電子材料の必須リスト
1 はじめに
電子材料は、急速に進化する現代のエレクトロニクスにおいて、極めて重要な役割を果たしている。電子材料は、どこにでもあるスマートフォンやノートパソコンから、高度に洗練された航空宇宙機器や医療機器に至るまで、膨大な数の電子機器の機能と性能を支える基本的な構成要素である。これらの材料は、デバイスの電気的、熱的、機械的、光学的特性を決定し、それによってデバイスの能力と限界が決まる。
電子材料の開発と革新は、エレクトロニクス産業の絶え間ない発展の原動力となってきた。電子製品の小型化、高速化、エネルギー効率化、高信頼性への要求がますます高まる中、先進的な電子材料の探索と利用はこれまで以上に急務となっている。以下のセクションでは、シリコン、シリコンカーバイド、ゲルマニウム、ガリウム化合物、炭素系材料、導電性材料、絶縁材料、磁性材料など、いくつかの主要な電子材料について深く掘り下げていきます。これらの材料のユニークな特性、製造プロセス、多様な用途を理解することで、エレクトロニクスの未来を形作るこれらの材料の重要性と可能性について包括的な視点を得ることができる。
2 シリコンと関連材料
シリコン（Si）は原子番号14で、硬くて脆い結晶性、準金属性、半導体性の物質であり、アモルファスと結晶の両方の形態を持ち、地殻中に豊富に存在する。シリコンは原子の最外層に4つの価電子を持ち、化学的に比較的安定しているため、常温で他の物質と反応しにくい。半導体材料として、シリコンの電気伝導度は温度の上昇とともに増加し、様々な電子機器に広く使用されている。
シリコンの抽出と製造において、アモルファス・シリコンは通常、二酸化ケイ素をマグネシウムで還元して得られる。一方、結晶シリコンは電気炉で二酸化ケイ素を炭素で還元して製造される。高純度の半導体シリコンは、塩化シリコンを水素で還元することで得られる。単結晶シリコンは通常、Czochralski法またはゾーン・フュージョン法（FZ法）で製造され、多結晶シリコンは方向性凝固法で成長させる。
シリコンはエレクトロニクス産業において幅広い用途があり、特に集積回路のチップ基板として、トランジスタの製造に理想的な材料である。また、単結晶シリコン、多結晶シリコン、シリコン薄膜は太陽電池に広く使われている。微小電気機械システム（MEMS）やセンサーの分野では、シリコンは加速度計、ジャイロスコープ、圧力センサーの製造に使われている。シリコンはパワーエレクトロニクスの分野でも使用され、MOSFET（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）やIGBT（絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ）などのパワー半導体デバイスを製造している。オプトエレクトロニクスの分野では、シリコンフォトダイオードが光通信システムに広く使われている。
シリコンの利点は、豊富な埋蔵量、持続可能な利用、制御された純度、低コストであるが、高温性能が低い、バンドギャップが狭いなどの欠点もあり、高速・高周波アプリケーションでの使用には限界がある。
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図.1 シリコン製品
3 炭化ケイ素（SiC）
炭化ケイ素（SiC）は広帯域の半導体材料で、硬度が高く、熱伝導性、高温性、耐食性に優れている。化学式はSiCで、様々な結晶構造があるが、最も一般的なものはα-SiCとβ-SiCである。工業的に生産される炭化ケイ素は、不純物の違いによりさまざまな色を示す。ドーピング技術により、エネルギー準位構造を変化させ、電子特性やその他の物理特性を調整することが可能です。
炭化ケイ素の主な製造プロセスには、融解法と化学気相成長法（CVD）がある。核融合法は、シリコンとグラファイトを高温で混合・溶融し、冷却することで炭化ケイ素を形成する。化学気相成長法は、気相化学反応によってSiCを基板表面に堆積させるもので、高品質の薄膜材料の製造によく用いられる。
炭化ケイ素はさまざまな用途に使用されている。パワーエレクトロニクスでは、SiCは電気自動車や再生可能エネルギーシステムの効率を向上させる電力変換デバイスに使用されている。高温・高周波デバイスでは、SiCは過酷な条件下でも安定した動作を維持できるため、5G基地局や軍事用電子機器に適している。さらに、SiCはLEDやオプトエレクトロニクスの用途でも役割を果たしており、当初は青色LEDに使用され、現在は特定の波長の光検出に使用されている。センサーの分野では、SiCは過酷な環境下での信頼性が高いため、高温、高圧、放射線環境での検出によく使用されている。SiCの高い信頼性により、航空宇宙や防衛用途にも人気がある。
炭化ケイ素の利点は、高温、高圧、高周波のハイパワー性能に優れ、高いエネルギー変換効率を実現することである。しかし、コストが高く、製造プロセスが複雑で、デバイスの信頼性をさらに向上させる必要があるなどの欠点もある。
続きを読む必須電子材料：パート2 - 炭化ケイ素
図2 炭化ケイ素チップ
4 ゲルマニウムと関連材料
ゲルマニウム（Ge）は原子番号32の半導体元素で、ダイヤモンドに似た結晶構造を持つ。ゲルマニウムの密度は5.323g/cm³、融点は937.4℃、沸点は2833℃である。半導体材料として、ゲルマニウムは0.66eVのバンドギャップを持ち、低温で良好な電気伝導性を示し、特に赤外光電子特性に優れている。しかし、ゲルマニウムは熱伝導率が低く、脆性が高いため、特定の用途では性能が制限される。
ゲルマニウムの製造工程は、通常、直線延伸法（Czochralski法）と垂直勾配凝固法（VGF法）を用いて単結晶ゲルマニウムを作製する。直進延伸法では、溶融したゲルマニウム液体を結晶化させて単結晶を得、垂直勾配凝固法では、温度勾配を制御して結晶の成長を導き、その品質と純度を確保する。
ゲルマニウムはいくつかの分野で重要な用途がある。高速エレクトロニクスでは、ゲルマニウムは、高速信号処理をサポートする高い電子移動度を持つため、高周波トランジスタや無線通信デバイスに使用されている。さらに、ゲルマニウムは重要な赤外光学材料であり、赤外検出器や画像システムに広く使用されている。その優れた光電子特性から、ゲルマニウムは光ファイバーの性能を向上させるために光ファイバーにもドープされ、光通信、光起電力変換デバイス、太陽電池にも使用されている。集積回路では、ゲルマニウムはシリコンと組み合わされて合金を形成し、性能をさらに高めている。ゲルマニウムは半導体レーザー、電荷結合素子（CCD）、LIDARの製造にも使用され、量子コンピューティングや量子技術への応用も期待されている。
ゲルマニウムの主な利点には、高い電子移動度、低いバンドギャップ、高い赤外透過率、シリコンとの良好な互換性などがあり、高効率太陽電池や量子コンピューティングなどの分野での使用に適している。しかし、熱伝導率の低さ、価格の高さ、結晶成長の難しさ、工業的生産規模の制限などの大きな欠点もあり、ゲルマニウムの普及には課題がある。
続きを読む必須電子材料：パート3 - ゲルマニウム
図3 チップ製造用ゲルマニウム
5 ガリウム化合物
酸化ガリウム（Ga2O3）：β-Ga2O3、α-Ga2O3など様々な結晶構造を持つ広帯域半導体。化学的に安定で、様々な物質と反応できる。直接還元法、化学蒸着法、酸法により作製できる。パワーエレクトロニクス、オプトエレクトロニクスデバイス（紫外線検出器、深紫外LEDなど）、センサーなどの分野で広く使用され、市場規模は急速に拡大しており、産業チェーンは徐々に改善されている。
ガリウムヒ素（GaAs）：黒灰色の固体、融点1238℃、重要なⅢ-Ⅴ族化合物半導体で、立方晶の結晶構造、優れた電子特性、低ノイズ、高耐圧を持つ。主に垂直勾配凝固法（VGF）、液体封止直接描画法（LEC）、水平ブリッジマン法（HB）、化学気相成長法（CVD）などで作製される。マイクロ波、オプトエレクトロニクス、通信、太陽電池、マイクロエレクトロニクスなどの分野で広く使用されている。
窒化ガリウム（GaN）：ガリウム原子と窒素原子の格子からなる結晶構造で、広い直接バンドギャップ、高硬度、高熱伝導性、良好な化学的安定性などの特性を持つ。MOCVD法などの化学気相成長反応によって成長する。新型電子デバイス（高出力高周波デバイスなど）、オプトエレクトロニクスデバイス（短波長発光デバイスなど）、センサーなどの分野で広く使用され、関連技術の進歩を促進する。
図4 酸化ガリウム系半導体材料
6 炭素系材料
グラフェン：炭素原子がsp²とハイブリッド化した単層構造で、六角形のハニカム格子を形成し、優れた光学的、電気的、機械的特性を持つ。電子移動度が高く、集積回路、電界効果トランジスタ、有機発光ダイオード、化学センサー、光電子デバイスなどへの応用が期待されている。
カーボンナノチューブ（CNT）：炭素原子を同軸の円管構造に配列したもので、ユニークな電気特性を持ち、金属性カーボンナノチューブと半導体性カーボンナノチューブに分けられる。高性能の電界効果トランジスタ、電子センサー、太陽電池などの製造に使用され、関連デバイスの性能を向上させることができる。
フラーレン（Fullerenes）：C60などの炭素原子からなる中空分子で、特殊な光学的、電気的、化学的特性を持つ。キャパシタ、導電性接着剤、オプトエレクトロニクス用途などに重要な用途があり、電極の導電性やエネルギー貯蔵密度などを向上させることができる。
続きを読む必須電子材料：パート5-炭素系材料
図5 グラフェン
7 導電性材料と絶縁材料
導電性材料：金属および合金は、金属原子の外側の電子が自由電子を形成しやすく、導電性であるため、高い電気伝導率、良好な熱伝導性、機械的強度を有し、銅、銀、アルミニウムおよびその合金のような電線・ケーブル、電子機器、その他の分野で広く使用されている。導電性ガラスは、ガラス基板と表面導電膜から構成され、太陽電池やディスプレイ画面などに透明な導電性を持つ。導電性ガラス：ガラス基板と表面導電膜から構成され、透明な導電性を有し、太陽電池、ディスプレイなどに使用される。特定の温度で抵抗がゼロであり、完全に反磁性である超伝導材料は、送電、医療、輸送、情報技術などの分野で低温超伝導、高温超伝導および他のタイプの超伝導に分けられ、広く使用されている。
絶縁材料：ガラス、セラミックス、雲母などの無機絶縁材料は、抵抗率が高く、耐熱性、機械的強度、化学的安定性に優れ、高電圧絶縁用ガラス、変圧器絶縁用セラミックスなどの電気絶縁に使用される。これらは、さまざまな電子機器や環境に適しています。
図6 電子セラミック材料
8 磁性材料
硬質磁性材料（永久磁石）：アルニコ合金、チタンコバルト合金、希土類コバルト永久磁石など、着磁後長時間磁性を維持でき、高保磁力、高再マネンス、高磁気エネルギー積を持ち、電動機、電子真空機器、マイクロ波機器などに使用される。
軟磁性材料：珪素鋼軟磁性磁石、軟磁性フェライトなど、保磁力が低く、透磁率が高く、磁化・消磁が容易で、変圧器、モーター、インダクター、電磁シールドなどの電子機器に広く使用され、エネルギー損失を低減し、効率を向上させることができる。
磁性合金：鉄と他の金属元素で構成され、軟磁性合金と硬磁性合金に分けられ、電子、通信、エネルギーなどの分野で広く使用され、例えば、電気モーターなどに使用されるネオジム-鉄-ボロン（NdFeB）、高温特殊環境で使用されるアルミニウム-ニッケル-コバルト合金などがある。透磁率、飽和磁束密度、保磁力などの磁性材料の特性は、電子機器の性能にとって極めて重要であり、電源、変圧器、データ記憶装置、モーター、センサー、無線通信、その他の機器において重要な役割を果たしている。
続きを読む必須電子材料：第7部 磁性材料
図 7 NdFeB 磁石
9 結論
結論として、電子材料は現代のエレクトロニクスの基盤である。シリコンは著名であるが、炭化ケイ素やガリウム化合物のような材料も出現している。炭素系材料は新たな可能性をもたらす。導電性、絶縁性、磁性材料も不可欠である。開発トレンドは、性能と信頼性の向上に向けられている。炭化ケイ素や窒化ガリウムのような材料を改良する努力がなされている。炭素系材料の研究は、合成と統合に重点を置いている。継続的な研究と技術革新は極めて重要である。それらは既存の需要を満たし、新しい技術を可能にする。材料の探求と最適化は、エレクトロニクス産業の発展に不可欠です。
スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ(SAM)は、高品質の電子材料を提供する重要なプロバイダーであり、信頼性の高い材料ソリューションでこれらの重要なアプリケーションをサポートしています。
