スマートフォンやノートPC、さらには電気自動車（EV）に至るまで、現代のあらゆる電子機器はシリコンでつくられた半導体によって支えられている。だが、シリコン製デバイスの小型化はすでに物理的な限界に直面しており、次世代のエレクトロニクスに向けた“脱シリコン”の機運が高まりつつある。
こうしたなか注目されているのが、厚さが原子1層という極めて薄い二次元材料と呼ばれる素材だ。これらの素材は原子レベルの薄さでも特性が劣化しないどころか、むしろ電流を効率よく流せるうえ、非常に強靭でしなやかな構造をもつことで知られている。
この二次元材料のみを使って相補型金属酸化膜半導体（CMOS）を開発することに、このほど米国の研究チームが世界で初めて成功した。その構成要素に、シリコンは一切含まれていないという。CMOSとは現代の電子機器に広く使われている標準的な論理回路で、簡単な演算処理が可能なコンピューターのようなものだ。
「電界効果トランジスタ（FET）の継続的な微細化によって、シリコンは電子機器の驚異的な進化を牽引してきました」と、ペンシルベニア州立大学教授で機械工学が専門のサプタルシ・ダスは説明する。「一方で、シリコン製デバイスの極端な小型化によって性能の劣化が避けられなくなってきました。そこで二次元材料が有望な代替素材として期待されているのです」
均一な“原子のシート”
ダスらの研究チームは、二硫化モリブデン（MoS₂）とセレン化タングステン（WSe₂）という2種類の二次元材料を組み合わせることで、n型およびp型の両方のトランジスターを作製した。これにより、CMOSに必要な基本構成をすべて原子1層レベルで実現したことになる。
n型とは、主に電子（負の電荷をもつ粒子）が電流を運ぶタイプの半導体だ。外から電圧が加わると自由に動ける電子が移動を始め、その流れによって電流が生まれる。
これに対してp型は、電子が抜けた穴（ホール）が電流の担い手となる。ホールそのものが動いているわけではなく、周囲の電子が順々にホールの位置に移動することで、あたかも正の電荷をもった粒子が流れているように見える現象だ。つまり、p型では見かけのうえで「正の電荷」が流れているような動作を示す。この2種類の半導体を組み合わせて、互いに補いながら（＝相補的に）電流を制御できるようにした回路がCMOSである。
CMOSは、n型とp型のトランジスターが互いに補完し合うことで、入力に応じてスイッチのようにオンとオフを切り替えられる。これにより待機時の電力消費を極めて低く抑えながら、効率的に論理演算を実行できるというわけだ。このような回路構成は、省エネルギー性と高速性を両立する仕組みとして、現代のスマートフォンやPCの中枢を担っている。
今回のCMOSの製造には、有機金属気相成長法（MOCVD）という手法が用いられている。これは気化した原料を化学反応で基板上に堆積させる加工方法で、厚さにムラのない薄膜を均一かつ広範囲に形成する用途に適している。この手法により研究者たちは、それぞれ1,000個以上のトランジスターを高精度でつくることに成功した。
さらに研究チームは、製造工程後の処理を精密に調整することで、n型とp型の各トランジスターのしきい値電圧を最適化した。これによって両者がバランスよく機能するようになり、CMOSの回路全体が安定して動作するようになったという。
シリコンの80年に挑む
このプロトタイプは、「単一命令セットコンピューター（OISC）」という簡素なアーキテクチャーを採用している。あえて1種類の命令だけで処理を実行する仕組みにすることで、回路構造を極限まで単純化しているのだ。
研究者たちによると、このCMOSは動作周波数25kHzで基本的な論理演算を実行できる。従来のシリコン製の回路と比べると処理速度で劣るものの、二次元材料のみで構成された論理回路が機能することを実証するには十分だという。
研究チームは今回、素子ごとのばらつきや誤差を反映させたシミュレーションモデルも構築している。プロトタイプのCMOSの性能をシリコンデバイスと比較するためのベンチマークとして活用することで、今後の改良と最適化の方向性を示す重要な足がかりとなるかもしれない。
シリコンを使った技術の発展には80年以上の歴史がある。一方、二次元材料の研究は2010年以降にようやく本格化したばかりとされている。今後も改良を重ねながら徐々に実用性を高めていく必要はあるが、今回の成果はシリコン製デバイスの進化に匹敵する飛躍的な一歩だと、ダスは期待に胸を膨らませている。
（Edited by Daisuke Takimoto)
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