圧倒的な差で、半導体業界で最も一般的に使用されている材料はシリコン（Si）です。これは、コンピューターやスマートフォンの複雑なプロセッサーから、データを保存するメモリーチップに至るまで、事実上すべての現代の集積回路の基礎となる要素です。過去60年間のデジタル革命全体は、文字通り、この単一の要素の上に築き上げられてきました。
他の材料は特定の分野で優れた性能を発揮しますが、シリコンは「十分な」電子特性、極めて豊富な存在、そして完璧で安定した絶縁体を形成できる能力という独自の組み合わせにより、大量生産されるエレクトロニクスにとって比類のない、最も費用対効果の高い選択肢となっています。
なぜシリコンが業界を支配するのか
現代の世界を理解するには、なぜシリコンがエレクトロニクスの基礎となったのかを理解することです。その優位性は偶然ではなく、物理学、化学、経済学の融合から生まれており、他のどの材料も世界規模でこれに匹敵するものはありませんでした。
「ゴルディロックス」半導体
シリコンは半導体であり、その電気伝導率は導体（銅など）と絶縁体（ガラスなど）の中間に位置します。この中間状態が非常に重要です。
そのバンドギャップ（電子を伝導状態に励起するのに必要なエネルギー）は約1.1電子ボルト（eV）です。この値は「ちょうど良い」範囲にあり、室温で安定しているだけでなく、ドーピングと呼ばれるプロセス（不純物を意図的に添加する）によって制御しやすいのです。
二酸化ケイ素（SiO₂）の奇跡
これは、おそらくシリコンの優位性にとって最も重要な理由です。酸素にさらされると、シリコンは薄く均一で非常に安定した二酸化ケイ素（SiO₂）の層を形成します。これは優れた電気絶縁体です。
この自然酸化膜は、すべてのデジタルチップの基本的な構成要素である微細なスイッチ、MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）の心臓部です。他のどの半導体材料も、これほど高品質で信頼性の高い絶縁層を容易に形成することはできず、これにより単一チップ上に数十億個のトランジスタを製造することが可能になっています。
豊富さと費用対効果
シリコンは地殻で2番目に豊富な元素であり、砂や石英の形でどこにでも存在します。このため、原材料は信じられないほど安価です。
砂を製造に使用される超高純度の単結晶シリコンウェーハに精製するプロセスは複雑ですが、業界の巨大な規模により、驚くほど費用対効果が高くなっています。数十年にわたる投資により、シリコンを中心とした製造エコシステムが構築され、その洗練度と効率性は比類のないものです。
トレードオフの理解：シリコンでは不十分な場合
その優位性にもかかわらず、シリコンはすべての用途にとって完璧な材料ではありません。より高い速度、電力、または発光を必要とする特殊なタスクには、エンジニアは他の材料に目を向けます。
速度の必要性：化合物半導体
ガリウムヒ素（GaAs）のような材料は、シリコンよりもはるかに高い電子移動度を提供します。これは、電子がそれらをはるかに速く移動できることを意味し、トランジスタが極めて高い周波数でスイッチングすることを可能にします。
この特性により、GaAsは、シリコンでは遅すぎる携帯電話のパワーアンプや高速通信システムなどの高周波（RF）アプリケーションに不可欠です。
発光と電力処理
シリコンは「間接」バンドギャップを持っているため、電気を光に変換する効率が非常に悪いです。LEDやレーザーのようなアプリケーションには、窒化ガリウム（GaN）のような「直接」バンドギャップを持つ材料が必要です。
さらに、高電力および高温エレクトロニクス向けには、GaNや炭化ケイ素（SiC）のようなワイドバンドギャップ半導体が急速にシリコンに取って代わっています。より高い電圧と温度を少ないエネルギー損失で処理できる能力は、パワーコンバーター、電気自動車のインバーター、そして電力網の未来にとって不可欠です。
製造の障壁
これらの化合物半導体は優れた性能を提供しますが、シリコンよりも製造がはるかに困難で高価です。多くの場合、複雑な結晶成長方法が必要であり、シリコンのような完璧な自然酸化膜の恩恵を受けません。このため、その使用は、特定の利点がより高いコストを正当化するアプリケーションに限定されます。
目標に合った適切な選択をする
半導体材料の選択は、常にアプリケーションの特定の性能要件と経済的制約によって決定されます。
- 費用対効果の高い大規模デジタルロジック（CPU、GPU、メモリ）が主な焦点である場合：シリコンは、その成熟したエコシステムと完璧にバランスの取れた特性により、揺るぎない選択肢であり続けます。
- 高周波無線または光学デバイス（LED、5Gハードウェア）が主な焦点である場合：ガリウムヒ素（GaAs）や窒化ガリウム（GaN）などの化合物半導体は、その優れた速度と発光能力のために必要です。
- 高電力、高温エレクトロニクス（EV充電器、太陽光インバーター）が主な焦点である場合：炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などのワイドバンドギャップ半導体は、シリコンの限界を超える効率と耐久性を提供し、優れた選択肢となります。
これらの材料の違いを理解することで、私たちのデジタル世界が砂の土台の上に築かれているにもかかわらず、性能の限界を押し広げるためによりエキゾチックな材料に依存している理由が明らかになります。
要約表：
| 材料 | 主な特性 | 主な用途 |
|---|---|---|
| シリコン（Si） | 優れた自然酸化膜（SiO₂）、費用対効果 | CPU、メモリ、デジタルロジックチップ |
| ガリウムヒ素（GaAs） | 高い電子移動度、高速 | RFアンプ、高周波通信 |
| 窒化ガリウム（GaN） | ワイドバンドギャップ、高電力/高温 | パワーエレクトロニクス、LED、EV充電器 |
| 炭化ケイ素（SiC） | ワイドバンドギャップ、高い熱伝導率 | 高電力システム、太陽光インバーター |
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