半導体とは何か — 材料の物理と4分類

① 半導体という物質 — なぜシリコンが選ばれ続けるのか

微細化の話に入る前に、材料そのものの性質を押さえる。半導体が「導体でも絶縁体でもない」ことに意味があり、 その中間性こそが外部からの制御を可能にしている。ここを飛ばすと、なぜ電気自動車が炭化ケイ素を選び、 なぜシリコンが光を出せないのかが理解できない。

1.1 導体・半導体・絶縁体を分ける唯一の指標

物質の中で電子は決まったエネルギー帯にいる。動けない帯から自由に動ける帯へ移るには、その間の隙間を飛び越える必要がある。 この隙間の大きさを バンドギャップ と呼び、単位は eV (電子1個が1ボルトで得るエネルギー)。 導体は隙間が無く常に電気が流れ、絶縁体は広すぎて流れない。半導体だけが、外から手を加えて流れる量を変えられる。

表の最終行が、シリコンが半世紀にわたって主役であり続ける理由を示している。 シリコンは酸素にさらすだけで、バンドギャップ約9 eV の完璧な絶縁体を自分の表面に作れる。 ヒ化ガリウムは電子の走る速さで5倍勝るが、この自前の絶縁膜を持たない。 トランジスタは「絶縁膜を挟んで電界をかける」構造なので、絶縁膜の質が素子の質を決める。性能で劣る材料が勝ち続けた原因はここにある。

1.2 不純物を混ぜて電気の運び手を作る

純粋なシリコンはほとんど電気を通さない。そこへ意図的に別の元素を混ぜる操作を ドーピング と呼ぶ。 シリコンは4本の腕で隣と結合しているため、腕が5本の元素を混ぜれば電子が1個余り、3本の元素を混ぜれば空席が1個できる。 この不純物は、素材を イレブンナイン (99.999999999%) まで精製した後に、狙った濃度だけ入れる。 純度を極限まで上げてから汚すという一見矛盾した工程が、制御の前提になる。

n型とp型を接触させた境界を pn接合 と呼ぶ。境界では余った電子と空席が打ち消し合い、 電気を通さない層ができる。ここに電圧を一方向にかけると層が薄くなって電流が流れ、逆向きにかけると厚くなって流れない。 これが整流であり、電子回路の最小の非対称性である。 この接合を3層重ねて中央の層で流れを制御すればトランジスタになり、 光を当てて電流を取り出せば太陽電池、電流を流して光を出せば発光素子になる。 本ページで後述する演算器も記憶素子も、すべてこの一点から派生している。

② 半導体の分類 — 微細化競争は4分類のうち1つだけの話

報道が扱う「2nm」「微細化」はデジタル半導体に限った競争である。市場も日本の強みも残り3分類に大きく分布しており、 この区別を持たないまま産業を語ると、投資判断も政策評価も的を外す。

2.1 用途による4分類 — 微細化が効くのはどこか

パワー半導体と光半導体では、微細化が性能向上につながらない。求められるのは耐圧・放熱・光を出す能力であり、 いずれも材料と実装で決まる。日本勢が世界上位を保っているのがこの2分類であることは偶然ではなく、 露光装置の世代競争から切り離された領域だからである。 逆に言えば、先端露光装置を持てない国が現実的に狙える出口もここにある。

2.2 機能による6分類 — 半導体は世界に対して何をしているか

2.3 素子数で世代を呼んだ時代と、呼べなくなった現在

素子数による呼称は超々大規模集積回路で止まった。以後は製造寸法で世代を呼ぶ習慣に移り、 その寸法の呼び名も物理的な長さを表さなくなった (本ページ後段のノード命名を参照)。 業界が自らの世代を数えられなくなっているという事実が、微細化の物差しが壊れた地点を示している。