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1、天岳先进研究报告：全球半绝缘SiC衬底巨头_6英寸导电型加速扩产一、全球半绝缘型碳化硅衬底巨头，加速导电型碳化硅衬底布局1、公司概况：全球半绝缘型碳化硅衬底巨头，扩张 6 英寸导电型碳化硅衬底产能专注碳化硅衬底研发和生产十余年，已具备 6 英寸导电型、半绝缘型碳化硅衬底量产能力。公司前身天岳有限成立于 2010 年，创始人为宗艳民。公司成立之初，曾探索过蓝宝石衬底领域，自 2011 年至今，公司专注于碳化硅衬底的研 发、生产和销售。2012 年，公司具备 2 英寸半绝缘型、导电型碳化硅衬底量产能力。2013 年，公司具备 3 英寸半绝 缘型、4 英寸导电型碳化硅衬底量产能力。2013 年，公司
2、开始进行 6 英寸导电型碳化硅衬底的研发，并于 2017 年具 备量产能力。2015 年，公司开始研发 6 英寸半绝缘型碳化硅衬底，并于 2019 年具备量产能力。目前，公司正在进 行 8 英寸导电型碳化硅衬底的研发。受瓦森纳协定制约，半绝缘碳化硅衬底难以进口，为满足需求，公司将主要产能分配到半绝缘产品。2008 年瓦森纳协定对半绝缘型碳化硅衬底进行明确的限制，部分西方发达国家作为协定成员国对我国停止销售该产品， 制约了我国国防和新一代信息通信的发展，对国家发展、产业链安全造成严重威胁。在此背景下，公司自主研发出半 绝缘型碳化硅衬底技术，将主要产能分配到半绝缘产品，实现我国核心战略材料的自主可
3、控，有力保障了国内产品的 供应，确保我国宽禁带半导体产业链的平稳发展。实际控制人宗艳民持股 33.43%，哈勃投资和深创投分别持有 7%和 1.44%的股份。截至 2021 年 12 月 15 日，公 司方面，宗艳民先生对公司的控制权合计可达 42.75%，包括直接持有公司 33.43%股份，担任持股分别为 5.98%、 3.34%的员工持股平台上海麦明和上海铸傲 GP；海通系合计持有公司 12.05%股份，其中海通新能源私募基金担任 GP 的辽宁中德持股 8.81%，海通开元投资控股的辽宁海通新能源持股2.74%，海通证券全资子公司海通创新持有0.49% 的股权；济南国材为新疆国新股权投资公
4、司下的私募基金，持有公司 10%的股权；华为通过哈勃投资间接持有公 司股份 7.05%，深创投持有 1.44%，中微公司持有 0.99%。天岳先进下设数家子公司承担碳化硅衬底的研发、销售、设备材料购买等。公司下设数家子公司承担碳化硅衬底的研 发、销售、设备材料购买等工作，子公司上海天岳为本次募投项目 6 英寸碳化硅衬底的实施主体；济宁天岳负责碳化 硅晶体材料的生产；上海越服负责碳化硅生产相关原材料及设备的采购；天岳新材料尚未实际开展生产经营，未来拟 作为公司济南高新区“山东省碳化硅材料重点实验室项目”的运营主体；SICC GLOBAL 和 Sakura Technologies 为 位于日本的
5、全资子公司，负责产品在日销售和研发。2、主营业务：半绝缘型碳化硅衬底为主导产品，客户来自无线电探测及通信行业天岳先进采用物理气相传输法（PVT 法）生产碳化硅晶锭，再经多道衬底加工环节生产成品。原料合成环节：公 司以高纯碳粉、高纯硅粉为原料合成碳化硅粉；晶体生长环节：采用 PVT 法制备碳化硅单晶，单晶生长系统中极 易发生不同晶型的转化，导致目标晶型杂乱以及各种结晶缺陷等严重质量问题，是碳化硅衬底生产的核心环节；衬 底加工环节：包括晶棒切割和晶片的研磨、抛光、清洗，该环节决定了单个半导体级晶棒经切片加工后产出合格衬底 的占比。天岳先进主要产品为半绝缘型碳化硅衬底，2021H1 营收比例近 78
6、%，导电型衬底已形成小批量销售。1）半绝缘型碳化硅衬底：需要在全真空环境下生长，对设备真空度和物料纯度有较高要求，主要用于 HEMT 等微波 射频器件的制作。公司主要产品为 4 英寸半绝缘型碳化硅衬底，2021 年上半年，半绝缘型衬底销售占公司主营业务 收入的 77.64%；2）导电型碳化硅衬底：采用 N 掺杂来调控晶体中 n 型载流子浓度，实现导电型产品电阻率的控制，主要用于功率器 件的制作。目前已形成小批量销售；3）生产过程中无法达到要求的晶棒、不合格衬底等其他业务产品：可作为宝石晶棒用于加工制成莫桑钻等珠宝首饰， 进入消费品市场，或用于设备研发与测试等领域。天岳先进碳化硅衬底产品终端为无
7、线电探测及通信行业，目前已通过国内下游领先公司验证并实现批量供货。公司产 能有限，主要供给下游领先客户，20182021H1 来自前两大客户的营收占比分别为 55.68%/65.96%/78.75%/65.74%。1）客户 A：无线电探测行业领先厂商，2018 年开始批量向公司采购半绝缘型碳化硅衬底，20182020 年对公司半 绝缘型碳化硅衬底的采购额从 0.68 亿元上升至 1.9 亿元；2）客户 B：通信行业领先企业，近年对半绝缘型碳化硅衬底需求量迅增，20182020 年对公司半绝缘型碳化硅衬底 采购额从 148.21 万元上升至 1.4 亿元，2021H1 来自客户 B 的销售收入比
8、例达 49.31%。3、财务概况：订单放量驱动营收快速增长，工艺改进及规模效应带来毛利率大幅提升天岳先进近三年营收增长主要系国内厂商订单放量，注册稿预计 2021 全年营收区间为 4.655.05 亿元。20182020 年公司营收分别为 1.36/2.69/4.25 亿元，20182020 年 CAGR 达 76.78%，21Q1Q3 营收 3.7 亿元，根据注册稿全 年经营情况预计，2021 全年预计营收区间为 4.655.05 亿元，主要系国际碳化硅衬底供应链安全背景下，下游通讯 等行业需求加剧，通过大客户验证后订单放量。天岳先进主要营收来源为半绝缘型碳化硅衬底，2021H1 占比 77
9、.64%，导电型衬底营收占比不大，2021H1 为 0.25%。1）半绝缘型衬底：以 4 英寸产品为主，贡献主要营收。20182021H1，公司半绝缘型衬底营收占比分别为 57.2%/68%/81.6%/77.6%，是公司主要营收来源。其中，半绝缘型碳化硅衬底产品以 4 英寸为主，2021H1 占比达 99%，2、3 英寸占比逐年减小，6 英寸占比呈上升态势，但总比例不足 1%；2）导电型衬底：小批量销售，近年来营收占比收窄，2021H1 占比不足 1%。20182021H1，公司导电型碳化硅衬 底营收占比分别为 5.24%/1.37%/0.58%/0.25%，呈收窄态势。其中，导电型碳化硅衬
10、底产品以 4 英寸为主，2、3、6 英寸占比不断下降，2021H1 占比减至 0；3）其他业务：包括非半导体级别晶棒、不合格衬底的销售，2020H1 占比 22.12%。20182021H1，公司其他业务 的营收占比分别为 37.55%/30.61%/17.8%/22.12%，整体呈下降态势，也间接表明公司不合格衬底产品的下降。天岳先进毛利率从 2018 年的 25.14%提升至 2021H1 的 40.01%以上，主要系半绝缘型衬底生产成本下降， 20192020 净利率大幅下降系高额股利支付费用。1）20182019 年：公司 2019 年毛利率同比+12.11pcts，主要系半绝缘型衬底
11、价格上涨，同时生产成本有所下降。 半绝缘型衬底：2019 年毛利率同比+16.78pcts，系单位价格上升 5.89%，单位成本降低 13.97%。受国外供应链 安全影响，国内厂商产生大量需求，2019 年国内市场参与者较少，供给量不足，结合公司产品品质不断提升的背景， 公司产品单价有所提高。此外，公司生产工艺不断改进，半导体晶体及衬底的合格率提升，单位成本降低；导电型 衬底：毛利率为负，呈上升态势，但占比极小； 其他业务：晶棒毛利率呈下降趋势，主要系价格下降。不合格衬 底毛利率维持 100%，系客户采购不合格衬底仅作为陪片等特殊用途，且不合格衬底是否能实现销售具有不确定性， 因此公司对不合格
12、衬底不分摊成本，其成本由合格衬底承担；2）20202021H1：公司 2020 年毛利率同比-2.4pcts，系其他业务中晶棒单价同比下降 55.41%， 21Q1Q3 毛利率 增长至 39.31%，系半绝缘衬底成本下降幅度较价格下降幅度更大。半绝缘型衬底：2020 年、2021H1 毛利率同比 分别为+7.83pcts/+5.04pcts，系单位成本降低的幅度大于价格下降的幅度。2020 年单位成本同比下降 20.37%，主 要原因为随着公司生产工艺的改进，合格率和产出效率持续提升；同时公司在扩产中陆续使用国产长晶炉，使得单位 成本中的机器设备的折旧费用也下降，产能扩大的规模效应也进一步带动
13、了成本下降。2020 年和 2021H1，衬底市场 供应有所增加，整体市场价格下降，公司对产品售价进行了下调，有利于推动市场渗透率的提升；其他业务：2020 年受晶棒市场售价下降的影响，晶棒毛利率同比-34.05pcts，带动整体毛利率下滑 2.4pcts，2021H1 晶棒毛利率小 幅上升，系单个碳化硅晶体克重增加，单位成本下降幅度大于单位价格下降幅度。天岳先进20192021H1直接材料费用占成本的比例上涨系原材料价格上涨，特别是石墨件和石墨毡的价格涨幅较大。 20182021H1 公司直接材料费用占主营业务成本的比例分别为 20.46%/19.38%/29.22%/39.73%，2018
14、2019 年占 比基本保持稳定，20202021H1 占比上升的原因主要如下：1）部分原材料单位耗用有所提高：为持续提高长晶环节产品合格率，公司加强了石墨件提纯等控制，单个石墨件坩 埚的使用寿命缩短，导致石墨件和石墨毡的单位耗用呈上升态势，21H1 公司继续优化原料合成工艺，降低了碳粉单 耗，同时碳化硅粉纯度提高导致硅粉单耗有所增加；2）部分原材料价格上涨：石墨件和石墨毡在碳化硅衬底的直接材料成本占比达一半以上，一般可以重复使用多次， 多向国外供应商采购，价格偏高。公司石墨件和石墨毡原材料包含多种品类，以主要品类的平均单价来看，2021H1 石墨件和石墨毡的价格涨幅分别为 56%和 35%。另
15、外，碳粉全部向国产厂商购买，价格呈下降态势，硅粉国产厂商 供应比例也较高，采购价相对波动不大。天岳先进 20192021H1 设备折旧费用占成本比例下降，系 2019 年以来公司设备的国内采购比例上升，国内供应价 格较外资供应价格低。20182021H1 公司设备折旧费用占主营业务成本的比例分别为 52.64%/48.39%/34%/30.13%， 其中 2018 年、2019 年占比基本保持稳定，2020 年、2021H1 占比持续下降系公司核心设备长晶炉完全实现了国产 替代，单台成本大幅降低，折旧增加额降低。此外，切割机、研磨机、抛光机、检测设备的国内采购比例均有所上升， 21H1 分别为
16、 10%/99%/30%/18%。20182020 年管理费用率大幅上升系高股利支付费用所致，剔除股利支付后，期间费用率平稳下降。20182020 年， 公司期间费用率分别为 66.42%/121.80%/179.01%，逐年上升。1）销售费用：公司销售费用金额较低，占总营收的 比例 2%及以下，主要为赠送样品产生的业务经营费用及销售人员薪酬；2）管理费用：公司 2019 年、2020 年分别 支付股利 2.36/6.58 亿元，导致管理费用大幅增加。此外，2020 年度公司咨询费及中介费增幅较大；3）财务费用： 公司财务费用主要为银行借款的利息支出，201821Q3 财务费用持续降低，主要系
17、公司进行了股权融资，偿还借款 所致；4）研发费用：公司研发费用和研发费用率均不断上升，201821Q3，研发费用分别为 1231/1873/4550/7107 万元，研发费用率分别为 9.05%/6.97%/10.71%/19.21%，保障了公司产品和技术的升级。20192020 年归母净利润大幅减少系哈勃投资入股、股权激励产生的股份支付费用所致，2019、2020 年的股份支付 费用分别为 2.36/6.58 亿元，注册稿预计 2021 年归母净利润区间 0.651.05 亿元，扣非归母净利润区间 0.120.25 亿元。2019 年合计股利支付费用为 2.36 亿元：哈勃投资入股，增资入股
18、价格为 12.23 元/注册资本，公司按后续 PE 投资价格（19.81 元/注册资本)，一次性确认股份支付费用 0.69 亿元；上海麦明将所持公司股权的 89%用于对 50 名员工实施股权激励计划，不设置等待期，按最近一次 PE 入股价格(单价 24 元）计算，一次性确认股份支付费用人 民币 1.67 亿元；2020 年合计股利支付费用 6.58 亿元：上海麦明实施两次股权激励计划，合计确认股份支付费用 2611.12 万元；上海铸傲以所持公司股权的 100%用于对 47 名员工实施股权激励，确认股份支付费用 6.32 亿元。持 股平台实施股权激励员工包括公司的管理人员、销售人员、生产人员和
19、技术研发人员等。此外，非经常性损益中， 20182021H1政府补助分别为 1271/3262/4299/2892 万元，维持在较高水平。4、研发实力：碳化硅衬底专利数国内领先，多个科研项目持续推进天岳先进核心研发人员具备多年研发及实践经验，技术研发人员占比达 17%。公司董事长兼总经理宗艳民为硅酸盐 工程专业出身，正高级工程师，享受国务院特殊津贴，同时是齐鲁工业大学特聘教授。首席技术官高超先生为材料物 理与化学专业博士，高级工程师，享受国务院特殊津贴，2014 年开始在天岳先进就职，现主持公司的产品和技术研 发工作，具体负责碳化硅单晶制备技术。截至 21H1，公司共有员工 470 人，其中研
20、发人员占比 17.23%，硕士及以 上学历者占比达 9.57%。天岳先进已掌握涉及衬底制造流程的各项技术，碳化硅专利数处于国内领先水平。公司已掌握涵盖了设备设计、热场 设计、粉料合成、晶体生长、衬底加工等各类核心技术。截至 2021H1，公司拥有授权专利 332 项，其中与碳化硅衬 底相关的境内和境外发明专利分别为 86 项和 3 项。截至 2020 年 3 月末，国内可比公司天科合达拥有 34 项专利， 公司碳化硅专利处于国内领先水平，具有一定的技术优势。天岳先进承担多个国家级和省部级三代半导体研发项目，并与下游开展合作研究。公司承担了国家科技部、国家发改 委等国家级及省部级主要三代半导体相
21、关科研项目。同时，公司还自主进行大尺寸衬底、衬底生长及缺陷控制技术研 发，并积极与下游客户、中科院电工研究所等展开合作研究。天岳先进成立初期曾与山东大学有所合作，后续合作暂停，于 2020 年终止合作。2011 年 12 月，公司与山东大学签 署了SiC 单晶生长和加工技术产业化研究合同书，前期该合同正常履行，为早期研发提供了技术支持，后因高校 研究成果和企业产业化存在差距，后续几年公司与山东大学的产业化合作暂停，公司自主研发了碳化硅生产相关技术 并形成自有专利。2020 年 10 月，公司与山东大学终止本项目合作。5、募投计划：拟募资 25 亿元用于导电型碳化硅衬底产能扩张和技术升级天岳先进
22、拟募资 25 亿元用于生产 6 英寸碳化硅衬底，具体资金用途包括购置土地、新厂房建设和国内外先进生产设 备的引入。募投项目资金概算中，设备硬件投资资金占用额最大为 120820 万元，占比 48.33%，机电安装投资和基 础设施建设投资次之，金额分别为 33000 万元和 30000 万元，占比分别为 13.2%和 12%。6 英寸碳化硅衬底项目预计 2026 年 100%达产，新增导电型碳化硅衬底产能 30 万片/年，增加公司的竞争优势。本 项目主要用于生产 6 英寸导电型碳化硅衬底材料，建设期为 6 年，自 2020 年 10 月开始前期准备进行工厂研究、设 计，计划于 2022 年试生产
23、，预计 2026 年 100%达产。达产后，将新增导电型碳化硅衬底产能 30 万片/年，为未来碳 化硅市场扩展提供产能支持，将主要业务扩展至 6 英寸半绝缘型、导电型碳化硅衬底。二、第三代半导体市场规模远期空间大增速快，美日欧企业主导竞争格局1、碳化硅应用于功率和射频器件，衬底是影响渗透率提升的关键因素（1）第三代半导体主要为碳化硅和氮化镓，分别应用于功率器件和射频器件半导体按照研究和规模化应用的时间通常被分为三代：第一代（Si、Ge）、第二代（GaAs）、第三代（SiC、GaN）。 第一代半导体材料：以硅（Si）和锗（Ge）等元素半导体为代表，其典型应用是集成电路，主要应用于低压、低 频、低
24、功率的晶体管和探测器中；第二代半导体材料：以砷化镓（GaAs）为代表，被广泛应用于光电子和微电子 领域，是制作半导体发光二极管和通信器件的关键衬底材料；第三代半导体材料：以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN） 为代表，禁带宽度大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势。采用第三代半导体材料 制备的半导体器件适用于高电压、高频率场景，能以较少的电能消耗，获得更高的运行能力。相比于 Si 衬底，第三代半导体 SiC 衬底具有更好的电气特性，耐高压、耐高温，可实现高频和量损耗，大幅减 小器件尺寸。耐高压：击穿电场强度大，是 Si 的 10 倍，可极大提高耐压容量、工作频率和电流密
25、度，大大降低器 件的导通损耗；耐高温：SiC 相较 Si 拥有更高的热导率，使得器件散热更容易，极限工作温度更高，带来功率密 度的显著提升，降低对散热系统的要求，使终端更轻量小型化；高频和耗：相比于 Si 基器件，SiC 器件具有 低导通损耗、低功率损耗、低开关损耗的优势。根据电阻率的不同，碳化硅衬底可以分为半绝缘型和导电型衬底，分别适用于不同的应用场景：1）导电型衬底：主要应用于制造功率器件。与传统硅功率器件制作工艺不同，碳化硅功率器件不能直接制作在碳化 硅衬底上，需在导电型衬底上生长碳化硅外延层得到碳化硅外延片，并在外延层上制造各类功率器件，包括肖特基二 极管、MOSFET、IGBT 等，
26、应用在新能源汽车、轨道交通和大功率输电变电等领域；2）半绝缘型衬底：主要应用于制造氮化镓射频器件。通过在半绝缘型碳化硅衬底上生长氮化镓外延层，制得碳化硅 基氮化镓外延片，可进一步制成 HEMT 等微波射频器件，应用于信息通讯、无线电探测等领域。（2）碳化硅衬底高制备难度导致高成本，尺寸和电学性能等是未来技术发展着力点目前商用碳化硅单晶生长均采用 PVT 法，具备生产成本相对较低、温度场调节灵活等优势。PVT 法在高温区将材料 升华，后输送到冷凝区使其成为饱和蒸气，经过冷凝成核而长成晶体。PVT 法是目前生长碳化硅晶体较为成熟的方法， 生长出的碳化硅产品种类较多，在尺寸上分类有 2、3、4、6、
27、8 英寸等规格，具备温度场调节灵活等优势。此外， PVT 法生长碳化硅晶体所用关键石墨部件可重复使用 20 次以上，极大降低了成本，这是 PVT 法生长的碳化硅晶体能 够成功进入市场的基础。对比传统硅材，碳化硅衬底制备具有晶棒生长缓慢、对环境要求高等特点，导致价格居高不下。晶棒生长缓慢： PVT 法生长碳化硅的速度缓慢，7 天才能生长不到 5 厘米，产能极为受限，而传统硅材一般生产 23 米的硅晶棒仅 需 34 天；单晶生长环境要求高：单晶生长对温度和压力的要求苛刻，一般而言，碳化硅气相生长温度在 2000 2500之间，而传统硅材仅需 1600左右，碳化硅单晶对设备和工艺控制带来了极高的要求
28、，温度和压力控制稍 有失误，就会导致产品生长失败；晶型要求高、良率低：碳化硅有约 220 种晶型，其中六方结构的 4H 型（4H-SiC） 碳化硅才是所需材料，在晶体生长过程中需要精确控制硅碳比、生长温度梯度、晶体生长速率以及气流气压等； 碳化硅硬度极高，加工困难，切割磨损高：碳化硅硬度与金刚石接近，莫氏硬度分布在 9.29.6，切割、研磨、抛光 技术难度大且磨损多，工艺水平的提高需长期积累。第三代半导体衬底和外延加工技术难度极大，故第三代半导体器件成本结构中衬底和外延占据主要部分。相比于成熟的硅基半导体加工工艺，第三代半导体器件由于其原料的独特物理性质，在制备过程中需要多道工艺，同时对厂商的
29、 技术要求极高，需要长时间的积累和先进的设备才能够生产出高品质的碳化硅衬底及器件。由于碳化硅衬底制备难度 最高，同时需要外延工艺来满足下一步器件生产要求，衬底和外延在碳化硅功率器件成本结构中占比分别可达 47% 和 23%，二者合计占比高达 70%，是碳化硅器件的主要成本来源。在尺寸方面，碳化硅衬底正不断向大尺寸的方向发展。碳化硅衬底的尺寸主要有 2 英寸（50mm）、3 英寸（75mm）、 4 英寸（100mm）、6 英寸（150mm）、8 英寸（200mm）等规格。衬底尺寸越大，单位芯片成本越低。在最新技术 研发储备上，行业领先者 Wolfspeed 已成功研发 8 英寸产品。在半绝缘型碳
30、化硅市场，目前主流的衬底产品规格为 4 英寸；在导电型碳化硅市场，目前主流的衬底产品规格为 6 英寸。在电学性能方面，其中半绝缘型碳化硅衬底向高电阻率提升，导电型碳化硅衬底向低电阻率发展。1）半绝缘型碳化硅衬底：半绝缘衬底制备工艺通过去除晶体中的各种杂质，特别是浅能级杂质，实现晶体本征高电 阻率。PVT 法在高温条件下制备碳化硅衬底时，生长反应腔室内的碳化硅粉料、石墨材料等都会释放出杂质并生长进 入晶体，影响晶体纯度和电学性能。目前，半绝缘型碳化硅衬底领先企业已普遍将电阻率稳定控制在108cm 以上；2）导电型碳化硅衬底：导电型衬底要求实现更低的电阻率，可通过在晶体生长过程中引入氮元素，呈现低
31、阻电学性 能。目前，国际领先企业 6 英寸导电型碳化硅衬底电阻率在 0.0150.028cm 之间，器件性能提升对衬底电阻率 提出更严苛的要求。导电型碳化硅晶体的电阻率会存在分布不均匀的情况，电阻率直接影响器件的导通特性，因此， 获得低阻值、衬底面内电阻率径向分布均匀、不同衬底电阻率值一致的导电衬底是实现功率器件性能优异的技术需求。在微管密度方面，因其直接决定外延层结晶质量，降低微管密度是重要的技术发展方向。碳化硅晶体中最重要的结晶 缺陷之一是微管，微管是延伸并贯穿整个晶棒的中空管道。微管的存在对器件的应用是致命的，衬底中的微管存在的 密度将直接决定外延层的结晶质量，器件区存在微管时将导致器件
32、过高的漏电流，甚至器件击穿失效。随着微管缺陷 改进技术的不断进步，国际领先的碳化硅企业可以将微管密度稳定地控制在 12以下。2、需求侧：氮化镓射频器件和碳化硅功率器件带动全球碳化硅衬底市场高速增长（1）碳化硅功率器件可提高能源转换效率，新能源车和充电桩驱动快速成长常见的碳化硅功率器件主要是碳化硅功率二极管、碳化硅 MOSFET 及碳化硅功率模块，未来有望分别替代快恢复二 极管和硅基 IGBT。1）碳化硅功率二极管：SiC SBD（肖特基二极管）可替换 FRD（快恢复二极管）。碳化硅功率二极管可显著降低开 通损耗，在开关频率较高的应用中具有明显优势，目前成熟度最高的是 SiC SBD。用 SiC
33、 SBD 替换现在主流产品 FRD， 可减少恢复损耗，有利于电源的高效率化，终端应用有空调、电源、光伏发电系统的功率调节器、电动汽车的快速充 电器等；2）碳化硅 MOSFET：未来有望替代硅基 IGBT。用 SiC MOSFET 替代 IGBT，能有效减少开关损耗，实现散热部件 的小型化。另外，碳化硅 MOSFET 能够在高频条件下驱动，满足严苛应用场景需求。碳化硅 MOSFET 主要应用于 工业机器电源、高效率功率调节器的逆变器或转换器中；3）碳化硅功率模块：可分为混合碳化硅功率模块和全碳化硅功率模块。混合碳化硅功率模块用 SiC SBD 替换 Si FRD，可显著提高工作频率，与同等额定电
34、流的 Si IGBT 模块相比，开关损耗大幅降低。全碳化硅功率模块采用 SiC SBD 和 SiC MOSFET 一体化封装，解决了 Si IGBT 及 FRD 导致的功率转换损耗较大问题，在高频范围中推动 了外围部件向小型化发展。预计 2025 年全球碳化硅功率器件市场规模为 25.62 亿美元，新能源汽车、光伏和储能、充电桩为主要应用领域。据 Yole 数据，2019 年全球碳化硅市场规模为 5.41 亿美元，其中主要应用场景及占比分别为：新能源汽车（42%）、光 伏和储能系统（23%）、PFC/电源供应（20%）。全球碳化硅市场规模预计将以 30%的 CAGR 增长至 2025 年的 2
35、5.62 亿美元。预计 2025 年新能源汽车、光伏和储能、充电桩市场规模分别为 15.53/3.14/2.25 亿美元，新能源汽车占比扩 大至 61%。此外，新能源汽车充电桩将成为碳化硅下游增长最快的应用，2019-2025 年 CAGR 有望达到 90%。此外， 碳化硅功率器件在智能电网、风力发电、工业电源、航空航天等领域也已经实现成熟应用，伴随着各类产业的快速发 展，碳化硅功率器件的需求将不断增加。新能源汽车和充电桩设施：20192025 年，新能源汽车和充电桩带来的功率碳化硅器件市场规模 CAGR 可达 40.62%， 增速最快。新能源汽车主要包括逆变器、OBC（车载充电器）和 DC/
36、DC 变流器，2019 年新能源汽车和充电桩设施 带来的功率 SiC 器件市场规模 2.3 亿美元，预计 20192025 将以 40.62%的 CAGR 增长至 17.78 亿美元，二者合计 占比达到 69%，是 SiC 下游最大的应用，也是增长最快的应用。新能源汽车和充电桩设施是碳化硅功率器件的主要应用领域，使用于汽车逆变器、OBC 和电流转换系统，可提升汽 车主逆变器的功率密度和系统效率，提高充电桩的充电速度。电机驱动系统的主逆变器：SiC 功率器件能显著降低 电力电子系统的体积、重量和成本，提高功率密度，特斯拉上海工厂和比亚迪在其电机控制器的逆变器中已经采用了 SiC MOSFET 的
37、芯片作为核心功率器件，其中特斯拉 Model 3 车型采用了 24 个 SiC MOSFET 为功率模块的逆变器。 车载充电系统和电源转换系统：SiC 功率器件能够有效降低开关损耗、提高极限工作温度、提升系统效率，目前全 球已有超过 20 家汽车厂商在车载充电系统中使用碳化硅功率器件。新能源汽车充电桩：SiC 功率器件可减小充电 桩体积，提高充电速度。SiC 基产品在汽车领域不是对 Si 基产品的全面替代，其优势主要体现在高功率场景下。四驱大功率高级轿车和高级 SUV 等续航里程长、电池容量大的车型，通常需要大功率支持，使用碳化硅做主驱设计有助于提升功率密度，有效 降低电池装载量。但对于普通城
38、市家用小型电动车，电池装机量较小，SiC 基器件的综合优势相比 Si 基 IGBT 不太明 显，主机厂更倾向于选择综合性价比更好的 Si 基器件。2021 年 110 月全球新能源汽车销量达 485 万辆，预计渗透率将稳步提升，2021 年 111 月国内新能源汽车销量为 299 万辆，国内新能源车占总销量的比例达 12.73%。1）根据 Frost&Sullivan 数据，2020 年全球新能源汽车销量达 295 万辆，占全年汽车销量比例为 3.31%，cleantechnica 统计 2021 年 110 月全球新能源汽车销量为 485 万辆。根 据英飞凌数据，预计 2023 年全球新能源
39、汽车渗透率将超过 25%，预计 2027 年全球新能源汽车渗透率将超过 50%； 2）根据中国汽车工业协会数据，近年来中国汽车年销量处于 25003000 万辆之间，2020 年新能源汽车销量 136.7 万辆，占全年汽车销量比例超 5%，2021 年 111 月新能源汽车销量为 299 万辆，同比增长 170%，占汽车总销量比 例达 12.73%，大幅增长。新能源汽车用 SiC 晶圆需求不断提升，预计 2025 年中国 SiC 晶圆需求量占全球的比例可达到 46%。对于 SiC 晶圆， 2021 年预计全球折合 6 英寸 SiC-on-SiC 晶圆需求超过 10 万片，其中中国超过 7 万片
40、，预计到 2025 年全球和中国 折合 6 英寸 SiC 晶圆需求将分别达到 62.4 万片和 28.6 万片，中国占全球的比例达到 46%。预计 20212025 年全球 和中国折合 6 英寸 SiC 晶圆需求 CAGR 分别可达 57.27%和 41.67%，全球增速高于国内增速。光伏和储能系统：2019 年光伏和储能带来的 SiC 功率器件市场规模为 1.25 亿美元，预计 20192025 年将以 17%的 CAGR 增长至 3.14 亿美元，占碳化硅市场比例达 12.3%。光伏和储能系统是碳化硅器件的重要应用领域之一，采用碳化硅功率器件的光伏逆变器可以提高转换效率、降低损耗。 在光伏
41、发电应用中，基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右，但却是系统能量损耗的主要来源之一。光伏 逆变器使用 SiC MOSFET 和 SiC SBD 结合的功率模块后，转换效率可以提升至 99%以上，能量损耗降低 50%以上， 设备循环寿命提升 50 倍，能够缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。在组串式和集中 式光伏逆变器中，碳化硅器件预计会逐步替代硅基器件。预计 20202030 年全球光伏年度新增装机规模 CAGR 为 9.1%，到 2025 年光伏逆变器中的碳化硅功率器件占比有 望达到 50%。根据 CPIA 数据，2020 年全球光伏新增装机规模预计达 1
42、30GW，创历史新高，在光伏发电成本持续下 降和全球绿色复苏等有利因素的推动下，全球光伏市场将快速增长，预计 2023 年以后全球每年新增装机规模将超过 200GW。根据 CASA 的预测，预计到 2025 年光伏逆变器中的碳化硅功率器件占比有望达到 50%，维持稳健增长。轨道交通：2019 年光轨道交通带来的 SiC 功率器件市场规模为 0.09 亿美元，预计 20192025 年将以 55%的 CAGR 增长至 1.18 亿美元，占碳化硅市场比例达 4.6%，增速较高。碳化硅高温高频耐高压的特性可满足轨道交通大功率和节能需求，轨道交通中 SiC 功率器件占比 2030 年有望提高到 30%
43、。轨道交通中的牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都对碳化硅器件有需 求。牵引变流器是机车大功率交流传动系统的核心设备，使用碳化硅器件能提高牵引变流器装置效率，满足轨道交通 大容量、轻量化和节能型牵引变流装置的应用需求，提升系统的整体效能。2014 年，日本小田急电铁新型通勤车配 备了三菱电机 3300V/1500A 全碳化硅功率模块逆变器，开关损耗降低 55%，体积和重量减少 65%。根据 CASA 数 据，目前轨道交通中仍然以硅基功率器件为主，未来 SiC 功率器件的占比有望逐步提高。（2）氮化镓射频器件有望大量替代 LDMOS，国防和 5G 基站需求量巨大射
44、频器件在无线通讯中扮演信号转换的角色，是无线通信设备的基础性零部件，半绝缘型碳化硅衬底制备的氮化镓射 频器件主要应用于面向通信基站及雷达应用的功率放大器。射频器件主要包括功率放大器、滤波器、开关、低噪声放 大器、双工器等，目前主流的射频器件有砷化镓、硅基 LDMOS、碳化硅基氮化镓等不同类型。碳化硅基氮化镓射频器件具有良好的导热性能、高频率、高功率等优势，主要应用于面向通信基站及雷达应用的功率 放大器。碳化硅基氮化镓射频器件是迄今为止最为理想的微波射频器件，是 4G/5G 移动通讯系统、新一代有源相控 阵雷达等系统的核心微波射频器件。随着信息技术产业对数据流量、更高工作频率和带宽等需求的不断增
45、长，氮化镓 器件在基站中应用越来越广泛。1）砷化镓器件、硅基 LDMOS、碳化硅基氮化镓器件的比较：到 2025 年，功率在 3W 以上的射频器件市场中，氮 化镓射频器件有望占据约 50%的市场份额。根据 Analog Dialogue：砷化镓器件：已在功率放大器上得到广泛应用； 硅基 LDMOS 器件：已在通讯领域应用多年，但其主要应用于 4GHz 以下的低频率领域；碳化硅基氮化镓射频 器件：目前正在取代 LDMOS 在通信宏基站、雷达及其他宽带领域的应用。根据 Yole 预测，至 2025 年，功率在 3W以上的射频器件市场中，氮化镓射频器件有望替代大部分硅基 LDMOS 份额，占据射频器
46、件市场约 50%的份额；2）碳化硅基和硅基氮化镓器件的比较：碳化硅基氮化镓外延主要优势在其材料缺陷和位错密度低，碳化硅基氮化镓 射频器件是目前市场的主流。目前，氮化镓射频器件主要是基于碳化硅、硅等异质衬底外延材料制备的，并在未来一 段时期也是主要选择。相较于硅基氮化镓，碳化硅基氮化镓外延主要优势在其材料缺陷和位错密度低。碳化硅基氮化 镓材料外延生长技术相对成熟，且碳化硅衬底导热性好，适合于大功率应用，同时衬底电阻率高降低了射频损耗，因 此碳化硅基氮化镓射频器件成为目前市场的主流。预计 2026年全球碳化硅基氮化镓射频器件市场规模将增长至 22.22亿美元，20202026市场规模 CAGR可达
47、 17%。 根据 Yole 数据，2020 年全球碳化硅基氮化镓射频器件市场规模为 8.91 亿美元，占比近 100%，预计 20202026 年 将以 17%的 CAGR 增长至 22.22 亿美元，份额会被硅基氮化镓射频器件挤占不足 10%。2020 年全球硅基氮化镓射 频器件市场规模不足 500 万美元，预计 20202026 年将以 86%的 CAGR 增长至 1.73 亿美元，份额有望扩张至 7%。碳化硅基氮化镓射频器件已成功应用于众多领域，国防应用和无线通信基础设施为主要驱动。国防军事与航天应用市 场是拉动我国 GaN 微波射频器件市场规模的主要驱动力，根据 CASA 数据，202
48、0 年市场规模为 34.8 亿元，未来 5 年将以25.4%的CAGR增长至100亿元。我国GaN微波射频器件在国防军事与航天应用市场已经100%实现国产化。 2020 年无线基础设施建设和移动终端设备占比分别达到 36%和 10%。此外，GaN 射频器件在无线宽带、射频能量、 商业雷达等市场均呈现增长态势。国防应用：国防应用是 GaN 射频器件市场的最重要驱动力量，据 Yole 数据，20202025 年全球市场规模将以 22 的 CAGR 从 3.4 亿美元增长至超过 11.1 亿美元。在国防军工领域，碳化硅基氮化镓射频器件已经代替了大部分砷化 镓和部分硅基 LDMOS 器件，占据了大部分
49、市场。根据 Strategy Analytics 统计，国防和航天应用中的雷达和电子战 系统是射频氮化镓的最大应用市场。我国 GaN 微波射频器件在国防军事与航天应用市场已经 100%实现国产化，此 外，对于需要高频高输出的卫星通信应用，氮化镓器件也有望逐步取代砷化镓的解决方案。5G 基站：5G 基站建设是 GaN 射频器件市场的另一关键驱动力量，预计 20202025 年 5G 基站建设驱动全球 GaN 射频器件市场规模以 15的 CAGR 从 3.7 亿美元增长至超过 7.3 亿美元。以碳化硅为衬底的氮化镓射频器件以其良好导热性和大功率输出的优势，成为 5G 基站功率放大器的主流选择。5G 具有大容量、低时延、低功耗、高可靠性等特点，要求射频器件拥有更