電動(dòng)汽車發(fā)展還有上升空間嗎？

一直以來(lái)，“里程焦慮”、“充電緩慢”都是卡住新能源汽車脖子的關(guān)鍵問(wèn)題，是車企和車主共同的焦慮。

為了解決最大的痛點(diǎn)，車企圍繞著這個(gè)核心又迷茫的話題進(jìn)行著不斷的探索。但無(wú)論蔚來(lái)的換電策略、還是電池廠商不斷探索的高密度三元鋰電池，似乎都是在電池容量上下功夫，并沒(méi)有真正地解決充電速率的問(wèn)題，快速充電一直是人們心中一道過(guò)不去的坎。

但隨著高壓電氣技術(shù)的不斷進(jìn)步，快充時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。繼2019年4月保時(shí)捷Taycan Turbo S 全球首發(fā)三年后，800V高壓超充終于開始了普及。相比于400V，800V帶來(lái)了更高的功效，大幅提升功率，實(shí)現(xiàn)了15分鐘的快充補(bǔ)能。

而構(gòu)建800V超充平臺(tái)的靈魂就是材料的革新，基于碳化硅的新型控制器，便引領(lǐng)著這一輪高壓技術(shù)的革命。

本文從碳化硅發(fā)展原因講起，分析了下游應(yīng)用市場(chǎng)與相關(guān)公司，以期全方位體現(xiàn)碳化硅發(fā)展現(xiàn)狀、前景與具體投資機(jī)會(huì)。

碳化硅成半導(dǎo)體攻關(guān)熱點(diǎn)

作為半導(dǎo)體材料之一，碳化硅的快速發(fā)展得益于半導(dǎo)體的廣闊市場(chǎng)帶動(dòng)。

半導(dǎo)體，指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，被稱為現(xiàn)代工業(yè)的“糧食”。近年受益于智能手機(jī)和智能穿戴等新興消費(fèi)電子市場(chǎng)的快速放量，以及汽車電子、工業(yè)控制和物聯(lián)網(wǎng)等科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，疊加半導(dǎo)體國(guó)產(chǎn)化的快速推進(jìn)，我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了快速發(fā)展階段。

近年來(lái)，全球半導(dǎo)體材料市場(chǎng)規(guī)模穩(wěn)健增長(zhǎng)?？備N售額從2010年的449億美元增長(zhǎng)至2021年的643億美元，2010-2021年復(fù)合增長(zhǎng)率為33.3%。未來(lái)，隨著半導(dǎo)體芯片工藝升級(jí)、芯片尺寸持續(xù)小型化，以及全球硅材料、化合物半導(dǎo)體材料的品種和性能不斷迭代升級(jí)的影響下，晶圓制造材料占比有望繼續(xù)提升。

數(shù)據(jù)來(lái)源：SEMI，東莞證券研究所

我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)更是處于高速發(fā)展的階段。2021年，我國(guó)半導(dǎo)體銷售額達(dá)到了1921億美元，同比增長(zhǎng) 26.80%，2017-2021年復(fù)合增速高達(dá)9.94%，高于全球同期6.18%的復(fù)合增速。從銷售額占比來(lái)看，我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的全球影響力逐步增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體銷售額占全球比重從2017年的30.69%提升至2021年的35.27%。

資料來(lái)源：SIA，東莞證券研究所

碳化硅材料電氣性能優(yōu)越，有望成為半導(dǎo)體領(lǐng)域最具前景的材料之一。

半導(dǎo)體材料發(fā)展至今已經(jīng)歷三個(gè)階段。常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料包括硅（Si）、鍺（Ge）等元素半導(dǎo)體及砷化鎵（GaAs）、碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等化合物半導(dǎo)體材料。

從被研究和規(guī)?；瘧?yīng)用的時(shí)間先后順序來(lái)看，上述半導(dǎo)體材料被業(yè)內(nèi)通俗地劃分為三代：

第一代半導(dǎo)體是以硅（Si）、鍺（Ge）為代表，從20世紀(jì)50年代開始大規(guī)模應(yīng)用，主要應(yīng)用于低壓、低頻、低功率的晶體管和探測(cè)器中。但是硅材料的物理性質(zhì)限制了其在光電子和高頻電子器件上的應(yīng)用，無(wú)法滿足人類的需求。

第二代半導(dǎo)體材料是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）化合物材料為代表，從20時(shí)機(jī)90年代開始大規(guī)模應(yīng)用，適用于制作高速高頻、大功率及發(fā)光電子器件。但是第二代半導(dǎo)體擊穿電場(chǎng)較低，限制了其在高溫、高頻和高功率器件領(lǐng)域的應(yīng)用。另外砷化鎵材料有毒，存在著引起環(huán)境污染的問(wèn)題。

第三代半導(dǎo)體材料是以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）為代表的寬禁帶半導(dǎo)體，多在通信、新能源汽車、高鐵、衛(wèi)星通信、航空航天等場(chǎng)景中應(yīng)用。與前兩代半導(dǎo)體材料相比，第三代半導(dǎo)體材料禁帶寬度大，具有擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率高、電子飽和速率高、抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因此，采用第三代半導(dǎo)體材料制備的半導(dǎo)體器件不僅能在更高的溫度下穩(wěn)定運(yùn)行，適用于高電壓、高頻率場(chǎng)景，此外，還能以較少的電能消耗，獲得更高的運(yùn)行能力。

碳化硅在第三代半導(dǎo)體中存在的主要形式是作為襯底材料，可以滿足高溫、高壓、高頻、大功率等條件下的應(yīng)用需求，當(dāng)前碳化硅襯底已應(yīng)用于射頻器件及功率器件。具體來(lái)說(shuō)，碳化硅器件有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）耐高壓：碳化硅擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度大，碳化硅制備器件可以極大提高耐壓容量、工作頻率與電流密度，在實(shí)際應(yīng)用中可以設(shè)計(jì)成更小的體積。

（2）耐高溫：碳化硅的禁帶接近硅的3倍，可以保證碳化硅器件在高溫條件下工作的可靠性，極限溫度甚至可達(dá)600℃。同時(shí)，其導(dǎo)熱性更高，有助于器件的散熱，有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。

（3）實(shí)現(xiàn)高頻性能：碳化硅包和電子漂移速率大，可以實(shí)現(xiàn)更高的工作頻率與功率密度，也可以減少能量損失。在800V高壓工作下，碳化硅 MOSFET逆變器的能量損失僅為硅基IGBT能量損失的30%-50%之間。

在SiC產(chǎn)業(yè)鏈中，價(jià)值主要集中于上游襯底和外延。

SiC生產(chǎn)過(guò)程主要包括碳化硅單晶生長(zhǎng)、外延層生長(zhǎng)及器件制造三大步驟，分別對(duì)應(yīng)襯底、外延、器件三大環(huán)節(jié)。

資料來(lái)源：中商產(chǎn)業(yè)研究院，中信建投

三大環(huán)節(jié)中，襯底成本占比達(dá)47%，其次為外延片，占比23%，這兩大工序?yàn)镾iC器件的重要組成部分。由于SiC襯底生產(chǎn)工藝壁壘高，生產(chǎn)良率較低，全球產(chǎn)量具有明顯的瓶頸，因此其制造成本一直居高不下。此外，外延片的參數(shù)性能會(huì)受到SiC襯底質(zhì)量的影響，其本身也會(huì)影響下游器件的性能。若能在襯底和外延片環(huán)節(jié)進(jìn)行技術(shù)突破，將會(huì)大幅降低制造成本，提高性能。

碳化硅器件制造成本分布

數(shù)據(jù)來(lái)源：CASA，前瞻產(chǎn)業(yè)，東莞證券

新能源革命驅(qū)動(dòng)碳化硅行業(yè)進(jìn)入快車道

第三代半導(dǎo)體處于成長(zhǎng)期，市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)迅速。

2019年及以前，以SiC和GaN為主的第三代半導(dǎo)體材料處于發(fā)展初期，晶圓設(shè)備開發(fā)、襯底外延制造、下游器件生產(chǎn)均處于研發(fā)階段且尚未形成規(guī)模量產(chǎn)。隨著美國(guó)、韓國(guó)、日本等半導(dǎo)體強(qiáng)國(guó)大力進(jìn)行第三代半導(dǎo)體的相關(guān)研發(fā)，2020年在產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用爆發(fā)的推動(dòng)下，第三代半導(dǎo)體正式進(jìn)入高速發(fā)展期。

目前，SiC襯底和外延技術(shù)已經(jīng)可以應(yīng)用于8英寸節(jié)點(diǎn)，功率器件廣泛用于新能源汽車、光伏、軌道交通等領(lǐng)域，國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)也實(shí)現(xiàn)了MOSFET器件的量產(chǎn)。此外，中國(guó)也發(fā)布了多項(xiàng)半導(dǎo)體行業(yè)建設(shè)政策，旨在打造國(guó)產(chǎn)先進(jìn)半導(dǎo)體企業(yè)，這對(duì)第三代半導(dǎo)體的市場(chǎng)擴(kuò)大具有積極意義。

2019年，全球SiC市場(chǎng)的規(guī)模約為5.41億美元，全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模約為4123.07 億美元，SiC市場(chǎng)占總體比例不足1%。預(yù)計(jì)2025年，全球碳化硅市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到25.62億美元，未來(lái)6年CAGR 約為30%，市場(chǎng)成長(zhǎng)空間巨大。

碳化硅行業(yè)發(fā)展階段曲線

資料來(lái)源：公司公告，中信建投

新能源汽車需求釋放，推動(dòng)碳化硅市場(chǎng)快速增長(zhǎng)。

目前，傳統(tǒng)硅材料在 MOSFET、IGBT、功率IC等領(lǐng)域的器件性能已經(jīng)逐漸接近極限，已無(wú)法適應(yīng)新興市場(chǎng)快速發(fā)展的變革需要，而碳化硅襯底相較于硅基器件具有更高的工作溫度、擊穿電壓以及優(yōu)越的開關(guān)性質(zhì)，其開關(guān)頻率和功率頻率都輕易突破了傳統(tǒng)材料的上限，因此廣泛用于新能源汽車等領(lǐng)域。

2019年，全球新能源汽車IGBT的市場(chǎng)規(guī)模約為 2.25億美元，預(yù)計(jì)該數(shù)值2025 年將為15.53億美元，市場(chǎng)將以38%的CAGR快速增長(zhǎng)。

資料來(lái)源：Yole，中信建投

同時(shí)，新能源汽車市場(chǎng)的應(yīng)用也占據(jù)了碳化硅器件總市場(chǎng)的41.59%，預(yù)計(jì)這一占比將于2025年提升至 60.62%。

在當(dāng)下，用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器的碳化硅功率器件是車用SiC產(chǎn)品中最主要且潛在增長(zhǎng)空間最巨大的部分，碳化硅在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到了批量生產(chǎn)的臨界區(qū)域，相關(guān)下游市場(chǎng)的大量需求正在逐步釋放。預(yù)計(jì)隨著新能源車市場(chǎng)滲透率的進(jìn)一步擴(kuò)大，以及功率模塊和相關(guān)應(yīng)用的迅速發(fā)展，碳化硅市場(chǎng)將在中期內(nèi)迎來(lái)爆發(fā)。

同時(shí)，全球的碳化硅廠商也在積極尋求合作，紛紛與先進(jìn)新能源汽車企業(yè)簽訂協(xié)議：

①特斯拉Model 3所采用的SiC MOSFET功率模塊正是由意法半導(dǎo)體提供的，且后者與碳化硅領(lǐng)先企業(yè)Woifspeed簽訂了150mm碳化硅晶圓擴(kuò)展協(xié)議，旨在為全球的 SiC 晶圓供給加碼。

②意法半導(dǎo)體還于2021年6月與雷諾集團(tuán)達(dá)成戰(zhàn)略合作，以提供用于電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的SiC功率器件供應(yīng)，此舉旨在降低汽車的電池成本、增加充電里程、縮短充電時(shí)間最終使成本降低近30%。

③日本先進(jìn)半導(dǎo)體制造商ROHM也與吉利汽車達(dá)成合作，使用ROHM提供的SiC功率器件實(shí)現(xiàn)高效的逆變效率和充電性能，從而進(jìn)一步提高用戶體驗(yàn)。

而在消費(fèi)者最關(guān)心的車載充電系統(tǒng)和電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)方面，目前全球已有超過(guò)20家汽車廠商在車載充電系統(tǒng)中使用碳化硅功率器件，有效的降低了開關(guān)損耗，并大幅提升了充電效率，在實(shí)現(xiàn)超充的路上更進(jìn)了一步。

目前，全球頂尖碳化硅器件制造商都紛紛與新能源車企達(dá)成了合作，以擴(kuò)大自身在相關(guān)市場(chǎng)的領(lǐng)先地位，新能源汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展必將加劇全球碳化硅企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，預(yù)計(jì)市場(chǎng)集中度將進(jìn)一步提高。

碳化硅物化性質(zhì)優(yōu)越，引起光伏原材料迭代升級(jí)。

在光伏發(fā)電應(yīng)用中，基于硅基器件的傳統(tǒng)逆變器成本約占系統(tǒng)10%左右，卻是系統(tǒng)能量損耗的主要來(lái)源之一。而根據(jù)天科合達(dá)招股書顯示，使用碳化硅材料，可將轉(zhuǎn)換效率可從96%提升至99%以上，能量損耗降低50%以上，設(shè)備循環(huán)壽命提升50倍。

盡管碳化硅器件具有較高的制造成本，但其高導(dǎo)熱率、高擊穿電場(chǎng)、低損耗等特性，都使得光伏系統(tǒng)效率更高，從而進(jìn)一步降低成本。

無(wú)論從光伏產(chǎn)業(yè)鏈上游的材料制造看，還是從下游應(yīng)用的高效能看，碳化硅都具有無(wú)與倫比的高效能。預(yù)計(jì)中長(zhǎng)期內(nèi)，碳化硅將會(huì)成為太陽(yáng)能光伏領(lǐng)域功率器件的主要制造原料，同時(shí)帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈整體實(shí)現(xiàn)迭代升級(jí)。

在碳化硅功率器件顯著的性能影響下，諸多領(lǐng)先廠商紛紛加碼。國(guó)內(nèi)三安集成已完成SIC器件的量產(chǎn)平臺(tái)打造，首發(fā)產(chǎn)品也實(shí)現(xiàn)了一系列性能和可靠性測(cè)試。此外，露笑科技與斯達(dá)半導(dǎo)體也在廣泛布局光伏業(yè)務(wù)。預(yù)計(jì)未來(lái)五年內(nèi)碳化硅功率器件將更為廣泛地應(yīng)用于光伏市場(chǎng)，將為SiC器件帶來(lái)至少15%以上的快速增長(zhǎng)。

光伏逆變器中碳化硅功率器件占比預(yù)測(cè)

資料來(lái)源：天科合達(dá)招股書，CASA，民生證券

除汽車與光伏外，碳化硅器件還被廣泛應(yīng)用于充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、軌道交通、UPS等許多領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域不斷發(fā)展的同時(shí)，也在持續(xù)提升SiC器件的滲透率，讓SiC成為了各大半導(dǎo)體企業(yè)的“兵家必爭(zhēng)之地”。

三安光電天岳先進(jìn)角逐碳化硅之巔

三安光電，碳化硅或受益全產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)。

三安光電是國(guó)內(nèi)LED行業(yè)的龍頭企業(yè)，旗下業(yè)務(wù)包括LED、通訊射頻和SiC功率器件業(yè)務(wù)，是全球極少數(shù)擁有從碳化硅襯底到器件、封測(cè)全產(chǎn)業(yè)鏈布局的公司。

自2014年起，三安光電全面進(jìn)軍化合物半導(dǎo)體行業(yè)。公司通過(guò)收購(gòu) Norstel，并且經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)研發(fā)，獲得了碳化硅襯底制造技術(shù)。同時(shí)，三安光電的LED業(yè)務(wù)因貿(mào)易戰(zhàn)、行業(yè)周期等因素，受到了較大的影響，也進(jìn)一步堅(jiān)定了三安進(jìn)軍新型半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的決心。

2019年起，化合物半導(dǎo)體業(yè)務(wù)以三安集成為主要產(chǎn)業(yè)基地，開始逐步放量。并且隨著技術(shù)研發(fā)不斷推進(jìn)，成本和費(fèi)用管控進(jìn)一步優(yōu)化，預(yù)計(jì)伴隨著第三代半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)逐步轉(zhuǎn)化為銷售成果后，公司將實(shí)現(xiàn)費(fèi)用管控，進(jìn)一步增加營(yíng)收，從而實(shí)現(xiàn)凈利潤(rùn)的增長(zhǎng)。

在半年報(bào)業(yè)績(jī)交流會(huì)上，三安相關(guān)人員表示其生產(chǎn)的碳化硅器件的目標(biāo)客戶不僅僅是國(guó)內(nèi)廠商，未來(lái)將拋向國(guó)際市場(chǎng)。目前H1已經(jīng)獲得國(guó)際客戶驗(yàn)證通過(guò)，并實(shí)現(xiàn)少量銷售，接下來(lái)會(huì)繼續(xù)推進(jìn)襯底的對(duì)外銷售。

而在與某券商研究團(tuán)隊(duì)的溝通中，對(duì)方對(duì)奇偶派表示，三安光電是國(guó)內(nèi)唯一布局襯底到器件再到模塊的公司，目前出貨量占國(guó)內(nèi)的60%。并且正處于擴(kuò)產(chǎn)周期，明年有望實(shí)現(xiàn)2到3倍的成長(zhǎng)，后續(xù)產(chǎn)品、客戶規(guī)模效應(yīng)將更加明顯。并且近期還收到了某新能源車頭部企業(yè)的38億碳化硅產(chǎn)品大單，充分展現(xiàn)了三安的技術(shù)實(shí)力，對(duì)開拓后續(xù)終端龍頭公司起到了強(qiáng)促進(jìn)的作用。

天岳先進(jìn)，則是半絕緣襯底龍頭，向?qū)щ娦鸵r底進(jìn)軍。

天岳先進(jìn)成立于2010年，主營(yíng)業(yè)務(wù)為第三代半導(dǎo)體碳化硅襯底材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，歷經(jīng)十幾年的技術(shù)發(fā)展，已掌握多項(xiàng)襯底加工環(huán)節(jié)的核心技術(shù)，并擔(dān)當(dāng)起了國(guó)家核心戰(zhàn)略物資的保障供應(yīng)重任，批量供應(yīng)了半絕緣型碳化硅襯底材料，成功實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化自主可控。

近年來(lái)，因半絕緣型襯底受國(guó)外禁運(yùn)，為滿足國(guó)家戰(zhàn)略需要，公司優(yōu)先將產(chǎn)能用于半絕緣型襯底生產(chǎn)。但由于導(dǎo)電型襯底可搭載碳化硅外延可用于新能源汽車、光伏能源、交通軌道等領(lǐng)域，下游市場(chǎng)的火熱使得該襯底市場(chǎng)具有較大潛力，于是公司在滿足半絕緣型襯底需求的同時(shí)也在積極擴(kuò)展業(yè)務(wù)，向?qū)щ娦鸵r底進(jìn)軍。

根據(jù)公司碳化硅半導(dǎo)體材料項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度，公司預(yù)計(jì)2026年三期全部建設(shè)完成并達(dá)產(chǎn)，屆時(shí)將新增導(dǎo)電型碳化硅襯底材料產(chǎn)能約30萬(wàn)片/年。目前，已與大客戶簽訂長(zhǎng)期訂單，獲得認(rèn)可，待上海公司投產(chǎn)后，導(dǎo)電型碳化硅襯底產(chǎn)能擴(kuò)張有望帶動(dòng)公司持續(xù)快速成長(zhǎng)。

在與天岳先進(jìn)相關(guān)人員交流中，對(duì)方向奇偶派表示，公司已經(jīng)通過(guò)車規(guī)級(jí)體系的認(rèn)證，并加快推動(dòng)相應(yīng)產(chǎn)品的客戶認(rèn)證工作，截至目前，已經(jīng)獲得了眾多知名客戶的認(rèn)可，導(dǎo)電型襯底具有充足的客戶保障，并將繼續(xù)加快臨港項(xiàng)目產(chǎn)能建設(shè)進(jìn)度，預(yù)計(jì)導(dǎo)電型襯底滿產(chǎn)將比原計(jì)劃提前，有望開啟盈利第二曲線。

寫在最后

隨著新能源汽車賽道的爆發(fā)，碳化硅市場(chǎng)進(jìn)入蓬勃發(fā)展的階段。碳化硅作為目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最熱門的賽道之一，吸引了眾多半導(dǎo)體大廠和新銳力量參與其中。

與其它領(lǐng)域相同，新技術(shù)在誕生初期，都面臨著成本過(guò)高的問(wèn)題?，F(xiàn)在的碳化硅就像過(guò)去光伏領(lǐng)域的HJT電池、氫能領(lǐng)域的膜電極、動(dòng)力電池領(lǐng)域的固態(tài)電池一樣，有著比較大的降本空間。但是可以確定的是，伴隨著技術(shù)的進(jìn)步、規(guī)模效應(yīng)和產(chǎn)品良率的提升，碳化硅必然會(huì)憑借其優(yōu)異的性能被廣大的下游客戶所接受。

或許就在不久的未來(lái)，碳化硅高壓快充平臺(tái)將全面取代當(dāng)下的充電模組，彼時(shí)，將不再有“充電焦慮”，真正實(shí)現(xiàn)“充電五分鐘，行駛兩小時(shí)”。