半導体関連

　東京大学と産業技術総合研究所（産総研）、パイクリスタル社（ダイセル子会社）の共同研究グループはこのほど、印刷法で製造した大面積・高性能有機半導体単結晶ウエハー表面に非破壊で高選択的に二次元電子系を形成するドーピング手法を開発し、従来の金属製歪みセンサーの10倍程度の感度をもつ歪みセンサー開発に成功したと発表した。

　有機半導体は軽量性、柔軟性、印刷適合性などに優れ、シリコン半導体に代わる安価で大量生産可能な次世代電子材料として期待される。半導体の電子状態の制御には不純物ドーピングが不可欠だが、ユニークな形やサイズの有機半導体分子とドーパント分子が複合化すると単結晶性が乱れ、その高い電子性能は維持できない。

　今回、有機半導体単結晶薄膜をドーパント分子溶液に浸漬するだけで表面がドーパント分子と反応し、有機半導体の単結晶性を維持したまま表面に高密度の二次元電子系を形成させることに成功。有機半導体単結晶デバイスの抵抗を精密に制御でき、抵抗値を7桁以上下げられる。結晶性が保持されているため、単結晶性に特有の巨大歪み応答効果も現れ、外部応力に応じて抵抗値が変わるフレキシブル歪みセンサーが実証された。

　この技術により有機半導体を厚さ7㎛のフレキシブル基板上に印刷し、曲面に貼り付け可能な歪みセンサーを開発した。感度は0.005％程度と従来の金属製歪みセンサーの約10倍。繰り返し使用に耐えることも確認した。さらに、より高性能な有機半導体材料やドーパント材料の開発により、安価で大量生産可能な歪みセンサーデバイス、特にIoT社会に必要なRFIDタグやトリリオンセンサーユニバースへの貢献が期待される。

　パイクリスタル社は高い安定性と性能をもつ有機半導体単結晶の成膜技術を独自開発し、フィルム状でフレキシブルな有機半導体デバイスを開発してきた。今回の歪みセンサーと有機半導体デバイスの事業化に向けた量産体制の確立を進めており、有機半導体デバイスの開発・マーケティング活動を加速し、新たなソリューションを提案していく考えだ。

旺盛なファウンドリ投資、中国は世界最大市場に

　SEMIはこのほど、世界の半導体製造装置市場予測を発表した。2020年の半導体製造装置（新品）販売額は、前年比16％増の689億ドルと過去最高額を記録し、中でも旺盛なファウンドリおよびメモリーへの投資によって中国が初めて世界最大の市場となる。そして、世界市場の成長は今後も継続し、2021年には719億ドル、2022年には761億ドルに達する見通しだ。

　工程別に見ると、前工程と後工程の両装置が拡大する。ウェーハファブ装置（ウェーハプロセス処理装置、設備装置、マスク/レチクル製造装置を含む）市場は、2020年には同15％上昇し594億ドルに達し、2021年には同4％、2022年には同6％の成長が継続する。また、前工程ファブ装置の売上の約半分を占めるファンドリとロジック分野では、2020年は最先端テクノロジーへの投資にけん引され、同10％台半ばの増加となり、300億ドルに達する見込み。NANDフラッシュの製造装置投資額は、2020年は同30％と急増し140億ドルを超え、2021~2022年はDRAMの装置額が市場拡大に貢献する。

　パッケージング装置市場は先進パッケージング・アプリケーションにけん引され、2020年は同20％成長の35億ドルに増加し、2021年に同8％、2022年に同5％成長すると予測される。半導体テスト装置市場は5Gならびに高性能計算（HPC）の需要により2020年は同20％成長の60億ドルに達し、2021～2022年も成長が持続する見通しだ。

　一方、国別の動向を見ると、2020年の投資をリードしたのは、中国、台湾、韓国の市場となる。旺盛なファウンドリとメモリーへの投資によって、中国は2020年に181億ドル（前年比35.1％増）と、初めて世界最大の半導体製造装置市場になる。しかし、2021年以降は米中対立の影響を受け、2021年168億ドル、2022年156億ドルと失速することが見込まれる。代わりに韓国が、メモリーの回復とロジック投資の増加を背景に、2021年（189億ドル）と2022年（197億ドル）は首位になる見通しだ。台湾は、2020年は2位の168億ドルとなり、今後も最先端のファウンドリ投資を中心に旺盛な投資になる見通し。日本は、2020年は73億ドルだが、2021年79億ドル、2022年84億ドルと成長が続き、上位3カ国（中国、台湾、韓国）に次ぐ位置を維持していく見込みだ。

　東京大学、産業技術総合研究所（産総研）、広島大学などによる共同研究グループは、世界で初めてポリマー半導体の立体障害と分子ドーピングの相関を明らかにし、ポリマー半導体の「隙間」サイズを制御することでドーピング量を100倍向上させることに成功した。

　半導体の結晶中に不純物（ドーパント）を添加することで、半導体中の電子数やエネルギーを精密に制御できる。　シリコン半導体のドーピングは、シリコン原子を別の原子に置換して行うが、ポリマー半導体のドーピングはユニークな形・サイズのポリマー分子とドーパント分子を複合化する必要があり、複雑な立体障害を制御する必要がある。

　同グループは結晶性ポリマー半導体へのドーピングに着目し、結晶性ポリマー半導体1ユニット当たり1ドーパント分子を高密度に複合化する技術を開発したが、ドーピング効果を最大化する分子設計指針は明らかではなかった。

　今回、結晶性ポリマー半導体のナノスケールの「隙間」に着目し、立体障害と分子ドーピングの相関を系統的に調査した結果、電気を流す骨格に周期的に付いた側鎖の密度を精密に制御し、隙間を適切に拡張することで、分子ドーピング量を100倍程度増加させることに成功。隙間を拡張した結晶性ポリマー半導体は従来の3倍程度の体積のドーパント分子を複合化でき、ほぼ最密充填された分子複合体を作製することにも成功した。

　結晶性ポリマー半導体の隙間とドーパント分子サイズの関係が明らかとなり、これまでにない様々な分子複合体材料の設計指針が明確になった。また、最密充填した分子複合体は金属のように電気が流れやすく、熱耐久性や環境耐久性も向上することが分ってきた。今後、異なる分子の複合化という単純な化学操作による革新的な電子・イオン材料の創製が期待される。

　SEMIはこのほど、半導体向けシリコンウェーハ出荷面積の年次予測を発表した。これによると、2020年の出荷面積は、2019年の落ち込みから回復し、前年比2.4％の成長となる。その後、2021年に5.0％成長、2022年に5.3％成長、2023年に4.1％成長と継続的な成長が見込まれる。

　SEMIの市場調査統計担当ディレクタのクラーク・ツェン氏は、「今年の出荷面積は、地政学的緊張、世界的な半導体サプライチェーンのシフト、新型コロナウイルス感染拡大の影響などにもかかわらず回復が進んでいる。新型コロナの感染拡大が加速させたデジタル化により、企業およびそのサービス提供方法が世界中で様変わりしており、この成長は2023年まで継続すると予測している」とコメントしている。