8月1日起中國對鎵、鍺相關物項實施出口管制。目前已有很多文章介紹了這兩種稀散金屬基本情況，我國是鎵、鍺產量大國，並且它們是半導體等多項產業的關鍵材料，因而這項措施被認為會對全球相關產業鏈造成很大影響。果真如此嗎? 本文從相關從業者角度，介紹鎵的產業應用，分析管制風波下緣的供應問題。
撰文 | 何鈞、王本忠（成都芯眾享科技有限公司）
2023年7月，中國政府宣布從8月1日起對鎵、鍺這兩種元素的相關物項施行出口管制，可謂一石激起千層浪，引起廣泛關注和討論。
這兩種元素以往很少出現在公眾視野之中。實際上，鎵的消耗量折算成純金屬存在形態，每年不過區區幾百噸的水平（我們認為這個估計可能稍偏低，至少是沒有計入回收使用的部分），該消息引發的反應卻超過以往——對個別實體實施制裁。輿論認為其潛在的影響面更廣，顯示了中國政府在有關方面反扼制的措施和決心的升級。新的管制措施並不是無差別的加征關稅，而是實施出口許可管制，其實際後果極大地依賴於執行情況（在經過批准後仍可正常出口）。但是，無論具體操作如何，由於目前相關領域的全球化市場分工形態，想精準打擊特定國家、特定領域及特定實體，難度很大，管制措施影響的還是整個相關的產業鏈。目前中國粗鎵的生產占全球份額的90%以上，對產業鏈有強大的影響力，在消息傳出後的短短几天內，中國出口粗鎵的價格就飆升27%。作為相關領域的從業者，我們也非常關注鎵的這次供應鏈風波對行業的影響，包括近期的衝擊，各方的反應，還有後續事態的發展可能導致的長期格局。
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
鎵的產業應用
由於其獨特的熱學、光學和電學性質，名不見經傳的鎵在產業界有不少應用，涉及低熔合金、催化劑、光學玻璃、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，甚至很難有一個真正完整的名單。由於市場體量不大，鎵相關產業形成典型的橫向整合的全球市場化模式，相互依賴嵌套。評估各個應用以及替代可能，需要專門而深入的專業知識，包括技術和量化的全球市場信息，這本來是非常困難的。但是如果我們從其主要的應用領域的特徵出發，以市場角度觀察，還是可以得到一些相對明晰的結果。
鎵系材料最顯著的應用還是在晶片領域。普通人一提起晶片，想到都是矽材料。確實，矽基晶片占到了整個產業的90%以上，其相關技術性能的高速且可預期的發展，在過去幾十年深刻而廣泛地影響了人類社會，成為信息產業的基礎。不過，矽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，發光效率較低；另外其帶隙窄且固定，難以調整。因此在照明光電領域，目前應用所謂的直接寬頻隙的化合物半導體材料，主要是氮化鎵（藍白光），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徵也使其成為射頻器件的基礎。射頻器件則是無線通訊、雷達等產業的基本器件。以砷化鎵射頻器件為例，其基本製造流程如下：先製成高質量的塊狀單晶材料，然後切成0.5毫米左右厚度的圓片（稱為晶圓襯底），接著於襯底頂面沉積生長薄層砷化鎵材料（稱為外延），然後再對外延層進行各種加工工藝程序，製成排布在晶圓上表面的器件，最後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。砷化鎵在某些應用（雷達、基站等）中的唯一替代者是某些方面性能更強的氮化鎵材料，仍然繞不開鎵，只是氮化鎵器件目前並不使用同質襯底，所以用量要少得多。值得注意的是，氮化鎵器件目前並不適用所有砷化鎵射頻應用領域，比如手機中的射頻功率放大器晶片。此外，使用砷化鎵單晶襯底的射頻和光電器件，對質量的要求不一。而中國目前還大量進口高質量的砷化鎵單晶襯底。
除了前面提到的較為「傳統」的應用，鎵元素還和一個很重要的新興領域有關。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，處理的功率等級較高，對可靠性和成本的要求更高，其市場體量也更大。氮化鎵電力電子器件（如手機充電器）已經進入消費電子市場，不過其製造使用的仍然其他材料的襯底。使用同質襯底的氧化鎵則是高端電力電子器件的希望之星，已經被美國政府列入管控。
氮化鎵的晶圓襯底，則是另一個受資本關注的領域——也就是白（藍）光雷射器——的關鍵基礎，目前也有了長足的進步，越來越接近大規模商用。
中美鎵金屬供應概況
全球鎵材料的提取，主要是鋁土礦制鋁的副產品。中國企業大舉進入後，鎵大體上一直處於供應過剩的局面，目前估計中國出產的粗鎵（純度99.99%，俗稱四個九）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。也就是這之後，中國以外的一些實體相繼停止了粗鎵的生產。近年來，由於中國對相關產業的環保要求，以及疫情造成的供應鏈波動，導致過粗鎵價格短期上漲，但是也從未達到2012年之前的4000元水平；哪怕是最近幾年需求增長明顯，加上這次的出口管制帶來的粗鎵價格上漲，也不過是每公斤2000元人民幣出頭。回顧歷史，這個價格並不處於高位。
由於相關產業鏈的橫向整合模式，各個市場看到的場景差別很大。以中國來說，鎵材料產出主要受自身內部市場的需求驅動，主要是被（釹鐵硼）永磁材料、銅銦鎵硒薄膜光伏材料、照明光電等市場的高速增長消耗。中國也需進口一部分純度更高的精鎵，粗鎵的價格變動會影響精鎵的價格。從粗鎵到精鎵的附加價值不算太高，技術上也沒有特別顯著的壁壘。我們相信這次供應鏈風波會進一步推動中國精鎵提純產業。
氮化鎵半導體器件丨圖源：dignited.com
反觀美國則是另一個極端，他們的鎵100%依賴進口。在中國占主要地位的消耗鎵的產業，由於成本原因，在美國並不發達。美國的鎵系材料進口，主要是砷化鎵單晶襯底材料，數量相當可觀，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。由於美國目前對中國金屬鎵施行較高的關稅，後者在美國進口的占比已經降到不足一半。綜合看來，美國對中國來源的鎵的直接依賴已經降到較低水平。並且砷化鎵射頻器件所用的大部分材料，都能在製造階段消耗並回收利用（這也和對砷的環保要求相關）。實際上美國對中國進口鎵加稅的目的之一，就是保護美國本土仍然存在的回收利用鎵的實體。因此短期內受到中國出口管制直接衝擊的，主要還是歐洲、日本等國家的高端砷化鎵晶體材料的供應商。這些供應商的產能呈現全球化分工布局的形態，精確統計其供應鏈和鎵產品的物流也不是一件簡單的事情。這不禁讓人聯想到近來一些國家協同美國封鎖我國半導體的措施。
中美都大量進口的高質量砷化鎵單晶襯底，其工藝附加價值遠高於材料價值，對目前的粗鎵價格的波動並不敏感，所以不至於引起供應的波動。實際上，中國在這一領域一直面臨一定的供應風險。而自己的相關產品質量已經接近成熟，所以這次的風波，可能會促進國產砷化鎵單晶襯底在射頻領域的應用。
此外，中美也都進口含鎵外延生長所用到的高純材料，包括三甲基鎵、高純金屬鎵等。和體材料比它們的用量小，在最終產品成本結構中占比不大，也不會受太大衝擊。同樣地，這個領域中國用戶也面臨一定的供應風險，國內的供應商技術也接近成熟，因此鎵金屬出口管制可能會推動其商業應用。只是由於市場體量不大，資本的支持意願存疑。
鎵供應長期格局
接下來談一下對鎵供應長期格局的看法。我們已經看到，鎵資源並不是中國壟斷的。在鎵系材料最重要的射頻器件領域，並沒有可見的替代者。人們曾設想矽CMOS和鍺矽（這裡又涉及另一個列入出口管控的材料）器件能夠在移動終端市場顯著替代砷化鎵器件的份額，但是實踐的結果相反——砷化鎵器件的需求反而隨著通訊市場的發展而增大。除了射頻器件，照明光電這樣重要的產業，目前也沒有適宜的替代鎵的材料。另一方面，為了減少對鎵來源的依賴而進一步回收利用最終產品（手機晶片、永磁材料、PV薄膜等）中的鎵元素，經濟上也是不現實的。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濟，市場缺乏回收意願，而鎵只是在其中微量添加，這樣鎵的單獨回收就更無經濟意義。一個典型的手機射頻功放晶片中的鎵只有幾毫克左右，價值不到一分錢。因此在中國之外重建粗鎵供應的產業鏈基礎就是某些國家的必然選擇。我們按照目前價格估計，國外重建粗鎵供應成本不會低於每公斤5500元人民幣，但是也不會太高。而前文列舉的很多鎵材料的應用規模很小，對成本較大範圍的變動不敏感，因此都不會受到很大影響，也就無須過多討論。
我們更關注的是一些相對較大體量，又對成本敏感的產業，比如永磁材料、PV、照明光電等，以及前文提到的新興領域，這些更依賴鎵供應的穩定性。中國的高端射頻材料產業技術突破後，也會使得該產業形成類似今天許多產業因「內卷」致使價格降低的狀況。除非中國也通過更嚴的環保要求等之類的措施，導致大幅提高粗鎵提煉成本，否則不會有顯著的成本差價。對於中國以外的國家，要維持產業所需的市場體量，單純依靠政府補貼是不現實的，可能會出現貿易壁壘保護，而這又會進一步提高下游產業的成本。在中國已經具有技術能力的這些產業領域，本來就對成本敏感，這類貿易保護行為又可能引發更進一步的貿易保護。
整體來說，過去幾十年，鎵系材料發展的歷程，就是在人們的期望和不懈努力中，從通訊軍工逐漸走進工業生產和日常生活的過程。需求越來越大，供應鏈也越來越市場化。中國是全球製造業中心，對很多產業鏈都有舉足輕重的影響。產業鏈在全球範圍內的橫向整合分工，是全球化的結果，也是維繫全球化的一種力量。中國有關機構選擇了鍺和鎵這兩種稀有礦產資源實施管制，必然做過相應調研和權衡。但是從整體來說，與這兩種元素材料相關的產業鏈與其他的產業鏈沒有本質的不同。中國的反擊措施是不得已的反制，是警告性的。這將體現在其後的具體操作和影響中。鎵系材料的各種應用發展，短期內可能會受到一定影響，但不會影響鎵相關產業的長期發展走勢。
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