非金属新材料行业碳化硅：AI时代拥抱碳化硅大周期

内容目录作为第三代半导体材料，碳化硅优势显著 3伴随价格下挫，应用空间持续打开 5AI大时代，重视碳化硅的重要价值 9展望未来 风险提示 图表目录图1：半导体材料迭代发展图 3图2：碳化硅器件制造成本结构 3图3：SiC晶体结构(a)4H-SiC(b)6H-SiC 4图4：GaN，SiC与Si性能比较 5（202010400元/吨，683250元/吨）..........................................................................................................................................................................6图6：碳化硅衬底价格（千元/件） 6图7全球主要SiC器件厂商2021-2028年的6英寸等效前道产能预测及晶圆需求趋（千片） 图8：不同的数据中心供电方式 9图9：碳化硅要替代的硅中介层是CoWoS封装平台的核心部件之一 10图10：全彩显示的碳化硅AR（左）与普通高折玻璃AR（右）对比示意图 10图11：全球半绝缘型碳化硅基射频半导体器件市场规模（按收入计（十亿美元） 11表1：第三代半导体材料分类及用途 3表2：4H-Si及SiC物理参数比较 4表3：碳化硅衬底分为半绝缘型和导电型 4表4：半导体性能参数对比 5表5：全球碳化硅功率半导体器件市场规模（按销售收入计）2020年至2024年复合年增长率 表6：碳化硅功率模组在xEV元件中的优势 7表7：全球碳化硅功率半导体器件市场规模（按销售收入计）2024年至2030年（估计）复合年增长率 表8：全球碳化硅功率半导体器件市场渗透率 8表9：碳化硅MOSFET和硅MOSFET参数对比 9表10：硅与碳化硅参数对比 10第三代半导体材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、金刚石。目前已实现商业化应用的主要为碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)两类。图1：半导体材料迭代发展图上海皓越真空设备有限公司官网表1：第三代半导体材料分类及用途分类 材料 应用领域III族氮化物宽禁带氧化物

氮化镓（GaN）碳化硅氧化锌（ZnO）

在军事领域GaN基微波功率器用于雷达、电子对抗、导弹和无线通信通；在民用商业领域用于基站、卫星通信、有线电视、手机充电器等小家电。军用领域用于喷气发动机、坦克发动机、舰艇发动机、风洞、航天器外壳的温度、压力测试等；用于压力传感器、记忆存储器、柔性电子器件，目前技术和应用不成熟，主要产品有发光二极管、激光、纳米发电机、纳米线晶体管、紫外探测器等。金刚石 用于光电子生物医学航空航天核能等领域的大功率红外激光器探测器技术和应用还在开发中。前瞻产业研究院碳化硅产业链主要包括衬底、外延、器件制造（设计、制造、封测）三大环节。碳化硅产业链上游为衬底和外延；中游为器件和模块制造环节；下游应用于5G通信、国防应用、件的制造成本结构中，衬底成本通常占据最大比例，占比可达47，其次是外延成本，比约23。衬底和外延片是碳化硅器件的重要组成部分，它们的制造技术难度高，制造19和6左右。图2：碳化硅器件制造成本结构6.0%6.0%5.0%19.0%47.0%23.0%衬底 外延片 前段 研发费用 其他华经产业研究院从结构看，碳化硅有多种不同晶体构型。SiC2503C4H6H是3种常见的SiC4H-SiC3C-SiC6H-SiC的高电子迁移率和极宽带隙，其被广泛应用于电力电子、能源电池等领域中。图3：SiC晶体结构(a)4H-SiC(b)6H-SiCAlO对重结晶碳化硅的作用机制（表24H-SiCSi禁带宽度3.26eV1.12eV能带结构间接跃迁型间接跃迁型击穿电场强度3MV/cm（c轴方向）0.3MV/cm电子迁移率1200cm²/V·S（c轴方向）1500cm²/V·S空穴迁移率120cm²/V·S450cm²/V·S介电常数1012电子产品世界官网根据电学性能的不同，碳化硅衬底分为半绝缘型和导电型。半绝缘型衬底电阻率较高，主要用于制造氮化镓射频器件；导电型衬底电阻率较低，主要用于制作功率器件。表3：碳化硅衬底分为半绝缘型和导电型半绝缘型导电型电阻率≥105Ω·cm15-30mΩ·cm外延GaN外延SiC外延器件射频器件功率器件新能源汽车、轨道交通及大功率输电应用领域 信息通讯、无线电探测等领域变电等领域天岳先进公告碳化硅具备诸多优势。1）耐高压：击穿电场强度大，是硅的10倍，用碳化硅制备器件可耐高温：半导体器件在较高的温度下，会产生载流子的本征激发现象，造成器件失效。禁带宽度越大，器件的极限工作温度越高。碳化硅的禁带接近硅的3倍，可以保证碳化硅器件在高温条件下工作的可靠性。硅器件的极限工作温度一般不能超过300℃，而碳化硅器件的极限工作温度可以达到600℃以上。同时，碳化硅的热导率比硅更高，高热导率有助于碳化硅更低，有助于实现设备的小型化；3）实现高频的性能：碳化硅的饱和电子漂移速率大，是硅的2倍，这决定了碳化硅器件可以实现更高的工作频率和更高的功率密度。表4：半导体性能参数对比参数 Si 4H-SiC 金刚石 氧化镓 氮化硼熔点(°C) 熔点(°C) 电子迁移率1.92.421.92.4232221电子饱和速度(×10⁷cm/s)

击穿电场介电常数 11.8 12.9 9.7 9 5.5 7.1介电常数 11.8 12.9 9.7 9 5.5 7.1

0.3 0.4 2.5 3.3 8 ~8热导率(W/cm·K)

1.5 0.55 2.7 2.1 0.27 344487034051巴利加优值(μεE_c³)科技导报公众号图4：GaN，SiC与Si性能比较顶立科技官网过往数年，供需恶化引致碳化硅衬底价格出现大幅降低。碳化硅材料具有优越的特性和性能，潜在应用空间广阔。但过往数年：1）前期，受制于产能不足，衬底价格高企，应用空间难以快速打开；2）后期，衬底产能释放过快，供给大幅增加，供需关系恶化，引发价格从高点大幅下挫30以上。:::(i≥70,)（吨）0002 012 022 032 042 052 062图6：碳化硅衬底价格（千元/件）2025E2025E2024年2023年2022年2021年2020年02.42.73.323.644.444.44.765.35.6866.4弗若斯特沙利文，天岳先进公司公告伴随价格的大幅下挫，碳化硅市场规模快速增长。近年来伴随衬底价格大幅下跌，碳化硅Yole和弗若斯特沙利文的统计数据，2020-2024年间，伴随碳化硅衬底平均价格的下降，多个领域碳化硅功率半导体器件销售收入大幅上涨，其在xEv65.103900应用领域2020年至2024年复合年增长率总计49.8xEv65.1光伏+储能系统*39.0电网8.0轨道交通12.9新兴行业**-其他***34.7*附注：储能系统为能量储存系统**附注：新兴行业包括家用电器、低空飞行和数据中心***附注：其他行业包括xEV充电、风能、UPS、石油和天然气及其他Yole，弗若斯特沙利文，天岳先进公司公告碳化硅功率半导体器件帮助提升xEVIGBT等传统硅基功率半导体器件，碳化硅功率半导体器件具有低导通电阻、高开关频率、高耐电容等无源元件体积，降低功率模块重量和成本；减少散热需求，简化热管理系统及提高电机控制的动态响应。碳化硅功率半导体器件帮助增强光伏系统的性能。碳化硅基光伏逆变器可将转换效率提高1至；体积和重量通常可减少40至60，便于简化安装并成本。表6：碳化硅功率模组在xEV元件中的优势应用元件 碳化硅功率模组优势能量损耗降低70~90；车辆续航里程增加10；支持高温环境电机驱动车载充电器（OBC）DC/DC转换器天岳先进公司公告

下大功率输出现更快充电速度，提升用户体验将高压电池直流电转换为低压直流电供车载器件使用；减少发热，能量损失降低80~90；提高效率，最大限度减少对续航里程的影响成本下降将推动碳化硅在新兴行业及传统领域应用大幅扩张。据Yole和弗若斯特沙利文的预测，2024-2030年，全球碳化硅功率半导体器件将在新兴行业达到39.2的复合年增长率。在原有传统领域，复合年增长率也将持续保持高位。据弗若斯特沙利文的预测，到2030年，碳化硅功率半导体器件在各行业的市场渗透率也将有大幅上涨。表7：全球碳化硅功率半导体器件市场规模（按销售收入计）2024年至2030年（估计）复合年增长率应用领域2024年至2030年（估计）复合年增长率总计35.2xEv36.1光伏+储能系统*27.2电网24.5轨道交通25.3新兴行业**39.2其他***38.5*附注：储能系统为能量储存系统**附注：新兴行业包括家用电器、低空飞行和数据中心***附注：其他行业包括xEV充电、风能、UPS、石油和天然气及其他Yole，弗若斯特沙利文，天岳先进公司公告表8：全球碳化硅功率半导体器件市场渗透率应用领域2024年2030年（估计）xEv19.253.6AI数据中心7.518.3光伏系统9.720.4轨道交通16.736.6电网4.214.6弗若斯特沙利文，天岳先进公司公告图7：全球主要SiC器件厂商2021-2028年的6英寸等效前道产能预测及晶圆需求趋势（千片）Yole,AIAI时代，碳化硅将大有可为。时代，数据中心的数据量呈指数级增长，对数据处理能力和计算速度提出了更高要求，PU向600kW甚至更高功率迈进。根据弗若斯特沙利文的数据，数据中心耗电量占全球20231.4203010.02030数据中心量将增长至299GW的硅基器件因电力损耗高而不再适配AI从传统UPSHVDC高压直流架构、10kV直入式直流架构和STT架构演进。图8：不同的数据中心供电方式中讯邮电咨询设计院有限公司&中数智慧信息技术研究院碳化硅天然适配AI时代的数据中心供电系统。PSU电源供应单元。目前PSU中的功率器件以硅基MOSFETMOSFET以提高开关频率，降低反向恢复损耗，有效减少元件数量，增加电源功率密度，提高电力2030年基于碳化硅功率器件的PSU在800NavitasCEO表示，在AC/DC电源单元（PSU）中，得益于PSU功率提升，SiC5000-8000美元。表9：碳化硅MOSFET和硅MOSFET参数对比参数碳化硅MOSFET硅MOSFET材料碳化硅（SiC）硅（Si）带隙宽带隙（约3.3eV）窄带隙（约1.1eV）导通电阻低导通电阻导致低导通损耗高导通电阻导致高导电损耗切换速度切换速度快切换速度慢切换损耗低切换损耗高开关损耗热导率高热导率低热导率效率高效率低效率额定电压适合高压应用适合低压应用topdiode网站碳化硅在先进封装领域也具备应用潜力。目前高端GPU/AI芯片的先进封装中常用硅中介层，但是随着芯片功耗的增长，硅中介层的散热问题突出。2026年1月，英伟达公布新一代Rubin处理器，其单芯片功率高达2300W。碳化硅的禁带宽度、临界击穿场强、热导率和饱和电子漂移速率都高于硅，有着出色的耐高温和耐高压能力，同时可以有效传导热量，提升中介层机械强度，或将成为解决高功耗芯片封装痛点的理想材料。图9：碳化硅要替代的硅中介层是CoWoS封装平台的核心部件之一行家说三代半公众号表10：硅与碳化硅参数对比对比维度硅碳化硅禁带宽度1.12eV3.26eV临界击穿场强0.3MV/cm2.8MV/cm热导率150W/mK490W/mK天岳先进官网碳化硅的高折射率，在眼镜领域的应用潜力广阔。2.62.7的高折射率，能够实现RGB设备重量、厚度与生产复杂度，同时带来更宽阔的视野和更简化的全彩显示结构，显著优化显示效果、降低成本并拓展应用场景。随着微显示、光学技术与AI算法持续进步，以及软件及内容生态日益成熟，AI/AR眼镜正逐步发展为可穿戴计算平台，全球AI/AR眼镜市场有望在2027年前实现快速增长。根据弗若斯特沙利文的预测，碳化硅材料的应用将2030SRGAI眼镜市6000万件。图10：全彩显示的碳化硅AR（左）与普通高折玻璃AR（右）对比示意图西湖大学官网伴随率、延迟和连接设备数量提出了更高要求。射频半导体器件是无线通信设备不可或缺的基重要作用。基于半绝缘型碳化硅衬底的氮化镓射频器件，通过在碳化硅衬底上外延生长氮化镓功能层，发挥两者优势，最终形成了高功率、高效率与高频率特性。目前，半绝缘型量与覆盖范围，同时在提升数据速率、降低能耗、支持多设备连接方面发挥关键作用。据Yole和弗若斯特沙利文的数据和预测，2024年全球半绝缘型碳化硅基射频半导体器件市11.25GLDMOS的市场份额，预计2030年市场规模将增至32亿美元，2024至2030年间复合年增长率约为19.2。图：（（）2020年2021年2022年2023年2024年2020年2021年2022年2023年2024年2025E2026E2027E2028E2029E2030E0.501.02 1.010.950.8911.271.121.51.471.7422.092.52.5633.23.5Yole，弗若斯特沙利文，天岳先进公司公告展望未来我们认为，行业供需关系已从之前的供大于需转变为当前的供需趋于平衡，未来供需或将出现缺口转变。我们认为，碳化硅行业后续可重点关注以下两点：关注AI时代下数据中心、先进封装、AI/AR眼镜、无线通信等下游需求。碳化硅作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、热导率高、临界击穿场强高等优点，在需要耐高温AIAI/AR关注自主开发进程。伴随