Технологическая война между Китаем и США продолжается. Пекин ответными мерами на ограничение экспорта чипов в Китай то вводит, то снимает экспортный контроль двух значимых в полупроводниковой промышленности элементов — галлия и германия. Оба элемента жизненно необходимы практически везде, от смартфона до электромобиля. Сейчас поставки этих элементов на мировые рынки практически прекращены. Какие последствия ждет мировую индустрию полупроводников, в которой используются галлий и германий, и как это повлияет на конечного потребителя?
Что такое галлий и германий
Существование обоих элементов было предсказано выдающимся русским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым в 1869 году. Назвав их экаалюминий и экасилиций, он точно описал их физические и химические свойства. В дальнейшем элементы были открыты, галлий в 1875 году французским ученым Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном, германий в 1885 году немецким ученым Клеменсом Винклером. Вследствие чего и были названы галлий и германий.
Галлий — мягкий металл серебристого цвета, при температуре от 300С переходит в жидкое состояние и сохраняет его в очень большом диапазоне, до 22300С. В жидком состоянии почти не испаряется, от окисления защищен оксидной пленкой, а если положить кусочек галлия на ладонь, он растает. Этот металл обладает одной интересной особенностью — он расширяется, когда затвердевает. Самой крупной областью применения галлия является производство полупроводников, и в частности арсенида галлия и нитрида галлия.
Германий — серо-белый полуметалл с металлическим блеском. Как и кремний обладает полупроводниковыми свойствами. Температура плавления 9380С, кипения 28500С. Особенность— прозрачность сверхчистого германия в инфракрасном спектре, что делает его очень важным компонентом производства оптики.
Как и где добывают
Среднее содержание галлия в земной коре около 1,8·10–3%. Больших скоплений этот элемент не образует, является редким. Этим обусловлена трудность добычи галлия. Содержится в минералах и даже в морской воде. Однако основу получения галлия составляют продукты глиноземного производства, как побочные продукты производства алюминия и цинка.
Сырьем для производства галлия являются бокситы, в них в виде примеси содержание галлия до 1–2 % по массе. Из отходов, образовавшихся в процессе производства пяти тонн алюминия можно получить 100 грамм галлия.
Электролиз — основной процесс выделения галлия из растворов, при этом образуется амальгама натрия и галлия. В дальнейшем ее разлагают водой и из полученного раствора, при помощи электролиза, извлекают галлий. Следующие этапы — зонная плавка и направленная кристаллизация, эти процессы позволяют получить галлий высокой частоты.
Содержание германия в земной коре 1,5·10–4% по массе, что более чем в десять раз меньше чем содержание галлия. Минералы, содержащие германий, очень редки. Силикаты, полиметаллические руды, нефть и природный уголь содержат германий в качестве примеси.
Основными источниками сырья для получения германия служат отходы переработки руд цветных металлов и зола от сжигания угля. Для выделения концентрата германия используют метод соосаждения, далее следует обработка концентрированной соляной кислотой, дистилляция, очистка и гидролиз. В результате получается диоксид германия, который проходит процесс восстановления водородом при нагревании. Для получения германия высокой чистоты, так же как и в производстве галлия, применяют зонную плавку и направленную кристаллизацию.
Мировое лидерство производства галлия удерживает Китай. Даже не смотря на то, что страна не обладает крупнейшими запасами боксита и большую часть импортирует из Гвинеи. По данным геологической службы США в Китае производят 98% галлия. Лидирующие позиции в обеспечении потребности мирового рынка этим элементом связаны с низкой себестоимостью производства галлия в Китае. Это неизбежно привело к зависимости технологий, в которых используется элемент.
Китай был не единственным производителем галлия, но единственным постоянно увеличивающим производство. Как следствие — переизбыток, снижение цены и закрытие нерентабельных производств на экспорт в других странах. В том числе в России, Германии, Казахстане и Японии.
К 2019 году Китай стал фактически монополистом в производстве и экспорте галлия на мировой рынок, но на этом не остановился. Чтобы обеспечить спрос, Китай увеличил пошлины на 30 % на галлий. В результате мировые цены на компоненты с арсенидом галлия, произведенные не в Китае, выросли в цене. А Китай по-прежнему остается единственным крупным экспортером.
Крупнейшим мировым производителем германия является также Китай, здесь на его долю приходится около 68% общего объема производства. Около 60% этого количества производится из цинковых руд и 40% из угольной золы. Остальная продукция германия поступает из Канады, Финляндии, России и США.
Применение
Арсенид галлия имеет большое социально-экономическое значение и широко используется в радиочастотных чипах мобильной и спутниковой связи, в лазерных диодах волоконно-оптических систем связи, в светодиодах дисплеев, устройствах освещения, в авиационной и космической технике.
Он часто используется в качестве материала подложки для эпитаксиального роста других полупроводников, таких как арсенид индия-галлия, арсенид алюминия-галлия.
Светодиоды, наверное, самые распространенные и используемые повсеместно устройства. Применяются везде: комнатное и уличное освещение, подсветка ЖК-экранов, автомобильные осветительные приборы, гирлянды, даже в пульте от телевизора есть светодиод. И большинство этих светодиодов содержат соединения галлия. Крупнейшие страны производители светодиодов: США, Япония, ФРГ, Тайвань, Китай.
Связь. Преимуществом микросхем на основе соединений галлия является низкий уровень шумов и высокая рабочая частота. Это необходимые факторы стабильной работы беспроводных сетей четвертого (4G) и пятого поколения (5G).Это особенно актуально с развитием таких технологий как искусственный интеллект и интернет вещей. Все это требует усовершенствования уже не справляющихся с огромными объемами данных существующих технологий связи.
Высокая скорость, большая пропускная способность и низкая задержка, это то, чем технология 5G призвана помочь развитию технологий, чего невозможно достичь без использования полупроводников на основе галлия. Кроме 5G и 4G, полупроводники на основе галлия используются в сетях Wi-Fi и Bluetooth.
Быстрая зарядка. Все больше появляется устройств, способных зарядиться до 100% за короткий промежуток времени. И в вопросе выбора девайса, возможность быстрой зарядки встала в один ряд с такими характеристиками как объем оперативной памяти или технология дисплея. И это справедливо, к хорошему привыкаешь быстро, а ждать три часа, пока зарядится смартфон, уже не хочется. Размеры устройств зарядки становятся меньше, а мощность больше. Виной всему нитрид галлия (GaN). Применение этого полупроводника увеличивает эффективность и снижает выделение тепла в процессе зарядки, хотя нитрид галлия способен работать даже при высоких температурах.
Кроме того галлий используется для создания лазерных диодов и фотоприемников, которые используются в лазерном дальномере. Галлий используется в космической сфере для производства солнечных батарей.
Три основные сферы применения германия — оптоволокно, инфракрасная оптика и катализаторы полимеризации ПЭТ-пластиков. Так же он используется в электронике и солнечных элементах.
И германий, и оксид германия прозрачны для инфракрасного излучения, поэтому используются в инфракрасных спектроскопах. Оптика для тепловизоров изготавливается из германиевого стекла. В основном они используются в военных целях, например, в устройствах ночного видения. Оптоволокно — еще одна важная отрасль использования германия. До сих пор остается основным средством доступа в интернет, поэтому значение этого материала не вызывает сомнений.
Ограничения экспорта германия в Европу усложнит переход на возобновляемые источники энергии, которыми так грезит ЕС. Поскольку для производства солнечных батарей тоже используется германий. Кроме германия к концепции «зеленой энергетики» имеет отношение и галлий, который используется в производстве ветряных генераторов.
Чем заменить галлий и германий?
К сожалению быстрой альтернативы замены полупроводников на основе галлия и германия нет. Сейчас лидерство удерживает кремний, но он подходит не везде. Поэтому как вариант замены галлия кремнием рассматривать не приходится. Наука не стоит на месте, и одним из перспективных является полупроводник арсенид бора. Но до промышленного применения еще далеко.
В конечном итоге, запасы галлия и германия закончатся, а если поставок из Китая не будет, производители США, Японии, Европы и Тайваня будут вынуждены поднять цены, что напрямую отразится на цене готовой продукции.
Теоретически эти элементы можно производить везде, где есть производство алюминия, проблема в цене. Организация производства требует огромных инвестиций и время. Китай же не перестанет добывать галлий и германий. И однажды может разблокировать экспорт, что приведет к снижению цены и нерентабельности производств вне Китая. При этом потери Китая будут минимальны, а миллиарды вложенные в производства в других странах, будут пустой тратой.
Но есть и другой вариант. Китай не ограничил экспорт полностью, и частичные поставки возможны. Дефицит галлия и германия неизбежно приведет к увеличению стоимости. А излишки производства будут экспортироваться на мировой рынок «нужным» покупателям. При этом продавать можно меньше, но дороже. Результат — внутренние потребности Китая галлием и германием обеспечены, национальные интересы защищены.
Последствия
Ограничения к высоким технологиям, вводимые США и союзниками в отношении Китая, заставляют Пекин принимать ответные меры. К каким последствиям приведут экспортные ограничения в мировом масштабе — говорить пока рано, слишком много неясностей. По самым пессимистичным прогнозам — плохо станет всем. И даже Тайваню с его TSMC. Сценарий, в котором противоборствующие стороны договорятся — оптимистичный, хоть и фантастический вариант.
Любой вариант развития событий приведет к увеличению стоимости сначала сырья, затем комплектующих, и в итоге к росту цен на конечный продукт. Все это отразится как на гражданском секторе экономики, так и на военной промышленности, что сейчас особенно важно.