コンピューティング
グラフェン半導体 – やっと登場したのか？
今日、半導体は現代世界を支えている。電子機器の骨格であり、電子業界を大幅に変える発見が行われた。
マイクロチップまたは集積回路（IC）とも呼ばれる半導体は、アルミニウムや銅のような導体とセラミックやガラスのような絶縁体の中間の電気伝導性を持つ材料である。
半導体は光と熱に敏感であり、抵抗が変化する。半導体の抵抗率は温度が上昇すると低下するが、これは金属の挙動とは対照的である。
半導体の例としては、シリコンとゲルマニウムがあり、これらは自然に存在する純元素である。さらに、カドミウムセレン化物やガリウムアーセニドなどの化合物もある。また、不純物を添加することによって純粋な半導体の伝導性や特性を変えることができる。
したがって、半導体は純度に応じて、天然の材料で構成される単一の原子種からなる固有半導体と、装置で使用するために最初にドーピング処理が必要な外在半導体に分類される。固有半導体の変換により、外在半導体の2種類、N型（ドナー）とP型（アクセプター）が生成される。
半導体は、交流を直流に変換するダイオード、増幅器として機能するトランジスター、電子回路の製造に使用される。
半導体を使用することで、フィラメントが不要になるため、電子を放出するために加熱する必要がない。また、半導体は小型で、コンパクトで、携帯性が高く、消費電力が少ない。さらに、半導体は非常に高価ではない。
半導体は私たちの生活の中で不可欠なものであり、テレビ、ラジオ、コンピューター、スマートフォン、自動車、冷蔵庫、ビデオゲームなどが存在しないことになる。半導体は、電気の流れを制御するために小さなスイッチを作成することを可能にし、電気回路を通じて電子機器が機能する。
これにより、半導体はコンピューティング、通信、ヘルスケア、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、さまざまなアプリケーションでの進歩を可能にする、電子機器の重要なコンポーネントとなる。
数十年間にわたる半導体技術の進歩により、これらの電子機器は小型化するだけでなく、高速化、複雑化、互換性の向上、信頼性の向上が実現した。
半導体を扱う企業は、一般的に設計または製造を中心に活動を組織している。設計に焦点を当てた企業は「ファブレス」企業と呼ばれ、製造のみに焦点を当てた企業は「ファウンドリー」と呼ばれ、両方を行う企業は統合デバイスメーカー（IDM）と呼ばれる。
近年、半導体の危機が発生している。2020年の後半、パンデミックとロックダウンにより、電子機器の需要が急増し、世界的にマイクロチップと電子回路の不足が生じた。
オンライン授業、リモートワーク、デジタル化の増加により、電子機器の需要が大幅に増加し、新しい技術的進歩により、AI、VR、5G、大規模データ、クラウドサービスなどの破壊的な技術がさらに状況を悪化させた。
これに対応して、世界中の企業は問題の解決に多大な資源を投入している。
大きな発見：最初の機能的なグラフェン半導体
ガリウムアーセニドは、太陽電池、レーザーダイオード、ミクロ波周波数集積回路で使用される一般的な半導体である。ただし、現在使用されている最も一般的な半導体はシリコンであり、ほとんどの電子回路の製造において重要な役割を果たしている。しかし、この材料は限界に達しており、大量の電力を必要とするため、科学者は代替品を探している。
グラフェンは半導体とはみなされていないが、チップや回路を作成するために使用できる。グラフェンは高伝導性の材料であり、熱を効果的に散散し、電子部品の性能を向上させる。また、シリコンに比べて優れた速度とエネルギー効率を持ち、大量のエネルギーを必要とせずに電子機器を作成することができる。
グラフェンは、厚さ1原子層の六角形に配列された炭素原子で構成される極めて薄い材料であり、グラファイトの基礎となる。最も薄い材料でありながら、非常に強固（鋼鉄の約200倍）で柔軟である。
さらに、グラフェンは熱と電気を優れた伝導性で伝達し、光吸収能力もある。したがって、この材料はセンサー、太陽電池、バッテリーなど、多くのアプリケーションで革命を起こす可能性を持つ。
しかし、グラフェンには問題もある。グラフェンの優れた電気伝導性により、半導体として使用することが難しい。半導体がオン/オフを切り替えるために必要なバンドギャップが存在しない。グラフェンにバンドギャップを導入するために、科学者はグラフェンを特定の形状で製造したり、バンドギャップを持つ他の2D材料を使用したりしているが、実用的な半導体グラフェンを生成することに成功していない。
科学者がグラフェンを扱っている間、ブレークスルーが達成され、最初の機能的なグラフェン半導体が実現した。これにより、コンピューティングと電子機器の世界が永遠に変化することになる。この成果は、グラフェン研究が長年にわたって直面していた障害を克服し、正しい比率でオン/オフを切り替えることができるバンドギャップを実現したことで達成された。
バンドギャップを持つグラフェン半導体は機能的であり、既存の製造プロセスに統合することができる。2024年初頭にNatureに掲載された研究では、ナノエレクトロニクスで使用できる機能的なグラフェン半導体が示されている。
ジョージア工科大学の物理学教授ウォルター・ド・ヒールが率いる研究グループは、中国の天津大学と共同で研究を行った。ド・ヒールは次のように述べた。
「私たちは非常に強固なグラフェン半導体を手に入れました。その移動度はシリコンの10倍で、シリコンにはないユニークな特性も持っています。私たちの仕事の物語は、10年間『この材料を十分に機能させることができるか』というものでした。」
ド・ヒールはキャリアの初期に、炭素ベースの材料を半導体として使用する可能性を探索し、20年以上前に2Dグラフェンに移行した。チームは「グラフェンの3つの特別な特性、つまり非常に強固な材料、非常に大きな電流を扱う能力、そして熱を発生せずにそれを実現する能力」を電子機器に導入したいと考えていた。
ブレークスルーは、チームがシリコンカーバイドウェハー上でグラフェンを成長させる方法を発見したときに達成された。シリコンカーバイドウェハーは電子機器で使用され、エネルギーを効率的に変換する。専用の炉と特別な加熱・冷却プロセスを使用してグラフェンを成長させることで、エピタキシャルグラフェンが生成された。
エピタキシャルグラフェンは、シリコンカーバイドの結晶面上で成長し、適切に製造するとシリコンカーバイドと化学結合し、半導体特性を示す。
機能的なトランジスターを作成するには、チームは材料の特性が損なわれないことを確認する必要があった。ドーピング技術を使用して材料が良導体であることを確認し、材料やその特性を損なうことなく機能した。
シリコンカーバイドウェハーへの移行は、ド・ヒールによると「かなり実行可能」である。研究では、グラフェン半導体の移動度がシリコンよりもはるかに高いことが示されており、電子機器では高速化を意味する。
「グラベル道路を走るのではなく、高速道路を走るのと同じです。より効率的で、熱を発生させずに高速で走行することができます。」とド・ヒールは述べた。
革命的なブレークスルー：将来の電子機器を牽引する
10年間の研究の末、最新の研究では、特殊なシリコンカーバイドチップ上でグラフェンを成長させる方法が発見された。チームは、グラフェンの化学特性を変化させて、半導体として機能するために必要な構造を実現した。
グラフェン電子機器の実現について、ド・ヒールは次のように述べた。
「私たちは材料を扱う方法、改善する方法、特性を測定する方法を学ばなければなりませんでした。そのためには非常に長い時間が必要でした。」
半導体は現在2Dで、ナノエレクトロニクスで使用するために必要なすべての特性を備えている。電気的特性も、現在研究中の他の2D半導体よりもはるかに優れている。専門家は、この発見が電子機器業界を完全に変える可能性があり、シリコンよりもエネルギーを少なく消費する新しい強力なグラフェン半導体を作成することを可能にするという。
「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、新しい電子特性を導入し、グラフェンベースのチップの道を切り開いた」と、北京のサイエンス・アンド・テクノロジー・デイリーは述べた。
グラフェンを使用した電子機器は、オン/オフを切り替えるために必要な電力が少なく、さらに、電子が熱を発生せずに流れるため、さらに多くのエネルギーを使用して冷却する必要がない。つまり、「携帯電話が週間 بدون充電で使用できる、エネルギー消費を減らし、化石燃料からのコストと汚染を削減する」と、マンチェスター大学のグラフェン研究所のサラ・ヘイ教授はインタビューで述べた。
これは、将来、より高度なパーソナルコンピューターと量子コンピューターを動かすチップの道を切り開く可能性がある。
研究者は、このシリコンの代替材料の電子は、光と同様に、量子力学的波動の特性を持ち、非常に低い温度で利用できることを示した。研究者は将来の研究でこれを探求する予定である。
エピタキシャルグラフェンを使用すると、電子が低抵抗で移動するため、テラヘルツ周波数で動作するトランジスターを作成することができる。これにより、シリコンの限界、つまりトランジスターのスイッチング速度、最小サイズ、発熱量の限界を克服することができる。
この新しい材料は、電子の量子力学的波動の特性を利用できるため、電子機器の分野でパラダイムシフトをもたらす可能性がある。量子コンピューティングの要件である特性を利用することができる。これは、次世代のコンピューティングに向けた大きな一歩であり、小型化と高速化された電子機器の開発の道を切り開く。
ド・ヒールは、「グラフェンの能力は、物事を小さく、高速に、熱を発生させずに作ることだけではなく、シリコンではアクセスできない電子の特性を利用することである」と述べた。「パラダイムシフトである。これは電子機器を制作する別の方法である。」
これは、別の世代の電子機器が目前であることを意味する。長い間、シリコンが電子機器のリーダーであり、真空管の後継であり、ワイヤーと電信の後継であったが、グラフェンが次のリーダーとなる。
「私にとって、これはライト兄弟の瞬間です」とド・ヒールは述べた。「彼らは300フィートの距離を飛行する飛行機を造った。懐疑的な人たちは、すでに速い列車や船があるのに、飛行機が必要なのかと尋ねた。しかし、彼らは諦めずに続けた。そうして、海を越えることができる技術の始まりとなった。」
さらに、グラフェン半導体はスケーラブルである。以前は、グラフェンは小規模な半導体としての可能性を示していたが、実用的なコンピュータチップのサイズに拡大することは難しかった。しかし、最新のブレークスルーは、シリコンチップの作成で使用される技術と同様のプロセスを使用しており、従来のマイクロエレクトロニクス処理方法と互換性があるため、スケールアップがより実行可能である。
サリー大学のデビッド・ケアリーは、「ウェハーを使用することは『本当にスケーラブル』」と述べた。また、半導体業界が現在使用している技術を使用して「このプロセスをスケールアップする」ことができる。
しかし、最新のグラフェン半導体が実際に現在の超伝導技術よりも優れているかどうかはまだわかっていない。さらに、世界がグラフェンチップに移行するには、新しい研究が品質、サイズ、製造技術に関する点で洗練される必要がある。これは長い旅であり、グラフェン半導体の産業的実装を完全に実現するには10年以上かかる可能性がある。
