ダイヤモンドと半導体。

一見すると、まったく関係のなさそうな組み合わせです。

実は両者に共通するものがあります。それは、「単結晶」という化学構造です。

想像してみてください。レゴブロックを積み上げて、大きな建物を作るとき、ブロックを規則正しく並べますよね。これと同じように、物質を構成する小さな粒子が規則正しく並んでいるものが「結晶」です。

この“規則正しさ”が、ダイヤモンドの美しい輝きや、半導体の性能を大きく左右するのです。

いったい、単結晶とは何なのでしょうか？

そこで本記事では、単結晶の定義、特徴、そして私たちの生活への応用について、半導体工学の見地から解説します。

単結晶と多結晶の違いは？

そもそも結晶とは、原子や分子が規則正しく3次元的に配列している固体のことを指します。結晶のなかでも「単結晶」と「多結晶」という区別が存在しますが、違いは一体なんなのでしょうか。

①単結晶

単結晶は、まるで積み木を規則正しく積み重ねたように、原子が３次元に渡って一定の周期で配列している状態です。

特徴	高い純度均一な性質異方性（結晶の向きによって性質が異なる）
例	ダイヤモンド、シリコン単結晶、ルビーなど
用途	半導体、宝石、時計の部品など

②多結晶

多結晶は、複数の小さな単結晶（結晶粒）が結合してできたものです。各結晶粒の向きはバラバラですが、それぞれの結晶粒の中では原子が規則正しく配列しています。

特徴	単結晶に比べて純度がやや低い異方性が少ない製造が容易
例	金属、セラミックス
用途	金属材料、建材、電子部品など

単結晶と多結晶の活用事例

①半導体

半導体は、導体と絶縁体の間の電気伝導率を持つ物質です。現代の電子機器の心臓部ともいえる存在といっても過言ではないでしょう。

そんな半導体では、主として「シリコン単結晶」が採用されています。

純度の高いシリコンを単結晶化し、その上に回路パターンを形成することで、トランジスタや集積回路（IC）が作られているのです。シリコン単結晶の規則正しい原子配列が、半導体の安定した動作を保証します。

シリコン単結晶は、コンピュータ、スマートフォン、テレビなど、あらゆる電子機器の基盤となっています。

②宝石

宝石の多くは、天然の結晶です。

ダイヤモンド	炭素原子が規則正しく配列した最も硬い物質の一つです。その透明度と輝きから、宝石として珍重されています。
ルビー、サファイア	コランダムという鉱物の結晶で、不純物によって赤色や青色に色づきます。
エメラルド	ベリルという鉱物の結晶で、クロムイオンを含むことで緑色になります。

③セラミックス

セラミックスは、金属酸化物、窒化物、炭化物などを主成分とする無機材料の総称です。

磁器: 粘土を高温で焼成して作られます。電子レンジや食器など、様々な製品に使われています。

セラミック製刃物: 硬度が高く、切れ味が長持ちするため、包丁などに使われます。

エンジンのセラミック部品: 耐熱性、耐摩耗性に優れているため、エンジンの部品として利用されます。

④太陽光パネル

あなたもよく知っている、太陽光発電。ソーラーパネルも半導体が使われているため、単結晶と多結晶の特性が性能を大きく左右しています。

単結晶シリコンは、高い発電効率と耐久性を持つため、高性能な太陽光パネルに利用されます。

一方、多結晶シリコンは、製造コストが低いため、大規模な太陽光発電システムに適しています。

太陽光発電に用いられるシリコンは、主に単結晶シリコンと多結晶シリコンの2種類があります。それぞれに特徴があり、用途によって使い分けられています。

単結晶シリコンのソーラーパネル

特徴	原子配列が規則正しく、純度が高い高い発電効率高温環境下でも安定した性能
メリット	発電効率が高いため、少ないパネルでより多くの電力を得られる長寿命
デメリット	製造コストが高い欠陥ができやすい
用途例	高効率な発電が求められる住宅用太陽光発電システム商業施設や工場などの大規模太陽光発電システム

多結晶シリコンのソーラーパネル

特徴	複数の小さな単結晶が集まっており、単結晶に比べて純度がやや低い製造コストが低い
メリット	製造コストが低いため、大規模な太陽光発電システムに適している
デメリット	単結晶に比べて発電効率がやや低い高温環境下では性能が低下しやすい
用途例	大規模な太陽光発電システム

なぜ単結晶シリコンが半導体に使われるのか

半導体の材料として、単結晶シリコンが広く用いられているのには、その特異な性質が大きく関わっています。

高い純度

単結晶シリコンは、不純物が極めて少なく、純度が高いことが特徴です。この高い純度が、半導体の電気的な特性を安定させ、精密な回路設計を可能にします。

均一な特性

単結晶は、結晶全体で原子配列が完全に揃っているため、電気的な特性が均一です。この均一性が、大規模な集積回路の製造に不可欠です。

高い移動性

電子や正孔が結晶内を自由に動き回ることができるため、素子の動作速度を向上させることができます。

結晶欠陥の少なさ

結晶欠陥は、半導体の性能を低下させる原因となりますが、単結晶は結晶欠陥が少なく、安定した動作が期待できます。

規則的な原子配列

シリコン原子が規則正しく配列しているため、電子の動きを制御しやすくなっています。

バンドギャップ

シリコンは、導体と絶縁体の間のちょうど良いエネルギーギャップ（バンドギャップ）を持っており、電流を適切に流すことができます。

酸化膜の形成

シリコンは、酸化しやすい性質があり、酸化膜を形成することで、トランジスタなどの素子の絶縁層として利用できます。

加工性の高さ

シリコンは、高温でも安定しており、様々な加工が可能です。

まとめ

単結晶は、その規則正しい原子配列により、高い純度と均一な特性を持つため、半導体や宝石など、私たちの生活を支える様々な分野で利用されています。

特に、半導体分野では、単結晶シリコンが、コンピュータやスマートフォンなどの基盤となる重要な役割を担っています。

今後も、単結晶の研究は進み、私たちの生活をより豊かにする新たな技術を生み出すことが期待されます。

【参考】

「【半導体工学】固体の結晶の種類と結晶構造 (単結晶・多結晶・アモルファス)」（enggy）

「太陽光パネルの単結晶・多結晶の違いは？特徴や価格、発電効率を比較」（Earthcom）

「単結晶とは？単結晶と多結晶の違いやソーラーパネルにおける特徴・発電効率を解説」（ものづくりドットコム）