新旧赛道共振，碳化硅从性能替代迈向规模放量：半导体材料（三）

半导体材料（三）：新旧赛道共振，碳化硅从性能替代迈向规模放量 摘要： 周天乐(分析师)0755-23976003zhoutianle@gtht.com登记编号S0880520010003 新能源车主导市场空间，多点开花支撑长期成长。全球碳化硅功率器件市场将从2024年的32亿美元增长至2030年的约197亿美元，复合年增长率35.2%。分应用领域看，新能源车是增长的绝对主力，新兴应用是增速最快的边际变量。从2024年到2030年，应用于新能源车领域的复合年增长率将高达36.1%，继续引领全球市场增长；光伏储能、电网、轨道交通领域亦表现出强劲增长势头，期间的复合年增长率将分别达到27.2%、24.5%及25.3%；应用于新兴应用领域的复合年增长率预计将达到39.2%。 政策再细化，产业再优化——2026年医药产业政策上半年回顾&下半年展望2026.08.11时滞定价，结构分化：厄尔尼诺如何影响资产价格——可持续投资系列（二）2026.08.10AI数字基建：算力密度跃迁驱动液冷时代来临2026.08.10人形机器人产业史：从执行机器迈向物理智能体——人形机器人系列（一）2026.08.02大国能源系列二：新能源资产的证券化2026.07.30 从投资视角看，碳化硅衬底环节是观察全产业的最佳窗口：其制备集中了长晶缺陷控制、粉料纯度、精密加工、扩径与量产一致性五大技术难点，技术壁垒与客户认证壁垒共同决定了行业的高集中度；其价格与成本曲线决定了下游器件的降本节奏与应用渗透速度；其竞争格局的演变——从Wolfspeed定义产业，到中国双雄崛起，再到行业第一轮出清——完整映射了第三代半导体全球竞争的此消彼长。我们建议沿“大尺寸化进展、AI场景订单、成本曲线位置”三条线索跟踪产业动态，把握碳化硅从性能替代迈向规模放量的历史性机遇。 本报告的核心判断包括：（1）碳化硅产业的竞争本质是“成本曲线与良率曲线的竞争”，大尺寸化与规模化是当前阶段最确定的产业趋势；（2）新能源车仍是第一大下游，但AI相关应用的增速更快、弹性更大，碳化硅的需求结构正在从“一业独大”走向“多点开花”；（3）全球竞争格局已从海外龙头主导演变为“多极竞逐、中国崛起”，中国衬底厂商在6英寸规模化与8英寸切换中均已跻身第一梯队；（4）行业正经历第一轮出清，具备技术纵深、成本控制与高质量量产能力的企业将穿越周期，分享未来渗透率持续提升的长期红利。 风险提示：下游需求不及预期的风险，技术进步与降本不及预期的风险，行业竞争加剧的风险，国际贸易与地缘政治风险，新兴应用产业化不及预期的风险。 目录 1.碳化硅起源于材料科学的百年探索，三代半导体不断演进...........................41.1.碳化硅的物理特性：宽禁带、高击穿、高导热的性能王者....................41.2.半导体材料百年演进：从硅的绝对统治到第三代材料崛起....................41.3.导电型与半绝缘型两条技术路线，分别支撑功率与射频两大市场........52.碳化硅产业经历三次跃迁，从实验室晶体走向规模放量...............................62.1. 1824-1987：从矿物发现到晶体生长技术奠基，产业化条件逐步成熟....72.2. 1987-2010：Cree推动衬底商业化，碳化硅器件走出实验室...................72.3. 2010-2020：车规级应用拉动需求，特斯拉Model 3成为产业拐点........82.4. 2020年以来：能源变革与AI双轮驱动，产业有望进入新放量期..........93.产业链与制造壁垒：衬底是价值与技术制高点，大尺寸化是降本主线.......93.1.产业链全景：衬底—外延—器件—终端应用，价值向衬底集中............93.2.衬底制备五大难点构筑高壁垒，先发者优势较大..................................103.3.大尺寸化是降本主线：6英寸主流、8英寸起量、12英寸在研...........114.新能源车主导市场空间，多点开花支撑长期成长.........................................124.1.新能源车：第一大下游市场，2030年规模预计达147亿美元.............134.2.光伏储能：能源变革主力场景，渗透率五年预计翻倍..........................144.3.超充桩与电网：800V生态的外延需求与智能电网的刚性升级............154.4.轨道交通、家用电器与低空经济：验证成熟、梯次放量......................154.4.1.轨道交通：碳化硅最早验证场景，渗透率领先工业市场...............154.4.2.家用电器：碳化硅具备消费规模潜力的下沉市场...........................154.4.3.低空经济：从零起步的新兴赛道.......................................................164.5.射频器件：半绝缘衬底的主要应用，5G驱动稳健增长........................165.新兴应用场景：AI打开碳化硅第二成长曲线...............................................165.1. AI数据中心电源：高压趋势下的新增需求..............................................175.2. AI眼镜光波导：碳化硅从电学到光学的跨界突破..................................185.3. TF-SAW滤波器与散热部件：高频通信与高功率热管理的新选择........185.4.具身智能与人形机器人电源：碳化硅的前沿场景..................................195.5.新旧赛道共振，碳化硅正从半导体材料走向平台型功能材料..............196.竞争格局与产业龙头：多极竞逐、中国崛起.................................................206.1.竞争格局：全球前五大厂商寡头垄断，中国厂商强势入局..................206.2.竞争壁垒：技术、资金认证、成本控制与量产能力的四重门槛..........216.3. Wolfspeed：从Cree到破产重整，一部浓缩的碳化硅产业化史............22 6.4. Coherent与SK Siltron：并购整合卡位衬底赛道的两种模式.................226.5.天岳先进与天科合达：中国衬底双雄的崛起之路..................................237.碳化硅产业未来展望.........................................................................................247.1.大尺寸化、降本渗透与新场景三重趋势共振..........................................247.2.技术与成本构筑企业穿越周期的核心能力..............................................258.风险提示............................................................................................................26 1.碳化硅起源于材料科学的百年探索，三代半导体不断演进 碳化硅是第三代半导体中产业化最成熟的核心材料，正以全方位的性能优势重构功率半导体与射频半导体的技术格局。能源变革和人工智能是未来科技革命的双重引擎，是能源变革与AI技术进步和融合发展的主要方向，而碳化硅材料已经成为赋能能源变革及AI实现核心发展目标的主要材料之一。 1.1.碳化硅的物理特性：宽禁带、高击穿、高导热的性能王者 碳化硅是一种由碳元素和硅元素以共价键结合形成的化合物半导体材料，其核心价值在于全面突破了硅材料的物理性能边界。碳化硅具有较高硬度和优异的物理化学性能，同时拥有耐高压、耐高频、高热导性、高温稳定性、高折射率等特点，可作为诸多行业实现降本增效的关键性材料。碳化硅材料率先促进半导体行业变革，并开始在更多领域渗透，与硅基技术形成相互补充、梯次替代的关系：在对性能要求较高的高压高频场景中碳化硅逐步取代硅，在对成本极度敏感的低压低频场景中硅仍将长期占据主导。 碳化硅的四大关键物理参数，决定了其在功率电子领域对硅的较大优势。第一，禁带宽度约为硅的3倍，使器件能够在更高温度下稳定工作且漏电流极低；第二，临界击穿场强约为硅的10倍，意味着在相同耐压等级下，碳化硅器件的漂移层可以做得更薄、掺杂浓度更高，从而大幅降低导通电阻；第三，热导率约为硅的3倍，赋予器件优异的散热能力，可显著简化热管理系统；第四，电子饱和漂移速度约为硅的2倍，支撑器件在高频开关场景下保持低损耗。这些特性使得碳化硅在新能源汽车及光伏等高性能应用领域中具有显著优势，尤其是在稳定性和耐用性方面。 相较硅基半导体，以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体从材料端至器件端的性能优势突出，是未来半导体行业发展的重要方向。宽禁带材料具备高频、高效、高功率、耐高压、耐高温等特点，其中碳化硅展现出独特的物理化学性能，其高禁带宽度、高击穿电场强度、高电子饱和漂移速率和高热导率等特性，使其在电力电子器件等应用中发挥着至关重要的作用。从器件层面看，上述材料优势最终转化为系统层面的四大收益：电能转换环节的能量损耗更低、电感电容等无源元件体积更小、散热需求更少、系统功率密度更高。 与氮化镓、氧化镓等宽禁带及超宽禁带材料相比，碳化硅确立了清晰的差异化定位。氮化镓凭借更快的开关速度与更低的导通电阻，特别适用于高频高速开关应用场景，如无线充电与射频放大器；而碳化硅则因更高的耐压能力与优异的导热性，成为电动汽车及可再生能源系统等高功率高温应用的理想选择。不过在中等开关功率与频率的应用中，碳化硅与氮化镓可根据具体需求互换，或共同取代硅材料。氧化镓属于第四代半导体材料，具有更高的击穿电场强度，能够经济高效地制备大尺寸高品质晶体，但其晶体脆性较高、解理性强、断裂韧性较低且热导率极低，目前研究正致力于克服高温分解与挥发性等难题，距离大尺寸无缺陷氧化镓晶圆的工业化应用仍有较长距离。 1.2.半导体材料百年演进：从硅的绝对统治到第三代材料崛起 半导体材料的发展史是一部以应用需求驱动材料替代的迭代史，至今已完成三次代际演进。第一代半导体材料以硅（Si）、锗（Ge）为代表，自20世纪50年代起奠定了集成电路与现代信息产业的物理基础，硅基芯片支撑了计算、存储与数字逻辑的繁荣；第二代半导体材料以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表，于20世纪70-90年代支撑起光电子与移动通信产业，确立了化合物半导体的产业地位；第三代半导体材料以碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）等宽禁带材料为代表，自21世纪初开始商业化，面向功率电子与射频前端两大高性能场景，正在开启半导体材料的又一次价值重估。 硅基器件在高压、高频、高温场景已逼近材料物理极限，这是第三代半导体崛起的根本动力。硅的禁带宽度与临界击穿场强存在先天上限，导致硅基IGBT等器件在高压大电流工况下导通损耗与开关损耗同步恶化，开关频率被限制在较低水平，进而迫使系统使用更大体积的电感、电容与散热器。当新能源汽车、光伏逆变器、数据中心等下游对高压和高功率提出越来越高的要求时，硅基方案的效率损失与体积重量代价变得难以承受，功率半导