中金 | 碳化硅材料：乘碳中和之东风，国内厂商奋起直追（一）

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受益于新能源应用快速上量，碳化硅需求前景广阔

碳化硅较硅基具有耐高温、高压等优势，广泛用于电力电子及射频领域

碳化硅是第三代化合物半导体的典型代表，具有耐高温、耐高压、高频率、大功率等优势，广泛应用于电力电子与射频等下游。碳化硅材料相比硅基材料具有宽禁带、电子饱和漂移速率高、热导系数高和熔点高等优势，可有效突破传统硅基半导体器件及其材料的物理极限，作为衬底开发出更适应高温、高压、高频率和大功率等条件的半导体器件，广泛应用于新能源车、光伏及射频领域。

图表1：碳化硅材料的特点与优势

资料来源：中科院上海微系统与信息技术研究所，中金公司研究部

半导体器件不能直接制作在碳化硅衬底上，需要先在衬底上生长氮化镓或碳化硅外延层，得到外延片，再在外延片上制作适用于射频或电子电力领域的器件。按照电学性能不同，碳化硅单晶材料可分为半绝缘型衬底和导通型衬底两种，分别对应不同的制作工艺、用于制作不同的器件、适用于不同的场景：

半绝缘型衬底（目标应用是GaN-on-SiC）：电阻率不低于10^5cm，注重纯度和晶体质量，对原材料碳化硅粉末纯净度要求高，同时需要在生长过程中加入钒杂质，掺杂工艺难度大。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。适用于高频、高温工作环境，主要应用于射频领域，例如5G通讯中的功率放大器和国防中的无线电探测器。

导电型衬底（目标应用是SiC-on-SiC）：电阻率为15-30mcm，注重微管密度和低电阻，相对容易获得，但需要对掺杂有较好的控制。通过在导电型碳化硅衬底上生长碳化硅外延层制得碳化硅同质外延片，可进一步制成SBD、MOSFET等功率器件。适用于高温、高压工作环境，且损耗低，主要应用于电子电力领域，例如新能源汽车中的逆变器、转换器、电机驱动器和车载充电机，光伏发电中的二极管、逆变器和变换器，轨道交通中的牵引变流器、辅助变流器、主辅一体变流器、电力电子变压器和电源充电机，智能电网中的高压直流输电换流阀、柔性直流输电换流阀、灵活交流输电装置、高压直流断路器和电力电子变压器等。

图表2：碳化硅衬底比较及其应用场景（半绝缘型vs导电型）

资料来源：Yole，舒尔, 鲁缅采夫, 莱文施泰因. 碳化硅半导体材料与器件[M]. 电子工业出版社, 2012.，中金公司研究部

下游射频领域率先落地，功率领域紧随其后。以碳化硅为衬底的射频及功率器件应用场景广泛，且相较硅基器件具有诸多优势，在射频领域及电力电子领域尤其显著。

射频领域：在5G基站建设加速的背景下，碳化硅在射频领域率先落地。根据Yole数据，2019-2025年，全球射频领域碳化硅市场空间预计从7.4亿美元增长至20亿美元，6年CAGR为12%。

电子电力领域：未来5年，我们认为随着碳化硅模块在新能源汽车和光伏应用的增加，电子电力领域的需求爆发有望成为驱动市场增长的主要因素。根据Yole数据，2019-2025年，全球电子电力领域碳化硅市场空间预计从5.41亿美元增长至25.62亿美元，6年CAGR为30%。

图表3：2019-2025E射频及电子电力领域全球碳化硅市场空间及增速

资料来源：Yole，中金公司研究部

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