第二届电力电子科普征文大赛-三等奖

上海科技大学 刘赜源

2023年7月3日，商务部和海关总署联合发布了一则重要公告，宣布对镓和锗相关物项实施严格的出口管制措施。根据公告内容，自8月1日起，该项出口管制政策将正式生效。届时，所有出口经营者都将被要求严格按照相关规定办理出口许可手续，如未遵守规定，将面临严厉的处罚措施。

图1 商务部和海关总署的公告

该消息一出，立刻引发了海内外的热烈讨论。评论区有人认为，这是针对美国对华芯片出口限制的反制措施。也有人认为，这是我国对重要的战略资源的保护措施。各大半导体芯片厂商，包括欧洲芯片巨头英飞凌，荷兰芯片制造商恩智浦半导体，以及晶圆厂台积电等公司，更是纷纷发表声明以坚定客户的信心，并稳定市场情绪。

不过，即使抛开国家层面的考量不谈，在如此热烈的反响中，我们也可以体会到镓和锗这两种材料在全球半导体产业中不可动摇的重要地位。

那么，镓和锗究竟是什么？他们有什么用途？在半导体产业中占据了怎样的地位？本文将分析镓和锗两种材料，揭开它们的神秘面纱。

一、走进镓和锗

1、发现背景

提到镓和锗，绝大多数人会感到陌生，实际上，早在1875年和1885年，镓和锗就已经被人们发现，并留下了门捷列夫预言元素的美闻。这一发现可以追溯到1871年，门捷列夫发现元素周期表中尚有11个元素的空位未被占据，而镓与锗就隐藏在其中。从某种意义上来说，这正好佐证了镓和锗的“小众”性，以至于人们在日常生活中几乎很少接触到它们。只有通过元素周期表这种科学的元素分类方式，才能发掘它们的存在。

图2 门捷列夫的元素周期表

2、生产方法

不仅是发现的时间晚，实际上，镓和锗的生产方式也和常人所想的不同。常见的金属，如铜，铁等，往往在自然界中具有富集的矿物形式，只需要开采相应的矿石并加以冶炼即可实现大批量生产。但是，对于镓和锗来说，事实却并非如此。

在自然界中，镓的含量很少，仅占地壳中的0.0015%，且分布很广，这说明如果想要提取和生产镓，都是极为困难的。当下，世界上绝大多数的镓都是在生产氧化铝的过程中的作为“副产物”所得到的，全球年产量大约仅有为300到400吨。

图3 镓

图4 含锗矿石

而锗也和镓类似，是在自然界中含量极少的元素，全球探明储量仅8600吨左右。锗在自然界中分布很广的同时又极其分散，几乎不存在集中的锗矿，这代表着想要开采就必须要伴随其他矿物的开采。在我国，锗厂常常是以含锗煤等含锗矿物，以及煤燃烧产出的含锗烟尘为原料来生产锗的。

从生产方法中可以看出，镓的生产依赖于成熟的氧化铝工业生产体系，而锗的生产则是需要含锗矿物的大规模开发。在中国，锗主要来自褐煤矿。中国成熟的氧化铝工业与煤矿工业，使得中国成为了镓和锗两大“小众”材料的世界产量第一的国家。

二、走向应用

1、崭露头角

作为19世纪末才被发现的材料，镓和锗显然没能参与到第一、二次工业革命中。在人们刚开始掌握电力的时候，并没有发现镓和锗有着什么过人之处。直到人类逐步迈向电子时代，在第三次工业革命中，镓和锗的用途逐渐被发掘出来。

众所周知，硅是制造芯片的主要材料，而锗，是被门捷列夫称为“类硅”的材料。因此，可以想象，锗的性质是和硅十分相近的，由此推之，锗也是重要的半导体材料。事实上，锗是人类最早所使用的半导体材料，锗单晶是第一代晶体管的材料。在20世纪50年代，锗和硅就作为第一代半导体的两大代表在电子领域中活跃。不过，在成本等诸多因素的影响下，硅逐渐成为了第一代半导体的绝对主力，而锗只能在一部分擅长的领域中“发光”了。

图5 含锗二极管

相比于锗早早的就在半导体领域声名鹊起来说，镓则是耗费了更为漫长的岁月才在半导体领域崭露头角。到了20世纪80年代，镓逐渐以化合物半导体材料的形式被人们所使用，如砷化镓。作为第二代半导体材料的代表材料，砷化镓在光电与微波领域展现出重要的作用，当下大部分通信设备的材料，都与砷化镓紧密相连。然而，由于砷化镓价格昂贵，其价格约为硅材料的十倍，且砷化物往往会对环境造成污染，这导致其应用范围受到很大限制。

不过，锗和镓的故事，还远没有结束，随着科技的不断进步，镓和锗在半导体领域的应用正变得愈发广泛和重要。

2、各领风骚

对于锗来说，虽然在芯片上，锗与硅的竞争力不可同日而语，但在其擅长的领域，锗具有不可或缺的重要地位，尤其在光学领域，锗被誉为“战略性资源”。首先，全球锗产量的30%被用于制造光纤。掺杂了锗的光纤具有容量大、光损小、色散低、传输距离长及不受环境干扰等优良特性，而四氯化锗也是制造光纤的重要原材料之一。另外，红外光学应用也占据了锗产量的30%。在成像系统中，锗是生产球面透镜和高效红外窗口的最常用材料之一。尤其是适用于军工中的热成像仪与红外雷达及其他红外光学装置，这也是锗称为“战略性资源”的重要原因之一。

图6 锗镜片

在能源领域，锗被广泛运用在太阳能电池的制造中，被用作砷化镓的衬底以提高能量转化效率。锗成本较高且砷难以无害化处理，其在民间推广较慢。但是，其抗辐射阈值与机械强度高，在空间太阳能应用中，具有不可替代性。

相比于锗，镓的应用则显得集中，半导体行业成为了镓最大的消费领域，约占总消费量的80%。镓有着“电子工业脊梁”的美称，其被广泛应用在光电工业与微波通信工业中，所依靠的就是前文所提及的砷化镓。日常生活中常用的LED发光二极管，主要材料便脱不开砷化镓与磷化镓这两种镓的化合物。

图7 发光二极管LED

不过，这并非镓材料的极限，随着电子技术的不断进步，到了本世纪初期，以氮化镓为代表的第三代半导体材料被发明并走向实用，带来了新一轮的电子产业新动力。

三、氮化镓——第三代半导体

自人类走进电子时代开始，半导体材料就是影响技术发展的壁垒之一，可以说，正是材料决定了电子产业的上限。而这一限制，也随着一代又一代的新半导体材料的出现而被打破。正如前文所说，当前，第一代半导体材料仍是当下主流，目前全球95%以上的芯片和器件的基础生产材料仍然是硅。第二代半导体虽然在相应领域不可或缺，但是应用范围仍然受限。而第三代半导体材料，已经在高温、高频、大功率器件领域崭露头角，并已经广泛渗透到新能源汽车，5G通信及航空航天等应用领域。这其中的翘楚，便是氮化镓。

图8 第三代半导体与硅的对比

上图很好地展现了第三代半导体相比于传统硅器件的诸多优势，可以看出，氮化镓，碳化硅这样的第三代半导体具有更优的电子迁移率，带隙，击穿电压等性质。直接来说，就是其更宽的禁带宽度允许材料在更高的温度、更强的电压与更快的开关频率下运行。而这些特点，使得更小的器件尺寸与更高的开关频率成为现实。这对于半导体尤其是功率半导体来说，是具有巨大意义的。

图9 各种功率半导体器件的常见工作频率和功率

可以看出，氮化镓将功率半导体的工作频率又提高了一个等级，兆赫兹级别的开关电源成为了可能，而这在电路设计中，尤其是在磁性元件的体积优化等方面，都有着不可忽视的意义。可以说，氮化镓材料已成为中小功率应用领域的规则改变者。

对于大众来说，可能并不好理解不同半导体的工作效率和功率之间的差别。但是，当我们提到氮化镓对日常生活中的常见应用所带来的改变时，大家可以直观地感受到新科技对生活带来的突破性改变。

1、 民用领域

一提到氮化镓，我们生活中最常见的可能就是各种各样的氮化镓充电器了，不论是手机充电器，还是笔记本电脑，常见的小功率等级的充电器，几乎都可以和氮化镓带上联系。近年来，当各大厂商纷纷推出自己的氮化镓充电器时，更是带来了一股氮化镓热潮。OPPO，小米，华为等老牌大厂纷纷推出了自己的氮化镓充电器。虽然传统充电器的体积并不大，但它们通常存在着一个普遍问题，即充电效率较低，导致充满一块手机电池需要相当长的时间。其便携性的需求限制了功率等级的提升。而氮化镓充电器不仅有着更小的体积，还为使用者提供了更高的功率。在功率密度上有着极大的增强。这种优势的实现，离不开氮化镓器件的加持。

图10 氮化镓充电器与普通场电器体积对比

另一方面，许多厂商基于氮化镓技术，推出了超薄饼干充电器。例如联想推出的ThinkBook 65W饼干氮化镓充电器，其厚度仅有12.7mm，非常便于携带，而这在传统的笔记本电脑电源适配器中是无法想象的。对于大功率的快充设备，厚重的变压器往往就占据了充电器的绝大部分体积。而在应用了氮化镓技术的充电器中，磁性元件的体积可以大大被优化，从而节省下来空间。

图11 ThinkBook 65W饼干氮化镓充电器外形

图12 ThinkBook 65W饼干氮化镓充电器内构

可以看出，充电器内部磁性元件（黄色胶带缠绕的平面变压器）的体积被极大程度减小了，这是由于氮化镓器件的应用带来了超高的工作频率所实现的。

可以预见的是，未来，氮化镓器件会更多地被运用在生活中的其他场合，诸如新能源汽车等领域，以氮化镓为代表的第三代半导体的身影会越来越多。

2、 军用领域

除去人们日常生活中所见的种种方面，其实，氮化镓在军事应用中也大有可为。目前，氮化镓是5G电子设备和大型搜索雷达的首选半导体，而战斗机火控雷达有望在氮化镓的加持下，实现自20世纪90年代末采用有源相控阵技术以来最大的一次性能飞跃。

图13 有源相控阵雷达

在21年4月，美国雷神公司透露其在美海军陆战队的F/A-18C“大黄蜂”战斗机上换装了采用氮化镓材料的有源相控阵雷达。这是氮化镓材料第一次出现在机载火控雷达的应用上。雷神公司称，相比传统砷化镓材料，氮化镓可以在相同阵列尺寸，孔径和功率总量的情况下，实现双倍的探测距离能力。

不局限于飞机，各种用途的相控阵雷达都可以在氮化镓的加持下实现性能的增强，不论是大型防空雷达，还是驱逐舰上的大型相控阵雷达都可以实现性能的进一步飞跃。由此可见，镓材料在国防产品中的应用难以被取代。

图14 大型防空相控阵雷达

四、结语

距离商务部和海关总署联合发布镓和锗的出口管制公告已经过去将近一个月的时间了，然而，该事件的影响仍在持续发酵，吸引了众多关注。7月26日，五角大楼宣称计划从现有废物流中回收镓。“这种回收而非开采是让美国更容易、更快获得这些材料的方法。”这一回应，再次显出了这两种材料在现代半导体工业的无可取代。

该事件最终会走向何处我们尚未无法清晰得知，但是镓和锗作为两大不是稀土却胜似稀土的元素，却以这样的方式走进大众的视野。随着电子技术的进步和需求的不断变化，它们在半导体领域的重要地位和应用前景也将愈发广阔。这两种材料将继续发挥着关键作用，推动电子产业的创新和发展，引领人类走向更加先进、智能的电子时代。

参考资料

[1] http://aqygzj.mofcom.gov.cn/article/glml/202307/20230703419666.shtml

[2] https://www.sohu.com/a/696364198_121097259

[3] https://baike.baidu.com/item/%E9%95%93/637652#6

[4] https://baike.baidu.com/item/%E9%94%97/637159#7

[5] https://www.sohu.com/a/643941334_120113054

[6] https://zhuanlan.zhihu.com/p/641536874

[7] http://baike.asianmetal.cn/metal/ge/application.shtml

[8] http://cn.hypoptics.com/components/infrared-lenses/germanium-lenses.html

[9] http://baike.asianmetal.cn/metal/ga/application.shtml

[10] https://ep.cannews.com.cn/publish/zghkb7/html/4561/node_189337.html

[11] https://www.zhihu.com/question/553820294/answer/2712146588

[12] https://zhuanlan.zhihu.com/p/615846900

[13] https://www.zhihu.com/question/610105939/answer/3103528883

[14] https://m.gmw.cn/2023-07/28/content_1303457492.htm?source=sohu