ロジックもメモリも、ダイヤモンドも。半導体は2つの地図で全部見渡せる

ひとくちに半導体といっても、スマホの頭脳から電気自動車のインバーター、カメラのセンサまで種類はさまざまです。まず全体像をつかみたい人は「半導体は、ぜんぶ一本の鎖でつながっていた」を、半導体そのものの基礎は「半導体とは何か」を入口にしてください。この記事は、それらをつなぐ"分類の地図"です。

半導体は何で分類できるのか

半導体の分類とは、「機能（役割）」と「材料（中身）」という2つの軸で半導体を整理する見方のことです。この2軸は独立しています。たとえば同じ「パワー半導体」という機能でも、中身はシリコンのこともSiC（炭化ケイ素）のこともあります。逆に同じシリコンでも、ロジックにもメモリにもセンサにも使われます。

下の地図は、縦に機能、横に材料を並べた"対応表"を立体にしたものです。タイルがある所が「その役割でその材料を使う」組み合わせです。機能ボタンを押すと、その行だけが立ち上がります。ロジックやメモリはシリコン1つだけ、パワーは5種類に広がる——その違いが一目で分かります。

横軸に並ぶ7つの材料が「どんなものに使われるか」を、一言ずつ見ておきましょう。名前は難しくても、使い道はとても身近です。

• シリコン（Si）：身の回りのほとんどのチップ。スマホ・PCの頭脳（CPU・GPU）やメモリはこれです。
• ガリウムヒ素（GaAs）：スマホの高周波部品（電波の送受信）や赤外線LED、レーザーに使われます。
• リン化インジウム（InP）：光通信のレーザー・受光素子。データセンターや海底ケーブルで光をやり取りします。
• 炭化ケイ素（4H-SiC）：EVのインバーターや鉄道、急速充電器、電力網。電気のムダを減らすパワー半導体です。
• 窒化ガリウム（GaN）：スマホの小型急速充電器、5G基地局、青色LEDに使われます。
• 酸化ガリウム（β-Ga₂O₃）：次世代パワー半導体の有力候補。安く大きな結晶が作れるのが強みで、まだ量産前です。
• ダイヤモンド（C）：宇宙や送電など過酷な環境向けに研究が進む、"究極"の次世代材料です。

半導体は機能で何種類に分かれるのか

機能で分けると、半導体は大きく7種類に分かれます。計算するロジック、記憶するメモリ、電圧や電波を扱うアナログ、小さなコンピュータであるマイクロ（MPU・MCU）、電力を変換・制御するパワー、光を出す・受ける光（オプト）、そして光や温度を電気に変えるセンサです。

世界市場で見ると、この内訳には偏りがあります。WSTS（世界半導体市場統計）の2024年実績では、ロジックが約34%、メモリが約26%を占め、この2つだけで全体の約6割になります。そして残りを、アナログ（約13%）、マイクロ（約13%）、光・センサ・ディスクリート（合計約14%）が分け合います（WSTS）。

大事なのは「どんな製品（エンド市場）に使われているか」です。機能ごとに、身近な製品で見ると一気にイメージできます。

ロジックとメモリは、回路を小さくするほど性能が上がるため、微細化に有利なシリコンがほぼ100%を占めます。一方で、高い電圧や高い周波数、光を扱う領域では、シリコン以外の材料が登場します。ここから先が「材料の地図」です。

半導体は何からできているのか

材料で分けると、半導体はシリコンを中心に外側へ広がっていきます。順に、元素半導体（シリコン）、化合物半導体（GaAs・InPなど）、ワイドバンドギャップ半導体（SiC・GaN）、ウルトラワイドバンドギャップ半導体（酸化ガリウム・ダイヤモンド）です。外側へ行くほど高い電圧・高温に強くなりますが、結晶を大きく安く作るのは難しくなります。

材料を分けるいちばん大事な物差しが「バンドギャップ」です。バンドギャップとは、電気を流す・止めるの切り替えに必要なエネルギーの幅のことです。シリコンは約1.12eVですが、SiCは約3.26eV、GaNは約3.4eV、ダイヤモンドは約5.47eVと、5倍近くまで広がります。この幅が広いほど、高い電圧と高い温度に耐えます（Ioffe Institute）。

下の図では、7つの材料を4つの物差し（バンドギャップ・絶縁破壊電界・熱伝導率・バリガ性能指数）で比べられます。物差しを切り替えると、同じ材料でも得意・不得意がまるで違うことが見えてきます。

材料ごとの個性は、はっきりしています。シリコンは安く大きなウェハー（直径300mm）が作れる万能選手で、ロジックもメモリもこれです。GaAs・InPは光を出せる直接遷移型で、LEDやレーザー、光通信を担います。SiC・GaNはいま急速に普及しているパワー半導体の主役で、EVや急速充電器、データセンターの省エネを支えます。日本が材料で世界を握る構図は「チップの土台も塗る薬も、ほとんど日本製だった」で詳しく扱っています。

そしてシリコンの限界の先には、もう一つの方向もあります。原子1個分の薄さの膜でトランジスタを作る「2次元材料」です。これは材料を「広げる」のではなく「薄くする」アプローチで、微細化の限界に挑みます。

ワイドバンドギャップ半導体とは

ワイドバンドギャップ（WBG）半導体とは、バンドギャップがシリコンより広い半導体のことです。目安はおおむね2eV超で、代表はSiC（約3.26eV）とGaN（約3.4eV）です。バンドギャップが広いと、薄いまま高い電圧に耐えられるので、電力の損失が小さく、発熱も抑えられます（Wikipedia）。

さらにバンドギャップが広い材料は、ウルトラワイドバンドギャップ（UWBG）半導体と呼ばれます。GaN（3.4eV）より広いものを指し、酸化ガリウム（β-Ga₂O₃、4.5〜4.9eV）やダイヤモンド（5.47eV）が代表です。酸化ガリウムは融液から安く大きな結晶が育つのが強みで、日本のノベルクリスタルテクノロジーやFLOSFIAが「ポストSiC」を狙って先行しています（Advanced Electronic Materials）。

なかでもダイヤモンドは"究極の半導体"と呼ばれます。バンドギャップ・絶縁破壊電界・熱伝導率のすべてでシリコンを桁違いに上回り、総合性能を示すバリガ性能指数はSiの数千〜数万倍とされるためです。ただし大口径の単結晶ウェハーの量産とn型の制御が難しく、本格実用化は2020年代後半以降です。詳しくは「“究極の半導体”はダイヤモンドだった」で扱っています（Materials）。

「第3世代半導体」は正しい呼び方なのか

「第1世代＝Si、第2世代＝GaAs/InP、第3世代＝SiC/GaN」という呼び方をよく見かけますが、これは公式の業界標準ではありません。もともと中国（第三代半导体）で政策的に広まった通俗的な呼称で、国際的にはワイドバンドギャップ半導体や化合物半導体と呼ぶのが一般的です（全球半导体观察 / Market-Prospects）。

もう一つ誤解しやすいのが、新しい世代が古い世代を「置き換える」というイメージです。実際には、各世代は用途ごとに棲み分けて並存しています。GaAs（第2世代）は光・高周波で、SiC（第3世代）は高耐圧パワーでと、競合せず別々の市場を持ちます。SiCとGaNでさえ、高耐圧と高周波で役割が分かれています（東京エレクトロン TELESCOPE Magazine）。

セラミックは半導体なのか

「セラミック半導体」という言葉は、2つのまったく違う意味で使われます。混同しやすいので、ここで切り分けます。

1つ目は、酸化物セラミックスそのものが半導体として働くものです。代表がIGZO（インジウム・ガリウム・亜鉛の酸化物）で、ディスプレイの駆動回路（薄膜トランジスタ）に使われます。ほかにもZnOバリスタ（過電圧から守る部品）やサーミスタ（温度を測る部品）など、村田製作所やTDKが量産する「半導体セラミックス」の電子部品があります（Nature 432, 488）。

2つ目は、パワーモジュールで使うセラミック基板です。AlN（窒化アルミ）・Al₂O₃（アルミナ）・Si₃N₄（窒化ケイ素）でできており、これは半導体ではなく「絶縁体」です。SiCやGaNのチップの下に敷かれ、熱をよく逃がしながら電気を絶縁する土台として働きます。半導体製造装置の心臓部にもセラミックスが使われており、その世界は「トイレで世界一の会社が、半導体工場の"心臓部品"も握っていた」で扱っています。

なお、よく次世代材料に挙げられるグラフェンは、バンドギャップが0eVの「半金属」で、そのままでは厳密には半導体ではありません。そのため、トランジスタにするには、別の工夫でバンドギャップを作る必要があります（Nanoscale, RSC）。