3 июля Министерство торговли Китая объявило, что экспортный контроль будет введен в отношении двух редких материалов, галлия (Ga) и германия (Ge), необходимых для производства полупроводниковых чипов. Это решение, возможно, было принято в качестве очевидного возмездия после того, как Соединенные Штаты и Европа ввели ограничения на экспорт чипсов в Китай. Ga и Ge будут подчиняться экспортные ограничения по состоянию на август. 1. Это означает, что экспортеры этого сырья должны запрашивать специальное разрешение у государства на отправку их за пределы страны.

То Закон США о чипсах и науке от 2022 года ограничен экспорт высококачественных микрочипов и технологий в Китай, что может иметь последствия для возможностей Пекина в связанных с обороной секторах, которые полагаются на высокопроизводительные вычисления. Кроме того, другие страны, такие как Япония и Нидерланды, также ввели ограничения на экспорт полупроводников.

Принятие закона о Закон о европейских чипсах сигнализирует о приверженности ЕС решению проблем цепочки поставок полупроводников и снижению зависимости от иностранных источников этих критически важных компонентов. Поддерживая инициативы, направленные на стимулирование отечественного производства микросхем и привлечение инвестиций в этот сектор, ЕС стремится повысить свою технологическую самостоятельность и конкурентоспособность в полупроводниковой промышленности.

Почему Ga и Ge актуальны для электроники?

Кремний на сегодняшний день является наиболее широко используемым полупроводником в электронике. Этот материал широко доступен, относительно дешев и прост в изготовлении. Ga и Ge, с другой стороны, обладают характеристиками, которые трудно имитировать, и из-за этого подходят для определенных специализированных применений. Они интегрированы в различные продукты, включая мобильные телефоны, компьютеры, солнечные панели, медицинское оборудование, многие виды оружия и другие виды применения.

Большая часть галлия (рис. 1) используется для получения арсенида галлия (GaAs), используемого в полупроводники обладает более высокой производительностью и меньшим энергопотреблением, чем кремниевый. Они используются в синих и фиолетовых светодиодах и радиочастотных устройствах, таких как усилители мощности, радиочастотные интерфейсы и антенны.

В силовой электронике и оптоэлектронике галлий является основой для получения нитрида галлия (GaN), широкополосного полупроводникового материала с превосходными свойствами, которые делают его ценным в различных электронных приложениях, особенно в энергетике.

Вот несколько причин, по которым GaN важен:

• Высокая плотность мощности: устройства GaN могут выдерживать более высокие напряжения и токи, чем традиционные устройства на основе кремния. Эта характеристика позволяет разрабатывать более компактные и эффективные силовые электронные системы.
• Высокая частота переключения: Благодаря присущей ему высокой подвижности электронов GaN обладает более быстрыми возможностями переключения, обеспечивая работу на более высоких частотах. Это, в свою очередь, снижает потери и повышает эффективность.
• Энергоэффективность: Устройства GaN имеют более низкие потери на проводимость и переключение, что приводит к более высокой энергоэффективности. Такое повышение эффективности может привести к снижению энергопотребления и увеличению срока службы батареи в различных приложениях.

Исследователи ценили германий на заре создания транзисторов из-за его превосходной подвижности электронов и дырок. Однако из-за некоторых ограничений германиевых транзисторов по сравнению с кремниевыми, таких как меньший коэффициент усиления, более ограниченная частотная характеристика и зависимость от перепадов температуры и напряжения, германий не так широко используется в современной электронике, как это было в прошлом.

Германий по-прежнему имеет определенное значение, особенно в следующих областях:

• Оптоэлектроника: Германий имеет узкую запрещенную зону, что делает его полезным для инфракрасных (ИК) детекторов и фотоэлектрических устройств. Он может поглощать и обнаруживать свет в ИК-диапазоне, что делает его ценным для таких применений, как приборы ночного видения и телекоммуникации.
• Легирующий элемент: германий используется для изготовления биполярных транзисторов с гетеропереходом (HBT) и полевых транзисторов (FET). Эти устройства находят применение в высокоскоростных и высокочастотных цепях.
• Германий превосходит кремний по своей способности противостоять разрушительному воздействию космической радиации, что делает его идеальным материалом для использования в космической технике, такой как солнечные элементы.

Где производятся Ga и Ge?

Галлий обычно не извлекается из первичных рудных месторождений, но часто встречается как побочный продукт добычи алюминия и цинка. К основным источникам галлия относятся:

• Китай: Китай является крупнейшим производителем галлия, в первую очередь благодаря значительному производству алюминия и цинка. По данным Critical Raw Materials Alliance (CRM Alliance), организации, созданной для пропаганды важности CRM для европейской экономики, на долю Китая приходится около 80% мировых поставок, получая его в основном за счет производства алюминия.
• Россия: Россия является еще одним крупным производителем галлия, опять же благодаря своей значительной добыче алюминия и цинка.
• США: В США также производится галлий, главным образом как побочный продукт переработки алюминия. Другие страны, такие как Австралия, Канада и Казахстан, также производят галлий, хотя и в меньших масштабах.

Следует отметить, что галлий также может быть получен путем переработки полупроводниковых пластин, созданных в процессе производства полупроводников (рис. 2). Однако, как только полупроводниковые матрицы встраиваются в устройства, количество галлия, присутствующего в каждом изделии, становится настолько незначительным, что их утилизация становится очень затруднительной.

Германий в основном получают как побочный продукт переработки цинковой руды. К основным источникам германия относятся:

• Китай: Китай является крупнейшим производителем германия, главным образом из-за значительного производства цинка. По данным CRM Alliance, Китай контролирует около 60% всех поставок германия.
• Россия: Россия является еще одним крупным производителем германия благодаря своей добыче цинка.
• США: В США также ведется производство германия, главным образом в качестве побочного продукта переработки цинка, с месторождениями на Аляске и в Теннесси. Другие страны, такие как Канада, Бельгия и Казахстан, также производят германий, но в относительно меньших масштабах.

Потенциальные риски для перехода к «зеленой» экономике

Поскольку Китай является крупным производителем Ga и Ge, его экспортные ограничения могут нарушить глобальную цепочку поставок этих материалов. Помимо того, что это приводит к дефициту и росту цен, сбои в работе могут повлиять на доступность компонентов и устройств, использующих Ga и Ge. Силовая электроника, системы использования возобновляемых источников энергии, электромобили и энергоэффективное освещение могут столкнуться с проблемами в удовлетворении спроса, хотя полупроводниковые компании преуменьшают последствия ограничений.

Широко распространено мнение, что в краткосрочной перспективе ограничения Китая на экспорт Ga и Ge почти сразу же повлияют на цены на эти материалы. Западным компаниям и организациям будет сложнее приобретать Ga и Ge, что приведет к повышению цен и увеличению сроков выполнения заказов.

Это может затруднить и затратить больше средств западным корпорациям на разработку электротехнической продукции (особенно более совершенной, такой как электромобили), что приведет к повышению цен для конечных пользователей.

Сложнее предсказать влияние на сектор электроники в долгосрочной перспективе. В то время как запасы германия достаточны в нескольких странах, таких как США, то же самое нельзя сказать о галлии.

Что можно предположить, так это то, что западные компании и правительства предпримут шаги по диверсификации поставок этих материалов. В дополнение к поиску новых каналов поставок, вероятно, будут предприняты усилия по увеличению местного производства Ga и Ge.

Однако металлическое сырье после добычи в Китае должно пройти химический синтез и очистку. Эти передовые технологии переработки по-прежнему находятся во власти транснациональных гигантов из США, Японии и Европы. Очищающие материалы необходимо будет экспортировать из китайских источников сырья, прежде чем повторно импортировать для внутреннего использования. Однако, если Китай продолжит вводить правила и разрабатывать передовые технологии очистки и синтеза, это в конечном итоге может оказать большое влияние на некитайский бизнес.

Ограничения на Ga и Ge могут побудить исследователей и заинтересованные стороны отрасли изучить альтернативные материалы с аналогичными свойствами. Это исследование может привести к открытию и разработке новых материалов или оптимизации существующих.

Примером такого материала является оксид галлия (Ga₂O₃), широкополосный полупроводник с превосходными электрическими свойствами. Он потенциально может быть использован в силовой электронике и высокочастотных устройствах. Га₂O₃ активно исследуется и обещает стать жизнеспособной альтернативой GaN и другим широкополосным материалам.

Еще один широкополосный полупроводник, который был исследован для различных электронных применений, включая оптоэлектронику, прозрачную электронику и электронная мобильность, представляет собой оксид цинка (ZnO).

Важно отметить, что пригодность и внедрение этих альтернативных материалов зависят от различных факторов, включая производительность, масштабируемость, надежность и экономическую эффективность. Текущие исследования и разработки направлены на оптимизацию этих материалов и изучение их потенциала в различных электронных приложениях.