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第四代半導體金屬鍺價(jià)格飆升 美國儲量第一不開(kāi)采

2024-06-28
來(lái)源:IT之家
關(guān)鍵詞: 第四代半導體 金屬鍺

無(wú)人機帶火 " 科技小金屬 "

無(wú)人機需求快速增長(cháng),鍺價(jià)站上歷史高位。

近期,國內鍺市場(chǎng)情緒較為高漲,市場(chǎng)報價(jià)接連上調,6 月以來(lái)價(jià)格步入上漲通道,個(gè)別廠(chǎng)商報價(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。對于 6 月以來(lái)鍺價(jià)格的持續上探,中國有色金屬協(xié)會(huì )銦鉍鍺分會(huì )分析表示,一方面是無(wú)人機帶來(lái)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(jià)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(chǎng)減停產(chǎn)間接導致鍺原料緊張,此前雖有新原料補入市場(chǎng),但仍難以緩解市場(chǎng)整體原料緊張的格局,因此持續助推鍺價(jià)走勢。

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

除無(wú)人機領(lǐng)域外,鎵、諸是半導體關(guān)鍵金屬,它們也都是戰略性電子材料。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。

根據公開(kāi)資料,我國金屬鎵的消費領(lǐng)域包括半導體和光電材料、太陽(yáng)能電池、合金、醫療器械、磁性材料等,其中半導體行業(yè)已成為鎵最大的消費領(lǐng)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(xué)、太陽(yáng)能電池、化學(xué)催化劑、生物醫學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛而重要的應用。

美國儲量第一卻不開(kāi)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(lái)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(lái)源,但原料供應和生產(chǎn)技術(shù)方面都存在不確定性,產(chǎn)量不穩定。

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%。

國內主要分布在云南、內蒙古、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(jìn)行保護,尤其是近幾年已基本不再進(jìn)行鍺的開(kāi)采。從鍺產(chǎn)量來(lái)看,2013 年以來(lái),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(guān)鍵礦產(chǎn)或緊缺礦產(chǎn)的目錄,對鍺進(jìn)行了管控和儲備。

美國是最早對鍺進(jìn)行保護的國家之一。早在 1984 年,美國就將鍺列入國防儲備進(jìn)行保護,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),美國已經(jīng)不再進(jìn)行鍺的開(kāi)采了,而是大量依賴(lài)進(jìn)口,其中 58% 的鍺金屬都是從中國進(jìn)口。

中國雖然是全球最大的鍺生產(chǎn)國和出口國,但并沒(méi)有對鍺進(jìn)行類(lèi)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(shí)同稀土有一些相似之處。

值得注意的是,由于鍺在現代高新技術(shù)領(lǐng)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略?xún)涔芾眢w系。

而隨著(zhù)全球半導體科技領(lǐng)域競爭日趨激烈,我國商務(wù)部、海關(guān)總署于去年 7 月發(fā)布《關(guān)于對鎵、鍺相關(guān)物項實(shí)施出口管制的公告》,決定對鎵、鍺相關(guān)物項實(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、區熔鍺錠、鍺外延生長(cháng)襯底等,出口商如果想開(kāi)始或繼續出口,將需要向中國商務(wù)部申請許可證,并需要報告海外買(mǎi)家及其申請的詳細信息。

長(cháng)期來(lái)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(cháng)江有色金屬網(wǎng)數據 ) ; 據美國地質(zhì)調查局 USGS 數據顯示,從全球產(chǎn)量分布來(lái)看,中國的家鍺金屬產(chǎn)量占比最高,分別高達 90%、68%,為保障國家重要戰略資源的安全性,未來(lái)我國鎵、鍺的出口配額或將降低,國內或將加速推進(jìn)高性能半導體材料的自主研發(fā)生產(chǎn)進(jìn)程。

推動(dòng)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(lǐng)域最多的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節,根據 SEMI 的分類(lèi)與數據,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(xiàn)框架、封裝基板、陶瓷基板、鍵合絲、包封材料、芯片粘結材料及其他封裝材料,每一大類(lèi)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(gè)。

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(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(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)節是金屬材料在半導體器件中的關(guān)鍵環(huán)節 , 所謂襯底即是一種用于制造半導體器件的材料基底,常見(jiàn)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(lái)。

半導體全工藝流程涉及金屬環(huán)節介紹

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(zhù)第四代材料穩步邁進(jìn)。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(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(guān)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(chēng)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對比看,第一代半導體表現出較低的禁帶寬度、介電常數以及擊穿電場(chǎng),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(diǎn),同時(shí)工藝較第三代半導體材料更為成熟,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。

第三代半導體材料隨著(zhù)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,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(lǐng)域的應用僅限于少數特殊的硅鍺 ( 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(mǎi)到鍺單晶的晶體管,但它們的量極少,遠不是主流產(chǎn)品。

鍺現在的主要應用是光學(xué)系統,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和熱成像系統中的光學(xué)窗口。根據 Exactitude Consultancy 的數據,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,涉及鍺、鎵、銦;靶材環(huán)節,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)節涉及金屬金、銀、銅;引線(xiàn)框架環(huán)節涉及銅;封裝焊料環(huán)節涉及金屬錫;先進(jìn)封裝 GMC 環(huán)節涉及 Low- α 球硅 / 球鋁," 科技小金屬 " 可以說(shuō)是在半導體產(chǎn)業(yè)各個(gè)環(huán)節都發(fā)揮著(zhù)重要作用。

我國星鏈計劃進(jìn)一步推動(dòng)剛需

太陽(yáng)能電池領(lǐng)域 - 多結砷化鎵鍺電池效率優(yōu)異,我國星鏈計劃有望為太陽(yáng)能鍺需求帶來(lái)快速增長(cháng)。

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(yáng)能譜峰值 , 且光吸收系數高,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 , 但由于砷化鎵同質(zhì)結材料的機械強度較低、易碎密度大、重量大,難以實(shí)現淺結,不能滿(mǎn)足空間電源的應用。

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。據高歡歡所著(zhù)《砷化鎵空間太陽(yáng)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(cháng)技術(shù)制備 GaAs/Ge 異質(zhì)結太陽(yáng)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(zhù)氣相外延技術(shù)的發(fā)展,大大提高了電池的轉換效率,在空間電源領(lǐng)域得到廣泛的應用。

未來(lái)多結砷化鎵電池是研究方向,效率超過(guò) 40%,錯作為重要的襯底材料不可或缺。據高歡歡所著(zhù)《砷化鎵空間太陽(yáng)電池用 4 英寸低位錯鍺單晶的研制》2009 年美國光譜實(shí)驗室利用高倍聚光技術(shù)研制出效率為 41.6% 的三結太陽(yáng)能電池 :2014 年,國內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 四結太陽(yáng)能電池,1000 倍聚光下轉換效率為 43%。

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

GW 星鏈和 G60 星鏈到 2027 年預計拉動(dòng)太陽(yáng)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)射總衛星數的 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)射衛星總數的 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《鍺在太陽(yáng)能電池中的應用》分析,每個(gè)衛星需要用鍺片 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(dòng)太陽(yáng)能用鍺需求達 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用領(lǐng)域。近年來(lái)得益于國家政策的支持和 5G 技術(shù)的應用與發(fā)展,光纖領(lǐng)域發(fā)展迅速,需求量極大上升。

錯在光纖應用主要是通過(guò)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(zhù)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)域的應用將會(huì )不斷擴大,尤其是在新能源、新材料、新信息等戰略性新興產(chǎn)業(yè)中,鍺將發(fā)揮重要作用。因此,全球對鍺資源的需求將會(huì )持續增長(cháng),作為全球主要供給方的我們,或許能抓住這次機會(huì ),讓半導體材料國產(chǎn)化大幅提速!


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