蒸着ペロブスカイトが次世代半導体を駆動

エレクトロニクスは、通信やエンターテインメントだけでなく、教育、医療、交通、製造、コンピューティング、そしてセキュリティに至るまで、現代社会に大きな影響を与えてきました。

電気デバイスの重要な構成要素は半導体、すなわちチップです。半導体は絶縁体と導体の両方の特性を部分的に持つ材料で、搭載される電子部品の特定の要件に合わせて調整できます。その機能は信号増幅、スイッチング、エネルギー変換などです。

半導体業界は、より小型で高速、かつ低コストな製品の開発に注力しており、これらの目標を達成し次世代電子デバイスを前進させるために新素材の探索を絶えず行っています。

非毒性スズ（Sn）ベースのペロブスカイトを半導体に活用する探求

新興半導体の中でも、金属ハロゲン化物ペロブスカイトは、優れた電荷輸送特性と低温での大面積デポジションが可能な低コストという点で注目を集めています。

金属ハロゲン化物は、金属元素とハロゲン元素が結合してできる化合物です。例としては食塩である塩化ナトリウムや、原子力発電所で燃料として使用される六フッ化ウランがあります。

ペロブスカイトは ABO3 の結晶構造を持つ材料群です。ここで A は希土類元素、B は遷移金属です。これらの材料は、600〜900℃の高温で酢酸塩、硝酸塩、炭酸塩を熱分解することで生成されます。

金属ハロゲン化物ペロブスカイトの中でも、独自の結晶構造を持つ非毒性スズ（Sn）ベースの候補が有望視されています。スズ系半導体は低毒性で生体適合性があるため、エネルギー分野での利用に非常に適しています。

研究¹は、アイオワ州立大学の研究者らがスズベースのカルコハロゲン化物に注目し、複数用途の半導体として探索しています。これらは優れた光電特性を有し、固有の高安定性と高い変換効率を示します。

この研究は、マルチナリースズカルコハロゲン化物半導体の開発に焦点を当て、溶液相法という多用途な手法を用いて、光電子応用向けの無鉛代替材料として取り組みました。結果、スズカルコハロゲン化物はハロゲン化物ペロブスカイトに比べ、常温下での水安定性が顕著であり、長時間にわたる熱耐性も優れていることが確認されました。この成果は、より安定で生体適合性の高い半導体とデバイスの設計に貢献することを目的としています。

高速・高効率を実現するハイパフォーマンス P チャネル TFT

非毒性スズ（Sn）ベースの cTin（Sn2+）ハロゲン化物ペロブスカイト、例えばセシウムスズトリヨウ化物（CsSnI3）、ホルムアミジニウムスズトリヨウ化物（FASnI3）、メチルアンモニウムスズトリヨウ化物（MASnI3）は、高性能 P チャネル薄膜トランジスタ（TFT）の開発に有望です。

TFT は液晶ディスプレイ（LCD）で最も一般的に使用されており、スマートフォン、タブレット、ノートパソコン、デスクトップ、HD テレビなどのフラットパネルディスプレイの駆動力となっています。

デバイスを使用する際、数千もの微小部品、すなわちトランジスタが裏で絶え間なく動作し、電流を制御して画像を表示し、スムーズな動作を保証しています。

トランジスタは n 型（電子輸送）と p 型（正孔輸送）に分類されます。n 型デバイスは一般に優れた性能を示しますが、高速計算を低消費電力で実現するためには、p 型トランジスタも同等の効率を達成する必要があります。

したがって、注目すべきは高性能な p チャネル薄膜トランジスタです。TFT を製造する際は、通常、シリコンや金属酸化物などの半導体と、無機材料が主となる誘電層を、ガラスやプラスチックといった絶縁基板上に堆積させます。

ペロブスカイトを薄膜トランジスタのチャネル層（すなわち半導体材料）として使用する場合、極端な正孔濃度を調整する必要があります。また、散乱時間を延長するために結晶化プロセスを制御する必要があります。

Sn2+ ハロゲン化物ペロブスカイト前駆体の核生成と結晶化を調整するために、組成エンジニアリング手法が用いられます。これにより、TFT は低温多結晶デバイスと同等の高い正孔電界効果移動度を実現でき、太陽光光伏やエレクトロニクス産業で主に使用されています。

Sn2+ ハロゲン化物ペロブスカイト薄膜の主な堆積技術は溶液プロセスで、紙にインクを染み込ませるようなものです。この手法は、コスト効果的に迅速な最適化試験を可能にします。

実験室での急速な進展と、将来的な低コスト・高スループット製造の見通しが、ハロゲン化物ペロブスカイト材料の光電子応用に関する研究が主に溶液ベースの堆積法に焦点を当てている理由です。

しかし、実際の産業現場では全く異なります。これは、実験室での手法を産業環境へ移行することが困難であるためです。産業用光電子製造ラインに導入した場合、最も経験豊富な技術者でさえ、この方法で十分な生産収率と再現性を確保するのに苦労します。

したがって、溶液処理された Sn2+ ハロゲン化物ペロブスカイトは、商用の低温ポリシリコン技術と同等の性能を持つ p チャネル TFT に適していますが、品質の一貫性だけでなく、スケーラビリティと商業化にも課題があります。これは、既存のフラットパネルディスプレイや半導体デバイスの製造プロセスとの適合性が低いためです。

蒸着ベースの堆積技術が主導

蒸着は、薄膜トランジスタ（TFT）を製造するための溶液ベース技術の代替手段として浮上しています。

実際、蒸着はシンプルさ、卓越した精度、優れた膜品質、そして従来の生産プロセスとの互換性により、商業化された薄膜エレクトロニクスの主要技術となっています。

薄膜の厚さと形態はデバイス性能に重大な影響を与え、蒸着はそれらを精密に操作することが可能です。

物理蒸着（PVD）と化学蒸着（CVD）は、膜の厚さ、組成、特性を優れた制御下に置くことができます。

溶液ベース技術の制限により、蒸着ベースの堆積技術は実際の産業環境、特に光伏製造で最も一般的に使用されています。例として、主要な太陽光エネルギーソリューションプロバイダーであるFirst Solar (FSLR )は、蒸着プロセスでカドミウムテルル太陽電池を製造しています。別の例として、Heliatek GmbHは熱蒸着を用いて商業用有機光伏を製造しています。

しかし、もちろん蒸着ベースの堆積技術にも課題があります。これには高コスト、プロセスの複雑さ、スループットの制限、基板のサイズや形状に対する制約が含まれます。

昨年の研究新しい手法を紹介²は、連続フラッシュ昇華（CFS）という新手法を用いて、蒸着による高品質無機ハロゲン化物ペロブスカイト膜の課題を克服しました。

CFS 技術により、迅速かつ連続的な堆積が可能となり、製造時間が短縮され、膜の均一性が向上しました。これは、ペロブスカイトベースデバイスのスケーラブルな製造にとって重要です。

研究結果によれば、CFS で作製した膜を実用的な太陽電池に使用した場合、溶液堆積膜と同等の性能を示すだけでなく、従来報告された蒸着全無機ペロブスカイトデバイスを上回る性能を示しました。

研究は 15% の光変換効率を報告しており、「無機ハロゲン化物ペロブスカイト吸収層を用いた最も効率的な蒸着加工太陽電池」と評価され、蒸着ペロブスカイト太陽電池の課題である長時間プロセスと連続堆積の欠如を解決し、産業規模への迅速な適用を阻む要因を克服しました。

蒸着 CsSnI3 層で半導体を革新

蒸着による結晶化プロセスは、溶液処理の高速イオン反応とは対照的に、ゆっくりとした固体反応を伴います。

このため、蒸着で適切な正孔密度を持つ高品質・高移動度の Sn2+ ペロブスカイトチャネルを実現することは課題となります。

この制限を克服すべく、POSTECH（浦項工科大学）化学工学科の Dr. Youjin Reo と Prof. Yong-Young Noh のチームが画期的な技術を開発しました。

チームは、無機セシウムスズヨウ化物（CsSnI3）を用いた熱蒸着アプローチを活用し、次世代ディスプレイや電子デバイスを変革する可能性を示す p チャネル Sn2+ ハロゲン化物ペロブスカイト TFT を製造しました。

この研究は、Nature Electronics に掲載されました³、韓国政府、中国国家自然科学基金、サムスンディスプレイ株式会社の支援を受けています。

チームは、半導体チップや OLED テレビの製造に広く用いられる熱蒸着を成功裏に適用し、高品質な CsSnI3 半導体層を作製しました。

この方法では、材料を高温で蒸発させ、基板上に薄膜を形成します。

無機 CsSnI3 ベースの p チャネル TFT の蒸着に加えて、チームは塩化鉛（PbCl2）を添加剤として使用しました。少量の PbCl2 を加えるだけで、ペロブスカイト薄膜の均一性と結晶性が向上しました。

揮発性塩化物は反応開始剤として機能し、蒸着されたペロブスカイト化合物の固体反応を促進し、完全なペロブスカイト相形成へと導きました。その結果、階層的に密に詰まった拡大粒子が形成されました。

一貫した高品質ペロブスカイト膜の形成を促進するだけでなく、正孔密度を調整し、チャネル層としての使用に適合させました。

最適化された TFT（CsSnI3:PbCl2 TFT）は、長期保存安定性（150 日以上）と優れた性能を示し、正孔移動度が 33.8 cm² V⁻¹ s⁻¹ を超え、オン/オフ電流比（Ion/Ioff）が 10⁸ を上回りました。この性能は、現在商用化されている n 型酸化物半導体と同等で、信号処理の高速化とスイッチング時の低消費電力を示唆します。

さらに、チームは大規模で均一な Sn2+ ハロゲン化物ペロブスカイト TFT アレイを製造しました。この成果とデバイス安定性の向上により、POSTECH と UESTC の共同研究は、溶液ベース手法の主要な技術的制限を効果的に克服しました。

特に、OLED ディスプレイ製造で使用される既存の製造ツールと互換性があるため、コスト削減と製造プロセスの効率化に大きな可能性を提供します。

研究によれば、蒸着 TFT は有機発光ダイオード（OLED）ディスプレイのバックプレーンや、低プロセス温度が必要なモノリシック 3D 統合用ロジックデバイスや回路に使用できる可能性があります。

「この技術は、300 °C 未満の低加工温度で、スマートフォン、テレビ、垂直積層回路、さらにはウェアラブルエレクトロニクスにおける超薄型・柔軟・高解像度ディスプレイの商業化に向けたエキサイティングな可能性を開きます。」

– Professor Yong-Young Noh

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半導体への投資

半導体業界において、Intel (INTC ) は最大手の一つであり、先進的なチップ技術の開発に多額の投資を行っています。業界がより小型で効率的なトランジスタへとシフトする中、蒸着ペロブスカイトのようなイノベーションは、特定の用途でシリコンの代替を模索する Intel にとって関心の的です。

さらに、Intel は新素材をチップ設計に統合し、性能と全体的なチップアーキテクチャを向上させる取り組みを常に行っています。

Intel Corporation (INTC )

同社は 3 つのセグメントで事業を展開しています。Intel Products には Network and Edge (NEX)、Data Center and AI (DCAI)、Client Computing Group (CCG) が含まれ、Intel Foundry も別セグメントです。All Other セグメントは Altera、Mobileye などをカバーしています。

米国最大のチップメーカーは Dell、Lenovo、HP といった主要 PC メーカーを顧客に持ち、米国防総省向けの最先端チップも製造しています。さらに、Microsoft (MSFT ) 、Cisco、SAP、Amazon などともパートナーシップを結んでいます。

Intel の時価総額は 912.3 億ドルで、株価は現在 20.93 ドル（年初来 4.6% 上昇）です。EPS（TTM）は -4.48、P/E（TTM）は -4.68 で、配当利回りはありません。

INTC の業績は今年に入ってプラスに転じましたが、株価は 2021 年の最高値約 67.5 ドルからまだ遠く離れています。2023 年は Intel 株にとって好調でしたが、昨年は 19 ドルを下回り、今年は関税や潜在的な貿易戦争による不確実性が広範な株式市場に影響を与えています。

「現在のマクロ環境は業界全体に高い不確実性をもたらしています」と CFO デビッド・ジンスナーは述べました。アナリストとの電話会議で同社は「規律ある慎重なアプローチ」を取っているとし、ジンスナーは貿易政策と規制リスクが「景気後退の確率を高め、経済減速の可能性を増大させている」と指摘しました。

しかし、トランプ政権が米国のチップ輸出規制である『AI ディフュージョン ルール』を撤回しようとしているという前向きなニュースも見られます。これは、バイデン政権が課した半導体メーカーへの制限を解除し、5 月 15 日に施行予定の規制を終わらせるものです。

このルールでは、国が 3 つの階層に分類され、Intel や Nvidia (NVDA ) のような先進 AI チップがライセンスなしで輸出できるかどうかが制限されています。

「バイデン AI ルールは過度に複雑で官僚的であり、米国のイノベーションを阻害します。我々は、米国のイノベーションを解き放ち、米国の AI 支配を確保するはるかにシンプルなルールに置き換えるつもりです。」

– Department of Commerce spokesperson

Intel の財務面では、2025 年第1四半期は前年同期比で横ばいで、売上高は 127 億ドル、1 株当たり損失（EPS）は -0.19 ドル、非 GAAP EPS は 0.13 ドルでした。2024 年通年の売上高は 531 億ドルで、前年同期比 2% 減少、EPS は -4.38 ドル、非 GAAP EPS は -0.13 ドルでした。

減速は次四半期も続くと予想され、Intel は 112 億ドルから 124 億ドルの売上高を見込んでいます。しかし、同社は新 CEO リップ・ブ・タンの下で来年の費用削減計画を発表しました。2025 年の営業費用は 170 億ドル、2026 年は 160 億ドルを見込んでいます。

「第1四半期は正しい方向への一歩でしたが、市場シェアを取り戻し持続可能な成長を推進するための迅速な解決策はありません」とタンは述べ、数百社の中国テック企業に投資しています。彼の下で、同社は「実行力と運用効率を高め、エンジニアが優れた製品を創出できるようにする」ために迅速な行動を取っています。

したがって、Intel は困難な時期を明確に乗り越えようとしています。売上減少と市場パフォーマンスの不振に加え、シェア喪失やファウンドリ事業への投資がまだ大きな成果を上げていないこと、そして新製品の立ち上げで実行失敗が続いたことが課題です。

しかし、新体制下での積極的な再編は、レイオフやスピンオフ、ファウンドリ事業の TSMC への一部売却の噂、そして Microsoft の支援を受け、Nvidia と Google も注目している Intel 18A のリーダーシップ回復の可能性と相まって、Intel が意味のある復活を遂げる手助けとなるでしょう。ただし、実行が鍵となります。

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結論

半導体は現代エレクトロニクスの基盤です。より安価で高速、かつ小型のデバイスへの需要が高まる中、材料イノベーションの重要性はかつてないほど高まっています。

このような背景の中、最新の研究で達成された画期的な成果は、従来の薄膜トランジスタ技術を大きく変革する可能性を示しています。蒸着 Sn2+ ハロゲン化物ペロブスカイト TFT の進歩は、熱安定性と既存の OLED 製造方法との相性を向上させ、フレキシブルかつ 3D エレクトロニクスへのペロブスカイトベース半導体統合の有望な未来を示しています。

このような継続的なイノベーションを通じて、私たちは極めてコンパクトでエネルギー効率が高く、柔軟なスマートデバイスの未来へと前進しています。

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参照文献：

1. Roth, A. N., Porter, A. P., Horger, S., Ochoa-Romero, K., Guirado, G., Rossini, A. J., & Vela, J. (2024). 無鉛半導体：マルチナリースズカルコハロゲン化物の相変化と優れた安定性. Chemistry of Materials, 36(9), 4542–4552. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.4c00209

2. Abzieher, T., Muzzillo, C. P., Mirzokarimov, M., Lahti, G., Kau, W. F., Kroupa, D. M., Cira, S. G., Hillhouse, H. W., Kirmani, A. R., Schall, J., Kern, D., Luther, J. M., & Moore, D. T. (2024). 無機ハロゲン化物ペロブスカイトの連続フラッシュ昇華：蒸着の速度と連続性の制限を克服. Journal of Materials Chemistry A, 12, 8405–8419. https://doi.org/10.1039/D3TA05881F

3. Reo, Y., Zou, T., Choi, T., et al. (2025). 蒸着された高性能スズペロブスカイトトランジスタ. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01380-8