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半导体材料目前已经发展至第三代。传统硅基半导体由于自身物理性能不足以及受限于摩尔定律，逐渐不适应于半导体行业的发展需求，砷化镓、碳化硅、氮化镓等化合物半导体也因而诞生。从技术来看，半导体材料目前已发展了三代。
1) 第一代半导体材料以传统的硅（Si）和锗（Ge）为代表，是集成电路制造的基础，广泛应用于低压、低频、低功率的晶体管和探测器中，90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的；
2) 第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和磷化镓（GaP）为代表，相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，广泛应用于光电子和微电子领域；
3) 第三代半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）、金刚石（C）、氮化铝（AlN）等新兴材料为代表
第三代半导体性能突出，高功率、高频高压高温场景优势明显。以碳化硅、氮化镓为代表的新一代宽禁带半导体材料，相较于传统的硅基半导体，禁带宽度大， 具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等特点，可以在减少能量损失的同时极大地降低材料使用体积。在高频、高压、高温等工作场景中， 第三代半导体材料具有易散热、小体积、低能耗、高功率等明显优势。
第三代半导体经典的应用是碳化硅。碳化硅具有众多技术优势，宽禁带特性有助于提高碳化硅器件的稳定性，使其具备良好的耐高温性、耐高压性和抗辐射性， 显著提升器件功率密度，从而利于系统散热与终端小型轻便化；高击穿电场强度特性有助于提高碳化硅器件的功率范围，降低通电电阻，使其具备耐高压性和低能耗性，利于器件薄化的同时提高系统驱动力；高饱和电子漂移速率特性意味着较低的电阻，显著降低能量损失，简化周边被动器件，大幅提升开关频率同时提高整机效率。
新能源产业推动需求爆发，第三代半导体材料迎来发展良机。随着第一、二代半导体材料工艺接近物理极限，第三代半导体材料成为产业发展的重要方向。第三代半导体材料广泛应用在 5G 基建、新能源汽车充电桩、特高压及轨道交通等“新基建”各领域核心射频、功率器件中，产业迎来巨大的发展机遇，根据 Yole 数据 显示，预计到 2023 年，全球碳化硅材料渗透率有望达到 3.75%，预计到 2025 年， SiC 器件市场规模将达到 32 亿美元，年均复合增长率超 30%
SiC 功率器件下游应用广泛，市场快速放量。得益于优异的能源转换效率，碳化硅功率器件在电动汽车/充电桩、光伏新能源、轨道交通、智能电网、家电等领域均有广泛应用前景。根据 Yole 数据显示，全球碳化硅功率器件市场规模预计将从 2021 年 10.9 亿美元增长至 2027 年 62.97 亿美元，年均复合增长率达 34%，其中新能源车（主逆变器和充电机）、光伏及储能系统贡献了主要增量。新能源车将由从 2021 年 6.85 亿美元增长至 2027 年 49.86 亿美元，为最大增量领域；光伏及储能预计增长至 2027 年 4.58 亿美元；此外轨道交通领域预计也会为功率器件市场贡献超过 1 亿美元的增量空间。
电动车领域新应用不断出现，汽车厂商积极启用碳化硅战略。电动汽车行业是市场空间巨大的新兴市场，随着电动汽车的发展，对功率半导体器件需求量日益增加。目前碳化硅功率器件在电机驱动系统、车载充电系统（OBC）、电源转换系统（车载 DC/DC）和非车载充电桩的使用已经比较普遍。
Cree 预测 SiC 逆变器能 够提升电动车 5-10%的续航，并节省 400-800 美元的电池成本（80kWh 电池、102 美元/kWh），与新增 200 美元的 SiC 器件成本抵消后，能够实现至少 200 美元的单车成本下降。2021 年特斯拉 Model3 的主逆变器率先采用 24 个碳化硅 MOSFET 功率模块，比亚迪也迅速跟进，在汉 EV 上搭载了自主研发的 SiC 功率模块。充电桩产品由于成本的原因，目前使用比例还相对较低，但部分厂商已开始利用碳化硅器件的优势，通过降低冷却等系统的整体成本找到了利基市场
新能源车销量持续提升，碳化硅市场空间广阔。伴随着各地政府补贴、退税等政策扶持以及不断改进完善的充电基础设施，全球新能源汽车的销量和占比均在持续上升，2021 年新能源车销售 650 万辆，同比增长 109%，占比全球汽车销售总量为 9%，预计到 2025 年，新能源汽车销量将超过 2100 万辆，其中，新能源汽车领域碳化硅渗透率有望超 20%。而随着新能源汽车销量的增长和碳化硅功率器件对碳化硅晶圆的需求也在不断提高，据集邦咨询数据，预计到 2025 年，全球电动车市场对 6 英寸碳化硅晶圆的需求为 169 万片。
需求测算：以特斯拉 model3 为例，单车 SiC 基 MOSFET 需要约 3744mm2 晶圆，SiC 基 SBD 需要约 1800mm2，即车载碳化硅器件需求约 5544mm2。6 英寸晶圆可用面积约为 17670mm2，按照器件良率 60%测算，单车需求等效 6 英寸晶圆 0.52 片。假设其中 SiC 车型渗透率为 25%。2025 年预计全球新能源车出货量为 2200 万部，对应 286 万片等效 6 英寸碳化硅晶圆，假设至 2025 年 6 英寸碳化硅晶圆 0.5 万元/片，对应碳化硅晶圆市场空间 143 亿元。
光电储能领域中应用优势明确，碳化硅器件渗透率快速提升。光伏、风电和储能逆变器曾普遍采用硅器件，经过 40 多年的发展，转换效率和功率密度等已接近理论极限。基于硅基器件的传统逆变器成本约占系统 10%左右，却是系统能量损耗的主要来源之一。碳化硅器件可应用于风电整流器、逆变器、变压器，降低能损和提高效率的同时可以使得质量和成本分别减少 25%和 50%。基于碳化硅 MOSFET 或碳化硅 MOSFET 与碳化硅 SBD 结合的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，有利于缩小系统体积、提高功率密度、延长器件使用寿命、降低产品生产成本。
预计在住宅和商业设施光伏系统中的组串逆变器里，碳化硅器件会逐步替代硅器件。根据中商产业研究院数据，全球光伏逆变器的出货量从 2017 年的 119.2 千兆瓦增加至 2021 年的 210.4 千兆瓦，年均复合增长率约为 15%。预计 2022 年 全球光伏逆变器的出货量将达到 256.7 千兆瓦。据 CASA 数据，在光伏逆变器中， 碳化硅器件的渗透率有望由 2020 年的 10%，快速提升至 2025 年的 50%，并在 2048 年达到 85%。
供需缺口不断扩大，海内外积极投资扩产。随着碳化硅器件在工业、汽车、光伏等各领域不断渗透，碳化硅器件的市场需求不断扩大，具有巨大市场发展潜力，各厂商加大投资投产进程以抢占市场先机！
本文作者：
赵旭东，《天下财经》嘉宾，多次蝉联《当红不让》月度冠军。在短线突击和公司调研方面都有独到的方法。作者观点仅作为个人研究成果，不代表本栏目观点。股市有风险，投资需谨慎。
