集微网消息，SiC 产业链包括上游的衬底和外延环节、中游的器件和模块制造环节，以及下游的应用环节。其中衬底的制造是产业链技术壁垒最高、价值量最大环节，2020 年衬底成本占据碳化硅器件成本的47%，其成本高企、产量低是现阶段限制三代半器件快速渗透普及的主要因素。
近期，国内公司陆续突破SiC 8英寸衬底生长技术，今年8月12日，晶盛机电研发的首颗8英寸N型SiC晶体成功出炉，此次研发成功的8英寸SiC晶体，厚度25mm，直径214mm，成功解决了8英寸SiC晶体生长过程中温场不均、晶体开裂、气相原料分布等难点问题，目前公司尚未披露关键的材料参数，尚不能得出它是否可作为高端器件的衬底，但是其一定程度破解了SiC器件成本中衬底占比过高的难题，为大尺寸SiC衬底广泛应用打下基础。
图：晶盛机电展示首课8英寸碳化硅晶体
此外，中科院物理所于2021年1月在自研的衬底上初步生长出了8英寸SiC晶体，后又成功生长出了单一4H晶型的8英寸SiC晶体，晶坯厚度接近19.6mm，加工出了厚度约2mm的8英寸SiC晶片；烁科晶体在2021年8月实现了8英寸N型碳化硅抛光片小批量生产；天岳先进在今年9月在瑞士达沃斯举办的ICSCRM 2022会上宣布，他们成功研发8英寸碳化硅衬底，晶型均一稳定，具有良好的结晶质量。
海外龙头方面，继ST宣布制造出首批8英寸SiC衬底后，法国材料商Soitec也发布了首片8英寸SiC衬底。据不完全统计，国际上已有Wolfspeed、Rohm、ST、Onsemi、II-VI、Soitec等企业成功研发出了8英寸SiC衬底。随着8英寸衬底的逐步量产，SiC功率器件成本大幅降低成为可能。截至目前，国内外已经有12家企业成功研发了8英寸碳化硅衬底。
图：国内外12家成功研发8英寸衬底的企业和机构
在技术的研发上，碳化硅衬底目前主要分为导电型与半绝缘型。虽然国内碳化硅衬底企业技术已经实现了追赶，但是目前市场主流出货衬底尺寸为半绝缘型 4 英寸、导电型6英寸。衬底电学性能决定了下游芯片功能与性能的优劣，碳化硅衬底可分为两类：一类是具有高电阻率（电阻率≥105Ω·cm）的半绝缘型碳化硅衬底，另一类是低电阻率（电阻率区间为15~30mΩ·cm）的导电型碳化硅衬底。而行业内部人士透露，“目前在碳化硅的应用端，国内尚没有一家厂家能批量出货6英寸导电型碳化硅产品”。而实际上，国内形成批量供货的仍多以4英寸半绝缘型碳化硅衬底为主，6英寸半绝缘型和6英寸导电型衬底产品较海外公司仍有不少差距。
图：碳化硅不同衬底的特性
产能方面，2021年全球SiC晶圆全球产能约为40-60万片，结合业内良率平均约50%估算，2021年SiC晶圆全球有效产能仅20-30万片。天岳先进目前产能约为5.2万片/年，天科合达约为4.5万片/年，占据一定市场份额。露笑科技、东尼电子、三安光电尚在投产验证期，未形成大规模收入。
图：国内部分技术领先企业的产品和产能情况
海外企业在碳化硅产能的建设上更是如火如荼，Wolfspeed、罗姆半导体、贰陆半导体、安森美等巨头都有5倍以上的产能扩建规划。罗姆半导体计划从2019年到2025年扩产6倍，即从5万片左右的年产值扩产到30-40万片；贰陆半导体则在2020年提出规划，5年内产能将扩大5-10倍，2024年将量产8英寸衬底；安森美在捷克Roznov扩建的碳化硅工厂将产能提高16倍，并计划在2023年前追加投资3亿美元；作为全球的碳化硅衬底龙头——Wolfspeed更是在2019年推出了5年实现30倍扩产计划，宣布投资10亿美元分别在北卡罗来纳州和纽约州建造全新的可满足车规级标准的8英寸功率和射频衬底制造工厂，将碳化硅晶圆制造能力提高30倍，未来两年Wolfspeed将逐步扩张产能到10万片/月。
图：海外大厂近期宣布的SiC投资计划
国际大厂之所以不断加码第三代半导体，这主要是由于在2018年，特斯拉在Model 3上超前采用了650V SiC MOSFET，逆变器效率提升了5%-8%，电动车的续航显著提升，此举让SiC成为了全球车企的关注焦点，一夜之间碳化硅产业成了一场价值满满的投资。而如今，汽车领域的SiC应用正处于关键市场窗口期，车规SiC市场来得很快很猛很集中，新能源旗舰车型也逐步由600V平台向800V平台切换。
此后，SiC市场在EV主逆变器模块需求得到了快速的提升，其在一定程度上是功率半导体技术的新前沿，正在彻底改变电力转换生态系统。特斯拉在2020和2021年推出的多款车型，800V EV是实现其快速直流充电的解决方案。当前Tesla的SiC MOSFET只用在主驱逆变器电力模块上，共24颗，拆开封装每颗有2个SiC裸晶所以共48颗SiC MOSFET。除此之外，其他包括OBC、一般充电器、快充电桩等，都可以放上SiC。据笔者推算，在车型关键部位均采用SiC之后，平均每2辆Tesla的纯电动车就需要一片6英寸SiC晶圆。
而根据 Yole 数据，2021-2027 年全球碳化硅功率器件市场规模有望从10.90亿美元增长到 62.97 亿美元，其中车规级市场空间有望从2021年6.85亿美元增长至 2027 年 49.86 亿美元，CAGR 为39.2%， 2027年车规级SiC器件占整个 SiC 器件市场的比例有望提升至 79.18%。其中主驱逆变器市场规模约为 44.1 亿美元，约占据整个车规级市场88.6%份额，并占据整个SiC器件市场 70%以上的市场空间。
图：2021、2027年碳化硅功率器件在各领域市场规模
国内厂商在器件的选择上，也陆续采用SiC高效电驱平台。2022年8月27日，极氪汽车官方宣布与宁德时代达成合作，极氪成为麒麟电池全球量产首发品牌，极氪 009 MPV 成为麒麟电池全球量产首发车型，将于 2023Q1 实现交付，极氪 009 与极氪 001、Smart 精灵#1 共同使用吉利自主研发的 SEA 浩瀚架构纯电平台，采用 SiC 主驱方案是 SEA 浩瀚架构的核心优势之一。
除此之外，国内造车新势力蔚来早先公布的新车型ET7也搭载了新一代SiC高效电驱平台，系统整体体积减小，相交传统的硅基IGBT优势较大，综合功率提升明显；老牌电动车企比亚迪的Han-EV和现代的Ioniq-5通过提供快速充电功能获得了不错的销量，Nio、Xpeng等更多OEM车型在2022年将SiC EV推向市场；臻驱科技SiC模块产品应用于上汽通用五菱。
图：电动车应用SiC模块的部分车型
另外，碳化硅在轨道交通、光伏等领域均有巨大应用前景。轨道交通车辆中大量应用功率半导体器件，其牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器、电源充电机都有使用SiC器件的需求，SiC器件的应用可以提高装置效率，提升系统整体效能；光伏发电系统中，硅基逆变器成本占系统的10%，但却是系统能量损耗的主要来源。使用SiC MOSFET功率模块的光伏逆变器，转换效率可从96%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，从而缩小系统体积、增加功率密度、延长器件使用寿命、降低生产成本。在特高压输变电方面，国家电网全国产6500V/400A的SiC MOSFET模块应用于雄安新区柔性变电站。
随着智能化的普及，第三代半导体逐渐找到了适合其自身的商业定位。其具备诸多更有优势的物理属性，更适用于高温度、高电压、高频率的场景，碳化硅半导体未来将在5G基站建设、特高压、新能源汽车等领域发挥重要作用。总体来看，第三代半导体行业目前整体仍处于起步阶段，国内厂商和国际巨头基本处于同一起跑线，在下游需求的蓬勃增长加上国家政策和资金的大力扶持，抓住机遇的优质国产厂商很有可能会突出重围，国产化替代前景可期。
（校对/占旭亮）