特 別連載

ムーンショット・エフェクト── NTT 研究所の技術レガシー

第5回 光 トランジスタ誕生というムーンショット

ノンフィクション作家の野地秩嘉（のじつねよし）氏より「ムーンショット ・ エフェクト──NTT研究所の技術レガシー」と題するNTT研究所の技術をテーマとした原稿をいただきました．連載第5回目は「光トランジスタ誕生というムーンショット」です．本連載に掲載された記事は，中学生向けに新書として出版予定です（NTT技術ジャーナル事務局）．

■ビル ・ ゲイツは言った

電気信号を増幅すれば，たとえば小さい音を大きくす

ビル ・ ゲイツはこう語ったことがある．

ることができる．また，トランジスタのスイッチングは，「タイムマシンに乗ることがあったら，最初に降りる従来，使われていたメカニカルなリレースイッチ機構とのは1947年12月のベル研究所だ」．

は違い，機械的な故障はしない．しかも，リレースイッゲイツが見たかったのは世紀の瞬間だった．その冬，チよりもはるかに高速にオン ・ オフができる．

アメリカ ニュージャージー州郊外マレーヒルのAT&T

電気信号を高速でオン ・ オフできるようになれば，オベル研究所で「20世紀最大の発明」トランジスタが生まン ・ オフをそれぞれデジタル信号の「1，0」として利用れたのである．

できるようになり，演算処理に結びつく．

そして， 9 年後．トランジスタを発明した同研究所の3 人にノーベル物理学賞が贈られている．
理論物理学者のジョン ・ バーディーン，実験物理学者

で は， な ぜ 物 理 の 研 究 所 で は な く 当 時 の 電 話 会 社（AT&T）傘下のベル研究所がトランジスタ開発に取り組んでいたのか．のウォルター ・ ブラッテン，そして，固体物理学部門のそれまで電話会社は真空管とメカニカルなスイッチでリーダーだったウィリアム ・ ショックレーだ．トランジ

電話の中継器，増幅器を構成していた．しかし，機械式スタの発明には理論研究の人間だけではなく，実験してのスイッチは金属疲労などがあり，故障が多かった．中改良を加えていく研究家が必要だったし，さらに材料工継器の性能を上げるためにトランジスタの研究をしてい学の専門家の協力もあった．ひとりだけの発明ではなたのである．結果として，トランジスタの誕生により，く，多様性に富んだチームの総合力から生まれたもの

長距離通話の品質は上がり，また，中継器の故障は少なだった．

くなった．そのうえ，真空管から小さなトランジスタにトランジスタは進化を続け，何百万個ものそれが小さ代わったわけだから，装置は小型化された．

なマイクロチップに埋め込まれた集積回路となる．IC，そして，トランジスタは半導体と呼ばれる物質からでLSIと呼ばれる集積回路はロケット，自動車からスマホきている．半導体とは伝導体（金属などの電気を通す物などの携帯デバイスまで広範に利用されるようになり，質）と絶縁体（ゴム，プラスチックなど電気と通さない

現 在 の エ レ ク ト ロ ニ ク ス， デ ジ タ ル の 時 代 を 支 え て物質）の中間の性質を持つ物質のことだ．

いる．

■トランジスタと半導体

半導体にはさまざまな材料が使われているが，今のところシリコン（ケイ素）が主である．ただし，純粋な半トランジスタの動作は電気信号の増幅とスイッチング導体はあまり電気を通さない．そこで，ヒ素やリン，ホだ．そして，主にスイッチング動作（オン ・ オフ動作）

ウ素といった不純物をほんの少し加えて，電気的な性質を使った機能が演算，つまり，情報処理である．

を変えている．トランジスタは純粋な半導体ではなく，2021.1

81微量の不純物を加えた 2 種類の半導体をつなぎ合わせて作られている．

ビル ・ ゲイツはタイムマシンに乗らなくとも，厚木のナノフォトニクスセンタへ行けば，21世紀最大の発明をここまでが電気を使ったトランジスタの話だ．

見ることができるのである．

そして，このトランジスタの登場から半世紀以上を経では，納富のチームが研究を続けている光トランジスて，NTT研究所はフォトニクス時代のための基盤，光タとその進展は今後のデジタル社会，デジタル環境をどトランジスタの実証実験に成功した．

う変えていくのだろうか．

研究をリードしたのはNTT物性科学基礎研究所/ナノ■エレクトロニクス技術の限界
納富が光トランジスタとその後の研究を始めたのにはフォトニクスセンタの納富雅也（上席特別研究員）で大きな理由がある．

ある．
「私たちはこれまでに培ってきたナノフォトニクス技

それはインターネットに接続する電子デバイスの数が術を駆使することで，電気消費エネルギーゼロで光 ・ 電爆発的に増えたため，ネックワークに負荷がかかってい気変換を行う可能性を持つ『ナノ光検出器』と，従来のることだ．電子デバイスは省エネ化を進めてはいるもの

記録の17分の 1 の消費エネルギーで電気 ・ 光変換を行うの，何しろ数が増えているから，エネルギーの消費もま『ナノ光変調器』を実現し，このふたつの素子を組み合た大きく伸びている．そして，エネルギーを消費していわせて『光トランジスタ』を実現しました（図１）．

るのはネットワークのうちの光ファイバのようなケーブそして『光トランジスタ』の実現に続き，『光の干渉』

ル部分ではない．データセンタ，ルータといった情報通だけで動作する小型な光論理ゲート（光の性質を利用し信機器の内部に使われているプロセッサ（コンピュータてデジタル演算処理をする素子）“Ψ（プサイ）ゲート”の処理演算装置．CPUを指すことが多い）部分だ．つの低損失かつ高速な動作に世界で初めて成功していままり，たくさんのトランジスタが使われているところです．この結果は2020年 3 月に論文発表しました．この技ある．

術によって初めて具体的な機能を持つ低遅延かつ低消電子回路は性能を上げて行けばいくほど，消費エネル費電力な光電融合プロセッサを作ることができるでギーが増え，同時に発熱する．一方，光は処理が高速にしょう」

なっても消費エネルギーはほとんど増えない．回路のなあまり知られていないけれど，光トランジスタの誕生

かに光による処理を導入することができれば消費エネルギーと発熱を抑制することができる．

はまさしくムーンショットだ．

ポート 3
光出力

ナノ光受光器

n型半導体（不純物含む）n電極（金）

pAu
np

ポート 1
光入力

p型半導体
（不純物含む）

ナノ光変調器
負荷抵抗24 kΩ
2 μm

ポート 2 光入力
・ 2 種類の半導体（n型半導体とp型半導体）の接合により構成されている・ポート 1 から入力した光信号が，ポート 2 の光信号で制御されてポート 3 へ出力される光三端子素子

図18₂2021.1

光トランジスタの電子顕微鏡写真

特 別連載こうして納富は光の技術を光ファイバのような長距離工的な構造になっているのです．そして，フォトニックの信号伝送だけでなく，電子回路とも融合させて情報機結晶では，光が周期性を感じることができるような構造器のなかにも使っていこうと考えたのである．にしたところが重要なんです．

ただし，考えは正しかったが，実現するとなると，簡フォトニック結晶の構造は光のスピードを変えること単ではなかった．

もできます．光のスピードは秒速30万キロですが，それ納富は言う．

はあくまで空気中の場合で，シリコンのなかでは 3 分の「電気は電線を作ってやって，つなげていけば，信号１ になる．それは，屈折率分だけ遅くなるからです．たは通っていきます．そこから電子が飛び出たりすることだし，シリコンのなかを通すだけでは光のスピードをはありません．ところが，光はどこでも通ることができ100分の １ にするとか 1 万分の 1 にするとかということます．集積回路のなかで，非常に小さな光の配線を作っはできません．ところが，フォトニック結晶を使うと，て，つなげようとしても，光は漏れてしまう．光という光の速度がバンド構造（周期構造中の波動の振動数やエのは，どこでも通ることができることもあって，閉じ込

ネルギーは帯状の構造をとり，バンドギャップを持つ．

めるのが難しい．

固体結晶中の電子もバンド構造を持つ）で変わるので，その壁を破って，光を閉じ込めるのを可能にしたのは私たちが研究しているナノフォトニクスの技術です．都
市と都市の間のような大きなスケールで使われている非常に遅い光を作ることができます」
フォトニック結晶は光を閉じ込めるだけでなく，光のスピードを遅くする効果を持つわけだ（図 2 ）．

ネットワーク技術を限りなく小さくして，LSIチップのそして，納富は説明を続ける．

なかに入れました．そして，電気が不得意な部分を光の「光にとって世の中に存在している物質はすべて導体技術がカバーすることを考えました．すべてを光に置きです．ですから，光の半導体，光の絶縁体というのはな換えるのではなく，電気による回路と光の回路を融合さいんです．遮光カーテンは光を吸収しているだけで，光せることにしたのです．例えば，メモリ部分は電気が得を絶縁しているわけではありません．

意なところです．そこは電気がやる．一方，光はとにか一方，電気には半導体，絶縁体があります．ガラスがく速く通せるので，そういう通すところには光を使うと電気を通さないこと，シリコンが半導体になるのは，バいったことを念頭に置いて研究を始めました」

ンドギャップができるからなんです．

■フォトニック結晶

バンドギャップについて少し説明しますと，それは電

納富は光を閉じ込めることを可能にした技術，フォト子が存在することのできない領域（禁制帯）を言います，ニック結晶について説明を始めた．光を閉じ込めるとは電気を通す，通さないは電子が移動することができるかすなわち，光の導波路（通路）を作ることだ．光トランジスタを作るためにはまず，内部に光が行き来する通路
フォトニック結晶光共振器を作らないといけない．通路ができればそれを増幅した

光絶縁体により光が閉じ込められるり，スイッチングすることができる．まずは電気と違って，拡散する光をいかに閉じ込めて，いかに通路を進ま

Q値〜 10万

Q値＞100万体積＝0.1 μm3

体積＝0.2 μm3

せるかが課題だった．
「フォトニック結晶の研究は今から20年前に始めました．『結晶』という名前がついているから，不思議に思光絶縁体

われるかもしれませんけれど，別に結晶をつくっている
わけじゃなくて，単なる構造です．通常の結晶と形が似フォトニック結晶導波路ている構造体です．

バンド構造により導波路を通過する光の伝搬速度を制御可能

膜厚が200 nm（ナノメートル）というシリコン等の半導体の薄い膜でできていて，周期的な孔が空いている． シリコンは屈折率が3.5くらいで， 孔のところは，

図2

フォトニック結晶光共振器と導波路の電子顕微鏡写真

空気ですから屈折率は １ ．屈折率を周期的に変調した人

2021.1

83

どうかによる．つまり，バンドギャップがないのが鉄，る困難さ」は想像を絶する．

銅といった伝導体で，バンドギャップが大きいのがガラ「私たちから見れば光のデバイスのサイズは非常に大ス，セラミックなどの絶縁体です．

きいのです．今のトランジスタの １ 個のゲートサイズはフォトニック結晶は光についてのバンドギャップが大10 nm程度です．ところが，例えば，非常に小さい光デきい絶縁体になるわけです」

バイスの代表ともいえる半導体レーザは １ 個が300 μm■光のスピードをコントロールすること（ミ ク ロ ン）．300 μmと い う の は10 nmの 3 万 倍 で す．

納富は何でもさらっと説明するけれど，非常に遅いス

そういった光デバイスをどう小さくするかが課題でした」．

ピードの光を作ることができたのは革新的な発明ではな

ナノとかミクロンといった単位になると，一般の人間いのか．にはどれくらいの大きさなのか判断ができない．

この連載のなかで，「電池はあるけれど『光池』はない」

たとえば，人間の髪の毛の直径は90 μmだ．髪の毛と書いた．電気と違って光は溜めることができないからを 3 本合わせたのが半導体レーザの大きさだ．フォトだ．しかし，フォトニック結晶という構造体の通路に非ニック結晶を使うと，デバイスサイズを数μm程度まで常に遅い光を通すことができれば，事実上，それは通路小さくできる．これは長さで約100分の １ ，面積で考えのなかに「光を溜める」ことと同じではないのか．

ると １ 万分の １ のサイズに縮小する，ということに相当そう訊ねたら，納富はこう答えた．

する．

「確かにそうですが，最先端の技術を使っても光を溜一方，トランジスタのサイズは10 nm程度である．どめられる時間は100万分の １ 秒程度と極めて短いので光れくらいかといえばインフルエンザウイルス（100 nm）池として使える時間は限られています」．の10分の 1 サイズなのである．納富たちがやったのは髪■光の集積回路を作るの毛 3 本分の大きさの光デバイスをインフルエンザウイ

さて，話の続きである．

ルスよりはるかに小さくすることなのである．

「チップのなかに光の大規模な集積回路を実現するた納富がいるナノフォトニクスセンタは一般人の頭でめには，まず光を漏らすことなく閉じ込める構造を持つは，どう考えてもイメージすることができない極小の世配線（光の導波路）を作る必要があります．そして，集界を実現する場所だ．つまり，超人たちがいるところで積化の規模を大きくするためには，ひとつひとつの配線ある．

やデバイスのサイズを非常に小さくする必要がある．
この時，前述のようにフォトニック結晶は『光の絶縁体』として機能し，光を非常に狭い領域に閉じ込めることができるから，光の集積回路を作ることができます．
ちなみに自然界に電気を通さない絶縁体はいくらでもありますが，光の絶縁体は存在しません．フォクニック結晶という人工構造で初めて実現できたのです．
また，情報処理回路では演算処理する場合，前の信号を待たせて次の信号が来てから計算し，処理を行う動作が必要になります．しかし，これまでの光回路は光の信号を待たせることができなかった．つまり，光の速度をコントロールできなかったわけです．それで論理処理ができなかった．ところが，これまた先ほど言ったように，
フォトニック結晶は光の伝搬スピードを非常に遅くする学商学部卒業後，出版社勤務を経てノンフィクション作家に．日本
文藝家協会会員．人物ルポルター
ジュをはじめ，食や美術，海外文化などの 分 野で活 躍中．著 書は『高倉健インタヴューズ』『キャンティ物語』『サービスの達人たち』『ニューヨーク美術案内』など多数．
『トヨタ物語』『トことができます．実験では,フォトニック結晶を使い，ヨタに学ぶカイゼンのヒント』がベストセラーに．
『TOKYO通常の光のスピードの 5 万分の 1 という非常に遅い光をオリンピック物語』でミズノスポーツライター賞優秀賞受賞．

作ることに成功しました」．

近著は『日本人とインド人』（翻訳 プレジデント社）．

納富は淡々と付け加えたが，「光デバイスを小さくす84

野地秩嘉（のじつねよし）
1957 年東 京 都 生まれ．早稲田大2021.1