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半導体デバイスとは、半導体材料（主にシリコン、ゲルマニウム、ガリウムヒ素、および有機半導体）の電子特性を利用して機能する電子部品です。その導電率は導体と絶縁体の中間に位置します。半導体デバイスは、ほとんどの用途で真空管に取って代わりました。半導体デバイスは、真空中を自由電子として（通常は熱電子放出によって放出される）流れるのではなく、あるいは電離ガス中を自由電子とイオンとして流れるのではなく、固体状態で電流を伝導します。
半導体デバイスは、単一の個別デバイスとしても、集積回路としても製造されます。集積回路は、2つ以上のデバイス（数百から数十億に及ぶ場合もある）が単一の半導体ウェハ（基板とも呼ばれる）上に製造され、相互接続されたものです。
半導体材料は、ドーピングと呼ばれる不純物の意図的な添加によってその挙動を容易に操作できるため有用です。半導体の導電率は、電場または磁場の導入、光または熱への曝露、またはドーピングされた単結晶シリコングリッドの機械的変形によって制御できます。したがって、半導体は優れたセンサーになります。半導体における電流伝導は、電荷キャリアとして総称される移動可能な「自由」電子と正孔によって発生します。リンやホウ素などの原子不純物を少量半導体にドーピングすると、半導体内の自由電子または正孔の数が大幅に増加します。ドーピングされた半導体に正孔が過剰に含まれている場合、それはp型半導体（pは正の電荷を表す）と呼ばれ、自由電子が過剰に含まれている場合は、 n型半導体（nは負の電荷を表す）と呼ばれます。移動可能な電荷キャリアの大部分は負の電荷を持っています。半導体の製造では、p型およびn型ドーパントの位置と濃度が精密に制御されます。n型半導体とp型半導体を接続すると、p-n接合が形成されます。
世界で最も一般的な半導体デバイスは、MOSFET（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）[ 1 ]、別名MOSトランジスタです。2013年現在、毎日数十億個のMOSトランジスタが製造されています。[ 2 ]半導体デバイスの年間製造数は1978年以降平均9.1%増加しており、2018年には出荷数が初めて1兆個を超えると予測されています[ 3 ]。つまり、これまでに7兆個以上が製造されたことになります。
半導体ダイオードは、一般的に単一のp-n接合から構成される素子です。p型半導体とn型半導体の接合部には、移動可能な電荷キャリアが不足しているため電流伝導が阻害される空乏層が形成されます。ダイオードに順方向バイアス（p側がn側よりも高い電位で接続されている場合）をかけると、この空乏層が縮小し、大きな電流が流れるようになります。逆に、ダイオードに逆方向バイアス（n側がp側よりも高い電位で接続されている場合、空乏層が拡大する）をかけると、ごくわずかな電流しか流れません。
半導体に光を照射すると、電子・正孔対が生成され、自由キャリアの数が増加して導電率が上昇する。この現象を利用するように最適化されたダイオードはフォトダイオードと呼ばれる。 化合物半導体ダイオードも、発光ダイオードやレーザーダイオードのように光を発することができる。
バイポーラ接合トランジスタ（BJT）は、n-p-nまたはp-n-pのいずれかの構成で、2つのp-n接合から形成されます。接合間の領域である中央部、すなわちベースは、通常非常に狭くなっています。その他の領域とその端子は、エミッタとコレクタと呼ばれます。ベースとエミッタ間の接合に小さな電流を注入すると、ベース-コレクタ接合の特性が変化し、逆バイアス状態でも電流を流せるようになります。これにより、コレクタとエミッタ間に、ベース-エミッタ電流によって制御される、はるかに大きな電流が生成されます。
もう一つのタイプのトランジスタである電界効果トランジスタ（FET）は、半導体の導電率が電界の存在によって増減するという原理に基づいて動作します。電界は半導体中の自由電子と正孔の数を増加させ、それによって導電率を変化させます。電界は、逆バイアスされたp-n接合によって印加され、接合型電界効果トランジスタ（JFET）を形成します。また、酸化膜層によってバルク材料から絶縁された電極によって印加され、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）を形成します。
金属酸化物半導体FET（MOSFET、またはMOSトランジスタ）は固体素子であり、今日最も広く使用されている半導体素子である。トランジスタ全体の少なくとも99.9%を占めており、1960年から2018年の間に推定13垓個のMOSFETが製造された。[ 4 ]
ゲート電極に電荷を与えることで電界が発生し、ソース端子とドレイン端子と呼ばれる2つの端子間の「チャネル」の導電率を制御します。チャネル内のキャリアの種類に応じて、デバイスはnチャネル（電子用）またはpチャネル（正孔用）のMOSFETになります。MOSFETという名称は、その「金属」ゲートに由来する部分もありますが、現代のデバイスでは通常、代わりにポリシリコンが使用されています。
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半導体デバイスにおいて、シリコン（Si）は圧倒的に最も広く使用されている材料です。原材料費が安く、加工が比較的簡単で、使用温度範囲が広いため、現在、様々な競合材料の中で最も優れた選択肢となっています。半導体デバイスの製造に使用されるシリコンは、現在、直径300mm （12インチ）のウェハーを製造できるほど大きなインゴットに加工されています。
ゲルマニウム（Ge）は初期の半導体材料として広く用いられていましたが、熱に敏感なためシリコンほど有用ではありません。現在では、ゲルマニウムはシリコンと合金化され、超高速SiGeデバイスに利用されることが多く、IBMはそのようなデバイスの大手メーカーです。
ガリウムヒ素（GaAs）も高速デバイスに広く使用されているが、これまでこの材料の大きな直径のインゴットを形成することは困難であり、ウェーハの直径はシリコンウェーハよりもかなり小さいサイズに制限されていたため、GaAsデバイスの量産はシリコンよりも大幅に高価になっていた。
窒化ガリウム（GaN）は、その高い強度と熱伝導率により、パワーIC、発光ダイオード（LED）、RFコンポーネントなどの高出力アプリケーションで人気が高まっています。シリコンと比較して、GaNのバンドギャップは3.4 eVと3倍以上広く、電子伝導効率は1,000倍です。[ 5 ] [ 6 ]
その他、あまり一般的ではない材料も使用されているか、研究中である。
炭化ケイ素（SiC）はパワーICの分野でも人気が高まっており、青色LEDの原料としても一部で利用されているほか、非常に高い動作温度や高レベルの電離放射線が存在する環境に耐えられる半導体デバイスへの応用も研究されている。また、SiCからIMPATTダイオードも製造されている。
様々なインジウム化合物（ヒ化インジウム、アンチモン化インジウム、リン化インジウム）は、LEDや固体レーザーダイオードにも使用されている。硫化セレンは、太陽光発電セルの製造において研究されている。
すべてのトランジスタは、デジタル回路の設計において不可欠な論理ゲートの構成要素として使用できます。マイクロプロセッサなどのデジタル回路では、トランジスタはオン/オフスイッチとして機能します。例えば、MOSFETでは、ゲートに印加される電圧によってスイッチがオンかオフかが決まります。
アナログ回路に使用されるトランジスタは、オンオフスイッチのように動作するのではなく、連続的な入力に対して連続的な出力で応答します。一般的なアナログ回路には、増幅器や発振器などがあります。
デジタル回路とアナログ回路の間でインターフェースまたは変換を行う回路は、混合信号回路として知られています。
パワー半導体デバイスは、高電流または高電圧用途向けに設計された個別デバイスまたは集積回路です。パワー集積回路は、IC技術とパワー半導体技術を組み合わせたもので、しばしば「スマート」パワーデバイスと呼ばれます。パワー半導体の製造を専門とする企業は複数存在します。
半導体デバイスの部品番号は、多くの場合、メーカー固有のものです。しかしながら、タイプコードの標準化を試みる動きがあり、一部のデバイスはそれに従っています。例えば、個別部品については、米国ではJEDEC JESD370B、欧州ではPro Electron 、そして日本工業規格（JIS）という3つの規格が存在します。
半導体デバイス製造は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、メモリ（ RAMやフラッシュメモリなど）といった集積回路（IC）などの半導体デバイスを製造するプロセスです。これは、熱酸化、薄膜堆積、イオン注入、エッチングなどの工程を含む、複数の段階からなるフォトリソグラフィおよび物理化学プロセスであり、その過程で、通常は純粋な単結晶半導体材料で作られたウェハ上に電子回路が徐々に形成されます。シリコンがほぼ常に使用されますが、特殊な用途にはさまざまな化合物半導体が使用されます。エッチングやフォトリソグラフィなどの工程は、LCDやOLEDディスプレイなどの他のデバイスの製造にも使用できます。[ 7 ]
製造プロセスは、ファウンドリまたは「ファブ」とも呼ばれる高度に専門化された半導体製造工場で行われ、 [ 8 ]中心となるのは「クリーンルーム」です。最新の14 / 10 / 7 nmノードなどのより高度な半導体デバイスでは、製造に最大15週間かかる場合があり、業界平均は11～13週間です。[ 9 ]高度な製造施設での生産は完全に自動化されており、自動マテリアルハンドリングシステムがウェーハを機械から機械へと搬送します。[ 10 ]
ウェハーには複数の集積回路が搭載されていることが多く、これらは単一のウェハーから切り出された部品であるためダイと呼ばれます。個々のダイは、ダイシングレーション（ウェハーダイシングとも呼ばれる）と呼ばれるプロセスで完成したウェハーから分離されます。その後、ダイはさらに組み立てやパッケージングを受けることができます。[ 11 ]
製造工場内では、ウェーハはFOUPと呼ばれる特殊な密閉プラスチックボックス内に搬送されます。[ 10 ]多くの工場のFOUPは内部に窒素雰囲気[ 12 ] [ 13 ]を含んでおり、ウェーハ上の銅の酸化を防ぐのに役立ちます。銅は現代の半導体では配線に使用されます。[ 14 ]処理装置とFOUPの内部コンポーネントは、クリーンルーム内の周囲の空気よりも清浄に保たれています。この内部雰囲気はミニ環境として知られており、ウェーハ上の動作デバイスの数である歩留まりの向上に役立ちます。このミニ環境はEFEM（装置フロントエンドモジュール）[ 15 ]内にあり、装置がFOUPを受け取り、FOUPからウェーハを装置に導入できるようにします。さらに、多くの装置は汚染を減らし、プロセス制御を改善するために、ウェーハをクリーンな窒素または真空環境で処理します。[ 10 ]製造工場では、生産機械やFOUP内部の雰囲気を維持するために大量の液体窒素が必要であり、FOUPは常に窒素でパージされている。[ 12 ] [ 13 ]また、FOUPとEFEMの間にエアカーテンやメッシュ[ 16 ]を設置することで、FOUPに入る湿度を減らし、歩留まりを向上させることができる。[ 17 ] [ 18 ]
産業用半導体製造プロセスで使用される機械を製造している企業には、ASML、アプライドマテリアルズ、東京エレクトロン、ラムリサーチなどがある。
半導体はトランジスタの発明以前から電子工学分野で使われていました。20世紀初頭には、ジャガディッシュ・チャンドラ・ボースらが開発した「猫のひげ」と呼ばれる装置でラジオの検波器として広く使われていました。しかし、この検波器は操作がやや面倒で、タングステン製の小さなフィラメント（ひげ）を方鉛鉱（硫化鉛）または炭化ケイ素（炭化ケイ素）の結晶の表面で動かし、突然動作し始めるまで操作する必要がありました。[ 19 ]その後、数時間から数日かけて猫のひげは徐々に動作しなくなり、このプロセスを繰り返さなければなりませんでした。当時、その動作原理は全く謎でした。より信頼性が高く増幅機能を持つ真空管式ラジオが登場すると、猫のひげシステムは急速に姿を消しました。「猫のひげ」は、ショットキーダイオードと呼ばれる、今日でも広く使われている特殊なダイオードの原始的な例です。
初期の半導体デバイスのもう一つのタイプは、半導体として酸化銅またはセレンを用いた金属整流器である。ウェスティングハウス・エレクトリック社（1886年設立）は、これらの整流器の主要メーカーであった。
第二次世界大戦中、レーダー研究の進展により、レーダー受信機は急速に4000MHz付近の高周波数帯で動作するようになり、従来の真空管式ラジオ受信機ではもはや十分な性能を発揮できなくなった。1940年、ティザード使節団の派遣により、英国から米国へ空洞マグネトロン が導入されたことで、実用的な高周波増幅器の必要性が切実に高まった。
ベル研究所のラッセル・オールは、ふと思いついてキャッツウィスカーを試してみることにした。当時、キャッツウィスカーは何年も使われておらず、研究所の誰も持っていなかった。マンハッタンの中古ラジオ店で探し出して手に入れた彼は、それが真空管式のシステムよりもはるかに優れた性能を発揮することを発見した。
オールは、猫のひげがなぜこれほど優れた働きをするのかを調査した。彼は1939年の大半を、より純度の高い結晶を育成することに費やした。彼はすぐに、より高品質の結晶では気まぐれな挙動はなくなるが、ラジオ検出器としての働きも失われることに気づいた。ある日、彼は自分の最も純度の高い結晶の1つがそれでもうまく機能することを発見したが、その結晶の中央付近にははっきりと見える亀裂があった。しかし、それをテストするために部屋の中を動き回ると、検出器は不思議なことに作動し、また停止した。しばらく研究した結果、彼はその挙動が部屋の光によって制御されていることを発見した。光が強いほど結晶の導電率が高くなるのだ。彼は他の何人かを招いてこの結晶を見せたところ、ウォルター・ブラッテンがすぐに亀裂のところに何らかの接合部があることに気づいた。
さらなる研究によって、残された謎が解明された。結晶にひびが入ったのは、両面にオールが除去できなかった不純物がごくわずかに異なる量（約0.2%）含まれていたためである。結晶の片面には、余分な電子（電流の担体）を付加し「導体」となる不純物が含まれていた。もう片面には、これらの電子と結合しようとする不純物が含まれており、（オールが「絶縁体」と呼んだもの）となっていた。結晶の2つの部分は互いに接触していたため、余分な電子を持つ導電側（後にエミッタと呼ばれるようになる）から電子が押し出され、（例えば電池から）供給される新しい電子によって置き換えられ、絶縁体部分に流れ込み、ウィスカー状のフィラメント（コレクタと呼ばれる）によって収集された。しかし、電圧が反転すると、コレクタに押し込まれた電子が「穴」（電子を必要とする不純物）を急速に埋めてしまい、伝導はほぼ瞬時に停止した。この2つの結晶（または1つの結晶の一部）の接合部によって固体ダイオードが形成され、この概念はすぐに半導体として知られるようになりました。ダイオードがオフの状態での作用機序は、接合部周辺の電荷キャリアの分離に関係しています。これは「空乏層」と呼ばれます。
これらの新しいダイオードの仕組みが解明されたことで、需要に応じて製造する方法を習得するための精力的な取り組みが始まった。パデュー大学、ベル研究所、MIT、シカゴ大学の研究チームが協力して、より高性能な結晶の開発に取り組んだ。1年以内にゲルマニウムの製造技術は完成し、軍用グレードのダイオードがほとんどのレーダー装置で使用されるようになった。
戦後、ウィリアム・ショックレーは三極管のような半導体デバイスの開発に挑戦することを決意した。彼は資金と実験室を確保し、ブラッテンやジョン・バーディーンと共にその問題に取り組み始めた。
トランジスタ開発の鍵は、半導体における電子移動の過程をより深く理解することにあった。新たに発見されたダイオードのエミッタからコレクタへの電子の流れを制御する方法があれば、増幅器を構築できることが分かった。例えば、単一種類の結晶の両面に接点を設けても、結晶を通して電流は流れない。しかし、3つ目の接点から電子や正孔を材料に「注入」できれば、電流が流れるようになる。
実際にこれを実現するのは非常に困難であるように思われた。結晶がそれなりの大きさになると、注入する必要のある電子（または正孔）の数が非常に多くなり、大きな注入電流が必要となるため、増幅器としてはあまり実用的ではない。とはいえ、結晶ダイオードの基本的な考え方は、結晶自体がごく短い距離、すなわち空乏層に電子を供給できるという点にあった。鍵となるのは、この空乏層の両側の結晶表面に、入力接点と出力接点を非常に近い位置に配置することだった。
ブラッテンがそのような装置の開発に着手すると、チームが問題に取り組む中で、増幅の兆候が次々と現れた。システムが動作しても、予期せず動作しなくなることもあった。あるケースでは、動作しなかったシステムが水に入れると動作し始めた。オールとブラッテンは最終的に、この現象を説明するために、表面物理学として知られるようになった量子力学の新しい分野を開発した。結晶のどの部分でも、電子は近くの電荷によって移動する。エミッタ内の電子、あるいはコレクタ内の「正孔」は、空気中（または水中）に「漂っている」反対の電荷を見つけることができる結晶の表面に集まる。しかし、結晶上の他の場所から少量の電荷を加えることで、表面から押し出すことができる。大量の電子を注入する代わりに、結晶上の適切な場所にごく少数の電子を加えるだけで同じ効果が得られる。
彼らの理解は、非常に小さな制御領域を必要とする問題をある程度解決した。共通の、しかし非常に小さな領域で接続された2つの別々の半導体ではなく、1つの大きな表面で済むようになったのだ。電子放出リードと収集リードは両方とも上部に非常に近い位置に配置され、制御リードは結晶の底部に配置された。この「底部」リードに電流が流れると、電子または正孔が半導体ブロックを横切って押し出され、反対側の表面に収集される。エミッタとコレクタが非常に近い位置にある限り、両者の間に十分な電子または正孔が存在し、伝導が開始されるはずだった。
ベルチームは様々なツールを用いてこのようなシステムを構築しようと何度も試みたが、概して失敗に終わった。接点が十分に近接した構成は、初期の猫のひげ検出器と同様に常に脆弱で、動作したとしてもごく短時間しか機能しなかった。しかし、最終的に実用的な突破口が開かれた。プラスチック製のくさびの端に金箔を接着し、三角形の先端でカミソリで金箔を切断した。その結果、非常に近接した2つの金接点ができた。このくさびを結晶の表面に押し付け、反対側（結晶の底面）に電圧を印加すると、底面の電圧によって電子が底面から反対側の接点付近へと押し出され、電流が一方の接点からもう一方の接点へと流れ始めた。こうして、点接触型トランジスタが発明されたのである。
この装置は1週間前に製作されていたが、ブラッテンのメモには、トランジスタの誕生日としてしばしば挙げられる1947年12月23日の午後にベル研究所の上層部に対して行われた最初のデモンストレーションについて記されている。現在「p-n-p点接触ゲルマニウムトランジスタ」として知られるこの装置は、その実験では18倍の電力利得を持つ音声増幅器として動作した。ジョン・バーディーン、ウォルター・ハウザー・ブラッテン、ウィリアム・ブラッドフォード・ショックレーは、この業績により1956年のノーベル物理学賞を受賞した。
ベル電話研究所は、新しい発明品に一般的な名前が必要でした。「半導体三極管」、「固体三極管」、「表面状態三極管」、「水晶三極管」、「イオタトロン」などが検討されましたが、ジョン・R・ピアースが考案した「トランジスタ」が社内投票で選ばれました。この名前の根拠は、投票を呼びかけた同社の技術メモ（1948年5月28日）[26]からの以下の抜粋に記載されています。
トランジスタ。これは「相互コンダクタンス」または「伝達」と「バリスタ」を組み合わせた略語です。このデバイスは論理的にバリスタファミリーに属し、ゲインを持つデバイスの相互コンダクタンスまたは伝達インピーダンスを持つため、この組み合わせは適切です。
ショックレーは、この装置がブラッテンとバーディーンの手柄とされたことに憤慨していた。彼は、二人が「自分の知らないところで」装置を開発し、手柄を横取りしたと感じていたのだ。事態はさらに悪化し、ベル研究所の弁護士たちは、ショックレー自身のトランジスタに関する記述の一部が、1925年にジュリアス・エドガー・リリエンフェルドが取得した特許の内容と酷似していることを発見し、特許出願からショックレーの名前を削除するのが最善だと判断した。
ショックレーは激怒し、この作戦の真の立役者は誰なのかを証明しようと決意した。数か月後、彼は全く新しい、はるかに堅牢な バイポーラ接合型トランジスタを発明した。このトランジスタは層状構造、いわゆる「サンドイッチ」構造を持ち、1960年代までほとんどすべてのトランジスタに使用された。
脆さの問題が解決すると、残る問題は純度だった。必要な純度のゲルマニウムを作ることは深刻な問題であることが判明し、特定のバッチの材料から実際に動作するトランジスタの歩留まりが制限された。ゲルマニウムの温度に対する感度もその有用性を制限した。科学者たちはシリコンの方が製造しやすいと理論づけたが、この可能性を調査する者はほとんどいなかった。元ベル研究所の科学者ゴードン・K・ティールは、設立間もないテキサス・インスツルメンツで動作するシリコン・トランジスタを初めて開発し、技術的優位性を与えた。1950年代後半から、ほとんどのトランジスタはシリコンベースになった。数年以内に、トランジスタベースの製品、特に持ち運びやすいラジオが市場に登場した。溶融材料の帯を結晶内を移動させる技術である「ゾーンメルティング」により、結晶の純度がさらに向上した。
1955年、カール・フロッシュとリンカーン・デリックは、シリコンウェーハ上に偶然二酸化ケイ素の層を成長させ、その表面パッシベーション効果を観察した。[ 20 ] [ 21 ] 1957年までに、フロッシュとデリックは、マスキングと事前堆積を使用して、二酸化ケイ素電界効果トランジスタを製造することができた。これは、ドレインとソースが同じ表面に隣接している最初のプレーナ型トランジスタであった。[ 22 ]彼らは、二酸化ケイ素がシリコンウェーハを絶縁し保護し、ドーパントがウェーハに拡散するのを防ぐことを示した。[ 20 ] [ 22 ]ベル研究所では、フロッシュとデリックの技術とトランジスタの重要性がすぐに認識された。彼らの研究成果は、1957年に出版される前に、BTLメモの形でベル研究所内で回覧された。ショックレー・セミコンダクターでは、ショックレーは1956年12月に論文のプレプリントを、後にフェアチャイルド・セミコンダクター在籍中に1959年にプレーナープロセスを発明するジャン・ホーニ[ 23 ] [ 24 ][25 ] [ 26 ]を含むすべての上級スタッフに回覧した[ 27 ] [ 28 ]。
その後、JR LigenzaとWG Spitzerは熱酸化酸化膜のメカニズムを研究し、高品質のSi/ SiO2スタックを作製し、1960年にその結果を発表しました。[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]この研究に続いて、Mohamed AtallaとDawon Kahngは1959年にシリコンMOSトランジスタを提案し[ 32 ]、1960年にベル研究所のチームで動作するMOSデバイスの実証に成功しました。[ 33 ] [ 34 ]彼らのチームには、デバイスを作製したEE LaBateとEI Povilonis、拡散プロセスを開発したMO Thurston、LA D'Asaro、JR Ligenza、デバイスを特性評価したHK GummelとR. Lindnerが含まれていました。[ 35 ] [ 36 ]
スケーラビリティ[ 37 ] 、バイポーラ接合トランジスタ[ 38 ]よりもはるかに低い消費電力と高い密度[ 39 ]により、MOSFETはコンピュータ、電子機器[ 40 ] 、およびスマートフォンなどの通信技術で最も一般的なタイプのトランジスタになりました。米国特許商標庁は、MOSFETを「世界中の生活と文化を変革した画期的な発明」と呼んでいます[ 40 ] 。
バーディーンの1948年の反転層の概念は、今日のCMOS技術の基礎を形成している。[ 41 ] CMOS（相補型MOS）は、1963年にフェアチャイルド・セミコンダクターのチータン・サとフランク・ワンラスによって発明された。 [ 42 ]フローティングゲートMOSFETの最初の報告は、1967年にダウォン・カンとサイモン・シーによって行われた。 [ 43 ] 3DマルチゲートMOSFETの一種であるFinFET（フィン電界効果トランジスタ）は、 1967年にHRファラー（ベンディックス社）とRFスタインバーグによって提案され[ 44 ] 、 1989年に日立中央研究所のディグ・ヒサモトと彼の研究チームによって初めて製造された。[ 45 ] [ 46 ]
半導体ユニットの年間出荷台数（集積回路とオプトセンサディスクリート、OSDデバイス）は9%増加すると予想されている[..] 2018年の半導体ユニット出荷台数は1兆751億台に達すると予測されており、これは年間9%の成長に相当する。1978年の326億台から2018年までの半導体ユニットの年平均成長率は9.1%と予測されており、40年間で堅調な成長率となっている。[..] 2018年には、OSDデバイスが半導体ユニット全体の70%を占めると予測されており、ICは30%となっている。
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