半導体とは「条件によって電気を通したり通さなかったりする素材」ですが、
その素材そのものには多様な種類があります。

本章では、材料の種類と構造を理解し、
「なぜその材料が使われるのか」を考える基礎を学びます。

半導体材料は、大きく次の2種類に分類されます。

1. 元素半導体（Elemental Semiconductor）
   　→ 単一の元素で構成される半導体
   　　代表：シリコン（Si）、ゲルマニウム（Ge）
2. 化合物半導体（Compound Semiconductor）
   　→ 2種類以上の元素の化合物で構成される半導体
   　　代表：ガリウムヒ素（GaAs）、窒化ガリウム（GaN）、炭化ケイ素（SiC）など

・結晶構造が安定しており、加工・量産がしやすい
・主にシリコンが主流
・コストが低く、電子機器の中核を担う
・MOSFETやICなど、ロジックデバイスの基本材料

【代表例】
シリコン（Si）→ 最も汎用的。安価・安定・酸化膜形成が容易
ゲルマニウム（Ge）→ 高速動作向きだが、熱安定性にやや劣る

・電子移動度が高く、高速通信や高周波デバイスに向く
・直接遷移型が多く、光を放出・吸収できる（LED・レーザーなど）
・耐熱性・耐圧性に優れるものもあり、パワー半導体としても利用
・ただし、製造コストや毒性などの課題がある

【代表例】
GaAs（ガリウムヒ素）→ 光通信、マイクロ波、レーザー
GaN（窒化ガリウム）→ 5G、高速充電、EV電源
SiC（炭化ケイ素）→ EV、産業機器、電力制御

光との関係を理解するための重要な分類がこれです。

・直接遷移型半導体
　電子が価電子帯から伝導帯に直接ジャンプできる
　→ 光の吸収・発光が得意（LED、レーザー）
　代表：GaAs、InP、GaN など

・間接遷移型半導体
　電子がジャンプする際に格子振動（フォノン）を介する必要がある
　→ 光の発光効率が低い（シリコンなど）
　代表：Si、Ge

半導体材料は、バンドギャップ（電子の飛び越える壁）の大きさでも分類されます

・ナローギャップ（1 eV以下）→ 赤外線検出用（InSbなど）
・ミドルギャップ（約1 eV）→ 一般的なロジック用途（Si, Ge）
・ワイドギャップ（3 eV以上）→ 高温・高電圧対応（SiC, GaN, Ga₂O₃）

→ バンドギャップが広いほど「高耐圧・高温」だが、「加工が難しく高価」

材料選定では以下の要素を総合的に考える必要があります。

・電子移動度（速度）
・バンドギャップ（エネルギーの壁）
・熱伝導率（放熱性能）
・機械的強度
・コスト・入手性
・環境負荷

→ どの要素を優先するかは「用途」によって変わります。
　例：スマホCPU → Si、EV用インバータ → SiC、LED → GaN

今後は、単一素材ではなく「複合材料・積層構造」で性能を最適化する方向へ

・Si × Ge → 高速通信チップ
・Si × GaN → 省エネ電力変換
・有機 × 無機 → 柔軟ディスプレイ、医療センサー

→ 「素材の組み合わせ」が次の半導体革命を起こす

・半導体材料は「元素半導体」と「化合物半導体」に大別される
・光応用は直接遷移型、高速応答は電子移動度の高い化合物が有利
・用途に応じて、性能・コスト・環境のバランスが重要
・今後は異種材料のハイブリッド化・3D化が主流になる

１．元素半導体と化合物半導体の違いは？

２．LEDに使われるのはどのタイプ？

３．シリコンが依然として主流な理由は？

コラム監修：角本 康司 (オーティス株式会社)
語学留学や商社での企画開発を経て2011年にオーティス株式会社入社。経営企画部を中心に製造・技術部門も兼任し、2018年より代表取締役として事業成長と組織強化に努めている。

※本記事は教育・啓発を目的とした一般的な技術解説であり、特定企業・製品・技術を示すものではありません。