無人機帶火 " 科技小金屬 "

無人機需求快速增長，鍺價站上歷史高位。

近期，國內(nèi)鍺市場情緒較為高漲，市場報價接連上調(diào)，6 月以來價格步入上漲通道，個別廠商報價已沖至 14000 元 / 千克附近，少批量成交價格集中在 12000 元 / 千克 ~13000 元 / 千克。

多年來，鍺價難以突破萬元關口。對于 6 月以來鍺價格的持續(xù)上探，中國有色金屬協(xié)會銦鉍鍺分會分析表示，一方面是無人機帶來的新需求，另一方面也是原料端的供應格局，兩方因素共同影響導致鍺價走高。

從供應端看，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)間接導致鍺原料緊張，此前雖有新原料補入市場，但仍難以緩解市場整體原料緊張的格局，因此持續(xù)助推鍺價走勢。

從需求端看，地緣沖突使得搭載鍺紅外光學器件的無人機需求快速增長，彌補此前疫情紅外測溫儀需求。近期紅外光學器件用戶集中采購，在市場上搶購區(qū)熔鍺錠，使得本就供應偏緊的市場，愈發(fā)緊張。5 月下旬以來，市場出現(xiàn)惜售，鍺錠及二氧化鍺價格應聲上漲。

除無人機領域外，鎵、諸是半導體關鍵金屬，它們也都是戰(zhàn)略性電子材料。因為它們屬于第四代半導體材料，相比前幾代在光譜相應范圍和遷移率上都有比較大的優(yōu)勢。

根據(jù)公開資料，我國金屬鎵的消費領域包括半導體和光電材料、太陽能電池、合金、醫(yī)療器械、磁性材料等，其中半導體行業(yè)已成為鎵最大的消費領域，約占總消費量的 80%。

而鍺也是重要的半導體材料，在半導體、航空航天測控、核物理探測、光纖通訊、紅外光學、太陽能電池、化學催化劑、生物醫(yī)學等領域都有廣泛而重要的應用。

美國儲量第一卻不開采

我國全球供給超六成

需要注意的是鍺難以獨立成礦，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。

全球原生鍺主要來自鋅冶煉的副產(chǎn)品、獨立鍺礦床、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)的重要原料來源，但原料供應和生產(chǎn)技術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，全球鍺儲量以美國 ( 45% ) 和中國 ( 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量約為 8600 t。按鍺儲量排名依次為美國 3870t、中國 3500t、俄羅斯 860 t，分別占比約 45%、41% 與 10%。

國內(nèi)主要分布在云南、內(nèi)蒙古、廣東、貴州、四川等地。其中，美國雖然是全球鍺資源儲量最大的國家，但自 1984 年就將鍺作為國防儲備資源進行保護，尤其是近幾年已基本不再進行鍺的開采。從鍺產(chǎn)量來看，2013 年以來，中國鍺產(chǎn)量全球占比基本保持在 60% 以上，成為全球重要鍺供應國。

作為一種重要的戰(zhàn)略金屬資源，鍺受到了各國的高度重視。美國、歐盟、英國等國家都將鍺列入了關鍵礦產(chǎn)或緊缺礦產(chǎn)的目錄，對鍺進行了管控和儲備。

美國是最早對鍺進行保護的國家之一。早在 1984 年，美國就將鍺列入國防儲備進行保護，到了 2018 年，又將鍺列入 35 種關鍵礦產(chǎn)目錄中。所以近年來，美國已經(jīng)不再進行鍺的開采了，而是大量依賴進口，其中 58% 的鍺金屬都是從中國進口。

中國雖然是全球最大的鍺生產(chǎn)國和出口國，但并沒有對鍺進行類似的管控和儲備。2016 年，國土資源部也曾發(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，中國每年都有大量的鍺出口到美國、德國、加拿大等國家，是全球最主要的鍺供應商。

這樣的供給情況，其實同稀土有一些相似之處。

值得注意的是，由于鍺在現(xiàn)代高新技術領域和國防建設中的重要性，西方發(fā)達國家均從維護國家安全和經(jīng)濟安全的高度出發(fā)，建立了比較完善的出口和戰(zhàn)略儲備管理體系。

而隨著全球半導體科技領域競爭日趨激烈，我國商務部、海關總署于去年 7 月發(fā)布《關于對鎵、鍺相關物項實施出口管制的公告》，決定對鎵、鍺相關物項實施出口管制。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、鍺外延生長襯底等，出口商如果想開始或繼續(xù)出口，將需要向中國商務部申請許可證，并需要報告海外買家及其申請的詳細信息。

長期來看，鍺和鎵的化合物是重要的半導體材料，半導體行業(yè)金屬鎵消費量約占其總消費量的 80%-85% ( 長江有色金屬網(wǎng)數(shù)據(jù) ) ; 據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局 USGS 數(shù)據(jù)顯示，從全球產(chǎn)量分布來看，中國的家鍺金屬產(chǎn)量占比最高，分別高達 90%、68%，為保障國家重要戰(zhàn)略資源的安全性，未來我國鎵、鍺的出口配額或?qū)⒔档停瑖鴥?nèi)或?qū)⒓铀偻七M高性能半導體材料的自主研發(fā)生產(chǎn)進程。

推動第四代半導體落地

半導體材料行業(yè)是半導體產(chǎn)業(yè)鏈中細分領域最多的產(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，細分子行業(yè)多達上百個。

半導體材料成本拆分

硅片及其他襯底材料是半導體芯片的關鍵底層材料。從芯片的制造流程來看，需要的步驟包括生產(chǎn)晶圓、氧化、光刻、刻蝕、薄膜沉積、互連、測試、封裝等。以硅片半導體為例，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)是金屬材料在半導體器件中的關鍵環(huán)節(jié) , 所謂襯底即是一種用于制造半導體器件的材料基底，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。

半導體全工藝流程涉及金屬環(huán)節(jié)介紹

從半導體的發(fā)展歷史看，半導體襯底材料經(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。其中第一代半導體材料以鍺 ( Ge ) 和硅 ( Si ) 為主，其中鍺目前半導體應用較少，而硅仍是目前最主流的半導體襯底材料。

第二代半導體材料以砷化鎵 ( 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 , 由于化合物半導體的寬禁帶優(yōu)勢以及下游應用領域的進一步發(fā)展，砷化鎵與磷化銦未來的使用量將提升。

第三代半導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 ) 半導體材料，其中碳化硅與氮化鎵備受關注。而第四代半導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體材料，目前尚處于起步階段。

半導體襯底材料更新迭代

從四代半導體的性能參數(shù)對比看，第一代半導體表現(xiàn)出較低的禁帶寬度、介電常數(shù)以及擊穿電場，其優(yōu)勢在于低廉的成本以及成熟的工藝，因此更加適應低壓、低頻、低溫的工況。

第二代半導體材料具有發(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，同時工藝較第三代半導體材料更為成熟，主要被用來制作發(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。

第三代半導體材料隨著智能時代的來臨而備受青睞，禁帶寬度明顯增加，擊穿電壓較高，抗輻射性強，電子飽和速率、熱導率都很高?；谏鲜鎏匦缘谌雽w材料不僅能夠在高壓、高頻的條件下穩(wěn)定運行，還可在較高的溫度環(huán)境下保持良好的運行狀態(tài)，并且電能消耗更少，運行效率更高。

而第四代半導體材料顯示出最大的優(yōu)勢便是其更寬的禁帶寬度 , 因此其更適合應用于小尺寸、高功率密度的半導體器件。

目前鍺在電子 / 半導體領域的應用僅限于少數(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到標準硅的兩到三倍，但仍然不是主流工藝。目前仍然可以從部分供應商那里買到鍺單晶的晶體管，但它們的量極少，遠不是主流產(chǎn)品。

鍺現(xiàn)在的主要應用是光學系統(tǒng)，因為它對 8 至 14 微米熱波段的紅外光是相對透明的，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，光纖領域和紅外領域占比最大，分別達到 36% 與 24%。

總體而言，半導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；先進封裝 GMC 環(huán)節(jié)涉及 Low- α 球硅 / 球鋁，" 科技小金屬 " 可以說是在半導體產(chǎn)業(yè)各個環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要作用。

我國星鏈計劃進一步推動剛需

太陽能電池領域 - 多結(jié)砷化鎵鍺電池效率優(yōu)異，我國星鏈計劃有望為太陽能鍺需求帶來快速增長。

砷化鎵是典型的 III-V 族半導體、直接帶隙材料。其帶隙接近太陽能譜峰值 , 且光吸收系數(shù)高，成為良好的化合物空間太陽電池制備材料。

最初砷化鎵電池為同質(zhì)結(jié) , 但由于砷化鎵同質(zhì)結(jié)材料的機械強度較低、易碎密度大、重量大，難以實現(xiàn)淺結(jié)，不能滿足空間電源的應用。

鍺單晶做襯底及氣相外延技術的發(fā)展大大提高太陽能電池效率。據(jù)高歡歡所著《砷化鎵空間太陽電池用 4 英寸低位錯鍺單晶的研制》, 美國 ASEC 公司提出用氣相外延生長技術制備 GaAs/Ge 異質(zhì)結(jié)太陽能電池，用機械強度更高、成本更低的鍺單晶作為襯底片。隨著氣相外延技術的發(fā)展，大大提高了電池的轉(zhuǎn)換效率，在空間電源領域得到廣泛的應用。

未來多結(jié)砷化鎵電池是研究方向，效率超過 40%，錯作為重要的襯底材料不可或缺。據(jù)高歡歡所著《砷化鎵空間太陽電池用 4 英寸低位錯鍺單晶的研制》2009 年美國光譜實驗室利用高倍聚光技術研制出效率為 41.6% 的三結(jié)太陽能電池 :2014 年，國內(nèi)的天津三安光電公司成功研發(fā)了 GalnP/GalnAs/Ge 高倍聚光太陽電池，效率也超過 40%。SolarJunction 使用電子束外延技術研制 出了 GalnP/inGaAs/InGaNAs/Ge 四結(jié)太陽能電池，1000 倍聚光下轉(zhuǎn)換效率為 43%。

而在需求方面，我國星鏈計劃遠大，未來空間約 25000 顆。我國 GW 星鏈計劃規(guī)劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù) 12992 顆，我國 G60 星鏈計劃規(guī)劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù) 12000 多顆。

GW 星鏈和 G60 星鏈到 2027 年預計拉動太陽能電池用鍺需求達 76.08 噸。假設 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 GW、G60 星座中砷化鎵電池滲透率 95%: 根據(jù)《鍺在太陽能電池中的應用》分析，每個衛(wèi)星需要用鍺片 6000-15000 片，我們謹慎假設鍺片直徑 50.8mm，鍺厚度 140 微米。則最終測算到 2027 年 GW 和 G60 星鏈預計拉動太陽能用鍺需求達 76.08 噸，具有極為重要的地位。

同時，光纖是鍺的另一主要應用領域。近年來得益于國家政策的支持和 5G 技術的應用與發(fā)展，光纖領域發(fā)展迅速，需求量極大上升。

錯在光纖應用主要是通過四氯化錯的形式應用于光纖預制棒，光纖預制棒成品質(zhì)量對光纖的質(zhì)量及特性，如純度、抗拉強度、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步和社會的發(fā)展，以鍺為代表的 " 科技小金屬 " 在各個領域的應用將會不斷擴大，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資源的需求將會持續(xù)增長，作為全球主要供給方的我們，或許能抓住這次機會，讓半導體材料國產(chǎn)化大幅提速！