8月1日起，中国对镓、锗相关物项实施出口管制。 目前已有不少文章介绍了这两种稀有金属的基本情况。 我国是镓、锗产量大国，是半导体等诸多行业的关键材料。 因此，这一举措被认为对全球相关产业链影响较大。 影响。 这是真的吗？ 本文从镓相关从业者的角度介绍镓的工业应用，并分析监管风暴下的镓供应情况。
作者：何军、王本忠（成都新众祥科技有限公司）
2023年7月，中国政府宣布自8月1日起对镓、锗相关物项实施出口管制。
这两个元素此前很少出现在公众视野中。 事实上，纯金属形式的镓的消耗量每年只有几百吨（我们认为这个估计可能略低，至少不计算回收部分），而这个消息引起的反应不止于过去——对个别实体实施制裁。 舆论认为其潜在影响范围更广，这表明中国政府在相关领域的反围堵措施和决心有所升级。 新的管制措施不是乱加关税，而是实施出口许可证管制。 实际后果很大程度上取决于执行情况（批准后仍可正常出口）。 但无论具体操作如何，由于当前相关领域的全球化市场分工，精准针对特定国家、特定领域、特定主体的难度很大，管控措施仍然影响到整个相关产业链。 。 目前，我国粗镓产量占全球份额90%以上，对产业链影响力较强。 消息传出短短几天，中国出口的粗镓价格就飙升了27%。 作为相关领域的从业者，我们也非常关注镓供应链动荡对行业的影响，包括近期的影响、各方的反应以及后续发展可能造成的长期格局。
镓在自然界中并不以游离元素存在，而是以微量化合物的形式存在于铝土矿和闪锌矿中。丨来源：wiki镓的工业应用
由于其独特的热学、光学和电学特性，鲜为人知的镓在工业上有许多应用，涉及低熔点合金、催化剂、光学玻璃、牙科填充物、压电材料、传感器、IC、微波射频、永磁体、光伏、LED、功率器件等，甚至很难有一个真正完整的清单。 由于市场规模较小，镓相关产业形成了典型的横向一体化的全球市场化模式，相互依存、嵌套。 评估个别应用和替代方案需要具体和深入的专业知识，包括技术和定量的全球市场信息，这本质上是困难的。 但如果我们从其主要应用领域的特点出发，站在市场的角度观察，我们还是可以得到一些比较清晰的结果。
镓基材料最引人注目的应用仍然是在芯片领域。 一般人一提到芯片，就会想到硅材料。 确实，硅基芯片占整个产业的90%以上，相关技术性能的快速、可预测的发展在过去几十年深刻而广泛地影响了人类社会，成为信息产业的基础。 然而，硅材料也有一些固有的缺点。 首先，作为所谓“间接带隙”晶体材料，发光效率较低； 另外，其带隙窄且固定，难以调节。 因此，在照明光电子领域，目前采用的是所谓直接宽带隙化合物半导体材料，主要是氮化镓（蓝、白光）、砷化镓（红光）和磷化铟（光纤低损耗波段） 。
砷化镓晶圆丨来源：
镓基材料的晶体材料特性也使其成为射频器件的基础。 射频器件是无线通信、雷达等行业的基础器件。 以砷化镓射频器件为例，其基本制造流程如下：首先制作高质量的块状单晶材料，然后将其切割成厚度约为0.5毫米的晶圆（称为晶圆衬底），并然后放置在衬底上，在顶面沉积生长一薄层砷化镓材料（称为外延），然后在外延层上进行各种加工工序，使器件排列在晶圆的上表面，最后去除大部分厚度来自背面。 基板以满足散热和控制寄生电感的要求。 在某些应用（雷达、基站等）中砷化镓的唯一替代品是在某些方面性能更强的氮化镓材料，而镓仍然无法被绕过，但氮化镓器件目前还没有使用均质衬底，因此剂量要少得多。 值得注意的是，GaN器件目前并不适合所有GaAs射频应用，例如手机中的射频功率放大器芯片。 此外，使用GaAs单晶衬底的射频和光电器件也有不同的质量要求。 目前，我国仍大量进口优质砷化镓单晶衬底。
除了上面提到的比较“传统”的应用之外，镓还涉及到一个非常重要的新兴领域。 这些是电力电子（也称为功率）设备。 与射频器件相比，电力电子器件工作频率较低、面积较大、处理能力水平较高，对可靠性和成本要求较高，市场规模较大。 氮化镓电力电子器件（如手机充电器）已进入消费电子市场，但仍采用其他材料的基板制造。 采用均质衬底的氧化镓是高端电力电子器件的希望之星，已被纳入美国政府的管制范围。
氮化镓晶圆衬底是另一个备受资本关注的领域——白（蓝）激光器的关键基础。 目前也取得了很大进展，距离大规模商用越来越近。
中国和美国金属镓供应概况
全球范围内提取镓材料主要是铝土矿生产铝的副产品。 中国企业大举进入后，镓普遍处于供过于求的局面。 目前，估计中国生产的粗镓（纯度99.99%，俗称四个九）占全球的90%以上。 粗镓每公斤从之前的4000元左右跌到了2012年的1000元以下。也就是在这之后，境外一些实体陆续停止了粗镓的生产。 近年来，由于我国对相关行业的环保要求以及疫情造成的供应链波动，粗镓价格短期有所上涨，但从未达到2012年之前的4000元水平； 即使近年来需求大幅增加，加上此次出口管制带来的粗镓价格上涨，也只有每公斤2000元出头。 回顾历史，这个价格并不高。
由于相关产业链的横向整合模式，各个市场的场景差异很大。 以中国为例，镓材料的产量主要受自身内部市场需求拉动，主要消耗于快速增长的（钕铁硼）永磁材料、铜铟镓硒薄膜光伏材料、照明等领域。光电等市场。 我国还需要进口一些纯度较高的精制镓，粗镓的价格变化会影响精制镓的价格。 从粗镓到精镓的附加值并不算太高，也没有特别重大的技术壁垒。 我们相信，本次供应链动荡将进一步推动中国精镓提纯行业的发展。
氮化镓半导体器件丨来源：
相比之下，美国则处于另一个极端，镓100%依赖进口。 在中国占主导地位的镓消费产业在美国由于成本原因并不发达。 美国进口的镓基材料主要是砷化镓单晶衬底材料。 数量相当可观，占全球镓消费量的很大一部分； 此外，还有一些金属粗镓和精镓。 由于美国目前对中国金属镓征收高额关税，后者占美国进口量的比例还不到一半。 总体来看，美国对中国镓的直接依赖度已降至较低水平。 而且砷化镓射频器件所使用的大部分材料都可以在制造阶段消耗和回收（这也与砷的环保要求有关）。 事实上，美国对从中国进口的镓加税的目的之一就是保护美国境内尚存的回收镓的实体。 因此，欧洲、日本等国家的高端砷化镓晶体材料供应商短期内将受到中国出口管制的直接影响。 这些供应商的产能是全球分工的形式，准确统计他们的供应链和镓产品的物流并不容易。 这不禁让人想起近期一些国家与美国合作封锁我国半导体的举措。
中美两国大量进口的优质砷化镓单晶衬底，其工艺附加值远高于材料价值，且对当前粗镓价格波动不敏感，因此不会造成供应波动。 事实上，中国在这方面一直面临着一定的供给风险。 而其自身相关产品的品质已接近成熟，因此此次风波或将推动国产砷化镓单晶基板在射频领域的应用。
此外，中国和美国还进口用于含镓外延生长的高纯材料，包括三甲基镓和高纯金属镓。 而且车身材料的用量比它们少，不会在最终产品成本结构中占很大比例，不会受到太大影响。 同样，该领域的中国用户也面临一定的供应风险，且国内供应商的技术也接近成熟，因此金属镓的出口管制可能会促进其商业应用。 仅仅因为市场规模不大，资本的支持意愿值得怀疑。
镓供应长期格局
接下来我们谈谈镓供应的长期格局。 我们看到镓资源并没有被中国垄断。 在以镓基材料为最重要的射频器件领域，目前还没有明显的替代品。 人们一直认为硅CMOS和硅锗（这里是列入出口管制的另一种材料）器件可以大幅取代砷化镓器件在移动终端市场的份额，但实际结果却恰恰相反——砷化镓器件的需求量为随着通信市场的发展而增加。 除了射频器件之外，照明、光电等重要行业，目前还没有合适的镓替代品。 另一方面，为了减少对镓来源的依赖，进一步回收最终产品（手机芯片、永磁材料、光伏薄膜等）中的镓在经济上也是不现实的。 以钕铁硼永磁材料为例，作为材料主要成分的稀土元素钕的回收成本不够经济，市场缺乏回收意愿，而镓仅少量添加，因此单独回收镓的经济性更差。 典型的手机射频功率放大器芯片中的镓只有几毫克左右，价值不到一分钱。 因此，在中国之外重建粗镓供应产业链基础是一些国家的必然选择。 按照目前的价格估算，为国外重建提供粗镓的成本不会低于每公斤5500元，但也不会太高。 不过，上面列出的许多镓材料应用规模较小，对成本的大规模变化并不敏感，因此不会受到太大影响，因此无需过多讨论。
我们更关注一些规模比较大、成本敏感的行业，比如永磁材料、光伏、照明光电等，以及上面提到的新兴领域，这些行业对镓供应的稳定性更加依赖。 我国高端射频材料行业实现技术突破后，行业也将形成类似如今诸多行业“内卷化”导致降价的局面。 除非中国也采取更严格的环保要求等措施，导致粗镓提取成本大幅上升，否则不会有明显的成本差异。 对于中国以外的国家来说，单纯依靠政府补贴来维持行业所需的市场规模是不现实的，而且可能会出现贸易壁垒，这将进一步增加下游行业的成本。 这些中国已经具备技术能力的工业领域，本质上是成本敏感的，这种贸易保护行为可能会导致进一步的贸易保护。
总体来看，镓基材料这几十年的发展是人们期盼和不懈努力的过程，从通讯军工走向工业生产和日常生活。 需求不断增加，供应链也越来越市场化。 中国是全球制造业中心，对诸多产业链具有重大影响。 全球范围内产业链的横向一体化和分工，是全球化的结果，也是维护全球化的力量。 中方相关机构选择了锗、镓两种稀有矿产资源实施管制，肯定也做了相应的研究和权衡。 但整体来看，这两种单质材料相关的产业链与其他产业链并无本质区别。 中方的反制措施是最后反制和警告反制。 这将体现在后续的具体操作和影响中。 镓基材料各类应用的发展短期内可能会受到影响，但不会影响镓相关产业的长期发展趋势。
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