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(guó)商務(wù)部和海關(guān)總署發(fā)布公告，“為維護(hù)國(guó)家安全和利益，經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)，決定對(duì)鎵、鍺相關(guān)物項(xiàng)實(shí)施出口管制。”公告中除了對(duì)鎵、鍺這兩種材料做出限制，同時(shí)對(duì)氮化鎵、砷化鎵、鍺外延生長(zhǎng)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(guó)是世界上最大的鎵和鍺生產(chǎn)國(guó)，有媒體認(rèn)為，這是中國(guó)回?fù)裘绹?guó)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(jī)、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(gè)月前，中國(guó)宣布對(duì)美國(guó)最大的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器公司美光公司進(jìn)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(gè)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(shí)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(gè)說法，為了繼續(xù)推進(jìn)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(shí)驗(yàn)室的巴丁、布拉頓和肖克利發(fā)明的人類第一個(gè)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(gè)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(hào)。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(diǎn)遠(yuǎn)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(jī)載雷達(dá)，美國(guó)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(dá)的可靠性。此后，貝爾實(shí)驗(yàn)室受此啟發(fā)，用耐高壓的鍺晶體發(fā)明了第一個(gè)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(jī)里的鍺晶體管泡進(jìn)熱油里，收音機(jī)里的音樂停止了。從那時(shí)起，硅晶體管開始登上歷史舞臺(tái)。

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(dòng)速度逐漸達(dá)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(qiáng)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(jìn)，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(lán)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(huì)單獨(dú)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(gè)紅外LED，而通用電氣在三個(gè)月后用砷化鎵制作出了第一個(gè)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(jī)。

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(gè)實(shí)用的藍(lán)光LED。有了藍(lán)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(lán)光的頻率最高，藍(lán)光LED的研制難度最大，普通的砷化鎵無法發(fā)出藍(lán)光，只有氮化鎵才能做到。

此外，有了藍(lán)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(lán)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(lán)色激光器等，才有了后來的藍(lán)光光碟機(jī)。

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(jī)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(shí)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(shì)，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(dá)對(duì)周圍物體和環(huán)境快速掃描，生成電子地圖。氮化鎵場(chǎng)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(dá)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(guó)是最大的鎵和鍺的生產(chǎn)國(guó)，短期內(nèi)中國(guó)出口的減少意味著市場(chǎng)上價(jià)格的上漲，進(jìn)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(dòng)汽車、5G通信、照明、顯示和快速充電等產(chǎn)品在世界的份額。