MOSFET特性、種類與制造過程

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|詳解中國MOSFET市場

半導體逆全球化發(fā)展趨勢明顯，成熟制程芯片國產(chǎn)替代迎來難得的窗口期。又逢能源改革和國產(chǎn)電動汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展的歷史機遇，以MOSFET為代表的功率器件將率先開啟國產(chǎn)替代加速的進程。預計至2026年MOSFET國產(chǎn)替代比例將超過60%。

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MOSFET器件是功率器件市場第一大產(chǎn)品類型

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現(xiàn)代生活的方方面面都離不開功率器件，有電的地方就有功率器件。功率器件種類很多，包括MOSFET、IGBT、BJT、晶閘管等多種類型，近年來SiC、GaN基MOSFET產(chǎn)品也憑借高壓、高頻的特性優(yōu)勢，在汽車和快充市場得到了零星應用。

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不同功率分立器件特性各不相同，應用場景差異明顯，相互之間難以替代，都屬于長生命周期的芯片產(chǎn)品，其中二極管從半導體誕生之初一直使用至今天，依然具有可觀的市場份額。

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受產(chǎn)能緊缺影響，全球芯片市場大幅漲價，疊加電動汽車逆勢大增，2021年全球功率分立器件市場規(guī)模達到空前的266億美元。

全球功率市場中，MOSFET是市場份額最大的功率產(chǎn)品，市場規(guī)模達到113億美元，占比達到42.6%，其次是IGBT和功率二極管，三者占據(jù)了90%以上的功率器件市場。

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MOSFET特性、種類與制造過程

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工作原理：MOSFET是一種全控制型半導體功率分立器件，通過柵極電壓的變化來控制輸出電流的大小，并實現(xiàn)開通和關斷。常用產(chǎn)品種類非常多，按載流子類型可分為N型和P型MOSFET兩大類。按溝道形成方式可分為增強型和耗盡型MOSFET兩種，增強型MOSFET是主要產(chǎn)品類型。具有輸入阻抗大、導通電阻小、功耗低、漏電小、工作頻率高，工藝基本成熟，成本低的特點。MOSFET應用領域非常廣，主要使用在電源和驅(qū)動控制兩類電子產(chǎn)品中。

按照溝道結構劃分，可以將目前的MOSFET功率器件分為平面型、溝槽型和超結型三類。

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結構上的改動，使它們的性能各有優(yōu)勢，并且適用的電壓也有明顯差異。

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平面型憑借其工藝簡單、參數(shù)易調(diào)節(jié)、高可靠性和電壓覆蓋范圍廣的特點在眾多領域都獲得了應用。

溝槽型由于尺寸小和能耗低的特點，在250V以下的消費電子中獲得了大量的應用。

超結型依賴同等尺寸耐壓更高和能耗低的特點在500-900V的高壓領域獲得了一定的市場份額。

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MOSFET器件的制造過程是最典型的，也是相對比較簡單的。從襯底生產(chǎn)，到外延層生長，再到芯片制造，最后進行封裝測試，如此就完成了一整套的MOSFET芯片制造過程。功率器件具有技術密集型特點，對芯片設計、工藝流片、封裝測試、可靠性測試要求較高，研發(fā)周期長。

功率器件的發(fā)展比較成熟，已經(jīng)多年沒有理論創(chuàng)新，國內(nèi)企業(yè)與國際頭部企業(yè)之間的差距正在逐漸縮小。MOSFET器件尤其明顯，技術和結構相對已經(jīng)固化，國內(nèi)企業(yè)也深耕了多年，經(jīng)驗積累充足。因此，未來幾年以MOSFET為代表的功率器件國產(chǎn)化率將大幅提升，提升幅度領先于大多數(shù)半導體產(chǎn)品。

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終端市場及趨勢

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2021年全球MOSFET市場規(guī)模首次突破100億美元，達到113.2億美元，增長速度達到33.6%；同期國內(nèi)市場為46.6億美元，增長速度達到37.9%，高于全球水平，主要原因是國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展帶來了新的產(chǎn)品應用場景。

未來幾年（2022-2026年），全球MOSFET市場還將持續(xù)增長，2023年增長率回落到3.3%之后緩慢反彈，至2026年市場規(guī)模將達到160.6億美元。同期，國內(nèi)MOSFET市場增長將略高于全球，至2026年國內(nèi)市場規(guī)模達到69.5億美元。隨著國內(nèi)MOSFET市場的持續(xù)快速增長，中國市場在全球市場的占比也將持續(xù)提升，從2021年的41.2%提升至43.3%。

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汽車（含充電樁）、工業(yè)、消費（含家電）和通信市場是MOSFET最主要的四個應用細分市場。2021年受缺芯和漲價影響，各個細分市場漲幅均超過25%，其中汽車類MOSFET市場增長達到56.7%。

未來幾年，汽車市場在四個細分市場中增速會長期處于領跑位置，主要是受國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展帶動。

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細分產(chǎn)品市場及趨勢

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2021年平面型、溝槽型和超結型市場份額分別為44.6%、40.8%和14.6%。從市場規(guī)?？矗矫嫘?、溝槽型和超結型MOSFET市場都將持續(xù)增長。主要原因是受互聯(lián)網(wǎng)和電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展影響，更多產(chǎn)品向電子終端發(fā)展，最典型案例是汽車走向電動化、網(wǎng)聯(lián)化和智能化，成為單體使用芯片最多的終端之一。

從在MOSFET市場中的比重看，在雙碳經(jīng)濟和交流變直流的需求變化趨勢下，市場對高壓MOSFET需求將持續(xù)增加，平面型和超結型市場將受益，市場份額將持續(xù)增加。受消費電子市場低迷拖累，溝槽型MOSFET市場漲幅不及平面型和超結型，導致市場份額由2021年的40.8%逐漸下降至2026年的35.7%。

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2021年中低壓、高壓和超高壓市場份額分別為63.1%、26.4%和10.5%，中低壓市場占據(jù)較大市場份額。從市場規(guī)模看，未來幾年中低壓、高壓和超高壓MOSFET市場都將持續(xù)增長。

從在MOSFET市場中的比重看，市場對高壓、超高壓MOSFET需求將持續(xù)增加，兩者份額將持續(xù)提升。中低壓MOSFET漲幅不及高壓和超高壓，導致市場份額由2021年的63.1%逐漸下降至2026年的53.8%。

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前面提到平面型MOSFET是參數(shù)易調(diào)節(jié)并且應用較為廣泛的一類產(chǎn)品，工作電壓可以覆蓋中低壓、高壓和超高壓。2021年，在平面型MOSFET市場中，中低壓產(chǎn)品市場占比50%，高壓和超高壓分別占比34.6%和15.7%。從占比發(fā)展趨勢看，中低壓市場的份額在下降，高壓和超高壓市場份額在上升，與MOSFET整體市場一致。

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不同電壓段各個結構市場份額

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2021年，中低壓段、高壓段和超高壓段不同結構之間的產(chǎn)品比例如圖。這一比例在未來幾年基本保持不變。

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國產(chǎn)化替代進程

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2021年，中國MOSFET市場規(guī)模達到46.6億美元，國產(chǎn)化率達到30.5%。預計隨著國產(chǎn)替代加速，至2026年MOSFET的國產(chǎn)化率將達到64.5%。

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從結構上看，平面型和溝槽型的國產(chǎn)化率高于超結型，至2026年三者的國產(chǎn)化率分別達到68.7%、66.6%和47.9%，相比2021年均提升了30%左右。

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從電壓段看，中低壓段的國產(chǎn)替代領先于高壓和超高壓市場，至2026年三者分別達到82.7%、46.2%和21.5%，其中中低壓、高壓的國產(chǎn)化率相比2021年提升較大，分別提升46.9%、23.3%，而超高壓國產(chǎn)化率僅提升了6.3%。

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2021年平面型MOSFET市場，中低壓、高壓和超高壓的國產(chǎn)化率分別達到42.2%、29.9%和18.2%。預計到2026年，中低壓、高壓和超高壓的國產(chǎn)化率將分別提升至85%，67.4%和44.4%。

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國產(chǎn)替代痛點

1.國內(nèi)企業(yè)平面MOSFET以VDMOS為主，缺乏高元胞密度的低功耗功率產(chǎn)品。熱門超結器件國內(nèi)尚處于研發(fā)階段。

2.國內(nèi)廠商在高壓、超高壓MOSFET的效率、性能、可靠性、高低壓兼容性方面與英飛凌等頭部企業(yè)還有較大差距。

3.國內(nèi)缺少真正意義上的車規(guī)級的MOSFET器件，導致這一現(xiàn)狀的其中一個原因是車企不驗證、不支持、只想直接使用通過驗證的芯片。

4.國內(nèi)大多數(shù)MOSFET企業(yè)的規(guī)模都比較小，參與全球化競爭不充分，抗市場波動能力弱。

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主要玩家

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目前國內(nèi)MOSFET市場中，英飛凌依靠全面的產(chǎn)品布局，依然占據(jù)著20%以上的市場。在前十大廠商中，已有4家國內(nèi)企業(yè)上榜，基本形成破局之勢。

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國內(nèi)知名MOSFET器件廠商有近百家，其中億元規(guī)模以上企業(yè)有21家。從電壓段來看，21家企業(yè)基本都有中低壓MOSFET，而具有1000V以上超高壓MOSFET技術的公司較少，并且高壓產(chǎn)品種類都比較少。

這21家功率MOSFET器件廠商可以分為Fabless和IDM兩類，其中Fabless企業(yè)12家，IDM企業(yè)9家。從遠期發(fā)展看，功率器件需要在特定產(chǎn)線上深鑿工藝，不宜輕易更換晶圓產(chǎn)線，因此企業(yè)上規(guī)模以后，需要考慮向IDM模式發(fā)展。由于功率器件不依賴先進制程，因此新建功率產(chǎn)線的投入相對IC芯片產(chǎn)線小很多。

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晶圓產(chǎn)能是芯片企業(yè)生存與發(fā)展的根基。國內(nèi)目前具有功率器件代工的晶圓產(chǎn)線主要有華虹宏力半導體、上海積塔半導體、紹興中芯等8條產(chǎn)線，總的現(xiàn)有產(chǎn)能約36.75萬片/月（折合8吋），總的規(guī)劃產(chǎn)能超過54.66萬片/月（折合8吋）。同時晶圓廠產(chǎn)能還會根據(jù)實際需求進行調(diào)整，因此產(chǎn)能方面基本可以滿足國內(nèi)Fabless未來幾年的需求。

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三大增長動力

（1）中國“新基建”將推動功率半導體產(chǎn)業(yè)長期成長

2020年3月，中央政治局常委會會議決定，國家將大力推進“新型基礎設施建設”（即新基建），主要包括5G基建、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數(shù)據(jù)中心、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等7大領域。

受疫情影響，2022年上半年我國GDP增長回落至2.5%，Q2僅增長0.4%，穩(wěn)增長壓力比較大。在第十一次中央財經(jīng)委員會會議上提出研究全面加強基礎設施建設，要加強交通、能源、水利等網(wǎng)絡型基礎設施建設，把聯(lián)網(wǎng)、補網(wǎng)、強鏈作為建設的重點，著力提升網(wǎng)絡效益。

5G基礎設施：到2025年，投資規(guī)?？傆嫾s在2-2.5萬億，累計帶動投資規(guī)?；虺?.5萬億；

特高壓：待建特高壓工程共16條，明確投資規(guī)模的有7條，總投資為1128億元，平均每條線路161億元。

高鐵、城際軌交：2020年擬通車線路14條，其中專線250和專線350各7條，總里程為3696公里，總投資規(guī)模為6207億元。

充電樁：2025年充電樁規(guī)模約為770億元-1290億元，2020-2025年復合增長率為40%-48.8%，2020-2025年充電樁新增投資規(guī)模為700-1100億元。

AI：到2025年，AI技術和平臺相關的累計投資將高達2000億元，其中AI芯片投資達800億元，機器視覺投資達250億元，相應的云平臺、數(shù)據(jù)服務、OS投資達1000億元。2022年，國家啟動“東數(shù)西算”工程，在全國布局了8個算力樞紐，這將大力推動數(shù)據(jù)中心建設。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：預計2020-2025年新增投資合計為6000億-7000億元。

總的來說，新基建新增投資合計規(guī)模為6.9萬億-10.3萬億元。（2）能源革命和電動汽車產(chǎn)業(yè)將引領功率市場快速增長

全球長期依賴石油、煤炭、天然氣等化石燃料作為主要能源獲取方式。近年來石油、天然氣價格不斷上漲，全球運輸通道安全性持續(xù)下降，導致歐洲、中國、日本等國，都在加速水能、風能、太陽能、潮汐能等可再生能源的利用。新能源發(fā)電的建網(wǎng)、組網(wǎng)、并網(wǎng)、傳輸、儲存、管理都需要使用大量的功率分立器件。

近年來全球電動汽車市場高速發(fā)展，尤其是我國電動汽車市場2021年銷售650萬輛，相比2020年增長100%。預計至2026年我國新銷售新能源車將達到2400萬輛，市場滲透率將超過85%，2021-2026年復合增長率超過40%。電動汽車將從車用功率芯片、充電頭、充電樁、電能需求增長等多個方面刺激功率芯片市場快速增長。

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為了推進新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，2022年5月31日，工信部、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、商務部、國家能源局等四部門印發(fā)《關于開展2022新能源汽車下鄉(xiāng)活動的通知》，將于當年在山西、吉林、江蘇、浙江、河南、山東、四川等地，選擇三四線城市、縣區(qū)舉辦若干場專場、巡展、企業(yè)活動。新能源汽車將迎來一輪快速增長。

（3）國際局勢將推動功率器件國產(chǎn)替代加速

2019年5月16日，美國制裁華為事件以來，半導體的全球化、分工化和合作化發(fā)展方式受到巨大沖擊。國產(chǎn)替代被提上企業(yè)發(fā)展日程。

隨著2022年8月9日，美國《芯片與科學法案》通過，半導體將向多區(qū)域化、多生態(tài)化、競爭化格局發(fā)展。由此，我國未來幾年以MOSFET功率器件為代表的成熟制程的半導體芯片國產(chǎn)化率將快速提升。

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發(fā)展建議

高壓、高可靠性MOSFET市場將是附加值最高的領域，國內(nèi)廠商需要盡早布局這一市場。

MOSFET廠商過多，中低壓市場低端內(nèi)卷的情況不可避免，產(chǎn)業(yè)需要進行適當?shù)恼?，形成一定的產(chǎn)品體系、行業(yè)標準和信息共享渠道。

關注車規(guī)級MOSFET市場需求，提升汽車電子中MOSFET器件的國產(chǎn)化比例。有利于國內(nèi)企業(yè)向高端應用市場發(fā)展，增長企業(yè)競爭力的同時也可以為國產(chǎn)新能源汽車發(fā)展提供具有性價比和供應穩(wěn)定的功率芯片。

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觀點總結

受能源改革和新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展影響，以MOSFET為代表的功率器件市場在未來幾年將保持穩(wěn)定快速增長。國內(nèi)MOSFET市場將從2021年的46.6億美元增長到2026年的69.5億美元。

MOSFET國產(chǎn)化進程已經(jīng)開啟，未來5年（2022-2026年），國產(chǎn)化率將由30.5%提升至64.5%。結構上看，平面型、溝槽型和超結型MOSFET的國產(chǎn)化率都有提升顯著。但是從電壓段看，中低壓MOSFET國產(chǎn)化率提升顯著，而超高壓MOSFET方面國產(chǎn)化率提升較小。

國內(nèi)廠商已經(jīng)具備了一定的競爭力，破局之勢已經(jīng)形成，未來幾年將是國內(nèi)廠商快速發(fā)展的窗口期，有實力的企業(yè)要向高壓、超高壓、車規(guī)級功率芯片市場發(fā)展。并在規(guī)模達到較大情況下，考慮自建產(chǎn)線，加快產(chǎn)品迭代。

“新基建”、能源改革與電動汽車將推動國內(nèi)功率半導體產(chǎn)業(yè)長期、快速、穩(wěn)定成長。半導體產(chǎn)業(yè)逆全球化趨勢發(fā)展將為國內(nèi)企業(yè)發(fā)展提供廣闊的國產(chǎn)替代空間?！　?/p>