（报告出品方/作者：国泰君安证券，徐乔威、李启文）
1. 碳化硅高性能+低损耗，产业化受制于衬底产能
1.1. 半导体材料更迭四代，宽禁带材料突破瓶颈
在高性能和低能耗半导体器件驱动下，半导体材料经历四次更迭。半导 体材料是制造半导体器件和集成电路的电子材料，是电子信息技术发展 的基础。伴随下游应用日趋复杂化和精细化，高性能及低损耗的半导体 器件需求成为半导体研究的重要方向，驱动半导体材料经历四次更迭： 1）第一代元素半导体材料：硅（Si）、锗（Ge）。20 世纪 50 年代兴起， 取代了笨重的电子管，奠定了以集成电路为核心的微电子工业的基础， 广泛用于信息处理和自动控制等领域。 2）第二代化合物半导体材料：砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）。20 世纪 90 年代兴起，突破硅在高频高压及光电子领域的局限，开拓了移动通信 和以光纤通信为基础的信息高速公路和互联网产业，多用于发光电子器 件以及通信基础设备。 3）第三代宽禁带半导体材料：碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等。近 10 年逐渐兴起，具备大带隙、大载流子漂移速率、大热导率和大击穿电场 四大特性，全面突破材料在高频、高压、高温等复杂条件下的应用极限， 适配 5G 通信、新能源汽车、智能物联网等新兴产业，对节能减排、产 业转型升级、催生新的经济增长点将发挥重要作用。 4）第四代超禁带半导体材料：氧化镓（Ga2O3）、氮化铝（AlN）、金刚 石以及锑化镓（GaSb）、锑化铟（InSb）等。近 5-10 年被提出，在第三 代半导体基础上实现进一步提效降本，以人工智能与量子计算为驱动力， 目前处于科研与产业化起步阶段。
高功率+高频率+高温+高电压，第三代半导体（SiC 和 GaN）物理性能 优异。第三代半导体作为宽禁带材料，具有四大特性：大带隙、大载流 子漂移速率、大热导率和大击穿电场，做成的器件对应有四高性能：高 功率、高频率、高温和高电压，制造的装备系统对应有四小优点：小能 耗、小体积、小体重和小成本（暂未实现）。在半导体照明、新一代移动 通信、能源互联网、高速轨道交通、新能源汽车、消费电子等领域有广 阔的应用前景。
SiC 和 GaN应用各有侧重，SiC 为宽禁带核心材料。SiC 和 GaN 是应用 最广、发展最快的第三代半导体材料，光电子领域主要是 GaN 的应用， 涉及 LED、LD 及光探测器，热门赛道是 Micro-LED 和深紫外 LED。1) 电力电子领域：SiC 适合中高压，GaN 适合中低压，二者在中压领域竞 争（650-1200V，汽车和光伏），热门赛道是 SiC SBD、MOSFET 和 GaN HEMT 等。2)微波射频方面：SiC 基 GaN-HEMT 已占据 5G 基站功率放 大器半壁江山。现阶段，SiC 质量远高于 GaN，占据了近 90%的第三代 半导体电力电子器件市场。
SiC 不同晶体结构性能各异，4H-SiC 综合性能最佳。SiC 由于 C 原子和 Si 原子结合方式多样，有 200 多种同质异型晶体结构，其中 6H-SiC 结 构稳定，发光性能好，适合光电子器件；3C-SiC 饱和电子漂移速度高， 适合高频大功率器件；4H-SiC 电子迁移率高、导通电阻低、电流密度高， 适合电力电子器件。 4H-SiC 是目前综合性能最好、商品化程度最高、 技术最成熟的第三代半导体材料，是制造高压、高温、抗辐照功率半导 体器件的理想材料。SiC的热、物理、化学性质很稳定：热导率[84W/(m·K) 超过铜，约为硅的 3 倍；禁带宽度约为 Si 的 3 倍，击穿电场强度高于 Si 一个数量级，饱和电子漂移速度是 Si 的 2.5 倍，2000℃时导电性与石墨 相当；耐腐蚀性非常强，表面 SiO2 薄层防止进一步氧化，室温下几乎可 以抵抗任何已知的腐蚀剂。
1.2. SiC 功率器件性能优越，有望实现对硅基器件的替代
继承 SiC 材料优点，SiC 器件兼具高性能和低损耗。SiC 器件基于 SiC 材料，在效能提升和损耗控制上相比硅基器件均有优势，具体体现在： 1）更高的耐压性和耐高温性。SiC 材料击穿电场强度是 Si 的 10 余倍， 能承受更大的工作区间和功率范围。SiC 热导率约为 Si 的 3 倍，更高的 热导率可以带来功率密度的显著提升，同时散热性能更好，散热系统的 设计更简单，或者直接采用自然冷却。 2）更高的工作频率。SiC 材料饱和电子漂移速率为 Si 的 2.5 倍，导通电 阻更低，导通损耗低；SiC 器件（SBD 和 MOSFET）能够克服 IGBT 器 件在关断过程的电流拖尾现象，降低开关损耗和系统损耗，大幅提高实 际应用的开关频率。 3）更低的能耗和更小的尺寸。SiC 材料击穿电场强，可以更高的杂质浓 度和更薄的漂移层，制作导通电阻非常低的耐高压大功率器件。根据 Rohm 测算，理论上相同规格 SiC-MOSFET 导通电阻可降为硅基 MOSFET 的 1/200，尺寸降低为 1/10；使用 SiC-MOSFET 的逆变器的系 统能耗，小于使用同规格 Si-IGBT 逆变器能耗的 1/4。
SiC材料适用于制造功率器件和射频器件，新能源汽车+光伏驱动功率 器件快速发展。SiC 衬底可分为导电型衬底和半绝缘型衬底，从电化学 性质差异来看，导电型衬底电阻率区间为 15~30Ω·cm，半绝缘型衬底电 阻率高于 105Ω·cm。导电型衬底生长 SiC 外延层后可用于制造各类功率器件，半绝缘型衬底生长 GaN 衬底后可进一步用于制造各类微波射频器 件。近几年，由于新能源汽车、光伏、智能电网等行业兴起，拉动 SiC 功率器件市场快速增长。
SiC功率器件主要包括二极管和晶体管，有望实现对硅基器件的替代。 功率器件主要用于电力电子设备电能管理，由于 Si 硅材料物理性质限 制，依靠 Si 器件完善来提高装置和系统性能的潜力有限，而 SiC 功率器 件由于出色的高压、高频、高温和低损耗性能，非常具有应用前景。SiC 功率器件按类型主要可以划分为功率二极管和功率晶体管，功率二极管 有三种类型：肖特基二极管（SBD）、PiN 二极管和结势垒控制肖特基二 极管（JBS）；功率晶 体管主要包括金属氧 化物半导体场效应 管 （MOSFET）、结型场效应管（JFET）、双极性晶体管（BJT）、绝缘栅双 极晶体管 （IGBT）和晶闸管（Thyristor）。二极管、MOSFET 和 IGBT 是应用最广泛且性能指标先进的功率半导体，SiC-SBD 于 2001 年开始 商用；SiC-MOSFET 于 2010 年开始商用，已经是 SiC 功率器件最大市 场；SIC-IGBT 由于研发起步晚，目前尚未实现产业化。
SiC-SBD 替代目标为高压（≥600V）的硅基快速恢复二极管（Si-FRD）。 SiC-SBD 与 Si-SBD 结构基本相同，本质是金属和半导体材料接触时， 在界面半导体处的能带弯曲形成肖特基势垒，因此 SiC-SBD 继承了 SiSBD 的优点：TRR 高速性、低恢复损耗、反向电流小、可实现小型化和 高频工作等。由于 SiC 材料耐压、耐高温，SiC-SBD 基本不存在温度依 赖性，还将 SBD 应用范围从 250V 提升到 1200V，部分产品电压达到 1700/3300V。SiC-SBD 仅电子移动产生电流，Si-FRD 利用 PN 结二极管 通过电子和空穴（孔）产生电流，关断速度慢、TRR 特性较差且损耗较 大。现阶段，SiC-SBD 在部分高压硬开关拓扑的应用中（通信/服务器/工 业/汽车 AC-DC 电源换流二极管，变频器/逆变器续流二极管等）对 SiFRD 形成替代，SiC-PiN 和 SiC-JBS 相比硅基器件耐压性、耐高温性和 高频性等更好。英飞凌、罗姆、科瑞和意法半导体产品种类占比达 53%， 国内已实现 600V~1700VSiC 二极管产品批量销售，代表企业为中电科 55 所、泰科天润、世纪金光、国联万众等。
SiC-MOSFET 替代目标为高压（≥650V）的 Si-MOSFET 和 IGBT。 MOSFET 是通过给金属层(M-金属铝)栅极和隔着氧化层(O-绝缘层SiO2) 源极施加电压，产生电场来控制半导体(S)导电沟道开关的场效应晶体管 （FET）。MOSFET 优点在于开关速度快（几十至几百纳秒）、开关损耗 很小、稳定性高，缺点在于高压环境下电阻增大，传导损耗增大。在 650V 以上高压下，Si 材料导通电阻很大，因此常采用 IGBT 结构调制电导率 以降低导通电阻，缺点是在关断时产生拖尾电流，开关损耗较大。SiCMOSFET 继承了硅基器件的优异特性，关断损耗和导通损耗很小，同时 由于漂移层更薄、导通电阻极低、耐压性更好，不会产生拖尾电流，而 且可以实现高频驱动，有利于电路节能和散热设备及被动设备的小型化。 目前市场上共有 180 余款 SiC-MOSFET 系列产品，科瑞和罗姆产品占比 达 43%，击穿电压 650V~1700V，导通电流超过 100A；国内目前处于起 步阶段，中电科 55 所、泰科天润、世纪金光、基本半导体、国联万众等 企业已推出产品，击穿电压集中在 1200V。
IGBT 应用非常广泛，SiC-IGBT 限于研发进度尚未实现产业化。IGBT 是 BJT(双极型三极管）和 MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合式半 导体，通过电压驱动控制通断（与 MOSFET 原理类似），IGBT 拥有高输 入阻抗和低导通压降特点，缺点在于高频开关时损耗增大。IGBT 应用范 围一般在耐压 600V 以上，电流 10A 以上频率 1KHz 以上，是电机驱动 核心，广泛应用于逆变器、变频器等，在 UPS、开关电源、电车、交流电机等领域对 GTO、GTR 等形成替代。SiC-IGBT 作为双极器件，在阻 断电压增大时，导通电阻增加很小，非常适合高压大功率领域，现阶段 由于研发起步晚，SiC-IGBT 尚未实现产业化。
1.3. 价值量集聚于衬底和外延，成本高企制约产能释放
1.3.1. 价值量聚焦于衬底和外延，市场规模增长较快
碳化硅产业链上下游清晰，衬底和外延是核心环节，价值量占比达70%。 SiC 产业链主要包括上游衬底和外延制备、中游器件和模块制作以及下 游终端应用。从成本结构上看，根据亿渡数据，传统硅基器件衬底价值 量仅 7%左右，核心为晶圆制造设备，占比 50%；与之相比，SiC 器件中 衬底约占成本 47%，外延约占 23%，器件制造仅占到 19%。
衬底市场规模增长较快，导电型衬底占多数。碳化硅衬底主要分为导电 型衬底和半绝缘性衬底，主要区别在于电阻率不同，导电型衬底电阻率区间为 15~30Ω·cm，半绝缘型衬底电阻率高于 105Ω·cm。根据 Yole 数 据，半绝缘型碳化硅衬底全球市场规模由 2019 年的 1.52 亿美元增长至 2021 年的 2.10 亿美元，导电型碳化硅衬底市场规模从 2018 年的 1.70 亿美元增长至 2021 年的 3.80 亿美元，增长较快。得益于下游市场的大 量需求，至 2023 年，半绝缘型碳化硅衬底市场将增长至 2.81 亿美元， 导电型碳化硅衬底市场将增长至 6.84 亿美元。
1.3.2. 衬底扩径有望降低成本，8 英寸衬底 2024 年集中落地
衬底大型化可增加单批次芯片产量和降低边缘损耗，有望降低制造成本。 目前，单片 6 英寸碳化硅约 900-1000 美元，而单片 6 英寸硅衬底单价在 50 美元以下，相差数十倍，阻碍了碳化硅产业化。碳化硅降本核心在于 扩大衬底尺寸、提升长晶速度和生产良率。根据 Wolfspeed 数据，衬底 单片尺寸从 6 英寸扩大到 8 英寸时，单批次芯片产量从 448 增长到 845， 同时边缘损失率从 14%降低到 7%，大大提高了晶圆利用率。
成本降低循序渐进，8英寸衬底预计 2024年开始具备优势。衬底扩径对 生产工艺和设备要求更严格，8 英寸衬底还存在诸多技术问题：首先是 8 英寸籽晶的研制，其次要解决大尺寸带来的温场不均匀、气相原料分 布和输运效率问题，还要解决应力加大导致晶体开裂问题。衬底尺寸从 6 英寸发展到 8 英寸，单位面积成本首先会因为良率问题有所上升，随 着技术成熟度上升和竞争加剧而逐渐下降。根据 Wolfspeed 预测，8 英寸 衬底于 2024 年全面达产，单位面积制造成本相比 2022 年 6 英寸衬底降幅超过 60%。根据 PGC Consultancy 的成本预测模型，2023-2024 年碳化 硅 8 英寸衬底开始具备经济型；到 2030 年，使用 8 英寸衬底制作的 1200V/100A MOSFET 器件的成本相比 2022 年使用 6 英寸制作的同规格 器件，有望降低 54%（最好情况降低 57%，最差情况降低 50%）。
国际厂商转向 8 英寸，国内主流 4 英寸，8 英寸已展开布局。现阶段， 国际主流尺寸为 6 英寸，逐渐向 8 英寸发展，尺寸大型化可使边缘损失 率降低为 7%，提高衬底利用率。2022 年 4 月 Wolfspeed 在美国纽约州 莫霍克谷的全球首条 8 英寸碳化硅制造设施开业。国内由于起步晚、产 业化程度低，目前主要尺寸为 4 英寸，天岳先进和天科合达发展迅速， 三安光电、露笑科技等也正加大布局力度。
1.3.3. 衬底成本高企制约产业化发展，核心在于产能供应不足
衬底价格昂贵制约发展(近当前硅片的 10倍)，2023年 SiC材料渗透率 约 3.75%。根据 EE World 数据，2022 年 SiC 龙头 Wolfspeed 的 6 英寸 导电型衬底单片价格约 1000美元，而12 英寸硅片价格仅100美元左右， 半绝缘型衬底单价则是同尺寸导电型衬底的 2-3 倍。成本高企严重制约了 SiC 材料的产业化，根据 Yole 统计，2023 年半导体材料中 90%以上 仍然为 Si，而 SiC 的渗透率预计仅为 3.75%。 成本高企核心在于优质产能不足和良率较低。衬底是碳化硅产业链中技 术壁垒最大环节，产业集中度较高，优质产能供应不足。目前，导电型 衬底 CR3 高达 89%，Wolfspeed 一家独大，占据 62%市场份额，天科合 达发展较快，占比达 4%。半绝缘型衬底 CR3 高达 98%，Ⅱ-Ⅵ、Wolfspeed 和山东天岳三分天下。成本高企另一原因在于工艺难度较大，良率较低。 SiC 衬底工艺包括原料合成、晶体生长、切抛磨等环节，晶体生长最核 心，难点在于长晶速度慢、生长条件严苛、易产生多型夹杂缺陷等；切 割环节是制约产能释放的主要瓶颈，难点在于 SiC 硬度高、表面质量和 精度要求高等。目前硅片良率可达 90%，而 SiC 方面，Wolfspeed 综合 良率约 60%，国内厂商综合良率约 40%，整体偏低。
2. 碳化硅工艺难度大，衬底制备是最核心环节
衬底制备是最核心环节，难度集中在晶体生长和衬底切割。从原材料到 碳化硅器件需要经历原料合成、晶体生长、晶体加工、晶片加工、外延生长、晶圆制造和封测等工艺流程。衬底制备是最核心环节，技术壁垒 高，难点主要在于晶体生长和切割；外延生长关键环节，影响最终器件 性能。SiC 晶圆制造与硅晶圆类似，通过涂胶、显影、光刻、减薄、退火 等前道工艺加工成晶圆，经后段工艺制成芯片，用于制造各类器件及模 组，通过验证后即可用于汽车、光伏等应用领域。
2.1. 晶体生长：速度慢可控性差，是衬底制备主要技术难点
SiC衬底是芯片底层材料，主要技术难点在于晶体生长。衬底是沿晶体 特定结晶方向切割、研磨、抛光，得到的具有特定晶面和适当电学、光 学及机械特性，用于生长外延层的洁净单晶圆薄片。SiC 单晶衬底是半 导体芯片的支撑材料、导电材料和外延生长基片，主要起到物理支撑、 导电等作用。生产碳化硅单晶衬底的关键步骤是晶体生长，也是碳化硅 半导体材料应用的主要技术难点，是产业链中技术密集型和资金密集型 的环节。SiC 单晶生长方法主要有：物理气相传输法（PVT)、高温化学 气相沉积法（HTCVD)和以顶部籽晶溶液生长法(TSSG)为主流的高温溶 液生长法（HTSG）。
PVT 法技术成熟、原理简单、成本较低，是应用最广、商业化程度最高 的衬底制备方案。目前， Wolfspeed、Ⅱ-Ⅵ、SiCrystal（Rohm 子公司） 和天岳先进、天科合达等企业均采用 PVT 法生产 SiC 衬底。主要技术难 点在于： 1）粉体纯度要求高，主要采用改进自蔓延高温合成法。PVT 法通过SiC 粉料的高温分解与结晶来实现单晶生长，粉体杂质含量低于 0.001%。改 进自蔓延高温合成法是目前工艺最成熟、使用最广的粉体制备方法。 2）长晶速度慢，封闭生长可控性有限。硅棒一般 2-3 天可拉出约 2m 长 的 8 英寸硅棒，PVT 法下 SiC 7 天才能生长约 2cm 晶体。SiC 良品参数 要求高，核心参数包括微管密度、位错密度、电阻率、翘曲度、表面粗 糙度等，但生长过程在密闭高温腔体进行，工艺可控性有限。 3）晶型多样，易产生多型夹杂缺陷。SiC 单晶有 200 多种晶型，一般仅 需一种晶型（如 4H），因此需要精准控制硅碳比、温度梯度、外部杂质 引入以及气流气压等，量产性能稳定的高品质 SiC 晶片技术难度大。 4）扩径难度很大，扩径可提高晶圆利用率降低制造成本，PVT 法下 SiC 扩径难度极大，随着晶体尺寸的扩大，生长难度工艺呈几何级增长。
HTCVD 法可控性较好，国内已有相关设备下线。HTCVD 法利用硅源 和碳源气体的高温化学反应实现单晶生长，优点在于：1）可通过连续供 源实现晶体稳定持续生长；2）省去粉料合成过程，可以制成一体化设备。 缺点在于 HTCVD 法和 PVT 一样需要高温条件，需要用到多种气体，成 本较高，而且生长过程存在多种附带。目前，意法半导体、丰田集团和 电装集团等已实现 HTCVD 规模化生产碳化硅晶体，国内江苏超芯星已 研制出 HTCVD 碳化硅单晶生长设备。 TSSG法有望成为制备大尺寸、高结晶质量且成本更低的衬底制备方法。 高温溶液生长法通过 Si 和 C 元素在高温溶液中的溶解、再析过程实现 SiC 单晶生长，其中 TSSG 法由于具有生长温度低、易扩径、晶体质量 有高、易实现 p 型掺杂等优点，为业界所看好。目前，液相碳化硅晶体 生长的研发主要集中在日本、韩国和中国，主要包括日本住友金属、丰 田汽车、三菱电机、东京大学和名古屋大学等，韩国陶瓷工程技术研究 所、东义大学、延世大学等，以及中国中科院物理所、北京晶格领域和 常州臻晶半导体等。
2.2. 晶体加工：切割是技术难点，研磨抛光提高表面质量
由于 SiC 材料硬度高、脆性大、化学性质稳定，加工难度大。碳化硅晶 锭需要借助 X 射线单晶定向仪定向再磨平、滚磨成标准尺寸的碳化硅晶 棒。晶棒要制成 SiC 单晶片，还需要以下几个阶段：切割—粗研—细研 —抛光，简称切抛磨，切抛磨工艺环节难度相对较小，各家差距不大， 工艺路线基本一样。SiC 切抛磨工艺的挑战在于：（1）硬度大：SiC 单晶 材料莫氏硬度分布在 9.2-9.6 之间，仅比金刚石硬度低 0.5 左右，因此切割速度慢，切一片要 2 天，且易破碎，一般要损失掉一半左右。（2）化 学稳定性高：几乎不与任何强酸或强碱发生反应，室温下能抵抗任何已 知的酸性腐蚀剂；（3）加工机理及缺陷扩散的研究欠缺。
2.2.1. 切割是首道加工工序，固结磨料金刚线切割应用最广
切割是衬底加工中首要关键的工序，成本占总加工成本50%以上。切割 是碳化硅晶棒第一道加工工序，决定了后续研磨、抛光的加工水平，切 片后需要使用全自动测试设备进行翘曲度（Warp）、弯曲度（Bow）、厚 度变化（TTV）等面型检测。切割工艺的演进主要经历了：1）传统的内 圆锯切割和金刚石带锯。2）目前较多提及且较有效的电火花切割、线锯 切割（包括游离磨砂线锯切割和金刚石线锯切割）、激光切割、冷分离工 艺等。3）水导激光切割等具备未来应用前景的新型工艺。 传统锯切工具缺陷多效率低，不适用于碳化硅晶体切割。内圆切割机使 用环形不锈钢内圆刀片，内刃口镀金刚砂颗粒，周边采用机械方式张紧， 切缝宽、翘曲度大、表面质量差、精度低、噪声大而且仅可切割直线表 面。金刚石带锯需要频繁停止和换向，切削速度非常低，一般不超过 2 m/s，机械磨损大，维修费用高，而且受限于锯条宽度，切割曲率半径不 能太小，只能进行单片切割，不能进行多片切割。传统锯切方式材料损 耗大、加工效率低，不适用于工业化碳化硅晶片切割。
固结磨料金刚线切割成为主导，但存在损耗率及效率问题。20世纪90 年代中期，游离磨料砂浆切割取代传统锯切工艺，并随着光伏行业兴起 而爆发，逐渐广泛应用于半导体行业。游离磨料砂浆切割利用线锯快速 运动，将砂浆中的磨料颗粒带入锯缝达到“滚动-压痕”机制以去除材料， 实现了多片同时切割，产率高且耗损率低，已广泛用于单晶和多晶硅切 割，缺点是存在切割速度低、精度差、晶片厚度不均匀、砂浆回收难造 成环境污染等问题。固结磨料金刚线切割通过电镀、树脂粘结、钎焊或 机械镶嵌等方式将金刚石磨粒固结在切割线上，借助金刚线高速运动完 成切割，根据金刚线运动方式不同可分为单向式、往复式和环形式，往 复式切割单位长度有效利用度高、速度快，成为目前 SiC 晶体切割主流工艺。
激光切割逐渐兴起，工艺精细效率更高。目前针对 SiC 材料较为有效的 切片方法除了固结磨料金刚线切割，还有电火花切割、激光切割、冷分 离工艺等。电火花切割主要利用脉冲放电的电蚀作用进行切割，但存在 切缝宽、表面烧伤层厚度大等缺点。激光切割是通过激光处理，在晶体 内部形成改性层从碳化硅晶体上剥离出晶片，属于非接触无材料损失加 工，并且具有切割断面质量好、切割效率高、清洁安全无污染等优点。 冷分离切割利用激光在晶锭内部形成角质层点平面，在上表面涂覆特制 分离材料并冷冻，遇冷收缩
