半導体について、現在、材料、デバイス、投資など、さまざまな話題が取り上げられています。それぞれのトピックには異なる焦点があります。材料は、第3世代のワイドバンドギャップ半導体材料に他なりません。デバイスは、以前にも触れたように、主にWBG材料をベースとしたMOS、HEMLなどです。投資、業界動向、企業情報、株式市場などについては、ここでは詳しく触れません。今日は、半導体産業の歴史について語り、半導体産業の起源について学びたいと思います。    
           

真空三極管は「トラブルを引き起こす」

真空三極管といえば、1906年にリー・デフォレストによって発明され、ラジオやテレビなどの民生用電子機器の実現を可能にした。また、世界初の電子計算機の頭脳でもあった。その面積は約140平方メートル、重量は30トンにも及ぶ。約19,000本の真空管と数千個の抵抗器やコンデンサが使用されていた。真空三極管は、ガラスで密閉された空間内にグリッドと、グリッドによって隔てられた2つの電極で構成されている。密閉空間の内部は真空であり、部品の焼損を防ぎ、電子の自由な移動を促進する。  
   
主な機能はスイッチングと増幅の2つです。スイッチングとは電流のオン/オフを切り替えることであり、増幅とは電流や微弱な信号を増幅しつつ、信号本来の特性を維持することです。しかし、サイズが大きい、接続が緩みやすい、寿命が短い、劣化が早いなど、多くの欠点があります。  
こうした一連の欠点が、必然的にその発展または代替につながった。1949年、ベル研究所のジョン・バーディーン、ウォルター・ブラッティン、ウィリアム・ショックレー（ウィリアム・ショックレー）は、半導体材料ゲルマニウムを用いた電子増幅器を発明した。これが第一世代トランジスタである（この3人の科学者は1956年にノーベル物理学賞を受賞した）。トランジスタは当初「伝送抵抗器」と呼ばれていたが、後にトランジスタと改名された。  
   
この種のトランジスタは真空管の機能を備えつつ、固体であり、真空層を必要とせず、小型軽量、低消費電力、長寿命といった利点を持つ。こうして私たちは「固体時代」に突入し、現在に至るまで、その姿を最も多く目にしてきた。  
最初のトランジスタから現在の多くのパワーエレクトロニクス機器に至るまでの発展は、パワーエレクトロニクス技術の急速な発展につながりました。これらの機器は一般的にディスクリートデバイスと呼ばれ、各チップには1つの部品しか含まれていません。これまで触れてこなかった半導体関連機器として、集積回路があります。      
       

集積回路

集積回路（集積回路）とは、特定のプロセスを用いて、半導体基板上にトランジスタ、抵抗器、コンデンサ、インダクタなどの回路に必要な部品や配線を相互接続し、それを管状のシェルで封止して、必要な回路機能を備えた微細構造を形成したマイクロ電子デバイスである。  
最初の集積回路はテキサス・インスツルメンツ社のジャック・キルビーによって発明されたが、それは今日の集積回路の形とは異なっていた。  
当初は別々の配線で接続されていたが、それ以前にフェアチャイルド・カメラ社のジャン・ホーニが、シリコンの絶縁体である酸化シリコンの形成の容易さを利用して、チップ表面に電子接合部を形成しトランジスタを製造する平面製造プロセスを開発していた。その後、ロバート・ノイスはこの技術を応用し、シリコン表面に予め形成された個々のデバイスを接続することで、最終的にすべての集積回路で使用されるパターンを形成した。  
         

職人技とトレンド

半導体産業は1947年以来、技術面での改良と発展を遂げており、現在もなお発展を続けている。プロセス改善は、プロセスと構造という2つのカテゴリーに分けられる。  
プロセス改善：デバイスや回路をより小型化することで、高密度化、大量生産、高信頼性を実現する。  
構造的な改良：新しいデバイス設計における発明により、性能向上、エネルギー消費制御の改善、信頼性の向上が実現します。  
これら2つの改良によってもたらされた効果は、数世代にわたるIGBTの開発の歴史から十分に理解できる。もちろん、先に述べた装置製造工程におけるいくつかの欠陥など、多くの要因は工程改善に起因すると考えられる。  
集積回路のサイズとデバイス数は、IC開発の2つの一般的な指標です。デバイスのサイズは、設計における最小サイズで表され、これをフィーチャパターンサイズと呼びます。小規模集積回路から今日の数百万個のチップへの発展は、単一コンポーネントのフィーチャパターンサイズの縮小によってもたらされ、これはフォトリソグラフィ装置のパターニングプロセスと多層配線技術の大幅な改善によってもたらされました。これは、22nmチップ、10nm、さらには7nmなど、今日でもよく議論されています。より専門的な表現はゲート幅であり、ゲートの一部の幅を制御します。より小型で高速なトランジスタと高密度回路は、ゲート幅が小さいほど有利になります。これについて言えば、以前よく見かけた「ムーアの法則」という言葉に触れなければなりません。インテルの創設者の1人であるゴードン・ムーアは、1965年に、チップ上のトランジスタの数が18か月ごとに倍増すると予測しました。長年の実際の検証を経て、この比率は比較的正確であり、将来のチップ上のトランジスタ密度を予測するための基礎となっています。回路内のデバイス数、つまり集積度に応じて、いくつかのレベルに分類できます。小規模集積 (SSI): 2〜50 個/チップ、中規模集積 (MSI): 50〜5000 個/チップ、大規模集積 (LSI): 5000〜100000 個/チップ、超大規模集積 (VLSI): 100000〜1000000 個/チップ、超大規模集積 (ULSI): 1000000 個/チップ。  
ムーアの法則は、時間とともに際限なく発展するわけではありません。主に半導体材料と製造方法の限界によって制約されます。そのため、半導体材料であるシリコンが限界に近づいているというニュースを耳にするでしょう。したがって、新しい材料の開発と、装置や設計の継続的な改良が必要不可欠です。  
         

チップとウェハーのサイズ

チップは、シリコンなどの半導体材料で作られた薄いウェハーと呼ばれる板状の素材で作られていることは、誰もが知っています。  
 
円形ウェハ上に長方形のチップを製造すると、ウェハの端に使用できない領域が残ります。チップサイズが大きくなると、この使用できない領域も大きくなるため、より大きなサイズのウェハが徐々に採用されるようになりました。これは、チップサイズを実質的に「縮小」するだけでなく、生産効率と生産量の向上にもつながります。ウェハのサイズが6インチから8インチ、そして現在では12インチへと変化してきたのは、こうした理由の一つです。  
今日の半導体チップは、小型化が進み、コストは低下し、性能は向上し続けています。これは、先に述べたプロセス技術の改善と装置開発によるものであり、同時に半導体業界における競争の激化にもつながっています。  
現状では、半導体メーカーは大きく分けて3種類あります。統合デバイスメーカー（IDM）：設計、製造、パッケージング、販売を統合的に行う。ファウンドリ：他のチップサプライヤーがチップを製造する。ファブレス：チップの設計と販売のみを担当し、その他の工程はほとんど外部委託する。もちろん、これら以外にも様々な形態が存在します。同時に、半導体の国産化が進むにつれ、国内の半導体メーカーや企業モデルもますます増えています。  
         

最後に書く

今のところ、半導体産業の国内回帰は一つのトレンドであり、これは国内企業の数だけでなく、この激動の環境でどれだけの企業が生き残れるかにも左右される。つまり、風と波に乗る時間があるなら、帆を上げて大海原へ出航するべきだ！