China beginnt heute mit der Kontrolle seiner Galliumexporte. Wie stark wird die globale Lieferkette beeinträchtigt?

Ab dem 1. August wird China Exportkontrollen für Gallium- und Germaniumprodukte einführen. Derzeit wird in vielen Artikeln die grundlegende Situation dieser beiden seltenen Metalle erläutert. mein Land ist ein bedeutender Produzent von Gallium und Germanium und diese Materialien sind für viele Industriezweige, beispielsweise die Halbleiterindustrie, von entscheidender Bedeutung. Daher wird davon ausgegangen, dass diese Maßnahme große Auswirkungen auf die globale Industriekette haben wird. Ist das wirklich der Fall? Dieser Artikel stellt die industriellen Anwendungen von Gallium aus der Sicht einschlägiger Praktiker vor und analysiert die Versorgungsprobleme am Rande des Regulierungssturms.

Geschrieben von He Jun und Wang Benzhong (Chengdu Xinzhongxiang Technology Co., Ltd.)

Im Juli 2023 kündigte die chinesische Regierung an, dass sie ab dem 1. August Exportkontrollen für Produkte einführen werde, die mit den Elementen Gallium und Germanium in Zusammenhang stehen. Diese Ankündigung sorgte für großen Aufruhr und erregte breite Aufmerksamkeit und Diskussion.

Diese beiden Elemente sind in der Vergangenheit selten in den Blickpunkt der Öffentlichkeit geraten. Tatsächlich beträgt der Verbrauch von Gallium, das in reines Metall umgewandelt wird, nur wenige Hundert Tonnen pro Jahr (wir gehen davon aus, dass diese Schätzung etwas niedriger sein könnte, jedenfalls ist der recycelte Anteil darin nicht enthalten), aber die Reaktion auf diese Nachricht ist größer als je zuvor – es werden Sanktionen gegen einzelne Unternehmen verhängt. In der Öffentlichkeit geht man davon aus, dass die potenziellen Auswirkungen weitreichender sind, was darauf hindeutet, dass die chinesische Regierung ihre Maßnahmen gegen die Unterdrückung und ihre Entschlossenheit in den relevanten Bereichen verschärft. Bei den neuen Kontrollmaßnahmen handelt es sich nicht um wahllose Zollerhöhungen, sondern um die Einführung von Exportgenehmigungskontrollen. Ihre tatsächlichen Folgen hängen stark von der Umsetzung ab (Exporte können auch nach der Genehmigung noch normal durchgeführt werden). Doch unabhängig davon, wie die einzelnen Vorgänge durchgeführt werden, ist es aufgrund der aktuellen Arbeitsteilung auf dem Weltmarkt in den entsprechenden Bereichen sehr schwierig, bestimmte Länder, bestimmte Bereiche und bestimmte Unternehmen gezielt zu treffen. Zudem wirken sich die Regulierungsmaßnahmen immer noch auf die gesamte entsprechende Industriekette aus. Derzeit beträgt die Rohgalliumproduktion Chinas mehr als 90 % des weltweiten Anteils, was einen starken Einfluss auf die Industriekette hat. Innerhalb weniger Tage nach Bekanntwerden der Nachricht stieg der Preis für aus China exportiertes Rohgallium um 27 Prozent. Als Praktiker in verwandten Bereichen sind wir auch sehr besorgt über die Auswirkungen der Turbulenzen in der Gallium-Lieferkette auf die Branche, einschließlich der jüngsten Auswirkungen, der Reaktionen verschiedener Parteien und der langfristigen Situation, die sich aus nachfolgenden Entwicklungen ergeben kann.

Gallium kommt in der Natur nicht als freies Element vor, sondern in Form von Spurenverbindungen in Bauxit und Sphalerit.丨Bildquelle: Wiki

Industrielle Anwendungen von Gallium

Aufgrund seiner einzigartigen thermischen, optischen und elektrischen Eigenschaften findet das wenig bekannte Gallium in der Industrie zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, darunter niedrigschmelzende Legierungen, Katalysatoren, optisches Glas, Zahnfüllungen, piezoelektrische Materialien, Sensoren, integrierte Schaltkreise (ICs), Mikrowellen-Radiofrequenz, Permanentmagnete, Photovoltaik, LEDs, Leistungsgeräte usw. Es ist sogar schwierig, eine wirklich vollständige Liste zu erstellen. Aufgrund der geringen Marktgröße haben die Gallium-bezogenen Industrien ein typisches horizontal integriertes globales Marktmodell entwickelt, das voneinander abhängig und verschachtelt ist. Die Bewertung einzelner Anwendungen und Substitutionsmöglichkeiten erfordert spezialisiertes und tiefgreifendes Fachwissen, einschließlich technischer und quantitativer globaler Marktinformationen, was von Natur aus schwierig ist. Wenn wir jedoch von den Merkmalen der Hauptanwendungsbereiche ausgehen und aus der Marktperspektive betrachten, können wir dennoch einige relativ klare Ergebnisse erzielen.

Die bedeutendste Anwendung galliumbasierter Materialien liegt im Chipbereich. Wenn normale Menschen Chips erwähnen, denken sie an Siliziummaterialien. Tatsächlich machen Chips auf Siliziumbasis mehr als 90 % der gesamten Branche aus, und die schnelle und vorhersehbare Entwicklung ihrer damit verbundenen technischen Leistung hat die menschliche Gesellschaft in den letzten Jahrzehnten tiefgreifend und umfassend beeinflusst und ist zur Grundlage der Informationsindustrie geworden. Allerdings weisen Siliziummaterialien auch einige inhärente Nachteile auf. Erstens ist seine Lichtausbeute als sogenanntes „indirektes Bandlücken“-Kristallmaterial gering; Darüber hinaus ist seine Bandlücke schmal und fest, was die Anpassung erschwert. Daher werden im Bereich der Lichtoptoelektronik derzeit hauptsächlich Galliumnitrid (blaues und weißes Licht), Galliumarsenid (rotes Licht) und Indiumphosphid (Lichtwellenleiter mit geringem Verlustband) als sogenannte direkte Verbindungshalbleitermaterialien mit großer Bandlücke verwendet.

Galliumarsenid-Wafer | Quelle: matltech.com

Die kristallinen Materialeigenschaften von Gallium-basierten Materialien machen sie auch zur Grundlage von Hochfrequenzgeräten. Hochfrequenzgeräte sind grundlegende Geräte für Branchen wie die drahtlose Kommunikation und Radar. Am Beispiel von HF-Geräten aus Galliumarsenid sieht der grundlegende Herstellungsprozess wie folgt aus: Zunächst wird ein hochwertiger Block aus Einkristallmaterial hergestellt, der dann in Scheiben mit einer Dicke von etwa 0,5 mm geschnitten wird (Wafersubstrat genannt), und dann wird eine dünne Schicht aus Galliumarsenidmaterial auf der oberen Oberfläche des Substrats abgeschieden und aufgewachsen (Epitaxie genannt). Die epitaktische Schicht wird dann verschiedenen Verarbeitungsverfahren unterzogen, um Bauelemente herzustellen, die auf der Oberseite des Wafers angeordnet sind. Schließlich wird der größte Teil der Substratdicke auf der Rückseite entfernt, um die Anforderungen an die Wärmeableitung und die Kontrolle der parasitären Induktivität zu erfüllen. Die einzige Alternative zu Galliumarsenid in einigen Anwendungen (Radar, Basisstationen usw.) ist Galliumnitrid, ein Material mit in mancher Hinsicht besserer Leistung. Gallium lässt sich noch immer nicht vermeiden, aber in Geräten aus Galliumnitrid werden derzeit keine homogenen Substrate verwendet, sodass die verwendete Menge viel geringer ist. Es ist erwähnenswert, dass GaN-Geräte derzeit nicht für alle GaAs-HF-Anwendungen geeignet sind, wie beispielsweise HF-Leistungsverstärkerchips in Mobiltelefonen. Darüber hinaus gelten für HF- und optoelektronische Geräte mit Galliumarsenid-Einkristallsubstraten unterschiedliche Qualitätsanforderungen. China importiert derzeit große Mengen hochwertiger Galliumarsenid-Einkristallsubstrate.

Zusätzlich zu den oben genannten „traditionelleren“ Anwendungen ist Gallium auch mit einem sehr wichtigen neuen Gebiet verbunden. Dabei handelt es sich um Geräte der Leistungselektronik (auch als Leistungsgeräte bezeichnet). Im Vergleich zu HF-Geräten arbeiten leistungselektronische Geräte mit niedrigeren Frequenzen, haben eine größere Fläche, verarbeiten höhere Leistungspegel, stellen höhere Anforderungen an Zuverlässigkeit und Kosten und haben einen größeren Marktwert. Leistungselektronische Geräte aus Galliumnitrid (wie etwa Ladegeräte für Mobiltelefone) haben auf dem Markt für Unterhaltungselektronik Einzug gehalten, bei ihrer Herstellung werden jedoch immer noch Substrate aus anderen Materialien verwendet. Galliumoxid mit einem homogenen Substrat ist ein vielversprechender Stern für High-End-Leistungselektronikgeräte und wurde von der US-Regierung reguliert.

Galliumnitrid-Wafersubstrate sind die wichtigste Grundlage eines weiteren Bereichs, der große Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat: Weißlichtlaser (Blaulichtlaser). Auch hier wurden große Fortschritte erzielt, und die großflächige kommerzielle Nutzung rückt näher.

Überblick über die Galliummetallversorgung in China und den Vereinigten Staaten

Galliummaterialien werden weltweit als Nebenprodukt der Aluminiumproduktion aus Bauxit gewonnen. Seit dem massiven Markteintritt chinesischer Unternehmen herrscht bei Gallium generell ein Überangebot. Derzeit wird geschätzt, dass Chinas Produktion von Rohgallium (Reinheit 99,99 %, allgemein bekannt als „vier Neunen“) mehr als 90 % der weltweiten Gesamtproduktion ausmacht. Der Preis für Rohgallium pro Kilogramm fiel von rund 4.000 RMB auf weniger als 1.000 RMB im Jahr 2012. Daraufhin stellten einige Unternehmen außerhalb Chinas die Produktion von Rohgallium ein. In den letzten Jahren ist der Preis für Rohgallium aufgrund der Umweltschutzanforderungen Chinas für verwandte Industrien und der durch die Epidemie verursachten Schwankungen in der Lieferkette kurzfristig gestiegen, hat jedoch vor 2012 nie die Marke von 4.000 Yuan erreicht. selbst bei der offensichtlichen Nachfragesteigerung der letzten Jahre und dem durch diese Exportkontrolle bedingten Anstieg der Rohgalliumpreise liegt dieser nur bei etwas über 2.000 Yuan pro Kilogramm. Rückblickend ist dieser Preis nicht hoch.

Aufgrund des horizontalen Integrationsmodells der jeweiligen Industriekette sind die Szenarien auf den verschiedenen Märkten sehr unterschiedlich. In China wird die Produktion von Galliummaterialien hauptsächlich durch die Nachfrage des eigenen Inlandsmarktes getrieben, die vor allem durch das schnelle Wachstum von Märkten wie (NdFeB)-Permanentmagnetmaterialien, Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid-Dünnschicht-Photovoltaikmaterialien und Beleuchtungsoptoelektronik verbraucht wird. China muss außerdem raffiniertes Gallium mit höherer Reinheit importieren, und Preisänderungen bei Rohgallium wirken sich auf den Preis von raffiniertem Gallium aus. Der Mehrwert von Rohgallium zu raffiniertem Gallium ist nicht allzu hoch und es gibt keine besonders großen technischen Barrieren. Wir sind davon überzeugt, dass diese Turbulenzen in der Lieferkette der chinesischen Industrie zur Reinigung von raffiniertem Gallium weiteren Auftrieb geben werden.

Galliumnitrid-Halbleiterbauelemente | Bildquelle: dignited.com

Am anderen Ende des Spektrums befinden sich die USA, deren Galliumimporte zu 100 % auf sie angewiesen sind. Die Gallium verbrauchenden Industrien, die in China dominieren, sind in den Vereinigten Staaten aus Kostengründen nicht gut entwickelt. Die Vereinigten Staaten importieren Materialien auf Galliumbasis, hauptsächlich Substratmaterialien aus Galliumarsenid-Einkristallen, die in beträchtlichen Mengen vorhanden sind und einen erheblichen Anteil des weltweiten Galliumverbrauchs ausmachen. Hinzu kommt ein Anteil an metallischem Rohgallium und raffiniertem Gallium. Da die USA derzeit relativ hohe Zölle auf chinesisches Galliummetall erheben, ist dessen Anteil an den US-Importen auf weniger als die Hälfte gesunken. Insgesamt ist die direkte Abhängigkeit der USA von Gallium aus China auf ein niedriges Niveau gesunken. Darüber hinaus können die meisten in GaAs-HF-Geräten verwendeten Materialien während der Herstellungsphase verbraucht und recycelt werden (dies hängt auch mit den Umweltanforderungen für Arsen zusammen). Tatsächlich besteht einer der Zwecke der US-amerikanischen Zölle auf chinesische Galliumimporte darin, die in den USA noch existierenden Unternehmen zu schützen, die Gallium recyceln und verwenden. Daher werden die Lieferanten hochwertiger Galliumarsenid-Kristallmaterialien in Europa, Japan und anderen Ländern kurzfristig direkt von Chinas Exportkontrollen betroffen sein. Die Produktionskapazität dieser Lieferanten besteht in einer globalen Arbeitsteilung und es ist nicht einfach, ihre Lieferkette und Logistik für Galliumprodukte genau zu berechnen. Dies erinnert die Menschen unweigerlich an die jüngsten Maßnahmen, die einige Länder in Zusammenarbeit mit den Vereinigten Staaten ergriffen haben, um die Halbleiter meines Landes zu blockieren.

Sowohl China als auch die Vereinigten Staaten importieren große Mengen hochwertiger Galliumarsenid-Einkristallsubstrate. Ihr Prozessmehrwert ist weit höher als ihr Materialwert und sie reagieren nicht empfindlich auf aktuelle Schwankungen des Rohgalliumpreises, sodass sie keine Angebotsschwankungen verursachen. Tatsächlich war China in diesem Bereich schon immer mit gewissen Versorgungsrisiken konfrontiert. Die Qualität der zugehörigen Produkte ist bereits nahezu ausgereift, sodass dieser Vorfall die Anwendung heimischer Galliumarsenid-Einkristallsubstrate im Hochfrequenzbereich fördern könnte.

Darüber hinaus importieren sowohl China als auch die USA hochreine Materialien, die für das epitaktische Wachstum von Gallium verwendet werden, darunter Trimethylgallium, hochreines metallisches Gallium usw. Der Verbrauch von Massenmaterialien ist geringer als bei ihnen und sie stellen nur einen kleinen Anteil an der Kostenstruktur des Endprodukts dar, so dass sie nicht stark betroffen sein werden. Auch chinesische Anwender in diesem Bereich sind gewissen Versorgungsrisiken ausgesetzt und die Technologie der inländischen Anbieter ist nahezu ausgereift, sodass Exportkontrollen für Galliummetall dessen kommerzielle Anwendung fördern könnten. Es ist nur so, dass der Markt klein ist und die Bereitschaft des Kapitals zur Unterstützung fraglich ist.

Langfristiges Muster der Galliumversorgung

Lassen Sie uns als Nächstes über unsere Ansichten zur langfristigen Versorgungslage mit Gallium sprechen. Wir haben gesehen, dass China kein Monopol auf die Galliumressourcen hat. Im Bereich der HF-Geräte, wo Materialien auf Galliumbasis die wichtigste Rolle spielen, gibt es keine sichtbaren Alternativen. Man ging einst davon aus, dass Silizium-CMOS- und Siliziumgermanium-Bauelemente (ein weiteres Material, das der Exportkontrolle unterliegt) in der Lage sein würden, Galliumarsenid-Bauelemente auf dem Markt für mobile Endgeräte in erheblichem Maße zu ersetzen. Tatsächlich war jedoch das Gegenteil der Fall: Die Nachfrage nach Galliumarsenid-Bauelementen stieg mit der Entwicklung des Kommunikationsmarktes sogar an. Außer für Hochfrequenzgeräte gibt es derzeit auch in wichtigen Branchen wie der Beleuchtungs- und Optoelektronikbranche keine geeigneten Alternativen zu Gallium. Andererseits ist es wirtschaftlich unrealistisch, das Gallium in den Endprodukten (Handychips, Permanentmagnetmaterialien, PV-Folien usw.) weiter zu recyceln, um die Abhängigkeit von Galliumquellen zu verringern. Am Beispiel von NdFeB-Permanentmagnetmaterialien sind die Recyclingkosten des Seltenerdelements Neodym, das den Hauptbestandteil des Materials bildet, nicht wirtschaftlich genug und auf dem Markt fehlt die Bereitschaft, es zu recyceln. Gallium wird nur in Spuren zugesetzt, sodass das Recycling von Gallium allein noch weniger wirtschaftlich ist. Ein typischer HF-Verstärkerchip für Mobiltelefone enthält nur wenige Milligramm Gallium und ist weniger als einen Cent wert. Daher ist für einige Länder der Wiederaufbau der industriellen Lieferkette für die Versorgung mit Rohgallium außerhalb Chinas eine unvermeidliche Entscheidung. Nach unserer aktuellen Preisschätzung werden die Kosten für den Wiederaufbau der Rohgalliumversorgung im Ausland nicht unter 5.500 RMB pro Kilogramm liegen, aber auch nicht zu hoch ausfallen. Viele der oben aufgeführten Galliummaterialien werden nur im kleinen Maßstab verwendet und reagieren nicht empfindlich auf größere Kostenänderungen. Sie werden daher nicht stark beeinträchtigt und bedürfen keiner großen Diskussion.

Wir sind eher besorgt über einige relativ große und kostensensible Industriezweige wie etwa die Herstellung von Permanentmagnetmaterialien, Photovoltaik, Optoelektronik für Beleuchtungszwecke und die oben genannten aufstrebenden Bereiche, die stärker von der Stabilität der Galliumversorgung abhängen. Nachdem Chinas Industrie für hochwertige Hochfrequenzmaterialien einen technologischen Durchbruch erzielt hat, wird sich in der Branche eine ähnliche Situation entwickeln wie in vielen anderen Branchen heute, wo die Preise aufgrund des „internen Kreislaufs“ gesenkt wurden. Sofern China nicht auch Maßnahmen wie strengere Umweltschutzauflagen ergreift, die die Kosten für die Raffination von Rohgallium deutlich erhöhen, wird es keinen signifikanten Kostenunterschied geben. Für Länder außerhalb Chinas ist es unrealistisch, sich ausschließlich auf staatliche Subventionen zu verlassen, um die von der Branche benötigte Marktgröße aufrechtzuerhalten. Es könnten Handelsbarrieren entstehen, die die Kosten der nachgelagerten Industrien weiter erhöhen. Diese Industriebereiche, in denen China bereits über technologisches Potenzial verfügt, sind naturgemäß kostensensibel, und ein solcher Handelsprotektionismus könnte weiteren Handelsprotektionismus nach sich ziehen.

Im Allgemeinen war der Entwicklungsprozess von Materialien auf Galliumbasis in den letzten Jahrzehnten ein Prozess, der sich unter den Erwartungen der Menschen und unermüdlichen Bemühungen allmählich von der Kommunikations- und Militärindustrie zur industriellen Produktion und zum täglichen Leben entwickelte. Mit steigender Nachfrage wird die Lieferkette stärker marktorientiert. China ist das globale Produktionszentrum und hat einen erheblichen Einfluss auf viele Industrieketten. Die horizontale Integration und Arbeitsteilung in der weltweiten industriellen Kette ist das Ergebnis der Globalisierung und zugleich eine Kraft, die die Globalisierung aufrechterhält. Die zuständigen chinesischen Behörden haben Germanium und Gallium als zwei seltene Mineralressourcen für die Regulierung ausgewählt und müssen entsprechende Untersuchungen durchgeführt und die Vor- und Nachteile abgewogen haben. Aber insgesamt unterscheidet sich die mit diesen beiden elementaren Materialien verbundene Industriekette nicht wesentlich von anderen Industrieketten. Chinas Gegenmaßnahmen sind ein letztes Mittel und haben warnenden Charakter. Dies wird sich in den nachfolgenden konkreten Einsätzen und Auswirkungen widerspiegeln. Die Entwicklung verschiedener Anwendungen von Materialien auf Galliumbasis kann kurzfristig bis zu einem gewissen Grad beeinträchtigt werden, die langfristige Entwicklungstendenz der Gallium-bezogenen Industrien wird davon jedoch nicht beeinflusst.

Dieser Artikel wird vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützt

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

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