一克只卖2块5的金属，凭什么成为半导体关键材料？

Insigne

全球第三代半导体产业的命脉，拿捏住了。

7月3日，商务部、海关总署发布公告，宣布中国将从8月1日起，对镓和锗2种金属的相关物项实施出口管制。

所有相关产品的出口，都要向商务部提出申请，进行严格审查。

  Y/ d: [6 h+ H( n

这次限制出口，意义何在?

% q$ Z: k5 T. A+ I$ W

98% vs 2%

简单说，就是有能力在短期内影响整个产业，而以这个产业为支点的、人类社会最重要的一个万亿产业，未来也将被重重撼动。

说“影响整个产业”，是因为中国在这方面有绝对的控制权。

8 r5 {5 @: o8 R

这里先说说具有代表性的镓。

- b2 ]: ]* @7 [- `  H/ K  t

目前全球金属镓的储量约为27.93万吨，而中国的储量最多，达到19万吨，占全球储量的68%左右。

当然，从储量上看，68%的占比虽然高，但依然有3成在外面，显然称不上能“绝对控制”。

但是，储量只是储量，不是产量，落到实际生产上又不同。

6 q) C6 q7 Y( [) |

根据美国地质勘探局数据，2021年，全球总共生产了430吨镓，我们一家就生产了420吨，第2名是俄罗斯，生产了……5吨。

* [3 ^1 ^. Z; [1 {( {+ z. |% S6 C

420：5：3：2，中国贡献了全世界98%的镓产量，这就是当前全球镓产业的基本格局。

6 `1 M% h7 ~" G  s4 B4 e: i

那么，有没有可能其他国家迅速推动那剩下32%的镓储量进入生产环节，替代中国的镓呢。

' @7 z0 i9 M. P  S7 N; ]; [# o

基本没有可能。

因为镓作为典型的稀散元素，并不会像大多数人认识的铁、铜、铅锌等金属一样，独立形成大规模矿藏，基本上都是在铝土矿和铅锌矿中形成伴生镓矿床。

可以说，在现代金属生产链条上，镓其实是铝或锌的副产品。

5 P; U9 h( P  m0 }4 E8 p. z9 r

根据公开资料，目前全球90%以上的原生镓都是在生产氧化铝的过程中提取的。

国内金属镓生产的龙头企业——中国铝业公司、东方希望(三门峡)铝业有限公司，光看名字就知道他们主要业务。

8 ~, N: a7 p0 z2 j+ ]

要大规模生产镓，就要大规模开张氧化铝生产线。

然而，铝是一种早就被人类大规模生产和使用的金属，产业链上游环节成熟稳定，这意味着绝大部分氧化铝产品的生产不存在决定性的技术壁垒，不能带来很高的附加值，赚钱的就是靠扩大产业链规模和上下游整合带来的极致成本压缩。

在这方面，“制造业规模连续13年全球第1”和“全世界唯一拥有联合国产业分类中所列全部工业门类”的中国显然具有优势。

# r" z  m" r, v( K$ O# \/ ?+ x: D( T( s

去年，中国生产了全球57%的氧化铝，这还是全球氧化铝处于产能过剩状态，国内全行业开工率80%的情况下。

) n. D: y! {, f* v# T5 m: J# p

如果国外要大兴工程，再造一个氧化铝产业链，要付出的成本将是天价。

不过，目前有一种说法是，日本等国正在大力推进回收再生镓，以后只要回收已有的镓产品，可以很大程度替代从中国进口的镓原料。

% J# H  M) S- I! v6 R& [

但是根据USGC的《2023矿产商品概要》，只有纽约1家工厂会在生产砷化镓器件的过程中回收废料生产再生镓。而从旧产品中提取再生镓的数量，文件显示为“0”(none)。

3 s0 \7 C" v/ w9 h( V" r" I3 W

也就是说，至少在美国，所谓再生镓，其实也只是原料镓精细加工的产品，依然需要使用原料镓。

( @! e! g4 i: L8 Y

而在7月6日，在被问及这两种关键金属的战略储备情况时，美国的回复是“目前没有镓的库存储备”。

9 \; ]3 \) P. Z3 V* O" A( Q3 j# T3 U) c

撬动万亿产业的支点

尽管中国掌控着镓的生产，但如果镓是没什么用的东西，那这种掌控力也就毫无意义。

但是事实是，镓的作用实在是太大了，大到影响国家乃至人类的未来。

/ d  b$ h, S: W! f9 A0 ?/ a

之所以这么说，是因为镓基本上绑定了3个字：

" F( c" k( n4 g, M

半导体。

7 ]+ |( ]  Z* W! P; {

砷化镓作为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，尤其是许多高精尖军工产品不可或缺的部分。

而在风起云涌的第三代半导体大潮中，氮化镓和碳化硅一起，并列第三代半导体材料的“双子星”地位。

& j% d8 B3 i& b/ X  |3 A1 M; T

与传统材料相比，第三代半导体材料的核心优势在于更宽的禁带宽度，使得它们具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点，更适合制造耐高温、耐高压、耐大电流的高频大功率器件。

当然，单纯从第三代半导体市场本身来看，盘子并不大。

# _2 B  z& M% Z3 M: a

2021年，综合Yole、IHS的数据显示，全球SiC和GaN的整体市场规模达24.16亿美元，较2019年增长了50.9%。经初步估计，2022年全球SiC和GaN的整体市场规模或达到31.22亿美元。

) Y& H. n4 P1 a7 g4 q

TrendForce集邦咨询研究预测，在主要应用领域——功率器件方面，碳化硅功率器件到2025年的全球市场规模将达到33.9亿美元，而氮化镓功率器件市场规模将达到8.5亿美元，合起来只不过40亿美元出头。

在可以预见的未来，整个半导体产业的主角还是第一代半导体构筑的集成电路产业。

: H7 J$ q7 g/ j0 h( z! N

不过，直接产值不高，不代表不重要。相反，随着人类社会电气化程度的加深，高频大功率器件的重要性将日益凸显。

第三代半导体就好像一个杠杆支点，撬动着多个重要产业的未来。

9 ~$ ]. k. V5 Z6 h% V

其中影响最直接的，当属电动汽车产业。

8 ^- V& E& G" |4 f

抛却社会对新技术的习惯性妖魔化，电动汽车要在消费者中推广，依然存在一个应用上的致命问题——续航焦虑。

) A% E, M4 K2 ?4 Y+ N

要破解续航焦虑，主要方法有二。一是增加电池，加强蓄能能力，但受制于成本和电池重量，电池增加存在经济性上限;第二个方向则是使用高功率充电桩，提高补能效率，让充电和加油一样快。

% I9 x6 B5 N" l

根据P=UI的功率公式，要提高功率，要么加大电压，要么加大电流。

如果要加大电流，那就必须面对电流热效应带来的损耗。根据Q = I^2Rt的公式，在同样的线路和充电时间中，如果电流增大，那么发热将以指数增长，不仅对汽车、充电桩的散热系统有严苛的要求，造成成本飙升，还让大量能量白白损耗。

所以电动汽车上高压平台，成为行业公认的选择。

当然不仅是充电，高压平台也会降低车内电路和器件运作的损耗，反过来也增加了续航。

) Q, t2 Q) V8 H: h" ]

目前受制于硅基功率器件的性能，市面上绝大部分电动汽车还在使用400V平台。

但是业内估计，今年以内，800V平台就会成为行业新的“内卷”领域。

! A3 D" l( r( I% x) K9 o

反过来说，与之相适应的第三代半导体新器件开发，也到了迫在眉睫的时候。

" p# P. Y$ D+ V: F, b6 U0 U

这里说的第三代半导体新器件，主要还是碳化硅。

. c7 V9 ^$ J& a5 e$ j$ w( j

因为到目前为止，氮化镓还不能承受太高工作电压，在800V电压平台上，碳化硅的高压工作特性会更具有应用优势。

/ A9 B) g# O0 ^$ Y8 b. M

氮化镓则更侧重高频应用，主要在电动汽车OBC、DCDC、储能电源系统等环节，以及小容量、高端光伏逆变器中，或者是在智能手机、5G基站等通讯领域提供射频信号和天线之间的最后一级功率放大。

  t. W* s, j+ A: e# B. ~

但是在未来，随着氮化镓耐压能力进一步提升，其在性价比方面的优势将被放大，在新能源市场的应用优势将越发明显。

如果氮化镓能应用于电动汽车动力系统的主逆变器，从而获得与碳化硅相当的惊人高容量，就将释放巨大的市场增量。

前瞻根据EV volume和Statista的数据并结合近年来全球新能源汽车市场价格变化情况预测，2023年全球新能源汽车市场规模为4576亿美元，到2028年，这个市场规模就将突破万亿美元。

! w1 @7 W' M4 G/ K- m, m

/ A. d) ?5 _3 O' ~

中国手中每年“区区”400多吨产量的镓，以2022年均价2500元/公斤计算，市场规模不过10亿人民币，未来却有可能成为撬动这个万亿美元市场的关键因素。