ゲルマニウム (Ge)

発見の経緯

発見: 1886 · Clemens Winkler

ドミトリ・メンデレーエフは、自ら考案した周期表において、既に知られていた元素（ケイ素）とよく似た性質を持つ当時はまだ未発見の元素を "エカケイ素"（Ekasilicon, Es：周期表におけるケイ素のすぐ下の元素という意味）としてその存在を予言した。1885年、ドイツのクレメンス・ヴィンクラーがアージロード鉱という銀鉱石からエカケイ素に当たる新元素を発見した。メンデレーエフが周期表に基づいて予想したエカケイ素の性質とゲルマニウムの性質がよく一致し、メンデレーエフの周期表の完成度の高さを示す好例となった。ゲルマニウムは半導体材料としては比較的融点が低いため、ゾーンメルト法によって半導体として利用できる高純度の単結晶を得ることが比較的容易であったので黎明期の半導体産業で使用された。1947年12月にベル研究所で初めて増幅作用を確認した点接触型トランジスタはGeトランジスタで、それに続いて開発された合金接合型トランジスタもGeトランジスタで1950年代の黎明期の半導体産業を支えた。Geトランジスタは高温に弱く、動作温度範囲の上限が約70℃に制限されるという弱点があったのに対して、シリコントランジスタは高温での安定性が高く、約125℃まで作動したので、高温でも安定して作動するシリコントランジスタが主流になった。そのことにより半導体として使用されるゲルマニウムは主役の座を降りたかに見えたが、近年、シリコントランジスタの高速化の限界が顕在化するにつれてゲルマニウムの高電子移動度が着目され、再び脚光を浴びつつある。また、ゲルマニウム単体だけでなく、シリコンに微量のゲルマニウムを添加したシリコンゲルマニウムとして使用する開発も進みつつある。この場合、従来の微細化プロセスを利用できるので高集積度の半導体素子の製造に適する。界面で二酸化ゲルマニウム(GeO2)の分解が起きることにより一酸化ゲルマニウム(GeO)が発生するためシリコン半導体では製造技術が確立されている「ゲート絶縁膜」をゲルマニウムで作成することが大変難しかったので高集積度のゲルマニウム半導体の量産のボトルネックになっていた。

用途と応用

初期のトランジスタにはゲルマニウムが使われ、安定性に優れるケイ素（シリコン）が登場するまでは主流だった。現在でも、電圧降下が小さいことからダイオードや、バンドギャップが比較的狭いことから光検出器に用いられる。また、ガンマ線の放射線検出器（半導体検出器）にも用いられる。素子を液体窒素などで冷却する必要があるという欠点もあるが、エネルギー分解能に優れることから利用されている。赤外線に対して透明で、赤外域で高い屈折率（約n = 4）を示す材料として有用である。この性質を利用して石英を用いたレンズにゲルマニウムを添加すると屈折率が上がり、また赤外線を透過するようになるので、光学用途にも多用される。鉛フリーはんだに微量添加されることがある。錫の酸化を防ぎ、濡れ性を改善し、ドロスの発生を抑える効果がある。100ppmほど添加される。

同位体

Germanium occurs in five natural isotopes: 70Ge, 72Ge, 73Ge, 74Ge, and 76Ge. Of these, 76Ge is very slightly radioactive, undergoing double beta decay with a half-life of 2.02×1021 years. 74Ge is the most common isotope, having a natural abundance of 36.52% and 76Ge is the least common with a natural abundance of 7.75%. Apart from 76Ge, at least 27 other radioisotopes have been synthesized, ranging in atomic mass from 58 to 89. The most stable of these is 68Ge, decaying by electron capture with a half-life of 270.95 d. This is followed by 71Ge, also decaying by electron capture with half-life 11.468 d, and the rest are all less than two days, most under two hours.