2021年国内外MOSFET行业技术发展特点及发展趋势分析

一、行业技术水平及特点

——功率半导体技术发展

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中，20世纪50年代，功率二极管、功率三极管面世并应用于工业和电力系统。20世纪60至70年代，晶闸管等半导体功率器件快速发展。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。

分立器件各代产品面世时间及技术特点

资料来源：公开资料整理，立鼎产业研究中心

——功率MOSFET的技术发展情况

随着社会电气化程度的不断提高，功率器件的性能也需要不断提高以满足更高的要求。对于功率 MOSFET 而言，技术驱动的性能提升主要包括三个方面：更高的开关频率、更高的功率密度以及更低的功耗。为了实现更高的性能指标，功率器件主要经历了工艺进步、器件结构改进与使用宽禁带材料等几个方面的演进。在制造工艺上，线宽制程从 10 微米缩减至 0.15-0.35 微米，提升了功率器件的密度、品质因数（FOM）以及开关效率。在器件结构改进方面，功率器件经历了平面（Planar）、沟槽（Trench）、超级结（Super Junction）等器件结构的变化，进一步提高了器件的功率密度和工作频率。在材料方面，新兴的第三代半导体功率器件采用了碳化硅（SiC）、氮化镓(GaN)材料，进一步提升了器件的开关特性、降低了功耗，也改善了其高温特性。

MOSFET功率器件的技术的整体演进情况如下表所示：

MOSFET功率器件的技术整体演进情况

资料来源：公开资料整理，立鼎产业研究中心

1、MOSFET结构优化。作为第一款商业化的功率MOSFET，VVMOS有电场尖峰和电流集中效应，因此VUMOS作为VVMOS的改良品应运而生。但VVMOS和VUMOS均是利用各向异性原理湿法腐蚀形成沟槽结构，工艺稳定性不佳。因此当平面型的垂直双扩散MOSFET—VDMOS发明以后，VDMOS便成为功率MOSFET的主流结构并沿用至今。

2、MOSFET技术变化：平面型与沟槽型MOS。

1）平面型：

• 电流电压与通道长，宽的大小相关，平面型MOS饱和区（线性区）特性比沟槽型好，应用于放大器、LDO和集成电源IC、高压MOSFET；

• 易于驱动，工作频率高，但芯片面积相对较大，损耗较高

2）沟槽型：

• 元件面积与电流成正比，外延层厚度与电压成正比，可以承受高电压与高电流；

• 易于驱动，工作频率高，热稳定性好，损耗低，但耐压低

3、超级结MOS（SJ-MOS）。Si-MOSFET根据制造工艺可分为平面MOSFET和超级结MOSFET。简而言之，就是在功率晶体管的范围，为超越平面结构的极限而开发的就是超级结结构。超级结结构可保持耐压的同时，降低导通电阻与栅极电荷量。超级结MOSFET与平面MOSFET相比，采用相同尺寸的芯片，超级结MOS可以实现更低的导通电阻。

超级结MOS与IGBT、SiC MOS对比

资料来源：罗姆

4、屏蔽栅功率MOSFET。屏蔽栅功率MOSFET是一种新的沟槽MOSFET工艺，它可以做到减小导通阻抗Rds(on)，却不影响栅极电荷Qg。导通阻抗Rds(on)和栅极电荷Qg中，一般总是一个减小则另一个增大，故功率MOSFET设计人员必须考虑到二者之间的权衡。此外，屏蔽栅功率MOSFET能够减小中压MOSFET中导通阻抗的关键分量——与漏源击穿电压(BVdss)有关的外延阷抗(epiresistance)。这种技术特别适用于大于100V的应用领域，如电子雾化器、充电桩、电动工具、智能机器人、无人机、移动电源、数码类锂电池保护板、多口USB充电器、电动车控制、逆变器、适配器、手机快充、PC电源、TV 电源板、UPS电源等。

二、行业技术趋势

——工艺进步、器件结构改进所带来的变化

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。

——第三代半导体材料功率器件的替代趋势

第三代半导体材料主要为碳化硅和氮化镓，具有禁带宽度大、电子迁移率高、热导率高的特点，在高温、高压、高功率和高频的领域有机会取代部分硅材料。首先，由于新能源汽车、5G等新技术的应用及需求迅速增加，第三代半导体的产业化变得更加迫切。得益于SiCMOSFET在高温下更好的表现，SiCMOSFET在汽车电控中将逐步对硅基IGBT模块进行替代。根据Yole的数据，2019年应用在新能源汽车的SiC器件市场规模为2.25亿美元，预计到2025年将增长至15.53亿美元，复合增长率为38%。第三代半导体材料仍然处于产业化起步阶段，国内已发布多个政策积极推进第三代半导体行业的发展，例如2019年国务院发布《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》，提出要加快培育一批第三代半导体企业。

——功率器件集成化趋势

除了MOSFET功率器件在结构及工艺方面的优化外，终端领域的高功率密度需求也带动了功率器件的模块化和集成化。在中大功率应用场景中，客户更倾向于使用大功率模块。由于大功率模块需要多元件电气互联，同时要考虑高温失效和散热问题，其封装工艺和结构更复杂；在小功率应用场景中，功率器件被封装到嵌入式封装模块中来提高集成度从而减小整体方案的体积。目前，工业领域仍是功率模块的主要应用领域。随着新能源汽车、5G技术的兴起，功率器件模块化趋势将愈发显著。

——12英寸MOSFET更具综合成本优势

虽然相比8英寸产线，12英寸产线设备更贵，硅片价格更高，但是在相同折旧期内，由于晶圆面积更大，并且12英寸晶圆生产产线自动化程度高于8英寸产线，使得人力成本低于8英寸产线，使得单位面积的综合成本相比8英寸反而低20%-30%，因此一般情况下12英寸MOSFET相比8英寸更具成本优势（实际情况中，大部分8英寸由于产线折旧结束导致代工成本相对更低）。

8英寸与12英寸功率器件制造成本比较

来源：英飞凌

从8到英寸升级到12英寸提升功率器件一致性，降低损耗。随着晶圆尺寸增大，特色工艺的制程一般也伴随升级，线宽降低，从8英寸晶圆到12英寸晶圆，平均线宽从91.5纳米下降到了83.9纳米。在器件结构尺寸精确度大幅提升前提下，器件静态及动态参数的一致性与性能指标也更有优势，由于制程微缩，能够加工的晶胞越多，晶胞单位密度越大，能量密度越大。结合12英寸晶圆减薄技术，MOSFET的导通电阻能减小接近40%，使热能损耗减小。