原子制御薄膜成長法を武器に、「酸化物」の可能性を追求

――薄膜電子材料学とは、どんな研究分野ですか。　

　さまざまな電子情報機器などに使う物質を材料として使える形にするためには、薄膜にする必要があります。厚さがナノメートルスケールというような非常に薄い膜の形を整える技術が重要で、これまでの２０世紀のエレクトロニクスにおいてもずっと追求されてきました。今まで半導体や金属などに古くから使われてきた薄膜の研究分野で、私どもは「石ころ」のような酸化物を薄膜状にきちんと形を整えることに注力してきました。

――先生の数々の研究成果は、作る技術と、作ったもののアプリケーションに分かれますが、前者から具体的にご説明ください。

　酸化物の薄膜の表面を原子レベルで真っ平らにする技術を、私どもがいちばん最初に開発しました。そうすると違う材料を貼り合わせたり、交互に積層したりする超格子などが作製できるのです。これは、pH（酸性度）を調節した特殊な溶液で表面を溶かすことがキーになるのですが、９４年に発明しました。その後、この技術で平坦化された基板は「川崎基板」と呼ばれ世界中で使われています。それで酸化物のアトムテクノロジーへ一気に突入したわけです。
　基板の上に原子の薄膜をつける時に、酸化物はなかなか蒸発してくれません。それで、レーザー光線をあてて、瞬間に酸化物を蒸発させて、原子を積み重ねて薄膜を作ります。この技術は「パルスレーザー堆積法」と呼ばれて１層ずつ原子が積み重なる過程を電子線で見るという技術を組み合わせることを、私どもが中心になって技術開発しました。
　これまでその方法では、１枚の基板に１種類の材料をつけるか、２種類のものを交互につけるか、いずれにしても一枚の基板の上はどこを見ても同じものをつけるという発想でした。しかし、最近では、例えば基板上のエリアを１０丁目１０番地までと区切ると、１００個のお互いに異なった試料を一度に合成できる、コンビナトリアル合成技術（以下コンビに略）を開発しています。この技術はもともと創薬技術に使われており、今、製薬会社では一人の研究員が一日に約数十万個の薬の候補の分子を合成しています。私たちは、溶液有機合成で発明されたこの技術を、固体を一回蒸発させて気体にして、再び固体に戻す薄膜化技術に応用する研究を、東京工業大学の鯉沼先生と共にここ７〜８年取り組みました。そして、一枚の基板の上に１００個から１万個位の種類の異なる薄膜材料を一回に作りつける技術を完成させました。

――作る技術を活かして、アプリケーションの研究にトライした際の基本的な考え方についてお聞かせください。

　積層した薄膜を１回で大量に作れるようになり、次はそれを役に立つ技術に活かそうと考えました。私はそのキーワードを「酸化物」とし、情報化社会に役立つ電子機器のデバイスに着目しました。エレクトロニクスの進展を支えてきた半導体に限界がささやかれ、この半導体にはできないこともたやすく可能にする天才児、酸化物に注目したわけです。ただし、酸化物は一芸に秀でているものの、オールマイティではありません。なかなか気難しく扱いもそれ相当にめんどうです。その代表格が酸化物半導体と強相関電子酸化物です。酸化物半導体は、原料も安くありふれています。シリコンなど普通の半導体は、金属光沢を持つねずみ色ですが酸化物半導体は無色透明です。しかし人間の目に見えない紫外線は吸収するので、逆に光らせると紫外線が出るというわけです。また、透明なので、目に見えない電子回路やメモリを作れます。一方で強相関電子酸化物では、半導体には少ないのに比べてたくさんの電子を持ち、電子が動けない状態とドロドロ流れる状態との２つの間を非常に弱い刺激でスイッチできます。それで、半導体とは違った原理のスイッチやメモリを作ることができるのです。
　酸化物は、酸化物半導体も強相関電子酸化物も、シリコンなど従来の半導体の延長線上では不可能な新しいエレクトロニクスを可能にします。そこで、コンビや原子制御薄膜成長法を武器に、前人未到の新しい物質、新しい機能を探そうというのが私の考えです。

――その成果をご紹介ください。

　私どもの研究成果は、まず光触媒の材料にほんの少しコバルトを入れると透明な磁石になることを2001年に見つけました。ほんの少し磁性元素を混ぜた半導体が磁石の特性を持つとその中の電子はスピンの向きが100％そろうはずなので、その確認の作業を行いました。2004年にそれを実証し、発表しました。
　室温で強磁性の性質を持つ透明な半導体ができ、しかもスピンの向きが100％そろっていることから、40％程度のこれまでの金属磁性体に比べて情報記憶容量が格段に多い透明なスピンメモリーや、スピンスイッチ、スピンセンサーなどに応用できるはずです。

――この透明な酸化物半導体は、コンビを駆使した成果ですよね。

　そうです。そのきっかけは、「透明な磁石を作る」という命題を持って、透明な酸化物半導体に少しだけ磁性を持つ元素を添加しようとしたこと。前者は４種類位、後者は２０種類位あるので、２色混ぜまで含めると天文学的数字のサンプルを作らないとダメでした。これを従来法で１個ずつ作ると、ラチがあかない。それが、コンビを使うと全部、簡単にできるのです。結果としてサンプル数が多く取れるので、点ではなくきれいな線のグラフ・データになり、背後の物理現象がわかり最適化しやすかったのです。日数をかけると実験条件が変わったり、人間がコントロールできない要因や誤差が加わったりしますが、コンビを使えば１回の実験で解明できますからね。
　コンビの装置も開発し実用化させました。特定のリソース、研究用資源に対して最大のインカムを得ようとコンビ技術を導入すれば、人件費を削減してスピーディに結果を出せますから、企業からのこの装置の引き合いは多いですね。

――実験にコンビを使えば、重複もあり得るわけですが、その対応策などを含めさらに進展させるお考えがあるのでしょうか。

　今まで積み上げてきたデータベースと同じ実験をしてしまうことは、避けたいですね。それには、全部コンピュータ管理した上で、もれなく、ただし重複はなく実験データを積み上げるように、データ管理していくことが重要です。作ったサンプルのライブラリーのうち、出てきた性能や性質は全て、コンピュータで分析評価されます。さまざまな分析手法でのデータを並べると、どこが当たりクジに近いか、人間が判断するには追いつかなくなります。それで、この先は、私たちは「インフォーマティクス」と呼んでいますが、既存のデータと新しく作ったデータとを統合して、データを掘り起こし意味のあるデータをすくい取る技術、さらにそれの延長線をとって次の一手を考える技術をすべて統合しなければならないと考えています。材料開発に応用できる「インフォーマティクス」を作るのが、私たちの夢です。100人の研究者が能動的にこれを使えば、100通りの道筋ができて、面白い発見がどんどん生まれてくるはずです。

――約20年の研究活動の中で、もっとも転機となったことはどんなことですか。

　9１年から「さきがけ研究」のサポートを頂いたことでしょうか。「光と物質」という領域で若手研究者20人位が集まり、それぞれ独自の研究をしながら年に３〜４回集まり研究討論をしました。「光」と「物質」は関連のない抽象的なテーマであり、それが「さきがけ研究」の伝統なのですが、その方が非常にスペクトルの広い研究者が集まるわけです。そうすると、この会でなければ絶対出会えない人が集まるので、とても刺激になり、いろいろな共同研究を始めるきっかけになりました。その時の私は、酸化物の薄膜を原子一層ずつ積み重ねる研究を一生懸命にやっていましたが、「半導体を原子レベルで積み重ねた時に、ある特定の厚さの時だけ非常によく光る」という理論の研究者がいて、ビールを飲みながら話をしました。私は「原子51層なら、そこでピタッと止めて作ることができる」と言ったら、その研究者から「それなら私の理論を実証してくれ」と言われ、それなら一緒に研究しようということになりました。それが酸化亜鉛の研究の端緒で、後に発光ダイオードの成果につながったのです。
　当時、粉末状の酸化亜鉛が緑に光ることは知られておりましたが、青や紫外の領域で光らせることは無理というのが常識でした。そこに、私たちがモダンサイエンスのメスを入れて、原子レベルで制御した酸化物の薄膜成長技術を持ち込んだところ、たちどころに青や紫外で光ったのです。96年にこれを発表したら、いろんな研究者が参入することになりましたね。

――最近、発光ダイオードの新たな研究成果を発表され話題を集めましたが、画期的な技術ポイントはどこにあるのでしょうか。

　９６年には光励起の実験で酸化亜鉛を光らせたのですが、この実験はレーザーを使いものすごいコストがかかりました。私は、電池をつないで電流を流すだけで光らないと実証した意味がないと、そのためにどうするか考え、ＰＮ接合に着目しました。電子の多いＮ型（マイナスの性質）とその反対のホールを持つＰ型（プラスの性質）を同じ材質の半導体で貼り合わせて、そこに電流を流すと、電子とホールが出会って光を出すわけです。この原理を使ったのが、酸化亜鉛の発光ダイオードです。酸化亜鉛は、元来は電子が多いＮ型にしかならないというのが常識でした。これを私たちは８年かけて覆し、Ｐ型を作って04年12月に発表したのです。