無人機帶火 " 科技小金屬 "

無人機需求快速增長,，鍺價站上歷史高位,。

近期,，國內鍺市場情緒較為高漲，市場報價接連上調,，6 月以來價格步入上漲通道，個別廠商報價已沖至 14000 元 / 千克附近,，少批量成交價格集中在 12000 元 / 千克 ~13000 元 / 千克,。

多年來，鍺價難以突破萬元關口,。對于 6 月以來鍺價格的持續(xù)上探,，中國有色金屬協(xié)會銦鉍鍺分會分析表示，一方面是無人機帶來的新需求,，另一方面也是原料端的供應格局,，兩方因素共同影響導致鍺價走高,。

從供應端看，鍺是鉛鋅礦副產(chǎn)品之一,。環(huán)保壓力下,，鉛鋅冶煉廠減停產(chǎn)間接導致鍺原料緊張，此前雖有新原料補入市場,，但仍難以緩解市場整體原料緊張的格局,，因此持續(xù)助推鍺價走勢。

從需求端看,，地緣沖突使得搭載鍺紅外光學器件的無人機需求快速增長,，彌補此前疫情紅外測溫儀需求。近期紅外光學器件用戶集中采購,，在市場上搶購區(qū)熔鍺錠,，使得本就供應偏緊的市場，愈發(fā)緊張,。5 月下旬以來,，市場出現(xiàn)惜售，鍺錠及二氧化鍺價格應聲上漲,。

除無人機領域外,，鎵、諸是半導體關鍵金屬,，它們也都是戰(zhàn)略性電子材料,。因為它們屬于第四代半導體材料，相比前幾代在光譜相應范圍和遷移率上都有比較大的優(yōu)勢,。

根據(jù)公開資料,，我國金屬鎵的消費領域包括半導體和光電材料、太陽能電池,、合金,、醫(yī)療器械、磁性材料等,，其中半導體行業(yè)已成為鎵最大的消費領域,，約占總消費量的 80%。

而鍺也是重要的半導體材料,，在半導體,、航空航天測控、核物理探測,、光纖通訊,、紅外光學、太陽能電池,、化學催化劑,、生物醫(yī)學等領域都有廣泛而重要的應用,。

美國儲量第一卻不開采

我國全球供給超六成

需要注意的是鍺難以獨立成礦，常以化合物形式存在于閃鋅礦,、硫砷銅礦,、銀鉛、鐵礦及煤礦中,。

全球原生鍺主要來自鋅冶煉的副產(chǎn)品,、獨立鍺礦床、含鍺褐煤提取,。除原生鍺以外,，再生鍺 ( 從含鍺廢料中回收的鍺金屬 ) 也是鍺行業(yè)的重要原料來源，但原料供應和生產(chǎn)技術方面都存在不確定性,，產(chǎn)量不穩(wěn)定,。

目前全球鍺資源稀缺且集中度較高，全球鍺儲量以美國 ( 45% ) 和中國 ( 41% ) 為主,。據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院,，截至 22 年 3 月全球已探明鍺資源保有儲量約為 8600 t。按鍺儲量排名依次為美國 3870t,、中國 3500t、俄羅斯 860 t,，分別占比約 45%,、41% 與 10%。

國內主要分布在云南,、內蒙古,、廣東、貴州,、四川等地,。其中，美國雖然是全球鍺資源儲量最大的國家,，但自 1984 年就將鍺作為國防儲備資源進行保護,，尤其是近幾年已基本不再進行鍺的開采。從鍺產(chǎn)量來看,，2013 年以來,，中國鍺產(chǎn)量全球占比基本保持在 60% 以上，成為全球重要鍺供應國,。

作為一種重要的戰(zhàn)略金屬資源,，鍺受到了各國的高度重視。美國,、歐盟,、英國等國家都將鍺列入了關鍵礦產(chǎn)或緊缺礦產(chǎn)的目錄,，對鍺進行了管控和儲備。

美國是最早對鍺進行保護的國家之一,。早在 1984 年,，美國就將鍺列入國防儲備進行保護，到了 2018 年,，又將鍺列入 35 種關鍵礦產(chǎn)目錄中,。所以近年來，美國已經(jīng)不再進行鍺的開采了,，而是大量依賴進口,，其中 58% 的鍺金屬都是從中國進口。

中國雖然是全球最大的鍺生產(chǎn)國和出口國,，但并沒有對鍺進行類似的管控和儲備,。2016 年，國土資源部也曾發(fā)布公告,，將石油,、天然氣等 24 種重要資源列入戰(zhàn)略性礦產(chǎn)目錄，但金屬鍺并不在其中,。因此,，中國每年都有大量的鍺出口到美國、德國,、加拿大等國家,，是全球最主要的鍺供應商。

這樣的供給情況,，其實同稀土有一些相似之處,。

值得注意的是，由于鍺在現(xiàn)代高新技術領域和國防建設中的重要性,，西方發(fā)達國家均從維護國家安全和經(jīng)濟安全的高度出發(fā),，建立了比較完善的出口和戰(zhàn)略儲備管理體系。

而隨著全球半導體科技領域競爭日趨激烈,，我國商務部,、海關總署于去年 7 月發(fā)布《關于對鎵、鍺相關物項實施出口管制的公告》,，決定對鎵,、鍺相關物項實施出口管制。其中包含金屬鎵,、氮化鎵 ( 包括但不限于芯片粉末,、碎料等形態(tài) ) 、砷化鎵 ( 包括但不限于多晶,、單晶,、芯片,、外延片、粉末,、碎料等形態(tài) ) 及金屬鍺,、區(qū)熔鍺錠、鍺外延生長襯底等,，出口商如果想開始或繼續(xù)出口,，將需要向中國商務部申請許可證，并需要報告海外買家及其申請的詳細信息,。

長期來看,，鍺和鎵的化合物是重要的半導體材料，半導體行業(yè)金屬鎵消費量約占其總消費量的 80%-85% ( 長江有色金屬網(wǎng)數(shù)據(jù) ) ; 據(jù)美國地質調查局 USGS 數(shù)據(jù)顯示,，從全球產(chǎn)量分布來看,，中國的家鍺金屬產(chǎn)量占比最高，分別高達 90%,、68%,，為保障國家重要戰(zhàn)略資源的安全性，未來我國鎵,、鍺的出口配額或將降低,，國內或將加速推進高性能半導體材料的自主研發(fā)生產(chǎn)進程。

推動第四代半導體落地

半導體材料行業(yè)是半導體產(chǎn)業(yè)鏈中細分領域最多的產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié),，根據(jù) SEMI 的分類與數(shù)據(jù),，晶圓制造材料包括硅片、光掩膜,、光刻膠及輔助材料、工藝化學品,、電子特氣,、拋光液和拋光墊、靶材及其他材料,，封裝材料包括引線框架,、封裝基板、陶瓷基板,、鍵合絲,、包封材料、芯片粘結材料及其他封裝材料,，每一大類材料又包括幾十種甚至上百種具體產(chǎn)品,，細分子行業(yè)多達上百個。

半導體材料成本拆分

硅片及其他襯底材料是半導體芯片的關鍵底層材料,。從芯片的制造流程來看,，需要的步驟包括生產(chǎn)晶圓,、氧化、光刻,、刻蝕,、薄膜沉積、互連,、測試,、封裝等。以硅片半導體為例,，自然界中硅砂很多,，但硅砂中包含的雜質太多，需要進行提煉后使用,。將提煉后得到的高純硅熔化成液體,，再利用提拉法得到原子排列整齊的晶錠，再將其切割成一定厚度的薄片,，切割后獲得的薄片便是未經(jīng)加工的 " 原料晶圓 ",。

襯底環(huán)節(jié)是金屬材料在半導體器件中的關鍵環(huán)節(jié) , 所謂襯底即是一種用于制造半導體器件的材料基底，常見的襯底包括硅,、鍺,、碳化硅等。在生產(chǎn)半導體芯片的工藝流程中 , 晶圓生產(chǎn)通常為第一道工序 , 而晶圓便是由襯底材料切割而來,。

半導體全工藝流程涉及金屬環(huán)節(jié)介紹

從半導體的發(fā)展歷史看,，半導體襯底材料經(jīng)歷了三代的更新迭代，并正在向著第四代材料穩(wěn)步邁進,。其中第一代半導體材料以鍺 ( Ge ) 和硅 ( Si ) 為主,，其中鍺目前半導體應用較少，而硅仍是目前最主流的半導體襯底材料,。

第二代半導體材料以砷化鎵 ( GaAs ) ,、磷化銦 ( InP ) 、 銻化銦 ( InSb ) 和硫化鎘 ( CdS ) 等 I-V 族化合物材料為主 , 由于化合物半導體的寬禁帶優(yōu)勢以及下游應用領域的進一步發(fā)展,，砷化鎵與磷化銦未來的使用量將提升,。

第三代半導體材料則是以碳化硅 ( SiC ) 、氮化鎵 ( GaN ) ,、氧化鋅 ( Zn0 ) 和氮化鋁 ( AIN ) 等為代表的寬禁帶 ( 禁帶寬度大于 2.2eV ) 半導體材料,，其中碳化硅與氮化鎵備受關注。而第四代半導體材料主要包括氮化鋁 ( AIN ) ,、金剛石,、氧化鎵 ( Ga,0: ) , 它們被稱為超寬禁帶半導體材料，目前尚處于起步階段。

半導體襯底材料更新迭代

從四代半導體的性能參數(shù)對比看,，第一代半導體表現(xiàn)出較低的禁帶寬度,、介電常數(shù)以及擊穿電場，其優(yōu)勢在于低廉的成本以及成熟的工藝,，因此更加適應低壓,、低頻、低溫的工況,。

第二代半導體材料具有發(fā)光效率高,、電子遷移率高、適于在較高溫度和其它條件惡劣的環(huán)境中工作等特點,，同時工藝較第三代半導體材料更為成熟,，主要被用來制作發(fā)光電子、高頻,、高速以及大功率器件,，在制作高性能微波、毫米波器件方面是絕佳的材料,。

第三代半導體材料隨著智能時代的來臨而備受青睞,，禁帶寬度明顯增加，擊穿電壓較高,，抗輻射性強,，電子飽和速率、熱導率都很高,?；谏鲜鎏匦缘谌雽w材料不僅能夠在高壓、高頻的條件下穩(wěn)定運行,，還可在較高的溫度環(huán)境下保持良好的運行狀態(tài),，并且電能消耗更少，運行效率更高,。

而第四代半導體材料顯示出最大的優(yōu)勢便是其更寬的禁帶寬度 , 因此其更適合應用于小尺寸,、高功率密度的半導體器件。

目前鍺在電子 / 半導體領域的應用僅限于少數(shù)特殊的硅鍺 ( SiGe ) 器件,，盡管這種化合物的載流子遷移率能達到標準硅的兩到三倍,，但仍然不是主流工藝,。目前仍然可以從部分供應商那里買到鍺單晶的晶體管,，但它們的量極少，遠不是主流產(chǎn)品,。

鍺現(xiàn)在的主要應用是光學系統(tǒng),，因為它對 8 至 14 微米熱波段的紅外光是相對透明的，這使得它很適合用于鏡頭系統(tǒng)和熱成像系統(tǒng)中的光學窗口。根據(jù) Exactitude Consultancy 的數(shù)據(jù),，2022 年鍺金屬下游需求中,，光纖領域和紅外領域占比最大，分別達到 36% 與 24%,。

總體而言,，半導體材料可以分為前道制造材料與后道封裝材料。其中前道制造材料的襯底,、外延環(huán)節(jié),，涉及鍺、鎵,、銦,；靶材環(huán)節(jié)，涉及鉭,、銅,；電子特氣涉及鎢；掩膜版涉及鉻,；電鍍液涉及銅,；高 K 材料涉及鉿。后道封裝材料中,，鍵合絲環(huán)節(jié)涉及金屬金,、銀、銅,；引線框架環(huán)節(jié)涉及銅,；封裝焊料環(huán)節(jié)涉及金屬錫；先進封裝 GMC 環(huán)節(jié)涉及 Low- α 球硅 / 球鋁,，" 科技小金屬 " 可以說是在半導體產(chǎn)業(yè)各個環(huán)節(jié)都發(fā)揮著重要作用,。

我國星鏈計劃進一步推動剛需

太陽能電池領域 - 多結砷化鎵鍺電池效率優(yōu)異，我國星鏈計劃有望為太陽能鍺需求帶來快速增長,。

砷化鎵是典型的 III-V 族半導體,、直接帶隙材料。其帶隙接近太陽能譜峰值 , 且光吸收系數(shù)高,，成為良好的化合物空間太陽電池制備材料,。

最初砷化鎵電池為同質結 , 但由于砷化鎵同質結材料的機械強度較低、易碎密度大,、重量大,，難以實現(xiàn)淺結，不能滿足空間電源的應用,。

鍺單晶做襯底及氣相外延技術的發(fā)展大大提高太陽能電池效率,。據(jù)高歡歡所著《砷化鎵空間太陽電池用 4 英寸低位錯鍺單晶的研制》, 美國 ASEC 公司提出用氣相外延生長技術制備 GaAs/Ge 異質結太陽能電池，用機械強度更高、成本更低的鍺單晶作為襯底片,。隨著氣相外延技術的發(fā)展,，大大提高了電池的轉換效率，在空間電源領域得到廣泛的應用,。

未來多結砷化鎵電池是研究方向,，效率超過 40%，錯作為重要的襯底材料不可或缺,。據(jù)高歡歡所著《砷化鎵空間太陽電池用 4 英寸低位錯鍺單晶的研制》2009 年美國光譜實驗室利用高倍聚光技術研制出效率為 41.6% 的三結太陽能電池 :2014 年,，國內的天津三安光電公司成功研發(fā)了 GalnP/GalnAs/Ge 高倍聚光太陽電池，效率也超過 40%,。SolarJunction 使用電子束外延技術研制 出了 GalnP/inGaAs/InGaNAs/Ge 四結太陽能電池,，1000 倍聚光下轉換效率為 43%。

而在需求方面,，我國星鏈計劃遠大,，未來空間約 25000 顆。我國 GW 星鏈計劃規(guī)劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù) 12992 顆,，我國 G60 星鏈計劃規(guī)劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù) 12000 多顆,。

GW 星鏈和 G60 星鏈到 2027 年預計拉動太陽能電池用鍺需求達 76.08 噸。假設 GW 星鏈在 2027 年前發(fā)射完畢 ,24,、25,、26、27 分別發(fā)射總衛(wèi)星數(shù)的 10%,、20%,、30%、40%,，G60 星鏈在 2028 年前發(fā)射完畢,，2024、2025,、2026,、2027、2028 年分別發(fā)射衛(wèi)星總數(shù)的 5%,、10%,、20%、30%,、35%; 參考 QYresearch,，假設 GW、G60 星座中砷化鎵電池滲透率 95%: 根據(jù)《鍺在太陽能電池中的應用》分析,，每個衛(wèi)星需要用鍺片 6000-15000 片,，我們謹慎假設鍺片直徑 50.8mm，鍺厚度 140 微米,。則最終測算到 2027 年 GW 和 G60 星鏈預計拉動太陽能用鍺需求達 76.08 噸,，具有極為重要的地位。

同時,，光纖是鍺的另一主要應用領域,。近年來得益于國家政策的支持和 5G 技術的應用與發(fā)展，光纖領域發(fā)展迅速,，需求量極大上升,。

錯在光纖應用主要是通過四氯化錯的形式應用于光纖預制棒，光纖預制棒成品質量對光纖的質量及特性,，如純度,、抗拉強度、有效折射率及衰減等亦存在重大影響,。

需要注意的是隨著科技的進步和社會的發(fā)展,，以鍺為代表的 " 科技小金屬 " 在各個領域的應用將會不斷擴大，尤其是在新能源,、新材料,、新信息等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)中，鍺將發(fā)揮重要作用,。因此,，全球對鍺資源的需求將會持續(xù)增長，作為全球主要供給方的我們,，或許能抓住這次機會，讓半導體材料國產(chǎn)化大幅提速,！