首页 > 科技快讯 > 两个元素，撬动半导体全球化

两个元素，撬动半导体全球化

晰数塔互联网快讯
2023-07-07 12:16

本文来自微信公众号：半导体行业观察（ID：icbank），作者：邵逸琦，题图来自：视觉中国（2英寸氧化镓晶圆）

谁能想到，周期表上的两个金属元素在一夜时间成为了大家热议的话题呢？

7月3日，商务部、海关总署发布《关于对镓、锗相关物项实施出口管制的公告》（以下简称《公告》），其中指出，根据《中华人民共和国出口管制法》《中华人民共和国对外贸易法》《中华人民共和国海关法》有关规定，为维护国家安全和利益，经国务院批准，决定对镓、锗相关物项实施出口管制，满足相关特性的物项，未经许可，不得出口，该公告自2023年8月1日起正式实施。

这两种物质都有什么用呢？目前，镓的消费领域包括半导体和光电材料、太阳能电池、合金、医疗器械、磁性材料等，其中半导体行业目前是镓最大的消费领域，约占总消费量的80%，而锗作为同样重要的半导体材料，在半导体、航空航天测控、核物理探测、光纤通讯、红外光学、太阳能电池、化学催化剂、生物医学等领域都有广泛而重要的应用。

可以说，镓和锗两种金属在半导体行业中有着不可或缺的作用，虽然二者都不是稀土元素，产量也不高，但第一生产大国都是中国，根据美国地质调查局的报告，中国是全球最大的镓和锗生产国，占全球镓产量的95%以上、锗产量的67%以上，在2018年至2021年间，美国53%的镓进口和54%的锗进口来自中国。

事实上，美国虽然镓的储量较低，但锗的储量并不低，目前全球锗已探明的总储备量约8000吨，美国占3800吨，位列世界第一，而镓在世界范围内也有不少分布

很多人心里可能会有这样的疑虑：国家发布对镓、锗相关物项的出口管制后，包括美国在内的其他国家也可以选择自己生产这两种金属，摆脱对中国材料的依赖。

这样的想法倒也不能说错，但镓和锗并不能用这样简单的思路去揣测，它们背后的门道，并不比台积电生产一块4nm芯片简单多少。

不可或缺的材料

首先需要说明的是，镓和锗同属于稀散金属，这类金属以地壳丰度极低，在岩石中极为分散，难以富集为特征，有观点甚至认为它们不能形成“独立矿床”，这些特征也决定了它们富集成矿需要特殊的成矿条件及控制因素，其成矿理论、找矿模型和勘查技术并不完全等同于其他类型矿床。

而镓虽然是地壳丰度最高的稀散金属（15μg/g），但可独立矿物却是最少的，仅在南非Tsumeb铅锌矿床中发现硫镓铜矿（CuGaS2）和羟镓石（Ga(0H)3）两种独立矿物，绝大多数都以伴生金属的形式存在，目前探明的绝大部分镓都伴生在铝土矿床中，主要分布在非洲、大洋洲、南美洲、亚洲等地。

20世纪60年代初，金属镓开始引起各国的注意。砷化镓作为一种新型优质半导体的研究热兴起，随着砷化镓化合物用作半导体材料的优异性能不断被发现，砷化镓也被广泛应用到微波器件、激光器和发光二极管等产品中。

镓相关产品中，氮化镓（GaN）是最具代表性的第三代半导体材料之一，是目前世界上最先进的半导体材料，而砷化镓（GaAs）则是第二代半导体材料的代表，在高频、高速、高温及抗辐照等微电子器件研制中占有主要地位。

细分国家产量来看，中国镓产量全球最高。德国和哈萨克斯坦分别于2016年和2013年停止了镓生产（2021年德国宣布将在年底前重启初级镓生产），匈牙利和乌克兰分别于2015年和2019年停止镓生产。2020年全球从矿山原料中生产粗镓的国镓仅有三个，分别为中国、日本、韩国和俄罗斯，中国作为全球最大的粗镓生产国，截止2021年的全球产量占比已超90%。

前面提到，镓主要作为铝土矿的伴生矿而存在，这也就导致了大家不会去单独生产镓，而是在炼制氧化铝中顺势精炼出来的副产品，统计数据显示，中国生产的精炼氧化铝仅占全球的一半左右，那为什么在粗镓生产上，中国能用50%的产能做到一枝独秀呢？

原因倒是很简单，不赚钱的赔本买卖没人做，在镓的价值得以发掘后，市场中的粗镓价格就一直在稳步下降中，这就导致了很少有氧化铝企业愿意去扩产来精炼镓。20世纪70年代，镓的售价高达每千克3000美元，镓的产量在2015年达到了575吨的历史峰值，但价格却仅为每千克200~300美元，此后连续几年的低价已经让一大堆欧美的氧化铝企业撤出了市场。

这也带来了一个问题，短期内的镓价格上升，根本无法吸引那些企业重新开设精炼镓的工厂，因为建厂的成本远超过这部分差价，万一建完厂之后价格再跌下去，这部分激情开厂的企业到时候就欲哭无泪了。

当然了，国家下场干预也是解决思路的一种。今年3月9日，美国与欧盟正在推进一项以关键矿产为重点的贸易协议的起草工作，即“关键矿产俱乐部”的倡议，其目的就是排除中国对关键矿产供应的影响。

不过镓受到出口限制，最该着急的不是美国和欧盟，而是隔海相望的日本，由于日本半导体产业发达，年消费量涨幅较大，是镓资源的第一消费大国，截至2013年，日本消耗的镓达到了97吨，主要依赖进口和再生镓（镓资源回收），而进口的主要来源当然就是中国。

就目前情况来看，精炼技术和精炼设施并非一朝一夕就能构建，有现成的镓可以买到，谁也不愿再去花大力气亏本开采，大规模现货只有向中国购买这一条路可走，美国、欧盟和日本都未能免俗。

再来说说锗，它相较于镓来说，又有一些细节上的不同，锗在地壳中含量1.5μg/g，也很难独立成矿，一般以分散状态分布于其他元素组成的矿物中。含锗矿床可分为“煤型”含锗矿床和“铅锌型”含锗矿床，因此工业锗主要来自铅锌矿床和富锗煤的副产品。

目前全球已探明的锗储量仅为8600吨，主要分布在中国、美国和俄罗斯，其中美国保有储量为3870吨，占全球含量的45%，其次是中国，占全球的41%。美国含锗矿床主要分布在阿拉斯加、田纳西州和华盛顿州，以铅锌矿床为主；我国含锗矿床主要在内蒙古和云南，在铅锌矿床和煤矿中均有；俄罗斯含锗矿床主要分布在远东和西伯利亚，以煤矿为主。

依据锗的特性，主要发展出了三方面的用途：首先，锗具有红外折射率高、红外透过波段范围宽、吸收系数小、色散率低、易加工和耐腐蚀等特点，非常适合制作成锗单晶用于红外光学镜头和红外光学窗口。

其次，掺锗光纤具有容量大、光损小、色散低、传输距离长且不受环境干扰等优良特性，GeCl4作为制作光纤预制棒的重要掺杂剂，能够提高纤芯折射率，使传输光向更长的波长区扩展，极大地提高了光纤传输效率，减少了能耗。

最后，锗也能用于制作成锗衬底砷化镓太阳能电池，这类电池具有高效率、高电压、耐温性好等特点，其能量转化率高达50%，远远超过了传统的多晶硅（17%~19%）和薄膜电池（6%~13%），被广泛地应用于空间光伏和地面光伏领域。

如前文所说，和镓不同，中国的锗矿储量，并没有压倒性的优势，美国已探明的锗储量位居世界第一，但在产量上却远不及中国，美国在2013年就开始大量进口锗矿，基本放弃了粗锗的开采，只负责精炼加工。

很多人觉得，这是美国在保护自己的战略性资源，实则不然。

美国虽然是全球最大的锗储量国，但它的锗资源以与铅锌矿伴生为主，锗能生产多少，全看铅锌矿的产量，想要提升锗矿的产能，就得大肆开采铅锌矿，而铅和锌作为重金属，开采起来的污染不小，骤然大幅提升产能，可能还会对地下水造成污染。

而我国的锗主要来自于含锗褐煤与铅锌矿，集中在云南和内蒙古等地，其中褐煤占据了大部分已探明的储量，不论是开采难度还是环境污染，都小于铅锌矿，这也是国内能够做到大量出口锗矿的主要原因之一。

锗的情况并不比镓乐观多少，一旦身为最大出口国的中国开启出口管制，美国和日本这些对锗消费量较高的国家地区，一样会受到很大的冲击，且短时间内无法建立合适的供应渠道。

更重要的是，中国作为半导体、通信、光伏等产业发展最为迅速的国家，对于镓和锗这两种稀散金属的需求量和消费量本就不低，而国内的铝土矿和含镓褐煤经过多年的开采，已经出现了枯竭的迹象，适当地进行出口收缩，也能够帮助国内企业适应未来原料低品位化，从而干扰推动开发更低成本的金属提取工艺。

如今对镓和锗进行出口管制，从另一种角度看，也是让产业从初级向高端发展，将资源优势转化为产业优势的一种手段。

逆全球化与再全球化

今年6月，清华大学教授魏少军在集成电路论坛上，发表了《半导体产业的再全球化》的演讲，其中公布了不少有关国内半导体的数据，值得注意的是，尽管国产芯片的价值份额从2013年的13%上升到2022年的41.4%，但作为“中国制造2025”倡议的一个关键目标，半导体自给率到2025年仍然无法达到70%。

他强调的是，中国半导体制造行业过去十年间的加速增长，主要是由于外资公司在中国经营的晶圆厂所带动的。从2016年起，中国本土投资者所有的半导体公司的平均复合年增长率（CAGR）为14.7%。然而，来自中国台湾、韩国和其他地方的非中国大陆晶圆制造企业的复合年增长速度更高，达到了30%。这不仅使中国半导体产业的扩张速度翻倍，也凸显了中国半导体制造业对外部厂商的持续依赖。

可以说，国内半导体产业受益于全球化的发展，在新世纪到来后得以在全球半导体中扮演一个重要角色，来自世界各地的投资和需求让国内的半导体企业乘上了东风，完成了从无到有，从有到丰富的蜕变过程。

但国内的半导体，成也全球化，败也全球化，当国际形势变化，新冠疫情来临之际，半导体全球化过程也随之中断，供应链出现碎片化，在这样的逆全球化的背景之下，对外部依赖较高的国内半导体制造业自然就会受到巨大的冲击。

如今，主要国家和地区的半导体供应链，开始走上了一条逆全球化的路：美国拿出了《芯片法案》，包括英特尔、三星、台积电、格芯和德州仪器等在内的多家公司正在美国建设新的晶圆厂；日本大举拉拢台积电、美光等半导体大厂，同时推进与IBM和Rapidus的合作，推进开发2nm制程工艺；欧洲也出台了对应的芯片法案，要在2030年之前，把目前10%的全球半导体市场份额翻一倍……

同时，这些国家纷纷出台对中国的半导体限令，上到美国，下到日本，小到芯片，大到设备，通通被列入了管控的范围之内，国内半导体企业空有一身功夫却难以施展。

也难怪台积电创始人张忠谋在几次采访中重申“全球化已死”的观点，他表示，种种管制与实体清单的做法，让全球化和自由贸易走向死亡，他也认为，全球供应链的“分叉”和逆全球化带来的是成本大幅上升，在提高了芯片的价格之余，也降低了芯片的普及性。

如此境地之下，国内半导体更不能闭门造车，必须像魏教授在演讲中说的那样，坚定去走再全球化的路线，扩大开放，让更多外资进来共同发展半导体。

但再全球化并不是背靠广阔市场和充裕人力就能高枕无忧的，如何在地缘政治因素干扰下，吸引并留住外资企业，同时解决国产企业在技术、设备和材料上的后顾之忧，才是再全球化的现实难题。

而市场和原料，既是国内的优势，必要时候也是一种实现再全球化的反制手段。

2022年，全球镓市场规模达到20.46亿元（人民币），中国市场规模7.77亿元，全球锗市场规模相对更小，2022年仅有16.15亿元，在细分出来的半导体领域中只会更少，两者确实没办法和动辄几千亿美元的半导体市场相提并论。

但它们确实能够撬动千亿美元级别的市场，原因不在于它的重要性，而是一种全球化的思维行为惯性，美国日本数十年如一日地享受低价的中国原料，正是全球化带来的好处之一，而美国的CPU、DRAM，日本的NAND、CMOS能畅销于中国，同样是全球化的影响之一。

牵一发而动全身正是对全球化的最好概括，只要是在享受着全球化便利的国家，就无法真的置身事外，不论是逆全球化也好，去全球化也罢，只是利用自己本身在全球化中的影响力，利用全球化的手段，来达成非全球化的目的，在这个过程中，反而更容易受到外部因素的影响。

放眼世界，再全球化的土壤处处皆在，而逆全球化却是温室中培育，谁的未来更茁壮，早已不言而喻。

哪里会有真的跳出三界外，不在五行中的半导体产业呢？

本文来自微信公众号：半导体行业观察（ID：icbank），作者：邵逸琦