晶片製造主要用矽，為什麼管制鎵和鍺的出口？

2023年7月3日，中國商務部和海關總署發佈公告，“為維護國家安全和利益，經國務院批准，決定對鎵、鍺相關物項實施出口管制。”公告中除了對鎵、鍺這兩種材料做出限制，同時對氮化鎵、砷化鎵、鍺外延生長襯底、四氯化鍺等包含鎵和鍺元素的半導體材料也一同做出限制。

中國是世界上最大的鎵和鍺生產國，有媒體認為，這是中國回擊美國的半導體限制的最新舉措。

鎵和鍺是構成半導體的重要材料，也是芯片製造的關鍵元素。其中氮化鎵（GaN）化合物可用於手機、電腦的LED顯示屏，也廣泛用於照明、電源、通信等領域。而鍺主要用於光纖通信、夜視鏡和衛星上的太陽能電池。此外矽鍺（SiGe）是一種重要的半導體應變材料，可大大提高晶體管的速度，在高速芯片中有著廣泛應用。

就在一個月前，中國宣布對美國最大的半導體存儲器公司美光公司進行安全審查，中美在半導體領域的博弈正從單向的製裁轉入有來有往的深度博弈階段。

那麼，這一次為什麼是鍺和鎵？這兩種元素在芯片製造中發揮什麼作用？

01 沒有鍺，就沒有第一個半導體晶體管和芯片

儘管在半導體製造中，矽佔有當之無愧的主導地位，但實際上現代芯片製造早已超出了矽的範圍。

元素週期中的一半的元素已經被用於半導體製造中。有一個說法，為了繼續推進摩爾定律，人類將窮盡元素週期表的所有元素。而鍺在半導體領域是不可或缺的重要元素，並且曾為芯片產業立下汗馬功勞。

1947年，貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克利發明的人類第一個晶體管就是用鍺製成的。1958年德州儀器的基爾比發明的人類第一顆芯片也是用鍺製成的。

在元素週期表中，鍺跟矽一樣同屬於IV族元素，但是鍺位於矽的正下方，只比矽多一個電子層。這決定了鍺具有跟矽類似的半導體特性，可以用來作為開關和放大信號。純淨的鍺和矽一樣都是一種閃著金屬光澤的固體。但是鍺的熔點遠低於矽，更容易熔化後製成晶體，所以早期的晶體管都是用鍺製成的。

鍺的研究可以追溯到二戰期間，為了研製出小巧的機載雷達，美國普渡大學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，從而提高了雷達的可靠性。此後，貝爾實驗室受此啟發，用耐高壓的鍺晶體發明了第一個晶體管。

沒有鍺，就不可能有晶體管的發明。

世界上第一個晶體管——用鍺製成來源：Wikipedia

但是鍺由於多一層電子，所以電子更加活躍，特性更加趨近金屬。但是這也導致了鍺的禁帶寬度比較小，如果溫度高於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裡的鍺晶體管泡進熱油裡，收音機裡的音樂停止了。從那時起，矽晶體管開始登上歷史舞台。

但是這並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用——應變工程，可以大大提高晶體管的工作速度。

在主流的CMOS矽晶體管上，隨著晶體管尺寸縮小，電子移動速度逐漸達到了極限。工程師在矽晶圓上摻入矽鍺，使得表面的矽晶圓發生應變，強行將矽原子間距撐大，這樣界面處的電子就能以更快的速度行進，從而提高了晶體管的開關速度，如今這已經成為現代高速芯片中必不可少的主流技術。

02 從藍光LED、充電器到5G基站，“鎵”悄然改變世界

說到鎵，它在現在半導體中也不可或缺，由鎵元素可以構成氮化鎵和砷化鎵，後兩者在照明、顯示屏、光電器件、功率器件和通信器件中不可或缺。

鎵元素屬於III族，一般不會單獨使用，而是作為化合物結合成氮化鎵和砷化鎵等。這兩種化合物屬於直接半導體，可以直接發光。與之相反，矽屬於間接半導體，幾乎發不出光線，早期用矽製造發光LED的努力都以失敗告終了。

1962年，麻省理工學院用砷化鎵做出了第一個紅外LED，而通用電氣在三個月後用砷化鎵製作出了第一個紅外半導體激光器。從此砷化鎵半導體大放異彩，在此基礎上誕生了紅外激光的CD機。

至於氮化鎵，從上世紀70年代到90年代一直不被看好，直到日本的中村修二在1993年用氮化鎵發明了第一個實用的藍光LED。有了藍光LED，就能跟此前研發出來的紅色和黃色LED組成三原色，用於彩色顯示，使得超薄電視和顯示器變得可能。由於藍光的頻率最高，藍光LED的研製難度最大，普通的砷化鎵無法發出藍光，只有氮化鎵才能做到。

此外，有了藍光LED，塗上一些粉劑就能製成白光照明的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，由此氮化鎵的藍光LED引發了新一代的照明革命。

業界終於醒悟過來，轉向了氮化鎵的研究，在其中添加其他元素製造出了藍色激光器等，才有了後來的藍光光碟機。

氮化鎵的應用也突破了光電領域，應用到了電源領域（如手機和筆記本電腦的快速充電）以及無線通信等領域。

由於氮化鎵的禁帶寬度高，因此具有優良的功率轉換效率。在同等體積下可實現更高的充電功率，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充電器的最佳選擇。

此外，氮化鎵在無線通信領域有著很大優勢，氮化鎵射頻功率放大器（PA）具有更快的開關速度，可用於更高帶寬的數據傳輸。在5G通信中氮化鎵是主要的半導體材料之一。與其他半導體相比，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通道數，從而降低整體成本。

在無人駕駛汽車中，需要激光雷達對周圍物體和環境快速掃描，生成電子地圖。氮化鎵場效晶體管的開關速度是傳統的MOS晶體管的十倍，使得激光雷達具有更快的響應速度和更佳的圖像解析度。

由於鎵和鍺是最基本的半導體製造元素，而中國是最大的鎵和鍺的生產國，短期內中國出口的減少意味著市場上價格的上漲，進而影響這兩種元素製成的半導體材料以及功率、顯示、無線通信器件、高速芯片等，並改變電動汽車、5G通信、照明、顯示和快速充電等產品在世界的份額。(騰訊科技)

丨關於作者

作者汪波是芯片研究專家，科普作家，在華為公司、法國里昂納米國家實驗室和北京大學深圳研究生院有二十多年的研究和教學經驗，著有《芯片簡史》、《時間之問》和《時間之問·少年版》。