ケイ素
ケイ素(けいそ、珪素、硅素、英: silicon、羅: silicium)は、原子番号14の元素である。元素記号はSi。原子量は28.1。「シリコン」とも呼ばれる。
集積回路に使用する半導体素子用の超高純度のケイ素(純度11N以上)は、上記の高純度シリコンから、さらにFZ(フローティングゾーン)法のゾーンメルティングやCz(チョクラルスキー)法の単結晶成長法による析出工程を経ることで製造される。
ゾーンメルト法では、結晶中の不純物が融解帯に掃き出されて濃縮する過程を繰り返すことで、高純度のケイ素を得る。Cz法においては偏析を利用して高純度化するため、原料であるポリシリコン(多結晶珪素)には、非常に純度の高いものが要求される。半導体に利用するには基本的に結晶欠陥(転位)のない単結晶が必要とされ、FZ法(フローティングゾーン)においてもCz法(チョクラルスキー)においても単結晶を回転させながらいったん細くし、転位を外に追い出した段階で結晶の径を大きくすることにより、所定の大きさの結晶を得る。FZ法は大口径化に向かないため、産業用に使用されているシリコンウェーハの大部分はCz法によって製造されている。現在製品化されているシリコンウェーハの径は直径300 mmまでである。なお、半導体メーカー数社によるコンソーシアム「G450C」による直径450 mmのシリコンウェハーの開発が現在検討中である。
常温・常圧で安定な結晶構造はダイヤモンド構造。比重2.33、融点1410 °C(1420 °C)、沸点 2600 °C(ほかに2355 °C、3280 °Cという実験値あり)。ダイヤモンド構造のケイ素は、1.12 eVのバンドギャップ(実験値)をもつ半導体である。これは非金属であるが、圧力(静水圧)を加えると、βスズ構造に構造相転移する。このβスズ構造のケイ素は金属である。更にケイ素には、シリセンという、ケイ素原子が環状に6個結びついた同素体がある。周期表において、すぐ上の元素は炭素だが、その常温常圧での安定相であるグラファイト構造は、ケイ素においては安定な構造として存在できない。