Полупроводниковая индустрия — это не только технологии производства. Любой завод будет абсолютно бесполезен, если его не обеспечить материалами. Для производства чипов и различной электроники нужны ресурсы. Если говорить конкретно о полупроводниковых соединениях, то здесь важны определенные элементы. Их запасы зачастую весьма ограничены — а потому контролируются всего несколькими странами.
Кремний
Представленные данные взяты из открытых источников. Они могут не полностью отражать мировую ситуацию: далеко не все страны отчитываются о добыче тех или иных ресурсов.
Кремний (Si) — второй самый распространенный элемент на планете. Он же — основа многих полупроводниковых элементов. Большинство людей встречают его в виде кварца (SiO2) — обычного песка. В тяжелой промышленности используется металлургический кремний, доля примесей в котором не превышает пары процентов. В электронике уже нужен сверхчистый кремний.
Получить его из какого попало песка не получится. Чаще всего там будет слишком много примесей, а очистка — дорогой и сложный процесс. Из сверхчистого кварца, например, делают тигли и оснастку для выращивания монокристаллов.
Месторождения чистого кварца — огромная редкость. Крупнейшее из них находится в США. Сверхчистый кварц поставляют компании Sibelco (UNIMIN) и The Quartz Corp — их шахты располагаются в Спрус-Пайн, Колорадо. Чистота добываемого кварца достигает 99,998%. Если говорить о природном сверхчистом кварце, то американцы являются фактически монополистами.
Ближайшим конкурентом является российская компания «Русский кварц». Кыштымское месторождение расположено на юге Среднего Урала, недалеко от города Кыштым. Примесей там больше, чем в американской породе. И российский, и американский кварц используют в целом ряде производств. На Штаты приходится около 88-90 % поставок, на «Русский кварц» — 7-8 %.
Если говорить о создании самого монокристалла, то здесь применяют поликристаллический кремний. Его, в свою очередь, получают из металлургического кремния.
Здесь ведущими производителями являются Китай, Россия, Бразилия, Норвегия и США. В 2021 году даже произошел скачок цен на металлургический кремний из-за сокращения его производства в Китае. Цены подскочили на 300 %.
Кремний - Производство, тысяч тонн в год
Китай 6000
Россия580
Бразилия390
Норвегия350
США310
Германий
Это серо-белый полуметалл с характерным металлическим блеском. Как и кремний — полупроводник. В земной коре его содержится совсем немного — около 1,5⋅10−4 %.
В чистом виде Германий практически не встречается. В основном его добывают из различных минералов. Также активно используются отходы переработки руд цветных металлов и зола от сжигания угля.
Германий используют преимущественно для инфракрасной оптики и оптоволоконных систем. Это оптоволоконные жилы, приборы ночного видения, датчики спутниковых систем и так далее. Также применяется в производстве широкого спектра интегральных схем на SiGe с рабочими частотами до 150 ГГц. Обсуждаются перспективы применения германия в будущих транзисторах по сверхтонким техпроцессам.
Основным мировым поставщиком чистого германия является Китай. Уже в 2015 году в Поднебесной находилось около 80 % мирового производства. Далее шли Финляндия, Россия, США и Япония.
На Китай приходится около 93 % от общего объема производства. Второе место занимает Россия, следом идут Япония и США. Здесь стоит понимать, что речь именно о производстве — то есть получении чистого германия. Например, в Японии практически нет месторождений, из которых можно получать этот элемент. Страна закупает руду, после чего проводит обработку.
Галлий
Мягкий металл серебристого цвета. Среднее содержание в земной коре — около 19 грамм на тонну. Галлий не образует больших скоплений. Чаще всего он встречается в виде примеси в различных минералах. Процентное содержание обычно небольшое — от 0,1 до 0,005 %. Добывается путем переработки бокситов и цинка.
Галлий — один из ключевых элементов в нескольких важных соединениях.
- Арсенид галлия (галлий+мышьяк, GaAs). Используется для создания микроволновых монолитных микросхем, транзисторов, светодиодов, лазерных диодов, фотоприемников (солнечная энергетика) и детекторов ядерных излучений. Например, транзисторы на основе GaAs есть в смартфонах и модулях беспроводной связи.
- Нитрид галлия (галлий+азот, GaN). Применяется в создании светодиодов, полупроводниковых лазеров, сверхвысокочастотных (СВЧ) транзисторов, в частности, в базовых станциях мобильной связи и радиочастотных (RF) усилителях.
Лидером в производстве галлия является Китай — это фактически монополист. Следом идут Россия, Япония и Южная Корея.
Поскольку КНР принадлежит большая часть мирового производства германия и галлия, эти ресурсы — аргумент в торговых войнах. Введение ограничений на поставки может ощутимо ударить по полупроводниковой промышленности.
Мышьяк
Хрупкий полуметалл стального цвета с зеленоватым оттенком. Редко встречается в виде самородков, чаще — в виде сульфидов.
Высокочистый мышьяк — распространенная легирующая добавка n-типа в полупроводниковых электронных устройствах. С его помощью можно получить арсениды, включая уже описанный арсенид галлия.
Лидирующие позиции здесь занимают Перу, Китай и Марокко.
Сурьма
Полуметалл серебристо-белого цвета. Крайне редкий элемент: среднее содержание в земной коре — 500 миллиграммов на тонну. Добывается преимущественно из глинистых сланцев, бокситов и фосфоритов. Там его содержание составляет 1,2-2 грамма на тонну.
В полупроводниковой промышленности активно используются антимониды (соединения сурьмы с другими элементами). Например, антимонид индия (InSb) применяют в фотоэлементах с высокой чувствительностью, в датчиках Холла и детекторах инфракрасного излучения. Также сурьма применяется в качестве легирующей примеси.
Среди мировых лидеров по запасам металла — Китай, Таиланд, Россия Боливия и Кыргызстан. Вот данные на 2011 год:
Однако наличие месторождений не гарантирует лидерства страны в производстве металла. Здесь нужны технологичные обрабатывающие предприятия. Например, Китай производит больше половины всей сурьмы в мире. При этом в самой Поднебесной располагается лишь треть от ее мировых запасов.
На втором месте — Таджикистан. Далее с долей в пять-семь процентов — Турция, Мьянма, Россия и Боливия.
Индий
Мягкий металл серебристо-белого цвета. В виде самородков встречается крайне редко. Чаще всего его добывают с минералами цинка. Однако индий может присутствовать и в других рудах с содержанием до 0,1 %.
Главное применение индия — изготовление прозрачных покрытий ITO. С их помощью стало возможно создание ЖК-мониторов (LCD), органических светодиодов (OLED) и плазменных панелей (PDP). Элемент используют при создании монолитных интегральных схем и HBT-транзисторов на основе фосфида индия (InP). Антимониды индия (InSb) используют в датчиках Холла, фотоэлементах высокой чувствительности и датчиках ИК-излучения.
В производстве индия лидирует Китай — около 65 % от мировой добычи. На втором месте находится Южная Корея с долей в 20 %. В число ведущих производителей входят Япония, Канада, Бельгия и Франция.
Селен
Хрупкий и блестящий неметалл серого цвета. Редкий элемент: среднее содержание в земной коре — 500 миллиграммов. Добывается преимущественно из сульфидных месторождений: там концентрация селена доходит до 110 грамм на тонну.
В полупроводниковой промышленности активно используются различные селениды:
- селенид кадмия (CdSe) — оптоэлектроника, лазерные диоды;
- селенид цинка (ZnSe) — лазерные микрочипы среднего ИК-диапазона, полупроводниковые лазеры, электролюминофоры.
- селенид галлия (GaSe и Ga2Se3) — детекторы ядерных частиц, фотоприемники, активные элементы генераторов высокочастотных импульсов, лазеров и оптических модуляторов.
- селенид ртути (HgSe) — датчики Холла.
Большую часть рынка селена контролируют Китай (41,7 %) и Япония (21,7 %). Среди остальных относительно крупных производителей — Россия, Германия и Бельгия.
Теллур
Хрупкий и редкий полуметалл серебристо-белого цвета. По электронным характеристикам является аналогом селена. Среди всех неметаллов — самый редкий в земной коре. В основном добывается вместе с разными рудами (медь, свинец, цинк, серебро, золото). Там он присутствует в качестве примеси.
Теллурид кадмия (CdTe) используют в фотодиодах и тонкопленочных солнечных элементах. Но главный потребитель теллура — отрасль солнечной энергетики. Оксид теллура (TeO2) в некоторых случаях может заменить кварцевое стекло (SiO2) в оптических волноводах. Теллурид кадмия ртути применяют в военной оптике. А также используют в дистанционном зондировании Земли и в дальней астрономии
Крупнейшим добытчиком теллура является Китай — его доля составляет 67 %. Ближайшие конкуренты — Япония и Россия.
Бор
Это бесцветный, серый или красный полуметалл. Среднее содержание в земной коре — около четырех граммов на тонну. В чистом виде бор никогда не встречается. Добыча идет из борсодержащих минералов.
Применяется в изготовлении полупроводниковых элементов. Бор выступает в качестве акцепторной добавки, которая изменяет тип проводимости кремния.
Крупнейшие запасы бора находятся в Турции (больше 70%), чуть меньшими запасами обладают США, Россия, Чили и Китай. Если же говорить о добыче (по открытой статистике), большую часть рынка обеспечивает бор из Турции. Также в списке Чили, Китай, Перу и Боливия.
Взглянем на карту
Ключевым элементом в производстве полупроводников все еще остается кремний. США с их крупнейшим месторождением высокочистого кварца здесь абсолютные лидеры. А вот металлургический кремний, из которого затем получают поликремний, производит преимущественно Китай. Хотя свои мощности есть и в других странах (включая Россию, Бразилию и Норвегию).
А вот по другим позициям КНР лидирует. Китай является крупнейшим поставщиком германия, галлия, индия, селена и других полупроводниковых материалов. Страна не просто обладает достаточными залежами. Она активно инвестирует в производственные мощности. Благодаря этому удается получать крупные объемы продукции. Чуть меньшие объемы производят Россия, Япония, Южная Корея и некоторые другие страны. Однако на фоне китайской промышленности, как правило, они незначительны.