コンピューティング
グラフェン半導体 – ついに登場したのか？
今日、半導体は現代世界に電力を供給しています。半導体は電子機器の背骨であり、ある発見が電子産業を大幅に変革しようとしています。
マイクロチップや集積回路（IC）とも呼ばれる半導体は、アルミニウムや銅などの導体と、セラミックやガラスなどの絶縁体の間の電気伝導性を持つ材料です。
半導体は光や熱に敏感で、抵抗が変化します。半導体の抵抗率は温度が上がると低下し、金属とは逆の挙動を示します。
半導体の例としては、自然界に容易に存在する純粋な元素であるシリコンやゲルマニウムがあります。また、カドミウムセレン化物やガリウムヒ素化物といった化合物もあります。さらに、導電性や特性を変えるために、ドーピングと呼ばれるプロセスで純粋な半導体に微量の不純物を添加します。
純度に応じて、半導体は本質半導体（intrinsic semiconductor）と呼ばれる単一元素からなる自然素材で、デバイスに直接使用できるものと、デバイスで使用する前にドーピングが必要な外部半導体（extrinsic semiconductor）に分類されます。本質半導体を変換すると、N型（ドナー）とP型（アクセプター）の二種類の外部半導体が生まれます。
半導体は、交流を直流に変換するダイオードやトランジスタ、電流増幅器、そしてさまざまな電子機器の製造に不可欠な電子回路に使用されます。
半導体はフィラメントが不要という利点があります。そのため、電子を放出するために加熱する必要がなく、すぐに動作させることができます。また、サイズが小さくコンパクトで携帯性が高く、消費電力も少ないです。さらに、半導体はそれほど高価ではありません。
半導体は私たちの生活に欠かせない存在で、半導体がなければテレビ、ラジオ、コンピュータ、スマートフォン、自動車、冷蔵庫、ビデオゲームは存在しません。半導体は、電流の流れを制御するためにオン・オフできる微小スイッチの作成を可能にし、電気回路を通る電流が電子機器の動作を支えています。
このように、半導体はコンピューティング、通信、医療、輸送、クリーンエネルギー、防衛、家電、ゲームハードウェアなど多くの分野での進歩を可能にする電子機器の不可欠な部品です。
過去数十年にわたる半導体技術の進展により、これらの電子機器は単に小型化されただけでなく、より高速で高度に洗練され、互換性が高く、信頼性も向上しました。
半導体に関わる企業は、主に設計か製造のどちらかに活動を集中させます。設計に特化した企業は「ファブレス」企業と呼ばれ、製造のみを行う企業は「ファウンドリ」と呼ばれ、両方を行う企業は統合デバイスメーカー（IDM）と呼ばれます。
近年、半導体危機が発生しています。2020年後半以降、パンデミックとロックダウンの影響で電子機器の需要が急増し、世界的にマイクロチップや電子回路の不足が生じました。
オンライン授業やリモートワーク、デジタル化の進展により電子機器の需要が大幅に増加した一方で、AI、VR、5G、ビッグデータ、クラウドサービスといった破壊的技術の登場が状況をさらに悪化させました。
この問題に対処するため、世界中の企業が巨額のリソースを投じて解決策の模索に取り組んでいます。
大発見: 初の機能性グラフェン半導体
ガリウムヒ素は太陽電池、レーザーダイオード、マイクロ波周波数の集積回路で使用される人気の半導体です。しかし、現在最も一般的に使用されている半導体はシリコンで、ほとんどの電子回路の製造に重要な役割を果たしています。しかし、この材料は限界に近づいており、大量の電力を必要とするため、科学者は代替素材の探索に取り組んでいます。
もう一つの元素、グラフェンは半導体とは見なされていませんが、チップや回路の製造に利用できます。非常に高い導電性を持ち、熱を効果的に放散するため、電子部品の性能を向上させます。また、シリコンに比べて高速かつエネルギー効率が優れており、大量のエネルギーを必要としないため、電子機器の製造に極めて有益です。
グラフェンは極めて薄い材料で、炭素原子が六角形に配列したわずか1原子層の厚さです。これは黒鉛の基礎となります。人類が知る中で最も薄い材料でありながら、非常に頑丈（鋼の約200倍の強度）で柔軟性もあります。
さらに、この単層の炭素原子は熱と電気の優れた導体であり、興味深い光吸収特性も持っています。そのため、センサー、太陽電池、バッテリーなど多くの応用分野を革命的に変える可能性があります。
しかし、この材料には課題もあります。特に、グラフェンの卓越した電気伝導性は半導体として使用するのを困難にします。そのため、通常は持たないバンドギャップが必要です。バンドギャップを導入するために、研究者は特定の形状にグラフェンを加工したり、固有のバンドギャップを持つ他の2次元材料と組み合わせましたが、実用的な半導体グラフェンの実現には至っていません。
研究者は最近、初の機能性グラフェン半導体を実証するという画期的な成果を上げ、コンピューティングとエレクトロニクスの世界を永遠に変える可能性を示しました。これは、長年グラフェン研究を阻んでいた課題、すなわち適切なバンドギャップを実現し、正しい比率でオン・オフできるようにしたことによるもので、グラフェンチップベースのエレクトロニクスを実現する重要な段階です。
バンドギャップを持つグラフェン半導体は機能的であるだけでなく、既存の製造プロセスにも組み込むことが可能です。2024年最初の週にNatureに掲載されたこの研究は、ナノエレクトロニクスで使用できる機能性グラフェン半導体を示しました。
この研究のために、ジョージア工科大学の物理学教授ウォルター・デ・ヒアは研究チームを率い、中国の天津大学と協力しました。そして彼は次のように語りました。
「我々は現在、シリコンの10倍の搬送度を持つ極めて頑丈なグラフェン半導体を手に入れました。また、シリコンにはない独自の特性も備えています。しかし、過去10年間の我々の取り組みは『この材料を十分に機能させられるか』という問いに向き合ってきました。」
キャリアの初期にデ・ヒアは、炭素系材料を潜在的な半導体として探求し、20年以上前に2次元グラフェンへと転向しました。チームは「グラフェンの3つの特別な特性をエレクトロニクスに導入したい」という希望に駆られていました――極めて頑丈な材料、非常に大電流を扱える能力、そして加熱や破損なしにそれを実現できる点です。
チームは、特殊な炉と特別な加熱・冷却プロセスを用いて、シリコンカーバイドウェーハ上にグラフェンを成長させる方法を解明したときに、この突破口を得ました。シリコンカーバイドは電子デバイスに利用され、エネルギー変換を効率的に行います。
これによりエピタキシャルグラフェンが得られました。これはシリコンと炭素を含む硬い結晶性化合物であるシリコンカーバイドの結晶面上に成長する層で、適切に作られるとシリコンカーバイドと化学的に結合し、半導体特性を示します。
機能的なトランジスタを作るためには、半導体材料をトランジスタとして操作する際にその特性が損なわれないことを確認する必要があります。そのため、チームはまず材料が良好な導体であるかを確認し、ドーピング技術を用いて試みましたが、材料や特性を損なうことなく成功しました。
デ・ヒアによれば、シリコンカーバイドウェーハへの移行は「かなり実現可能」だと言います。研究では、彼らのグラフェン半導体はシリコンよりはるかに高い搬送度を持ち、電子が極めて低い抵抗で移動することが分かりました。エレクトロニクスにおいて、これはより高速な計算を意味します。
「砂利道で走るのと高速道路で走るのとでは違います」とデ・ヒアは言いました。「より効率的で、熱くなりにくく、電子がより高速に移動できるように高速度が可能です。」
未来のエレクトロニクスを牽引する革命的ブレークスルー
10年にわたる研究の末、最新の研究は特殊なシリコンカーバイドチップ上にグラフェンを成長させる方法を解明しました。チームはグラフェンの化学特性を変更し、望ましい構造を実現することで、グラフェンが高品質な半導体として機能できるようにしました。
グラフェンエレクトロニクスの実現について語ると、デ・ヒアは次のように述べました。
「材料の扱い方、徐々に改善する方法、そして最終的に特性を測定する方法を学ばなければなりませんでした。それには非常に長い時間がかかりました。」
現在、この半導体は2次元（2D）であり、ナノエレクトロニクスに使用できるすべての必要な特性を備えています。その電気的特性は、現在研究中の他の2次元半導体よりもはるかに優れています。専門家は、この発見がシリコンよりも少ないエネルギーで動作する新しく強力なグラフェン半導体の創出を可能にし、エレクトロニクス業界の姿を根本的に変えると考えています。
「この研究はグラフェンの驚異的な安定性を維持しただけでなく、新たな電子特性を導入し、グラフェンベースのチップへの道を切り開きました」と北京拠点の『Science and Technology Daily』は述べました。
グラフェンをベースとしたエレクトロニクスは、オン・オフに必要な電力が少なく、さらに電子が熱を発生させずに流れるため、余分な冷却エネルギーも不要となり、はるかに効率的です。これにより、イギリス・マンチェスター大学のナショナル・グラフェン・インスティテュートの材料学教授サラ・ヘイはインタビューで「電話は数週間バッテリー切れになることなく使用でき、生活全般のエネルギー消費が削減され、コストと化石燃料による汚染が減少する」と述べました。
これは将来的に、より高度なパーソナルコンピュータや量子コンピュータに電力を供給するチップへの道を開く可能性があります。
研究者は、シリコン代替材料中の電子は光と同様に量子力学的波の性質を持ち、極低温でも有効に利用できると指摘しました。研究者は今後の研究でこれを探求する意向です。
エピタキシャルグラフェンは電子の抵抗を低減させるため、この方法で作られたトランジスタはテラヘルツ帯域で動作可能です。これにより、シリコンの限界であるトランジスタのスイッチング速度、最小サイズ、発熱といった課題を克服できます。
このように、新素材はエレクトロニクス分野でパラダイムシフトを引き起こし、量子コンピューティングに必要な電子の量子力学的波動特性を活用できるようになります。次世代コンピューティングへの大きな一歩であり、より小型で高速なエレクトロニクスの構築への道を開くでしょう。
デ・ヒアが指摘したように、グラフェンは「ものを小型化し、速度を上げ、熱放散を減らす」だけでなく、「シリコンでは利用できない電子の特性」を活用し、「パラダイムシフト—エレクトロニクスの新たなやり方」を提示しています。
これは、次世代のエレクトロニクスがすぐにでも実現することを意味します。長らくシリコンがエレクトロニクスをリードしてきましたが、シリコンは真空管、真空管は電線や電報に続くステップでした。そして次はグラフェンがその道を切り開くでしょう。
「私にとってこれはライト兄弟の瞬間のようなものです」とデ・ヒアは言いました。「彼らは空中で300フィート飛行できる飛行機を作りましたが、批評家はすでに高速列車や船があるのに飛行が必要かと問いかけました。しかし彼らは粘り強く取り組み、これは人々を海を越えて運ぶ技術の始まりとなったのです。」
さらに、スケールアップが可能です。以前はグラフェンは半導体として有望でしたが、規模は小さなものに限られていました。実用的なコンピュータチップサイズへグラフェン半導体を拡大することは課題でしたが、最新のブレークスルーはシリコンチップ製造に用いられる技術に類似したプロセスを使用し、従来のマイクロエレクトロニクス加工方法と互換性があるため、拡大がより実現しやすくなっています。
この研究ではウェーハが使用され、英国サリー大学のデイビッド・ケアリーによれば「本当に、実際にスケーラブル」だとされています。また、現在半導体業界で使用されている技術は「このプロセスを拡大する」ことに利用できると述べています。
とはいえ、最新のグラフェン半導体が現在の超伝導技術よりも実際に性能が上回るかはまだ不明です。さらに、世界がグラフェンチップへ移行するには、品質、サイズ、製造技術に関する新たな研究が洗練される必要があります。これは長い道のりであり、グラフェン半導体の産業実装が完全に実現するまでには10年以上かかる可能性があります。
