日本伝統の「和装柄」がヒントに 半導体の高度な熱管理につながる技術：熱が逃げやすい方向を温度で決める

東京大学は2024年4月5日、日本伝統の和装柄である青海波（せいがいは）から着想を得て、熱を運ぶ粒子の「フォトン」の指向性を利用することで、熱伝導の異方性を温度で逆転させる構造を実現したと発表した。発熱の激しい先端半導体などの熱管理技術への応用が期待される。

[半田翔希，EE Times Japan]

青海波のデザイン［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　東京大学は2024年4月5日、シリコンにおいて、日本伝統の和装柄である青海波（せいがいは）から着想を得て、熱を運ぶ準粒子である「フォトン」の準弾道的輸送^＊1）を積極的に利用することで、80K（ケルビン／−193℃）付近で熱伝導の異方性を逆転させる構造を実現したと発表した。今後、発熱が激しい先端半導体などにおける熱管理技術の発展への貢献が期待される。

＊1）物性物理学で、エネルギーを輸送する粒子が他の粒子と相互作用せず、弾丸のように直線的に運動すること。

　今回の研究では、熱伝導の異方性を持つナノ構造として、日本の伝統的な和装柄の一つである青海波に着目し、青海波ナノ構造における熱の伝わり方を調べた。

　室温付近では、フォノンの指向性が弱く、ランダムな方向に散乱しながら高温側から低温側に拡散的に熱が伝わった（拡散的熱輸送領域）。

青海波ナノ構造における熱の流れと熱伝導率の異方性が温度で逆転することを示す概念図［クリックで拡大］ 出所：東京大学　

　温度差が波形上に垂直な構造（上図の右側。扇を横に寝かせたように見える波形）では、波形上に平行な構造（同左側）と比較して、熱が伝わりにくい構造になっていて、熱伝導率が低くなる。一方で、温度を80K未満にすると、フォノンの平均自由行程^＊2）が長くなって真っすぐに進みやすくなるため、ナノ構造に沿った方向に指向性を持って伝わりやすくなる（準弾道的熱輸送領域）。温度差が波形上に平行な構造では、フォノンの指向性により、フォノンの逆流が生じて熱伝導率が減少する。つまり、80Kを境にしてフォノンの指向性の有無が変わることで、熱伝導率の異方性が逆転することが分かった。「温度を変えることで熱の流れやすい方向を90度変えられる」ことになる。

＊2）運動する粒子が、お互いに衝突などにより大きくエネルギーと進行方向を変えるまでに移動する平均距離のこと。

青海波デザイン（左）と青海波ナノ構造の電子顕微鏡写真および熱伝導の異方性の温度依存性（中央／右）［クリックで拡大］ 出所：東京大学

　半導体デバイスの高度化や小型化が進む中、電子機器の性能や信頼性、寿命などに大きく影響する熱管理の重要性が高まっている。特に、ナノ構造での熱伝導現象は、フォノンの準弾道的な性質と表面による散乱の影響が顕著に現れる。そのため、シリコンをはじめとする半導体材料のナノ構造における特殊な熱伝導現象を理解し、熱流の制御に応用するための研究が行われている。

　熱伝導は方向性がないため、異方性を持つ構造を実現できれば、熱が伝わりやすい方向を決めることができる。それにより、電子デバイス内部の発熱が激しい場所からの熱を、温度を上昇させたくない部分を避けて逃がすようにするなど、自由度の高い熱設計が可能になる。これまで、黒リンや酸硫化チタン、テルル化タングステンなど、材料自体が異方性を持つ2次元材料が研究されているが、等方的な材料にナノ構造を形成し、さらに温度によって熱が逃げやすい方向に逆転させる機能は実現していなかった。

　同研究グループは、今後について「ナノワイヤネットワーク構造や材料をさらに探求し、高い温度まで指向性を維持することで、熱伝導の異方性を室温でも実現できることが期待できる。温度によって異方性が逆転するコンセプトは、半導体デバイスの放熱設計に応用できると考えられ、半導体デバイスの信頼性の確保や長寿命化につながる熱管理の実現に貢献する」とコメントした。