行业观察 | 2019年碳化硅产业发展概况

前　言

以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温、抗辐射能力强等优越性能，切合节能减排、智能制造、信息安全等国家重大战略需求，是支撑新一代移动通信、新能源汽车、高速轨道列车、能源互联网等产业自主创新发展和转型升级的重点核心材料和电子元器件，已成为全球半导体技术和产业竞争焦点。

2019年全球经济贸易格局处于重塑期，中国经济内外部环境更加复杂严峻，但是全球第三代半导体产业逆势增长。技术产品方面，产品性能、可靠性趋于稳定，客户接受度提高。SiC 材料方面，高品质 4 英寸衬底全面商业化，6 英寸衬底的商业化也在持续推进。SiC 功率模块化产品推出速度加快，多款车规级产品值得关注。产业方面，国际企业纷纷加强在第三代半导体领域的布局，通过调整业务领域，扩大产能供给，整合并购，增强竞争能力。全球迎来扩产热潮，SiC 成为巨头布局热点，产能大幅增加。中游企业开始提前锁定上游材料货源，科锐与除罗姆之外的主要半导体器件厂商都签订了长期供货协议。车企牵头，第三代半导体产品逐渐进入各汽车集团的主流供应链。产品供应上量，价差持续缩小，SiC、GaN 产品性价比开始凸显，部分产品与 硅（Si）产品的价差已经缩小到触及“甜蜜点”。市场应用方面，第三代半导体产品渗透速度加快，应用领域不断扩张，汽车电子、5G 通信、快充电等几大动力带领市场快速增长。

总体而言，尽管 2019 年外部宏观环境不利，半导体产业整体处于低谷期，但第三代半导体产业实现逆势增长，国内外产业均步入发展快车道。

国际碳化硅产业进展

1. 技术稳定提升，应用级产品受关注

(1) 商业化材料供应稳定，性能持续提升

2019 年，SiC衬底、外延质量继续提升，尺寸不断扩大，缺陷密度持续降低，性价比进一步获得下游认可。SiC 衬底及同质外延方面，高品质 6 英寸材料商业化已经普及。科锐全面转向 6 英寸 SiC 产品，首批 8 英寸 SiC 衬底制样完成，预计2022 年实现量产。

(2) 多款器件新品推出，应用级产品受瞩目器件供应迅速上量。Mouser 数据显示，2019 年各厂家在售的各类 SiC、GaN 产品（含功率电子和微波射频，不含 LED）已经接近1300 款，较 2017 年增加了 6 成，仅 2019 年就新增了 321 款新品。

图 1 近三年 Mouser 在售的 SiC、GaN 器件及模块产品数量（款）

数据来源：CASA Research，Mouser

1）SiC 电力电子器件及模块

2019 年 SiC 功率模块化产品推出速度明显加快，多款车规级产品值得关注。

SiC 电力电子器件（包括 SBD 和 MOSFET）耐压水平和电流极值水平基本与2018年持平。商业化的SiC SBD最高耐压水平为3300V，但 90%以上的产品耐压范围仍然集中在 650V 和 1200V，工作电流集中在 60A 以下，1700V 和 3300V 产品较少。商业化的 SiC MOSFET产品指标与去年基本一致，目前最高耐压为 1700V，工作电流在 65A以下，主要有 650V、900V、1200V 以及 1700V 四个电压水平。随着技术的进步，产品实现升级换代。

图 2 国际商业化的 SiC SBD 的器件性能

图3 国际商业化的SiC MOSFET的器件性能

资料来源：Mouser, CASA Research 整理

由于目前商业化的SiC SBD/MOSFET产品已经覆盖了大部分的应用需求，因此相较于2018年，2019年推出的新产品数量有所减少。值得关注的是，2019年推出的4款SiC SBD及MOSFET均符合车规级（AEC-Q101）标准，应用于新能源汽车、光伏等领域的电力电子器件市场。

SiC功率模块推出加速。2019 年推出的SiC模块（包括全SiC及混合SiC模块）新品数量占到了新品总数的一半以上，其中全SiC模块最高工作电压为3300V（三菱），这也意味着SiC器件应用迈入新的阶段。2019年，罗姆研发的1700V/250A全SiC功率模块，可在室外发电系统和工业高压电源的应用中发挥重要作用，且其应用效果显示，采用新模块后的系统节能效果和可靠性提升显著，这意味着1700V SiC模块在性能上已可以替代1700V Si IGBT模块。

企业着重推出SiC应用模块，并推出针对SiC电路的周边器件，罗姆推出可独立保护系统的半导体保险丝，具备独立过电流保护功能。新能源汽车的发展对于驱动系统提出了更高的要求，例如小型化、高效化等。2019 年，国内外各大零部件供应商或整车企业都在着手开发或量产SiC电驱动系统。

2. 汽车电子+5G 提速，打开市场增长空间

(1) 汽车电子市场加速导入三代半产品

1）第三代半导体电力电子器件市场规模达 5.8 亿美元

综合参照 Yole 与 IHS Markit 的数据，2019 年 SiC 电力电子器件市场规模约为 5.07 亿美元，其主要驱动力为新能源汽车。而据中国电子技术标准化研究院数据，全球功率半导体分立器件的销售额约为 230.91 亿美元，综合 Yole 的数据，SiC、GaN 电力电子器件的渗透率约为 2.5%。整体来看，第三代半导体尽管进展较快，但仍然处于较早期的产品导入阶段。

图 4 SiC vs GaN vs Si 在电力电子领域渗透率情况

数据来源：Yole，2018

Yole 预测，SiC 电力电子器件的市场规模 2023 年将增长至 14 亿美元，复合年增长率接近 30%。驱动因素是新能源汽车应用，得益于 SiC MOSFET 性能和可靠性的提高，3-5 年内，SiC MOSFET 有望在电动汽车传动系统主逆变器中获得广泛应用，未来 5 年内驱动 SiC器件市场增长的主要因素将由 SiC 二极管转变为 SiC 晶体管。

2）新能源汽车市场备受瞩目

全球汽车功率半导体市场规模稳步增长。根据中商产业研究院、英飞凌数据，预计汽车半导体市场 2020 年将达到 70 亿美元，复合增长率 6.47%。电动车市场将是 SiC 器件成长的主要驱动力，包括汽车本身的功率半导体部分以及相关的充电基础设施建设中的功率半导体部分。据国际能源署（IEA）预测，到 2030 年，全球销售的纯电动汽车台数将达到 2017 年的 15 倍，增至 2150 万辆。

新能源汽车的功率半导体价值大幅提升。新能源汽车系统架构中涉及到功率半导体应用的组件包括：电机驱动器、车载充电器（OBC）/非车载充电桩、电源转换系统（车载 DC/DC）。随着新能源汽车的发展，对功率半导体器件的需求量将会日益增加。根据英飞凌的统计，平均一辆传统燃油车使用的半导体器件价值为 355 美元，而新能源汽车使用的半导体器件价值为 695 美元，几乎增加了一倍，其中功率器件增加最为显著，由 17 美元增加至 265 美元，增加了近 15 倍。目前，市场上销售的新能源汽车所搭载的功率半导体多数为硅基器件，如硅基 IGBT 和硅基 MOSFET，随着技术和产品的成熟，第三代半导体将逐步替代大部分硅基产品。

第三代半导体电力电子器件加速电动汽车市场渗透。2019 年，以 SiC 为代表的第三代半导体电力电子器件在电动汽车领域的应用取得较快进展。国际上有超过 20 家汽车厂商在车载充电机（OBC）中使用 SiC 器件，特斯拉 Model 3 的逆变器采用了意法半导体生产的全 SiC 功率模块，各汽车制造都计划于未来几年在主逆变器中应用 SiC 电力电子器件。而充电基础设施方面，台达联手通用等研发400kW 超快速充电系统（XFC）中使用 SiC 功率半导体器件。电驱方面，科锐联手采埃孚推进电驱动领域合作，双方达成战略合作协议，推进采用 SiC 基逆变器的电驱动动力总成开发。

国内碳化硅产业进展

1. 量产技术渐稳定，商业化进程加速

2019 年我国第三代半导体领域技术已经基本完成从小批量的研发向规模化、商业化生产的成功跨越。各环节技术、性能趋于稳定，规模化生产工艺、产品性价比等逐步得到市场认可。行业对技术的关注点不仅是创新研发，还包括工程化技术、可靠性验证及规模商用。

(1) 材料获下游认可，技术指标稳定提升

SiC 衬底方面，4 英寸导电和半绝缘衬底已经实现产业化，6 英寸导电衬底小批量供货，已经研制出 8 英寸衬底。目前，国内主流衬底厂商均有能力制备低微管密度衬底，自主的 6 英寸 N 型 4H-SiC 单晶衬底材料技术，微管密度降低到 0.13 个/cm2，4 英寸半绝缘 SiC 衬底批量商用，表面粗糙度 0.082nm，供货过万片。外延方面，SiC 同质外延目前商业化的尺寸为 4-6 英寸，基平面位错（BPD）≤1cm-2，最大厚度可达 200μm。

(2) 器件技术追赶国外，商业供应链打通SiC 器件方面，国内外产品涵盖的电压等级已经基本无差别。

SiC SBD 覆盖了 600V-3300V 的电压范围，商业化的 SiC SBD 目前最高耐压6.5kV，工作电流 25A，实现批量供货；SiC MOSFET 方面，推出多款应用于新能源汽车电机驱动的 1200V 大功率器件及模块产品，全 SiC 功率模块最高规格为1200V/600A。车用 SiC 电机控制器、车用自主 1200V SiC 芯片及模块、车用高温大电流 SiC MOSFET 双面银芯片等技术取得重要突破。同时，已经开发出了 60kW 全 SiC 直流充电机，整体效率达 96%，相对硅基样机提升 2%；研制出满足公交充电站应用的 400kW 全 SiC 直流充电机样机；实现了国产 SiC 充电设备的量产。

受经济形势下行和国内应用市场的共同作用，我国半导体电力电子市场规模继续扩大，但增速略有下滑。据 Wind 数据显示，2019 年我国半导体分立器件的市场规模约 2900 亿元。第三代半导体器件则逆势增长，而据 CASA Research 统计，2019 年国内市场 SiC、GaN 电力电子器件的市场规模约为 39.3 亿元，较上年同比增长 40.97%。这意味 SiC、 GaN 器件在功率器件市场渗透率在 1.5%到 3.0%之间，逐年提高。

未来几年，随着技术进步、产业发展和成本价格持续降低，SiC、GaN 的器件较传统 Si 器件的市场竞争优势将越来越明显，推动第三代半导体功率电子的替换渗透逐步提升。同时，SiC、GaN 的应用领域也不断拓展，新市场、新应用相继启动。2019 年国内除光伏逆变、 新能源汽车等持续推进以外，消费电子的快充电源和云计算数据中心的商业电源市场成为新的应用亮点。

应用领域拓展、市场渗透加速、国产化率提升，三大发展趋势将推动国内第三代半导体市场未来几年的高速增长。CASA Research 预计 2024 年我国电力电子器件应用市场规模预计将近 200 亿元，未来5年的复合增速将超过 40%。

从各细分市场来看，市场成长动力主要来自新能源汽车、消费电子和工商业电源应用。

新能源汽车和充电桩市场是 SiC 功率器件市场增长的重要动力。

我国作为全球最大的新能源汽车市场，2019 年随着下游特斯拉等品牌开始大量推进 SiC 解决方案，国内的厂商也快速跟进，以比亚迪为代表的整车厂商开始全方位布局，推动第三代半导体器件的在汽车领域加速。第三代半导体器件在充电桩领域的渗透快于整车市场，主要应用是直流充电。2019 年，新能源汽车细分市场的 SiC 器件应用规模（含整车和充电设施）约为 4.2 亿元，较上年增长了 70%，未来五年预计将保持超过 30%的年均增长。

2019 年，第三代半导体电力电子器件在工业及商业电源的市场规模接近 9 亿元，增速超过 30%。受 5G 浪潮、汽车电气化、物联网、智慧城市等宏观要素推动，终端的消费电子、汽车电子带来更新换代需求；而云端数据中心催化了服务器市场的高速增长；同时 5G 基站新浪潮带来了通讯电源市场的爆发。一方面受通讯电源、服务器电源的市场高速增长影响，另一方面在工商业电源中成本敏感度稍低，随着 SiC、GaN 产品的成本下降，大量解决方案的出台，第三代半导体产品的性价比开始凸显，因此工商业领域，特别是毛利较高的高端市场，新技术的渗透较预期的快。预计未来五年将继续保持超过 30%的增长，到 2024 年第三代半导体在该领域的市场规模将超过 30 亿元。

光伏市场增长不如预期，占比下降较多。根据国家能源局数据，2019 年光伏发电新增装机容量仅 3011 万千瓦，同比下降 31.6%，主要是“531 新政”影响，光伏建设规模受到控制，且电价及补贴再次被降低，导致部分企业退出，光伏市场陷入低谷期。因此，尽管 SiC 器件的渗透仍在提升，但光伏整体市场规模较前两年有较大萎缩，仅为3.2 亿元，下降了 48%。

经过几年的发展，中国各地第三代半导体产业集聚已初步形成，且各集群有其自身的优势和特点。但另一方面，由于各地多个产业园大量资源倾斜，高速发展，需要错位发展，避免重复建设。同时，在基地建设和招商时对项目做好甄别，更好地配置资源。

其中珠三角地区的广州、深圳、珠海、东莞等地陆续发布多条政策，继续推进产业集聚。《广州市加快发展集成电路产业的若干措施》、《深圳市人民政府办公厅印发关于加快集成电路产业发展若干措施的通知》、《深圳市工业和信息化局集成电路专项扶持计划操作规程》、《深圳市进一步推动集成电路产业发展行动计划 （2019-2023 年）》、《珠海高新区加快推进集成电路设计产业发展扶持办法（试行）》几条政策从产业资金、发展空间、企业落地、人才队伍、核心技术攻关、产业链构建等方面对第三代半导体产业进行全方位支持。

广东省第三代半导体技术创新中心成立。该中心按照 “一体两翼多中心” 的模式，以深圳第三代半导体研究院为主体，以东莞第三代半导体基础材料产业基地和广州南沙新能源汽车第三代半导体应用产业基地为两翼，采用多个协议制的联合／应用研发中心和企业会员制，加强与现有各类创新平台的衔接，最大限度整合利用广东省及国内外领先研发团队和人才的存量，完善“共商、共建、共治、共享、共用”的开放运行机制。强化开放共享，吸引集聚第三代半导体领域优势力量，通过产学研协同创新、大中小企业协调发展，打造风险共担、收益共享的利益共同体，推动形成开放共享的大联合、大协同、大网络，辐射形成更加完善的产业创新生态。基本半导体和金威源科技签订战略合作协议，于深圳坪山共同设立“金威源科技—基本半导体联合实验室”，针对第三代半导体在高效电源领域展开技术研发和产品创新等深度合作。

深圳第三代半导体研究院作为全国第一家覆盖全产业链的新型独立研发机构，平台建设进展顺利，市财政首期资金 9.9 亿元，目前长晶、测试等设备陆续到位，并已集聚包括 IEEE FELLOW、国家“千人计划”、“长江学者”等顶级科研专家的 103 人研究团队，确立了 5 万 6 千平米的孵化及办公场地，承担多项国家级、省级重大课题，申请发明专利 70 多项。

产业发展较快，产业集聚之势基本成型。东莞天域、东莞中镓、基本半导体、英诺赛科等企业进展较快，成为国内第三代半导体中坚力量。而比亚迪、格力等下游应用企业也在布局。芯聚能半导体、南砂晶圆等项目先后落地。

　　展望2020年，受新型冠状病毒肺炎疫情和政经风险交织等因素影响，全球经济预计继续下滑。中国第三代半导体产业在高速发展中需要关注错位发展、质量提升、市场波动和资本较热的问题。从国家层面加快顶层设计和部署，启动国家2030重大项目，夯实支撑产业链的公共研发与服务等基础平台，加速推动产业生态环境的完善。