芯片制造的关键材料金属镓！中国储量全球第一，欧美也要大量进口

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众所周知，作为“工业维生素”，稀土是一种重要的战略金属资源，没了它，很多高科技产品都玩不转。而有一种战略金属资源，同样在高科技领域中应用广泛，也是芯片制造的关键材料。这种资源与稀土一样，都是我国的优势矿种，储量和产量全球第一。那么，到底是哪种战略金属资源？这就是接下来为各位介绍的金属镓。

镓是一种银白色的稀有金属，它的熔点很低，是自然界中少有的在常温下呈液体的金属。由于它在地壳中含量稀少，分布又比较分散，所以没有独立的矿床，主要与铝、锌、锗等矿物伴生，比较难提取。要知道，2020年全球粗镓产量也不过是300吨，其中，中国的产量就高达290吨，占全球产量的96%以上，其它的粗镓产国连中国的零头都不到。

不止是产量，中国的金属镓储量同样是全球第一。根据美国地质调查局（USGS）公布的数据，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 ；相比之下，美国的储量还不到中国的1/40，只有0.45万吨。可见，与稀土一样，金属镓也是我国手中的一张王牌。

那么，这种金属资源到底有什么用？首先，它是芯片制造的关键材料。提到半导体材料，各位可能会想到碳化硅，但或许不知道氮化镓，它们都是第三代半导体的关键材料。相比硅材料，氮化镓的禁带宽度、电子饱和迁移速度和击穿场强都更胜一筹，这些优点使其在射频器件和电力电子器件的制造上更有优势。

比如近年来大家广泛关注的5G技术，它所使用的高频无线电波脉冲芯片组，就是用氮化镓来制造的，并且这种材料耗电少、发热少，还能够在800摄氏度的高温下工作，相比碳化硅，成本也相对低一点。

其实，除了在半导体领域得到“重用”之外，金属镓以及它的一系列化合物已经广泛应用于新能源汽车、LED照明、太阳能电池以及雷达等众多领域 ，它的很多用途与当前的绿色能源和低碳经济息息相关。

这些年来，节能减排日益受到全球各国的关注，《巴黎协定》还致力于推动各国制定并落实减排任务。可以预想，未来全球对镓的消费需求会越来越大，这种资源在日后也会更“大有可为”。

正因为意识到它的重要性，而且自身储量不多，欧美、日本等国家早就对镓资源进行管控和储备，比如欧盟在2010年发布的14种矿产原料紧缺名单中，镓就位列其中；美国在2018年也将镓列入35种关键矿产清单中 。

然而，日本是全球镓第一大消费市场，美国则紧随其后，欧盟也是重要的镓消费市场，它们自己的镓资源没怎么开发，那么就需要依赖进口了，这其中很大一部分镓就进口自中国。

其实刚也提到，中国的粗镓产量已占到了全球的96%以上，有分析指出，可能也是由于中国的产量大，甚至出现产能过剩，抑制了其它国家的生产。过去几年，哈萨克斯坦、匈牙利、德国和乌克兰等国已先后停止了初级镓的生产，所以我们才会看到，全球粗镓产能几乎被中国垄断。

当然，欧美日等发达国家用到的镓资源并非100%从中国进口。随着镓回收利用技术的不断发展，如今，全球再生镓的产量已经不低了，2020年的产量便达到250吨，并且还呈现逐步上升的趋势，未来甚至不排除会超过粗镓的产量。

所以，欧美等发达国家也有一部分的镓供应来自这些再生镓，尤其是回收产业发展最好的日本，已经有一半的镓供应来自本国的回收产业，逐渐摆脱对中国的依赖。

这些年来，我国新能源汽车、光伏、LED照明等产业迅速发展，也带动了镓以及它的化合物等消费量迅速增长，但不完美的地方在于，我国半导体等产业的发展还落后于美日韩等发达国家，因此，我国的高端精镓产品（高端电子元件）也仍高度依赖进口，这从芯片成为我国第一大进口商品便可以窥探一二。

值得注意的是，近年来，为了解决芯片“卡脖子”等难题，我国已经开始大力发展芯片产业，并提出到2025年将芯片自给率提升到70%的目标。可以见得，接下来国产芯将加速崛起，未来我国的高精镓产品对外依赖也会逐渐降低。

另外，作为我国的一种优势矿种，与欧美国家一样，我国也早就对镓资源进行了相关的管控。比如2011年，我国便将镓列入战略储备金属，计划在适当的时候对它进行收储。随着镓资源重要性日益提升，相信我国还会对这种战略资源进行相关的保护。

文 | 梁锦源 题 | 曾艺 图 | 卢文祥 审 | 陆烁宜

沙子快没了！别担心，造芯片主要用的不是它

来源:科技日报

在手机、电脑、智能手表这些电子设备中，芯片是其最核心的零部件。芯片也是半导体行业集成度最高的元器件，而生产其所用的硅材料，主要来源于沙砾。

近日英国《自然》杂志发文称，目前沙子和砾石的采掘速度，已超过其自然恢复的速度。因此，地球上沙子的需求量可能很快就会超过供给量。一时间，“沙子快没了”的消息在网上引发热议。

硅是半导体行业的基石，而沙子是提取硅的重要原料。近半个世纪以来，半导体行业的迅猛发展，是否造成了沙子的过度采掘？沙子资源枯竭是否会引发半导体行业的发展危机？

就上述问题，科技日报记者采访了业内相关专家。

凭存量大、易提纯特性脱颖而出

沙子是地球地壳中含量较丰富的物质，沙子中所含有的元素硅，是地球地壳中第2大组成元素，约占地壳总质量的25%。沙子的种类主要有两种：天然沙和机制沙，天然沙又可被分为河沙、海沙和山沙。

那么，为何硅成了制造半导体器件的基础材料呢？

“这主要是因为，硅的化学性质较稳定，具有优异的半导体特性；其次，硅的储量极为丰富，在地壳中的丰度高达27.72%。”北京理工大学材料学院副研究员常帅在接受科技日报记者采访时表示，此外如今单晶硅制取技术十分成熟，相关的基于硅片的半导体制造工艺如掺杂、光刻等也已普及，制造成本相对可控。

黄河上游水电开发有限责任公司是一家从事硅材料制造的企业，其青海新能源分公司副总经理秦榕在接受科技日报记者采访时也指出，硅之所以成为半导体行业的“灵魂”原料，主要是由硅的化学性质决定的。

“在工业生产中，提纯硅比较容易，并能达到很高的纯度。凭借存量大且易提纯的特性，硅材料的制造成本越来越低，这也在一定程度上降低了手机、电脑等终端产品的定价。过去，笔记本电脑动辄上万元，现在只需几千元就能买到配置很好的电脑。”秦榕说。

沙子要变成硅材料，要经过怎样的历程？

常帅介绍道，首先，要用碳将硅从富含二氧化硅的沙子中提取出来，通过炭粉还原的方式，将沙子中的二氧化硅转换成纯度超过98%的硅材料，这种材料也被称为工业硅。但纯度98%的工业硅，还不能用于芯片制造，还需应用一些化工工艺将工业硅进一步纯化。纯化后的硅属于多晶硅或无定形硅，此时硅的纯度虽达标，但由于其内部的原子排列很混乱，依旧无法直接应用于精密半导体器件的一线生产。所以，需要通过一些方法将纯度达标的硅材料制成单晶硅。在实际生产操作中，工作人员主要是通过直拉法或区熔法，将多晶硅或无定形硅转换成为单晶硅硅锭。

“简而言之，只有高纯度的单晶硅，才能用作生产材料。”常帅说。

半导体行业用硅量非常有限

沙子是仅次于空气、水，全球需求量最大的自然资源，也是人类生产活动必不可少的基础性原材料。

统计显示，当前全球沙子年产量约为500亿吨。英国《自然》杂志刊文指出，这个用量比自然再生率要高。到本世纪中叶，需求量就可能超过供给量。而前不久，来自联合国环境规划署的一份报告显示，最近20年，随着消费模式的转变、人口的增长、城市化和基础设施的发展，人类对沙子的需求量增加了3倍。

那么，全球沙子的存量是否够半导体行业未来发展所用？沙子存量日益减少，是否会引发半导体行业原材料价格的上涨？

常帅认为，半导体行业的迅猛发展和沙砾过度采掘之间并无太多相关性。“实际上，《自然》所报道的沙子供不应求的情况最可能出现在建筑行业，因为建筑用沙有一定的标准，沙漠中的沙子或海沙一般都不符合要求，只有河沙合适。加之，近年来建筑行业的快速发展，导致世界各地的河沙开采和消耗速率超过了自然恢复速率。”他说。

常帅还提出，半导体行业所用的硅材料，其主要来源并不是河沙，而是各种含硅的矿石，如脉石英、石英砾石等。这些矿石在地球的储量非常大，而且半导体这种高精尖化产业对硅材料的消耗量远小于建筑行业，因此“沙子不够用”这一问题不会成为半导体行业发展的瓶颈。

“全球多晶硅年产能约为64万吨，用于制造芯片的只有3万吨；半导体用硅材料，仅占全部硅材料总产量的5%。半导体行业用硅量非常小，即便沙子真不够用，也很难引发原材料价格整体上涨。”秦榕表示，其实在整个硅材料应用中，半导体只是一个很小的应用领域，大量的硅材料，如太阳能级硅、有机硅等都被用于建筑、运输、化工、纺织、食品、医疗等领域。

“我们日常生活中的很多东西，都会应用到硅元素，比如通信用的光纤、农药、洗发水、化妆品等，只是我们很少关注罢了。”秦榕说。

目前没有可替代硅的原材料

虽然短期内，不用操心沙子变少会对半导体行业产生重大影响，但是我们还会有隐隐地担忧：倘若有一天沙子真没了，是否有能替代硅的新原料？

对此，秦榕和常帅都认为，以如今的技术水平来看，尚难找到替代性原料。

“目前尚没有可替代硅的新物质。”秦榕表示，“信息技术第一法则”摩尔定律指出，集成电路上可容纳的元器件数目每18个月约翻1倍。“可元器件的数量不可能无限制地增长下去，单位面积上可集成的元器件数目会达到极限，这之后必然会出现新技术，但什么时候能出现不得而知，所以半导体器件制造依旧会沿袭现有工艺，硅依旧会是主要制造材料。”她说。

除了技术因素外，在寻找替代性材料时，成本是最大的考量因素。

秦榕认为，在对成本考虑较少、对技术可靠性要求较高的航天、军事等领域，或许能用得起硅材料的替代品。但在绝大部分领域，替换现有“物美价廉”的硅而转用其他材料，很可能会导致电子信息类产品成本暴涨。

常帅的观点佐证了以上说法。他认为，目前在材料领域，科学家虽针对取代硅材料的新型材料展开了种种研究，但这些研究主要是围绕弥补硅材料的一些固有缺陷进行的，如硅材料的载流子迁移率还不够快、透明性及发光性差等，这些劣势限制了其在半导体某些领域里的应用。

“对于各种新型材料，不管是早期的砷化镓还是当下炙手可热的石墨烯，抑或是各种有机半导体材料，它们在实际应用中，受制于工艺繁琐或成本高昂，尚无法撼动硅材料的霸主地位。而且，虽然一些材料在某方面的性能或许能超过硅，但在其他方面却存在这样或那样的缺点。可能在不久的将来，当材料技术获得突破，这些缺点都被克服，那么替代硅的材料就真的出现了。”常帅表示。

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