光を当てると性質が書き換わる半導体、1インチ角の膜で実証

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光を当てるだけで性質が書き換わり、別の色の光を当てると元に戻る。そんな半導体の薄膜を、プリンストン大学のチームが1インチ角（約2.5センチ四方）の大きさで作りました。論文は2026年7月1日付で科学誌Science Advancesに掲載され、9月に入って大学の公式サイトや電子工作系メディアのHackadayが取り上げています。

仕掛けの主役は、アゾベンゼンという昔から知られた分子です。光の色によって形が変わるこの分子を、極限まで薄くした半導体の上に載せると、分子の形の変化がそのまま半導体の電気的な性質の変化になります。

作ったあとは変えられない半導体の性質

テレビにもノートパソコンにも電子レンジにも半導体が入っていますが、その性質は工場で作った時点でほぼ決まります。どのくらい電気を通しやすいか、トランジスタが何ボルトでオンになるか。こうした値は、製造時に混ぜ込む不純物の量や構造で決まり、出荷後に変えることは基本的にできません。

回路の機能を変えたければ、設計をやり直して作り直すか、あらかじめ多めに部品を積んでおいてつなぎ方を切り替えるか、どちらかになります。半導体の進歩はこの50年、部品を小さくして数を増やす方向で進んできましたが、微細化は物理的な限界に近づいています。そこで、小さくするのとは別の道として「作ったあとで性質を変えられる材料」を探す研究が続いています。

論文の筆頭著者であるJaehoon Ji研究員は、大学の発表のなかで、これからの電子材料は小さくするだけでなく、状況に合わせて変われるものにしていく必要があるという趣旨の話をしています。

光で形が変わる分子と、原子3個ぶんの厚さの半導体

アゾベンゼンは、ベンゼン環2つを窒素の二重結合でつないだ分子です。ふだんは2つの環がまっすぐ伸びた形（トランス体）をしていますが、紫外線を当てると真ん中で折れ曲がった形（シス体）に変わります。そこに可視光を当てると、また伸びた形に戻ります。光の色で2つの形を行き来するこの性質は光異性化と呼ばれ、染料や光で動く材料の研究で長く使われてきました。

上の2枚は、可視光の下で分子が伸びている状態と、紫外線で折れ曲がった状態を並べた想像図です。

もう一方の材料は、遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）と呼ばれる半導体です。今回使われたのは二硫化タングステン（WS2）と二セレン化タングステン（WSe2）の2種類で、どちらもタングステン原子の層を硫黄やセレンの原子が上下から挟んだ、原子3個ぶんの厚さしかないシートです。ここまで薄いと、電気の流れる場所がほぼすべて「表面」になります。表面に何かが載れば、その影響をシート全体がまともに受けます。

チームはこのシートの上にアゾベンゼンの層を重ねました。厚い半導体なら表面の分子が多少動いても中身には響きませんが、原子3個ぶんの厚さなら話は別です。

ゲート電極の役目を果たす分子の向き

トランジスタは、ゲートという電極にかける電圧で、半導体の中を流れる電気の運び手（キャリア）の量を増減させ、電流をオン・オフしています。キャリアには、電子と、電子の抜けた穴である正孔の2種類があり、電子が主役の半導体をn型、正孔が主役のものをp型と呼びます。

アゾベンゼンが折れ曲がると、分子の中で電荷の偏りが大きくなります。この偏りを持った分子が半導体の表面で向きをそろえて並ぶと、表面にごく弱い電場の層ができ、外からゲート電圧をかけたのと同じ効果が半導体に及びます。論文はこれを「光学的なゲート」と表現しています。紫外線で分子を折り曲げればゲートがかかり、可視光で伸ばせば外れる。電極も配線も使わず、光の色だけでキャリアの量を上げ下げできるわけです。

論文の要旨によると、変えられるキャリア密度は1平方センチメートルあたり約2.5×10の12乗個。n型でもp型でも同じように効き、電子の量も正孔の量も制御できました。実際にトランジスタを作って測ると、オンになる電圧（しきい値電圧）が光を当てる前後で動き、別の色の光で元に戻っています。

しかもオンとオフの2択ではありません。Ji研究員は、0から1へ一気に切り替えるのではなく、応答を少しずつ調整して、また逆向きにたどれると説明しています。書き込み、消去、再書き込みを、光の当て方で連続的に行えるということです。

分子の選び方にも条件がありました。効果が出たのは左右が非対称な構造のアゾベンゼンで、対称に近い別のアゾベンゼンでは、しきい値電圧がほとんど動きませんでした。分子が折れ曲がるだけでは足りず、電荷の偏りの向きがそろって並ぶことが必要だと論文は述べています。

新しいのは現象ではなく面積

ここまで読むと、光で半導体を切り替える現象そのものが今回の発見のように見えます。実はそうではありません。光で形が変わる分子を二次元半導体に載せて性質を変える実験は、10年ほど前から各国のグループが報告してきました。Hackadayの記事も、二硫化モリブデンの薄片とアゾ分子を組み合わせた先行研究があったことに触れています。

ただし、それらの多くは、顕微鏡でようやく見える大きさの薄片（フレーク）1枚の上での実証でした。たまたまきれいに剥がれた1片で動くことと、工業的に意味のある面積で、どこを測っても同じように動くことの間には大きな差があります。論文の要旨が問題にしているのもこの点で、これまでの実証はマイクロメートル規模の単一フレークにとどまり、規模の拡大と技術としての現実味に限界があった、と書いています。

今回のチームは、センチメートル規模の均一な単層膜を用意し、その全面にアゾベンゼンを載せました。責任著者のSaien Xie助教は、原子3個ぶんの厚さの半導体膜をウェハーサイズで均一に作る研究を以前から手がけてきた人物です。その膜の上に、縦12個×横5個、計60個のトランジスタを並べ、分子が伸びた状態と折れ曲がった状態のそれぞれでしきい値電圧の分布を測定しています。1個の素子が動いたという話ではなく、並べた素子がそろって切り替わることを示したのが、この研究の中身です。

上の画像は想像図です。実際の試料の写真は、出典に挙げたプリンストン大学の発表ページで見られます。

光を使う利点もここで効いてきます。光は当てる場所を絞れるので、膜の一部だけを書き換えて、隣は元のままにしておけます。論文は、大面積での制御に加えて、場所を精密に選んだ書き換えができることも成果に挙げています。配線を引き直さずに、同じ膜の上の性質の分布を光で描き変えられることになります。

回路になるまでの距離

現時点でできているのは、光で書き換えられるスイッチの配列までです。スイッチ同士をつないだ回路はまだなく、チームは次の段階としてその接続に取り組んでいると発表しています。Xie助教は長期的な目標として、機能が製造時に固定されず、作ったあとで組み替えられる電子機器を挙げていますが、今回の成果はそこへ向かう一歩だと本人も位置づけています。

実用を考えると、確認したい点はいくつも残っています。切り替えにかかる時間、何回書き換えても劣化しないか、書き込んだ状態をどのくらい保てるか。アゾベンゼンの折れ曲がった形は、一般に、光を当てなくても熱でゆっくり伸びた形に戻っていく性質があります。記憶として使うのか、センサーのように変化そのものを利用するのかで、この性質は欠点にも利点にもなります。

論文の結びでは、光以外への展開にも触れています。形が変わる分子には、電場、化学物質、温度、磁場に反応するものもあります。アゾベンゼンをそうした分子に置き換えれば、周囲の状況に応じて半導体の側が自分で性質を変える材料が作れるかもしれません。応用先としては、センサーや光と電気をまたぐ素子、より電力を使わない計算技術が挙げられています。

Hackadayのコメント欄には「この技術を使った次世代の555（定番のタイマーIC）が部品通販に並んだら呼んでくれ」という書き込みがありました。製品になるのはまだ先の話です。それでも、半導体の性質は製造時に決まるという前提に対して、手のひらに載る大きさの膜で別のやり方を示した実験として、記録しておく価値のある成果です。