为什么第三代半导体发展如此迅速？

在过去的40年中，世界人口从40亿增加到了75亿，这是一个巨大的数字。但是同时，全球用电速率却从40年前的6000特瓦特上升到现在的24000特瓦特时，这意味着每个人的BGU7005用电速率在过去40年里平均增长了三倍，远高于人口增长率。毋庸置疑的是，这种趋势与我们的消费习惯、生活习惯在40年间发生了巨大的变化密不可分，新能源汽车的大量出现，极大地推动了二次能源的使用。

人际沟通方式的变化也对其产生了重大影响。当Bell先生发明电话时，远距离通讯只需很少的电量，但对比之下，现在的手机在完成同样距离的通讯时，单位能量消耗有了显著的提高。若把AI、机器学习、大数据处理等新兴技术与电力需求联系起来，电气化发展的速度就会令人惊叹。

除了设备自身的电力消耗，当然，能量密度也在不断地提高。沈鑫对比了去年发布的第一代iPhone和iPhone11的电池密度。第一代苹果手机的电池容量是1400毫安，而iPhone11的电池容量已经超过了3000毫安，也就是说，每单位体积/重量的电量提高了1.5倍。

纯电驱动汽车是另一个典型的应用实例。多亏了电池容量和能量密度的迅速提升，特斯拉的续航历程现在已经超过了400公里，并且这个数字还在继续增长。这种新型的硅基半导体器件在开关频率、散热、抗压性能等方面都提出了新的挑战和要求，而这些正是以SiCMOSFET为代表的第三代半导体器件的优点。举例来说，高热导率可减少对散热系统的要求；强大的耐压能力可降低开关损耗，从而大大提高系统效率，降低系统成本。

沈鑫引用HISMarkit的数据说，预计第三代半导体市场将从2020年的10亿美元增长到2025年的35亿美元，复合年增长率超过20%。在这些数据的背后，是行业需求、供应链的提升与改进，以及相关技术的巨大进步。

如碳化硅、氮化镓晶片制造中缺陷密度的减少和良率的提高，使供应稳定，不会因良率的波动而出现供应短缺。另外，晶片面积也从过去的2英寸逐渐扩大到目前6英寸，一些国际领先厂商甚至已开始规划8英寸碳化硅的产能，以确保供应链稳定。就设计方面而言，碳化硅二极管现已具备GBS、NBS技术，在大大提高芯片抗电流能力的同时，也对设计进行了优化，降低了成本。

重要的应用推动了SiC市场的发展

现在，真正起风向标引领示范作用的，是特斯拉Model3上SiCMOSFET器件的大规模量产应用。尽管现在的Model3只将SiCMOSFET应用于主驱动逆变器，但即便如此，一辆汽车还是需要24个SiCMOSFET装置。将来，车载充电机(OBC)、DC-DC等设备将成为SiCMOSFET器件的理想使用场景，随着电动汽车市场规模的迅速扩大，SiCMOSFET产品出货量的大幅增长也就不足为奇了。

新型汽车充电桩市场的迅猛发展也是不容忽视的。在30/40/100千瓦充电站的大规模布局，意味着充电能量的提高和充电时间的缩短，对于降低整个充电桩系统成本、提高系统能量密度、改善散热系统性能等等，都起到了积极的作用。

光伏逆变器和风能产业，得益于低开关损耗、高频率、高热导率和高可靠性等优点,,碳化硅器件可以在相同体积的逆变器中输出2倍以上的功率，或者降低离岸风能的维修维护费用。

还有一个值得关注的方面，与我们生活密切相关的手机快充。现在手机充电器的功率已经从过去的几瓦提升到现在的65瓦，甚至超过了100瓦，其中使用了大量的氮化镓器件。类似于碳化硅特性，氮化镓同样可以减少系统散热，提高整个系统的效率，从而使同样体积和重量的充电器能够输出更大的电流来满足快速充电市场的需求。同样的情况也发生在数据中心，作为电力大亨，即使只提高能源效率0.1%-0.2%，也能为全球能源消耗带来巨大的节能效益。

机遇和挑战并存

但是SiC是一种令人爱不释手的新材料。当前，SiCMOSFET的发展主要受制于两个方面：材料的质量和产品的价格。因为MOSFET对碳化硅片的质量要求比肖特基二极管产品高得多，而SiCMOSFET单片机的尺寸比碳化硅片产品大得多，因此对碳化硅片的缺陷密度有更高的要求，高质量的碳化硅片可以大大提高现有SiCMOSFET芯片的质量。与此同时，考虑到汽车、光伏、风电、数据中心等行业对产品质量的高度要求，今后，对碳化硅材料、器件质量的高要求将成为整个行业前进的必由之路。

而碳化硅片材料，尤其是高质量的硅片材料的高价也导致SiCMOSFET成本上升，成为限制SiCMOSFET大规模推广和发展的因素之一。但是沈鑫认为，在可预见的将来，随着供应链的发展，其系统总成本将越来越接近硅基产品。

事实上，即使单个碳化硅器件的价格比传统硅器件要高，但我们更看重它在降低系统成本方面的关键作用，特别是行业内一直在封装、应用、结构改进、与硅器件融合等方面，对其进行系统级优化，我相信整个行业会越做越好。