半導体の原料は何？　その純粋さと多様性の秘密

半導体チップは回路や微細加工に目が向きがちですが、性能と信頼性を決める土台は原料の純度と物性です。本記事では、半導体デバイスの根幹を成す材料工学の視点から、主要原料であるシリコンがどのような工程を経て超高純度で単結晶構造の「魔法の素材」へと進化するのかを解説します。

シリコン　最も優れた半導体材料

今日の半導体材料における主役は、何といってもシリコン（ケイ素：Si）です。シリコンは地球上で酸素に次いで2番目に多く存在する元素であり、原料資源が豊富です。機械的強度や化学的安定性に優れ、加工しやすいという特長を兼ね備えています。微量の不純物（ドーパント）を添加することで電気的特性、すなわち導電率や抵抗率を精密に制御できる点も、半導体材料としての大きな魅力です。このように優れた特長を持つため、半導体にとっては奇跡の材料とも言えます。

半導体チップの製造に用いられるシリコンの純度は、一般に「イレブンナイン」と呼ばれる約99.999999999％に達します。これは、通常の砂（二酸化ケイ素：SiO₂）を原料として、化学的および物理的プロセスを繰り返し行うことで実現されます。

半導体用超高純度多結晶シリコンの精製

半導体に使われるシリコンの出発点は、私たちの身近にある砂、すなわち「石英砂」（二酸化ケイ素）です。石英砂は、コークスや木炭などの炭素材料とともに電気炉内で約2000℃に加熱され、還元反応によって酸素を除去します。この工程によって得られる金属シリコンは、純度がおよそ98～99％に達するものの、半導体用途にはまだ不十分です。

そこで、化学的精製プロセスを経て半導体グレードの純度へと高めていきます。金属シリコンは塩素および水素と反応させ、四塩化ケイ素（SiCl₄）やトリクロロシラン（SiHCl₃）などの揮発性ケイ素化合物に転換されます。このガス化工程は、シリコンを不純物から分離するうえで極めて効果的です。次に、化学気相成長（CVD：Chemical Vapor Deposition）法を用いて高温下でこれらのガスを分解し、極めて高純度なシリコンを析出させます。この段階で得られる多結晶シリコン（ポリシリコン）は、不純物元素が十億分の数個以下という超高純度材料です。

精製によって得られた多結晶シリコンは、次の工程でウェーハの基盤となる「単結晶シリコン」へと変換されます。

単結晶シリコンからシリコンウェーハ

代表的な結晶成長法がチョクラルスキー法です。この方法では、石英ルツボで多結晶シリコンを約1420℃で融解させ、小さな単結晶シリコン片（種結晶）を溶融表面に接触させます。その後、種結晶をゆっくりと上方に引き上げながら同時に回転させ、融液との界面で結晶を成長させます。引き上げ速度や回転数、温度分布を精密に制御することで、直径や結晶品質を安定化させ、最終的に直径300mm超にも達する円柱状の単結晶インゴットが形成されます。

成長したシリコン単結晶インゴットは、外周を規格寸法に精密加工（外周研削）し、一般的に直径300mm（12インチ）の標準サイズに仕上げられます。その後、極細のダイヤモンドワイヤーソーを用いて、厚さわずか数百ミクロンの円盤状にスライスされます。これが「シリコンウェーハ」の原型です。

スライス直後のウェーハ表面は、切削痕や厚みのばらつき、微細なダメージ層が残っているため、そのままでは半導体製造に使用できません。研削とラッピング（ラップ研磨）で平たん度を整え、表面を化学的機械研磨（CMP：Chemical Mechanical Polishing）によって原子レベルの滑らかさにまで仕上げます。さらに、超純水や化学薬品による洗浄工程で微粒子や金属汚染、有機残渣（ざんさ）を完全に除去します。こうして完成した鏡面ウェーハは、半導体デバイスの微細回路を形成するための"真っさらなキャンバス"となります。

ウェーハの形状が円盤状であるのは、インゴットが円柱形であることに加え、製造プロセス全体で物理的均一性を確保するうえで最も有利だからです。ウェーハを回転させて処理するポリッシングや成膜、フォトリソグラフィ、エッチングなどの各工程では、円形基板の方が膜厚分布や露光量を均一に保てます。角のある基板に比べて応力集中が少なく、欠けやクラックの発生リスクを低減できます。

このように、円盤形のシリコンウェーハは、単なる慣習ではなく、半導体プロセスの物理的合理性に裏打ちされた最適な形状なのです。

シリコンだけじゃない　現代社会を支える多様な「化合物半導体」

シリコンは半導体産業を支える素材として圧倒的な地位を築いていますが、あらゆる用途において完璧というわけではありません。特定の高周波動作、高温環境、強電界下での高効率動作、あるいは光の発光・検出などの機能を実現するには、シリコンだけでは物理的な限界に直面します。

こうした領域で活躍するのが、複数の元素を組み合わせて作られる「化合物半導体」です。用途に応じてさまざまな化合物半導体が開発、実用化されており、シリコンにはない優れた特性を発揮します。代表的な化合物半導体とその原料、特徴、活躍分野を見てみましょう。

ガリウムヒ素（GaAs）

ガリウムヒ素（GaAs：ガリウム＝Gaとヒ素＝Asの化合物）は、Ⅲ族元素とⅤ族元素から構成される代表的なⅢ–Ⅴ族化合物半導体です。シリコンに比べて電子移動度が高く（約8500 cm²/V·s）、電子の飽和速度も速いため、高周波動作時でもキャリア散乱が起こりにくいという特徴を持ちます。ノイズの少ない高速信号処理や高周波デバイスに最適で、シリコンでは実現が難しい数十GHz帯以上の領域でも安定した動作が可能です。

GaAsデバイスは、スマートフォンの5G通信モジュール、Wi-Fiトランシーバー、衛星通信機器などの高周波アナログ回路に広く採用されています。GaAsはシリコンとは異なり「直接遷移型」半導体であり、光を効率的に放出できるという性質を併せ持っています。この特性を生かし、レーザーダイオード（LD）や光通信用発光素子、赤外線検出器などの光エレクトロニクス分野でも重要な役割を果たしています。

特に、スマホの顔認証システムに使われるVCSEL（垂直共振器面発光レーザー）や光ファイバー通信向け高速レーザーなどは、GaAs系材料を基盤としています。このようにGaAsは、「高速電子デバイス」と「光デバイス」の両分野に橋渡しする半導体として、現代の通信・センシング技術を支えています。

窒化ガリウム（GaN）

窒化ガリウム（GaN：ガリウム＝Gaと窒素＝Nの化合物）は、青色LEDの発光材料として広く知られていますが、近年ではパワー半導体分野においても急速に注目を集めています。GaNは硬度が高く、機械的および化学的に安定した結晶構造を持つうえ、直接遷移型のワイドバンドギャップ半導体（約3.4 eV）に分類されます。

その特性として、シリコンよりも絶縁破壊電界が約10倍高く、高電圧印加下でもリーク電流が抑えられる点が挙げられます。また、キャリアのドリフト速度が速く、スイッチング動作時の損失が少ないため、高周波・高効率動作が可能です。熱伝率も高く、高温環境でも安定して性能を発揮できることから、省エネ化・小型化が求められる電子機器に最適な素材とされています。

実用面では、スマホ用急速充電器の電力変換回路にGaNトランジスタを採用することで、従来のシリコン素子に比べて小型で高出力な製品が実現しています。データセンター用電源、通信基地局、5Gインフラ機器、さらには電気自動車（EV）のオンボードチャージャーやDC-DCコンバーターなど、高効率電源系統の中核技術として用途が拡大しています。

シリコンカーバイド（SiC）

シリコンカーバイド（炭化ケイ素、SiC）は、シリコン（Si）と炭素（C）から構成されるⅣ族化合物半導体です。結晶構造には4H-SiC、6H-SiC、3C-SiCなど複数の多形（ポリタイプ）が存在し、それぞれ電子移動度やバンドギャップ幅がわずかに異なりますが、共通して非常に高い絶縁破壊電界、高温動作性能、そして低い電力損失を兼ね備えています。シリコンデバイスでは制御が難しくなる数百ボルト以上の高耐圧領域においても、SiCパワーデバイスは数千ボルト級の電圧や大電流に対応可能です。スイッチング損失が小さいことによってエネルギー効率が高く、発熱を抑制できる点も利点です。

これらの特性から、SiCは次世代パワーエレクトロニクスを支える中核材料として急速に普及しています。特にEVやハイブリッド車（HEV）のインバーター、太陽光発電や風力発電のパワーコンバーター、高速鉄道車両、産業用モーター制御システムなど、省エネルギー化と高信頼性が求められる分野での採用が進んでいます。

実際には、2010年代後半の商用化以降、SiCパワーデバイスはEV市場を中心に急拡大し、業界全体で大規模な量産投資競争が始まりました。SiCを用いたインバーターはエネルギー変換効率を大幅に高めました。例えば、日本の鉄道車両で初採用されたフルSiCインバーターは、従来比約40％もの電力削減が報告されています。冷却要求が少なく小型軽量化が可能なため、EVの航続距離延長や充電時間の短縮にも貢献しています。

多様化する化合物半導体材料とその課題

これまでに紹介した材料以外にも、用途に応じて多様な化合物半導体が開発されています。

例えば、窒化インジウムガリウム（InGaN）は青色や緑色発光ダイオード（LED）の主要材料として広く利用されており、青色LEDではGaNまたはInGaN系材料が中心的役割を担っています。InGaNはインジウム（In）の含有量を調整することで発光波長を制御できるため、フルカラーLEDや白色照明、高輝度ディスプレイなど光エレクトロニクス分野の中核を成す材料となっています。

また、酸化ガリウム（Ga₂O₃）は次世代の超高耐圧パワー半導体候補として注目を集めています。理論上はSiCの約2倍もの臨界電界強度（約8 MV/cm）を持ち、デバイスの高電圧化と高効率化の両立が期待されています。原料となる酸化物を利用するため原料コストが比較的低く、SiCやGaNよりも安価に供給できる可能性があります。現在は結晶成長・デバイス化技術の研究開発段階にありますが、既存のSiやSiC製造装置を一部転用できる点も利点として知られており、将来的には高性能と低コストを両立させる新世代パワーデバイス材料となる可能性があります。

化合物半導体にはいくつかの課題も存在します。シリコンに比べて結晶の大口径化が難しく（ウェーハサイズが小さい）、結晶欠陥の発生率が高く脆性（ぜいせい）を伴う点、また原料やプロセスコストが高い点が代表的です。しかし、シリコンでは到達できない高周波特性、高電圧耐性、発光機能などを実現できることから、5G通信、再生可能エネルギー、車載電力制御、光センシングなどの最先端分野で今後ますます重要な役割を担っていくと考えられています。

半導体原料の品質が未来を左右する

半導体チップの性能は回路設計や微細加工技術だけでなく、使用される原料の品質に大きく依存します。原子レベルの精密な世界では、素材中の不純物や結晶欠陥が直接デバイスの信頼性や歩留まりに影響を与えるためです。

「純粋さ」へのこだわり

半導体産業では、「いかに純粋なシリコンを、欠陥のない結晶構造で準備できるか」が常に最大の課題であり、進化の原動力となってきました。わずかppm（100万分の1）レベルの不純物混入でもデバイス特性に影響を及ぼすため、材料メーカー各社は限界に挑む高純度化技術を競い合っています。

シリコンウェーハの原料であるポリシリコンでは、純度99.999999999％（いわゆる11N）はすでに標準レベルであり、近年では小数点以下に「9」が13個、15個と続く領域（13N～15N）を目指した研究も進められています。これほどの高純度化には、精密な化学精製プロセスだけでなく、工程中の環境管理、反応装置の材料選択、さらにはガス供給系の清浄度維持といった、分子レベルの制御技術が必要です。

シリコン結晶中にわずかに含まれる転位や微小欠陥を検出、抑制する結晶成長技術も欠かせません。結晶中の不均一構造はデバイス歩留まりや電気特性のばらつきにつながるため、近年はX線トポグラフィや赤外散乱法などを用いた非破壊評価技術が発達しています。

不純物や構造欠陥を極限まで排除し、「真性半導体」に近づけることで、より高速、高性能、高信頼性のトランジスタやメモリを安定して大量生産できるようになります。こうした"見えない素材の純度競争"こそ、半導体チップの性能向上を根底から支えている陰の主役なのです。

サプライチェーンの重要性

原料の安定供給も半導体産業にとって欠かせません。実はシリコン原料のサプライチェーンを見ても、日本は1980年代に金属シリコン（多結晶シリコンの前段階）の国内生産が途絶え、現在は中国やノルウェー、米国などから全量を輸入しています。

一方で、シリコンウェーハそのものの製造は日本企業が世界市場の約6割を占めており、特定企業・特定地域への集中度が高い状況です。これはサプライチェーン上のリスクとも表裏一体で、例えば大規模災害や国際情勢の変化で主要供給源が停止すると、半導体生産全体に影響が波及しかねません。実際、近年では半導体材料を巡る地政学的リスクも顕在化しています。2023年には中国政府がガリウムやゲルマニウムといった半導体に不可欠なレアメタルの輸出に対して、規制措置を発表し、8月から許可制による実質的な輸出制限が開始されました。ガリウムはGaAsやGaNの原料で世界生産の大部分を中国が占めていたため、各国で代替調達や在庫確保の動きが出ています。

このように資源確保や供給網が政治的カードとなり得る側面もあり、半導体産業では原料のサプライチェーン戦略がこれまで以上に重要視されています。

まとめ

私たちの身近にあるスマホやPC、自動車などを動かす半導体チップは、最先端のハイテクの結晶のように見えます。しかしその原点にあるのは、身の回りにも存在する「砂」（二酸化ケイ素）や、複数の元素を組み合わせた「化合物」といった素材です。これらの原料が、極めて高度な精製技術と結晶育成技術によって原子レベルまで純化・制御されることで、ナノメートル単位の精密な回路を形成できる半導体基板へと生まれ変わります。

AI、5G通信、自動運転、IoTといった次世代技術の進展により、半導体デバイスにはこれまで以上の高性能化・高効率化が求められています。それに呼応するように、材料科学と製造技術の両面で「より純粋に」「より機能的に」進化することが、半導体産業の持続的発展には欠かせません。普段は目に見えない原料の世界こそ、半導体の未来を左右する基盤です。シリコンの純度、化合物の多様性、そしてそれらを支える技術革新が、次のテクノロジー時代を築く原動力となるのです。

Rapidusは世界最高水準の材料メーカーと協調し、品質を最優先に据えた製造体制を構築しています。