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半導体の材料って何があるの?

2022年7月5日

みなさんこんにちは。このブログを書いている東急三崎口です。今回は、半導体関連の記事です。半導体関連の記事として、前回は半導体不足について解説する記事の1回目を書きました。今回は、そもそも半導体の材料で何があるのか?について解説していきます。1回目の記事を読まれていない方は、ぜひ読んでみてください。

半導体は周期表ではどこにあるのか

いきなり、周期表について書きましたが周期表とは、なんでしょうか。簡単に言うと、元素を似たものが並ぶように並べた表です。中学校の理科で、水素からカルシウムまで覚えさせられたような記憶があります。必要そうな部分だけ切り取って表にするとこんな形になります。

縦の並びを「族」、横の並びを「周期」といいます。元素は全部元素記号で書いてあります。このように、元素を並べると、同じ「族」の元素は、性質が似ています。同じ縦の列にある元素は、性質が似ているわけです。例えば、18族(一番右側の列です。)を見ると、上から「He(ヘリウム)」「Ne(ネオン)」「Ar(アルゴン)」「Kr(クリプトン)」「Xe(キセノン)」がならんでいます。これらの元素は、希ガス(最近の教科書だと、「貴ガス」と書いてありました。私が高校生だったころと漢字が変わっていて時代の変化を感じました。)と呼ばれていて、他の元素と反応しにくい元素であることが知られています。

それでは半導体に使われる元素には、どのようなものがあるでしょうか。ざっくりいうと、周期表の中で12~16族の元素が半導体として使われることが多いです。

図の中で、オレンジ色になっている部分の元素が半導体として使われることのある材料です。

半導体には元素半導体と化合物半導体がある

半導体に使われる元素を周期表の中で見てきました。これらの元素の中には、2つの種類があります。それは、その元素単体で半導体になるものと、他の元素との組み合わせで半導体になる元素です。元素単体で半導体になるものを、「元素半導体」といいます。他の元素との組み合わせで半導体になる元素を「化合物半導体」といいます。

元素半導体

まず、元素半導体についてみていきましょう。元素半導体になりうるのは、「C(炭素)」「Si(シリコン)」「Ge(ゲルマニウム)」です。(Sn(スズ)は、厳密に考えると半導体ではないので除きます。理由は、別途記事にしますが物理についてまじめに書かないと説明できないので、ここでは飛ばします。)周期表の中で塗りつぶすとこんな形になります。

周期表の中で青色で塗っているのが、「C」「Si」「Ge」です。お気づきの方もいらっしゃるかと思いますが、これらはすべて14族の元素です。14族の元素は、元素単体で半導体としての性質を持っています。「C」については正確に言うと、ダイヤモンドの場合しか半導体としての性質は持たないんですが、一応「C」単体で半導体としての性質を取りうるので、ここに乗せています。これについても、今後解説していきたいと思っています。

このように、14族の元素はその元素だけで半導体としての性質を持てるので「元素半導体」と呼ばれています。これは、次に説明する化合物半導体とは違った性質です。元素半導体は14族だけの元素でできているので、Ⅳ族半導体と呼ばれたりもします。

化合物半導体

次に、化合物半導体について説明します。化合物半導体は、先ほど説明した元素半導体と違って、他の元素との組み合わせで半導体としての性質を持つものです。先に例を出すと、GaAs(ヒ化ガリウムまたは、ガリウムヒ素と呼びます。)などがあります。これは、先ほどの元素半導体と違ってGa(ガリウム)とAs(ヒ素)が組み合わさって半導体としての性質を持つようになります。GaとAsを周期表で塗りつぶすと下の図のようになります。

緑色で塗りつぶしているのが、GaとAsです。Gaは13族、Asは15族の元素です。化合物半導体は、12,13族と15,16族の元素が組み合わさってできる半導体です。GaAsであれば、13族のGaと15族のAsの組み合わせでできた半導体です。このように、13族と15族の元素から作られる半導体のことをⅢ-Ⅴ族半導体と言ったりします。同じように、12族と16族から作られる半導体をⅡ-Ⅵ族半導体と呼ぶこともあります。

化合物半導体は、厳密にいうと3種類以上の元素を組み合わせることもできます。ただ、それを説明しようとすると化学結合の説明が必要なので、今回は飛ばします。今後記事にしていこうと思っています。

化合物半導体で有名なものといえば、GaAsやGaN(窒化ガリウム、ガリウムナイトライド、ガンと呼びます。)が挙げられます。GaNは、ノーベル賞を受賞された青色発光ダイオードの研究で使われた半導体です。

一番使われている半導体は?

元素半導体と化合物半導体について解説してきました。半導体の定義についての厳密な話は、化学結合とバンド理論について説明しないといけないので、厳密な定義の話は今回の記事ではやりませんが、今後記事にしていく予定です。それでは、世の中で一番使われている半導体って、どの元素なんでしょうか。ここで紹介しただけでも、「C」「Si」「Ge」「GaAs」「GaN」と5つの半導体があります。この中で一番使われている半導体はSiです。Siは研究されたきた歴史が古く、材料としても安いので一番広く使われています。

半導体が使われている用途

ここまで、半導体の種類と一番使われている半導体について紹介してきました。それでは、半導体が使われる用途って、どのくらいあるでしょうか。ざっと考えただけでもこれだけあります。

  • 集積回路
  • パワーデバイス
  • 発光デバイス
  • 受光デバイス
  • メモリデバイス
  • イメージセンサ
  • ディスプレイ
  • アナログ回路
  • 個別半導体

何のことかわからないものもたくさんあると思いますが、順次解説していきたいと思います。ここで皆さんに知っていただきたいのは2つです。1つ目は、用途別に一番メリットのある半導体が使われていること。2つ目は、皆さんが思っているよりも多くのところに半導体が使われていることです。

それぞれのデバイスについて、細かく見ると山ほど解説することがありますが、今回は本当にいろいろなところに半導体が使われていることをわかっていただければいいので、このくらいにしておきます。

まとめ

今回は、半導体材料には何があるのかについて解説しました。長くなりましたが、ここまで読んでくださりありがとうございます。記事の中でよくわからない点や、内容についてご指摘がありましたら、コメント欄かお問いあわせからご連絡いただければお返事できるようにいたします。次回の記事では未定です。それでは、今回はここまでです。次回の記事でお会いしましょう。

半導体

Posted by tokyu351