半導体にシリコンが使われているのはなぜ？業界に起きている変化を踏まえて詳しく解説！

「シリコン」は、半導体製造において中心的な役割を果たす素材として広く知られています。その化学的特性から4価の原子として分類され、元素記号は「Si」とされます。他の半導体材料と比較すると、シリコンはその歴史が長く、その利用範囲も非常に幅広いことが特徴的です。

さらに、シリコンの他にも、「ゲルマニウム」が半導体として一般的に利用されています。また、「セレン」と「カーボン」のような素材も、特定の状況下で半導体として使われることがあります。

このような材料からできあがる半導体の例として「ディスクリート半導体」があります。

シリコンサイクルとは、半導体製造に関連する技術革新の流れを表す概念です。シリコンが半導体製造の最主要な素材であるため、この考え方は半導体業界において重大な意義を持っています。

このシリコンサイクルは、製造プロセスに必要な機器や素材の進化によって周期的に進行します。新たな製造手法が生まれると、それに適応した機器や素材が求められます。

半導体業界とシリコンサイクルは深く結びついています。半導体の需要が増えると、それに伴ってシリコンサイクルも加速し、新たな製造手法が生まれ、その結果、設備・素材の要求が高まっていくという関係性を持っています。

半導体業界は技術革新のスピードが非常に高い分野で、新製品は絶えず生み出されています。そのため、半導体製造企業は、競争相手よりも先行して優れた半導体を開発することを目指し、日々の努力を怠りません。

そして、その努力が結実し、新製品や技術の開発が成功すると、自然と多くの人々がそれを欲し、半導体の需要が高まります。

しかし、開発が成功した初期段階では、生産設備はまだ十分に整備されていないことが多く、その結果、初期には生産が追いつかず、需要に応えるために大規模な設備投資や大量の部品発注が行われます。

そうなると半導体価格は上昇し、市場は好景気に突入します。

好景気では、供給不足を解消するために大規模な設備投資が行われ、生産量が大量に増加します。しかしながら、この設備投資は即座に成果を上げるものではありません。製品の製造が安定するまでにはおおむね1年半から2年の時間が必要とされています。

この1年半から2年という期間には、各半導体製造企業の技術レベルが均一化し、競合が激化していきます。

これにより、製品や技術が広範に普及し始め、需要が頭打ちになることが見込まれます。この結果、供給が需要を上回り、価格が下落。需要と供給のバランスが逆転し、半導体市場は不況期に突入します。

このような、革新的な技術の登場による需要増と、設備投資の成果が現れた頃の供給過剰による不況期が繰り返される現象が「シリコンサイクル」の構造です。

電子製品の重要なパーツとなる半導体は、世界的な需要増加と共にその重要性が増しています。その結果、半導体製造に不可欠な素材であるシリコンウェーハも、価値を増すことになりました。

シリコンは高品質な結晶を生成する能力と洗練された製造技術を持つため、半導体の材料として理想的な存在となっています。

全世界の半導体製造に不可欠なシリコンウェーハですが、日本の製造業者が世界市場の50%以上を占めています。そして、これからもシリコンウェーハの需要増加に伴い、その市場シェアはさらに拡大すると予想されています。

現在では、数社の日本のシリコンウェーハメーカーが海外地域に進出し、その拠点を設けています。これは今後もシリコンウェーハ製造における日本企業の市場シェアがさらに拡大することが予想されています。

かつてはゲルマニウムがダイオードやトランジスタの製造に用いられていましたが、シリコンの台頭により、電子機器の多くはシリコンを素材とする原料に置き換えられました。

最近は、化合物半導体が台頭し、次世代の半導体として取り上げられていますが、これらの化合物半導体がシリコンICを置き換える可能性は低いと見られています。たとえば、当初GaAs(ガリウム砒素)は、シリコンを凌ぐ新星として期待が集まりましたが、集積化による性能向上やコスト削減が見込めず、シリコンに敗れる結果となりました。

しかしGaAsは、半導体レーザーとして通信装置や光ファイバの送受信機に大量に使用されるようになり、LEDとしても使用されています。RGB（赤・緑・青）の三原色の中で長らく作ることができなかった青色も、GaN材料の改良により明るい光を出すことが可能となり、現在ではRGB全色の光を半導体LEDやレーザーで発生させることが可能となりました。

さらに、個々のトランジスタや小規模なICでは、GaAsの性能はシリコンを上回っています。そのため、携帯電話やスマートフォンの送受信スイッチではGaAsが採用されています。

そして最近ではGaNやSiCが注目されており、これらは高耐圧、大電流ではシリコンよりも性能が優れ、電力効率も良好です。そこで、最近ではパワー半導体としての利用が進められています。ただし、集積化はシリコンに比べて難しく、コストも10倍ほど高いです。また、コスト削減も困難で、SiCは硬く処理温度も2000度と高く、適切な炉が手に入りづらいという一面があります。

しかし、高価でもトランジスタ単体としての使用用途には、シリコンの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)を置き換える可能性はありますが、全体のシリコンICを置き換えるほどのメリットはまだ見込めません。半導体技術の限界は主にコストによって決まります。これまでの電子回路の集積度を高める技術の進歩は全て、システムコストを下げることを目的としており、そのコストが許容される範囲内であるからこそそのビジネスは拡大してきました。

結局のところ、シリコンが大量のトランジスタを集積してシステムを構築することができ、さらにコスト面でも優位性があるという現状があります。今のところは、次世代半導体の主役はシリコンであることに変わりはありません。

シリコンの時代がまだしばらく続くとされていますが、シリコン以外の化合物半導体がシリコンを取って代わる可能性はあるのでしょうか。現在、注目を集めているのは炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）です。

化合物半導体はシリコンが持たない特性を持ち合わせています。ガリウムヒ素（GaAs）やインジウム燐（InP）などは発光性を有し、世界中の光ファイバ通信で使用されるレーザーダイオードの光源となっています。さらに、光ファイバ通信の受信機や赤外線センサとしても活用されています近頃注目されている炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）も、青色LEDの基礎材料として使われています。

また、シリコンの10倍以上の絶縁耐圧性を持つため、1000V以上の高耐圧や100A以上の大電流を求められるパワートランジスタに対する期待が高まっています。まだ研究段階ではありますが、高耐圧半導体として酸化ガリウム（GaO）もパワートランジスタの候補とされています。具体的には、シリコンカーバイドのパワーMOSトランジスタは、米国Teslaの電気自動車（EV）Model 3にすでに採用されています。また、テスラ社から分離したLucid MotorsのLucid Airにも同様に採用されています。

しかしこれら2社の採用は、積極的な企業文化が背景にあると考えられ、他の企業はまだ追随していません。その理由としては、他のメーカーのEVのインバータ回路では、価格が10倍も安いIGBTが使われているためです。こういった化合物半導体は、製造面での高集積化が難しく、デジタル回路では低電圧と小電流が必要なため、主にデジタル回路では使用されにくいです。デジタル回路の主役である半導体集積回路で使用されていないと、次世代半導体と呼ぶにはふさわしくありません。

それでも、シリコン以外の材料が部分的に使用される可能性は残されています。

MOSトランジスタのチャンネル部分だけを移動度の大きな材料にしたり、カーボンナノチューブやグラフェンといった1次元や2次元の材料を電子や正孔が通るチャンネルとしてゲートオールアラウンド(GAA)新構造にして、MOSトランジスタの耐用年数を延ばすといったアイデアが出ています。

国際半導体製造装置材料協会であるSEMIは、2022年のシリコンウェーハの出荷面積は前年比3.9%増の147億1,300万平方インチ、販売額は前期比9.5%増の138億ドルを記録したと2023年2月7日に発表しています。

具体的には市場を推進する要素 パワーデバイス、MEMS、ディスクリート半導体、アナログ光学、IC、化合物半導体などの需要が高まる中、これらの半導体の製造にはシリコンウェーハが頻繁に用いられることにより、シリコンウェーハ市場の需要は今後益々増加することが予想されます。

また、新しい製造装置への投資の増加も、予測期間中のシリコンウェーハ需要の増大を後押しするでしょう。

たとえば、衣服や腕時計のように身に着けたまま使えるウェアラブルデバイスの進化は、市場に新たな成長の可能性を引き出します。さらに、小型デバイスの需要は絶えず高まっており、これが半導体シリコンウェーハ市場にとっては好機を生むとみられています。

半導体ICの浸透範囲は、かつてはテレビやコンピュータに限られていましたが、現在ではエアコンや自動車から冷蔵庫や洗濯機、照明器具までと私たちの日常生活にかかわる部分にまで拡大しました。

さらにIoTの台頭により、センサとデジタル回路、通信回路が組み込まれたデバイスが河川や橋梁の監視、オフィスビルの電力や空調の制御、病院の医療機器や生体モニターなど、民生用・工業用だけでは分類できないほど、社会・インフラ分野にも広がっています。

半導体の原料となるシリコンは、半導体製造において中心的な役割を果たす素材として広く知られており、その利用範囲も非常に幅広いことが特徴的です。

他の化合物半導体は、製造面での高集積化が難しく、デジタル回路では低電圧と小電流が必要なため、主にデジタル回路では使用されにくいという特徴があります。

以上の理由からシリコンに取って代わる存在とは現状言い難いですが、それでも部分的に使用することが検討されています。