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电子设备行业深度研究
2021 年 12 月 20 日
【投资要点】
◆SiC高性能材料，适用于高压、高频场景。与Si相交，SiC禁带宽度 更大，热导率、击穿电厂强度更高，在高压高频等应用场景具有优势。
与SI器件相较，SiC器件的特性有1）耐高温，SiC器件的极限工作温度为600℃以上，Si器件不能超过300℃。2）易散热，SiC材料的热导率是Si的2-3倍，因此SiC器件对散热设计的要求更低。3）低损耗，相同规格下，SiC MOS的总能量损耗较Si IGBT降低70%。4）可实现更高的工作频率。因此SiC器件适用于高频率开关、650V-3.3kV 高压场景，目前制约SiC大规模应用的因素是价格，我们预计随着上游衬底产能逐步释放，良率提高，价格或将逐步降低。 ◆SiC市场进入风口期。根据Yole数据，全球SiC功率器件市场规模将 从2019年的5.4亿美元增加至2025年的25.6亿美元，CAGR为30%，根据CASA Research数据，2020-2025年中国SiC、GaN电力电子器件市场规模CAGR为45%，新能源汽车和光伏储能是SiC功率器件增长的主要推动力。补能焦虑是新能源汽车阿喀琉斯之踵，汽车800V高压平台技术逐渐冒尖，使用SiC的新能源汽车系统成本或与使用Si器件成本相差不大，因此我们认为汽车高压平台涌现促进SiC器件渗透率提升。此外SiC器件能够促进能源高效转换，在光伏储能领域也起着至关重要作用，CASA预计至2025年光伏逆变器中SiC器件占比将提升至50%。
◆产能扩张+衬底尺寸扩大是未来的趋势。SiC晶圆制造难度较大，全
球SiC晶圆供给紧张，美国在SiC晶圆市占率较高，我们认为主因发达国家较早布局SiC晶圆片。各国纷纷布局SiC产业，通过产能扩张和扩大衬底尺寸缓解产能紧平衡的状态，中国也在加大投资力度缩小与国外差距。中国与全球在SiC产业的差距表现有：1）衬底：目前全球SiC衬底从6吋向8吋逐渐演变，中国SiC商业化衬底以4吋为主，正在逐步向6吋过渡。2）外延：全球6吋SiC外延已商业化，且研制出8吋产品，而国内基本实现4-6吋外延供给。3）器件：全球SiC器件电流和电压设计大于中国，全球量产SiC二极管电压分布在600V-3300V，电流覆盖2A-100A，SiC晶体管量产产品击穿电压主要分布在650V-1700V，导通电流超过100A，推出的SiC MOS最高导通电流和击穿电压分别为140A和6500V，而中国二极管覆盖电压为
650V-1700V，电流达到50A，SiC MOS电压覆盖650V、1200V和1700V。
◆SiC行业技术壁垒较高。SiC衬底成本在SiC器件制造成本中占比较
高，目前PVT为主流晶体生长法，工艺难点包括1）生长环境苛刻，黑匣子操作难以控制；2）生长速度慢，晶体尺寸扩大难；3） SiC存在加工困难、制造效率低、制造成本高等问题。在器件制造过程中，主要挑战在于设备和工艺以及材料的选择和供应。
强于大市（维持）螺柱焊
东方财富证券研究所
证券分析师：刘溢
证书编号：S1160521090001
联系人：刘溢
电话：187****2809
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-5.50%
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19.32%
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电子设备沪深300
挖掘价值投资成长
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行业研究 / 电子设备 / 证券研究报告
【配置建议】
◆投资建议。SiC作为功率器件行业皇冠上的明珠，发展正当时，建议关注全产业布局公司三安光电，衬
底制造公司天岳先进、晶盛机电、露笑科技、东尼电子，外延公司凤凰光学、瀚天天成、东莞天域，器件制造公司时代电气、斯达半导、士兰微、华润微等。
【风险提示】
◆风险提示。SiC工艺难度大，研发不及预期；衬底成本降低不及预期，或影响SiC渗透率；产能扩张
不
及预期。
正文目录
1.SiC：高性能材料，适用于高压、高频场景 (5)
2.SiC市场方兴未艾 (7)
2.1.需求：新能源之风下，19-25年全球SiC功率器件CAGR为30% (7)
2.1.1.新能源汽车：向高电压平台演进过程中，SiC扮演了不可替代的角 . 8 2.1.2.光伏储能：SiC助力能源高效转换 (10)
2.2.供给：产能不足，产能扩张+衬底尺寸扩大满足供需缺口 (11)
3.技术提高SiC行业门槛 (16)
3.1.衬底：PVT为主流晶体生长法，制造仍存难点 (17)
3.2.器件：设备、工艺出现挑战 (19)
4.相关公司 (20)
4.1.天岳先进（已过会） (20)
4.2.三安光电（600703.SH） (21)
4.3.晶盛机电（300316.SZ） (21)
4.4.凤凰光学（600071.SH） (22)
4.5.时代电气（688187.SH） (22)
4.6.斯达半导（603290.SH） (22)
4.7.士兰微（600460.SH） (23)
5.风险提示 (23)
图表目录
图表 1：各半导体材料性能比较 (5)
图表 2：各类损耗计算公式 (6)
图表 3：Si IGBT与SiC MOS损耗对比 (6)
图表 4：Si、SiC、GaN器件应用场景对比 (6)
图表 5：650V SiC MOS与Si IGBT价格比较（元/A） (7)
图表 6：Wolfspeed衬底尺寸逐渐扩大 (7)
图表 7：全球SiC功率器件市场规模（百万美元） (7)
图表 8：中国SiC、GaN电力电子器件应用市场规模 (7)
图表 9：按应用领域分，全球SiC功率器件市场结构 (8)
图表 10：按应用领域分，中国SiC、GaN电力电气器件市场结构 (8)
图表 11：新能源汽车SiC、GaN功率市场规模 (9)
图表 12：新能源汽车SiC、GaN功率市场规模 (9)
图表 13：使用SiC器件的新能源汽车系统 (9)
图表 14：Model 3使用SiC模块 (9)
双生筷图表 15：小鹏800V高压SiC平台+480kW高压超充 (10)
图表 16：SiC器件和Si器件需要的散热器对比 (10)
图表 17：光伏逆变器中SiC器件占比预测 (10)
图表 18：全球、中国光伏逆变器规模 (10)
图表 19：2020年全球导电型SiC晶圆厂商市占率 (11)
图表 20：Wolfspeed SiC晶圆产能情况 (12)
图表 21： Rohm公司整体计划示意图 (12)
图表 22：中国SiC新增产能投资金额和数量情况 (12)
图表 23：中国SiC晶圆产量 (12)
图表 24：2021年国内主要SiC半导体投资扩产情况 (13)
图表 25：国外SiC衬底技术进展 (14)
图表 26：中国SiC衬底技术进展 (14)
图表 27：全球商业化SiC SBD器件性能 (15)
图表 28：全球新推出的SiC MOS产品 (15)
图表 29：SiC模块供应链厂商通过四个维度进军新能源汽车 (16)
图表 30：SiC产业链图 (17)
图表 31：SiC器件的成本构成 (17)
图表 32：PVT热场法结构图 (17)
图表 33：HT-CVD法示意图 (17)
图表 34：液相法结构图 (18)
图表 35：SiC生长方法优缺点比较 (18)
图表 36：SiC晶片工艺流程 (19)
图表 37：行业重点关注公司 (20)
图表 38：2018-2021H1收入情况 (20)
图表 39：2018-2021H1归母净利润 (20)
图表 40：三安光电产业布局图 (21)
图表 41：三安光电收入及增速情况 (21)
图表 42：晶盛机电收入及增速 (21)
图表 43：晶盛机电归母净利润及增速情况 (21)
图表 44：凤凰光学收入及增速 (22)
图表 45：凤凰光学归母净利润及增速情况 (22)
灭蚊机图表 46：时代电气SiC产品 (22)
图表 47：时代电气收入及增速情况 (22)
图表 48：斯达半导收入及增速 (23)
图表 49：斯达半导归母净利润及增速情况 (23)
图表 50：士兰微收入及增速 (23)
图表 51：士兰微归母净利润及增速情况 (23)
1.SiC：高性能材料，适用于高压、高频场景
SiC适用于高压、高频、高温等领域。半导体材料分为元素半导体和化合物半导体，其中元素半导体材料主要有Si、Ge(锗)，化合物半导体包括GaAs、SiC和GaN。Si由于储量丰富、技术成熟、成本低等特性，是引用最为广泛的半导体材料，被广泛应用于分立器件、集成电路等领域，SiC具有近200多种晶型，常见的有4H、6H和3C等等，与Si相较，SiC禁带宽度更大，热导率、击穿电场强度更高，在高频、高温、高压等应用场景具有优势。
图表 1：各半导体材料性能比较
Si GaAs SiC GaN 禁带宽度（eV） 1.12 1.43 3.2 3.4热导率（W·cm-1·K-1） 1.5 0.54 4.0 1.3
电子迁移率（cm2/Vs）1500 8500 1140 1250 介电常数11.8 12.5 9.6-10 9 击穿电场强度（MV/cm）0.3 0.4 3.5 3.3
饱和电子漂移速度（107cm/s） 1.0 1.0 2.0 2.5硬度（kg·mm-2）1000 600 2130 /热膨胀系数（10-6/℃） 2.6 5.9 4.2-4.68 5.6 熔点（℃）1420 1238 2830 1700
带隙类型间接直接间接直接
资料来源：天岳先进招股说明书，《宽禁带半导体高频及微波功率器件与电路》，《GaN——第三代半导体的曙光》，《宽禁带半导体特性及生长技术》，东方财富证券研究所
注：SiC有200多种晶型，表中列示主流的SiC晶型4H-SiC的参数
SiC器件特性有：1）耐高温，材料禁带宽度越大，器件的极限工作温度越高，SiC禁带宽度为3.2eV，接近Si禁带宽度的3倍，因此SiC器件极限工作温度高于Si器件，根据天岳先进招股说明书，SiC器件的极限工作温度为600℃以上，Si器件不能超过300℃。
2）易散热，SiC热导率为4.0 W·cm-1·K-1，是Si的2-3倍，在同等输出功率下，高热导率的材料制作而成的器件温度更低，对散热设计的要求更低。
3）低损耗，根据天岳先进招股说明书和应用材料，相同规格下，SiC MOS 的总能量损耗较Si IGBT降低70%。
➢开关损耗：Psw_on=UdJontonfs/2， Psw_off=UdJontofffs/2，其中Psw_on 为开通损耗，Psw_off为关断损耗，Ud为电源电压，Jon为导通电流，fs
为开关频率，ton和toff分别为开通时间和关断时间。由于SiC材料击
遥感图像穿场强是Si材料的11-12倍，因此在同等电压和电流设计下，SiC器件
尺寸远小于Si器件，也大大减少了导通电阻，缩短了开通时间和关断时
间，因此SiC器件开关损耗远小于Si器件。
➢导通损耗：P cond=（4U B2/μNεs E C3）*J on2，其中P cond为导通损耗，U B为阻断电压，μN为电子迁移率，εs为介电常数，E C为击穿电场强度，J on为导通电
数码彩扩机流。该公式表明在同等功率条件下，SiC击穿电场强度是Si的11-12倍
左右，因此SiC器件导通损耗是Si器件的0.10%。
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