半導体を使わないマイクロエレクトロニクス!?

カリフォルニア大学サンディエゴ校の技術者が、初めて半導体を使用しない、光学的に制御されたマイクロ電子デバイスを製造しました。メタマテリアルを使い、技術者達は、低電圧・低出力レーザーによって活性化されると、伝導性が1000%増加するマイクロスケールデバイスを構築することに成功しました。

その発見は、より高速で、より多くのパワーを取り扱える、より高効率のソーラーパネルをもたらす可能性もあるマイクロ電子デバイスに道を開きます。その研究は、11月4日、Nature Communications誌に掲載されました。

トランジスタ等の既存のマイクロ電子デバイスの能力は、最終的に、半導体などの、それらの構成材の声質によって制限されます、と研究者は語った。

半導体は時代遅れ

Semiconductor-free microelectronics are now possible, thanks to metamaterials

For example, semiconductors can impose limits on a device’s conductivity, or electron flow. Semiconductors have what’s called a band gap, meaning they require a boost of external energy to get electrons to flow through them. And electron velocity is limited, since electrons are constantly colliding with atoms as they flow through the semiconductor.

「例えば、半導体は、デバイスの伝導性や電子流に制限を課すことができます。半導体は、それらが、電子を流れさせるために外部エネルギーの後押しが必要である事を意味する、バンドギャップと呼ばれるものを持っています。また、電子は、半導体内を流れる間、絶え間なく原子と衝突しているので、電子速度も制限されます。」

衝突すると速度が落ちるだけでなく、熱も発生するので厄介です。

A team of researchers in the Applied Electromagnetics Group led by electrical engineering professor Dan Sievenpiper at UC San Diego sought to remove these roadblocks to conductivity by replacing semiconductors with free electrons in space. “And we wanted to do this at the microscale,” said Ebrahim Forati, a former postdoctoral researcher in Sievenpiper’s lab and first author of the study.

「UCサンディエゴ校の電気工学教授ダン氏率いる応用電磁気学グループ内の研究者チームは、半導体を空間中の自由電子に代えることで、こういった伝導性に対する障害を取り除こうとしました。”また、我々は、この事をマイクロスケールでしたかったのです”と、研究論文の筆頭著者でかつてのポスドク研究者は語った。」

電子の自由化

However, liberating electrons from materials is challenging. It either requires applying high voltages (at least 100 Volts), high power lasers or extremely high temperatures (more than 1,000 degrees Fahrenheit), which aren’t practical in micro- and nanoscale electronic devices.

「しかし、物質から電子を解放することは困難です。それは高電圧(最低でも100ボルト)か高出力レーザーか超高温(華氏1000度以上)のいずれかを必要とし、マイクロ・ナノスケール電子デバイスには実用的ではありません。」

To address this challenge, Sievenpiper’s team fabricated a microscale device that can release electrons from a material without such extreme requirements. The device consists of an engineered surface, called a metasurface, on top of a silicon wafer, with a layer of silicon dioxide in between. The metasurface consists of an array of gold mushroom-like nanostructures on an array of parallel gold strips.

「この問題に対処するために、研究チームは、そういった極端な要求をしない材料から、電子を解放できるマイクロスケールデバイスを製造しました。そのデバイスは、中間に二酸化ケイ素の層を持つ、シリコンウエハー上のメタサーフェス(メタ表面)と呼ばれる、人工表面で構成されています。そのメタ表面は、並列金細長片の配列上の、金キノコ状ナノ構造体配列から構成されています。」

金銀ダイヤは将来有望な材料ですが、単価が高そうです。

The gold metasurface is designed such that when a low DC voltage (under 10 Volts) and a low power infrared laser are both applied, the metasurface generates “hot spots”—spots with a high intensity electric field—that provide enough energy to pull electrons out from the metal and liberate them into space.

Tests on the device showed a 1,000 percent change in conductivity. “That means more available electrons for manipulation,” Ebrahim said.

「その金メタサーフェスは、低直流電圧(10V未満)と低出力赤外線レーザーがともに印加された時、メタサーフェスが、金属から電子を引き出して、それらを空間中へ解放するのに十分なエネルギーを供給する、ホットスポット(高強度の電場を持つスポット)を発生させるように設計されています。」

将来の実用性

“This certainly won’t replace all semiconductor devices, but it may be the best approach for certain specialty applications, such as very high frequencies or high power devices,” Sievenpiper said.

According to researchers, this particular metasurface was designed as a proof-of-concept. Different metasurfaces will need to be designed and optimized for different types of microelectronic devices.

「”これは確かに全ての半導体デバイスを置き換えませんが、超高周波デバイス(超短波装置)や超高出力デバイスなどの、特定の特殊用途の一番のアプローチになる可能性があります。”と、教授は言った。研究者によると、この特別のメタ表面は、概念実証として設計されました。別のメタ表面が、別の種類の微小電子装置用に設計・最適化される必要があります。」

“Next we need to understand how far these devices can be scaled and the limits of their performance,” Sievenpiper said. The team is also exploring other applications for this technology besides electronics, such as photochemistry, photocatalysis, enabling new kinds of photovoltaic devices or environmental applications.

「”次に我々は、このデバイスがどこまで規模拡大が可能で、それらの性能限界を理解する必要があります。”と教授は言った。教授チームは、同様に、この技術を、新しい種類の光電池装置や環境保護利用を可能にする、光化学や光触媒作用などの、エレクトロニクス以外の別の用途へ使えないか探求しています。」

実用性があるのかどうかは現時点では不透明ですが、あくまでも、半導体を使わなくても、トランジスタのようなマイクロ電子デバイスを構築できるという前提でないと、汎用性は低いような気がします。