半導体シリコンチップは、エレクトロニクスとコンピュータ化の革命を引き起こし、その結果、21世紀初頭の生活は前世紀初頭の生活とほとんど見分けがつかないほど変わった。シリコン集積回路（IC）は、相互につながったデジタル社会において、私たちが当然視しているほぼすべてを支えている。使用するシステムを制御し、情報へ随時アクセスし共有することを可能にしているのである。
1947年に最初のシリコントランジスタが登場して以来の進歩は非常に大きく、単一チップ上のトランジスタ数は、最初期の集積回路の数千個から 今日では20億個以上に達している。ムーアの法則 – トランジスタ密度が2年ごとに倍増するという見解 – は、提唱から50年を経た今もなお成立している。
ムーアの法則は、50年を経た今もなお成立している。
shigeru23、 CC BY-SA
しかしながら、シリコン電子工学は課題に直面している。最新の回路は 幅わずか7nm – 赤血球（7,500nm）と一本のDNA鎖（2.5nm）の間の寸法である。個々のシリコン原子の大きさ（約0.2nm）は、硬い物理的限界となる（回路が原子1個分の幅になる場合）が、その手前で挙動が不安定になり、制御が困難になる。
ICをこれ以上縮小できなければ、シリコンはこれまでのような性能向上を生み出し続けることはできない。この課題に取り組むには、デバイスの製造方法を見直す必要があるかもしれず、さらにはシリコンそのものに代わる材料が必要かどうかを検討する必要もあるかもしれない。
速度、熱、そして光
この課題を理解するには、なぜシリコンがエレクトロニクスの材料として選ばれたのかを見る必要がある。シリコンには多くの長所があり – 豊富に存在し、比較的加工が容易で、良好な物理的特性を持ち、良好な絶縁体となる安定した天然酸化膜（SiO2）を有する – 一方で、いくつかの欠点も抱えている。
例えば、1つのチップにより多くのトランジスタを組み込むことの大きな利点は、ICがより高速に情報を処理できるようになることである。しかし、この速度向上は、電子が半導体材料内をどれほど容易に移動できるかに決定的に依存する。これは 電子移動度と呼ばれ、シリコン中の電子はかなり移動しやすいものの、ヒ化ガリウム、ヒ化インジウム、アンチモン化インジウムなどの他の半導体材料では、はるかに移動しやすい。
半導体の有用な導電特性は、電子の移動だけに関わるのではなく、いわゆる「 電子正孔 」の移動にも関わる – 電子が押し出された後に、原子核の周りを回る電子の格子内に残された空隙のことである。
現代のICは、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）と呼ばれる技術を用いており、これは一対のトランジスタを使用し、一方は電子を、もう一方は電子正孔を用いる。しかし、シリコンにおける電子正孔の移動度は非常に低く、これが高性能化の障壁となっている。その障壁は非常に大きく、ここ数年、メーカーはこれを補うためにシリコンにゲルマニウムを加える必要に迫られてきた。
シリコンの二つ目の問題は、高温になると性能が大きく低下することである。数十億個のトランジスタを搭載する現代のICは相当な熱を発生させるため、その冷却には多大な労力が費やされている。デスクトップ型コンピュータの一般的なプロセッサに取り付けられたファンやヒートシンクを思い浮かべてほしい。窒化ガリウム（GaN）や炭化ケイ素（SiC）などの代替半導体は、高温下でもはるかに良好に機能するため、より高速に動作させることができ、重要な 高出力用途 （増幅器など）でシリコンに取って代わり始めている。
最後に、シリコンは光の伝送が非常に苦手である。レーザー、LED、その他のフォトニックデバイスは今日では一般的であるが、それらはシリコン以外の代替化合物半導体を用いている。その結果、エレクトロニクス向けのシリコンとフォトニクス向けの化合物半導体という、二つの異なる産業が形成されてきた。この状況は長年続いてきたが、現在、単一チップ上でエレクトロニクスとフォトニクスを統合しようとする大きな動きがある。メーカーにとって、これはかなりの問題である。
将来に向けた新素材
シリコンの電子的性能を向上させるためのパートナーとして検討されている多くの材料のうち、短期的に有望と考えられるものはおそらく三つである。
一つ目は、シリコンの電子正孔移動度の低さに関するものである。これを改善するため、少量のゲルマニウムがすでに添加されているが、大量に用いる、あるいは全ゲルマニウムのトランジスタへ移行すれば、さらに望ましいだろう。ゲルマニウムは半導体デバイスに最初に用いられた材料であり、そのためこれは実に「未来への回帰」といえる動きである。しかし、確立された産業をゲルマニウム中心に再編することは、メーカーにとってかなりの問題となる。
二つ目は金属酸化物に関するものである。二酸化ケイ素は長年にわたりトランジスタ内で用いられてきたが、微細化に伴い二酸化ケイ素の層は非常に薄くなり、絶縁特性を失い始めて、トランジスタの信頼性が低下している。希土類の 二酸化ハフニウム （HfO2）を代替絶縁体として用いる動きがあるにもかかわらず、
さらに優れた絶縁特性を持つ代替材料を求める探索が続いている。
おそらく最も興味深いのは、いわゆる III-V族化合物半導体の利用である。特にヒ化インジウムやアンチモン化インジウムなど、インジウムを含むものが挙げられる。これらの半導体は電子移動度がシリコンより 最大50倍 高い。ゲルマニウムを多く含むトランジスタと組み合わせた場合、このアプローチは大幅な速度向上をもたらす可能性がある。
しかし、事態は見かけほど単純ではない。シリコン、ゲルマニウム、酸化物、III-V族材料はいずれも結晶構造を持ち、その特性は結晶の完全性に依存する。これらをシリコンと単純に組み合わせて両方の長所を得ることはできない。この 結晶格子の不整合という問題への対処は、現在進行中の主要な技術的課題である。
シリコンのさまざまな形態
その限界にもかかわらず、シリコン電子工学は適応性に優れ、信頼性の高いマスマーケット向けデバイスへと加工可能であり、最小限のコストで提供されてきた。したがって、「シリコンの終焉」という見出しや、代替材料がもたらす華々しい（時に非現実的な）約束にもかかわらず、シリコンは依然として王者であり、巨大で極めて成熟したグローバル産業に支えられて、私たちの存命中に取って代わられることはないだろう。
代わりに、エレクトロニクスの進歩は、他の材料を統合することでシリコンを改良することから生まれる。IBMやインテルといった企業、そして世界中の大学の研究室が、この課題に多大な時間と労力を注いできており、その成果は有望である。 III-V族材料、シリコン、ゲルマニウムを融合させるハイブリッド手法 は、数年以内に市場に到達しうる。化合物半導体は、レーザー、LED照明・ディスプレイ、太陽電池パネルなど、シリコンでは到底対抗できない分野で既に重要な用途を見出している。電子デバイスがますます小型化・低消費電力化するにつれ、より高度な化合物が必要となり、また、その特性がシリコンの能力を大きく上回る高出力エレクトロニクスにおいても必要となる。
エレクトロニクスの未来は明るく、依然として主にシリコンを基盤とするだろう – ただし、今やそのシリコンは多様な形態で提供されている。
本記事は The Conversationとの協力により掲載されたものである。掲載は、世界経済フォーラムによる見解への支持を意味するものではない。
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著者： Mark Hopkinson は、半導体材料の教授で、所属は University of Sheffield
画像：2013年12月13日にワルシャワで撮影された、コンピュータのキーボードの‘End’キーを集積回路の基板上に置いたイラスト写真。撮影日は12月13日。REUTERS/Kacper Pempel
