒛軌虬褍商姿湎到y(tǒng)合二為一甚至直接采用風 冷系統(tǒng)，這將大大降低 HEV 驅(qū)動系統(tǒng)的成本，同時空出更多的車身空間以裝配更 多的電子元器件（如各類傳感器）。
目前材料的理論性能如何在器件的性能中得以表現(xiàn)？以目前 SiC 功率器件中較為成熟 的肖特基二極管（SBD）和 MOSFET 為例：SiC-SBD：SiC-SBD 與 Si-SBD 相比的總?cè)菪噪姾桑≦c）較小，能夠在實現(xiàn)高速開關操 作的同時減少開關損耗，因此它們被廣泛用于電源的 PFC 電路中。同時 Si 基快速恢復 二極管（FRD）在從正向切換到反向的瞬間會產(chǎn)生極大的瞬態(tài)電流，在此期間轉(zhuǎn)移為反 向偏壓狀態(tài)，從而產(chǎn)生很大的損耗。正向電流越大，或者溫度越高，恢復時間和恢復電 流就越大，從而損耗也越大。與此相反，SiC-SBD 是不使用少數(shù)載流子進行電傳導的多 數(shù)載流子器件（單極性器件），因此原理上不會發(fā)生少數(shù)載流子積聚的現(xiàn)象。而且，該瞬 態(tài)電流基本上不隨溫度和正向電流而變化，所以不管何種環(huán)境下，都能夠穩(wěn)定地實現(xiàn)快 速恢復。因此，如果用 SiC-SBD 替換現(xiàn)在主流產(chǎn)品快速 PN 結(jié)二極管（FRD:快速恢復 二極管），能夠明顯減少恢復損耗。
這些優(yōu)勢有利于電源的高效率化，并且通過高頻驅(qū)動實現(xiàn)電感等無源器件的小型化、低 噪化，可廣泛應用于空調(diào)、電源、光伏發(fā)電系統(tǒng)中的功率調(diào)節(jié)器、電動汽車的快速充電 器等的功率因數(shù)校正電路（PFC 電路）和整流橋電路中。例如，KinkiRoentgen 公司用 于 X 射線發(fā)生器的 500 瓦電源采用了羅姆 SiC-SBD，使每瓦的電源體積比舊系統(tǒng)減小 了 5 倍。
SiC-MOSFET：Si 材料中越是高耐壓器件，單位面積的導通電阻也越大（以耐壓值的約 2~2.5 次方的比例增加），因此 600V 以上的電壓中主要采用 IGBT 器件，通過電導率調(diào) 制向漂移層內(nèi)注入作為少數(shù)載流子的空穴，因此導通電阻比 MOSFET 要小，但是同時 由于少數(shù)載流子的積聚，在開關關閉時會產(chǎn)生尾電流，從而造成極大的開關損耗。SiC 器件漂移層的阻抗比 Si 器件低，不需要進行電導率調(diào)制就能夠以 MOSFET 實現(xiàn)高 耐壓和低阻抗，因而SiC-MOSFET 原理上在開關過程中不會產(chǎn)生拖尾尾電流，可高速 運行且開關損耗低，能夠在 IGBT 不能工作的高頻、高溫條件下驅(qū)動，可實現(xiàn)散熱部件 的小型化。
此外，SiC-MOSFET 還具有如導通電阻增加量很小的優(yōu)異的材料屬性，并且有比導通 電阻可能隨著溫度的升高而上升 2 倍以上的硅（Si）器件更優(yōu)異的封裝微型化和節(jié)能的 優(yōu)點，例如900V時，SiC-MOSFET的芯片尺寸只需要Si-MOSFET的1/35、SJ-MOSFET 的 1/10，就可以實現(xiàn)相同的導通電阻。同時，Si-MOSFET 最高只有 900V 的產(chǎn)品，但 是 SiC 卻能夠以很低的導通電阻輕松實現(xiàn) 1700V 以上的耐壓。
封裝微型化和節(jié)能的優(yōu)勢將直接體現(xiàn)在功率模塊上，以豐田采用的 6.1kWSiCOBC 模塊 為例，其功率密度是 3.3kW 硅 OBC 模塊的 4 倍。
由于這些特性，英飛凌、意法半導體、Rohm 等功率半導體主要供應商紛紛布局 SiC 功 率產(chǎn)品，新能源相關的 SiC 功率器件應用也在不斷落地。
器件和模塊技術已逐步到位，下游需求釋放增長動能
一方面是 SiC 功率器件在技術方面的逐漸成熟，一方面是智能化、電氣化趨勢持續(xù)演 進，下游傳統(tǒng)汽車升級帶來龐大市場需求。在全球碳中和政策的要求下，各國政府不斷 推進新能源車補貼政策，使得包含純電動車(BEV)與插電混合式電動車(PHEV)在內(nèi)的新 能源車在疫情導致的整體車市衰退下仍保持銷售正成長。同時，據(jù) PwC 預計，未來歐 盟 / 美 國 / 中 國 BEV 占 輕 型 汽 車 新 車 銷 量 比 重 將 持 續(xù) 提 升 ， 2025 年 可 達 17.1%/5.0%/19.5%，出貨量達 290.7/80/546 萬輛。
在智能化、電氣化趨勢下，汽車電子系統(tǒng)價值量將持續(xù)提升，其中的核心是汽車半導體。汽車半導體是指用于車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的半導體產(chǎn)品。按 照功能種類劃分，汽車半導體大致可以分為主控/計算類芯片、功率半導體（含模擬和混 合信號 IC）、傳感器、無線通信及車載接口類芯片、車用存儲器以及其他芯片（如專用 ASSP 等）幾大類型，而且隨著電氣化以及智能化應用的增多，汽車半導體無論是安裝 的數(shù)量還是價值仍在不斷增長之中。據(jù)羅蘭貝格估算，預計 2025 年一臺純電動車中電 子系統(tǒng)成本約為 7,030 美元，較 2019 年的一臺燃油車的 3,145 美元大增 3,885 美元， 而其中新能源驅(qū)動系統(tǒng)成本較燃油車增加約為 2,235 美元，是電子系統(tǒng)價值量增加的主 要來源。
功率器件是新能源車半導體的核心組成，是價值量提升的關鍵賽道。隨著新能源汽車的 發(fā)展，對功率器件需求量日益增加，成為功率半導體器件新的增長點。功率半導體器件 也叫電力電子器件，大多數(shù)使用狀態(tài)為導通和阻斷兩種工作特性，主要用于電流電壓的 變換與調(diào)控。近 20 年來各個領域?qū)β势骷碾妷汉皖l率要求越來越嚴格，MOSFET 和 IGBT 逐漸成為主流，多個 IGBT 可以集成為 IPM 模塊，用于大電流和大電壓的環(huán)境。此外新能源汽車系統(tǒng)架構(gòu)中涉及到功率半導體應用的組件包括電機驅(qū)動系統(tǒng)、車載充電 系統(tǒng)（OBC）、電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（車載 DC/DC）和非車載充電樁，每個部件都需要大量的 功率半導體對電流電壓進行控制。據(jù) StrategyAnalytics，純電動汽車中功率半導體占汽 車半導體總成本比重約為 55%，遠超傳統(tǒng)能源汽車的 21%。
新能源汽車行業(yè)是市場空間巨大的新興市場，全球范圍內(nèi)新能源車的普及趨勢逐步清晰 化，帶動功率半導體市場快速增長。根據(jù) IHSMarkit 預測，2018 年全球功率器件市場規(guī) 模約為 391 億美元，預計至 2021 年市場規(guī)模將增長至 441 億美元，2018~2021 年復 合增速為 4.09%。目前國內(nèi)功率半導體產(chǎn)業(yè)鏈正在日趨完善，技術也正在取得突破，同 時，中國也是全球最大的功率半導體消費國，2018 年市場需求規(guī)模達到 138 億美元， 增速為 9.5%，占全球需求比例高達 35%。IHSMarkit 預計未來中國功率半導體將繼續(xù) 保持較高速度增長，2021 年市場規(guī)模有望達到 159 億美元，2018~2021 年復合增速達 4.83%。
據(jù)英飛凌預估，48V/輕混合動力汽車、插電式、混合動力或純電動車功率半導體價值量 未來有望達 90 美元/臺、330 美元/臺，以其預計 2030 年全球約 0.27 億臺 48V/輕混合 動力汽車、0.32 億臺插電式、混合動力及純電動車計算，車載功率半導體市場空間便達 130.17 億美元。
新能源車帶動功率半導體市場需求快速擴容，SiC 功率器件或迎替代機遇。SiC 材料擁 有寬禁帶、高擊穿電場、高熱導率、高電子遷移率以及抗輻射等特性，SiC 基的 SBD 以 及 MOSFET 更適合在高頻、高溫、高壓、高功率以及強輻射的環(huán)境中工作。在功率等 級相同的條件下，采用 SiC 器件可將電驅(qū)、電控等體積縮小化，滿足功率密度更高、設 計更緊湊的需求，同時也能使電動車續(xù)航里程更長。據(jù)天科合達招股說明書，美國特斯 拉公司的 Model3 車型便采用了以 24 個 SiCMOSFET 為功率模塊的逆變器，是第一家 在主逆變器中集成全 SiC 功率器件的汽車廠商；目前全球已有超過 20 家汽車廠商在車 載充電系統(tǒng)中使用 SiC 功率器件；此外，SiC 器件應用于新能源汽車充電樁，可以減小 充電樁體積，提高充電速度。據(jù) Yole，2018 年全球車載 SiC 功率器件的市場空間為 4.2 億美金，預計到 2024 年市場空間可以達到 19.3 億美金，對應 2018-2024 年復合增速 達到 29%。
未來光伏發(fā)電將會是全球新能源發(fā)展的主要方向，新增裝機量持續(xù)提升，而逆變器是光 伏不可或缺的重要組成部分，是光伏發(fā)電能否有效、快速滲透的關鍵之一。高效、高功 率密度、高可靠和低成本是光伏逆變器的未來發(fā)展趨勢，據(jù)天科合達招股說明書，目前 在光伏發(fā)電應用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng) 10%左右，卻是系統(tǒng)能量 損耗的主要來源之一。使用 SiC-MOSFET 或 SiC-MOSFET 與 SiC-SBD 結(jié)合的功率模 塊的光伏逆變器，轉(zhuǎn)換效率可從 96%提升至 99%以上，能量損耗降低 50%以上，設備 循環(huán)壽命提升 50 倍，從而能夠縮小系統(tǒng)體積、增加功率密度、延長器件使用壽命、降 低生產(chǎn)成本。SiC 功率器件，為實現(xiàn)光伏逆變器的“高轉(zhuǎn)換效率”和“低能耗”提供了 所需的低反向恢復和快速開關特性，對提升光伏逆變器功率密度、進一步降低度電成本 至關重要。在組串式和集中式光伏逆變器中，SiC 產(chǎn)品預計會逐漸替代硅基器件。
此外，儲能、充電樁、軌道交通、智能電網(wǎng)等也將大規(guī)模應用功率器件。整體而言，隨 著器件的小型化與對效率要求提升，采用化合物半導體制成的電力電子器件可覆蓋大功 率、高頻與全控型領域，其中 SiC 的出現(xiàn)符合未來能源效率提升的趨勢。以 SiC 制成的 電力電子器件，工作頻率、效率及耐溫的提升使得功率轉(zhuǎn)換（即整流或者逆變）模塊中 對電容電感等被動元件以及散熱片的要求大大降低，將優(yōu)化整個工作模塊。未來，在 PFC 電源、光伏、純電動及混合動力汽車、不間斷電源（UPS）、電機驅(qū)動器、風能發(fā)電以及 鐵路運輸?shù)阮I域，SiC 的應用面會不斷鋪開。
需求旺盛，供給不足：碳化硅襯底供應亟待解決
龐大的市場需求下是尚未真正爆發(fā)的 SiC 應用，而 SiC 功率器件的成本是影響其市場 推廣的重要因素。相比 Si 器件，SiC 價格往往高出數(shù)倍，重要是因為 SiC 襯底較為昂 貴——SiC 襯底是 SiC 器件制作的基礎和成本的主要來源。SiC 器件的制造成本中，SiC 襯底成本約占總成本的 47%，SiC 外延的成本占比 23%，這兩大工序是 SiC 器件的重 要組成部分而目前 6 寸 SiC 襯底價格超 900 美元/片，相比 6 寸硅片不到 50 美元/片的 價格相差巨大，這也是目前 SiC 器件價格高昂、阻礙下游廠商應用的重要原因之一。而 SiC 襯底成本較高，主要因為：1、技術起步晚，晶圓、器件技術發(fā)展相較硅材料晚；2、 SiC 襯底生長較慢，技術難度大。
技術起步晚，晶圓、器件技術發(fā)展相較硅材料晚。Cree 于 2000 年前后量產(chǎn) 4 寸 SiC 襯 底片，此時硅片尺寸已發(fā)展至 12 寸，隨后 SiC 襯底片尺寸直到 2009 年前后才推進至 6 寸，至今尚無 8 寸襯底片量產(chǎn)。襯底片量產(chǎn)時間晚、尺寸小也直接影響了 SiC 器件技 術的發(fā)展，盡管后者迭代速度較硅器件更快，整體生產(chǎn)成本仍存較大差距。
SiC 襯底片發(fā)展慢、尺寸擴大困難的核心原因是 SiC 晶棒生長條件苛刻、生長速度慢、 尺寸提升帶來的技術難度大。目前 SiC 襯底的制備過程大致分為兩步，第一步制作 SiC 單晶；第二步通過對 SiC 晶錠進行粗加工、切割、研磨、拋光，得到透明或半透明、無 損傷層、低粗糙度的 SiC 晶片。
由于物理的特性，SiC 材料擁有很高的硬度，目前僅次于金剛石，因此在生產(chǎn)上勢必要 在高溫與高壓的條件下才能生產(chǎn)，一般而言，需要在 2500℃以上高溫（硅晶僅需在 1500℃）。目前制備 SiC 單晶的方法有籽晶升華法、高溫化學氣相沉積法（HTCVD）和 液相法（LPE）。籽晶升華法是較為的 SiC 晶棒生長方法，又稱物理氣相傳輸法（PVT)。其原理是在超過 2500℃高溫下將碳粉和硅粉升華分解成為 Si 原子、Si2C 分子和 SiC2 分子等氣相物質(zhì)，在溫度梯度的驅(qū)動下，這些氣相物質(zhì)將被輸運到溫度較低的碳化硅籽 晶上形成 4H 型碳化硅晶體。通過控制 PVT 的溫場、氣流等工藝參數(shù)可以生長特定的 4H-SiC 晶型。以 PVT 法為例，SiC 晶體制備面臨以下困難：
1、 溫場控制困難：以目前的主流制備方法物理氣相傳輸法（PVT）為例，SiC 晶棒需 要在 2500℃高溫下進行生產(chǎn)，而硅晶只需 1500℃，因此需要特殊的單晶爐，且在 生產(chǎn)中需要精確調(diào)控生長溫度，控制難度極大；
2、 生產(chǎn)速度緩慢：SiC 晶棒厚度每小時生長速度視尺寸大小約為 0.2~1mm/小時，而 硅晶棒可達每小時 1~10mm/小時；生產(chǎn)周期方面，SiC 晶棒約需要 7 至 10 天，長 度約 2cm，而硅晶棒只需要 3~4 天即可長成，長度可達 2m；
3、 良品參數(shù)要求高，黑匣子良率難以及時控制：SiC 晶片的核心參數(shù)包括微管密度、 位錯密度、電阻率、翹曲度、表面粗糙度等，在密閉高溫腔體內(nèi)進行原子有序排列 并完成晶體生長、同時控制參數(shù)指標是復雜的系統(tǒng)工程。以多型為例，SiC 存在 200 多種晶體結(jié)構(gòu)類型，其中六方結(jié)構(gòu)的 4H 型（4H-SiC）等少數(shù)幾種晶體結(jié)構(gòu)的單晶 型 SiC 才是所需的半導體材料，在晶體生長過程中需要精確控制硅碳比、生長溫度 梯度、晶體生長速率以及氣流氣壓等參數(shù)，否則容易產(chǎn)生多晶型夾雜，導致產(chǎn)出的 晶體不合格；而在石墨坩堝的黑盒子中無法即時觀察晶體生長狀況，需要非常精確 的熱場控制、材料匹配及經(jīng)驗累積。4、 晶體擴徑難度大：氣相傳輸法下，SiC 晶體生長的擴徑技術難度極大，隨著晶體尺 寸的擴大，其生長難度工藝呈幾何級增長。這導致目前 SiC 晶圓主要是 4 英寸與 6 英寸，而用于功率器件的硅晶圓以 8 英寸為主，這意味著 SiC 單晶片所產(chǎn)芯片數(shù)量 較少、SiC 芯片制造成本較高。
此外，除了 SiC 晶體生長外，后端工藝流程仍面臨較大困難：
切割難度大：SiC 硬度與金剛石接近，切割、研磨、拋光技術難度大，工藝水平的提高 需要長期的研發(fā)積累，也需要上游設備商特殊設備的配套開發(fā)；
外延工藝效率低：SiC 的氣相同質(zhì)外延一般要在 1500℃以上的高溫下進行。由于有升華 的問題，溫度不能太高，一般不能超過 1800℃，因而生長速率較低。液相外延溫度較 低、速率較高，但產(chǎn)量較低。
高技術壁壘帶來的行業(yè)生態(tài)：高集中度、強整合趨勢、 鎖單
高成本、缺陷密度（良率）、晶圓尺寸和晶圓供給是襯底生產(chǎn)的核心壁壘，而 SiC 晶體 黑匣子的生長環(huán)境對企業(yè)工藝技術的積累和配套設備的研發(fā)能力將成為企業(yè)技術壁壘 的重要構(gòu)成。同時，設備方面，由于 SiC 的襯底材料生長的獨特性，全球襯底巨頭包括 國內(nèi)的一些襯底廠商，很多都是自研自產(chǎn) SiC 單晶爐——這將影響襯底生長的品質(zhì)把 控，進一步拉高了后進者進入 SiC 襯底行業(yè)的難度。
由于進入襯底行業(yè)需要長期的技術積累和產(chǎn)線適配，目前，SiC 晶片產(chǎn)業(yè)格局呈現(xiàn)美國 全球獨大的特點。導電型 SiC 襯底市場的主要供應商有美國 CREE（Wolfspeed）、 DowCorning、美國 II-VI、等。國際 SiC 龍頭企業(yè)起步較早，產(chǎn)業(yè)發(fā)展已較為成熟，2018 年 CREE 公司的導電型 SiC 襯底占據(jù)整個市場 62%的份額，其次為 II-VI、SiCrystal， 三者合計占據(jù)高達 90%的市場份額，中國企業(yè)僅占小于 3%的份額。
一方面，全球 SiC 襯底、器件廠商對 SiC 市場預期積極，步調(diào)接近，顯示供應商方面對 前景充分看好。如 Cree 預計 SiC 襯底、SiC 功率器件 2024 年市場規(guī)模分別可達 11 億、 50 億美元，2018~2024 年復合增速達 44.47%、51.11%；而 II-VI 更是預計 2030 年 SiC 市場規(guī)模將超 300 億美元，2020~2030 年復合增速高達 50.60%。此外，Rohm、ST 半 導體、英飛凌等廠商亦對 SiC 市場未來增長持有強烈的信心，凸顯行業(yè)上行趨勢的強勁。
另一方面，2020 年全球新能源車銷售量在新冠疫情影響出行的情況下實現(xiàn)了大幅增長， 顯示 SiC 下游市場需求或?qū)⒂瓉肀l(fā)期。據(jù)英飛凌，2020 年全球新能源車銷量達 324 萬輛，同比增長 43%，其中我國新能源車銷量高達 133.48 萬輛，穩(wěn)居全球第一，占全 球新能源車銷量比重達 41.2%。未來新能源車銷量有望持續(xù)增加，帶來對功率半導體的 需求量大幅擴張，而 SiC 功率器件具備耐高溫、耐高壓、損耗低、體積小、重量輕等多 種優(yōu)勢，未來或?qū)⒊掷m(xù)替代硅功率器件，屆時無論 SiC 器件還是襯底都將迎來持續(xù)的需 求增長期。
整體而言，SiC 行業(yè)主要受限于產(chǎn)能供應短缺帶來的器件價格高昂，而核心國內(nèi)外供應 商紛紛加大對 SiC 襯底、器件產(chǎn)能的擴張，未來有望為 SiC 應用的滲透提供強勁動力。而在這期間內(nèi)，由于 SiC 行業(yè)起步晚、高度依賴工程師工藝經(jīng)驗積累，國內(nèi)企業(yè)有望實 現(xiàn)彎道超車，享受行業(yè)新增長點帶來的成長紅利。因此，我們建議關注前瞻布局 SiC 技 術、具備相關經(jīng)驗積累、產(chǎn)能儲備的優(yōu)質(zhì)企業(yè)。