立方晶硼素ヒ素はチップの放熱性を10倍向上させる

マサチューセッツ工科大学（MIT）、ヒューストン大学などの研究チームが、コンピューティングの未来を垣間見たかもしれない。Science誌に掲載された彼らの報告によると、その未来は私たちが想像するほどシリコンベースではないようだ。シリコンよ、さっさと立ち去れ。立方晶硼素ヒ素は、より低温で、より優れた電気伝導性を持ち、性能も向上しているため、コンピューティング密度とともに飛躍的に向上する可能性がある。

しかし、こうしたことはよくあることですが、実際の製品、ましてや半導体製造の新時代が到来するまでには、数十年にわたる研究が必要になるでしょう。電卓のプロセッサから世界最強のスーパーコンピュータに至るまで、ほぼすべてのコンピューティング技術におけるシリコンの支配は、数十年にわたる専門家による問題解決によって深く根付いており、そう簡単には崩れ去ることはありません。しかし、硼素ヒ素についてはそうはいきません。硼素ヒ素は、まだその動作寿命を証明しなければなりません。

シリコンの問題は、妥協点を見出すことです。シリコンは熱伝導率が笑ってしまうほど悪く、電子機器がCPUで卵を焼くほど熱くなる理由の一つです。また、シリコンは負に帯電した電子をうまく制御できるのは、学校で習ったように、電流は負に帯電した電子の規則的な運動によって構成されています。「正孔」、つまり電子の正電荷の反転はシリコンとあまり相性が良くありません。こうした欠点はありますが、シリコンは豊富に存在し、比較的容易に製造できます。

ホウ素とヒ素から作られる立方晶ヒ素（c-BAs）は、シリコンの2つの問題を解決します。電子と正孔を等しく通過させる性質を持つため、MIT機械工学教授のガン・チェン氏は、これを半導体の世界において「真にユニーク」と評しています。 「半導体では正電荷と負電荷が等しく存在するため、これは重要です。したがって、デバイスを構築する際には、電子と正孔の両方がより少ない抵抗で移動できる材料が必要です」とチェン氏は述べました。

また、熱伝導性も最大10倍優れています。つまり、表面からの熱放散速度がはるかに速く、アフターマーケットの冷却ソリューションでよく使われる銅よりもはるかに速いのです。シリコンの一般的な熱伝導率は148W/mKですが、銅はそれを3倍の401W/mKにまで向上させます。一方、研究者らが開発した立方晶砒素ヒ素は、約1200W/mKの熱を放散できます。まるでリトルリーグと、より大きく、より強く、より競争力のあるMLBの兄弟を比較しているようなものです。

「これは実に素晴らしいことです。なぜなら、グラフェン以外に、これほど多くの特性を持つ材料を私は知らないからです」とチェン氏は付け加えた。「しかも、これはバルク材料でありながら、これらの特性を備えているのです。」

「熱は現在、多くの電子機器にとって大きなボトルネックとなっています」と、論文の筆頭著者であるMITのポスドク、ジョンウ・シンシン氏は述べています。「シリコンカーバイドは、電気移動度はシリコンより低いものの、熱伝導率が3倍高いため、テスラを含む主要なEV産業においてパワーエレクトロニクス用シリコンの代替として注目されています。硼素ヒ素は、シリコンの10倍の熱伝導率とはるかに高い移動度を実現し、どのような成果をもたらすか想像してみてください。これはゲームチェンジャーとなる可能性があります。」

現時点では、ホウ素ヒ素は理想的な半導体とされています。しかし、問題はシリコンよりも製造が極めて難しいことです。これまでのところ、この化合物は実験室規模の生産しか行われていません。また、バッチの品質も均一ではなく、大量生産可能な半導体としての最終的な実用化に向けて、さらに混乱を招いています。研究者たちは現在、ホウ素ヒ素を実用的かつ経済的な形で利用できるかどうか確信が持てていません。おそらく、コンピューティングの世界ではシリコンほど普及することはないでしょう。それでも、特に発熱性の高い重要な部品や、シリコン設計に組み込まれた熱伝達媒体として利用できる可能性があります。

 「シリコンは業界全体の主力製品です」とチェン氏は言う。「確かに、より優れた素材はありますが、それが本当に業界の弱点を相殺できるのでしょうか？それは分かりません。」

つまり、シリコンは近い将来、汗を流す必要はないのかもしれません（もっとも、導電性が低いので、いずれにせよ汗を流すことになるかもしれませんが）。しかし、電力効率と計算密度が材料のボトルネックになっているとしても、特にコンピューティングのオングストローム時代を迎えている今、世界の舞台を共有することについては、シリコンも懸念する必要があるのか​​もしれません。

Francisco Pires 氏は、Tom's Hardware のフリーランス ニュース ライターであり、量子コンピューティングに関心を持っています。