半導体とは、室温における電気伝導率が導体と絶縁体の中間の値を示す物質のことです。日常生活でよく使われる銅線は導体ですが、アルミニウム線は導体であり、ゴムは絶縁体です。伝導率の観点から言えば、半導体とは、絶縁体から導体まで、伝導率を制御可能な物質を指します。
半導体チップの黎明期には、シリコンは主要な材料ではなく、ゲルマニウムが主流だった。最初のトランジスタはゲルマニウムをベースとしたトランジスタであり、最初の集積回路チップもゲルマニウムチップだった。
しかし、ゲルマニウムには、半導体における界面欠陥の多さ、熱安定性の低さ、酸化物密度の不足など、非常に難しい問題がいくつかあります。さらに、ゲルマニウムは希少元素であり、地殻中の含有量はわずか7ppmで、ゲルマニウム鉱石の分布も非常に分散しています。ゲルマニウムが非常に希少で、分布が集中していないため、ゲルマニウム原料のコストが高くなっています。希少性、原料コストの高さ、そしてゲルマニウムトランジスタの入手性の低さから、ゲルマニウムトランジスタの大量生産は困難です。
そこで研究者たちは、研究の焦点を一段階上げてシリコンに着目した。ゲルマニウムの先天的な欠点はすべて、シリコンの先天的な利点であると言えるだろう。
1. ケイ素は酸素に次いで2番目に豊富な元素ですが、自然界ではケイ素単体はほとんど見られません。最も一般的な化合物はシリカとケイ酸塩です。シリカは砂の主成分の一つです。また、長石、花崗岩、石英などの化合物もケイ素と酸素の化合物を基盤としています。
2. シリコンの熱安定性は良好で、緻密で誘電率の高い酸化膜を用いることで、界面欠陥の少ないシリコン-シリコン酸化物界面を容易に作製できる。
3. 酸化ケイ素は水に不溶性であり（酸化ゲルマニウムも水に不溶性である）、ほとんどの酸にも不溶性である。これは、プリント基板の腐食印刷技術に他ならない。この技術を組み合わせたのが、現在も続く集積回路の平面プロセスである。
投稿日時：2023年7月31日