第三代半导体行业深度研究：电力电子器件领域，碳化硅大有可为
（报告出品方/作者：中国银河证券，高峰，王子路）
核心观点：
第三代半导体：更先进的材料，更优异的产品特性。第三代半导体材料是指带隙宽度达到2.0-6.0eV的宽禁带半导体材料，包 括了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN），是制造高压大功率电力电子器件的突破性材料。相比硅基，SiC材料在热导率、开关频 率、电子迁移率和击穿场强均具备优势，因此SiC材料具备更高效率和功率密度。从产业链来看，衬底是价值链核心，在成本 SIC SBD器件中，衬底价值量占比达到47%。我们认为，衬底价格下降是推动碳化硅产业链发展的核心环节，衬底行业的发展也 是未来SiC产业降本增效和商业化落地的核心驱动因素。
一第三代半导体：更先进的材料，更优异的产品特性
电力电子技术是能够有效利用功率器件、应用电路和设计理论及分析方法实现对电能的高效变换和控制一 门技术。电力电子技术始于20世纪70年代，经过40余年发展，目前已成为现在工业社会非常重要的支撑产 业之一。在大量实际应用场景下，例如农业生产、国防军工、航空航天、石油冶炼、核工业和新能源产业， 大到百兆直流输电装置，小到家用电器，均能看到电力电子装置的身影。
第三代半导体材料是继以硅（Si）和砷化镓（GaAs）为代表的第一代和第二代半导体材料之后，迅速发展 起来的宽禁带半导体材料。具体是指带隙宽度达到2.0-6.0eV的宽禁带半导体材料，包括了碳化硅（SiC） 和氮化镓（GaN）,从现阶段发展来看，GaN材料更适合1000V以下电压等级，高开关频率的器件，相比之下， SiC材料及器件能用在10kV以下应用场景，更适合制作高压大功率电力电子装置，且目前SiC功率器件商业 化落地速度极快。
SiC应用场景多用于制作功率和射频器件
从SiC材料适用范围来看，碳化硅器件可广泛应用于高压、高频和大电流场景，因此十分适合光伏、新能 源车和5G通信领域。从电化学性质差异来看，SiC衬底材料可以分为导电型衬底（电阻率区间15~30mΩ·cm）和半绝缘型衬底 （电阻率高于105Ω·cm），在不同衬底片上生长GaN外延制成HEMT等微波射频器件，应用于5G通信、卫星 、雷达等领域。在导电型衬底片上生长SiC外延层，通过进一步加工制成SiC SBD，SiC MOSFET等功率器件， 应用于新能源车电驱电控、OBD和DC/DC，光伏逆变电站、轨交、电网和航空领域。
相比硅基材料，SiC材料特性优势
SiC的发现始于1824年的瑞典科学家J.J.Berzelius，但是鉴于当时硅（Si）技术的卓越发展，SiC的研究 工作没有再进一步。直到20实际90年代，Si基电力电子装置出现了性能瓶颈，再次激发了相关机构对SiC 材料的研究兴趣。由于Si和C之间的共价键比Si原子之间的要强，因此SiC材料要比Si材料具备更高的击穿电场强度、载流子 饱和漂移速率、惹到行和热稳定性。SiC具有250多种不同晶体结构，但目前能商业化落地只有4H-SiC和 6H-SiC，由于4H-SiC相比6H-SiC具备更高载流子迁移率，因此成为SiC基电力电子器件的首选。
在功率转换应用场景，SiC器件表现出绝对优势
在同电压场景下，宽禁带半导体能做到更薄和更低的电阻。相同规格的SiC基MOSFET和Si基MOSFET相比， 导通电阻降低为1/200，尺寸减小为1/10；相同规格的使用SiC基MOSFET的逆变器和使用Si基IGBT相比，总 能量损失小于1/4。在OBC充电桩场景下，SiC更高的击穿电场强度，极低的导通电阻使得SiC能在22kW快充条件下实现更少期 间数量和更高运行效率。在使用SiC材料情况下，相同功率条件下，期间个数也由22只硅基IGBT减少至14 只SiC MOSFET。
产业链现状：衬底为价值链核心，呈现供不应求局面
在成品SIC SBD器件占比中，衬底、外延和前段开发公司占比47%、23%和19%，主要原因系长晶缓慢且良率 偏低，同时鉴于材质等物理特性原因，切割破损率高进一步推高器件整体成本。目前导电型SiC衬底以n型 衬底为主，外延GaN基LED等光电子器件、SiC基电力电子器件等，半绝缘SiC衬底主要用于外延制造GaN高 功率射频器件。我们认为未来SiC衬底价格下降是推动碳化硅产业链发展的核心环节，衬底行业的发展也是未来SiC产业降 本增效和商业化落地的核心驱动因素。
二市场空间仍待开发，产业链成熟度逐步提升
SiC行业正处于加速成长期，市场规模快速增长
第三代半导体行业加速发展，新能源产业链为增长驱动核心竞争力。尽管第三代半导体发现时间很早，但 受制于成本和产业链不成熟等因素并未实现大规模商业化落地，2019年，以GaN-on-SiC等射频器件的推广， 对设备开发，衬底和外延技术的推动形成了正向反馈。同时Wolfspeed已完成8英寸SiC衬底片的流片，6英 寸产业链大规模商业化落地已逐步成型。 同时SiC功率器件广泛用于新能源汽车、光伏、轨道交通等领域，未来市场增速能够得到保证。同时国内 市场也有多家企业布局SiC产业，未来市场竞争格局将持续深化。
市场空间：预计27年市场空间将超过60亿美元
预计27年市场空间将超过60亿美元。根据Yole测算，仅碳化硅器件中的功率器件的市场规模将从2021年的 10.90亿美金增长至2027年的62.97亿美金，复合年增长率约34%。从细分行业来看，新能源产业链和充电基础设施将为增长最快领域。
需求：新能源车领域将是SiC器件需求最大领域
SiC器件主要应用在车载充电器、DC/DC转换器和主驱逆变器上。在2017年之前车载充电器主要以SiC SBD 为主，而在2017年后SiC SBD和SiC MOSFET的方案已经成熟。在2018年，DC/DC转换器也由Si MOSFET逐渐 变成以SiC MOSFET为主。 特斯拉（Tesla）在2018年，将Model 3车型的主驱动逆变器中已经使用了SiC MOSFET，将Si IGBT替换为 SiC器件后，新能源汽车逆变器效率可以大幅提升，相同续航下对电池容量需求降低，以及实现系统冷却 体积和重量的优化，有效降低SiC器件本身带来的成本增加。
三海外厂商为主导，国内企业正加速追赶
行业竞争：海外已突破8英寸节点，国内呈现后发优势
衬底市场海外走向8英寸，在导电型衬底仍有提升空间。目前国际主流企业 WolfSpeed、II-VI 和 ST意法均已进入8英寸样品的研发。国内企业还处于4、6英寸衬底导入阶段，借鉴海外市场成熟经验， 购买相关设备和专利。 在全球半绝缘衬底材料领域，天岳先进市场份额以达到30%，进入全球前三；在导电型SiC市场仍然以 海外市场主导，国内单一企业市场占有率均不足1%，仍有较大市场空间。
第三代半导体有望在国家支持下快速发展
第三代半导体有望在国家支持下快速发展。我国的“中国制造2025”计划中明确提出要大力发展第三代半 导体产业。2015年5月，中国建立第三代半导体材料及应用联合创新基地，抢占第三代半导体战略新高地， 对推动我国第三代半导体材料及器件研发和相关产业发展具有重要意义。我们预计，未来几年在5G及新能 源车快速推广和渗透的背景下，第三代半导体将迎来较快增长，相关领域将迎来来更大力度、更有针对性 的支持。
四渗透率提升市场空间打开，短期分歧不改长期趋势
分歧：长期系统成本降低VS短期单一器件成本
目前车厂主驱逆变由IGBT模块切换成SiC的首要障碍是成本。从逆变器角度来说，当前碳化硅逆变器本身 模块价格是硅基的2-3倍，英飞凌HPD 1000-1500元，SiC模块4500元。若采用双电机驱动，单车成本上市 幅度就要增加6000-7000元，同时SiC功率模块不匹配的CTE(热膨胀系数)容易使各层相互分离,引发器件失 效，因此需要合适的封装和系统集成创新方案。 尽管在整体集成上，PCB板用料减少、散热器件减少等会降低成本，但是目前应用SiC晶圆价格仍保持每年 5%-10%左右下降，短期单一器件价格仍存下降空间。
长期衬底价格下降，SiC器件接受度和渗透率迎提升
衬底制备技术成熟度带动良率提升、SiC厂商扩产带来的供给量上升、产线向大尺寸晶圆转移，三大因素 导致单SiC衬底片价格呈下降趋势。根据CASA预测，预计到未来5年，SiC衬底价格以每年5%-10%下降。 随着SiC衬底价格下降，下游客户对SiC器件带来的性能提升接受度提升，价格敏感度下降，导致SiC器件 渗透率高速提升。根据Yole数据预测，预计到2025年，全球功率器件中，SiC器件渗透率将达到11.6%，突 破10%，预计到2027年，渗透率突破15%。
分歧：制造环节仍需打破壁垒
SiC材料特性会面临工艺难题和产业化难题。碳化硅的瓶颈主要在工艺上，芯片制造需要使用到碳膜溅射 机、高温退火炉、高温离子注入机等专用设备。 例如，SiC无扩散，渗杂需要高能注入，一般注入能量在300keV，甚至需要打二阶到700keV以上，这会造 成工艺制造成本高、流片效率低，SiC芯片制造过程中需高温注入，且还要高温化退火工艺。其次，栅氧 工艺需要面对碳原子的反应，会形成碳相关杂质，需要高温氧化工艺，皇冠级难度，由于硅产业无法借鉴， 工艺摸索、设备配套较局限，高温炉子易受污染，长期稳定性差。
分歧：IDM商业模式VS战略合作
硅基半导体已经形成了高度垂直分工的产业运作模式。但与硅基半导体产业不同，SiC 产业目前来看，主 要是以IDM模式为主。SiC产业目前以IDM模式为主的主要原因：1) 设备相比硅晶圆制造较为便宜，产线资 本投入门槛相对较低；2) 受益于成熟的半导体工艺，SiC 器件设计相对不复杂；3) 掌握上下游整合能力 可以加速产品迭代周期，有效控制成本以及产品良率。 目前包括Wolfspeed、ST意法、罗姆均采用了IDM模式，国内三安光电、泰克天润、基本半导体等也在努力 布局全产业链，持续完善垂直整合能力，强化竞争力。
报告节选：
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精选报告来源：【未来智库】系统发生错误
派瑞股份：电力半导体器件细分领域龙头
公司研制和生产的世界最高等级的电控和光控晶闸管的成功应用和可靠运行，为我国特高压输电领域得技术发展处于世界领先地位作出了突出贡献。
西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司（下称派瑞股份，300831.SZ）是长期从事电力半导体器件和装置研发生产的国家高新技术企业，拥有自主知识产权的6英寸特大功率电控晶闸管和 5 英寸特大功率光控晶闸管技术，产品成功应用于我国多个特高压直流输电工程。派瑞股份本次IPO发行8000万股新股，发行价3.98元。
技术领先
派瑞股份自成立以来，一直专注于电力半导体器件的研制和生产，经过多年的专注发展，公司在大功率、大直径的高等级晶闸管领域成为行业龙头，占据了大部分国内市场份额，并且开发了多种系列、多种应用场合的各种规格的晶闸管品种，形成了较为完善的产品序列。
半导体被称为”工业粮食”，是所有电子设备的心脏。目前，我国每年半导体器件（芯片）进口总额已达数千亿美元，超过了石油进口总额，高端芯片自给率几乎为零，国内高端制造行业对国外芯片厂商存在严重的依赖局面。为保障国家经济长远发展和国民经济安全，国内半导体行业必须加大研发投入和技术创新，实现高端产品工艺和技术的突破，以摆脱受制于人的局面。
作为电力半导体器件细分领域的龙头，派瑞股份通过多年的努力，在双极型器件领域，已跻身全球第一梯队；公司研制和生产的世界最高等级的电控和光控晶闸管在我国数十条超高压和特高压直流输电工程上成功应用和可靠运行，为我国特高压输电技术达到世界先进水平提供了坚强基础。
派瑞股份为西电所控股子公司，西电所是我国电力半导体器件的发源地。派瑞股份承继了西电所的技术沉积，研制生产的拥有自主知识产权的6英寸特大功率电控晶闸管和5英寸特大功率光控晶闸管的大批量成功应用于我国三峡工程、云南-广州、向家坝-上海等数十条特、超高压直流输电工程。受到国家科学技术进步特等嘉奖。随着公司建成的具有世界先进水平的电力半导体器件研发中心并拥有一流的生产工艺和全系列测试实验设备以及完整的质量管理体系，承担了我国高压直流输电工程核心器件研发和制造任务。
目前，公司生产的高压直流阀用晶闸管在国内超高压和特高压直流输电工程中拥有较高的市场份额，凭借技术优势在大功率半导体市场领域占有一定的优势。
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派瑞公司由西电所出资设立，后引入战略投资伙伴。公司继承了西电所多年来的技术累积，承担了国家发改委备案的多个重大装备国产化项目。
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