中国は今日からガリウムの輸出規制を開始する。世界のサプライチェーンはどの程度影響を受けるのでしょうか?

中国は8月1日からガリウムとゲルマニウム関連品目の輸出規制を実施する。現在、この2つの希少金属の基本状況については多くの記事で紹介されています。私の国はガリウムとゲルマニウムの主要生産国であり、これらは半導体などの多くの産業にとって重要な材料です。したがって、この措置は世界の関連産業チェーンに大きな影響を与えると考えられる。本当にそうなのでしょうか？この記事では、ガリウムの産業用途を関係する実務家の観点から紹介し、規制の嵐の瀬戸際にある供給問題を分析します。

He Jun 氏と Wang Benzhong 氏 (成都新中祥科技有限公司) 執筆

2023年7月、中国政府は8月1日からガリウムとゲルマニウムの元素に関連する品目の輸出規制を実施すると発表しました。この発表は大きな騒動を引き起こし、幅広い注目と議論を集めました。

これら 2 つの要素は、これまで世間の注目を集めることはほとんどありませんでした。実際、純粋な金属に変換されたガリウムの消費量は年間数百トンに過ぎません（少なくともリサイクル分は含まれていないので、この推定値は若干低いと思われます）が、このニュースによって引き起こされた反応はこれまで以上に大きく、個々の団体に制裁が課せられています。世論は、その潜在的な影響はより広範囲に及ぶと考えており、中国政府が関連分野で反抑圧措置と決意を強化していることを示している。新たな規制措置は無差別な関税引き上げではなく、輸出ライセンス規制の実施であり、実際の結果はその実施方法に大きく左右される（承認後は輸出は通常通り行うことができる）。しかし、具体的な操作がどのように行われても、現在の関連分野における世界市場の分業により、特定の国、特定の分野、特定の主体を正確に攻撃することは非常に困難であり、規制措置は依然として関連する産業チェーン全体に影響を与えます。現在、中国の粗ガリウム生産量は世界シェアの90％以上を占めており、産業チェーンに強い影響力を持っています。このニュースが報道されてからわずか数日のうちに、中国が輸出する原油ガリウムの価格は27％も急騰した。私たちも関連分野の実務家として、今回のガリウムサプライチェーンの混乱が業界に及ぼす影響について、直近の影響、各方面の反応、その後の展開によって生じる可能性のある長期的な状況など、非常に懸念しております。

ガリウムは自然界に自由元素として存在せず、ボーキサイトや閃亜鉛鉱の中に微量化合物の形で存在します。丨画像ソース: wiki

ガリウムの産業応用

あまり知られていないガリウムは、そのユニークな熱的、光学的、電気的特性により、低融点合金、触媒、光学ガラス、歯科用充填材、圧電材料、センサー、IC、マイクロ波無線周波数、永久磁石、太陽光発電、LED、電力装置など、産業界で多くの用途があります。本当に完全なリストを作成することさえ困難です。ガリウム関連産業は市場規模が小さいため、相互依存的かつ入れ子構造の典型的な水平統合型グローバル市場モデルを形成しています。個々のアプリケーションと代替の可能性を評価するには、技術的および定量的な世界市場情報を含む専門的で詳細な専門知識が必要であり、これは本質的に困難です。しかし、主な応用分野の特徴から始めて市場の観点から観察すると、比較的明確な結果が得られます。

ガリウムベースの材料の最も重要な用途はチップ分野です。一般の人がチップについて語るとき、シリコン素材を思い浮かべます。実際、シリコンベースのチップは業界全体の90％以上を占めており、その関連技術性能の急速かつ予測可能な発展は、過去数十年間に人類社会に深く広範囲に影響を及ぼし、情報産業の基盤となっています。しかし、シリコン素材には固有の欠点もいくつかあります。まず、いわゆる「間接バンドギャップ」結晶材料であるため、発光効率が低い。さらに、バンドギャップが狭く固定されているため、調整が困難です。そのため、照明オプトエレクトロニクスの分野で現在使用されているいわゆる直接ワイドバンドギャップ化合物半導体材料は、主に窒化ガリウム（青色光と白色光）、ガリウムヒ素（赤色光）、およびリン化インジウム（光ファイバー低損失帯域）です。

ガリウムヒ素ウェハー |出典: matltech.com

ガリウムベースの材料の結晶材料特性により、それらは無線周波数デバイスの基盤にもなります。無線周波数デバイスは、無線通信やレーダーなどの産業における基本的なデバイスです。ガリウムヒ素 RF デバイスを例にとると、その基本的な製造プロセスは次のようになります。まず、高品質のブロック単結晶材料を作成し、次にそれを厚さ約 0.5 mm のディスクに切断します (ウェハー基板と呼ばれる)。次に、ガリウムヒ素材料の薄い層を基板の上面に堆積して成長させます (エピタキシーと呼ばれる)。次に、エピタキシャル層にさまざまな処理手順を施して、ウェーハの上面にデバイスを配置します。最後に、放熱と寄生インダクタンスの制御の要件を満たすために、基板の厚さの大部分が背面から除去されます。いくつかの用途（レーダー、基地局など）においてガリウムヒ素の唯一の代替品は、いくつかの面でより優れた性能を持つ材料である窒化ガリウムです。ガリウムは依然として避けられませんが、窒化ガリウムデバイスは現在均質な基板を使用していないため、使用量ははるかに少なくなります。 GaN デバイスは現在、携帯電話の RF パワーアンプ チップなど、すべての GaAs RF アプリケーションに適しているわけではないことに注意してください。さらに、ガリウムヒ素単結晶基板を使用する RF デバイスと光電子デバイスには、異なる品質要件があります。中国は現在、高品質のガリウムヒ素単結晶基板を大量に輸入している。

前述のより「伝統的な」用途に加えて、ガリウムは非常に重要な新興分野にも関連しています。これらはパワーエレクトロニクス（パワーとも呼ばれる）デバイスです。 RF デバイスと比較すると、パワー エレクトロニクス デバイスは、低い周波数で動作し、面積が大きく、より高い電力レベルを処理し、信頼性とコストに対する要件が高く、市場規模も大きくなります。窒化ガリウムパワーエレクトロニクスデバイス（携帯電話充電器など）は民生用電子機器市場に参入していますが、その製造には依然として他の材料の基板が使用されています。均質基板を使用した酸化ガリウムは、ハイエンドのパワーエレクトロニクスデバイス向けの有望な材料であり、米国政府によって規制されています。

窒化ガリウム ウェハー基板は、注目を集めているもう 1 つの分野、つまり白色 (青色) 光レーザーの重要な基盤です。大きな進歩を遂げており、大規模な商業利用に近づいています。

中国と米国におけるガリウム金属供給の概要

ガリウム材料は、ボーキサイトからのアルミニウム生産の副産物として世界中で抽出されています。中国企業の大量参入以来、ガリウムは全体的に供給過剰の状態にある。現在、中国の粗ガリウム（純度99.99％、通称フォーナイン）の生産量は世界総量の90％以上を占めると推定されている。 2012年には、1キログラム当たりの粗ガリウムの価格が約4,000人民元から1,000人民元未満にまで下落した。その後、中国国外の一部の企業が粗ガリウムの生産を中止した。近年、中国の関連産業に対する環境保護の要求や疫病によるサプライチェーンの変動により、粗ガリウムの価格は短期的に上昇しているが、2012年以前に4,000元の水準に達したことはなかった。近年の需要の明らかな増加と今回の輸出規制による粗ガリウム価格の上昇を合わせても、1キログラム当たり2,000元を少し超える程度にとどまっています。歴史を振り返ると、この価格は高くありません。

関連する産業チェーンの水平統合モデルにより、さまざまな市場で見られるシナリオは大きく異なります。中国では、ガリウム材料の生産は主に国内市場の需要によって推進されており、主に（NdFeB）永久磁石材料、銅インジウムガリウムセレン薄膜太陽光発電材料、照明オプトエレクトロニクスなどの市場の急速な成長によって消費されています。中国はより純度の高い精製ガリウムも輸入する必要があり、粗ガリウムの価格変動は精製ガリウムの価格に影響を及ぼすだろう。粗ガリウムから精製ガリウムへの付加価値はそれほど高くなく、特に大きな技術的障壁もありません。私たちは、このサプライチェーンの混乱が中国の精製ガリウム精製産業をさらに促進すると信じています。

窒化ガリウム半導体デバイス |画像出典: dignited.com

米国はその反対の極端で、ガリウムを100％輸入に依存している。中国では主流となっているガリウム消費産業は、コスト上の理由から米国では十分に発達していない。米国はガリウム系材料、主にガリウムヒ素単結晶基板材料を輸入しており、その量は相当なものであり、世界のガリウム消費量のかなりの部分を占めています。金属粗ガリウムと精製ガリウムも一部存在します。米国は現在、中国産ガリウム金属に比較的高い関税を課しているため、米国の輸入に占める中国産ガリウム金属の割合は半分以下にまで減少している。全体として、米国の中国からのガリウムへの直接的な依存度は低いレベルにまで低下した。さらに、GaAs RF デバイスで使用される材料のほとんどは、製造段階で消費およびリサイクルできます (これは、ヒ素に関する環境要件にも関連しています)。実際、米国が中国からのガリウム輸入に関税を課す目的の一つは、米国内にまだ存在し、ガリウムをリサイクル・利用する事業体を保護することだ。したがって、短期的には、ヨーロッパ、日本、その他の国の高級ガリウムヒ素結晶材料のサプライヤーは、中国の輸出規制によって直接影響を受けることになります。これらのサプライヤーの生産能力は世界規模の分業体制となっており、ガリウム製品のサプライチェーンや物流を正確に計算することは容易ではありません。これは、米国と協力して我が国の半導体を封鎖するために一部の国が最近講じた措置を人々に思い出さざるを得ません。

中国と米国はともに、高品質のガリウムヒ素単結晶基板を大量に輸入している。これらのプロセス付加価値は材料価値よりもはるかに高く、現在の粗ガリウム価格の変動の影響を受けにくいため、供給の変動を引き起こすことはありません。実際、中国はこの分野で常に一定の供給リスクに直面してきました。同社の関連製品の品質はすでに成熟に近づいており、今回の事件は国産のガリウムヒ素単結晶基板の無線周波数分野への応用を促進する可能性がある。

また、中国と米国はともに、トリメチルガリウム、高純度金属ガリウムなど、ガリウム含有エピタキシャル成長に用いられる高純度材料を輸入している。バルク材料の使用量も少なく、最終製品のコスト構造に占める割合も小さいため、大きな影響は受けない。同様に、この分野の中国のユーザーも一定の供給リスクに直面しており、国内サプライヤーの技術は成熟に近づいているため、ガリウム金属の輸出規制により商業的応用が促進される可能性がある。ただ、市場規模が小さく、資本が支援する意欲があるかどうかは疑問です。

ガリウム供給の長期パターン

次に、ガリウムの長期的な供給状況についての当社の見解についてお話しします。ガリウム資源は中国によって独占されていないことがわかりました。ガリウムベースの材料が最も重要である RF デバイスの分野では、目に見える代替品はありません。かつては、シリコン CMOS やシリコンゲルマニウム (輸出規制の対象となっている別の材料を使用) デバイスが、携帯端末市場でガリウムヒ素デバイスを大幅に置き換えることができると予想されていましたが、実際の結果はその逆で、通信市場の発展に伴いガリウムヒ素デバイスの需要が実際に増加しました。無線周波数デバイスに加えて、照明やオプトエレクトロニクスなどの重要な産業では、現在ガリウムに代わる適切な材料は存在しません。一方、ガリウム源への依存を減らすために、最終製品（携帯電話チップ、永久磁石材料、PVフィルムなど）中のガリウムをさらにリサイクルすることは経済的に非現実的です。 NdFeB永久磁石材料を例にとると、材料の主成分である希土類元素ネオジムのリサイクルコストは経済的ではなく、市場にはリサイクル意欲が欠けています。ガリウムは微量しか添加されないため、ガリウムのみをリサイクルするのはさらに経済的ではありません。一般的な携帯電話の RF アンプ チップには、わずか数ミリグラムのガリウムしか含まれておらず、その価値は 1 セントにも満たない。したがって、中国国外での粗ガリウム供給のための産業チェーン基盤を再構築することは、一部の国にとって避けられない選択です。当社の現在の価格見積もりによると、海外での粗ガリウム供給の再構築コストは1キログラムあたり5,500人民元より低くなることはないが、高すぎることはないだろう。上記のガリウム材料の多くは小規模用途であり、大きなコストの変化には影響を受けません。したがって、大きな影響は受けず、多くの議論を必要としません。

私たちがより懸念しているのは、永久磁石材料、太陽光発電、照明オプトエレクトロニクス、そして前述の新興分野など、比較的大規模でコストに敏感な産業であり、これらはガリウム供給の安定性に大きく依存しています。中国のハイエンド高周波材料産業が技術革新を達成した後、同産業も今日の多くの産業と同じような「内部循環」によって価格が引き下げられた状況を形成するだろう。中国も環境保護要件の強化などの措置を導入し、粗ガリウムの精製コストを大幅に引き上げない限り、コストに大きな差は生じないだろう。中国以外の国では、業界に必要な市場規模を維持するために政府の補助金だけに頼るのは非現実的です。貿易障壁が出現し、下流産業のコストがさらに増加する可能性があります。中国がすでに技術的能力を有しているこれらの産業分野は本質的にコストに敏感であり、このような貿易保護主義はさらなる貿易保護主義を引き起こす可能性がある。

一般的に、過去数十年にわたるガリウムベースの材料の開発プロセスは、人々の期待とたゆまぬ努力の中で、通信産業や軍事産業から工業生産や日常生活へと徐々に移行するプロセスでした。需要が増加するにつれて、サプライ チェーンはより市場志向的になります。中国は世界的な製造業の中心地であり、多くの産業チェーンに大きな影響を与えています。世界中の産業チェーンにおける水平統合と分業は、グローバリゼーションの結果であり、グローバリゼーションを維持する力でもあります。中国の関係機関は、規制対象となる希少鉱物資源としてゲルマニウムとガリウムを選択しており、相応の研究を行い、長所と短所を比較検討してきたはずだ。しかし、全体として、これら 2 つの基本材料に関連する産業チェーンは、他の産業チェーンと本質的には変わりません。中国の対抗措置は最後の手段であり、警告の性質を持つ。これはその後の具体的な運用と影響に反映されます。ガリウム系材料の各種用途の発展は短期的にはある程度影響を受ける可能性があるが、ガリウム関連産業の長期的な発展動向には影響しないだろう。

この記事は科学普及中国星空プロジェクトの支援を受けています

制作：中国科学技術協会科学普及部

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