何为MOSFET?该怎么认识它呢?

 

一、置于材料端,何为MOSFET呢?

 

(一)基础介绍金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管,具有导通电阻小,损耗低,驱动电路简单,热阻特性好等优点,特别适合用于电脑、手机、移动电源、车载导航、电动交通工具、UPS电源等电源控制领域。MOSFET是功率半导体的一种,在日常生活中,凡涉及发电、输电、变电、配电、用电、储电等环节的,均离不开功率半导体。功率半导体器件作为不可替代的基础性产品,广泛应用于国民经济建设的各个领域。

 

(二)产品分类平面N沟道增强型NMOSFET的剖面图。它用一块P型硅半导体材料作衬底,在其面上扩散了两个N型区,再在上面覆盖一层二氧化硅(SiO2)绝缘层,最后在N区上方用腐蚀的方法做成两个孔,用金属化的方法分别在绝缘层上及两个孔内做成三个电极:G(栅极)、S(源极)及D(漏极),如图所示。从图1中可以看出栅极G与漏极D及源极S是绝缘的,D与S之间有两个PN结。一般情况下,衬底与源极在内部连接在一起,这样,相当于D与S之间有一个PN结。

 

主流的MOSFET主要分为三大类:超结MOSFET、中低压屏蔽删MOSFET和超级硅MOSFET。

 

主要对比如下图:

 

图一 主流类别MOSFET性能对比图注:图片来源于巨浪资讯

 

其中,高压超级结 MOSFET,是一种可以广泛应用于模拟与数字电路的基础微电子元器件,具有高频、驱动简单、抗击穿性好等特点;其中,高压MOSFET 功率器件通常指工作电压为 400V 以上的 MOSFET 功率器件。高压 MOSFE功率器件结构通常包括平面型及超级结型。超级结 MOSFET 功率器件通常需要更高的技术设计能力及工艺制造水平,其能够突破平面型器件的性能局限性,具备更好的静态和动态特性,可以工作于更大功率的系统之中。

 

中低压 MOSFET 功率器件通常指工作电压为 10V-300V 之间的 MOSFET 功率器件,该类器件更加适用于低电压的应用场景,应用于如电动工具、智能机器人、无人机、新能源汽车电机控制、移动电源、适配器、数码类锂电池保护板等产品中。中低压MOSFET 功率器件结构通常包括沟槽栅 VDMOS 及屏蔽栅 MOSFET。相比于普通沟槽栅 VDMOS,屏蔽栅 MOSFET 功率器件结构更复杂,需要更高的技术能力及制造工艺水平,其能够突破普通沟槽栅VDMOS器件的性能瓶颈,具备更好的导通特性,开关损耗更小且功率密度更高。

 

超级硅 MOSFET 产品,是通过调整器件结构、优化制造工艺,突破了传统硅基功率器件的速度瓶颈的,在电源应用中达到了接近氮化镓功率器件开关速度的水平。相较于氮化镓功率器件产品,超级硅MOSFET产品采用硅基材料,具有工艺成熟度高、工艺成本低及高可靠性等技术特点及竞争优势,特别适用于高密度电源系统,如新能源汽车充电桩、通信电源、工业照明电源、快速充电器、模块转换器、快充超薄类 PC 适配器等领域。

 

二、置于半导体产业链中,MOSFET处于何位置呢?

 

(一)功率半导体产业链

 

半导体分立器件(MOSFET)行业产业链包括芯片设计、芯片制造、封装测试、对外销售等环节。从产业链环节看,分立器件(MOSFET)的设计属于产业链的前端。具体产业链位置见下图: 

 

图二 功率半导体产业链位置 

 

半导体分立器件行业的上游主要为半导体硅片供应商和其他金属材料制造商,其中,半导体硅片为半导体分立器件行业的主要原材料。目前,高端半导体硅片主要为国外垄断,硅片生产企业在上游产业链中占据较大话语权。功率半导体可以分为功率 IC 和功率分立器件两大类,其中功率分立器件主要包括功率二极管晶闸管、高压晶体管、MOSFET、IGBT 等产品。在功率半导体发展过程20 世纪 70 年代末,平面型功率MOSFET发展起来。20 世纪80年代后期,沟槽型功率 MOSFET 和 IGBT 逐步面世,半导体功率器件正式进入电子应用时代。20 世纪 90 年代,超级结 MOSFET 逐步出现,打破了传统硅基产品的性能限制以满足大功率和高频化的应用需求。对国内市场而言,功率二极管、功率三极管、晶闸管等分立器件产品大部分已实现国产化,而功率MOSFET 特别是超级结 MOSFET、IGBT 等高端分立器件产品由于其技术及工艺的复杂度,还较大程度上依赖进口,未来进口替代空间巨大。其主要的市场分布如下图:

 

图三 功率半导体细分市场占比注:图片来源于巨浪资讯

 

采用新型器件结构的高性能 MOSFET 功率器件可以实现更好的性能,从而导致采用传统技术的功率器件的市场空间被升级替代。造成该等趋势的主要原因是高性能功率器件的生产工艺不断进行技术演进,当采用新技术的高性能 MOSFET 功率器件生产工艺演进到成熟稳定的阶段时,就会对现有的功率 MOSFET 进行替代。同时,随着各个应用领域对性能和效率的要求不断提升,也需要采用更高性能的功率器件以实现产品升级。因此,高性能 MOSFET 功率器件会不断扩大其应用范围,实现市场的普及。未来的 5 年中会出现新技术不断扩大市场应用领域的趋势。

 

具体而言,沟槽 MOSFET将替代部分平面 MOSFET;屏蔽栅 MOSFET 将进一步替代沟槽 MOSFET;超级结MOSFET 将在高压领域替代更多传统的 VDMOS。但是随着碳化硅等新型材料的兴起,碳化硅材料的MOSFET等SiC-MOSFET有平面型与沟槽型,也将成为电力电子应用的主力军。

 

具体硅基与碳化硅基片的MOSFET差别可见下图:

 

图四 硅基—碳化硅基MOSFET对比图 注:图片来源于巨浪资讯 

 

由于栅极氧化物的沟槽角处的电场拥挤,沟槽型MOSFET 的阻断电压能力可能低于 DMOSFET半导体分立器件行业的下游分布极为广泛,应用市场包括消费电子、汽车电子、工业电子、新能源汽车/充电桩、智能装备制造、物联网、光伏新能源等领域。受益于国家经济转型升级和科技进步,半导体分立器件下游产品不断更新换代,新产品相继面世,其应用将更为广泛。

 

(二)主要竞争格局

 

随着消费电子、汽车电子和工业电子为主的市场销售稳定增长,2016年MOSFET 市场规模持续增长。得益于市场对高效能电子器件的需求增加,预计MOSFET 市场未来将继续稳定增长。2016年,全球MOSFET市场规模达到62亿美元,预计2016年至2022年间 MOSFET 市场的复合年增长率将达到3.4%;预计到2022年,全球MOSFET市场规模将接近75亿美元。在MOSFET大的市场格局中,主要由欧美日企业把控,2020年MOSFET前十大企业分别为英飞凌、Onsemi、ST、Vishay、Renesas、东芝、Alpha and Omega以及被闻泰科技收购的安世半导体,他们大约占据我国高端功率器件约90%的市场份额。而我国功率器件在中低端产品层次竞争较为充分,国产器件在中低端的占比相对较高。不过国内的MOSFET企业这几年已经开始向高端迈进,相信会逐渐占据一席之地。

 

国际MOSFET市场预测分布柱状图如下: 

图五 国际MOSFET市场预测分布柱状图注:图片来源于东微半导招股书

 

2019 年全球 MOSFET 器件市场中,英飞凌排名第一,市场占有率达到 24.79%,前十大公司市场占有率达到 74.42%。中国本土企业中,闻泰收购的安世半导体、中国本土成长起来的华润微电子、扬杰科技进入前十,分别占比 3.93%、3.09%和 1.80%。

 

国内MOSFET的IDM企业主要有华润微、士兰微、扬杰科技以及吉林华微,MOSFET的Fabless企业主要有新洁能、捷捷微电、富满电子、龙腾半导体、韦尔股份、东微、尚阳通、芯派、芯导科技、诺芯半导体等。

 

表一  国内MOSFET的IDM企业

 

国内MOS工厂商 经营模式 MOS型号
华润微 IDM 670+
士兰微 IDM 370+
吉林华微 IDM 240+
捷捷微电 FABLESS+封测 360+
东微半导体 FABLESS 490+
扬杰科技 IDM、FABLESS 210+
新洁能 FABLESS、(fab+lite) 1300+
富满电子 FABLESS+封测 60+
龙腾半导体 FABLESS 500+
韦尔股份 FABLESS 190+
尚阳通 FABLESS 250+
芯派科技 FABLESS 230+
芯导电子 FABLESS 120+
诺芯半导体 FABLESS 50+

国内部分MOSFET厂商及其经营模式一览(数据来源:公司官网公开信息)

 

 对于以上FABLESS模式的代工厂,目前国内MOSFET的晶圆代工厂主要有华虹宏力、华润上华、上海先进、中芯集成、四川广义,广州粤芯等。得益于国内 FAB 厂的技术沉淀与发展,结合国内设计公司的设计优势,目前部分国产功率器件的性能基本与国际大厂相当。不少公司的部分MOSFET等功率器件产品在技术上处于国内前列,与国际大厂的技术相当。例如龙腾半导体的650V超结MOSFET 产品的Rsp达到了16.45mΩ*cm2,而英飞凌先进的CoolMOSTM P7系列产品Rsp为8.80mΩ*cm2 。

 

表二  国内MOSFET的晶圆代工厂

晶圆代工厂 产线
华虹宏力 8、12英寸
华润上华 6、8英寸
上海先进 5、6、8英寸
中心集成 8英寸
四川广义 6英寸
广州粤芯 12英寸

 

国内主要纯MOSFET晶圆代工厂(数据来源:公司官网公开信息) 对比于国际市场,在MOSFET高端技术领域,其实国内厂商与国外厂商差距不大,主要是在制造技术上差距比较大,高端的MOSFET我们是有能力设计和制造生产出来的。

 

据徐吉程的观点,与国外厂商比,国内厂商的差距有如下几点:

1. 对应用市场理解的深度,

2. MOSFET与方案的配合度,方案需要哪些特性的产品很重要,

3. 制造工艺的管控度,比如trench的角度和一致性等,

4. 封装工艺的管控程度,

5. 测试时的严格的程度,

6. 先进技术的探索和研发的程度,

7.原材料的研究与提升,

6. 市场给国内厂商试错的程度,等等。

 

“相比英飞凌和安森美等国际大公司,我们与之的差距正在逐渐缩小,在器件pitch size,工艺技术等方面可以相互媲美,关键的差距在于细节控制,包括细节管控和对高端技术理解的深度。同时还有对终端环境的理解。在终端方案中,一般终端方案在design in时以国外厂商的产品为基础,等国内器件去替代时,就会有难度,因为不可能制造出与国外厂商完全match的产品来,因此在核心参数上,就会有偏差,甚至引起失效,而如果以国内产品直接design in就会好很多。并且产品出问题时,不要一棍子打死,要给国内厂商解决问题的机会,不断改善和优化性能,一定能满足客户要求,同时国内厂商一定要控制好优化和改进的时间,不能拖得太久。”中国MOSFET市场预测图如下: 

 

图六 中国MOSFET市场预测图注:图片来源于东微半导招股书 

 

2019 年,中国 MOSFET 器件市场中,英飞凌排名第一,市占率达到 24.95%,前十大公司市占率达到 74.54%。中国本土企业中,华润微电子、扬杰科技、闻泰收购的安世半导体和吉林华微电子进入前十,分别占比 4.79%、3.34%、3.28%和 2.93%。

 

三、置于消费端,MOSFET被用作什么呢? 

 

图七 中低高压MOSFET主要应用图注:图片来源于东微半导招股书

 

(一)主要应用端之一充电桩

 

充电桩被列入国家七大“新基建”领域之一。2020 年 5 月两会期间,《政府工作报告》中强调“建设充电桩,推广新能源汽车,激发新消费需求、助力产业升级”。公安部交通管理局公布数据显示,截至 2020 年 6 月新能源汽车保有量有417 万辆,与 2019 年年底相比增加 36 万辆,增长率达到 9.45%。伴随新能源汽车保有量的高速增长,新能源充电桩作为配套基础设施亦实现了快速增长,截止 2019 年 12月,全国充电基础设施累计数量为 121.9 万个,其中公共桩 51.6 万个,私人桩 70.3 万个,充电场站建设数量达到 3.6 万座。公共充电桩由政府机关等具有公共服务性质的机构置办,服务对象面向所有电动汽车车主。2015 年至 2019 年,全国公共充电桩的数量由 5.8 万个增长至 51.6 万个,复合年增长率达到了72.9%。

 

(二)主要应端之二5G基站

 

5G 基站建设规模2020 年 12 月 15 日在 2021 中国信通院 ICT+深度观察报告会上,工业和信息化部发言人指出,中国已累计建成 5G 基站 71.8 万个,推动共建共享 5G 基站 33 万个。2020 年 12 月 28 日,工信部部长肖亚庆在 2021 年全国工业和信息化工作会议上表示,2021 年将有序推进 5G 网络建设及应用,加快主要城市 5G 覆盖,推进共建共享,新建5G 基站 60 万个以上。

 

(三)主要应用端之三车规级应用

 

新能源汽车具有成本、效率和环保等优势。随着产业链逐步成熟、消费者认知度提高、产品多元化以及使用环境的优化和改进,新能源汽车越来越受到消费者的认可,预计未来新能源汽车的渗透率将不断提高。随着汽车电动化、智能化、网联化的变动趋势,新能源汽车对能量转换的需求不断增强,汽车电子将迎来结构性变革,推动车规级功率器件发展。在传统燃料汽车中,汽车电子主要分布于动力传动系统、车身、安全、娱乐等子系统中。对于新能源汽车而言,汽车不再使用汽油发动机、油箱或变速器,而由“三电系统”即电池、电机、电控系统取而代之。为实现能量转换及传输,新能源汽车中新增了电机控制系统DC/DC 模块、高压辅助驱动、车载充电系统 OBC、电源管理IC 等部件,其中的功率半导体含量大大增加。从半导体种类上看,汽车半导体可大致分为功率半导体(IGBT 和 MOSFET 等)、MCU、传感器及其他等元器件。根据Strategy Analytics 分析,传统燃料汽车中功率半导体芯片的占比仅为 21.0%,而纯电动汽车中功率半导体芯片的占比高达 55%。

 

四、行业护城河深浅如何呢?

 

(一)技术壁垒

 

半导体分立器件的研发生产过程涉及微电子、半导体物理、材料学、电子线路、机械力学、热力学等诸多学科,需多种学科的交叉融合,行业内企业需要综合掌握外延、微细加工、封装测试等多领域技术或工艺,并加以整合集成。因此,半导体分立器件行业属于技术密集型行业,技术门槛较高。下游产品呈现多功能化、低能耗、体积轻薄等发展趋势以及新技术、新应用领域的大量涌现,对半导体分立器件的研发生产提出了非常高的技术要求。

 

具体看,半导体分立器件中的半导体功率器件属于亚微米级产品,其设计及生产工艺要求极高;半导体功率器件的整体性能不仅与产品本身的研发设计相关,还与芯片代工和封装测试等工艺端紧密关联,是芯片研发设计和工艺实现等多项因素综合作用的结果;研发设计人员不仅需要掌握较强的研发设计能力和丰富的经验,还需要对工艺端具有深刻的理解和把握,在提出设计方案中需要包含工艺实现方案,并且能够就单项工艺问题与代工厂进行沟通确认,共同克服工艺难点。

 

近年来,半导体分立器件的设计和工艺技术发展突飞猛进。因此,企业研发设计人员一方面需持续跟踪掌握国际先进技术理论、先进工艺方法,另一方面在芯片设计环节不仅要保持分立器件在不同电流、电压、频率等应用环境下稳定工作,还需保持开关损耗、导通损耗、抗冲击能力、耐压效率维持平衡,对每一项结构参数确认均需经过大量的仿真设计和周密研究,包括刻蚀深度、刻蚀角度、沟槽表面光滑度、沟槽深宽比对器件电性能的影响、刻蚀工艺的负载效应以及后道工序中多晶硅的填充能力、掺杂浓度的均匀性、栅氧化层在器件表面均匀性等多个方面。

 

下游广泛的应用领域对半导体分立器件产品的性能和成本提出了差异化的要求,还对产品在各种应用环境甚至恶劣环境下长久可靠、高质量工作提出较高要求,因此研发设计人员需掌握不同应用领域或环境的特点,如工作电压、极限工作电流、散热环境、工作频率、寄生效应等,从而导致不同产品间的结构仿真设计、版图布局绘制、单项工艺开发以及工艺流程整合差异极大(例如20VMOSFET 器件、200V MOSFET 器件芯片结构与工艺流程差异度达到 70%以上),这些对企业差异化研发能力提出了极高的要求。因此,行业内企业需要拥有丰厚的技术、工艺经验储备并持续技术革新和创新,而且能够在短期内成功开发出多品类、适宜量产的产品,才能在市场上站稳脚步。新进企业很难在短时间内掌握先进技术,亦难以持续保持技术的先进性,这些均构成了较高的技术壁垒。其技术演进路径如下图:

 

图八 MOSFET技术演进情况图

 

(二)人才壁垒

 

半导体分立器件行业是技术密集型行业,行业的高技术门槛同时也造就了该行业的高人才门槛,企业的高素质的经营管理团队和具备持续创新力的研发团队的实力决定了企业的核心竞争力。虽然国内半导体分立器件的研究人员较多,但相当一部分人员往往缺乏对半导体分立器件尤其是先进器件产品的长期实践和经验积累,缺乏成功的实战开发经验,从理论研究到实践操作仍有很大的跨度。而且,行业内企业在产品技术升级、新产品推出、产品的售后服务上,对生产技术工人、研发技术人才和专业的营销人才有一定的依赖性,新进入企业很难在短时间内招募到足够的上述人才,这会对公司的生产效率、产品成本、交货期等产生重大不利影响。因此,半导体分立器件行业需要既懂芯片设计同时又懂生产制造工艺、器件可靠性及应用的高素质人才,这在很大程度上也提高了该行业企业的准入门槛。

 

(三)资金壁垒

 

半导体分立器件行业亦属于资本密集型行业。从行业投入设备看,外延、光刻、蚀刻、离子注入、扩散等工序所必须的高技术研发、生产加工和测试设备主要依靠向欧美、日韩等进口,价格昂贵。从研发设计看,行业内企业从购买仿真软件和版图绘制软件到光刻版制作、芯片代工到芯片成品封装测试、应用评估、可靠性考核都需要大量资金支持。从日常运营看,行业内企业一方面需要庞大的流动资金来用于芯片代工及芯片封装测试;另一方面,需要有非常齐全的产品品类来满足下游各领域的需求,保持足够的市场占有率和品牌影响力,这就要求企业保持较高的营运资金水平。另外,行业技术更新换代快,产品竞争激烈,对企业的研发投入和人才投入等也有较高的要求。综上,如果行业内新进企业没有持

 

续性高水平的资金投入,将很难与本行业内的现有企业进行竞争。

 

(四)客户认证壁垒半导体分立器件很大程度上影响下游产品的质量和性能,因此通过客户严格的认证是进入本行业开展竞争的必要条件。半导体分立器件作为电子信息产业中的一种基础性功能元器件,最终应用于规模化的下游厂商,包括消费电子、汽车电子、工业电子等。为了保证产品品质及性能的稳定性,下游客户通常对供应商有较严格的认证条件,要求供应商除了具备行业内较领先的技术、产品、服务以及稳定的量产能力外,还须通过行业内质量管理体系认证或下游客户严格的采购认证程序,一旦通过则能与客户建立起长期、稳定的合作关系。行业新进入者通过下游客户的认证需要一定的周期以及较高的条件,这对新进入者形成了较高的壁垒。

 

五、其价格、市场规模等的影响因素是什么呢?

 

(一)国家产业政策半导体分立器件行业是半导体产业的重要组成部分。发展我国半导体分立器件相关产业,提升国内半导体分立器件研发生产能力是我国成为世界半导体制造强国的必由之路。国家有关部门出台了《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等多项政策为半导体分立器件行业的发展提供了政策保障,明确了发展方向。此外,《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》等多项政策亦明确了半导体分立器件的地位和范围,提出了要重点发MOSFET等功率器件的要求。国家相关政策的出台有利于半导体分立器件行业市场规模的增长,并进一步促进了半导体分立器件行业健康、稳定和有序的发展。

 

半导体是最基础的电子器件,产业的终端应用需求面较广,因而其需求容易受到经济形势的影响。宏观经济的增长放缓或下滑等不利因素将会导致下游行业需求减少,也将导致半导体分立器件企业收入的波动。近几年,全球经济仍处在危机后调整期,地缘政治危机不断扰动全球经济。我国经济亦由高速增长向中高速增长转换,经济的结构性调整特征十分明显,半导体分立器件行业受宏观经济波动影响将日益明显。

 

(二)市场变动下游应用市场的需求变动对功率半导体行业的发展具有较大的牵引作用。近年来,受汽车电动化、工业自动化及电力清洁化进程的推进,汽车电子、工业电子、可再生能源等领域的稳步增长给功率半导体产品提供了稳定的市场需求。未来,随着国家经济结构转型升级以及 5G、AI、loT 等新兴技术的应用,5G 基站、人工智能、物联网等下游市场将进一步催生出相对可观的增量需求。此外,下游终端产品的更新换代及科技进步引致的新产品问市也为半导体功率器件的需求提供了有力支撑。

 

(三)产品自身特点

 

半导体技术最早源于欧美等发达国家,欧美日厂商经过多年发展,凭借资金、技术、客户资源、品牌等方面的积累,形成了巨大的领先优势。公司在高性能功率半导体领域深耕多年,基于多年的技术优势积累、市场推广以及优秀的客户服务能力,已成为国内领先的高性能功率半导体领域的厂商, 是少数在超级结 MOSFET 领域突破海外技术垄断的本土公司之一。借助产品及技术优势,公司的品牌知名度和市场认可度不断提高。同时,公司的下游客户群体持续扩大,其产品已进入华为、英飞源、维谛技术和麦格米特等多个高知名度客户,随着客户群体的不断扩展,公司的销售规模亦不断增长。

 

除上述因素外,MOSFET企业享受的税收优惠政策、政府补助等因素亦会对MOSFET企业的成本、收入等,从而直接对MOSFET的价格、市场规模等造成影响。

 

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