コンピュータおよびスマートフォン内の基板やセンサー、太陽光電池などの大部分はシリコンでできている。手に入りやすい素材という意味ではシリコンの活用は合理的だが、実用性においては必ずしもベストな選択とはいえないようだ。

MITの研究者は、シリコン以外のさまざまな素材によって半導体材料を製造する技術を開発した。これにより、たとえばウェアラブルデバイス向けの超薄型基板の開発が実現することになる。さらには、コストに関してもより低く抑えることができるという。

・グラフェンを挟んで半導体材料をコピー

2017年にはMITのJeehwan Kim教授らは、カーボンナノチューブなども形成するグラフェン（炭素原子が六角格子構造で結合したものからなる薄型シート）を使って、高価な半導体材料をコピーする方法を開発した。

ヒ化ガリウム製の半導体材料にグラフェンを重ね合わせ、その上にガリウムとヒ素の原子を流し込むと、中間層のグラフェンを透過して下の層と相互作用し、結晶パターンが転写できる。またこうしてでき上がったコピーは、グラフェン層から簡単にはがすことができる。

「リモートエピタキシー」と呼ばれるこの技術を使えば、もととなる高価な半導体材料一枚から、複数のヒ化ガリウムのシートが低コストで製造できる。

当時リモートエピタキシーはゲルマニウムなどの半導体材料ではうまくいかなかった。原因として、グラフェンを透過させて相互作用を起こすには、素材の電荷を考慮する必要があることがわかってきた。

・電荷を考慮して素材をピックアップ

例えば、ヒ化ガリウムの場合、ヒ素が正電荷を、ガリウムが負電荷を持つ。この電荷の差から、グラフェンは透明であるかのように振る舞い、まるで紙をはさんで磁石がくっつくような仕組みで原子が相互作用する。

また、極性が大きいほど原子の相互作用がより強くなることを発見。これにより、研究者は元素の周期表を見て、反対の性質を持つ2つの原子を選べるようになった。

研究者らは、リモートエピタキシーを用いて窒化ガリウムやフッ化リチウムなど、さまざまな半導体材料をコピーすることに成功した。

非シリコン製材料を用いれば、厚さ数10～数100nmの超薄型半導体材料が製作できる。コピー元となる半導体材料を製作するのはシリコンよりも高コストだが、何度も繰り返しコピーして再利用することでコストが低くなる。

このような超薄型半導体材料は、着用可能なセンサーデバイスや折り曲げが可能な太陽電池、小型IoTデバイスなどを製造するうえで役立ち、これからの都市のスマート化に必須の技術だろう。

参照元：Study opens route to flexible electronics made from exotic materials/MIT News