中國管制鎵出口對供應鏈的影響

日前中國政府無預警地宣布，鎵與鍺金屬將採行出口管制。頓時媒體大篇幅報導，尤其著墨於這是中國政府對美、日及歐洲，在半導體上的諸多對中國限制的一項反擊。

鎵與鍺都是半導體領域中重要的材料，尤其是中國產量佔全球8成以上的鎵，更具有關鍵的地位。整個供應鏈開始嗅到緊張的氛圍，擔心供貨受到影響。

化合物半導體中，砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）及氮化鎵（GaN）都需要使用鎵的金屬，相關的產品則包括5G手機RF功率放大器、寬能隙功率元件、LED及半導體雷射等電子及光電元件，影響所及不可謂之不鉅。

鎵對供應鏈的影響可分為2類，其一為基板，另一則是磊晶層。基板的厚度通常在500微米，而磊晶層厚度則在幾十微米，甚至10微米以下。

磷化鎵基板使用量較少，而氮化鎵沒有基板，所以在基板的供應上，就以砷化鎵為大宗。日本的住友（Sumitomo）、美國的AXT以及德國的Freiberger，為主要的供應商；3家業者主宰砷化鎵基板全球市場已超過30年，是個穩定且成熟的市場，每年的產值大約3億美元。

近10年來中國的紅色供應鏈，已開始進入砷化鎵基板的市場，台灣的晶圓代工及LED廠已有使用，品質及價格都有競爭力。倘若中國開始管制鎵的出口，短期內上述的3家公司會受到些影響，但對整體供應鏈影響不大。中國供應商要擴充砷化鎵基板的產能，並非難事。

鎵金屬在磊晶的供應鏈上，中國能發揮的影響力就更弱了。因為幾乎所有相關的磊晶層，都是經由有機金屬化學氣相沉積（MOCVD）來完成，而參與反應的主要化學品為三甲基鎵（Trimethylgallium；TMG），TMG的供應商都來自歐美及日本。

若中國管制鎵的出口，首當其衝的會是中國上千台的MOCVD，以及整個化合物半導體產業。

談完了鎵，我們來看看氮化鎵的供應鏈。

Yole最近的報導指出，中國英諾賽科的氮化鎵元件產值，在2023年第1季首次超越PI、EPC、Navitas等美國為主的元件設計公司，而且英諾賽科是自有的8吋晶圓廠，產品涵蓋高壓及中低壓元件，並以IDM的方式與使用6吋晶圓代工的上述美國公司競爭，高下自然不言而喻。過往晶圓代工廠，為了讓老舊的6吋廠有新的商機，因此引進氮化鎵元件。然而十幾年過去了，6吋廠在良率及成本上，一直無法有效改善，導致現今氮化鎵最大的瓶頸，就是價格過高，市場開拓有限。

英諾賽科的商業模式，在初期雖然有相當大的資本投入，但未來的營運是會漸入佳境，我們且拭目以待。

氮化鎵是一個卓越非凡的半導體材料，不僅是因為其具有寬能隙特性，還有1項特質是其他種類的半導體所沒有的。一般的半導體，每產生1顆電子，就會伴隨1顆帶正電的離子產生，當我們希望元件內有更多的電子或者電流，正離子就更多，電子會遭遇到更多的散射（scattering），電子遷移率便降低了，最後導致電流增加的有限。氮化鎵元件內的電子，是由晶體的極性（polarization）以及磊晶層之間的應力所造成，因此沒有正離子，所以既使存在很高的電子濃度，電子還能夠維持相當的遷移率。這對於元件的導通電阻及切換速度，都有著顯著的改善，這正是電源轉換系統最重要的兩個特性。

個人之前的文章，曾以此兩種特性，對比於矽基板元件。在650V元件，氮化鎵擁有矽元件的10倍優勢；到了100V元件，此優勢降為3倍；30V元件優勢仍然有30%。所以氮化鎵元件應該被廣泛使用於電源轉換系統，然而現今最大的障礙就是成本，氮化鎵的成本要能夠降為一半，就非常有競爭力了。這有賴在供應鏈上使用8吋的晶圓廠，以及增加MOCVD每台的磊晶產能。

中國政府對於鎵的出口管制，是經過深思熟慮的決定。一方面可以雄壯威武地回應西方國家及日本的制裁，但另一方面卻不會對產業鏈造成過多負面的影響。畢竟中國對於化合物半導體產業，是有完整的戰略布局。