スタンフォード大ブレークスルー：100nm原子層トランジスタでフレキシブルエレクトロニクス前進

超薄型フレキシブルコンピュータ回路は長年のエンジニアリング目標でしたが、技術的ハードルが高性能に必要な微細化の度合いを妨げてきました。今、スタンフォード大学の研究者たちが、長さ100ナノメートル未満のフレキシブル原子層トランジスタを製造する製造技術を発明しました。これは従来可能だったものより数倍小さいサイズです。

研究者たちによれば、この進歩によりいわゆる「フレックストロニクス（flextronics）」が現実に一歩近づきました。フレキシブルエレクトロニクスは、曲げ可能、形状変更可能、かつ省エネなコンピュータ回路を実現し、人体に装着または埋め込み、多様な健康関連タスクを実行できます。さらに、ほぼすべてのデバイスが統合・相互接続される「モノのインターネット（IoT）」の到来も、同様にフレックストロニクスの恩恵を受けるでしょう。

フレキシブルエレクトロニクスに適した材料の中でも、二次元（2D）半導体は、ナノスケールでも優れた機械的・電気的特性を示すため、従来のシリコンや有機材料より優れた候補です。

これまでのエンジニアリング課題は、これらのほぼ不可能なほど薄いデバイスを形成するプロセスが、フレキシブルプラスチック基板には熱的に過酷すぎることでした。これらの材料は製造プロセスで単純に溶けて分解してしまいます。

研究者たちによる解決策は、ステップバイステップで行うこと。柔軟性とは程遠いベース基板から始めます。固体シリコン板上にガラスでコーティングされた基板上に、2D半導体である二硫化モリブデン（MoS₂）の原子層薄膜と、小さなナノパターン金電極を形成します。このステップは従来のシリコン基板上で行われるため、フレキシブルプラスチック基板では不可能な解像度で、既存の先進パターニング技術を用いてナノスケールトランジスタ寸法をパターニングできます。

この積層技術は化学気相成長（CVD）として知られ、MoS₂を1原子層ずつ成長させます。結果として得られる膜はわずか3原子層の厚さですが、動作には850℃（1500℉以上）の温度が必要です。比較すると、フレキシブル基板（ポリイミド製薄膜）は360℃（680℉）付近で形状を失い、より高温では完全に分解します。

スタンフォードの研究者たちは、これらの重要な部分を剛性シリコン上でまずパターニング・形成し、冷却してからフレキシブル材料を適用することで、損傷なしに転写可能にしました。単純な脱イオン水浴により、デバイススタック全体が剥離し、フレキシブルポリイミドに完全に転写されます。

いくつかの追加製造ステップ後、結果は原子層半導体で以前製造されたものより数倍優れた性能を持つフレキシブルトランジスタです。研究者たちによれば、回路全体を構築してからフレキシブル材料に転写することも可能ですが、後続層の特定の複雑さにより、転写後の追加ステップの方が容易だとしています。

「最終的に、フレキシブルポリイミドを含めて構造全体はわずか5ミクロン厚です」とEric Pop教授。「これは人間の髪の毛の約10分の1の厚さです。」

ナノスケールトランジスタをフレキシブル材料上で製造する技術的達成はそれ自体注目に値しますが、研究者たちはデバイスを「高性能」とも説明しています。この文脈では、低電圧動作で高電流を処理できることを意味し、低消費電力に必要とされます。

「この微細化にはいくつかの利点があります」とDaus博士。「与えられたフットプリントにより多くのトランジスタを集積できるだけでなく、低電圧でより高い電流を得られます。つまり、少ない消費電力で高速動作です。」

一方、金属接点がトランジスタ使用時の発熱を放散・拡散し、フレキシブルポリイミドを危険にさらす熱を制御します。

プロトタイプと特許出願完了後、Daus氏とPop氏はデバイス改良という次の課題に移りました。他の2つの原子層半導体（MoSe₂とWSe₂）を用いた類似トランジスタも作製し、技術の広範な適用可能性を実証しました。

一方、Daus氏はデバイスへの無線回路統合を検討しており、将来のバリエーションが外部世界とワイヤレス通信できるようにします。これは、特に人体埋め込み型やIoTの深部に統合されるフレックストロニクスの実用化へのもう一つの大きな飛躍です。

「これは単なる有望な製造技術ではありません。柔軟性、高密度、高性能、低消費電力を同時に達成しました」とPop氏。「この研究が技術をいくつかのレベルで前進させることを願っています。」