科学者が人工結晶で大きな進歩を遂げ、コンピューターをより低電力で動作可能に

コンピューターは小型化、高性能化していますが、動作には大量のエネルギーが必要です。過去 10 年間で、米国におけるコンピューティングに使用されるエネルギー量は劇的に増加し、輸送などの他の主要セクターに使用されるエネルギー量に急速に近づいています。​​

4月6日にネイチャー誌オンライン版に掲載された研究で、カリフォルニア大学バークレー校のエンジニアらは、トランジスタ（コンピューターの構成要素となる小さな電子スイッチ）の設計における大きな進歩について説明している。この進歩により、速度、サイズ、性能を犠牲にすることなく、エネルギー消費を大幅に削減できる可能性がある。このコンポーネントはゲート酸化物と呼ばれ、トランジスタのオン/オフを切り替える上で重要な役割を果たします。

「当社のゲート酸化膜技術は市販のトランジスタより優れていることを示すことができました」と、この研究論文の主任著者で、カリフォルニア大学バークレー校の電気工学およびコンピューターサイエンスのTSMC特別教授であるサイーフ・サラディン氏は述べた。「1兆ドル規模の半導体業界が今日できることは、基本的に当社に勝てることです。」

この効率の向上は、材料に電荷を蓄えるために必要な電圧を下げるのに役立つ、負の静電容量と呼ばれる効果によって達成されると言われています。サラフディンは2008年に負の容量の存在を理論的に予測し、2011年に強誘電体結晶で初めてその効果を実証した。

新しい研究では、先進的なシリコン結晶と非常に互換性のある酸化ハフニウムと酸化ジルコニウムの層状スタックで構成された人工結晶で、負の静電容量がどのように実現されるかを示しています。この研究では、この材料をモデルトランジスタに組み込むことで、負の容量効果によってトランジスタの制御に必要な電圧量が大幅に削減され、コンピューターの消費エネルギー量が削減されることが示されました。

「コンピューティングに使用されるエネルギーは、過去 10 年間で飛躍的に増加し、世界のエネルギー生産量の 1 桁台を占めるに至っています。この増加は直線的で、終わりは見えません」とサラディン氏は語ります。「通常、コンピューターや電話を使用するときに、どれだけのエネルギーを使用しているかを考えることはありません。しかし、その量は膨大で、今後も増加する一方です。私たちの目標は、コンピューティングのこの基本的な構成要素のエネルギー要件を削減することです。そうすれば、システム全体のエネルギー要件も削減できるからです。」

負の静電容量を実際の技術に取り入れる

最先端のノートパソコンやスマートフォンには、数百億個の極小のシリコントランジスタが搭載されており、それぞれに電圧をかけて制御する必要があります。ゲート酸化物は、印加電圧を電荷に変換し、トランジスタのオン/オフを切り替える材料の薄い層です。

負の容量は、特定の電荷を達成するために必要な電圧の量を減らすことで、ゲート酸化物のパフォーマンスを向上させることができます。しかし、この効果はどんな材料でも達成できるわけではありません。負の静電容量を作成するには、材料が自発的な電界を示すときに発生する強誘電性と呼ばれる材料特性を慎重に操作する必要があります。これまで、この効果は、結晶構造がシリコンと互換性のない過酸化物と呼ばれる強誘電体材料でのみ達成されていました。

この研究で研究チームは、超格子と呼ばれる人工結晶構造で酸化ハフニウムと酸化ジルコニウムを組み合わせることで負の静電容量も実現できること、また強誘電性と反強誘電性の両方が共存できることを示した。

「この組み合わせにより、負の容量効果がはるかに向上することが分かりました。これは、この負の容量現象が当初考えられていたよりもはるかに広範囲に及んでいることを示しています」と、カリフォルニア大学バークレー校の博士研究員で、この研究の共同筆頭著者であるスラジ・チーマ氏は述べた。「負の容量は、過去 10 年間研究されてきた強誘電体と誘電体の従来の図式でのみ発生するわけではありません。これらの結晶構造を設計して反強誘電性と強誘電性の両方の利点を活用することで、実際にこの効果を強めることができます。」

研究者らは、合計厚さが2ナノメートル未満の2つの酸化ハフニウム単原子層の間に挟まれた3つの酸化ジルコニウム原子層からなる超格子構造が、最適な負性容量効果をもたらすことを発見した。最先端のシリコントランジスタのほとんどは、二酸化シリコンの上に酸化ハフニウムを重ねた 2 ナノメートルの二酸化ジルコニウムをすでに使用しており、また酸化ジルコニウムはシリコン技術でも使用されているため、これらの超格子構造は高度なトランジスタに簡単に統合できます。

超格子構造が二酸化ジルコニウムとしてどの程度の性能を発揮するかをテストするために、研究チームは短チャネルトランジスタを作製し、その機能をテストしました。これらのトランジスタは、信頼性を犠牲にすることなく半導体業界のベンチマークを維持しながら、既存のトランジスタよりも約 30 パーセント低い電圧を必要とします。

「この種の研究でよく見られる問題は、材料内のさまざまな現象を実証できるものの、それらの材料が高度なコンピューティング材料と互換性がないため、実際の技術にメリットをもたらすことができないことです。この研究により、負の静電容量は学術的なトピックから、高度なトランジスタで実際に使用できるものへと変化しました。」