分子エレクトロニクス
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イントロダクション
これまでの半導体産業では、微細化に微細化を重ねてきた。言わばこれは「トップダウン(top down)」の手法だ。しかし一方で、いっそのこと原子や分子といった物質の最小単位から、コンピュータを組みたててはどうかという「ボトムアップ (bottom up)」の手法も考えられるようになってきた。このように、分子一つ一つにトランジスタやワイヤなどの素子の役割をもたせようとする分野は「分子エレクト ロニクス(Molecular Electronics)」などと呼ばれている。
トップダウンのアプローチなら、いつ微細化の限界がやってくるのかという心配があるように、ボトムアップのアプローチにも心配事がないわけではない。
例えば、本当にボトムアップのアプローチで、何千万というトランジスタの集積回路をつくることはできるだろうか？単なるアカデミックな領域を抜けて、産業という舞台で従来の微細加工技術と対等にやりあえるまでに成長するだろうか？
しかし、ポテンシャルとしては分子エレクトロニクスは今のコンピュータの1000倍以上の性能を可能にできると考えられている。またボトムアップのアプローチは、単に性能がよいといった話だけではなく、低コスト省エネといった別の視点からも多いに期待されている。
すでにヒューレット・パッカード(HP)社やIBMといった大企業の研究機関で、有機分子一つを使ってトランジスタ、簡単な論理ゲートが作成・動作実証さ れている。また、国内でも富士通などがナノチューブや錯体を使って、分子コンピュータの思索を行なっている。 そこでここでは分子エレクトロニクスの基礎 的なことについて具体的に見ていくことにしよう。
なぜ分子エレクトロニクスか？
「なぜ分子エレクトロニクスか？」
これは非常に重要な問いだ。現在、半導体を基礎とするエレクトロニクスは順調に成長を続けている。とくにムーアの法則とともに進歩を続ける半導体集積回路は、その象徴的な存在だ(「なぜナノテクノロジーか？ エレクトロニクス分野で期待されるナノテクの役割」を参照)。それに少なくとも今後何年は、この調子で成長を続けると考えられている。
このような状況で、分子エレクトロニクスなどという従来とは異なった方法を考える必要があるだろうか？従来と異なった方法ということは、基本的には 一から技術を積み上げていかなければならない。これまでの50年間で半導体業界が蓄積してきた技術と投資は膨大なものだ。おそらく分子エレクトロニクスで も相当の技術の蓄積と投資が必要になるだろう。そう考えたとき、分子エレクトロニクスにはそれに見合うだけの価値があるのだろうか？
もちろん、今の時点でこの問いに対する解答を導き出すことなど出来ない。しかし分子エレクトロニクスを考えるときは常にこのことを忘れるわけにはい かない。そこでここでは、半導体エレクトロニクスに対して分子エレクトロニクスがどれだけ優れたポテンシャルを秘めているのかを考えてみることにしよう。
●サイズ
半導体業界は今後数年は見通しがたっているものの、それ以降は暗雲が立ち込めている。まず現在の調子で成長が続けば、2020年ごろには集積化回路 の中のトランジスタのサイズが原子一つ程度の大きさになってしまう。当然ここが最終地点と言うことになる。しかしそれ以前に、半導体微細加工技術が頓挫す る可能性は高い。というのも微細加工の中心的な役割を果たしている「フォトリソグラフィー」で加工寸法をさらに小さくしていくのは非常に困難だし、それに 必要な投資の額もとんでもない値になっている。
そもそも半導体産業では微細加工に微細加工を重ねるというトップダウン的な手法をとってきたわけだが、現在のトランジスタの最小寸法が90nm程度 であるのに対し、あとあとで具体的に紹介するように、分子トランジスタならそのサイズをベンゼン環三つ程度の大きさ、つまり数nm以下におさえることが出 来る。分子エレクトロニクスでは数十倍から数百倍の微小化が可能なのだ。
●再現性
半導体集積回路の製造では、「ドーピング」と呼ばれる重要な行程がある(「半導体」のページを参考に)。これは純度の高いシリコンなどに電気的不純 物を加えることで、その半導体の電気的な性質を変化させる。基本的にドーピングする不純物元素の割合は非常に小さい。このとき、半導体のサイズが大きい限 りは、不純物添加は統計的に行ってしまってよい。ところが半導体のサイズが小さくなってくると、もはや統計的には扱えなくなり、不純物添加は非常にシビア なものとなってくる。したがって不純物半導体にムラが生じてしまうのだ。ムラが生じたら、電子回路はうまく機能しないし、場合によってはショートしてしま う。今の半導体集積回路の微細化が進むと、こういった再現性の問題が生じてくるのだ。
ところが分子エレクトロニクスの場合は、分子の構造を決定すればその分子の電気的な性質は一義的に決まってしまう。つまり、分子軌道計算を行うときのように、分子の状態が完全に決まってしまうのだ。したがって分子エレクトロニクスは、ナノスケールでも再現性が非常に高い。
●性能
逐次処理的なコンピュータ(現在の標準的なコンピュータはみなこのタイプ)では、集積回路の性能とそこに組み込まれている素子のサイズとには、重要な関係がある。集積回路の情報処理の性能Pは、一般に次のような式で表される。
P = k x n x f
集積回路に含まれる素子の数n、素子のスイッチング周波数(周波数が大きいほどスイッチの切り替えが速い)f、k;係数
集積回路に詰め込まれている素子が多いほど、そしてその素子のスイッチング速度が速いほど、集積回路の性能が高いというわけだ。では、ここで微細加工寸法が1/2になったときに、上の式の変数にどのような影響を与えるかを考えてみよう。
・スイッチング速度
トランジスタのスイッチング速度は、電子が固体内を横切る速度で決まる。そのためスイッチング速度を上昇させるには、電子の移動速度を速くするか、 電子の移動する距離を短くするかということになる。電子の移動速度を速くするには、ゲート領域の材料に電子の移動を散乱しにくいもの(極端な場合、超伝導 体) にすればよい。また、電子の移動する距離を短くするには単にゲート長を短くすればよい。一般的には後者の戦略がとられている。つまり加工寸法が1/2に なったことでゲート長も1/2となり、スイッチング速度が2倍になるというわけだ。
・素子の数
集積回路は、そしてそれに含まれる素子は、「ウエハー」と呼ばれるシリコン基板に二次元的に書き込まれている。そのため加工寸法が1/2となると、単純な計算から同じ面積の集積回路に４倍の数の素子を詰め込めることになる。
そのため単純な計算によれば、素子のサイズが1/2になれば同じサイズの集積回路の情報処理能力Pは8倍になる。これほど単純な計算で分子素子の集 積回路の性能を予測することはできないが、分子素子のサイズを活かせば現在のコンピュータの1000倍以上のものが可能だと考えられている。
●製造コスト
分子エレクトロニクスで活躍することになるボトムアップの手法は現在確立されているわけではないのでなんとも言えないが、一般に「自己組織化」など で集積回路が組み立てられれば、相当の省エネが図られると思われる。現在の半導体回路はクリーンルームで非常に高エネルギーな装置が多用されているが、自 己組織化による手法は、極端な話、ビーカーのなかで溶液を混ぜるだけといったものだ。ビーカーひとつの中には分子素子が1020個といったオーダーで含ま れており、大量生産にも向いている。ただし、「集積化を目指して」のページでも触れているように、今のところ効率的で将来的にも有望な手法が確立されてい るわけではない。
なお分子エレクトロニクスの場合、必要な元素は炭素や窒素、酸素など非常にありふれたものが中心となる。半導体のように、ゲルマニウム、インジウ ム、エルビウムといった希少な元素が必要になることは少ない。この点でも製造コストを抑えることが出来るし、環境にもやさしいという利点も挙げられる。
以上挙げたものはやや楽観的すぎる感じも否めないが、それでも多角的な方面から分子エレクトロニクスには大きなアドバンテージがあることが分かるだろう。
単一分子素子とは？
分子エレクトロニクスでは分子一つ一つから電子回路の素子をつくっていくことになるが、そもそも分子が素子になるとはいったいどういうことだろう か？ここで具体例を一つ挙げてみることにしよう。これは1974年にIBMのアビラム(A.Aviram)やラトナー(M.A.Ratner)が理論的に 可能であることを示した分子ダイオードである。ダイオード(整流素子)は電子回路の非常に基礎的なパーツである。(ダイオードについては「トランジスタ/ トランジスタを理解するための前知識」などを参考に。)ダイオードの基本的な役割は、一方向にしか電流を流さないというものだ。ただし従来のダイオードと 分子ダイオードとには大きな違いがあり、後者は「電流」(たくさんの電子・正孔の流れ)を一方向にしか流さないのではなく、「電子」一つ一つを一方向にし か移動させないということになる。
下図にアビラムとラトナーが提唱した分子ダイオードを示す。この分子ダイオードはA(アクセプター、緑)とD(ドナー、青)が、I(絶縁体、赤)に よってつながれた非対称な構造をしている。AとDはπ電子共役系になっており、非局在化した電子は比較的自由に移動することが出来る。Aは還元されやす く、D は酸化されやすいという性質を持っている。つまり電子輸送から考えれば、Aは電子を受け取りやすく、Dは電子を提供しやすいというわけだ。
では、この分子素子を電極に挟んで電圧をかけた場合どうなるだろうか？
まず電極Ⅰをマイナスに、電極Ⅱをプラスにした場合を考えてみよう(①)。このとき電極Ⅰから還元されやすいAへ電子が渡され、酸化されやすいDは 電極 Ⅱから電子を引きぬかれる(②)。するとAはマイナスに帯電し、Dはプラスに帯電する(③)。これでは分子の内部で電子が偏って存在してしまうことになる ので、Aの過剰な電子がDへ受け渡されて、元の安定な状態に戻る(④)。①から④のステップを通してみると、電極Ⅰから電極Ⅱへ電子が一つ移動したことに なるわけだ。
ではこれとは逆に、電極Ⅰをプラスにして電極Ⅱをマイナスにした場合はどうなるだろうか。電極ⅠはAから電子を引きぬき、電極ⅡはDに電子を与え る。しかしこれでは、Aが酸化されDが還元されたことになり、分子は非常に不安定になってしまう。このような状態は取りにくい。そのため、先ほどとは逆方 向に電圧をかけても電子輸送は起こらない。
これがアビラムたちの提案した分子ダイオードの主な機能の説明である。こんな変な形をした分子がつくれるのかと思うかもしれないが、この程度の分子 なら化学者はそれほど苦労せずに合成することができる。また望みとあらば、分子の側鎖を別のものに置き換えたりして、少しずつ電気的な特性を変えることも できる。このように欲しい素子の機能を決定したら、あとは化学者という分子のデザイナーに頼むことでたいていのものは合成することができる。
※分子素子を電極に挟む場合、電極がナノスケールのものか、もしくは従来の半導体素子のようにバルクスケールのものかで、分子素子の電気的な特性が 大きく左右されることが最近の研究から分かっている。もしバルクスケールの電極につなぐ場合、バルクスケール電極は電子溜めのように働き、分子素子は上で 説明したようには機能しなくなる。
さまざまな単一分子素子
前のページでアビラムとラトナーの提案した分子トランジスタを紹介したが、この他にはどんな分子によってどんな素子が実現しているのだろうか？そこでこのページは、分子素子で代表的なものをいくつか紹介する。どれも分子の特徴を生かしたものだということを感じて欲しい。
●電場によってひねりを加える 分子スイッチ その1
下図のように、３つのベンゼン環がメチルでつながれ、そのひとつにニトロ基(NO2)とアミノ基(NH2)が付いた分子がある。この分子はスイッチング素子として機能することが可能なのだが、それはこの分子のどういった性質のおかげなのだろうか？
ベンゼン上では環にそって比較的自由に動ける電子が分布している。この電子は「π電子」と呼ばれ、複数のベンゼン環にまたがって移動することができ る。つまりこの分子は電気を通す。(π電子共役系については「導電性高分子」などを参照。)ところが、アミノ基とニトロ基はそれぞれプラス、マイナスの性 質を持っているため、この電圧を加えて電界が生じると図のように分子がねじれた構造になる。こうすると分子全体のπ共役性が失われ、分子は電流を通さなく なる。
このように外部からの印加によって分子にひねりを加えることで、スイッチのオンオフを行っているというわけだ。これによってこの分子はスイッチング 素子として機能することが出来る。分子を操作プローブ顕微鏡にはさんで電圧・電流の関係を調べるという方法で、すでにこの性質は実験的に確かめられてい る。
●シャトルを移動 分子スイッチ その2
記憶素子としての条件を満たすためには、分子にはどのような性質が要求されるだろうか？0と1というデジタル情報を保持するために安定な状態が二つ (以上)あり、しかもその状態の間を比較的容易に行き来できる必要がある。さて、この条件を満たす分子にはどんなものがあるだろうか？
上図のようにバーベルの軸にリングが挟まったような分子を総称して「ロタキサン」と呼んでいるが、この分子はリングが二つの安定な位置に行ったり来 たりすることで分子の軸方向の導電性が変化する。したがって二つの準安定状態を0と1に対応させ、導電性を検出すれば、1bitの記憶素子として利用する ことができる。例えば、この分子を使った分子メモリとして、2002年にヒューレット・パッカード社が64bitメモリのデモンストレーションに成功して いる。(詳しくは「HP社の示した分子コンピュータのロードマップ」を参照。)
●金属にも半導体にも 分子ワイヤ
電子回路を実現するためには、スイッチング素子の他にどのようなものが必要となるだろうか？記憶素子やダイオードも単独に存在していては機能しな い。そのため複数の素子を繋いでやるワイヤ(配線)が必要となる。この分子ワイヤとして注目されている素材が「カーボンナノチューブ(CNT)」 だ。(「カーボンナノチューブ」のページを参照。)
カーボンナノチューブをチャンネルに利用したCNT FET(Carbon NanoTube field Effect Transistor)。実際は、CNTの直径が数nmであるのに対し、ソースやドレインの幅は数十nm～100nm程度なので、この図よりも大小差が顕 著になっている。FETの動作原理については「トランジスタ」のページを参照。
まず、文字通りCNTのワイヤ幅は数m程度で、現在(そして将来)の半導体微細加工技術がとても及ばない領域にある。この太さゆえにCNTは典型的 な量子細線と見なせ、直径やカイラリティーをかえることで半導体や金属といった導電性が変化することが分かっている。ということは、直径やカイラリティー の違うCNTどうしをくっつけてやれば、ダイオードなどを作ることも可能だ。また、CNTをチャンネルに使った電界効果トランジスタも盛んに研究されてい る。極端な話、すべて炭素原子の分子素子というのも可能なのだ。
集積化を目指して
今後の分子エレクトロニクスの最大の課題は、まさに効率的な集積回路の作成だろう。これまで挙げてきた分子素子一つ一つの機能は非常にすばらしいものだが、少なくともこれらの素子が別々に存在していては意味がない。分子素子どうしをつながなければいけない。もちろんむやみにつなぐのではなく、理論回路などを再現できるように組み立てていく必要があるだろう。
また電子回路に組み込まなければいけない素子の数の多さも問題だ。「なぜ分子エレクトロニクスか？」のページでも述べたように、(ノイマン型)コンピュータの性能は
「なぜ分子エレクトロニクスか？」のページでも述べたように、(ノイマン型)コンピュータの性能は
P = k x n x f
集積回路に含まれる素子の数n、素子のスイッチング周波数(周波数が大きいほどスイッチの切り替えが速い)f、k;係数
で表されるので、分子素子のスイッチング速度がシリコンのものより多少速くても、半導体のコンピュータ回路と同じくらいの数の素子をつめ込まなけれ ば、分子エレクトロニクスに利点はない。現在のPentiumIVには4000万個ちかくのトランジスタがつめ込まれているのだ(「なぜナノテクノロジー か？エレクトロニクス分野で期待されるナノテクの役割」を参照)。それだけの分子素子をどうやってつめ込めばよいだろうか？少なくとも走査プローブ顕微鏡 (SPM)を使って分子素子を一つ一つ並べていくような方法でないことは確かだ。
この集積化の課題については、現在世界中でさまざまな方法が試みられている。ただ、配線などはリソグラフィーなどのトップダウンの加工し、スイッチング素子などは自己集合などのボトムアップ的手法で組みたてるというものが多いようだ。
ともかく研究の真っ最中なので、このホームページでそれらの事情をまとめることは難しい。そのため、ここでは最近の関連研究の記事をいくつか紹介するにとどめよう。(企業、研究機関別にまとめてある。)
・産業技術総合研究所
カーボンナノチューブを用いた量子効果ナノデバイスの集積化技術を開発 – 産業技術総合研究所(プレスリリース,2002/9)
・富士通
量子コンピュータの基本素子となる量子ドットの サイズ・配列制御に成功 – 富士通研究所(プレスリリース,2002/7)
MOSFETの電極となるシリサイド層上への 多層カーボンナノチューブの垂直成長と直径制御に成功 – 富士通研究所(プレスリリース,2002/7)
・ヒューレット・パッカード(HP)社
beyond silicon: hp researchers announce breakthroughs in molecular electronics – HP(プレスリリース,2002/9)
HP, UCLA Collaboration Receives Key Molecular Electronics Patent – HP(プレスリリース,2002/1)
HP，分子レベル回路の実用化に向けた特許を取得 – ZDNet(2001/7)
分子コンピューター技術で大きな進歩 – HotWired(1999/7)
リンク集
なぜナノテクノロジーか？ エレクトロニクス分野で期待されるナノテクの役割
外部リンク
R&Dリンク
国内
産業技術総合研究所(2002/9プレスリリース)
富士通研究所(2002/3プレスリリース)
海外
HP Quantum Science Research(英語)
IBM Research(英語)
MITRE(英語)
M.A.Ratner – ノースウェスタン大学(英語)
M.A.Reed – エール大学(英語)
J.M.Tour – ライス大学(英語)
Cees Dekker – デルフト工科大(英語)
解説・ニュース
概論
Nanotech and Molecular Electronics – C &EN(英語)
Moletronics: Future Electronics – Material Today(英語,PDF)
Introducing Molecular Electronics – Material Today(英語,PDF)
Advanced Device Concept and Research – HP Laboratory(英語,PDF)
“Molecular get wired” – Science(英語、要登録)
ニュース
2002年11月
Molecular electronics founder puts faith in market for nanocells – SmallTimes
2002年10月
IBM scientists build world’s smallest operating computing circuits – IBM
「分子のドミノ倒し」でナノ回路――IBM研究者が新技術発見 – ZDNet
米IBM、分子レベルの大きさで動作する世界最小の演算回路の構成に成功 – PCmycom
量子コンピューター実現に向けた新しい電子集積回路を提唱 – 理研
ＳＷＮＴを光スイッチに活用、産総研などが観測に初成功 – 日刊工業新聞
2002年9月
カーボンナノチューブを用いた量子効果ナノデバイスの集積化技術を開発 – 産技研
Nanotube Development Paves The Way For Nanotube Electronics – IBM
IBM、ナノチューブ生産の新技術を開発 – ZDNet
beyond silicon: hp researchers announce breakthroughs in molecular electronics – HP
米HP、欧州で分子エレクトロニクスに関する研究成果を発表 – 日経BizTech
2002年7月
MOSFETの電極となるシリサイド層上への 多層カーボンナノチューブの垂直成長と直径制御に成功 – 富士通
量子コンピュータの基本素子となる量子ドットの サイズ・配列制御に成功 – 富士通
2002年6月
Magnets open the gate to nanoscale logic – PhysicsWeb
New spin on transistors – nature science update
Cornell scientists create single-atom transistor by implanting molecule between wires, enabling ‘virtual dance of electrons’ – Cornell Unv.
単分子トランジスター、作成の第一歩を踏み出す – HotWired
IBM’s ‘Millipede’ Project Demonstrates Trillion-Bit Data Storage Density – IBM
米IBMの新技術、切手1枚分の大きさに約2,500万ページの書籍データ記録が可能に – PCMYCOM
2002年5月
IBM Creates World’s Highest Performing Nanotube Transistors – IBM
カーボンナノチューブ――IBMの革新とは – ZDNet