SiGe(エスアイジーイー)とは | 意味や読み方など丁寧でわかりやすい用語解説

SiGe（シリコンゲルマニウム）とは、半導体材料の一つであり、文字通りシリコン（Si）とゲルマニウム（Ge）を特定の比率で混ぜ合わせて作られた合金半導体のことだ。主に、シリコン単独では実現が難しい、高速かつ高周波の動作が求められる電子デバイスの製造に用いられる。現代の無線通信機器や高速デジタル回路において、その優れた特性から重要な役割を果たしている。

半導体デバイスの基盤材料として、シリコンは現在も最も広く利用されている。シリコンは地球上に豊富に存在し、製造コストが比較的安価であり、安定した酸化膜を形成しやすいという優れた特性を持つため、大規模な集積回路の製造に非常に適している。しかし、すべての用途においてシリコンが最適というわけではない。特に、極めて高い周波数の信号を扱う場合や、非常に高速なデータ処理が求められる場面では、シリコン単独では性能の限界に直面することがある。これは、シリコン中の電子が移動できる速度、つまり電子移動度に物理的な限界があるためだ。電子移動度が低いと、トランジスタなどのデバイスが高速でスイッチングしにくくなり、結果として動作周波数が上がりにくくなる。

そこで登場するのがSiGeだ。ゲルマニウムはシリコンと同じく周期表の同じ族に属する元素であり、シリコンと比較して高い電子移動度を持つという特性がある。このゲルマニウムをシリコンに少量、または特定の比率で添加することで、シリコンの基本的な優れた特性を維持しつつ、ゲルマニウムの持つ高い電子移動度という利点を取り入れることが可能になる。

SiGeの最も重要な特性の一つは、バンドギャップを調整できる点にある。バンドギャップとは、半導体材料中の電子が価電子帯から伝導帯へ移動するために必要なエネルギー差のことだ。このバンドギャップが小さいほど、電子はより少ないエネルギーで動き出し、デバイス内を高速で移動できるようになる。SiGeでは、ゲルマニウムの含有率を調整することで、バンドギャップの大きさを精密に制御できる。これにより、電子の流れを効率的に操作し、トランジスタのスイッチング速度を向上させることが可能になる。

また、SiGeは「ひずみシリコン（strained silicon）」技術と組み合わせることで、さらに性能を高めることができる。シリコンとゲルマニウムは異なる格子定数（原子間の間隔）を持つため、シリコン基板上にゲルマニウムを含むSiGe層を成長させると、SiGe層に圧縮応力がかかり、原子配列にひずみが生じる。このひずみによって、シリコン層やSiGe層中の電子の有効質量が変化し、電子移動度がさらに向上する効果が期待できる。これにより、トランジスタの動作速度が飛躍的に向上し、より高い周波数での動作や、同じ周波数でもより低い消費電力での動作が可能になる。

このような特性を持つSiGeは、主に高周波集積回路（RFIC）やマイクロ波・ミリ波帯のデバイス、高速光通信用デバイスなどで利用される。具体的には、5Gや将来の6G移動通信システムの基地局や端末、Wi-Fiルーター、Bluetoothデバイス、さらには車載レーダーシステムや衛星通信機器などの高周波フロントエンド回路において、SiGe製のトランジスタや増幅器が重要な部品として組み込まれている。これらの用途では、数ギガヘルツ（GHz）から数十GHzといった非常に高い周波数で安定して動作し、かつ低ノイズ・低消費電力であることが求められるため、SiGeの持つ高速・高周波特性が非常に有利に働く。

SiGeのもう一つの大きな利点は、既存のシリコン半導体製造プロセスとの互換性が比較的高いことだ。ガリウムヒ素（GaAs）などの化合物半導体も高周波特性に優れるが、シリコンプロセスとは大きく異なり、製造コストが高い傾向にある。一方、SiGeはシリコンベースの技術と多くの点で共通しており、従来のシリコンファウンドリ（半導体受託製造工場）で製造が可能であるため、高性能化とコスト効率を両立させやすい。これにより、より多くの製品で高性能なSiGeデバイスが採用される土壌が整っている。

しかし、SiGeにも課題がないわけではない。ゲルマニウムの含有率が高くなると、シリコンとの格子不整合が大きくなり、結晶構造の欠陥が生じやすくなる。これを防ぐためには、エピタキシャル成長などの精密な材料成長技術や、特定の構造設計が必要となる。また、一般的にSiGe材料はシリコン単独の材料に比べて材料コストやプロセスが複雑になる傾向もある。

総合すると、SiGeはシリコンの普及性と製造技術の成熟度を背景に、ゲルマニウムの優れた特性を戦略的に取り入れることで、シリコン単独では達成困難な高速・高周波性能を実現した画期的な半導体材料と言える。次世代の通信技術や高速コンピューティングの発展において、SiGeは今後も不可欠な存在であり続けるだろう。