碳化硅行業深度研究報告：能量轉換鏈的材料變革1

碳化硅：能量轉換鏈的材料變革碳化硅（SiC）是一種由碳和硅兩種元素組成的寬禁帶化合物半導體材料，具

備禁帶寬度大、熱導率高、臨界擊穿場強高、電子飽和漂移速率高等特點。由

于碳化硅寬能帶（~3.2eV）的物理性質，又稱為寬禁帶半導體。

經過幾十年的發展，硅（Si）作為半導體行業的基礎材料，完成了全球

95%以

上的集成電路的制造；隨著電子的發展，化合物半導體如砷化鎵（GaAs）、碳

化硅、氮化鎵（GaN）等也逐漸滲透到下游應用中。按在下游應用中出現的先

后順序，半導體主要的可分為三類：一、鍺、硅等半導體材料：硅擁有

1.1eV的禁帶寬度以及氧化后非常穩定的特

性，廣泛應用于電力電子、光伏等領域。

二、砷化鎵、銻化銦等半導體材料：砷化鎵擁有

1.4eV的禁帶寬度以及比硅高

五倍的電子遷移率，主要用于手機等需要高頻率的通信應用中。

三、以碳化硅、氮化鎵為代表的寬禁帶半導體材料：有更高飽和漂移速度和更

高的臨界擊穿電壓等突出優點，適合大功率、高溫、高頻、抗輻照的應用場合。半導材料發展至今，硅材料已經接近完美晶體。基于硅材料上器件的設計和開

發也經過了許多代的結構和工藝優化和更新，正在逐漸接近硅的物理極限。基

于硅材料的器件性能提高的潛力愈來愈小，而以氮化鎵、碳化硅為代表的、半

導體具備優異的材料物理特性，為進一步提升電力電子器件的性能提供了更大

的空間。為什么要用碳化硅？（1）與

Si相比，SiC在耐高壓、耐高溫、高頻等方面具備碾壓優勢，是材料

端革命性的突破。SiC擊穿場強是

Si的

10

倍，這意味著同樣電壓等級的

SiCMOSFET外延層厚度只需要

Si的十分之一，對應漂移區阻抗大大降低；且

SiC禁帶寬度是

Si的

3

倍，導電能力更強。同時，SiC熱導率及熔點非常高，是

Si的

2-3

倍。此外，SiC電子飽和速度是

Si的

2-3

倍，能夠實現

10

倍的工作

頻率。（2）與

IGBT相比，SiC可以同時實現高耐壓、低導通電阻、高頻三個特性。

在

600V以上的應用中，對于

Si材料來說，為了改善由于器件高壓化所帶來的

導通電阻增大的問題，主要使用絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）等為代表的少

數載流子器件。IGBT中，由于少數載流子積聚使得其在關斷時存在拖尾電流，

繼而產生較大的開關損耗，并伴隨發熱。而

SiC是具有快速器件結構特征的多

數載流子器件，開關關斷時沒有拖尾電流，開關損耗減少

74%。以

Wolfspeed提供的碳化硅模塊為例，在代替硅

IGBT后，逆變器輸出功率可

增至

2.5

倍，體積縮小

1.5

倍，功率密度為原有

3.6

倍。一方面，碳化硅模塊可

減小開關損耗，改善電源效率并且簡化散熱系統，如散熱器小型化、水冷/強制

風冷改為自然冷卻；另一方面，碳化硅模塊工作頻率高頻化，可實現外圍器件(電感和電容器等)的小型化。此外，碳化硅的加入還可使得系統整體成本下降，以

22kW雙向

OBC為例，

SiC系統成本與

Si相比，減少了

15%；同時能量密度是

Si系統的

1.5

倍，通

過減少能耗每年可減少

40

美元左右的單位成本。碳化硅材料：發揮碳化硅優勢的最關鍵環節根據

Si，C原子的排列順序不同，SiC晶體對應結構不同，目前發現的

SiC大

約有

200

多種晶體結構形態，其中，僅有α晶型

4H（4H-SiC）可以用來制造

功率器件。據電阻率不同，碳化硅晶片可分為導電型和半絕緣型襯底。導電型

SiC襯底

可通過

N和

Al作為摻雜劑實現

N型和

P型導電性，目前產品以

N型為主（氮

氣摻雜），電阻率通常低于

0.02

Ω·cm，晶體生長關注氮摻雜濃度均勻性及缺陷

控制。通過在導電型碳化硅襯底上生長碳化硅同質外延片，可制成肖特基二極

管、MOSFET等功率器件，應用于新能源汽車，軌道交通以及大功率輸電變電

等領域；與導電襯底不同，半絕緣型

SiC襯底電阻率則需要高于

10

6Ω·cm（國

際水平

10

8

Ω·cm），晶體生長關注高純度高電阻。通過在半絕緣襯底上生長氮

化鎵外延層制得碳化硅基氮化鎵（GaNonSiC）外延片，而后可進一步制成

HEMT等微波射頻器件，應用于信息通訊、無線電探測等領域。要得到碳化硅襯底，需要先以高純硅粉和高純碳粉作為原材料，采用物理氣相

傳輸法（PVT）生長出碳化硅晶錠，再經過切割、研磨、拋光、清洗等工序對

晶錠進行加工，最終得到碳化硅晶片。具體流程如下：

①

原料合成：將高純硅粉和高純碳粉按一定配比混合，在

2000℃以上的高溫

下反應合成碳化硅。再經過破碎、清洗等工序，制得高純碳化硅微粉原料。

②

晶體生長：將高純

SiC微粉和籽晶置于單晶生長爐兩端，通過電磁感應將

原料加熱至

2000℃以上形成蒸汽，蒸汽上升到達溫度較低的籽晶處結晶形成碳

化硅晶錠。

③

晶錠加工：用

X射線單晶定向儀對晶錠定向，磨平、滾磨加工成標準尺寸。

④

晶體切割：使用切割設備，將碳化硅晶體切割成厚度不超過

1mm薄片。

⑤

晶片研磨：通過金剛石研磨液將晶片研磨到所需的平整度和粗糙度。

⑥

晶片拋光：通過機械拋光和化學機械拋光得到表面無損傷的碳化硅拋光片。

⑦

晶片檢測：檢測碳化硅晶片的微管密度、結晶質量、表面粗糙度、電阻率、

翹曲度、彎曲度、厚度變化、表面劃痕等各項參數指標，據此判定質量等級。

⑧

晶片清洗：以清洗藥劑和純水對碳化硅拋光片進行處理。SiC長晶環節制造成本高且工藝難度大，其晶體生長效率極其緩慢，生長速度

僅為

0.2-0.3mm/h；且在生長過程中升溫降溫速度緩慢，因此，一個爐子一周

僅能長

2cm厚的碳化硅晶棒。此外，由于碳化硅硬度大，切割過程中易碎，切

割良率低。碳化硅外延工藝是提高碳化硅器件性能及可靠性的關鍵。碳化硅外延是指在襯

底的上表面生長一層與襯底同質的單晶材料

4H-SiC。目前標準化工藝是使用

4°

斜切的

4H-SiC單晶襯底，采用臺階控制生長技術，通過

CVD進行沉積。外延

層可減小晶體生長和加工中引入的缺陷帶來的影響，使碳化硅表面晶格排列整

齊，形貌較襯底大幅優化。在此基礎上制造的功率器件，器件性能和可靠性將

顯著提升。因此，生長出合適厚度、高晶體質量和均勻摻雜濃度的外延層至為

關鍵。碳化硅器件：電能轉換的載體功率器件作為電路中電壓、電流、頻率、開關等物理狀態改變的載體，從

20

世

紀

50

年代開始廣泛應用于電子電力設備中，以實現對電能的管理。其產品包括

分立器件（二極管、三極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等）、功率模組。隨著

應用終端功能多樣化，電子架構復雜程度提升。相應地，工作電流電壓提升，

而整體功耗要求在穩步下降。此時，硅基器件物理極限無法滿足應用要求，碳

化硅器件作為功率器件材料端的技術迭代產品出現。目前碳化硅功率器件主要分為肖特基二極管(SBD)、MOSFET以及模塊：SiCSBD，是利用金屬與半導體接觸形成的金屬－半導體結原理制造的低功耗、超

高速的分立器件，器件電壓可達

1200V以上（SiSBD最高耐壓為

200V左右），

能夠大幅減小反向恢復損耗。SiCMOSFET分為平面式

MOSFET和溝槽式

MOSFET兩種類型，可用于滿足高耐壓和低導通電阻的應用需求。目前，大部

分車規級

SiCMOSFET以平面型為主。SiC功率模塊是搭載了

SiCMOSFET和

SiCSBD的器件形式，可滿足高壓下器件匹配、系統效率及可靠性的要求。SiC器件主要裝載于電力電子設備中以實現電能轉換。以逆變器為例，通過

SiCMOSFET可實現交流電與直流電的轉換。在本過程中主要分為兩個部分：第一

步：利用

MOSFET實現開關不停切換，使得電流方向不斷正負變換，將直流電

變為方形交流電。第二步：通過引入比較器控制

MOSFET開關。而后通過電感

平滑電流曲線，電容平滑電壓曲線，最終使得方形交流電平滑為正弦交流電輸

出使用。以新能源汽車為例，SiC功率器件主要應用于逆變器、DC/DC轉換器、電機驅

動器和車載充電器(OBC)等核心電控領域，以完成高效的電能轉換。在電動車

傳動系統中，主逆變器的功能是將電池輸出的

12V直流電電轉換為驅動電機用

的

220V三相交流電以驅動車輛行駛。通過使用

SiCMOSFET，馬達的損耗可

大幅減小，馬達、平滑電容、線圈等部件可實現小型化，最終達到逆變器效率

提升，電池續航時間延長的應用目標。耐壓性能優異的

SiCMOSFET在

800V電池的高壓機型中最適合使用。在

DC/DC轉換器中則是通過

SiCMOSFET等功率器件將高壓電池電壓轉換為低

電壓，為動力轉向系統、空調以及其他輔助設備提供所需的電力。車載充電器

(OBC)是內置在車輛中用于實現交流電網向高壓電池再充電的

AC/DC轉換器。

目前，為了縮短充電時間，快速充電電壓趨于變高，適合高壓快速充電場景的

SiCMOSFET被大量選用。碳化硅壁壘：長晶、外延及器件碳化硅技術難點主要集中在長晶、外延、器件可靠性及驗證上。根據

Wolfspeed介紹，碳化硅襯底從樣品到穩定批量供貨大約需要

5

年時間；疊加車規級器件

長驗證周期，碳化硅市場的進入壁壘相對較高。一、長晶工藝涉及四大難點二、外延工藝涉及三大難點與硅功率器件工藝不同，其器件加工過程需采用高溫離子注入、高溫氧化以及

高溫退火等高溫工藝。由于碳化硅功率器件必須在單晶襯底上的高質量外延層

制造，且外延參數因器件應用場景而各不相同，因此，外延層工藝挑戰較大。

（1）應用于高壓的外延層難度大。低壓

600V，需要外延的厚度約為

6μm左右；

中壓

1200-1700V，厚度為

10-15μm；高壓

10kV以上，需要

100μm以上；外

延厚度增加，材料的缺陷控制難度加大。

（2）碳化硅缺陷種類多，控制難度大。在碳化硅中，外延缺陷將影響器件的可

靠性。致命性缺陷會對所有類型器件擊穿電壓造成巨大影響，最終使得器件良

率提升難度大。

（3）摻雜濃度控制難度大。摻雜濃度決定了器件的電子傳輸性能，在高壓領域，

由于外延層增厚摻雜濃度均勻性難控制。三、器件工藝及客戶驗證涉及七大難點碳化硅器件壁壘主要來源于加工工藝及器件應用方面：

（1）光刻對準難：相較于傳統硅片，雙面拋光的碳化硅晶圓是透明的，穩定的

光刻對準工藝是一個難點。

（2）離子注入和退火激活工藝：制備器件時摻雜需要高能離子注入；退火溫度

高達1600℃，在此溫度下要達到高的離子激活率和相對準確的

P區形狀難度大。

（3）柵氧可靠性：在熱氧化工藝中多余的碳原子析出形成表面態，影響

MOSFET柵氧質量。

（4）功率模塊難度大：高溫、高功率密度封裝的工藝及材料難度大。（5）工藝設備：基本上被國外公司所壟斷，高溫離子注入設備、超高溫退火設

備和高質量氧化層生長設備等基本需要進口。

（6）車規級半導體要求高：①環境要求，汽車行駛的外部溫差較大，要求芯片

可承受溫度區間為-40℃~150℃，同時需抗濕度、抗腐蝕。②可靠性要求，整車

設計壽命通常在

15

年及以上，車規級半導體需做到零失效。③供貨周期要求，

需要覆蓋整車的全生命周期，供應鏈可追溯。

（7）客戶驗證：車規級器件認證周期和供貨周期長，通常要求其產品擁有一定

規模的上車數據，國產廠商缺乏應用及試驗平臺，在車規級半導體正常供給的

狀態下較難尋得突破。碳化硅發展趨勢：襯底大尺寸化，切割高效化、器件模塊化大尺寸化是碳化硅襯底制備技術的重要發展方向。為提高生產效率并降低成本，

襯底尺寸越大，單位襯底可制造的芯片數量越多，邊緣的浪費越小，單位芯片

成本越低。碳化硅晶圓從

6

英寸到

8

英寸，芯片數量由

488

增至

845

個（單位

面積：32mm2），邊緣浪費由

14%減至

7%。目前，碳化硅襯底主流尺寸為

4-6

英寸，8

英寸襯底僅有

Wolfspeed、II-VI公司和意法半導體

ST等少數幾家研制

成功，其中，Wolfspeed是首家掌握

8

英寸量產技術并建設對應晶圓廠的公司。襯底切割良率提高是降低成本的重要課題。目前常用的線切割工藝通常會損耗

75%的原材料，英飛凌使用的一種冷切割技術可使得原材料損耗減至

50%。該

工藝源于英飛凌收購的公司

Siltectra。這種冷切割（ColdSplit）技術可高效處

理晶體材料，最大限度減少材料損耗，使單片晶圓產出的芯片數量翻倍，從而

有效降低

SiC成本。碳化硅器件模塊化是高可靠性應用的選擇。碳化硅模塊可以簡化電路布局及組

裝，同時避免了電路中元件的相互干擾，在高壓應用中使得其可靠性增加，還

可最大限度地減少人工和系統組件的成本，是功率密度最大化的最優選擇。2

碳化硅的競與合：以Wolfspeed為例從

Cree到

Wolfspeed：碳化硅龍頭的轉型之路Wolfspeed總部位于美國，是引領碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術的

IDM半導體公司，致力于為高功率和射頻（RF）應用提供高效綠色的解決方案。公

司產品圍繞

SiC和

GaN布局，包括

SiC和

GaN材料、功率器件、射頻器件等，

針對新能源汽車、快速充電、可再生能源及儲能、通訊、航空航天和國防等領

域的應用需求。作為碳化硅的全球領導者，Wolfspeed在碳化硅襯底市占率超

60%，是全球最大的

SiC材料供應商。經歷了長達四年的業務結構調整，2021

年，公司從

Cree更名為

Wolfspeed，以新名稱于紐約證券交易所上市（代碼

“WOLF”），轉型為碳化硅半導體公司。Wolfspeed(原

CREE)

經歷了從

LED到碳化硅龍頭的業務轉變。公司成立于

1987

年，其早期的技術來自于卡羅來納州立大學（NCSU）。公司的發展大致

經歷了三個階段:第一階段：技術積累期（1990s-2000s）：公司以碳化硅技術起家，基于碳化硅

的光電性質，試圖在

LED、功率及射頻器件領域尋找適合

SiC的產品進行布局，

在

LED和碳化硅基器件產品上創造了多個業界第一。第二階段：LED時期（2003-2015）：從

2003

年公司發布全球最亮的白光

LED開始，公司不斷在

LED技術方面取得突破。通過收購多家

LED企業，公司建

立了

LED制造、渠道及產品的完整布局，在

2013

年成為全球僅次于日亞化學

的

LED巨頭。第三階段：碳化硅時期（2016-至今）：公司早期碳化硅器件主要服務于軍用領

域，2015

年，隨著

LED業務壯大，公司一度計劃將功率及射頻器件業務

（Wolfspeed）拆出。在

WolfspeedIPO失敗，向英飛凌出售失敗以及

LED業

務下滑等多因素影響下，2017

年公司重啟

Wolfspeed功率及射頻業務。隨著業

務加速，2018

年公司收購英飛凌射頻業務，隨后將

LED及照明業務剝離，2021

年更名為

Wolfspeed，徹底轉型為基于碳化硅的半導體公司。Wolfspeed是全球首家突破

8

英寸碳化硅量產技術的公司。與硅基半導體器件

不同，碳化硅產業鏈價值量集中于上游且進入壁壘最高，產能缺口最大。由于

碳化硅晶棒生長速度慢且難度大，其器件制造成本中襯底成本占比近

46%，外

延成本占比近

23%。因此，在襯底環節擁有最先進技術及產能的公司將擁有產

業鏈話語權。目前，全球頭部廠商產能集中于

6

英寸及以下晶圓，公司是首家

在

8

英寸碳化硅晶圓量產技術上實現突破的公司，并建設了全球首家

8

英寸碳

化硅晶圓廠。從分立器件、芯片到模組，公司擁有全面的

SiC功率器件布局。隨著電動車、

工業及新能源應用等領域電能功耗提升，在高效低損耗的需求驅動下，碳化硅

功率器件滲透率不斷增加。公司從碳化硅芯片到分立器件及模組全面布局，技

術領先。針對汽車、工業及能源客戶的不同需求，公司提供碳化硅分立器件及

模組產品；分立器件主要針對相對低損耗的應用，模組則針對高功率的應用。

此外，基于模組、汽車

OEM及

Tier1

廠商的高功率及定制化應用需求，公司亦

提供碳化硅芯片及整體電源解決方案。從雷達到

5G應用，公司擁有全面的

RF解決方案。早在

2001

年，公司就推出

了橫向擴散金屬氧化物半導體（LDMOS）、GaNonSiC高電子遷移率晶體管

（HEMT）和單片微波集成電路（MMIC）等一系列射頻產品。其中，SiC基

GaN的

RF器件主要為軍用及政府項目服務，應用于航空航天、軍用雷達等高

頻率高功率的特殊場景。隨著商用雷達市場擴大，5G通信滲透加速，其

RF器

件業務加速發展。目前，公司已掌握商用和軍用航空、空中交通管制、天氣服

務、飛行器到衛星的通信、太空探索等領域的無線通信和雷達系統的核心技術，

可提供

SiC基

GaNHEMT分立器件及芯片、MMIC和

LDMOS器件。縱觀公司發展歷程，從聚焦

LED到聚焦碳化硅半導體應用的業務轉型背后依舊

是對

SiC及

GaN材料及其器件應用進行的不斷探索。因此，經過多年發展，公

司不僅在器件端打造了設計、制造、封測及銷售的

IDM模式，亦在襯底、外延

環節自主生產，成為了全球最大的碳化硅襯底供應商，整體形成了從材料到器

件的

IDM+全產業鏈模式。Wolfspeed：轉型影響短期盈利，成長性帶來市值新高從

LED轉型到

SiC，業務調整期影響整體短期盈利能力。早期，公司隨著

LED業務加速發展，疊加照明產品布局加速，整體收入不斷增加，在

FY2014

年達

到頂峰，成為全球第二大

LED龍頭公司，隨著

FY2015-2016

照明及

LED業務

連續下滑，公司業績大幅下跌。FY2017

公司轉型，業務重心轉移至

SiC為中心的半導體業務，Wolfspeed重啟，研發投入持續增加，成就了公司在技術端

的先發優勢。經歷收購英飛凌，剝離占公司三分之二的照明及

LED業務，公司

營收體量減小。但隨著照明及

LED的剝離，從

FY2019

可以看到明顯的毛利率

有所增加，隨后

SiC的擴產疊加疫情影響開工率，毛利率再度下滑。Wolfspeed(功率及射頻業務)營收持續增長。公司在功率及射頻業務端多年基

本保持持續增長，自

Wolfspeed業務重啟，FY2017-FY2021

Wolfspeed營收

以

24%復合增速快速增加，并于

FY2019

實現營收超

5

億美元；近兩年受疫情

等多方因素影響，營收增速放緩，但整體增長趨勢不變。得益于新能源汽車高

增長，FY2022

Q1

公司收入

1.57

億美元，同比增加

35.6%，環比增加

7.4%，

實現連續

5

個季度增長。相比

LED、照明業務，功率及射頻業務毛利率持續保

持較好水平，近兩年受擴產影響，短期下降至

30%左右。未來，隨著資本開支

減少，毛利率將穩步提升。資本開支峰值已過，盈利能力逐步改善。在業務調整及產能擴建的影響下，公

司盈利能力尚未體現。根據公司計劃，FY2021

資本開支已達峰值，隨后將逐

年回落，同時自由現金流將逐步改善。此外，在

8

英寸的產能爬坡過程中，前

期的成本會抵消

8

英寸大直徑的好處。隨著產量提高、周轉變快，預計

FY2024毛利率能夠達到

50%（目前

30%左右）。同時，8

英寸晶圓將使得器件工藝可

向更多的晶圓代工廠轉移，疊加成本優勢，將催化碳化硅市場加速爆發。公司預計未來兩年公司營收將進入加速期，過去的

FY2021

資本開支已達最高

點，公司轉型基本完成；隨著

Design-in及

LTA數量不斷增加，公司預計

FY2022

將步入業績拐點，虧損將逐漸收窄。在新能源汽車、充電設施、5G、工業及能

源等領域驅動下，預計公司

FY2024

營收將達

15

億美元。新能源汽車需求旺盛，公司市值創歷史新高。公司近幾年由于業務調整，整體

盈利表現不佳；但由于其業務剝離戰略和在碳化硅領域的絕對龍頭地位得到市

場認可，市值呈逐步上升態勢。2020

年下半年，隨著新能源汽車滲透率提升，

光伏等新能源應用需求不斷增長，公司市值快速拉升；2021

年

10

月

4

日，在

經過了長達四年的轉型后，Wolfspeed在美國紐交所上市（代碼“WOLF”），

市值再創歷史新高。由

Wolfspeed看碳化硅市場的競與合當前，Wolfspeed的發展喜憂參半。在材料端，由于當前碳化硅產能有限且滲

透率較低，產業鏈傾向通過合作優化資源配置；因此，擁有產能及先進技術的

Wolfspeed贏得了大量的材料訂單。然而，ST

意法半導體、羅姆、II-VI等均對

6-8

英寸產能進行擴產布局，未來達產后將與

Wolfspeed形成競爭。在器件端，

相比傳統功率半導體公司擁有良好的客戶基礎和更完整的產品布局，Wolfspeed產品及客戶還需進一步拓展；最終，Wolfspeed要實現龍頭的進擊，還面臨巨

大的挑戰。Wolfspeed目前優勢：

（1）材料端產能及市占率全球第一，已獲

13

億美元材料供應長期協議。隨著

8

英寸晶圓廠投產，該產線預計

FY2022

實現小批量出貨，FY2024

達產，屆時

公司碳化硅產能將從目前

16.7

萬平方英尺增加至

24.2

萬平方英尺。隨著公司

8

寸晶圓廠。目前，Wolfspeed襯底市占率約

62%，第二位

II-VI市占率僅

14%，

公司襯底端的優勢巨大，并將在未來幾年內保持絕對領先。隨著下游需求起量，

多家器件龍頭提前鎖定產能，Infineon、ST、OnSemi等中游企業紛紛與公司

簽訂長期供貨協議，以保證

SiC襯底供給。目前，Wolfspeed已經在多個行業

達成了總額超過

13

億美元的材料供應長期協議。（2）碳化硅功率器件加快發展，Design-in對應增量近

29

億美元。汽車產品

從

Design-in到批量供貨需要

3-4

年，車型的生產周期一般是

4-10

年。假設

2025

年至

2030

年為電動汽車爆發的時間，碳化硅

Design-in的黃金時間約為

2021

年至

2026

年。Wolfspeed碳化硅器件當前

Pipeline為

180

億美元，汽車應用

占比超

70%。FY2021，已有

1

千多家選擇

Wolfspeed碳化硅器件作為應用方

案，預估價值近

29

億美元，2021Q4，公司

design-in超過了

10

億美元，其中，

汽車客戶占據三分之二。基于公司的良好發展勢頭，Wolfspeed認為汽車、工業及能源應用和

RF將成

為公司主要發力方向。公司

pipeline從

FY2020

到

FY2022

增加了兩倍，其中，

隨著汽車

OEM對逆變器需求的增加，汽車以

75%的復合增速增加；在車載充

電、云服務器電源供應、HVAC、電機控制及可再生能源的應用需求下，工業級

能源應用以

65%增速增加；RF應用受限于國際貿易政策等影響，主要在商用

雷達和軍事通信上有所拓展，對應

10%年復合增速。相應地，Wolfspeed認為

2026

年公司在器件端可發展的市場空間將由

43

億美

元增加至

89

億美元，其中汽車器件占據

50%，年復合增速接近

30%。在材料

端，預計供不應求將持續幾年，隨著市場逐漸向

8

英寸晶圓轉移，材料成本將

下降，催化碳化硅市場加速滲透，Wolfspeed在材料端可發展的市場空間將由

2022

年

7

億美元增加至

2026

年

17

億美元。Wolfspeed未來挑戰：

（1）13

億美元

LTA涉及的合作對象擴產持續，襯底端長期保持

60%市占率難

度大。Wolfspeed與

ST、英飛凌、安森美和

X-fab等公司達成的超過

13

億美

元的長期協議（LTA）可持續性不強。當下，由于產能有限，各家迫切需要確保

供應，合同的利潤非常可觀。然而，隨著

GTAdvanced（GTA）向英飛凌供貨、

GlobalWafers向安森美提供

SiC晶體（包括

200mm），ST收購

Norstel后宣

布擴產；預計

2023-2024

年各家公司擴產到位后，對外部材料供應的需求將減

小；屆時，Wolfspeed市場份額必將受到擠壓。（2）碳化硅器件汽車應用目前拓展順利，然而長期市占率承壓。在電動汽車，

尤其是

800V架構應用中，Wolfspeed與通用和蔚來（通過

Delphi/BGW）、奧

迪/大眾和寶馬（均通過

ABB）已建立合作，市場拓展順利。然而，相比英飛凌

和

ST等功率器件龍頭，Wolfspeed無法提供

MCU/分立器件等其他配套產品，

同時在模塊上的數據積累相對有限，最終

Wolfspeed只能先立足于芯片或分立

器件的銷售。隨著市場成熟，模塊成為主流，Wolfspeed發展面臨受限風險。3

應用驅動下的碳化硅行業新能源時代開啟，碳化硅加速滲透碳化硅功率器件早在

20

年前已推出，受制于成本及下游擴產意愿不足，碳化硅

產業化推進緩慢。2018

年，特斯拉作為全球第一的造車新勢力率先使用全碳化

硅方案后，碳化硅器件才開始成為市場發展熱點。未來

5

年，汽車將成為碳化硅市場的主要驅動力。當前，全球新能源汽車市場正

在加速發展，2021

年前三季度，中國新能源汽車銷量達

215.7

萬輛，歐洲新能源

汽車銷量達

158.9

萬輛，美國新能源汽車銷量達

42.4

萬輛，預計全球

2021

年新

能源汽車銷量有望突破

600

萬輛。根據

Yolé預測，SiC器件市場將從

2019

年

5

億美元增至

2025

年

25

億美元以

上，復合增速達

30%。其中，新能源汽車將從

2019

年

2.25

億增至

2025

年

15

億美元，復合增速

38%，占整個市場

60%。相應地，充電設施市場將快速發展，

增速高達

90%。除汽車外，第二大應用光伏市場將從

2019

年

2.25

億美元增加

至

2025

年

3.14

億美元，復合增速為

17%。此外，軌道交通和電機驅動等領域

也將快速增加。隨著新能源汽車不斷滲透，TrendForce預計

2025

年全球系能源汽車市場對導

電碳化硅襯底需求可達

169

萬片（按

6

英寸計算）。其中，81%將用于主逆變

器，15%應用于

OBC，4%應用于

DC-DC。產業鏈價值量倒掛，產業垂直整合加速碳化硅產業鏈結構與硅基功率半導體類似，主要包含襯底、外延、器件及模塊

和應用等環節。然而。其成本分布與硅基半導體器件不同：硅基功率半導體晶

圓制造成本占

50%，而碳化硅由于晶棒生長速度慢且技術難度大，產業鏈成本

集中于上游，價值量倒掛。SiC襯底成本占比

46%，外延的成本占比

23%，這

兩大工序占器件制造成本約

70%。因此，襯底供應商掌握了碳化硅產業鏈的核

心話語權。收購與擴產并行，上下游廠商不斷向

IDM模式發展。目前，全球龍頭企業

Wolfspeed、Rohm、ST都已形成了

SiC襯底-外延-器件-模塊垂直供應的體系，

而

Infineon、Bosch、OnSemi等廠商則不斷進行并購，拓展在上游原材料的

布局。Rohm收購

SiCrystal，布局

SiC襯底；II-VI收購

AscatronAB和

INNOViONCorporation建

立

SiC垂

直

集

成

平

臺

，

同

時

計

劃

建

立

射

頻

GaN-on-SiC技術平臺；ST收購

Norstel，上游延伸至

SiC襯底。在此基礎上，

各家開始大規模擴產，Wolfspeed在

2024

年前產能擴充

30

倍；Rohm在

2024

年前產能擴充

16

倍；II-VI計劃產能擴充

5-10

倍。目前，Wolfspeed、Infineon、

Rohm、ST、X-Fab等大廠均已實現

6

英寸產線量產。與終端合作向下延伸，持續加強產業鏈話語權。Wolfspeed、Rohm、Infineon、

ST等一方面向上游延伸，確保供應鏈穩定；另一方面，通過與終端應用企業合

作，攻克市場驗證壁壘，重點鎖定車規級應用。例如特斯拉采用

ST的

SiC功

率器件；德國大陸集團子公司

VitescoTechnologies將為現代汽車提供

800V碳化硅逆變器；Wolfspeed和

Infineon分別與大眾汽車合作，成為其

FAST項

目

SiC合作伙伴。市場玩家多樣化，競爭格局復雜。隨著碳化硅用于純電動車趨勢日益明確，該

市場成為了多方廠商的必爭之地。傳統功率半導體廠商是碳化硅器件的最早參

與者，但由于下游需求啟動慢，業務空間尚未打開。其次是

LED等化合物半導

體公司，由于

LED材料與

SiC均為化合物半導體，在生長等制造工藝上有相似

性，資金壁壘相對低，碳化硅成為了公司第二增長曲線的最佳選擇。此外，隨

著傳統車企及

Tier1

在汽車電動化方面達成共識，廠商們紛紛加入碳化硅市場。電動汽車

800V架構——碳化硅上車的催化劑快充需求增加，電動汽車向

800V架構過渡，碳化硅將被大規模應用于

OBC。當

前，電動車在續航里程方面仍面臨著補能焦慮的問題。為提升汽車充電效率，800V高壓平臺方案應運而生。在此技術方案下，高電壓對功率器件提出更高要求，碳化

硅在該應用上優勢明顯。以

22kW800V雙向

OBC為例，從

Si設計轉到

SiC設計，

功率器件和柵極驅動的數量都減少

30%以上，開關頻率提高一倍以上，降低了功

率轉換系統的組件尺寸、重量和成本，同時提高了運行效率。車廠紛紛選用

800V架構，推動碳化硅上車進程。比亞迪

e平臺

3.0、現代

E-GMP、

奔馳

EVA等都已宣布

800V高壓平臺應用；預計在未來三年內，基于

800V架

構的新能源汽車將陸續量產。目前，碳化硅在

OBC、DC/DC上已有多家車企

應用，而在主逆變器中量產車企極少。800V架構的引入將促進碳化硅器件的滲

透，增加市場對其可靠性的驗證，為其在主逆變器的應用作鋪墊。4

碳化硅國產化的喜與憂下游需求起量初期，國產進入市場正當時2018

年，特斯拉率先使用全碳化硅方案后，碳化硅器件才開始成為市場發展熱

點。此前，受制于多方面因素，全球碳化硅器件產業化推進速度慢：一方面，

由于車規級功率器件驗證周期長且成本較高，產品推廣有限；另一方面，除中

國率先進入新能源車領域，傳統汽車大國由于在燃油機、零部件等領域存在巨

大優勢而發展電動車意愿不足，因此全球碳化硅廠商起步時間早但始終未在下

游市場中形成規模優勢。不同于全球產業，我國在如新能源汽車、光伏等碳化硅應用的主要市場均有一

定先發優勢，市場規模占比大，需求率先啟動，在此基礎上，我國碳化硅產業

發展動力足。此時，恰逢國產替代黃金期，產品驗證壁壘及周期相對降低，制

造業升級帶來電動化的內生增量空間，使得我國碳化硅器件加速發展。此外，

我國碳化硅產業上游擴產與器件研發同步進行，相比全球產業的前期滲透，初

創期大大縮短。此外，受《瓦森納協定》的出口管制影響，用于有源相控陣雷達、毫米波通信

設備等軍事裝備的半絕緣碳化硅襯底國產化成為剛需。《瓦森納協定》，是一項

由

42

個國家簽署，管制傳統武器及軍商兩用貨品出口的條約。2008

年修訂后，

該協定限制了半絕緣碳化硅襯底等材料向中國等部分國家進行出口。此外，根

據美國商務部工業與安全局（BIS）出口管制清單，碳化硅晶片為限制出口產品，

碳化硅襯底國產化具有必要性。量產技術參差不齊，國產襯底初露頭角目前，我國宣布投資的碳化硅項目超百個，形成了產業過熱的表象。然而經過

對碳化硅項目逐一梳理及動態跟蹤，我們發現實際情況為：項目簽約多動工少，

實際投資額遠低于宣布投資額，研發多量產少，先進

6

英寸及以上量產比例低，

碳化硅器件集中于低端的二極管產品上。縱觀我國碳化硅產業鏈，參與公司主要可分為幾大類：以三安光電為代表的化

合物半導體公司，華潤微為代表的功率器件制造公司，斯達半導為代表的功率

器件設計公司，中電科及中科鋼研兩大體系，天科合達、山東天岳、泰科天潤

等碳化硅公司，以及中車時代電氣、比亞迪、華為等終端廠商。國內襯底企業初露頭角，器件企業仍屬早期。2020

年全球半導體

SiC晶片市場

中，Wolfspeed出貨量占據全球

60%，從細分市場看，2020

年半絕緣襯底中國

企業發展較快，國內頭部企業市占率逐步提升，山東天岳市占率從

2019

年

18%

提升至

2020

年

30%。然而在器件端，目前意法半導體一家獨大，前幾位均為

國外公司，國內公司尚未形成一定市占率。未來，我國碳化硅產業將呈現兩極分化：龍頭企業進入終端供應鏈借由中國市

場優勢快速進擊，獲得一定市場份額，強者恒強；低端產品以及落后產能公司

進入激烈價格戰競爭期，大部分出清或被收購；正在發展的產學研機構在多方

支持下持續推進，有望成為下一輪增長期的有力競爭者。5

國內上游襯底及功率器件龍頭成長性高國內目前處于初創期，下游市場起速才開始，該階段投資邏輯落腳于企業中長

期的發展能力，即技術研發、量產能力。襯底端，需關注

6

英寸量產及產品良

率的進展。器件端，考慮新能源汽車

2024-2025

迎來增長高峰，其驗證時間至

少兩到三年，品牌后期更換器件可能性不大，目前聚焦車規級產品的公司需進

入送樣驗證階段；若尚未進入該階段，則需關注是否有可能進入電驅整機零件

的供應鏈。對于工控、光伏等應用市場，由于相對利潤空間小，則需考慮產品

上量、良率等與生產成本強相關的環節。此外，對于設計企業還需關注其產能

保證的情況。山東天岳

：公司是國內領先的碳化硅襯底生產商，主要產品包括半絕緣型和導電型碳化硅

襯底。目前，公司主要銷售為半絕緣型碳化硅襯底產品，用于通信和微波射頻

等領域。在國外部分發達國家對我國實行技術封鎖和產品禁運的背景下，公司

半絕緣型碳化硅襯底產品在國內通信射頻器件廠商中拓展迅速。截至

2020

年，

公司產能為

48,064

片（主要為半絕緣型），對應月平均擁有長晶爐

432

臺。未

來，公司計劃投資

25

億元（包括募集資金

20

億元）在上海建設碳化硅半導體

材料項目，在滿足半絕緣襯底需求的基礎上重點發展導電型碳化硅襯底。項目

計劃于

2026

年達產，屆時將新增導電型碳化硅襯底材料產能

30

萬片/年（兼容

半絕緣型碳化硅襯底材料），；對應投入用于晶體生長的長晶爐

800

臺；占全球

導電型襯底產出量

15%左右。鳳凰光學

：鳳凰光學發布公告并購中國電科旗下半導體外延材料廠商普興電子、國盛電子，

通過將原有光學產品、智能控制器產品和鋰電芯產品業務出售，同時將半導體

外延材料業務重組注入上市公司，鳳凰光學將從光學制造轉型升級為半導體材

料公司。目前，國盛電子掌握

8

英寸硅外延工藝和技術，以

8

英寸硅外延材料

核心制造技術打破了發達國家的技術壟斷與壁壘，產品能夠滿足

0.09-0.18μm功率器件及集成電路芯片需求；普興電子則在國內率先穩定量產

8

英寸硅外延

材料，碳化硅外延材料已經成功實現量產，填補了國內硅和碳化硅外延材料的

技術及產業化空白。經過本次并購后，鳳凰光學將擁有國內最大的硅片外延片

產能，未來有望成為國內碳化硅外延片主要生產商。比亞迪半導體：

比亞迪半導體是比亞迪子公司，是中國最大的車規級

IGBT廠商。公司主要業

務覆蓋功率半導體、智能控制

IC、智能傳感器及光電半導體的研發、生產及銷

售，以

IDM模式，擁有包含芯片設計、晶圓制造、封裝測試和下游應用在內的

一體化經營全產業鏈。公司

2019

年在中國新能源乘用車電機驅動控制器用

IGBT模塊廠商中排名第二，僅次于英飛凌，市占率

19%，2020

年在該領域保

持全球廠商排名第二、國內廠商排名第一的領先地位。在

SiC器件領域，公司

已實現

SiC模塊在新能源汽車高端車型電機驅動控制器中的規模化應用，也是

全球首家、國內唯一實現

SiC三相全橋模塊在電機驅動控制器中大批量裝車的

功率半導體供應商，比亞迪旗艦車型漢

EV是國內首款批量搭載

SiC模塊的車

型，通過碳化硅功率模塊使得電驅性能提升，該車型百公里加速最快可達

3.9s。

目前比亞迪車規級碳化硅模塊電壓主要為

1200V，電流等級覆蓋

400A-

950A；

自有

SiC產線（寧波半導體）正在建設中，預計

3

年后實現月產

SiC晶圓

1

萬

片，5

年后實現月產

SiC晶圓

2

萬片。斯達半導：

斯達半導自成立以來長期致力于

IGBT、快恢復二極管、SiC等功率芯片的設計

和工藝以及

IGBT、SiC等功率模塊的設計、制造和測試。根據

HISMarkit的數

據，2019

年公司在全球

IGBT模塊市場排名第七，市占率

2.5%。2021

年上半

年，公司用于新能源汽車主控制器的車規級

IGBT模塊和車規級

SiC模塊配套

超過

20

萬輛新能源汽車，車規級

SiC模塊已獲得國內外多家車企和

Tier1