半導体産業はトランジスタ（電子回路において、信号を増幅またはスイッチングすることができる半導体素子）をより小さく作りながら性能を高めてきた。1つのチップにより多くのトランジスタを集積して演算速度を高め、消費電力を減らす方式だ。

しかし半導体プロセスが2nm（ナノメートル）級以下に微細化するにつれ、「どれだけ小さく作るか」を超えて「何で作るか」が重要な問題として浮上している。

トランジスタ内部で電流が流れる通路である「チャネル」が原子単位まで薄くなると、既存のシリコン素材では電流を精密に制御することが難しくなるためだ。漏れ電流や発熱が増え、素子性能が低下する問題も発生しうる。

イム・ヒョンソプGIST（光州科学技術院）化学科教授は「半導体プロセスが微細化を続ける中で、シリコンで性能を高めることに物理的な限界が来ている」とし「結局チャネルに使われる物質自体をより良い素材に変えなければならない状況だ」と述べた。

シリコンの代替案「2次元半導体」…鍵は大面積・均一生産

シリコンを代替・補完する候補として、原子層レベルまで薄い「2次元（2D）半導体」が挙げられる。代表的な物質は二硫化モリブデン（MoS₂）だ。MoS₂は硫黄原子の間にモリブデン原子が入ったサンドイッチ構造をしている。厚さが1nmより薄いながらも、電流のオン・オフを可能にするエネルギー間隔である「バンドギャップ」を持つ。

グラフェンも代表的な2次元素材だが、バンドギャップがほとんどないためデジタル半導体のチャネルとして活用するには限界がある。一方、MoS₂や二硫化タングステン（WS₂）、セレン化タングステン（WSe₂）などの遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）は、原子層の厚さでも半導体としての性質を維持する。薄い分、ゲートがチャネル内部の電流を制御するのに有利だという説明だ。異なる2次元素材を層状に積み重ねれば、既存のシリコン中心の平面構造を超えて3次元で半導体機能を集積することも可能になる。

2次元半導体の可能性は早くから確認されていたが、産業現場に適用するまでには超えるべき壁が少なくなかった。最大の問題の1つが大面積（広い面積）で均一な品質を確保することだ。粘着テープで層を剥がす機械的剥離法を使えば結晶性の優れた2次元素材を得られる。しかしサイズが数マイクロメートル（μm）程度に過ぎず、大量生産用ウエハーに適用するのは難しい。

化学気相成長（CVD）を利用すれば、より広い基板に非常に薄い半導体薄膜を成長させることができる。問題は原料の供給量や基板の表面状態、温度と圧力などの微細な違いによって素材の厚さや結晶方向、品質が変わりうるという点だ。

イム教授は「研究室で高品質な素材を一度作ることと、生産ラインで同じ品質を繰り返し作ることはまったく異なる問題だ」とし「産業では最高性能と同じくらい、ウエハーごと、ウエハーの位置ごとに品質が一定である『再現性』が重要だ」と述べた。続けて「2次元半導体物質をより良く、より大きく合成する技術を継続して開発している」とし「良い素材を一度作るだけでなく、なぜそのように作られるのかを把握し再現性を高めることが核心だ」と付け加えた。

「シェイク・アンド・ベイク」を超えて…合成原理を解明し再現性を高める

グラフィック=キム・ジヨン

イム教授は「高品質2次元半導体薄膜合成技術」を1つの解決策として提示した。核心は原子層レベルまで薄い次世代半導体素材を広い面積に均一に合成することだ。既存の方式が複数の原料と基板を装置に入れ、条件を変えながら結果を確認する「シェイク・アンド・ベイク（shake-and-bake）」手法だったのに対し、彼は前駆体（化学反応を通じて最終物質に変わる原料）分子と基板界面の相互作用を化学的に解明し制御する方式でアプローチした。

イム教授は「どのような条件で良い薄膜が出たかを記録するだけでなく、なぜその条件で結晶が一方向に成長し、なぜ厚さが変わったのかを分子レベルで明らかにすることだ」と述べた。

イム教授の研究チームは、従来主に使用されていた三酸化モリブデン（MoO₃）や三酸化タングステン（WO₃）などの固体原料の代わりに、オキシ塩化モリブデン（MoOCl₄）とオキシ塩化タングステン（WOCl₄）という無機分子前駆体を活用した。固体原料は加熱過程でどれだけ気化して基板まで伝達されるかを精密に制御するのが難しい。一方、分子前駆体を気体化すれば、流量制御器や微細調整バルブを使って投入量をより細かく調節できる。

イム教授は「料理をするとき材料を目分量で入れる代わりに計量道具を使って同じ味を繰り返し出すことと似ている」とし「前駆体と基板の間の『化学吸着』、前駆体とすでに成長した薄膜の間の『物理吸着』が圧力によって異なる作動をするという原理を実験と計算で明らかにした」と述べた。

イム教授は、合成の根本原理を把握することが研究チームの差別化ポイントだと強調した。中国や台湾をはじめとする海外の研究陣が新しい大面積合成法を次々と発表しているが、特定の装置や条件から得られた結果だけでは産業現場で必要とされる再現性を確保するのは難しいという説明だ。

彼は「どのような分子と基板がどのように相互作用するかを理解して初めて、条件が変わった場合にもプロセスを再設計できる」とし「特定の2次元素材にとどまらず、他の物質へ技術を拡張するためにも原理についての理解が必要だ」と述べた。

イム教授は10月29日、ソウル三成洞COEX B館プラスステージで開かれる「2026 K-プレミアディープテックフェスタ」で関連技術を紹介する予定だ。彼は「サムスン電子(215,500ウォン ▲5,500 +2.62%）やSKハイニックス（1,272,000ウォン ▲10,000 +0.79%）のような大企業だけでなく、半導体素材を開発する中小企業との協力も希望している」と明らかにした。

＜「K-プレミアディープテックフェスタ（技術移転・事業化）」参加申込＞

・日時: 2026年10月29日（木） 午後1時
・場所: ソウル三成洞COEX B館PLUS STAGE
・参加対象: 技術移転・共同研究・新規事業を検討する企業、出捐研機関ファミリー企業、投資会社
・参加費: 無料（事前登録必須）
・主催: 科学技術情報通信部、KAIST（カイスト）、GIST、DGIST、UNIST、MONEYTODAY ユニコーンファクトリー
・後援: 韓国科学技術情報研究院（KISTI）、科学技術事業化振興院（COMPA）
・申込: https://vvd.bz/buvX

<画像=イム・ヒョンソプGIST化学科教授/MONEYTODAY DB>

原文：https://www.unicornfactory.co.kr/article/2026101323470260792