半導体はなぜ必要？役割や種類、半導体の作り方などを解説
こんにちは。「吉田SKT」ブログ編集チームです。
吉田SKTは半導体製造装置への加工実績が多数ある、フッ素樹脂コーティングの加工メーカーです。
半導体は世界中で必要とされている物質です。身近な家電製品や社会インフラまで幅広く使われており、私たちの生活に必要不可欠な存在といえます。
この記事では、半導体の必要性から役割、用途などを基礎から解説します。半導体の価値や求められている理由が理解できますので、ぜひ参考にしてください。
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半導体とは
半導体とは、導体と絶縁体の中間の性質をもつ物質のことです。鉄などの金属に代表される導体は電気を通す性質があり、ゴムやガラスなど絶縁体は電気を通さない性質をもちます。半導体はその間の性質を備えた物資です。主にシリコンやゲルマニウムなどが利用されます。とくにシリコンは他の元素よりも加工がしやすく欠陥も少ないため、多くの半導体素子や集積回路で用いられています。
なお以下で「半導体」というときは、電子部品などに組み込まれて使用される半導体素子や集積回路のことを指します。
なぜ半導体は必要なのか？
半導体は家庭や社会のどちらにも必要な材料です。以下で、理由を解説します。
家庭内で必要とされる半導体
半導体は、生活に必要な家電製品やスマートフォン、パソコンなど身近な製品に使われています。電子部品で動く製品には半導体が必要不可欠であり、家電製品の多くは半導体の恩恵を受けています。自動車の電子機器も電子部品によって制御されているため、半導体なくして動作しません。
社会で必要とされる半導体
半導体は、新幹線や電車、物流システムなどの社会インフラに多用されています。インターネットのインフラ、金融ネットワークや医療インフラにも半導体が組み込まれており、社会を運営する上で必要不可欠な存在です。私たちの暮らしは半導体に支えられているといっても過言ではありません。
半導体は国際的に必要とされている
半導体は国内だけでなく、世界各国で必要とされています。そのうえ新型コロナウイルスの影響で巣ごもり需要が増え、パソコンや家電製品などの需要増加もあり、世界的に半導体が不足しています。中国への制裁によって電子機器の供給が滞り、港湾業務における労働者不足や出航の遅れ、工場が閉鎖されるなどによる生産停止も影響を及ぼしています。
今後は、ビットコインのマイニング需要によるグラフィックボードや、ハイブリッド車の部品製造などの需要増加が見込まれており、半導体はさらに必要とされるでしょう。テクノロジーの進化や社会の変化に伴い、半導体の需要も増加しています。
半導体の歴史
半導体は約70年近くの歴史がある技術です。半導体の発展の過程について解説します。
1947年｜点接触型トランジスタが発明される
1947年に米国・ベル研究所のバーディーン、ブラッテンによって点接触型トランジスタが、続く1948年には接合型トランジスタが発明されました。当時の半導体は消費電力の大きい真空管がラジオや計算機などに使われていましたが、物理的な大きさと、膨大な消費電力が課題でした。
1959年には米国テキサス・インスツルメンツ社やフェアチャイルド社によって集積回路（integrated circuit、IC）が発明されます。ICとは、トランジスタやコンデンサなどをひとつにまとめたものです。ICの発明によって電化製品の小型化、軽量化の流れが加速し、電子機器の発展につながります。
1980年代｜フラッシュメモリが発明される
1980年代に東芝がフラッシュメモリを発明しました。2000年代になると、スマートフォンやデジタルカメラ、パソコンのUSBメモリ、SSDなどさらに多くの電子機器で半導体が活用されるようになりました。集積回路の規模拡大と多機能化が進み、半導体は生活に欠かせないものとなったのです。今では、半導体を使った電子部品の高機能化によって応用の分野は広がり、半導体は社会や生活を支える重要な存在です。
半導体の種類
以下で、代表的な半導体である集積回路とディスクリート半導体について解説します。
集積回路（IC）
集積回路（IC）とはチップ上に複数の素子を集約し、複雑な機能を持たせた半導体です。素子数が多いものを大規模集積回路（LSI）と呼びますが、ICとの明確な違いはありません。集積回路には、論理演算機能を持った「ロジックIC」やデータの記憶を行う「メモリIC」などがあります。
ディスクリート半導体
ディスクリート半導体とは、1つの素子が1つの機能を持っている半導体のことです。ダイオードやトランジスタなどが、代表的なディスクリート半導体です。個別の機能や仕様を持つ集積回路とは異なり、単一機能のため仕様が標準化されています。標準品の型番はメーカー間で共通になっているため、複数のメーカーが同じ規格で作る場合があります。
半導体の役割
半導体の役割は電流の制御とエネルギーの変換です。以下で、詳しく解説します。
電気の流れを制御する
半導体は導体と絶縁体の中間の性質によって、電流を制御できます。トランジスタやインバーターでは「電気のオン・オフ」の機能として、ダイオードやコンバーターでは「電気の流れを一方通行にする」機能として活用されています。半導体に不純物を含ませて一定の処置を施すことで、高度な情報処理が可能です。
光・電気エネルギーを変換する
半導体は光・電気エネルギーに変換することができます。ライトや電球などで半導体が使われており、電子が持つエネルギーを光のエネルギーへ変換が可能です。エネルギーの大きさで、放出される光や電気の大きさが変動します。太陽光発電でも半導体が使われており、吸収した光エネルギーを電気エネルギーへ変換できます。
半導体の作り方
半導体の作り方は大きく分けて設計・前工程・後工程に分かれます。以下で、詳しく解説します。
設計
設計は微細にスライスした「ウェハー」の基板の上に、どのような半導体を作るのかを決める工程です。製品の目標となる半導体の性能を定めたうえで、電子回路の焼き付けや配線の配置などを決めます。
次に設計した回路パターンを転写するためのフォトマスクを作成します。フォトマスクを完成させるには高い加工精度が必要です。設計は分業化や自動化が進んでおり、専門の業者や部門に依頼する場合が多くあります。
前工程
前工程は、シリコンウェハー上に電子回路を作製する工程です。ウェハーの表面には、同じ回路の半導体が格子状に数十個〜数百個ほど並びます。作製する順番は以下の通りです。
1.ウェハーの表面酸化
シリコン表面を酸化させることで、絶縁のための酸化膜を形成する
2.薄膜加工
シリコンウェハー上に配線を形成するための金属薄膜を作る
3.配線パターニング
薄膜上に配線のパターニングを行う
4.電極形成
ウェハーに電極用の金属を埋め込み、プローブ検査による導通検査を行う
参考記事：半導体製造に使われるウエハーとは～概要や用途、製造工程などを徹底解説
後工程
後工程は、組立と出荷前の最終試験の工程です。作製したウェハー上の電子回路を機械加工によって切り出し、製品の検査を行います。後工程の手順は以下の通りです。
1.ダイシング
ダイシングソーと呼ばれるカッターで回路を切断する
2.パッケージング
切り出したチップをリードフレームに接着させて、ワイヤと接続する
3.最終検査
外観検査や電気特性検査などの検査を行う
参考記事：【初心者向け】半導体製造の後工程とは～注目の理由や製造プロセスを解説
まとめ
半導体は生活インフラや社会インフラに使われており、電子機器に囲まれた現代社会に必要不可欠な存在です。半導体は国内だけでなく世界全体でも需要が高く、今後さらに高機能な電子機器の登場で重要度が増すでしょう。また、半導体の高性能・高機能化には半導体製造装置の性能が直結します。
関連記事：半導体製造装置部品の特徴や種類～一般装置部品との違いや具体例も解説
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