芯片制造主要用硅，為什么管制鎵和鍺的出口？

導(dǎo)語：中美在半導(dǎo)體領(lǐng)域的博弈正從單向的制裁轉(zhuǎn)入有來有往的深度博弈階段。

2023年7月3日，中國商務(wù)部和海關(guān)總署發(fā)布公告，“為維護國家安全和利益，經(jīng)國務(wù)院批準(zhǔn)，決定對鎵、鍺相關(guān)物項實施出口管制?！惫嬷谐藢︽墶㈡N這兩種材料做出限制，同時對氮化鎵、砷化鎵、鍺外延生長襯底、四氯化鍺等包含鎵和鍺元素的半導(dǎo)體材料也一同做出限制。

中國是世界上最大的鎵和鍺生產(chǎn)國，有媒體認(rèn)為，這是中國回擊美國的半導(dǎo)體限制的最新舉措。

鎵和鍺是構(gòu)成半導(dǎo)體的重要材料，也是芯片制造的關(guān)鍵元素。其中氮化鎵（GaN）化合物可用于手機、電腦的LED顯示屏，也廣泛用于照明、電源、通信等領(lǐng)域。而鍺主要用于光纖通信、夜視鏡和衛(wèi)星上的太陽能電池。此外硅鍺（SiGe）是一種重要的半導(dǎo)體應(yīng)變材料，可大大提高晶體管的速度，在高速芯片中有著廣泛應(yīng)用。

就在一個月前，中國宣布對美國最大的半導(dǎo)體存儲器公司美光公司進行安全審查，中美在半導(dǎo)體領(lǐng)域的博弈正從單向的制裁轉(zhuǎn)入有來有往的深度博弈階段。

那么，這一次為什么是鍺和鎵？這兩種元素在芯片制造中發(fā)揮什么作用？

沒有鍺，就沒有第一個半導(dǎo)體晶體管和芯片

盡管在半導(dǎo)體制造中，硅占有當(dāng)之無愧的主導(dǎo)地位，但實際上現(xiàn)代芯片制造早已超出了硅的范圍。

元素周期中的一半的元素已經(jīng)被用于半導(dǎo)體制造中。有一個說法，為了繼續(xù)推進摩爾定律，人類將窮盡元素周期表的所有元素。而鍺在半導(dǎo)體領(lǐng)域是不可或缺的重要元素，并且曾為芯片產(chǎn)業(yè)立下汗馬功勞。

1947年，貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克利發(fā)明的人類第一個晶體管就是用鍺制成的。1958年德州儀器的基爾比發(fā)明的人類第一顆芯片也是用鍺制成的。

在元素周期表中，鍺跟硅一樣同屬于IV族元素，但是鍺位于硅的正下方，只比硅多一個電子層。這決定了鍺具有跟硅類似的半導(dǎo)體特性，可以用來作為開關(guān)和放大信號。純凈的鍺和硅一樣都是一種閃著金屬光澤的固體。但是鍺的熔點遠低于硅，更容易熔化后制成晶體，所以早期的晶體管都是用鍺制成的。

鍺的研究可以追溯到二戰(zhàn)期間，為了研制出小巧的機載雷達，美國普渡大學(xué)的本澤爾在鍺中添加了一些金屬錫，使得鍺二極管能夠耐受高電壓，從而提高了雷達的可靠性。此后，貝爾實驗室受此啟發(fā)，用耐高壓的鍺晶體發(fā)明了第一個晶體管。

沒有鍺，就不可能有晶體管的發(fā)明。

但是鍺由于多一層電子，所以電子更加活躍，特性更加趨近金屬。但是這也導(dǎo)致了鍺的禁帶寬度比較小，如果溫度高于70攝氏度，鍺晶體管就無法正常工作了。1954年德州儀器公司的蒂爾在一次公開演示中把收音機里的鍺晶體管泡進熱油里，收音機里的音樂停止了。從那時起，硅晶體管開始登上歷史舞臺。

但是這并不意味著鍺被掃入了歷史博物館。人們又為鍺找到了新的應(yīng)用——應(yīng)變工程，可以大大提高晶體管的工作速度。

在主流的CMOS硅晶體管上，隨著晶體管尺寸縮小，電子移動速度逐漸達到了極限。工程師在硅晶圓上摻入硅鍺，使得表面的硅晶圓發(fā)生應(yīng)變，強行將硅原子間距撐大，這樣界面處的電子就能以更快的速度行進，從而提高了晶體管的開關(guān)速度，如今這已經(jīng)成為現(xiàn)代高速芯片中必不可少的主流技術(shù)。

從藍光LED、充電器到5G基站，“鎵”悄然改變世界

說到鎵，它在現(xiàn)在半導(dǎo)體中也不可或缺，由鎵元素可以構(gòu)成氮化鎵和砷化鎵，后兩者在照明、顯示屏、光電器件、功率器件和通信器件中不可或缺。

鎵元素屬于III族，一般不會單獨使用，而是作為化合物結(jié)合成氮化鎵和砷化鎵等。這兩種化合物屬于直接半導(dǎo)體，可以直接發(fā)光。與之相反，硅屬于間接半導(dǎo)體，幾乎發(fā)不出光線，早期用硅制造發(fā)光LED的努力都以失敗告終了。

1962年，麻省理工學(xué)院用砷化鎵做出了第一個紅外LED，而通用電氣在三個月后用砷化鎵制作出了第一個紅外半導(dǎo)體激光器。從此砷化鎵半導(dǎo)體大放異彩，在此基礎(chǔ)上誕生了紅外激光的CD機。

至于氮化鎵，從上世紀(jì)70年代到90年代一直不被看好，直到日本的中村修二在1993年用氮化鎵發(fā)明了第一個實用的藍光LED。有了藍光LED，就能跟此前研發(fā)出來的紅色和黃色LED組成三原色，用于彩色顯示，使得超薄電視和顯示器變得可能。由于藍光的頻率最高，藍光LED的研制難度最大，普通的砷化鎵無法發(fā)出藍光，只有氮化鎵才能做到。

此外，有了藍光LED，涂上一些粉劑就能制成白光照明的LED。LED燈的每瓦光通量是白熾燈的20倍，不僅更亮，還大大降低了能耗，由此氮化鎵的藍光LED引發(fā)了新一代的照明革命。

業(yè)界終于醒悟過來，轉(zhuǎn)向了氮化鎵的研究，在其中添加其他元素制造出了藍色激光器等，才有了后來的藍光光碟機。

氮化鎵的應(yīng)用也突破了光電領(lǐng)域，應(yīng)用到了電源領(lǐng)域（如手機和筆記本電腦的快速充電）以及無線通信等領(lǐng)域。

由于氮化鎵的禁帶寬度高，因此具有優(yōu)良的功率轉(zhuǎn)換效率。在同等體積下可實現(xiàn)更高的充電功率，或者在同等充電功率下有更小巧的體積。氮化鎵充電器是目前快速開關(guān)充電器的最佳選擇。

此外，氮化鎵在無線通信領(lǐng)域有著很大優(yōu)勢，氮化鎵射頻功率放大器（PA）具有更快的開關(guān)速度，可用于更高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。在5G通信中氮化鎵是主要的半導(dǎo)體材料之一。與其他半導(dǎo)體相比，氮化鎵器件的功率更大、頻率更高、體積更小、可以承受更高的工作電壓。在5G通信基站中可以有效減小收發(fā)通道數(shù)，從而降低整體成本。

在無人駕駛汽車中，需要激光雷達對周圍物體和環(huán)境快速掃描，生成電子地圖。氮化鎵場效晶體管的開關(guān)速度是傳統(tǒng)的MOS晶體管的十倍，使得激光雷達具有更快的響應(yīng)速度和更佳的圖像解析度。

由于鎵和鍺是最基本的半導(dǎo)體制造元素，而中國是最大的鎵和鍺的生產(chǎn)國，短期內(nèi)中國出口的減少意味著市場上價格的上漲，進而影響這兩種元素制成的半導(dǎo)體材料以及功率、顯示、無線通信器件、高速芯片等，并改變電動汽車、5G通信、照明、顯示和快速充電等產(chǎn)品在世界的份額。