第三代半导体热潮中的仪器设备机遇

近日，第三代半导体概念股板块大涨，又为中国半导体行业的热潮中掀起新的高潮！

今年5月刘鹤主持召开会议，讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。作为半导体领域的新秀，第三代半导体被寄予厚望，甚至被写入“十四五”规划中。在“十四五”规划中，特别提出碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体也就是行业人士关注的第三代半导体要取得发展。近日，业界热议，为实现中国半导体自立自强计划，国家将制定一系列相关金融和政策扶持措施，投入万亿美元的政府资金以支持一系列第三代芯片项目。

国际上第三代半导体产业同样刚刚起步，我国在这一领域与国际先进水平差距较小。随着国家级别的政策和资金的海量支持，将避免重蹈第一代半导体的覆辙，有望奋起直追达到甚至超越国际先进水平。一石激起千层浪，第三代半导体究竟有何“魅力”竟如此受到关注，仪器设备行业又有哪些机会呢？

第三代半导体材料引领的新赛道

第三代半导体材料主要是以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)为代表的宽禁带半导体材料。

与第一、二代半导体材料相比，第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率及更高的抗辐射能力，更适合于制作高温、高频、抗辐射及大功率器件，通常又被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.3eV)，亦被称为高温半导体材料。

从目前第三代半导体材料及器件的研究来看，较为成熟的第三代半导体材料是碳化硅和氮化镓，而氧化锌、金刚石、氮化铝等第三代半导体材料的研究尚属起步阶段。碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)，被行业称为第三代半导体材料的双雄。

基于第三代半导体的优良特性，其在通信、汽车、高铁、卫星通信、航空航天等应用场景中颇具优势。其中，碳化硅、氮化镓的研究和发展较为成熟。以SiC为核心的功率半导体，是新能源汽车充电桩、轨道交通系统等公共交通领域的基础性控件；射频半导体以GaN为原材料，是支撑5G基站建设的核心；第三代半导体在消费电子、工业新能源以及人工智能为代表的未来新领域，发挥着重要的基础作用。近年来，随着新能源汽车的兴起，碳化硅IGBT器件逐渐被应用于超级快充，展现出了强大的市场潜力，第三代半导体发展进入快车道。

《2020“新基建”风口下第三代半导体应用发展与投资价值白皮书》中指出，2019年我国第三代半导体市场规模近百亿，在2019-2022年里将保持85%及以上平均增长速度，预计到2022年市场规模将超越623.42亿元。

受益的产业链上下游

作为“十四五”规划的重要组成部分，未来第三代半导体产业将获得巨大的资金投入，上下游产业链将持续受益。未来可能的支持手段包括直接的资金注入和相关的政策扶持，税收优惠政策等。

此前国家已先后印发了《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019版)》、《能源技术创新“十三五”规划》等政策，将SiC、GaN和AlN等第三代半导体材料纳入重点新材料目录，鼓励和支持SiC等第三代半导体材料相关的技术突破和制造。

宽禁带半导体晶片和器件的制备基本工艺流程同硅基半导体基本一致，大致可分为以下几个阶段：晶体生长、晶片加工、器件制备（包括有源层制备、欧姆接触、钝化层沉积等工艺段）、器件封装等。近年来，国内相关产业链进展神速，英诺赛科苏州8英寸硅基GaN产线规模量产；山西烁科晶体有限公司已实现了5G芯片衬底材料碳化硅的国产自主供应。

碳化硅产业链结构图

随着相关产业链的不断建设和工艺技术的不断研发，仪器设备将持续受益。相关的仪器设备主要包括第三代半导体材料检测仪器、材料生长设备、制造工艺设备和封装测试设备。

第三代半导体企业在行动

目前国内第三代半导体材料产业从数量上来看已具备一定规模，初步形成了一个较为完整的产业链。而伴随着近年来的投资热潮，各地项目不断上马，众多企业布局第三代半导体。

河源市东源县与华润水泥控股有限公司举行高纯石英和碳化硅单晶硅一体化硅产业项目签约仪式。该项目计划总投资180亿元人民币，预计建成达产年产值达200亿元。

6月5日，英诺赛科(苏州)半导体举行“8英寸硅基氮化镓芯片生产线一期第一阶段产能扩展建设项目”签约仪式，宣布英诺赛科一期项目正式开启大规模量产。预计全面达产后，8英寸硅基氮化镓晶圆可实现年产能78万片，将成为世界级集设计、制造、封装测试等为一体的第三代半导体全产业链研发生产平台。

露笑科技在互动者平台透露在第三代半导体碳化硅的技术方面取得突破，目前设备进入安装调试阶段。该项目总投资100亿元，分三期进行。着力打造第三代功率半导体(碳化硅)的设备制造、长晶生产、衬底加工、外延制作等产业链的研发和生产基地。

4月1日，赛微电子与青州市人民政府就在青州市建设6-8英寸硅基氮化镓功率器件半导体制造项目签署了《合作协议》。项目总投资10亿元，分两期进行。建成投产后将形成6-8英寸GaN芯片晶圆12,000片/月的生产能力，为全球GaN产品提供成熟的技术支持和产能保障。

此前，华瑞微半导体IDM芯片项目于2020年10月开工奠基，今年3月，南谯区人民政府发布消息称，项目一期将于年底正式投产。据悉，该项目总投资30亿元，集研发、生产、销售功率半导体芯片为一体，建设SiC MOSFET生产线。项目建成后，预计实现年产1000片第三代化合物半导体器件的生产能力。

国内市场空间广阔，企业布局奋起直追。相关数据显示，近几年国内布局第三代半导体产业的企业超过百家。自缺芯卡脖子困境后，我国已意识到构建半导体的自有产业链的必要性。从市场需求、国家政策来看，越来越多的厂商入局第三代半导体产业是大势所趋。随着国内第三代半导体产业的不断扩大，相关仪器设备采购也将迎来热潮。

那些有望获益的仪器

第三代半导体器件的生产离不开检测，以碳化硅功率器件的生产为例，只有通过对各个生产环节的检测才能不断提高良率和工艺水平。碳化硅的检测主要包括衬底检测、外延片检测、器件工艺、点穴参数、可靠性分析和失效分析。

除了以上这些检测项目对应的仪器外，第三代半导体制造也离不开半导体设备，碳化硅产业链更是如此，其涉及的设备种类繁多。碳化硅的很多工艺段设备可以与硅基半导体工艺兼容，但由于宽禁带半导体材料熔点较高、硬度较大、热导率较高、键能较强的特殊性质，使得部分工艺段需要使用专用设备、部分需要在硅设备基础上加以改进。相关工艺及半导体制造设备如下，