半導体とは何ですか? 電気技師が、これらの重要な電子部品がどのように機能し、どのように作られるかを説明します

Jun 03, 2023

アリゾナ州立大学電気工学教授

トレバー・ソーントンは、この記事から利益を得るであろういかなる企業や組織で働いたり、コンサルティングしたり、株を所有したり、資金を受け取ったりすることはなく、学術上の任命以外に関連する所属を明らかにしていません。

アリゾナ州立大学は、The Conversation US のメンバーとして資金を提供しています。

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半導体は現代のほぼすべての電子機器の重要な部分であり、半導体の大部分はタウェインで製造されています。 特に台湾と中国の関係が希薄であることを考慮すると、半導体の台湾への依存に対する懸念の高まりにより、米国議会は2022年7月下旬にCHIPSおよび科学法を可決した。この法律は、米国の半導体の成長を促進するために500億米ドルを超える補助金を提供するものである。が制作され、ニュースでも大きく取り上げられました。 半導体を研究している電気技師のトレバー・ソーントン氏が、これらのデバイスとは何か、またどのように作られるのかについて説明します。

一般に、半導体という用語は、ガラスなどの絶縁体よりもはるかによく電気を通すことができるが、銅やアルミニウムなどの金属ほどではないシリコンなどの材料を指します。 しかし、今日人々が半導体について話すとき、彼らは通常、半導体チップを指します。

これらのチップは通常、複雑なコンポーネントが特定のパターンで配置されたシリコンの薄いスライスから作られています。 これらのパターンは、電気スイッチ (トランジスタと呼ばれる) を使用して電流の流れを制御します。これは、スイッチを入れて照明を付けることで家庭内の電流を制御するのとほぼ同じです。

あなたの家と半導体チップの違いは、半導体スイッチは完全に電気的であり、切り替えるための機械部品はありません。チップには爪ほどの大きさの面積に数百億個のスイッチが含まれているということです。

半導体は、電子デバイスが情報を処理、保存、受信する方法です。 たとえば、メモリ チップはデータとソフトウェアをバイナリ コードとして保存し、デジタル チップはソフトウェアの命令に基づいてデータを操作し、ワイヤレス チップは高周波無線送信機からデータを受信して​​電気信号に変換します。 これらのさまざまなチップは、ソフトウェアの制御下で連携して動作します。 さまざまなソフトウェア アプリケーションはまったく異なるタスクを実行しますが、それらはすべて、電流を制御するトランジスタを切り替えることによって機能します。

大部分の半導体の出発点は、ウェーハと呼ばれるシリコンの薄いスライスです。 現在のウエハースはディナー皿ほどの大きさで、シリコン単結晶から切り出されています。 メーカーは、チップの導電性を高めるために、シリコン表面の薄層にリンやホウ素などの元素を追加します。 トランジスタのスイッチが作られるのはこの表面層です。

トランジスタは、ウェハ全体に導電性金属、絶縁体、さらに多くのシリコンの薄層を追加し、リソグラフィーと呼ばれる複雑なプロセスを使用してこれらの層上にパターンを描画し、コンピュータ制御された高反応性ガスのプラズマを使用してこれらの層を選択的に除去することによって構築されます。特定のパターンと構造。 トランジスタは非常に小さいため、微細な金属や絶縁体の線をチップ上に直接配置するよりも、材料を層状に追加してから不要な材料を慎重に除去する方がはるかに簡単です。 さまざまな材料の層を何十回も堆積、パターニング、エッチングすることにより、半導体メーカーは平方インチあたり数百億個のトランジスタを備えたチップを作成できます。

多くの違いがありますが、最も重要なのはおそらくチップあたりのトランジスタ数の増加でしょう。

半導体チップの最も初期の商業用途にはポケット電卓があり、1970 年代に広く普及しました。 これらの初期のチップには数千個のトランジスタが含まれていました。 1989 年にインテルは、単一チップ上に 100 万個を超えるトランジスタを搭載した最初の半導体を導入しました。 現在、最大のチップには 500 億個を超えるトランジスタが含まれています。 この傾向は、チップ上のトランジスタの数が約 18 か月ごとに 2 倍になるという、いわゆるムーアの法則によって説明されます。

ムーアの法則は 50 年間維持されています。 しかし近年、半導体業界はこの進歩のペースを続けるために、主にトランジスタのサイズをどのように縮小し続けるかという大きな課題を克服する必要がありました。

解決策の 1 つは、平坦な 2 次元層から、シリコンのフィン状の隆起部が表面上に突き出た 3 次元層に切り替えることでした。 これらの 3D チップは、チップ上のトランジスタの数を大幅に増やし、現在広く使用されていますが、製造がはるかに困難でもあります。

簡単に言えば、チップが複雑になればなるほど、工場もより複雑になり、コストも高くなります。

米国のほぼすべての半導体企業が自社工場を建設し、維持していた時代がありました。 しかし現在、新しい鋳造工場の建設には 100 億ドル以上の費用がかかる場合があります。 そのような投資を行う余裕があるのは最大手の企業だけです。 代わりに、大多数の半導体企業は設計を独立したファウンドリに送り、製造を依頼しています。 台湾積体電路製造と、ニューヨークに本社を置く GlobalFoundries は、他の企業向けにチップを製造する多国籍ファウンドリの 2 つの例です。 彼らは、次世代半導体の製造に必要な莫大な費用がかかる技術に投資するための専門知識と規模の経済を持っています。

皮肉なことに、トランジスタと半導体チップは米国で発明されましたが、現在米国本土には最先端の半導体ファウンドリが存在しません。 日本が世界のメモリ事業を独占するのではないかとの懸念があった1980年代にも米国がここに来たことがある。 しかし、新たに可決されたCHIPS法により、議会は次世代半導体を米国で製造するためのインセンティブと機会を提供しました。

おそらく、次の iPhone に搭載されるチップは、「カリフォルニアの Apple によって設計され、米国で製造される」ものになるでしょう。