撰文?|?何鈞、王本忠（成都芯眾享科技有限公司）

2023年7月，中國(guó)政府宣布從8月1日起對(duì)鎵、鍺這兩種元素的相關(guān)物項(xiàng)施行出口管制，可謂一石激起千層浪，引起廣泛關(guān)注和討論。
這兩種元素以往很少出現(xiàn)在公眾視野之中。實(shí)際上，鎵的消耗量折算成純金屬存在形態(tài)，每年不過(guò)區(qū)區(qū)幾百噸的水平（我們認(rèn)為這個(gè)估計(jì)可能稍偏低，至少是沒(méi)有計(jì)入回收使用的部分），該消息引發(fā)的反應(yīng)卻超過(guò)以往——對(duì)個(gè)別實(shí)體實(shí)施制裁。輿論認(rèn)為其潛在的影響面更廣，顯示了中國(guó)政府在有關(guān)方面反扼制的措施和決心的升級(jí)。新的管制措施并不是無(wú)差別的加征關(guān)稅，而是實(shí)施出口許可管制，其實(shí)際后果極大地依賴于執(zhí)行情況（在經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)后仍可正常出口）。但是，無(wú)論具體操作如何，由于目前相關(guān)領(lǐng)域的全球化市場(chǎng)分工形態(tài)，想精準(zhǔn)打擊特定國(guó)家、特定領(lǐng)域及特定實(shí)體，難度很大，管制措施影響的還是整個(gè)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈。目前中國(guó)粗鎵的生產(chǎn)占全球份額的90%以上，對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈有強(qiáng)大的影響力，在消息傳出后的短短幾天內(nèi)，中國(guó)出口粗鎵的價(jià)格就飆升27%。作為相關(guān)領(lǐng)域的從業(yè)者，我們也非常關(guān)注鎵的這次供應(yīng)鏈風(fēng)波對(duì)行業(yè)的影響，包括近期的沖擊，各方的反應(yīng)，還有后續(xù)事態(tài)的發(fā)展可能導(dǎo)致的長(zhǎng)期格局。

鎵在自然界中不以游離元素存在，而是以微量化合物形式存在鋁土礦、閃鋅礦中。丨圖源：wiki

鎵的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

由于其獨(dú)特的熱學(xué)、光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，名不見經(jīng)傳的鎵在產(chǎn)業(yè)界有不少應(yīng)用，涉及低熔合金、催化劑、光學(xué)玻璃、牙科填料、壓電材料、傳感器、IC、微波射頻、永磁鐵、光伏、LED、功率器件，等等，甚至很難有一個(gè)真正完整的名單。由于市場(chǎng)體量不大，鎵相關(guān)產(chǎn)業(yè)形成典型的橫向整合的全球市場(chǎng)化模式，相互依賴嵌套。評(píng)估各個(gè)應(yīng)用以及替代可能，需要專門而深入的專業(yè)知識(shí)，包括技術(shù)和量化的全球市場(chǎng)信息，這本來(lái)是非常困難的。但是如果我們從其主要的應(yīng)用領(lǐng)域的特征出發(fā)，以市場(chǎng)角度觀察，還是可以得到一些相對(duì)明晰的結(jié)果。
鎵系材料最顯著的應(yīng)用還是在芯片領(lǐng)域。普通人一提起芯片，想到都是硅材料。確實(shí)，硅基芯片占到了整個(gè)產(chǎn)業(yè)的90%以上，其相關(guān)技術(shù)性能的高速且可預(yù)期的發(fā)展，在過(guò)去幾十年深刻而廣泛地影響了人類社會(huì)，成為信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。不過(guò)，硅材料也有一些先天不足，首先是作為所謂“間接帶隙”晶體材料，發(fā)光效率較低；另外其帶隙窄且固定，難以調(diào)整。因此在照明光電領(lǐng)域，目前應(yīng)用所謂的直接寬帶隙的化合物半導(dǎo)體材料，主要是氮化鎵（藍(lán)白光），砷化鎵（紅光）以及磷化銦（光纖低損耗波段）。

砷化鎵晶圓丨圖源：matltech.com
鎵系材料的晶體材料特征也使其成為射頻器件的基礎(chǔ)。射頻器件則是無(wú)線通訊、雷達(dá)等產(chǎn)業(yè)的基本器件。以砷化鎵射頻器件為例，其基本制造流程如下：先制成高質(zhì)量的塊狀單晶材料，然后切成0.5毫米左右厚度的圓片（稱為晶圓襯底），接著于襯底頂面沉積生長(zhǎng)薄層砷化鎵材料（稱為外延），然后再對(duì)外延層進(jìn)行各種加工工藝程序，制成排布在晶圓上表面的器件，最后還要從背面去除大部分厚度的襯底，以滿足散熱和控制寄生電感的要求。砷化鎵在某些應(yīng)用（雷達(dá)、基站等）中的唯一替代者是某些方面性能更強(qiáng)的氮化鎵材料，仍然繞不開鎵，只是氮化鎵器件目前并不使用同質(zhì)襯底，所以用量要少得多。值得注意的是，氮化鎵器件目前并不適用所有砷化鎵射頻應(yīng)用領(lǐng)域，比如手機(jī)中的射頻功率放大器芯片。此外，使用砷化鎵單晶襯底的射頻和光電器件，對(duì)質(zhì)量的要求不一。而中國(guó)目前還大量進(jìn)口高質(zhì)量的砷化鎵單晶襯底。
除了前面提到的較為“傳統(tǒng)”的應(yīng)用，鎵元素還和一個(gè)很重要的新興領(lǐng)域有關(guān)。這就是電力電子（也被稱為功率）器件。和射頻器件相比較，電力電子器件的工作頻率較低，面積較大，處理的功率等級(jí)較高，對(duì)可靠性和成本的要求更高，其市場(chǎng)體量也更大。氮化鎵電力電子器件（如手機(jī)充電器）已經(jīng)進(jìn)入消費(fèi)電子市場(chǎng)，不過(guò)其制造使用的仍然其他材料的襯底。使用同質(zhì)襯底的氧化鎵則是高端電力電子器件的希望之星，已經(jīng)被美國(guó)政府列入管控。
氮化鎵的晶圓襯底，則是另一個(gè)受資本關(guān)注的領(lǐng)域——也就是白（藍(lán)）光激光器——的關(guān)鍵基礎(chǔ)，目前也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，越來(lái)越接近大規(guī)模商用。


中美鎵金屬供應(yīng)概況

全球鎵材料的提取，主要是鋁土礦制鋁的副產(chǎn)品。中國(guó)企業(yè)大舉進(jìn)入后，鎵大體上一直處于供應(yīng)過(guò)剩的局面，目前估計(jì)中國(guó)出產(chǎn)的粗鎵（純度99.99%，俗稱四個(gè)九）占全球的90%以上。每公斤粗鎵從之前的4000元人民幣左右，一度跌到2012年的不足1000元人民幣。也就是這之后，中國(guó)以外的一些實(shí)體相繼停止了粗鎵的生產(chǎn)。近年來(lái)，由于中國(guó)對(duì)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的環(huán)保要求，以及疫情造成的供應(yīng)鏈波動(dòng)，導(dǎo)致過(guò)粗鎵價(jià)格短期上漲，但是也從未達(dá)到2012年之前的4000元水平；哪怕是最近幾年需求增長(zhǎng)明顯，加上這次的出口管制帶來(lái)的粗鎵價(jià)格上漲，也不過(guò)是每公斤2000元人民幣出頭?；仡櫄v史，這個(gè)價(jià)格并不處于高位。
由于相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的橫向整合模式，各個(gè)市場(chǎng)看到的場(chǎng)景差別很大。以中國(guó)來(lái)說(shuō)，鎵材料產(chǎn)出主要受自身內(nèi)部市場(chǎng)的需求驅(qū)動(dòng)，主要是被（釹鐵硼）永磁材料、銅銦鎵硒薄膜光伏材料、照明光電等市場(chǎng)的高速增長(zhǎng)消耗。中國(guó)也需進(jìn)口一部分純度更高的精鎵，粗鎵的價(jià)格變動(dòng)會(huì)影響精鎵的價(jià)格。從粗鎵到精鎵的附加價(jià)值不算太高，技術(shù)上也沒(méi)有特別顯著的壁壘。我們相信這次供應(yīng)鏈風(fēng)波會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)中國(guó)精鎵提純產(chǎn)業(yè)。

氮化鎵半導(dǎo)體器件丨圖源：dignited.com
反觀美國(guó)則是另一個(gè)極端，他們的鎵100%依賴進(jìn)口。在中國(guó)占主要地位的消耗鎵的產(chǎn)業(yè)，由于成本原因，在美國(guó)并不發(fā)達(dá)。美國(guó)的鎵系材料進(jìn)口，主要是砷化鎵單晶襯底材料，數(shù)量相當(dāng)可觀，占到全球鎵用量的顯著比例；另外也有一部分金屬粗鎵和精鎵。由于美國(guó)目前對(duì)中國(guó)金屬鎵施行較高的關(guān)稅，后者在美國(guó)進(jìn)口的占比已經(jīng)降到不足一半。綜合看來(lái)，美國(guó)對(duì)中國(guó)來(lái)源的鎵的直接依賴已經(jīng)降到較低水平。并且砷化鎵射頻器件所用的大部分材料，都能在制造階段消耗并回收利用（這也和對(duì)砷的環(huán)保要求相關(guān)）。實(shí)際上美國(guó)對(duì)中國(guó)進(jìn)口鎵加稅的目的之一，就是保護(hù)美國(guó)本土仍然存在的回收利用鎵的實(shí)體。因此短期內(nèi)受到中國(guó)出口管制直接沖擊的，主要還是歐洲、日本等國(guó)家的高端砷化鎵晶體材料的供應(yīng)商。這些供應(yīng)商的產(chǎn)能呈現(xiàn)全球化分工布局的形態(tài)，精確統(tǒng)計(jì)其供應(yīng)鏈和鎵產(chǎn)品的物流也不是一件簡(jiǎn)單的事情。這不禁讓人聯(lián)想到近來(lái)一些國(guó)家協(xié)同美國(guó)封鎖我國(guó)半導(dǎo)體的措施。
中美都大量進(jìn)口的高質(zhì)量砷化鎵單晶襯底，其工藝附加價(jià)值遠(yuǎn)高于材料價(jià)值，對(duì)目前的粗鎵價(jià)格的波動(dòng)并不敏感，所以不至于引起供應(yīng)的波動(dòng)。實(shí)際上，中國(guó)在這一領(lǐng)域一直面臨一定的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)。而自己的相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量已經(jīng)接近成熟，所以這次的風(fēng)波，可能會(huì)促進(jìn)國(guó)產(chǎn)砷化鎵單晶襯底在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用。
此外，中美也都進(jìn)口含鎵外延生長(zhǎng)所用到的高純材料，包括三甲基鎵、高純金屬鎵等。和體材料比它們的用量小，在最終產(chǎn)品成本結(jié)構(gòu)中占比不大，也不會(huì)受太大沖擊。同樣地，這個(gè)領(lǐng)域中國(guó)用戶也面臨一定的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，國(guó)內(nèi)的供應(yīng)商技術(shù)也接近成熟，因此鎵金屬出口管制可能會(huì)推動(dòng)其商業(yè)應(yīng)用。只是由于市場(chǎng)體量不大，資本的支持意愿存疑。


鎵供應(yīng)長(zhǎng)期格局

接下來(lái)談一下對(duì)鎵供應(yīng)長(zhǎng)期格局的看法。我們已經(jīng)看到，鎵資源并不是中國(guó)壟斷的。在鎵系材料最重要的射頻器件領(lǐng)域，并沒(méi)有可見的替代者。人們?cè)O(shè)想硅CMOS和鍺硅（這里又涉及另一個(gè)列入出口管控的材料）器件能夠在移動(dòng)終端市場(chǎng)顯著替代砷化鎵器件的份額，但是實(shí)踐的結(jié)果相反——砷化鎵器件的需求反而隨著通訊市場(chǎng)的發(fā)展而增大。除了射頻器件，照明光電這樣重要的產(chǎn)業(yè)，目前也沒(méi)有適宜的替代鎵的材料。另一方面，為了減少對(duì)鎵來(lái)源的依賴而進(jìn)一步回收利用最終產(chǎn)品（手機(jī)芯片、永磁材料、PV薄膜等）中的鎵元素，經(jīng)濟(jì)上也是不現(xiàn)實(shí)的。以釹鐵硼永磁材料為例，作為材料主體成分的稀土元素釹的回收成本尚且不夠經(jīng)濟(jì)，市場(chǎng)缺乏回收意愿，而鎵只是在其中微量添加，這樣鎵的單獨(dú)回收就更無(wú)經(jīng)濟(jì)意義。一個(gè)典型的手機(jī)射頻功放芯片中的鎵只有幾毫克左右，價(jià)值不到一分錢。因此在中國(guó)之外重建粗鎵供應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)就是某些國(guó)家的必然選擇。我們按照目前價(jià)格估計(jì)，國(guó)外重建粗鎵供應(yīng)成本不會(huì)低于每公斤5500元人民幣，但是也不會(huì)太高。而前文列舉的很多鎵材料的應(yīng)用規(guī)模很小，對(duì)成本較大范圍的變動(dòng)不敏感，因此都不會(huì)受到很大影響，也就無(wú)須過(guò)多討論。
我們更關(guān)注的是一些相對(duì)較大體量，又對(duì)成本敏感的產(chǎn)業(yè)，比如永磁材料、PV、照明光電等，以及前文提到的新興領(lǐng)域，這些更依賴鎵供應(yīng)的穩(wěn)定性。中國(guó)的高端射頻材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)突破后，也會(huì)使得該產(chǎn)業(yè)形成類似今天許多產(chǎn)業(yè)因“內(nèi)卷”致使價(jià)格降低的狀況。除非中國(guó)也通過(guò)更嚴(yán)的環(huán)保要求等之類的措施，導(dǎo)致大幅提高粗鎵提煉成本，否則不會(huì)有顯著的成本差價(jià)。對(duì)于中國(guó)以外的國(guó)家，要維持產(chǎn)業(yè)所需的市場(chǎng)體量，單純依靠政府補(bǔ)貼是不現(xiàn)實(shí)的，可能會(huì)出現(xiàn)貿(mào)易壁壘保護(hù)，而這又會(huì)進(jìn)一步提高下游產(chǎn)業(yè)的成本。在中國(guó)已經(jīng)具有技術(shù)能力的這些產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，本來(lái)就對(duì)成本敏感，這類貿(mào)易保護(hù)行為又可能引發(fā)更進(jìn)一步的貿(mào)易保護(hù)。
整體來(lái)說(shuō)，過(guò)去幾十年，鎵系材料發(fā)展的歷程，就是在人們的期望和不懈努力中，從通訊軍工逐漸走進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的過(guò)程。需求越來(lái)越大，供應(yīng)鏈也越來(lái)越市場(chǎng)化。中國(guó)是全球制造業(yè)中心，對(duì)很多產(chǎn)業(yè)鏈都有舉足輕重的影響。產(chǎn)業(yè)鏈在全球范圍內(nèi)的橫向整合分工，是全球化的結(jié)果，也是維系全球化的一種力量。中國(guó)有關(guān)機(jī)構(gòu)選擇了鍺和鎵這兩種稀有礦產(chǎn)資源實(shí)施管制，必然做過(guò)相應(yīng)調(diào)研和權(quán)衡。但是從整體來(lái)說(shuō)，與這兩種元素材料相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈與其他的產(chǎn)業(yè)鏈沒(méi)有本質(zhì)的不同。中國(guó)的反擊措施是不得已的反制，是警告性的。這將體現(xiàn)在其后的具體操作和影響中。鎵系材料的各種應(yīng)用發(fā)展，短期內(nèi)可能會(huì)受到一定影響，但不會(huì)影響鎵相關(guān)產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展走勢(shì)。

本文受科普中國(guó)·星空計(jì)劃項(xiàng)目扶持

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