「半導体は何で出来ている？」主な半導体材料や次世代の材料を紹介
地球上には、天然で存在するものだけでも90種類ほどの元素があります。しかしそのうち半導体として使える素材はごくわずかです。ここでは何を半導体として利用することができるのか、その素材や、素材ごとの特徴の違いなどをかんたんに解説していきます。
代表的な半導体材料
半導体として活用できる材料の代表例は「シリコン（Si）」です。他の材料に比べて比較的歴史も長く、使われる幅も広いです。そのため半導体には一般的にシリコンが使われていると考えても問題ないでしょう。
また、ゲルマニウムも材料として有名で、他にもセレンやカーボン（炭素）など材料として挙げられます。
シリコンがよく使われる理由
半導体材料として使うことができる材料にはいくつかあるものの、最も代表的なものはシリコンです。これはなぜでしょうか。
いくつか理由があります。1つは地球上に多く存在しており、材料として使う物量的な余裕があるということが挙げられます。実は、半導体材料に限らず地球表面で存在するすべての物質で考えても、2番目に多いのがシリコンなのです。最も多いのは50%近くを占める酸素で、その割合も圧倒的ですが、次いでシリコンが多く、その次に多いアルミニウムとの差も大きいです。
もう1つ、シリコンがよく使われる理由としては、加工のしやすさが挙げられます。単に存在する物質の多さだけで選ばれているのであれば、炭素も比較的豊富であるため、多く利用されても良さそうです。しかし半導体材料として使う場合の炭素は加工がしにくく、他方シリコンであれば扱いやすさも兼ねているのです。
複数の元素を組み合わせた材料もある
シリコンやゲルマニウムなどを使った場合、「元素半導体」とも呼ばれます。単体元素で構成されるからです。しかし複数の元素を組み合わせてできる「化合物半導体」というものも存在します。
組み合わせ方次第でその種類も豊富にあり、用途もそれぞれに異なっています。
◆化合物半導体の弱点
元素を組み合わせて、人工的に材料を作り出すことができますが、化合物半導体にも弱点があります。シリコンと比べるとその結晶に欠陥が多く、割れやすいのです。その結果、半導体素子の材料になる薄い板であるウエハの大型化が難しくなってしまいます。しかもシリコンに比べると原材料の入手および製造にかかるコストも大きくなってしまいます。
◆化合物半導体の良さ
以上のように、シリコンのほうが使い勝手が良く、化合物半導体は比較的扱いづらいとされていました。しかし用途によってはこちらのほうが良いこともあります。
シリコンに比べて優れているポイントとして、高速信号処理が可能である、ということが挙げられます。電子の移動速度が速く、性能の良い通信機器等を作るのには向いていると言えます。そのため、化合物半導体として「ヒ化ガリウム（GaAs）」や「リン化インジウム（InP）」、「窒化ガリウム（GaN）」、「炭化ケイ素（SiC）」などがありますが、常にシリコンのほうが優位に立つわけではありません。
携帯電話や衛星通信を行う装置にはヒ化ガリウムがよく使われてきましたし、これをさらに高速にした光通信においてはリン化インジウムが使われます。ブルーレイディスクや液晶など、青色発光ダイオードに使用されるのは窒化ガリウムですし、近年登場したハイブリッド車には炭化ケイ素も使われます。炭化ケイ素だと絶縁破壊強度が高いという特徴を有するなど、それぞれに特徴が異なるため単純な利用率で言えばシリコンが高いものの、それぞれに有効な出番があるのです。
次世代の半導体材料
もともと、シリコンが主流になる前はゲルマニウムを使ってダイオードやトランジスタが発明されていました。しかしシリコンの登場によって電子機器の多くは代替されることとなりました。
これは半世紀以上も前のことです。そして現代においても新たな材料が見出されてきており、色んな材料がこれから活躍するのではないかといわれています。
例えば「ダイヤモンド」は理論上優れた半導体として機能することが分かっていたものの、技術的に実用化が難しいと考えられていました。しかし近年、技術力の向上により少しずつ実用化に近づいています。これまでの材料よりはるかに優れた性能を有する半導体素子ができるのではないかと期待されています。低消費電力、絶縁耐圧の高さ、熱伝導率の良さなど、多方面において優れており、様々な分野に貢献するとされています。
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