γ線照射によるカーボンナノチューブトランジスタの性能向上

微小電子機器の未来をきれいにする

現代の生活はますます小型で高速なコンピュータチップに依存しているが、従来のシリコン技術は限界に直面している。本研究は核物理学由来の意外な助っ人—高エネルギーのガンマ線—を用いて、カーボンナノチューブで作られた次世代トランジスタを洗浄・強化する手法を検討する。完成したデバイスを穏やかに照射することで、無駄なリーク電流を低減し、スイッチング特性を改善し、シリコンが耐えられないような高い放射線レベルでも動作する電子機器を実現できることを示している。

なぜカーボンナノチューブは“改良”が必要か

カーボンナノチューブトランジスタは、縮小が困難になったシリコンに替わる有力候補と見なされている。高速で動作し、消費電力が低く、すでに商業的なファウンドリ工程に組み込める製造法も確立されつつある。しかし隠れた問題がある：ナノチューブの選別やデバイス製造の過程で残った有機分子が、ナノチューブとそれを制御する絶縁層の界面に付着してしまう。この分子残留物が、ナノチューブのエネルギーギャップ内に不要な電子の“踏み石”を作り、デバイスがオフのときに電荷が漏れたり、オフからオンへの切り替えが鈍くなったりする。既存の洗浄手段――化学処理、高温アニール、集束電子線など――は、十分に効果があるとは言えない、ナノチューブを損傷するリスクがある、あるいは工業的には遅く高コストであるなどの問題がある。

ガンマ線を精密な洗浄ツールに変える

研究者らは直感に反する解決策を提案する：コバルト‑60源から放出される強いガンマ線を用い、周辺の有機分子中の弱い化学結合を選択的に切断し、頑丈なカーボンナノチューブ自体はほとんど損なわないようにする。ガンマ線は電子顕微鏡で使われる電子やアニール炉の穏やかな加熱よりはるかに高いエネルギーを持ち、ウェハ全体を一度に貫通できる。精密な測定により、無欠陥のナノチューブは累積線量100 megaradという非常に大きな線量を受けても秩序だった構造を保ち、一方でナノチューブの選別に使われるポリマーに由来する特徴的な信号は大幅に減少した。分光解析は、無秩序で低エネルギーの構成に関連する結合がより強く、グラファイトに近い結合へと変換されたことを示し、有機汚染物が分解・再配列されたことを示唆しており、ナノチューブ格子自体が損傷したわけではないという整合的な結果を示した。

高度なトランジスタ設計の作製と照射

この微視的な化学変化を実際のデバイスに結びつけるため、チームは標準的なチップ製造工程で四インチ全寸のウェハ上にいわゆる準ゲートオールアラウンド（quasi gate‑all‑around）型カーボンナノチューブトランジスタを作製した。この配置では、非常に薄いナノチューブネットワークが上下のゲート電極に挟まれ、単一ゲートより優れた電気的制御を実現しつつ、最先端の三次元シリコン構造より製造が容易である。照射前でも、これらのN型デバイスは比較的低い電圧で強いオン電流と競争力のあるスイッチング鋭さを示していた。著者らは多数のトランジスタを電気的バイアスをかけずに段階的にガンマ線照射し、その動作変化を定期的に測定した。控えめな線量では一時的にリーク増加やスイッチング鈍化が見られたが、線量を100 megaradまで押し上げると傾向は逆転し、オン電流の増加、オフ状態のリークが約1桁低下、そしてサブスレッショルドスイングの大幅な改善（デバイスのオン・オフの判別力を示す重要指標）が得られた。

工場規模と過酷環境での安定した性能

実用面で重要なのは、これらの利点が幸運な少数のデバイスに限られなかった点だ。シリコンウェハ上の100個のトランジスタや、ポリマー基板のフレキシブルなサブストレート上に作られた追加のセット、異なるチャネル構成のデバイスにおいても、ガンマ線処理はデバイス間のばらつきを一貫して抑え、リークを削減しスイッチングを鋭くした。デバイスがオンになる閾値電圧のシフトは最小限にとどまり、最大照射線量でも供給電圧の約10%程度に収まっていた。これは、特別に耐放射線化されたシリコンでも概ね1 megarad付近で故障することが多いのと比べて際立っている。準ゲートオールアラウンド型ナノチューブ設計とカーボンナノチューブ自体の固有の耐放射線性を合わせることで、制御性を失うことなく100倍の総電離線量に耐えた。ガンマ線源は室温で多数のウェハを一度に照射できるため、著者らは単一設備で月間数千枚の12インチウェハを処理できると試算しており、産業界が求めるスループットとコストに応える可能性がある。

日常技術にとっての意味

非専門家向けに言えば、重要なメッセージは研究者らが強力で潜在的に破壊的な放射線を、将来のチップ向けに精密に調整された洗浄手法へと変えたことだ。カーボンナノチューブ周辺の問題ある分子の乱雑さを除去することで、トランジスタがオフのときの不要な「漏れ」を減らし、オン・オフの切り替えを鋭くする—これは低消費電力で信頼性の高い電子機器に不可欠だ。同時に、これらのデバイスは放射線損傷に対して非常に強いことが示され、人工衛星、原子力施設、医療用イメージング装置など、通常のチップが早々に劣化する用途に有望である。要するに、ガンマ線処理は工場に導入可能な実用的な一工程を提供し、より高速な携帯機器やデータセンターから、今日のシリコンが機能できない過酷な環境で動作する電子機器まで、カーボンナノチューブトランジスタを日常用途に一歩近づける手段となるだろう。

引用: Zhang, K., Gao, N., Zhang, J. et al. Boosting carbon nanotube transistors through γ-ray irradiation. Nat Commun 17, 1896 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68673-0

キーワード: カーボンナノチューブトランジスタ, ガンマ線処理, 耐放射線電子機器, 低消費電力チップ, ポスト・ムーアの半導体技術