身处半导体赛道的行业巨头们，早就按捺不住内心的渴望，开始向“碳中和”市场进军。以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带半导体（第三代半导体）成为市场聚焦的新赛道。
碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料，具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更大的电子饱和漂移速度以及更高的抗辐射能力，是制造高温、高频、大功率半导体器件的理想材料，是未来半导体产业发展的重要方向，将成为支撑5G网络建设、新能源汽车及充电桩、特高压输变电及轨道交通等"新基建"的关键核心材料。
SiC器件相比Si器件可降低50%以上的能量损失，并减小75%以上的装备体积，是助力社会节能减排并实现“碳中和”目标的重要发展方向。以效率优势带来节能优势，是SiC贡献碳中和的着力点。
根据TrendForce集邦咨询预估，全球SiC功率市场规模将从2020年的6.8亿美元增长至2025年的33.9亿美元，CAGR达38%。其中，新能源汽车（主驱逆变器/OBC车载充电器/DC-DC直流变压器）将成为主要驱动力，或在2025年占据62%市场份额。
面对巨大的市场前景，SiC正成为全球半导体市场争夺的焦点，国内外与SiC相关的技术、产品、市场、投资均呈现较高增长态势。国际企业纷纷大力完善SiC的产业布局，强化竞争优势以抢夺日渐增长的市场份额。当下，由于SiC的生产瓶颈尚未解决，原料晶柱的质量不稳定存在良率问题、SiC器件的成本过高等因素，SiC整体市场无法大规模普及，SiC仍然面临巨大的产能缺口。而面对日益旺盛的下游需求，国产替代的机遇也正在显现。
SiC发展进入快车道
半导体产业的发展历程，其先后经历了以硅(Si)为代表的第一代半导体材料，以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料，在20世纪，这两代半导体材料为工业进步、社会发展做出了巨大贡献。而如今，以氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体虽处于初期阶段，但是市场已经显示出了巨大的需求。
在Si材料已经接近理论性能极限的今天，SiC功率器件因其高耐压、低损耗、高效率等特性，一直被视为“理想器件”而备受期待。从SiC被发现以来，关于其研究就一直没有停止过。
由于SiC是目前发展最成熟的宽禁带半导体材料，世界各国对其研究非常重视，纷纷投入大量的人力物力财力积极发展，美国、欧洲、日本等从国家层面上制定了相应的研究规划。
美国：2014年1月，时任美国总统的奥巴马亲自主导成立了以SiC为代表的第三代宽禁带半导体产业联盟。这一举措的背后，是美国对以SiC半导体为代表的第三代宽禁带半导体产业的强力支持。
欧洲：德国英飞凌公司与欧洲17家企业共同成立SmartPM（SmartPowerManagement）组织，拓展碳化硅在电源和电器设备中的应用。欧洲纳米科技咨询委员会（ENIAC）的“高效率电动汽车计划”则专注于碳化硅功率器件在新型电动汽车中的应用技术研发，由英飞凌公司主导。
日本：日本政府早在2013年就已将SiC纳入“首相战略”，认为未来50%的节能要通过它来实现，创造清洁能源的新时代。日本经济产业省积极开展碳化硅的研发及生产，促进碳化硅在通讯电源、混合动力汽车、可再生能源变频器、工业马达驱动等领域的应用。
一些国际电子业巨头也都投入巨资发展碳化硅半导体器件。目前，已经有很多厂商开始生产碳化硅器件，比如Wolfspeed（原科锐）、美高森美、英飞凌和罗姆等。
相对国外市场，我国开展SiC材料及器件方面的研究工作比较晚，在多方因素的推动下，中国SiC产业链已完成基本布局，取得了一定的成果，逐步缩小了与国外先进技术的差距，各个环节都涌现出几家领先企业。
目前，国内SiC衬底生产企业包括天科合达、山东天岳、河北同光、北京世纪金光和中科节能等。在外延环节，我国相关企业主要有瀚天天成和东莞天域，世纪金光和Norstel也有SiC外延生产业务。另外，在器件、模组环节，我国生产企业主要包括泰科天润、芯光润泽、深圳基本、世纪金光和扬州国扬电子等SiC器件生产企业，以及中车时代电气、斯达半导、华润微、士兰微和扬杰科技等传统功率器件生产企业。
行业厂商大幅扩产SiC市场需求被快速打开
近日，英飞凌官网宣布，将投资超过20亿欧元（合计约144亿人民币）扩大SiC和GaN半导体的产能，今年6月动工。据了解，英飞凌曾透露2022财年的投资将大幅提升至24亿欧元，而如今超八成资金被用在了第三代半导体投资上，足见其对行业的高度看好。
此外，近期很多行业厂商纷纷加大了对SiC为代表的第三代半导体的投资力度。意法半导体2021年的资本支出达到约21亿美元，其中14亿美元将投入全球产能扩建，计划到2024年将SiC晶圆产能提高到2017年的10倍，SiC营收将达到10亿美元。安森美半导体表示今年要将SiC产能扩充4倍，2022财年第一季度，安森美预计资本支出约为1.5-1.7亿美元，主要用于扩产12英寸硅产线产能。
罗姆提出要抢占全球30%SiC市场的目标，为了满足日益扩大的SiC产品需求，罗姆相继加大投资力度，在日本阿波罗筑后和宫崎新工厂将于2022年投入运营，计划器件产能提高5倍以上。
韩国SKSiltron第三次对SiC业务进行扩产，预计到2024年将投资近10亿元，负责后段工艺的生产，计划于今年下半年开始量产。SKSiltron表示将在未来5年内，在美国将投资约38.42亿人民币，以扩大美国SiC晶圆生产规模。
从头部SiC企业规划在未来几年投入巨资，扩充产能中，我们可以看到以SiC为代表的第三代半导体产业正在释放出国际企业大力完善第三代半导体产业布局，强化竞争优势以抢夺日渐增长的市场份额的信号。
资本市场以及行业厂商大幅扩产的背后，也反映着以SiC为代表的第三代半导体市场需求正在被快速打开。
SiC功率器件大幅提升能源转换效率
SiC功率器件作为一种新型功率器件，在新能源汽车的应用中具有极大优势。据悉，SiC材料具有耐高压、耐高温、高效率、高频率、抗辐射等优异的物理和化学特性，能够极大地提升现有能源的转换效率。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三大部分：电机驱动器、车载充电器(OBC)/非车载充电桩和电源转换系统(车载DC/DC)，SiC功率器件凭借其独有的优势在其中发挥着重要的作用。
在电机驱动领域，使用SiC器件可提升控制器效率、功率密度以及开关频率，通过降低开关损耗和简化电路的热处理系统来降低成本、重量、大小及功率逆变器的复杂性。有关资料显示，在电机驱动器中采用SiC器件可明显降低损耗。具体来说，当使用SiC器件时，SiCBJT构成的逆变器损耗降低了53%；当频率升高时，损耗还可以进一步降低。据了解，开关频率为15kHz时，SiCBJT逆变器的损耗会降低67%。
在车载充电器和非车载充电桩中使用SiC功率器件可提高电池充电器的工作频率，实现充电系统的高效化、小型化，并提升充电系统的可靠性。据悉，充电模块的工作环境具有高频、高压和高温的特点，与Si基器件相比，SiC器件的特性更适合这样的工作环境，因此SiC器件在充电模块中大有可为。
在电源转换系统中使用SiC功率器件可缩小电路的尺寸，降低重量，缩减无源器件的成本，在满足冷却系统的需求的同时大大降低整个系统的重量和体积。据了解，在电动汽车中，引擎部分需要冷却系统保持其温度在105℃，而功率变换器部分则要求冷却系统使其温度在70℃左右。为了使两部分正常工作，必须采用两套冷却系统以满足不同的需求，这无疑大大增加了电动汽车冷却系统的体积。由于SiC功率器件的工作结温已经达到361℃，因此在这种情况下采用SiC功率器件可以将引擎冷却系统与功率变换器系统合二为一，大大减小功率变换器的体积。
多方势力暗战车用SiC国内企业跑步入场
公开资料显示，碳化硅的禁带宽度约为硅的3倍，导热率为硅的4-5倍，击穿电压为硅的8倍，因此碳化硅特别适于制造高温、高频、抗辐射的大功率器件，材料的性能优势体现得淋漓尽致。
据IMSResearch报告显示，碳化硅功率器件2017年市场份额在3亿美元左右，主要集中在光伏逆变器与电源领域。虽只占到功率器件市场的1.5%的规模，但近几年的年复合增长率保持在30%以上。同时，在产品结构上也主要是以二极管为主，占到80%以上的份额，而随着电动汽车作为主驱动力以及MOSFET器件的上量，有望在未来8年超20亿美元。
特斯拉率先使用SiC逆变器，直接打开了碳化硅（SiC）在新能源汽车的预期空间。将硅（Si）基组件替换成碳化硅（SiC）能明显地提升车辆的续航能力。根据Wolfspeed数据，在逆变器中使用SiC器件后，能减小整体的体积、重量和成本，在车辆续航上也有5-10%的提升。在特斯拉Model3搭载SiC逆变器后，传统的汽车功率半导体厂商纷纷跟进对碳化硅（SiC）领域进行布局。
2021年，博世宣布开始大规模量产由SiC这一创新材料制成的功率半导体，并将持续扩大产能，旨在将产出提高至上亿颗的水平。此前博世已经开始扩建罗伊特林根工厂的无尘车间，同时着手研发功率密度更高的第二代SiC芯片，预计将于2022年投入大规模量产。
东芝、罗姆半导体、富士电机等日本厂商也在积极增产车用SiC功率半导体。东芝被曝计划在2023年将旗下姬路半导体工厂的SiC功率半导体产量扩增至2020年度的3倍，并于2025年进一步扩增至10倍。罗姆为更好地聚焦新能源汽车市场，2021年10月与正海集团共同宣布成立一家合资公司——海姆希科，以专注于SiC功率模块的设计和制造。
而在国内，随着新能源汽车的快速发展，也吸引了一批企业密集布局。根据工信部发布的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，2025年我国汽车销量有望达到3000万辆，其中新能源汽车占新车总销量20%，新能源汽车销量有望达到600万辆。而中国科学院院士、中国电动车百人会副理事长欧阳明高表示，预计2022年新能源汽车的市场渗透率就将超过20%，达到500万辆的规模，2025年进一步增长至700万-1000万辆。
这意味着中国有望成为SiC需求最大市场。据相关预测数据显示，到2025年，新能源汽车和充电桩领域的SiC市场规模将达到17.78亿美元，约占SiC总市场规模的七成左右。而中国得益于新能源汽车的快速发展，有望贡献近半数的市场。
因此，比亚迪半导体、斯达半导、中车时代电气、华润微、三安光电、派恩杰等本土企业都在积极发力车用SiC，并在车用SiC领域取得一定突破。
三安光电已经在湖南建设了国内首条碳化硅全产业链生产线，涵盖长晶、晶圆、外延、芯片、研发、封测环节，于今年6月正式点亮投产。据悉，下一步光伏、新能源和汽车的OBC、DC-DC、主驱都是其重点发力方向。
比亚迪基于在车规级功率半导体领域多年的研发，已经成功在汉EV上使用其自主研发的SiC模块。到2023年，比亚迪计划将在旗下所有电动车中用SiC功率半导体全面替代IGBT。利普思半导体的SiC产品也已于2021年下半年开始量产，将于2022年完成乘用车SiC模块产品量产。派恩杰宣布SiCMOSFET产品在新能源汽车OBC应用验证取得了重大突破，获得了新能源汽车龙头企业数千万订单，并已开始低调供货，目前该公司正着力选址建造车用SiC模块封装产线。
下游需求旺盛国产替代迎机遇
受益于市场对碳化硅芯片的需求加大，第三代半导体已成为群雄逐鹿之地，不仅国际巨头“跑马圈地”，国内企业也不甘落后，纷纷布局碳化硅，扩张产能，试图以国产替代争夺市场份额。
2020年，华润微正式向市场投放了第一代1200V和650V工业级碳化硅肖特基二极管功率器件产品系列，同时其6英寸商用碳化硅晶圆生产线正式量产。2021年，华润微又宣布推出1200VSiCMOSFET新品，主要应用于新能源汽车OBC、充电桩、工业电源、光伏逆变、风力发电等领域。此外，公司SiC二极管产品已量产并产生销售收入。
2021年，斯达半导募资35亿元，其中六成资金投向了高压特色工艺功率芯片和碳化硅芯片研发及产业化项目，预计项目达产后，将形成年产36万片功率半导体芯片的生产能力。车规级碳化硅功率半导体厂商基本半导体发布公告称，其位于无锡的汽车级碳化硅功率模块制造基地正式通线运行，首批碳化硅模块产品下线，并已通过国内头部车企的选型和测试。此外，赛微电子、闻泰科技、三安光电、士兰微、露笑科技、扬杰科技、亚光科技、聚灿光电，东尼电子等一众知名上市公司亦在布局第三代半导体产业。
事实上，碳化硅市场目前已经形成了供不应求与国产替代的产业竞争格局，给国内碳化硅相关企业带来了快速发展的良好机遇。2021年我国碳化硅投资相关项目几十起，其中有十几笔投资与碳化硅器件相关。
2021年7月18日，世纪金光项目与浙江省金华市金义新区正式签约，该项目总投资35亿元，将建设年产22万片6-8英寸碳化硅芯片生产线，项目分三期完成建设，全部达产后可实现年产值约40亿元。12月30日，钧联电子宣布，他们在合肥经开区举行“车用800V多融合碳化硅动力域控制器项目”启动仪式。项目总投资约10亿元，主要从事基于碳化硅材料的多融合动力域控制器（包括MCU、OBC、DCDC、DCAC、PDU、智能控制软件、车联网等产品）的研发、销售与服务。目前已完成第二代车用800V多融合碳化硅动力域控制器产品开发。
在行业赛道火热、扩产扩能延续之际，以碳化硅等材料为代表的第三代半导体已经吸引了大中小企业以及各路资本的投资布局，后续预期仍将有更多企业及资本入场。
国产碳化硅功率器件制造和应用企业——泰科天润完成D轮融资，融资金额未披露。自2011年成立以来，该公司获得某国际半导体大厂和元禾重元的联合助力，投资方众多，包括遨问创投、TCL创投、瑞业资产、哇牛资本、辰途资本，新鼎资本、三峡资本等。
公开资料显示，泰科天润的主要产品为碳化硅芯片和碳化硅功率器件，本轮产业资本的加持将进一步贯通公司在碳化硅晶圆材料、器件批量化生产供货、下游规模化应用的全产业链链条协同，为实现更为广泛和更大规模的的市场应用提供核心支持。
此外，碳化硅功率器件设计及方案商——派恩杰也正在积极推进募资计划。事实上，根据企查查信息，去年3月与9月，派恩杰已获得Pre-A轮数千万融资，投资方有创东方投资、天际资本、湖杉资本等，公司本次融资资金将用于更高电压平台功率器件产品的研发和全球市场的布局。
资本入局以碳化硅等材料为代表的第三代半导体赛道，一方面基于行业契合国家新基建战略、碳中和目标；另一方面则源于其下游需求旺盛，国产替代机遇正在显现。
国金证券认为，对于碳化硅行业而言，目前整体市场规模较小，2020年全球市场规模约6亿美元，但是下游需求确定且巨大。根据IHSMarkit数据，受新能源汽车庞大需求的驱动以及电力设备等领域的带动，预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超过100亿美元，2020-2027年复合增速近50%。目前制约行业发展的因素主要是成本高昂和性能可靠性。碳化硅行业一旦到达综合器件成本趋近于硅基功率器件的“奇点时刻”，行业将迎来爆发性增长。
结语
尽管与国际巨头仍有差距，但中国作为全球最大的半导体消费市场，在市场风口到来、产业火热加码布局等利好因素加持下，以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体产业正在进击前行。
由于各行各业的性能要求和不断变化的工业环境，目前已经使用的硅材料功能器件很难满足5G基站、新能源及新能源汽车、高铁等的需求。第三代碳化硅半导体材料已经成为“新宠”，而从这个变化来看，国产半导体有更多机会实现跨越式发展。
