碳基材料大涨揭秘!

事件

工信部表示将把碳化硅复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划(www.Lunf.cn)。这是近期碳基材料相关个股大涨的催化剂。

性能对比

碳基材料在碳基纳米材料基础上发展,以碳纳米管(CNT)、石墨烯为代表。碳基材料具有比重小、强度高等优异性能,广泛应用于航天、航空、核能、光伏、风电、电子信息、冶金机械、轨道交通装备、工程机械等领域,是超高声速飞行器、运载火箭、新一代战机、核反应堆等重点领域不可缺少的关键材料。

ITRS研究报告曾明确指出,未来半导体行业的研究重点应聚焦于碳基电子学。制备出高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料,并在此基础上实现性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路,展现出碳管电子学的优势,碳基半导体被认为是后摩尔时代的颠覆性技术之一,碳基材料领域正蕴藏着全新机遇。

相比硅基晶体管,碳纳米管晶体管具有5~10倍的速度和能耗优势,适合用于高端电子学应用、高频器件应用、光通讯电路应用、柔性薄膜电子学应用。基于硅基材料的半导体芯片,极限制程只能在2nm到1.5nm。而基于“碳基”为原材料的半导体芯片,其制程可以在1nm以下。可以简单理解为,基于碳基材料的芯片,可以做得更小、性能更高、能耗更低。同规格的碳基芯片综合性能最大可以是硅基芯片的10倍。比如90nm的碳基芯片,其性能或将等同于28nm硅基芯片。用碳纳米管做的晶体管,它的电子迁移率可以是硅的1000倍,通俗来说就是碳材料里面电子的群众基础更好。再比如,碳纳米管里面的电子自由程特别长,通俗的理解就是电子的活动更自由,不容易摩擦发热。由于这些底层的优点,用碳来做晶体管,甚至不用像硅晶体管那么小,就可以取得同等水平的性能。

未来第六代通信技术要求射频器件和电路的吞吐量、传输速度和集成度具有全方位、大幅度的提升,实现射频/数字单片混合集成芯片是最有吸引力的解决方案。特别是在90 GHz以上工作频段,硅基CMOS晶体管噪声太大,无法满足射频电路需要,化合物半导体器件技术无法满足大规模数字集成电路的需求,因此需要新的原理、新的材料、新的器件结构架构来推动通信技术的进一步发展。半导体碳纳米管具有超高载流子迁移率和饱和速度、优异的本征线性度等电学特征,并且本征尺寸小、化学稳定性高、导热性好、机械强度高,在数字集成电路和射频电路领域都具有巨大潜力,具备构建射频/数字电路SOC系统集成平台的优势,有望为未来6G通信技术提供理想的核心芯片技术。

我国的技术优势

碳基半导体技术的研究,我国与世界各国基本上同步开始。我国在碳基半导体材料制备方面领先全球,为我国在下一代芯片制造技术领域赢得了宝贵的领先地位。

随着芯片制造工艺逼近2nm,传统的硅基芯片材料的潜力已基本被挖掘殆尽,无法满足行业未来进一步发展的需要,启用新材料是公认的从根本上解决芯片性能问题的出路。据碳基材料领军人彭练矛指出,碳纳米管拥有完美的结构、超薄的导电通道、极高的载流子迁移率和稳定性,未来有望取代传统的硅基集成电路技术。面向后摩尔时代,彭练矛团队经过近二十年的努力,现已基本解决ITRS提出的碳纳米管5+挑战,实现了整套的碳纳米管集成电路和光电器件制备技术。同时团队也在碳纳米管的无掺杂技术研究方面取得重大突破,使得我国在碳基芯片的基础研究方面迈入全球发展前列。未来碳基技术有望全方位影响现有半导体产业格局,通过发展碳基芯片,实现中国芯的弯道超车。现有研究已经从科学和技术角度,证明碳基集成电路拥有超越硅基的无限潜力,亟待解决的则是产业领域的工程性问题,实现技术的落地与实用化。

北京大学电子系碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授-彭练矛教授联合课题组通过改进提纯和双液相自组装沉积方法,制备了适合射频应用的半导体阵列碳纳米管材料,并在此基础上首次实现了有望在太赫兹频段工作的射频晶体管和高性能放大器,充分展现了碳管在射频电子学上的优势和潜力。

碳基材料之碳化硅

作为第三代半导体材料的典型代表,SiC具有宽禁带、高击穿电场、高热导率、高电子迁移率及更高的抗辐射能力,是高温、高频、高压、大功率以及耐辐射应用场合下极为理想的半导体材料。此外,由于SiC功率器件可显著降低电子设备的能耗,可使新能源汽车的系统效率更高、重量更轻及结构更加紧密,有助于节省成本以及续航里程的提升。

认为随着技术成熟及供应商产能扩张,SiC成本有望实现快速下降,SiC将在未来五年时间内从电控、车载充电机、DC/DC、快充桩等多个应用场景对Si-MOSFET/Si-IGBT形成规模替代。中金测算,2025年仅中国新能源车及充电桩对于SiC的产能需求超100万片6寸晶圆,器件市场规模超过60亿元,为本土企业发展提供了广阔的成长空间。

Yole预测,2023年起,SiC功率半导体全年产值年增幅将超过4成,2025年SiC功率半导体产值更可达32亿美元。其中,SiC在电动汽车领域的应用将以38%的年复合率增长,到2025年将超过15亿美元。全球SiC衬底、器件厂商对市场预期积极,如Cree预计SiC衬底、SiC功率器件2024年市场规模分别可达11亿、50亿美元,2018-2024年复合增速达44.47%、51.11%;II-VI(贰陆公司)更是预计2030年SiC市场规模将超300亿美元,2020~2030年复合增速高达50.60%。

相关公司

金博股份:国内领先的碳基复合材料小巨人(去年12月交流会案例)。公司主业聚焦于先进碳基复合材料及产品,主要产品包括坩埚、导流筒、保温筒、加热器等,均为光伏行业长晶炉热场系统的关键部件。其中公司坩埚、导流筒全球市占率超30%,保温筒、加热器随碳基复合材料渗透率提升市占率还有较大增长空间,受益于下游光伏行业扩产。

楚江新材:国内最大的碳/碳,碳/碳化硅复合材料用预制件科研生产基地,军品领域处于垄断地位。公司在碳化硅单晶方面主要从事SiC单晶中的高纯C粉的研制,目前已能实现小批量生产,且关键技术指标满足制备第三代半导体——碳化硅单晶的要求,掌握了将5N及以下的C粉提纯到6N及以上,各项关键指标满足高性能碳化硅单晶原料生产的需要,其设备与工艺技术处于国内领先水平。

银龙股份:控股子公司碳基研究院目前正与相关单位合作推进时速300-350公里高铁粉末合金制动系统的合作和时速400公里以上的碳基高铁刹车等项目。

英唐智控:通过参股上海芯石以及设立新公司,英唐智控将迅速切入功率半导体尤其是碳化硅功率半导体芯片市场,通过上海芯石提供设计、新设立公司配套生产,建立起围绕硅基、碳化硅为基础的模拟电路、大功率器件等半导体芯片设计及生产制造的完整产业链条。

派瑞股份:招股说明书披露公司将通过首次公开发行股票募集资金建立具有小批量一定中试能力的碳化硅基器件研发实验中心,以满足新产品的研发和中试供应市场。

边惠宗

证券市场红周刊编辑、曾任红周刊高端投资交易期刊《卓越财富特刊》主编、《操盘手特战专刊》首席主编、《股市嘚吧嘚》直播栏目特邀分析嘉宾。出版《操盘心髓》交易员必备丛书;vgold技战体系创始人,擅长技术分析和系统化交易,长期从事期货、股票交易,A股投资经验丰富。擅长大资金管理和实操,业绩卓越。

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