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两个元素撬动半导体全球化

来源: 江南综合官方app 时间: 2024-04-20 23:31:01

  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线日,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》有关法律法规,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。

  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,而镓在全球范围内也有不少分布

  很多人心里可能会出现这样的疑虑: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几个国家也可以再一次进行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。

  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别的类型矿床。

  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,砷化镓也被大范围的应用到微波器件、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,统计多个方面数据显示,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,根本没办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,其目的是排除中国对关键矿产供应的影响。

  就目前情况去看,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。

  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,很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,可提升纤芯折射率,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%,远超于了传统的多晶硅(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。

  美国虽然是全球最大的锗储量国,但它的锗资源主要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,骤然大幅度的提高产能,可能还会对地下水造成污染。

  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,且短时间之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、光伏等产业高质量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,已然浮现了枯竭的迹象,适当地进行出口收缩,也可以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。

  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,有必要注意一下的是,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年仍旧没办法达到70%。

  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%的全球半导体市场占有率翻一倍……

  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以内,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作法,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度上升,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,让更多外资进来一起发展半导体。

  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,如何在地理政治学因素干扰下,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。

  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,在这样的一个过程中,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。

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