今日のコンピューティング機器の大部分は、酸素に次いで地球上で二番目に豊富な元素であるシリコンから作られている。シリコンは岩石、粘土、砂、土壌などにさまざまな形態で存在する。地球上に存在する半導体材料として最良のものではないが、入手のしやすさでは群を抜いている。そのため、シリコンはセンサー、太陽電池、コンピューターやスマートフォンに組み込まれる集積回路など、ほとんどの電子機器で主に使われている材料である。
今回、MITの技術者らは、シリコン以外の多様なエキゾチック材料から作られる超薄型半導体膜を製造する技術を開発した。この技術を実証するため、研究者らはヒ化ガリウム、窒化ガリウム、フッ化リチウムから作られた柔軟な膜を製造した。これらの材料はシリコンより優れた性能を示すが、これまで機能する機器に用いるには法外に高価であった。
研究者によると、この新たな技術は、半導体元素のあらゆる組み合わせから柔軟な電子機器を製造するための費用対効果の高い方法を提供し、現在のシリコン系機器よりも高い性能を発揮できる可能性があるという。
「シリコン以外の多様な材料系で柔軟な電子機器を作る道が開けました」と、機械工学ならびに材料科学工学の学科でClass of 1947 Career Development Associate Professorを務めるJeehwan Kim氏は述べる。Kim氏は、この技術により、柔軟な太陽電池やウェアラブルコンピューター、センサーなど、低コストで高性能な機器を製造できると構想している。
この新たな技術の詳細は本日、Nature Materialsに掲載された。論文のMITの共著者には、Kim氏に加えて、Wei Kong、Huashan Li、Kuan Qiao、Yunjo Kim、Kyusang Lee、Doyoon Lee、Tom Osadchy、Richard Molnar、Yang Yu、Sang-hoon Bae、Yang Shao-Horn、Jeffrey Grossmanの各氏が名を連ねている。また、中山大学、バージニア大学、テキサス大学ダラス校、米海軍研究所、オハイオ州立大学、ジョージア工科大学の研究者も参加している。
今は見える、今は見えない
2017年、Kim氏らは、グラフェン（炭素原子が六角形のハニカム状に並んだ、原子一層分の薄さのシート）を用いて、高価な半導体材料の「コピー」を作製する方法を考案した。研究チームは、ヒ化ガリウムのような高純度で高価な半導体ウエハーの上にグラフェンを重ねた後、その積層構造の上にガリウム原子とヒ素原子を流し込んだところ、原子が下層の原子層とある種の相互作用を起こし、中間にあるグラフェンが見えない、あるいは透明であるかのようになることを発見した。その結果、原子は下層の半導体ウエハーの正確な単結晶パターンに組み上がり、グラフェン層から容易に剥がせる精密な複製が形成された。
「リモートエピタキシー」と名付けられたこの技術により、高価な下地のウエハーを一枚使うだけで、ヒ化ガリウムの膜を複数製造できる手頃な方法が実現した。
研究チームは最初の成果を発表した直後、この技術が他の半導体材料の複製にも使えるかどうかを検討した。研究チームはシリコンとゲルマニウム（いずれも安価な半導体）にもリモートエピタキシーを適用してみたが、これらの原子をグラフェン上に流すと、それぞれの下層とは相互作用しないことがわかった。これは、それまで透明だったグラフェンが突然不透明になり、シリコンとゲルマニウムの原子が反対側の原子を「見る」ことを妨げたかのようであった。
偶然にも、シリコンとゲルマニウムは元素周期表の同じ族に属する二つの元素である。具体的には、この二元素は第14族に属しており、イオン的に中性、すなわち極性を持たない材料群に分類される。
「これがヒントになりました」とKim氏は述べる。
研究チームは、原子同士がグラフェンを介して相互作用するのは、イオン電荷を持つ場合に限られるのではないかと推論した。例えばヒ化ガリウムの場合、界面ではヒ素の正電荷に対して、ガリウムは負電荷を帯びている。この電荷の差、すなわち極性が、原子がグラフェンを透明であるかのように介して相互作用し、下層の原子パターンを複製するのに役立った可能性がある。
「グラフェンを介した相互作用は、原子の極性によって決まることがわかりました。イオン結合性が最も強い材料では、グラフェンを三層挟んでも相互作用します」とKim氏は述べる。「薄い紙一枚を挟んでも二つの磁石が引き合うのと似ています」
異なる極性は引き合う
研究者らは、この仮説を検証するため、中性のシリコンやゲルマニウムから、わずかに極性を持つヒ化ガリウム、そして、シリコンより高性能で高価な半導体である、極性の高いフッ化リチウムまで、さまざまな極性度合いの半導体材料をリモートエピタキシーで複製した。
研究者らは、極性の度合いが大きいほど原子間の相互作用が強くなり、場合によってはグラフェンを複数枚重ねても作用することを発見した。製造できた各膜は柔軟で、厚さは数十から数百ナノメートルにすぎなかった。
研究チームは、原子が相互作用する材料も重要であることを発見した。グラフェンに加えて、六方晶窒化ホウ素（hBN）の中間層も試したところ、この材料はグラフェンの原子配列に似ており、テフロンのような性質を持つため、上に重ねた材料が複製後に容易に剥がれることがわかった。
しかし、hBNはプラスとマイナスに帯電したホウ素原子と窒素原子から成り、材料内部で極性が生じる。実験において研究者らは、hBN上を流れた原子は、たとえ自身が高い極性を持っていても、下層のウエハーと完全には相互作用できないことを発見した。このことから、対象となる原子と中間材料の両方の極性が、原子が相互作用して元の半導体ウエハーの複製を形成するかどうかを決定すると考えられる。
「グラフェンを介した原子相互作用には、実際に法則があることが、ようやくはっきりわかりました」とKim氏は述べる。
Kim氏によると、この新たな理解により、研究者は元素周期表を見て、反対の電荷を持つ二つの元素を選ぶだけでよくなるという。主となるウエハーを同じ元素で作られたものとして入手または作製すれば、研究チームのリモートエピタキシー技術を適用して、元のウエハーと同一の複製を複数作ることができる。
「人々はこれまで、安価だという理由でシリコンウエハーを主に使ってきました」とKim氏は述べる。
「今回の手法により、より高性能な非シリコン材料を使う道が開けました。高価なウエハーを一枚購入し、何度も繰り返し複製し、そのウエハーを再利用し続けることができます。この技術に使える材料の選択肢は、今や大きく広がりました」
Kim氏は、リモートエピタキシーにより、これまでエキゾチックとされてきた多様な半導体材料から、超薄型で柔軟な膜を製造できるようになると構想している。ただし、その材料が極性を持つ原子から作られていることが条件となる。こうした超薄型膜を上下に積み重ねれば、ウェアラブルセンサーや柔軟な太陽電池、さらには遠い未来には「肌に貼り付く携帯電話」といった、小型で柔軟な多機能機器を生み出せる可能性がある。
「あらゆる場所に小型コンピューターを置きたいスマートシティでは、より優れた材料で作られた、低消費電力で感度の高いコンピューティング機器やセンシング機器が必要になります」とKim氏は述べる。「この［研究］によって、そうした機器への道が開かれます」
本研究は、米国防高等研究計画局、エネルギー省、空軍研究所、LG Electronics、Amore Pacific、LAM Research、Analog Devicesの支援を一部受けた。
