半導体とは

電気を伝導する物質は伝導体と呼ばれ、伝導しない物質は絶縁体として知られています。半導体はこれら両方に適用される独自の特性を持っており、特定の条件下では電気を伝導でき、他の条件下では電気に抵抗することができます。この独自の性質により、半導体は、小さな領域で大量の電力を伝導する必要があるコンピューター チップ、AI チップ、IoT（モノのインターネット）デバイスなどのテクノロジーに最適です。

現代のテクノロジーのほとんどにおいて、半導体は小さな電気スイッチのように機能し、繰り返しオンとオフを切り替えることで電気の流れを可能にします。半導体の伝導性 (電流が半導体を流れる容易さまたは困難さ) は、電流と電圧に応じて変化します。

半導体は、パーソナルコンピューター (PC)、家電、自動車、工業製造など、多くの業種・業務で広く使用されています。半導体産業協会 (SIA) の最近のレポートによると、半導体の売上高は2001年の1,390億ドルから2023年には5,260億ドルに増加しています。この成長は、6%の複合年間成長率 (CAGR) を示しています。¹

半導体業界のイノベーションの急速なペースは、主にムーアの法則、つまりコンピューターの速度と機能が2年ごとに2倍になる法則に起因しています。半導体業界では、増大するコンピューティング・デバイスの需要に対応するためにマイクロチップに搭載しなければならないトランジスタの数にムーアの法則が適用されます。大手メーカーは、半導体のテクノロジーの進歩を確実にするために、トランジスタ数を2年ごとに倍増させる方法を模索し続けています。

ほとんどの半導体は、その独特な原子特性のため結晶でできています。最も一般的な伝導要素は最外殻に電子を 1 個持っていますが、半導体には電子が 4 個あります。このこととその他の要因により、半導体結晶 (通常はシリコン) は、複雑な現代の技術デバイスの基礎となる電流を制御するのに最適です。

電子回路やデバイスを通る電気の流れを制御するために、技術者は正と負の電荷を持つ領域を作り出して半導体を通る電子の流れを操作します。このプロセスはドーピングとして知られています。

半導体の製造において、ドーピングとは、不純物原子とも呼ばれる不純物を半導体の結晶格子に意図的に導入して、その電気的特性を変えるプロセスです。ドーパント原子を導入することで、技術者は材料の導電性を高めたり低くしたりすることができます。ドーピングには、N型とP型の2種類があります。

• N型ドーピング: N型ドーピングでは、技術者がホスト材料よりも価電子の多い要素を追加します。この変化により原子内の自由電荷キャリアの数が増加し、半導体材料の導電性が以前よりも高まります。

• P型ドーピング: P型ドーピングでも材料の導電性は高まりますが、方法は若干異なります。P型ドーピングでは、ホスト材料よりも価電子の少ない要素が追加され、コンピューター サイエンスで「ホール」と呼ばれるものが作成されます。これは、通常は電荷を運び、導電性を高める電子が不足している場所です。

半導体は通常、真性半導体と不純物半導体の 2 つの主な種類に分類されます。ここでは、それらの違いを詳しく見ていきます。

• 真性半導体: 真性半導体とは、いかなる方法でも操作されていない、単一の純粋な材料で作られた半導体です。真性半導体は、炭素、ホウ素、シリコン、ゲルマニウムなど、周期表上のよく知られた元素が多いため、「元素」半導体と呼ばれることがよくあります。

• 不純物半導体: 不純物半導体とは、材料の導電性を変えるためにドーピング、つまり意図的な汚染が行われた半導体です。たとえば、高周波 (RF) 半導体は、半導体をより高い無線周波数で動作させるヒ素ガリウム (GaAs)、窒化ガリウム (GaN)、シリコン (Si) などの材料を組み合わせているため、不純物半導体であると考えられています。

半導体デバイスは、導体と絶縁体を使用して電気の流れを制御するコンポーネントです。最も一般的な種類の半導体デバイスは、広く使用されているトランジスタです。トランジスタは、現代の電子機器のほとんどPower® 小型で耐久性のある電子部品です。

1947年にトランジスタが発明されるまで、同じ目的で真空管が広く使用されていました。トランジスタは真空管よりもコンパクトで効率的であることが証明され、すぐに真空管に取って代わりました。今日、トランジスタは、コンピュータチップ、マイクロプロセッサ、自動車、ロボットデバイスなど、幅広いデバイスで使用されています。トランジスタは非常に柔軟性が高く、導体や絶縁体として機能するだけでなく、スイッチ、増幅器、整流器としても機能します。

• スイッチ: 電流の流れを制御するためにオンまたはオフになる半導体デバイス内のコンポーネント。

• 増幅器: 電子機器のインプット信号の大きさを増大させる回路。

• 整流器: 整流ダイオードとも呼ばれる。電気を一方向に流すことで電流を交流 (AC) から直流 (DC) に変換する小型の半導体デバイス。

半導体はファウンドリーで製造されます。ファウンドリーは半導体の製造のみに特化した高度に専門化された企業であり、設計と流通は他社に委託しています。さまざまな要因により、世界のファウンドリーのほとんどは台湾にあります。

今日、世界の半導体チップの60%と先端チップの90%以上が、比較的小さな島である台湾で製造されています。²台湾の高度なスキルを持つ労働力、半導体製造のファウンドリーモデルの発明などの要因によって、台湾は半導体市場でほぼ完全な支配的地位を築いています。

おそらく世界で最も有名なファウンドリーは、1987年に設立された台湾セミコンダクター マニュファクチャリング カンパニー (TSMC) でしょう。同社は Apple や NVIDIA などの顧客向けに、世界で最も先進的なチップを製造しています。

今日、TSMC は半導体市場における優位性により、世界的な半導体サプライチェーンの重要な部分を占めています。その結果、台湾は中国や米国などの主要国の外交政策における地政学的焦点となりました。

半導体は、半導体材料を薄いセグメントにスライスすることから始まる、ウェハ製造またはウェハファブと呼ばれる厳密なプロセスを経て製造されます。シリコン ウェハーは最も一般的なウェハーですが、ガリウム ヒ素、炭化シリコン、ゲルマニウムなどから作られるものもあります。

ウェハーが作成されると、一連の異なる高度に特殊化された機械で研磨および研削され、4 つの非常に複雑なステップを経てその表面に集積回路 (IC) がインストールされます。

• ステップ 1. 酸化: IC を取り付ける前に、ウェハーを高純度の脱イオン水で事前に洗浄する必要があります。一部の種類のウェハー、特にシリコンウェハーは、このステップで加熱され、純粋な酸素にさらされます。この方法は熱酸化として知られています。

• ステップ 2. マスキング: 半導体製造のマスキング工程では、フォトマスク (高精度のステンシル) を使用してウェハー上にパターンを作成します。この作業はフォトリソグラフィーと呼ばれます。各マスクは、半導体の回路と、ICとしてどの程度効果的に動作するかを定義する上で重要です。

• ステップ 3. エッチング: 製造におけるエッチング工程では、意図したパターンまたは形状を与えるために、ウェハーから不要な材料が除去されます。マスキングと同様に、エッチングは、ウェハーの表面に取り付ける必要のある特定の目的を持つ IC やその他の種類のデバイスを確立する上で重要です。

• ステップ 4. ドーピング: 最後に、結晶構造に不純物を加えて電気特性を変更することで、不純物半導体の材料が作成されます。このステップで使用される化合物には、ガリウムヒ素、インジウムアンチモン、および多くの種類の酸化物が含まれます。

過去 75 年間で、半導体は多くの現代テクノロジーの基盤となってきました。コンピューティングの初期の時代から、インターネット、ソーシャル メディア、モバイル・テクノロジー、 AIの普及に至るまで、それらは電子デバイスの機能を可能にする重要な役割を果たしてきました。ここでは、半導体の最も重要なメリットをいくつか紹介します。

• サイズと重量
• 電力効率性
• 信頼性
• より高速な処理
• カスタマイズ

半導体は最新の電子デバイスのほとんどの使用を可能にするため、多くの業種・業務にまたがるユースケースがあります。ここでは、最も一般的なものをいくつか紹介します。

集積回路 (IC)、センサー、半導体チップなどの半導体および半導体デバイスは、さまざまな家庭用電子機器に広く使用されています。スマートフォンやノートPCからスマート家電、バーチャルアシスタント、テレビなどに至るまで、半導体は、ほとんどの消費者が私生活や仕事で依存するようになった技術デバイスを支えています。

今日の自動車には、音声認識、ワイヤレス接続、さまざまな種類のメディアのストリーミング機能など、人々がスマートフォンやPCに期待する主要な機能が搭載されています。半導体チップは、自動車がインターネットにアクセスしたり、ボイスメールやテキストメッセージを読み上げたり、方向指示を受け取ったりするために、自動車が主要な機能を実現するために使用するテクノロジーの基盤となります。

半導体と半導体チップは医療分野で非常に重要であり、幅広い医療機器やアプリケーションのオペレーションに不可欠です。半導体は、医療用画像、診断、患者のモニタリングなどを可能にするデバイスに電力を駆動し、患者の治療や成果の改善に役立つ重要なデータをほぼリアルタイムで送信できるようにします。

スマート製造は、インダストリー4.0とも呼ばれ、IoT（モノのインターネット）、AI、クラウド・コンピューティングなどの新しいデジタル テクノロジーを製造プロセスに統合するものです。スマート製造では、半導体や半導体チップが高度なセンサー、組み込みソフトウェア、ロボティクスを強化し、工場環境でデータを収集して分析することで、時代遅れの非効率なプロセスを合理化します。