從無(wú)人機(jī)到第四代半導(dǎo)體，以鎵、鍺為代表的“科技小金屬”們正不斷推動(dòng)半導(dǎo)體材料國(guó)產(chǎn)化落地。
01
無(wú)人機(jī)帶火“科技小金屬”
無(wú)人機(jī)需求快速增長(zhǎng)，鍺價(jià)站上歷史高位。
近期，國(guó)內(nèi)鍺市場(chǎng)情緒較為高漲，市場(chǎng)報(bào)價(jià)接連上調(diào)，6月以來(lái)價(jià)格步入上漲通道，個(gè)別廠商報(bào)價(jià)已沖至14000元/千克附近，少批量成交價(jià)格集中在12000元/千克~13000元/千克。
多年來(lái)，鍺價(jià)難以突破萬(wàn)元關(guān)口。對(duì)于6月以來(lái)鍺價(jià)格的持續(xù)上探，中國(guó)有色金屬協(xié)會(huì)銦鉍鍺分會(huì)分析表示，一方面是無(wú)人機(jī)帶來(lái)的新需求，另一方面也是原料端的供應(yīng)格局，兩方因素共同影響導(dǎo)致鍺價(jià)走高。
從供應(yīng)端看，鍺是鉛鋅礦副產(chǎn)品之一。環(huán)保壓力下，鉛鋅冶煉廠減停產(chǎn)間接導(dǎo)致鍺原料緊張，此前雖有新原料補(bǔ)入市場(chǎng)，但仍難以緩解市場(chǎng)整體原料緊張的格局，因此持續(xù)助推鍺價(jià)走勢(shì)。
從需求端看，地緣沖突使得搭載鍺紅外光學(xué)器件的無(wú)人機(jī)需求快速增長(zhǎng)，彌補(bǔ)此前疫情紅外測(cè)溫儀需求。近期紅外光學(xué)器件用戶集中采購(gòu)，在市場(chǎng)上搶購(gòu)區(qū)熔鍺錠，使得本就供應(yīng)偏緊的市場(chǎng)，愈發(fā)緊張。5月下旬以來(lái)，市場(chǎng)出現(xiàn)惜售，鍺錠及二氧化鍺價(jià)格應(yīng)聲上漲。
除無(wú)人機(jī)領(lǐng)域外，鎵、諸是半導(dǎo)體關(guān)鍵金屬，它們也都是戰(zhàn)略性電子材料。因?yàn)樗鼈儗儆诘谒拇雽?dǎo)體材料，相比前幾代在光譜相應(yīng)范圍和遷移率上都有比較大的優(yōu)勢(shì)。
根據(jù)公開資料，我國(guó)金屬鎵的消費(fèi)領(lǐng)域包括半導(dǎo)體和光電材料、太陽(yáng)能電池、合金、醫(yī)療器械、磁性材料等，其中半導(dǎo)體行業(yè)已成為鎵最大的消費(fèi)領(lǐng)域，約占總消費(fèi)量的80%。
而鍺也是重要的半導(dǎo)體材料，在半導(dǎo)體、航空航天測(cè)控、核物理探測(cè)、光纖通訊、紅外光學(xué)、太陽(yáng)能電池、化學(xué)催化劑、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛而重要的應(yīng)用。
02
美國(guó)儲(chǔ)量第一卻不開采
我國(guó)全球供給超六成
需要注意的是鍺難以獨(dú)立成礦，常以化合物形式存在于閃鋅礦、硫砷銅礦、銀鉛、鐵礦及煤礦中。
全球原生鍺主要來(lái)自鋅冶煉的副產(chǎn)品、獨(dú)立鍺礦床、含鍺褐煤提取。除原生鍺以外，再生鍺(從含鍺廢料中回收的鍺金屬)也是鍺行業(yè)的重要原料來(lái)源，但原料供應(yīng)和生產(chǎn)技術(shù)方面都存在不確定性，產(chǎn)量不穩(wěn)定。
目前全球鍺資源稀缺且集中度較高，全球鍺儲(chǔ)量以美國(guó)(45%)和中國(guó)(41%)為主。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院，截至22 年 3 月全球已探明鍺資源保有儲(chǔ)量約為 8600 t。按鍺儲(chǔ)量排名依次為美國(guó)3870t、中國(guó) 3500t、俄羅斯 860 t，分別占比約 45%、41%與 10%。
國(guó)內(nèi)主要分布在云南、內(nèi)蒙古、廣東、貴州、四川等地。其中，美國(guó)雖然是全球鍺資源儲(chǔ)量最大的國(guó)家，但自1984年就將鍺作為國(guó)防儲(chǔ)備資源進(jìn)行保護(hù)，尤其是近幾年已基本不再進(jìn)行鍺的開采。從鍺產(chǎn)量來(lái)看，2013年以來(lái)，中國(guó)鍺產(chǎn)量全球占比基本保持在60%以上，成為全球重要鍺供應(yīng)國(guó)。
作為一種重要的戰(zhàn)略金屬資源，鍺受到了各國(guó)的高度重視。美國(guó)、歐盟、英國(guó)等國(guó)家都將鍺列入了關(guān)鍵礦產(chǎn)或緊缺礦產(chǎn)的目錄，對(duì)鍺進(jìn)行了管控和儲(chǔ)備。
美國(guó)是最早對(duì)鍺進(jìn)行保護(hù)的國(guó)家之一。早在1984年，美國(guó)就將鍺列入國(guó)防儲(chǔ)備進(jìn)行保護(hù)，到了2018年，又將鍺列入35種關(guān)鍵礦產(chǎn)目錄中。所以近年來(lái)，美國(guó)已經(jīng)不再進(jìn)行鍺的開采了，而是大量依賴進(jìn)口，其中58%的鍺金屬都是從中國(guó)進(jìn)口。
中國(guó)雖然是全球最大的鍺生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，但并沒有對(duì)鍺進(jìn)行類似的管控和儲(chǔ)備。2016年，國(guó)土資源部也曾發(fā)布公告，將石油、天然氣等24種重要資源列入戰(zhàn)略性礦產(chǎn)目錄，但金屬鍺并不在其中。因此，中國(guó)每年都有大量的鍺出口到美國(guó)、德國(guó)、加拿大等國(guó)家，是全球最主要的鍺供應(yīng)商。
這樣的供給情況，其實(shí)同稀土有一些相似之處。
值得注意的是，由于鍺在現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域和國(guó)防建設(shè)中的重要性，西方發(fā)達(dá)國(guó)家均從維護(hù)國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)安全的高度出發(fā)，建立了比較完善的出口和戰(zhàn)略儲(chǔ)備管理體系。
而隨著全球半導(dǎo)體科技領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，我國(guó)商務(wù)部、海關(guān)總署于去年7月發(fā)布《關(guān)于對(duì)鎵、鍺相關(guān)物項(xiàng)實(shí)施出口管制的公告》，決定對(duì)鎵、鍺相關(guān)物項(xiàng)實(shí)施出口管制。其中包含金屬鎵、氮化鎵(包括但不限于芯片粉末、碎料等形態(tài))、砷化鎵(包括但不限于多晶、單晶、芯片、外延片、粉末、碎料等形態(tài))及金屬鍺、區(qū)熔鍺錠、鍺外延生長(zhǎng)襯底等，出口商如果想開始或繼續(xù)出口，將需要向中國(guó)商務(wù)部申請(qǐng)?jiān)S可證，并需要報(bào)告海外買家及其申請(qǐng)的詳細(xì)信息。
長(zhǎng)期來(lái)看，鍺和鎵的化合物是重要的半導(dǎo)體材料，半導(dǎo)體行業(yè)金屬鎵消費(fèi)量約占其總消費(fèi)量的 80%-85%(長(zhǎng)江有色金屬網(wǎng)數(shù)據(jù));據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 USGS 數(shù)據(jù)顯示，從全球產(chǎn)量分布來(lái)看，中國(guó)的家鍺金屬產(chǎn)量占比最高，分別高達(dá) 90%、68%，為保障國(guó)家重要戰(zhàn)略資源的安全性，未來(lái)我國(guó)鎵、鍺的出口配額或?qū)⒔档停瑖?guó)內(nèi)或?qū)⒓铀偻七M(jìn)高性能半導(dǎo)體材料的自主研發(fā)生產(chǎn)進(jìn)程。
03
推動(dòng)第四代半導(dǎo)體落地
半導(dǎo)體材料行業(yè)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中細(xì)分領(lǐng)域最多的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)，根據(jù)SEMI的分類與數(shù)據(jù)，晶圓制造材料包括硅片、光掩膜、光刻膠及輔助材料、工藝化學(xué)品、電子特氣、拋光液和拋光墊、靶材及其他材料，封裝材料包括引線框架、封裝基板、陶瓷基板、鍵合絲、包封材料、芯片粘結(jié)材料及其他封裝材料，每一大類材料又包括幾十種甚至上百種具體產(chǎn)品，細(xì)分子行業(yè)多達(dá)上百個(gè)。
半導(dǎo)體材料成本拆分
硅片及其他襯底材料是半導(dǎo)體芯片的關(guān)鍵底層材料。從芯片的制造流程來(lái)看，需要的步驟包括生產(chǎn)晶圓、氧化、光刻、刻蝕、薄膜沉積、互連、測(cè)試、封裝等。以硅片半導(dǎo)體為例，自然界中硅砂很多，但硅砂中包含的雜質(zhì)太多，需要進(jìn)行提煉后使用。將提煉后得到的高純硅熔化成液體，再利用提拉法得到原子排列整齊的晶錠，再將其切割成一定厚度的薄片，切割后獲得的薄片便是未經(jīng)加工的“原料晶圓”。
襯底環(huán)節(jié)是金屬材料在半導(dǎo)體器件中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),所謂襯底即是一種用于制造半導(dǎo)體器件的材料基底，常見的襯底包括硅、鍺、碳化硅等。在生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片的工藝流程中,晶圓生產(chǎn)通常為第一道工序,而晶圓便是由襯底材料切割而來(lái)。
半導(dǎo)體全工藝流程涉及金屬環(huán)節(jié)介紹
從半導(dǎo)體的發(fā)展歷史看，半導(dǎo)體襯底材料經(jīng)歷了三代的更新迭代，并正在向著第四代材料穩(wěn)步邁進(jìn)。其中第一代半導(dǎo)體材料以鍺(Ge)和硅(Si)為主，其中鍺目前半導(dǎo)體應(yīng)用較少，而硅仍是目前最主流的半導(dǎo)體襯底材料。
第二代半導(dǎo)體材料以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、 銻化銦(InSb)和硫化鎘(CdS)等 I-V族化合物材料為主,由于化合物半導(dǎo)體的寬禁帶優(yōu)勢(shì)以及下游應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，砷化鎵與磷化銦未來(lái)的使用量將提升。
第三代半導(dǎo)體材料則是以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、氧化鋅(Zn0)和氮化鋁(AIN)等為代表的寬禁帶(禁帶寬度大于 2.2eV)半導(dǎo)體材料，其中碳化硅與氮化鎵備受關(guān)注。而第四代半導(dǎo)體材料主要包括氮化鋁(AIN)、金剛石、氧化鎵(Ga,0:),它們被稱為超寬禁帶半導(dǎo)體材料，目前尚處于起步階段。
半導(dǎo)體襯底材料更新迭代
從四代半導(dǎo)體的性能參數(shù)對(duì)比看，第一代半導(dǎo)體表現(xiàn)出較低的禁帶寬度、介電常數(shù)以及擊穿電場(chǎng)，其優(yōu)勢(shì)在于低廉的成本以及成熟的工藝，因此更加適應(yīng)低壓、低頻、低溫的工況。
第二代半導(dǎo)體材料具有發(fā)光效率高、電子遷移率高、適于在較高溫度和其它條件惡劣的環(huán)境中工作等特點(diǎn)，同時(shí)工藝較第三代半導(dǎo)體材料更為成熟，主要被用來(lái)制作發(fā)光電子、高頻、高速以及大功率器件，在制作高性能微波、毫米波器件方面是絕佳的材料。
第三代半導(dǎo)體材料隨著智能時(shí)代的來(lái)臨而備受青睞，禁帶寬度明顯增加，擊穿電壓較高，抗輻射性強(qiáng)，電子飽和速率、熱導(dǎo)率都很高?；谏鲜鎏匦缘谌雽?dǎo)體材料不僅能夠在高壓、高頻的條件下穩(wěn)定運(yùn)行，還可在較高的溫度環(huán)境下保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，并且電能消耗更少，運(yùn)行效率更高。
而第四代半導(dǎo)體材料顯示出最大的優(yōu)勢(shì)便是其更寬的禁帶寬度,因此其更適合應(yīng)用于小尺寸、高功率密度的半導(dǎo)體器件。
目前鍺在電子/半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用僅限于少數(shù)特殊的硅鍺(SiGe)器件，盡管這種化合物的載流子遷移率能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)硅的兩到三倍，但仍然不是主流工藝。目前仍然可以從部分供應(yīng)商那里買到鍺單晶的晶體管，但它們的量極少，遠(yuǎn)不是主流產(chǎn)品。
鍺現(xiàn)在的主要應(yīng)用是光學(xué)系統(tǒng)，因?yàn)樗鼘?duì)8至14微米熱波段的紅外光是相對(duì)透明的，這使得它很適合用于鏡頭系統(tǒng)和熱成像系統(tǒng)中的光學(xué)窗口。根據(jù)Exactitude Consultancy 的數(shù)據(jù)，2022 年鍺金屬下游需求中，光纖領(lǐng)域和紅外領(lǐng)域占比最大，分別達(dá)到 36%與 24%。
總體而言，半導(dǎo)體材料可以分為前道制造材料與后道封裝材料。其中前道制造材料的襯底、外延環(huán)節(jié)，涉及鍺、鎵、銦；靶材環(huán)節(jié)，涉及鉭、銅；電子特氣涉及鎢；掩膜版涉及鉻；電鍍液涉及銅；高 K 材料涉及鉿。后道封裝材料中，鍵合絲環(huán)節(jié)涉及金屬金、銀、銅；引線框架環(huán)節(jié)涉及銅；封裝焊料環(huán)節(jié)涉及金屬錫；先進(jìn)封裝GMC 環(huán)節(jié)涉及 Low-α球硅/球鋁，“科技小金屬”可以說(shuō)是在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要作用。
04
我國(guó)星鏈計(jì)劃進(jìn)一步推動(dòng)剛需
太陽(yáng)能電池領(lǐng)域-多結(jié)砷化鎵鍺電池效率優(yōu)異，我國(guó)星鏈計(jì)劃有望為太陽(yáng)能鍺需求帶來(lái)快速增長(zhǎng)。
砷化鎵是典型的III-V族半導(dǎo)體、直接帶隙材料。其帶隙接近太陽(yáng)能譜峰值,且光吸收系數(shù)高，成為良好的化合物空間太陽(yáng)電池制備材料。
最初砷化鎵電池為同質(zhì)結(jié),但由于砷化鎵同質(zhì)結(jié)材料的機(jī)械強(qiáng)度較低、易碎密度大、重量大，難以實(shí)現(xiàn)淺結(jié)，不能滿足空間電源的應(yīng)用。
鍺單晶做襯底及氣相外延技術(shù)的發(fā)展大大提高太陽(yáng)能電池效率。據(jù)高歡歡所著《砷化鎵空間太陽(yáng)電池用 4 英寸低位錯(cuò)鍺單晶的研制》,美國(guó) ASEC 公司提出用氣相外延生長(zhǎng)技術(shù)制備 GaAs/Ge 異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池，用機(jī)械強(qiáng)度更高、成本更低的鍺單晶作為襯底片。隨著氣相外延技術(shù)的發(fā)展，大大提高了電池的轉(zhuǎn)換效率，在空間電源領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
未來(lái)多結(jié)砷化鎵電池是研究方向，效率超過(guò)40%，錯(cuò)作為重要的襯底材料不可或缺。據(jù)高歡歡所著《砷化鎵空間太陽(yáng)電池用 4 英寸低位錯(cuò)鍺單晶的研制》2009 年美國(guó)光譜實(shí)驗(yàn)室利用高倍聚光技術(shù)研制出效率為 41.6%的三結(jié)太陽(yáng)能電池:2014年，國(guó)內(nèi)的天津三安光電公司成功研發(fā)了 GalnP/GalnAs/Ge 高倍聚光太陽(yáng)電池，效率也超過(guò) 40%。SolarJunction使用電子束外延技術(shù)研制 出了 GalnP/inGaAs/InGaNAs/Ge 四結(jié)太陽(yáng)能電池，1000 倍聚光下轉(zhuǎn)換效率為 43%。
而在需求方面，我國(guó)星鏈計(jì)劃遠(yuǎn)大，未來(lái)空間約25000 顆。我國(guó) GW 星鏈計(jì)劃規(guī)劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù)12992 顆，我國(guó) G60 星鏈計(jì)劃規(guī)劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù)12000多顆。
GW 星鏈和 G60 星鏈到 2027 年預(yù)計(jì)拉動(dòng)太陽(yáng)能電池用鍺需求達(dá) 76.08 噸。假設(shè) GW 星鏈在 2027 年前發(fā)射完畢,24、25、26、27 分別發(fā)射總衛(wèi)星數(shù)的 10%、20%、30%、40%，G60星鏈在 2028 年前發(fā)射完畢，2024、2025、2026、2027、2028年分別發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)的 5%、10%、20%、30%、35%;參考 QYresearch，假設(shè) GW、G60 星座中砷化鎵電池滲透率 95%:根據(jù)《鍺在太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用》分析，每個(gè)衛(wèi)星需要用鍺片 6000-15000 片，我們謹(jǐn)慎假設(shè)鍺片直徑 50.8mm，鍺厚度140 微米。則最終測(cè)算到2027年GW 和 G60 星鏈預(yù)計(jì)拉動(dòng)太陽(yáng)能用鍺需求達(dá)76.08 噸，具有極為重要的地位。
同時(shí)，光纖是鍺的另一主要應(yīng)用領(lǐng)域。近年來(lái)得益于國(guó)家政策的支持和 5G 技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，光纖領(lǐng)域發(fā)展迅速，需求量極大上升。
錯(cuò)在光纖應(yīng)用主要是通過(guò)四氯化錯(cuò)的形式應(yīng)用于光纖預(yù)制棒，光纖預(yù)制棒成品質(zhì)量對(duì)光纖的質(zhì)量及特性，如純度、抗拉強(qiáng)度、有效折射率及衰減等亦存在重大影響。
需要注意的是隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，以鍺為代表的“科技小金屬”在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)不斷擴(kuò)大，尤其是在新能源、新材料、新信息等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中，鍺將發(fā)揮重要作用。因此，全球?qū)︽N資源的需求將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，作為全球主要供給方的我們，或許能抓住這次機(jī)會(huì)，讓半導(dǎo)體材料國(guó)產(chǎn)化大幅提速！
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