半導体って何?重要な電子部品の仕組みと作り方を専門家が解説

シリコンの円盤(ウェハー)から数十個の半導体チップができる(Credit: Steve Jurvetson/Wikimedia Commons, CC BY)
The Conversation

半導体は、現代のほぼすべての電子機器に不可欠な部品であり、半導体の大部分は台湾で製造されている。だが、半導体を台湾に依存することへの懸念が高まり、特に台湾と中国の関係が微妙であることから、米国議会は2022年7月末に「CHIPS and Science act(CHIPS法)」を可決した。この法律では、米国の半導体生産を強化するために500億米ドル以上の補助金が支給され、ニュースでも大きく取り上げられた。半導体を研究する電気エンジニアのTrevor Thornton教授が、これらのデバイスがどのようなもので、どのように作られるのかを解説する。

ケイ素の単結晶から生成されたウェハー
半導体チップの多くは、シリコンの結晶を薄く丸くスライスした「ウェハー」と呼ばれる素材から作られている(Credit: Hebbe/Wikimedia Commons)
目次

1.半導体とは?

一般的に半導体とは、ガラスのような絶縁体よりも電気をよく通し、銅やアルミニウムのような金属ほどは通さない、シリコンのような材料のことを指す。しかし、現在、半導体といえば、半導体で作られたチップそのものを指すことが多い

このチップは通常、シリコンの薄片に複雑な部品を特定のパターンでレイアウトして作られている。このパターンが、トランジスタと呼ばれる電気スイッチを使って電流の流れを制御しているのだ。

あなたの家と半導体チップの違いは、半導体スイッチは完全に電気的なもので、機械的な部品ではなく、チップには指の爪ほどの面積に何百億個ものスイッチが入っていることだ。

2.半導体はどんな働きをするのか?

半導体(チップ)によって、電子機器が情報を処理したり、保存したり、受信したりできる。例えば、メモリーチップはデータやソフトウェアをバイナリコードとして保存し、デジタルチップはソフトウェアの命令に基づいてデータを操作し、ワイヤレスチップは高周波無線送信機からデータを受信して電気信号に変換する。これらの異なるチップは、ソフトウェアの制御のもとで連携して動作する。ソフトウェアの種類によって実行するタスクは大きく異なるが、いずれも電流を制御するトランジスタをスイッチングすることで動作している

3.半導体チップはどのように作られるのか?

Wafer 2 Zoll bis 8 Zoll 2
各種ウェハー(Stahlkocher/Wikimedia Commons

半導体の大部分は、ウェハーと呼ばれるシリコンの薄片が出発点である。現在のウェーハは大きなお皿ほどの大きさで、シリコンの単結晶を切り出して作られている。半導体メーカーは、シリコンの表面にリンやホウ素などの元素を薄く塗り、チップの導電性を高めている。この表面層で、トランジスタのスイッチが作られる。

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この半導体チップの模式図には、さまざまな材料が色分けされており、最新のチップを製造するための複雑な層構成が示されている。( Cepheiden/Wikimedia CommonsCC BY)

トランジスタは、導電性の金属や絶縁体、さらにシリコンの薄層をウェハー全体に加え、リソグラフィーという複雑なプロセスでこれらの層にパターンを描き、コンピュータ制御の高反応性ガスのプラズマを使ってこれらの層を選択的に除去し、特定のパターンと構造を残すことによって作られる。トランジスタは非常に小さいため、金属や絶縁体の微細な線を直接チップに配置するよりも、材料を何層にも重ねていき、不要な材料を慎重に除去する方がはるかに簡単である。異なる材料の層を何十回も蒸着し、パターン化し、エッチングすることで、半導体メーカーは1平方インチあたり何百億個ものトランジスタを搭載したチップを作ることができる。

4.現在のチップは、初期のチップとどう違うのか?

いろいろな違いがあるが、最も重要なのは、1チップあたりのトランジスタの数が増えたことだろう。

半導体チップの最も初期の商業的用途は、1970年代に広く普及したポケット電卓だった。この初期のチップには、数千個のトランジスタが搭載されていた。1989年、インテルは、1チップに100万個を超えるトランジスタを搭載した最初の半導体を発表した。現在では、最も大きなチップで500億個以上のトランジスタを搭載している。この傾向は、ムーアの法則と呼ばれるもので、チップ上のトランジスタの数は約18ヵ月ごとに2倍になると言われている。

ムーアの法則は、50年間持ちこたえた。しかし、近年、半導体業界はこのペースを維持するために、トランジスタのサイズをいかに縮小し続けるかという大きな課題を克服しなければならなくなった。

その解決策のひとつが、平らな2次元の層から、シリコンの突起をフィン状にした3次元の層への変更だった。この3次元チップは、1チップに搭載できるトランジスタの数を大幅に増やすことができ、現在では広く普及しているが、製造が非常に難しくなっている。

5. チップが複雑になればなるほど、工場も高度になるのか?

簡単に言えば、複雑なチップほど、工場も複雑になり、コストも高くなる

かつては、米国のほとんどの半導体企業が自社で工場を建設し、維持していた時代もあった。しかし現在では、新しいファウンドリの建設に100億ドル以上の費用がかかることもある。そんな投資ができるのは大企業だけだ。その代わり、大半の半導体企業は、設計した製品を独立したファウンドリに送って製造してもらっている。台湾積体電路製造公司(TSMC)GlobalFoundries(本社:ニューヨーク)は、他社のチップを製造する多国籍ファウンドリの2つの例である。彼らは、次世代半導体の製造に必要な非常に高価な技術に投資するための専門知識と規模の経済を持っている。

皮肉なことに、トランジスタと半導体チップは米国で発明されたが、最先端の半導体ファウンドリは現在米国には存在しない。1980年代、日本が世界のメモリービジネスを支配するのではと懸念されたとき、アメリカはここに来たことがある。しかし、今回成立したCHIPS法によって、議会は次世代半導体を米国で生産するインセンティブと機会を提供した。

もしかしたら、あなたの次のiPhoneに搭載されるチップは、”Designed by Apple in California, built in the USA“となるかもしれない。

本記事はThe Conversationに掲載された記事「What is a semiconductor? An electrical engineer explains how these critical electronic components work and how they are made」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

著者紹介
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Prof. Trevor Thornton

Professor of Electrical Engineering, Arizona State University

現在、アリゾナ州立大学アイラ A. フルトン工学部電気工学科の教授を務める。これまでに150以上のジャーナルおよびカンファレンス論文を発表し、7つの特許を取得しています。SBIRの資金援助を受けたRF Micropower社の創立者であり、CMOS互換トランジスタ技術であるSOI MESFETをベースにした高効率のRFおよび電源管理集積回路を商品化している。研究テーマは、SOI MESFET、極限環境用エレクトロニクス、ナノ構造における電子輸送、生体分子センサーなど。

ASU以前は、ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所(1986-88年)、ニュージャージーのベルコミュニケーションズリサーチ(1988-1990年)でポスドクを務める。1990年にロンドンのインペリアルカレッジ電気工学科の講師となり、1996年に講師に昇格した。1991年から1998年まで、日立ケンブリッジ研究所のコンサルタント、1990年にはNTT基礎研究所(東京)の客員教授を務める。2002年には、ニューメキシコ州アルバカーキにあるカートランド空軍研究所のサマーファカルティフェローを務めた。現在は、Nanotechnology Collaborative Infrastructure Southwestのディレクターを務めている。NCI-SWは、全米科学財団が支援する全米ナノテクノロジー協調基盤の南西部地域ノードである。

経歴

  • ~現在 アリゾナ州立大学電気工学部教授

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この記事を書いた人

TEXAL管理人。学校の授業でMS-DOSを使っていたくらいの年代。Windows95の登場で衝撃を受け、テクノロジー業界に興味を持つ。以来ガジェット・ゲーム情報を追い続けてうん十年。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題も大好き。

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