コンピューティング
有機半導体はグラフェンとシリコンの利点を組み合わせられるか？
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グラフェンの半導体における見逃された可能性
Graphene has long been considered a miracle material, with exceptional characteristics that may play a role in next-gen semiconductors. Its perception as a miracle material is multipronged due to its physical characteristics, as it is 200x stronger than steel, and its electron mobility is 140x faster in graphene than in silicon.
当初、グラフェンを研究していた研究者は、シリコンの代わりになると考えていました。しかし、残念ながら「バンドギャップ」と呼ばれる重要な電子特性が欠けています。
バンドギャップは、材料が金属（電気を導く）、絶縁体（電気を遮断する）、または半導体（導通と絶縁を切り替えられる）として分類されるかを決定するものです。
出典： Energy Education
問題は、グラフェンにはバンドギャップが全く存在しないため、半導体として使用できないことです。
しかし、別の材料はグラフェンと同等の電子移動度を持ちつつ、半導体に適したバンドギャップを示す可能性があります。その材料は有機ポリマーと呼ばれます。
有機半導体の構築
グラフェンが高い導電性を持つ理由は、次の二つの要因です:
- 本質的に2次元材料であり、炭素原子の完全に平坦な単原子層を形成しています。
- 炭素の六角形間の電子は、芳香族炭化水素と呼ばれる原子構造間をほぼ自由に流れることができます。
出典： Britannica
芳香族炭化水素は自然界で実際に非常に一般的ですが、グラフェンの2次元層ははるかに稀です。しかし、多くの有機材料はグラフェンに欠けているバンドギャップを示す可能性を持っています。
韓国・浦項工科大学（POSTECH）の金文（Kimoon Kim）教授、沈智勲（Ji Hoon Shim）教授、金俊成（Jun Sung Kim）教授、そして李永相（Yeongsang Lee）博士は、普通の有機材料をグラフェンに似たものに変える方法を模索しました。
出典： POSTECH
有機ポリマーを2次元にする
有機ポリマーがグラフェンのように機能しない理由は、重合過程で層間スタッキングがポリマーの成長を阻害するためです。
研究者らは、単量体の付着を阻止する化学基（立体障害）を付加することで、二次元ポリマー中間体のスタッキングを抑制できることを発見しました。使用された有機ポリマーはトリアザコロネンです。
出典： POSTECH
その後、ポリマー合成にp型ドーピングという工程を加えました。これは半導体の製造で一般的に使用され、半導体材料に元素を添加して導電性をさらに高めることを指します。
出典： Wikipedia by
研究者らは、得られた材料は「卓越した電気伝導性」を持つと述べています。
有機半導体の巨大な可能性
この成果は、有機半導体の電子移動度が低すぎるという課題を解決します。
また、分子レベルで電子と正孔の伝導経路を制御しやすくなり、この材料でトランジスタやコンピューティングチップを作るために必要なステップとなります。
また、グラフェンにバンドギャップを「付与」できる可能性もあり、これは当記事「Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?」でさらに詳しく検討しています。
グラフェン半導体とグラフェンに似た特性を持つ有機半導体の両方には、多くの潜在的な応用が考えられます。
もちろん、これは半導体に基づくコンピューティングを続ける場合に限ります。フォトニクスについては「Advancing Semiconductors – Could ‘Donut’ Beams to ‘Lego’ Blocks Be Set to Upend Industry Approaches?」で、量子コンピューティングについては「The Current State of Quantum Computing 」で議論されています。
半導体
シリコンは物理的特性により限界に近づいていますが、グラフェンに似た導電性により有機半導体はムーアの法則を維持するための実用的な代替材料となり得ます。高速な電子は高速な計算に直結します。
これにより、有機材料は改良されたグラフェンや、バナジウム酸化物のような絶縁体から金属への転移（IMT）と共に、シリコン置換候補に加わります（これらの半導体技術の進展については「Keeping Pace with Moore’s Law with Active Substrates And Neuromorphic Computing」をご覧ください）。
バッテリー
有機材料で金属を置き換えることを検討している別の産業は、電気自動車と再生エネルギーのブームにより需要が高まっているバッテリー産業です。
有機材料がグラフェンに似た特性を示すことができれば、グラフェンバッテリーの選択肢となり得ます。これは多くの可能な電気自動車用バッテリー化学の一つであり、当記事「The Future of Mobility – Battery Tech」で取り上げました。
半導体企業
1. IBM
IBM 価格チャート
コンピューティング、半導体、チップ設計の歴史的パイオニアであるInternational Business Machines Corporation (IBM ) （IBM）は、コンピューティングと半導体産業の最先端イノベーションの多くに関わってきました。
これには、本記事で取り上げた導電性有機材料だけでなく、ニューロモルフィックコンピューティング、量子コンピューティング、フォトニクスなどが含まれます。
インテルと共に、IBMは新しいコンピューティング技術の開発に最も積極的に取り組む企業の一つで、シリコン以外のコンピューティングとその過去の成功を再現しようとしています。
これにより、IBMは膨大な研究開発予算と研究パートナーのネットワークを活用し、グラフェンに似た有機半導体といった発見を活用できる有利な立場にあります。
2. ON Semiconductor Corporation
ON 価格チャート
ON Semiは半導体企業で、電動化を専門としており、自動車だけでなく、太陽エネルギー、バッテリー、航空宇宙、通信、データセンター、医療などの分野も対象としています。そのため、世界最大級の産業企業の多くにとって重要なパートナーです。
出典： ON Semi
ON Semiの技術的優位性の大きな要因は、シリコンカーバイドに基づいています。これは高エネルギー電力システムに使用されるシリコンと炭素の化合物です。特に、電気自動車の高速充電に必要な非常に高い電力負荷を可能にします。
シリコンカーバイドは、研究者が最近半導体性グラフェンを開発する際に使用した化学物質であり、当記事「Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?」で取り上げました。
シリコンカーバイドに注力するON Semiの戦略は、近年のEV革命に支えられ、同社の収益が急増する結果となりました。
シリコンカーバイドおよび炭素を使用した半導体全般におけるON Semiの専門知識は、グラフェンまたは有機材料に基づく半導体の産業化において貴重です。
その間、ますます強力で効率的なバッテリーや電気システムの需要が高まる中、シリコンカーバイドは世界のサプライチェーンでますます重要になっています。この分野のリーダーとして、ON Semiは特にEVにおける電動化の潮流から大きな恩恵を受けるでしょう。
最後に、有機半導体がバッテリー技術に応用される可能性がある場合、ON Semiのこの分野での強固な存在感は、同社がこの技術を導入できる最初の企業の一つになることを助ける可能性があります。
