前回は半導体が絶縁体と導体の間に介在する物質であることについて述べた。だから半導体も必ず導電性の良い材料から作られ、これらの材料の抵抗率は一般的に約1 mΩcmから1 GΩcmの間にある。

そこで今回は、半導体の材料にはどんなものがあるのか具体的に知っておきましょう！

①第一世代半導体材料

第一世代半導体材料は主にシリコン、ゲルマニウムが主である。前号で簡単にお話ししましたが、シリコン元素は地球上に非常に豊富に貯蔵されており、地球全体の26.4%を占めており、地球の4分の1を超えており、酸素元素に次ぐ存在です！炭素がすべての有機生命を構成する基礎であるとすれば、シリコンは地殻にとって同じ位置を占めている。地殻の主要な部分はシリコンを含む岩石層で構成されているからだ。これらの岩石はほとんどすべてシリカと各種ケイ酸塩から構成されている。加えてシリコンの物理的性質は半導体製品に要求される条件と全く一致している！だから、シリコンも半導体生産の主な原材料になることが決まっております。

では、第一世代半導体材料のもう一つの元素、ゲルマニウムはどのようにして半導体として存在しているのでしょうか。実は元をたどると、ゲルマニウムこそが最初に研究された半導体原材料である。ゲルマニウムは金属に属しているが、比較的活発な材料であり、誘電体材料との界面で酸化還元反応が起こりやすく、酸化ゲルマニウムが生成され、多くの欠陥が発生し、さらに材料の性能に影響を与える。加えて、シリコン元素よりもはるかに少ない貯蔵量があるため、基板として直接使用するのは経済的ではなく、ある程度難しいことはもちろん、必要なプロセスは含まれていません。基板が何なのかはこれからも説明します。

第一世代半導体材料の応用は1960年代頃から始まり、シリコンとゲルマニウムが分離デバイス、集積回路などの開発のための基礎を築いてきたとしても、両者にはそれぞれ明らかな欠点がある。例えば、ゲルマニウムの高温耐性と放射線耐性が比較的に弱く、シリコン材料の物理的性質も高電子及び高周波高出力デバイスへの応用を制限している。

知恵に満ちた先輩たちは、数回の科学研究の経験と結びつけて、第2世代半導体材料を作り出した。

②　第二世代半導体材料

1990年代以降、モバイル通信の急速な発展に伴い、光ファイバ通信を基盤とした情報高速道路とインターネットが台頭してきた。これに伴い、第二世代半導体材料が頭角を現し始めた。

第二世代半導体材料とは、主に化合物半導体材料を指す。これらの化合物のうち、商業用半導体装置で最も多く用いられているのは、ガリウム砒素、インジウムリン、ガリウムリン砒素（GaAsP）、ガリウムアルミニウム砒素（GaAlAs）、インジウムリンガリウム（InGaP）である。その中でガリウム砒素技術が最も成熟し、応用も最も広い。

シリコン材料に対して、ガリウム砒素をはじめとする第2世代半導体材料の性質には2つの大きな違いがある：

①化合物半導体の電子移動度はシリコン半導体よりずっと速いので、高周波伝送に適しており、携帯電話、基地局、無線エリアネットワーク、衛星通信、衛星測位などの無線通信に応用されている。

②化合物半導体は、シリコン半導体にはない直接バンドギャップを有する。したがって、化合物半導体は、発光ダイオード（LED）、レーザダイオード（LD）、受光器（PIN）、太陽電池などの発光分野に適用することができる。超高速集積回路、マイクロ波デバイス、レーザ、光電および放射線防止、高温耐性などのデバイスの製造に使用でき、防衛、宇宙、ハイテク研究に重要な意義を持つ。

ガリウム砒素などの二世代半導体材料は高速、高周波、高出力及び発光電子デバイスの作製に適し、高性能マイクロ波、ミリ波デバイス及び発光デバイスを作製する優れた材料であり、衛星通信、移動通信、光通信、GPSナビゲーションなどの分野に広く応用されている。しかし、ガリウム（地殻含有量わずか0.0015%）、インジウム（地殻含有量わずか0.001%）の材料資源が非常に不足しており、価格が高価である。同時に、ヒ素には猛毒もあり、人体、自然環境、さらには接触する物質に深刻な有害化学反応を起こすことがあり、世界の多くの国では厳格に規制されている。これらの欠点は、第二世代半導体材料の応用に一定の限界を持たせている。

1873年、英国のスミスはセレン結晶材料が光照射下で電気伝導率が増加する光伝導効果を発見した。これは半導体の第3の特性である。

③　第三世代半導体材料

ここ2年ほどアンドロイド携帯電話の充電速度が速くなっていることに気づいていますでしょうか。アップル携帯電話でも高速充電に対応できるようになっています！

「5分間充電して2時間通話する」という65Wの急速充電から、現在では最速150W-200W、最大4000mAhの携帯電話のバッテリーまで、8-10分で電力を満たすことができ、一部の消費者の携帯電話を使用する習慣は急速充電技術の成熟によって徹底的に変わったと言える。

同様のアップグレードも新エネルギー電気自動車分野で上演されている。最近、中国有名な電気自動車メーカーである「小鵬自動車」はS4超高速充填杭をラインアップし、小鵬G9車種で「充電5分で200キロ航続」の向上を実現することができ、これにより「EVとハイブリッドはどっちが新エネルギー車の未来か」の議論を呼んだ。

これらの変革の背後には、第三世代半導体材料という共通の変革が欠かせない。

第3世代半導体材料とは、炭化ケイ素、窒化ガリウムに代表される材料を指す。前2世代の半導体材料と比べて、その最大の優位性は広い禁帯域幅であり、高温、高周波、放射線防止及び大電力の電子デバイスの製作に適しているため、5 G基地局、新エネルギー電車、光起電力、風力発電、高速鉄道などの分野で大きな応用潜在力を持っている。

その中で、新エネルギー電車は現在最も主要な応用と消費市場である。炭化ケイ素（SiC）、窒化ガリウム（GaN）に代表される第3世代半導体も舞台の「C位」を占める。特に炭化ケイ素パワーデバイスは、自動車エアコン、DC/ACメインインバータ、OBC車載充電器、DC/DC変換器を含む電気自動車分野で60%以上使用されている。SiCデバイスはモータコントローラの体積を30%減少させ、重量を軽減することができ、変換効率は平均約5%向上した。

現在、テスラ、BYDなどの自動車メーカーはSiCデバイスを新エネルギー自動車の主制御回路に応用し始めている。これは炭化ケイ素の「ラッシュ」を引き起こした。中国国内の小鵬、蔚来、理想などの自動車製造の新勢力は、すでにSiCモジュールを発売したり発表したりしている。

④　まとめ

これで三つの世代の半導体材料をご紹介しました。まとめてみましょう～

まず注意してほしいのは、「第一、二、三世代半導体」という呼称は錯覚しやすいことです。実際には、これは世代交代、新生と淘汰の関係ではありません。第三世代半導体材料は第一世代と第二世代半導体材料のグレードアップではなく、前の2世代よりも先進的ではなく、3つの世代の材料は共存の関係であり、それぞれの強みと応用分野がある。

第一世代半導体はシリコン材料を主とし、応用が極めて広く、その主な細分化分野は集積回路、光電子、ディスクリートデバイス、センサーを含む、高価な英偉達グラフィックスカード、アップルM1チップから、わずか数銭のダイオードまで初代半導体に属している。

第二世代半導体はガリウム砒素、インジウムリン化物をはじめ、主に移動通信、無線通信、光ファイバ通信、LED、衛星航法などの分野に応用されている。

第三世代半導体は窒化ガリウム、炭化ケイ素を代表とし、主に新エネルギー電車、光起電力、風力発電、5G通信などの分野に応用されている。

全体の生産額規模を見ると、第三世代半導体材料は現在もマイナー市場であり、第二世代、第三世代半導体市場の割合は合わせて10%にすぎない。現在の市場の大きな頭は依然として第一世代半導体材料である。