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短板仍在,形势依然严峻——浅议对镓的出口管制

 HDTV 2023-07-06 发布于广东

最近海关发布了对两种稀有金属镓、锗的出口管制规定《关于对镓、锗相关物项实施出口管制的公告》。

生产镓产品主要有原生镓与再生镓,根据产品品质的不同,原生镓又分为粗镓与精镓。

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镓的熔点不到30度,可在手中融化

粗镓主要分布在中国、日本、乌克兰、哈萨克斯坦和加拿大等国。2020年中国粗镓产量约为336吨。生产粗镓的企业主要为有色金属冶炼厂和大型氧化铝厂,如中国铝业、乌克兰尼古拉耶夫铝厂,哈萨克斯坦的巴甫洛达铝厂等。显然乌克兰的这家现在已经不用考虑了。2000-2009年期间,中国的粗镓出口量大,导致粗镓价格低迷,实际上我们吃了不少亏。后来国内的镓消费量逐渐上升,2020年达到288吨,相应出口量也下降了不少。

全球精镓的主要生产企业分布在日本和美国。主要有日本同和矿业和美国世界镓股份有限公司等。2019年的世界精镓产量约330吨。再生镓的生产国家主要是美国和日本。再生镓的回收率大约40%。日本再生镓的主要生产公司主要有住友化学株式会社和拉莎工业株式会社等。2019年世界再生镓产量270吨。中国2020年的再生镓产量46.4吨。

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镓是第三、四代半导体所需的重要元素

所以近来媒体报道的我国的镓产量最大是指粗镓。而高纯度的精镓生产我们并不是老大。而且我们在出口镓的同时仍需要进口镓,比如2020年进口了5吨镓,2021年进口了6.4吨,我估计就是精镓。

对于镓相关物项,美国人其实早就对华管制了。在2022年8月,美商务部宣布对华的出口管制清单里就列入了一种镓化合物——氧化镓(GaO)。这是一种被称为第四代半导体的化合物。之前很多人耳熟能详,用在有源相控阵雷达上的氮化镓(GaN)还只算是第三代半导体。当然管制类氧化镓的纯度应该很高,估计要达到6N(99.9999%)或7N(99.99999%)。

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半导体材料的发展,网图侵删

氧化镓的主要特点之一是禁带宽度大。氮化镓的禁带宽度大概在3.5eV,氧化镓的禁带宽度在4.8eV。器件的反向耐压,正向压降都和这个指标高度相关。而且,禁带宽度高意味着光电器件所发出的光或能够探测的光波长更短。氧化镓的另一特点是材料的击穿电强和巴利伽因子(也叫节能指数)很高,非常适合制作功率电子器件。硅的击穿电强只有0.3MV/cm,巴利伽因子为1;氮化镓的击穿电强为3.3MV/cm,但巴利伽因子只有810。而氧化镓的击穿电强有8MV/cm,巴利伽因子高达3444。说明可以输出更强的功率,同时开关时间更短、损耗更低。

所以美国在一年前就对华管制氧化镓的出口。它这么肆无忌惮地对中国下手还是因为在氧化镓的晶体制备和外延方面中国还落后于世界先进水平。在氧化镓单晶制备方面最先进的工艺掌握在日本诺维晶科(NCT)手里:2018年该公司采用导模法成功生长最大6英寸氧化镓单晶。而2019年中电科46所才用导模法制备了4英寸氧化镓单晶,制备6英寸单晶则是2023年2月份的事了,估计还是用的导模法。导模法生长速度快,质量最好;但必须用坩埚。然而坩埚易损且有使用次数限制,且材料是用最稀有的金属铱(Ir)。长晶设备中的坩埚一个价格就超500万元。这玩意的价格是黄金的三倍,中国可不多,需要进口。南非才是世界主要产地。

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扫描电镜下的氧化镓

镓相关物项的出口管制是必要的,有助于提高粗镓等原料的出口价格。但是从上述的氧化镓及制备设备情况也能看出我们在高纯度制品上受制于国外的程度。如果在这些方面我们不尽快突破的话,光是在粗镓的出口上进行管制并不能从根本上解决对手以制裁来要挟我们的问题。当然,反过来说,国外对华的镓相关产品出口管制也可以刺激我们在国内尽快形成比较完整的高端镓半导体产业链。

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