インタビュー⽇経 xTECH 掲載
2024年05⽉10⽇
理研の十倉氏とロームの中原氏が語り合うマルチフェロイックスとSiC/GaNが
融合する未来
※ 内容、登壇者の肩書は取材当時のものです（2024年1⽉）
現在、日本の研究開発は弱体化傾向にある。日本の研究開発費（2023年）は米国、中国に続く第3位を維持しているものの、その伸び率は低迷しており、さらに論文数では中国、米国、インド、ドイツの後塵（こうじん）を拝しているからだ。研究成果は、次なるビジネスのタネである。タネがなければ、日本経済は新しいビジネスを生み出せず、ジリ貧に陥る危険性が高くなる。今後、日本の研究開発はどのような方向に進むべきなのか。理化学研究所（理研） 創発物性科学研究センターの十倉 好紀氏と、ローム 研究開発センターの中原 健氏が議論した。
多岐な研究開発のテーマをどう選ぶか
――研究開発のテーマは多種多様。難易度は低いが高い確度で成果が得られるテーマもあれば、難易度が高く成功率が低いが成果を得られればインパクトが極めて大きいテーマもある。大学や公的研究機関はどちらの研究テーマを選ぶべきなのか。
創発物性科学研究センター
センター長
工学博士
十倉 好紀 氏
十倉氏（以下、十倉）そもそも最初から壮大な研究テーマを考えて、それにチャレンジしたとしてもほとんどはうまくいきません。研究の始まりは「こういうことを実現したい」という研究者の小さな思いです。
私は、「マルチフェロイックス」という分野で研究をしています。一般にコイル中で磁石を動かすと電磁誘導が発生し、電気と磁気が変化します。このときコイルに電流を流さずに電界だけで磁石を作れれば、わずかなエネルギーしかいらない。この現象を電気磁気効果と呼びます。一般的な電磁気学とは異なる新しい現象です。これを実現させたい。その思いから研究に着手しました。
しかも当初は効果が小さくても、低温でも構わないので、原理的に新しいものを見つけることを目指しました。そうして研究テーマを少しずつ大きくしていく。例えば、温度を高くして室温でも起きるようにしたり、効果を1000倍、1万倍と徐々に大きくしたりしていくわけです。研究テーマは徐々に大きくなります。しかし、すべて順調に進むとは限らない。途中で挫折することも少なくありません。
中原氏（以下、中原）十倉先生は、思い通り研究が進まなくなった場合はどうされるんですか。
中原
研究を始めるきっかけになるタネは、どうやって見つけていますか。
十倉
やはり、無から有は生じません。どこかにタネはあります。例えば、マルチフェロイックスの分野であれば、「電流を流さずに電界だけで磁石を作ること」がみんなの夢でした。私はもともと物理が専門で、高温超電導体や磁性体などを研究していた経験があります。そうした背景から常々、「固体の中で電気と磁気がどう絡み合えば、この夢を実現できるのか」と考えていました。すると、あるとき「この方法だったら実現できるのでは」というアイデアが浮かびます。この妄想を試すわけです。
小さく始めて大きく育てる
十倉
一方で、エンジニアリングの王道として「バックキャスティング」と呼ぶ手法があります。これは、産業界で必要とされるデバイスを目標として、それを実現するために未来から現在にさかのぼって道筋を記述し、現在から少しずつたどっていく手法です。しかし、研究ではこの手法は採れません。研究はとても新しいことを対象にするため、未来から現在への道筋が描けないからです。むしろ研究では、現在の研究成果の延長線上で未来を予測して次の目標を決める「フォワードキャスティング」の手法で進める必要があります。
フォワードキャスティングを採った場合は、目の前にある小さなバリアーをいかに超えるかが課題になります。私は、この課題解決のために「揺らぎ」を大切にしています。寄り道をしたり、人の話をボーッとして聞いたり、会議をしたりしたときに解決策が急に頭に浮かぶことがある。これが揺らぎの効果です。だから中原さんが、「こんなことが実現できたら面白いよね」と話してくれたりすると、それが揺らぎとなり、新しいアイデアを思い付いたりします。
研究開発センター
統括部長・フェロー
博士（理学）
中原 健 氏
中原
分かります。揺らぎによってアイデアが頭に浮かぶのは、普段からどこに向かうのか、何を実現したいのかという問題意識を常に持っているからですよね。
十倉
はい、私の問題意識は「ドミノ倒しみたいなことを実現させたい」ということです。ドミノ倒しとは、最初にわずかな力を加えただけで、最終的に爆弾が「ボン」と爆発するような現象です。例えば、超電導は当初、温度が10K（ケルビン）や20Kといった超低温でしか現象が確認できなかったのですが、現在では室温（135K程度）で確認できるようになりました。このように物理現象の応答を巨大化することを、電気と磁気の相互作用で実現させたい。これはいつも頭の中に置いています。
恐らく、研究者であれば、従来に比べて応答や物性が桁違いに大きい新しい原理を見つけたいと思っているはずです。しかし、最初から2桁大きい応答や物性を見つけようとしても、なかなかうまくいかない。とにかく、小さな応答や物性を見つけることから始めないといけません。
――やはり大学や公的研究機関では、難易度が高い研究テーマを選ぶべきなのか。
十倉
もちろん大学の研究も様々です。企業と同様に、バックキャスティングの手法でデバイスの性能を少しずつ高めていく研究も必要でしょう。その対極にいるのが夢を追求する研究テーマになります。成果が出なければお金にならず、研究費がなくなります。そのリスクは大いにありますが、大学では夢を追いかける研究も「アリ」だと思います。
中原
現在、そうした夢を追求する基礎研究テーマは増えているのですか。
十倉
今は基礎研究の元気がなくなっていて、投資額も減っています。このため基礎研究でも2年先、5年先の産業応用を目指せと言われるようになってきました。ただし現代は、リニアモデルが成立していた50年前とはまったく異なります。基礎研究と産業応用の乖離（かいり）がどんどん進んでいます。基礎研究の成果がそのまま社会実装されるケースは少なくなっています。
「選択と集中」は正しいとは限らない
――企業は、大学に対してどのような研究テーマに取り組んでほしいのか。
中原
大学の研究は、多様性があってほしい。そう願っています。親が病気で、それを治したいから医者になる人がいます。そういう人は病気の原因を原理から追究する研究よりも患者を治す医者を目指すでしょう。一方で、十倉先生のように物理を原理から変えて、「21世紀の物理」を構築したいという研究者もいます。この幅の広さが大学の魅力です。
十倉
中原さんは、大学や公的研究機関における基礎研究の現状についてどう見ていますか。
中原
少し「役立つ」を意識し過ぎでは、と思っています。大学の研究は、「選択と集中」をしたらダメだと思います。多様性を失うからです。選択が正しければ集中した方がいいですが、この山を取ったら確実にもうかるなんて、誰が分かるのでしょうか。
例えば、現在の効率が60％のデバイスを80％に高める。こういった具体的な目標があれば選択と集中が可能ですが、何でも具体的な目標を設定すべきかについては疑問が残ります。例えば、現在話題の量子コンピューターですが、「量子コンピューターはこうあるべき」と先に決めてしまうと、異なる方法が優勢になったときに対応できなくなります。あえて具体的な目標を定めない方がよいものもあると思います。
十倉
私たちの研究では、失敗をネタにして次に進めるというケースが多いですね。もっと広い立場で言えば、学術的には様々な原理があり、その中にはとても役に立ちそうにないものもあります。しかし、それらにも価値がある。研究テーマを変えて次の山を狙いに行くとき、研究コミュニティーに財産が残っていれば、それを生かすことができるからです。
中原
個人的な経験で言えば、私は、失敗したときの方が役に立っている気がします。成功すると「あー、良かった」で終わりますが、失敗すると「どうしてああなってしまったんだ」と反省し、そして「次は同じ失敗を繰り返さないように戦略を立てよう」、というふうに、もっと深く考えるからです。だから「失敗」という言葉はよくない。想定通りでなかっただけであり、挑戦したことは別の機会で必ず生きてきます。
研究において「失敗」はない
――研究における成功と失敗は、どのように定義しているのか。
十倉
私の研究室で修士号を取得した後にデバイスメーカーに就職した学生がいます。彼は就職後も研究室を度々訪問してくれて、当時開発に携わっていた青色LED（発光ダイオード）を見せに来ました。その青色LEDは、II-VI族半導体のZnSe（セレン化亜鉛）を材料に使ったものでしっかりと光っていました。
一方で、中原さんは同じII-VI族半導体のZnO（酸化亜鉛）を使った紫外光のLEDを開発されていましたよね。どちらも実用化という意味では、III-V族半導体のGaN（窒化ガリウム）材料の後塵を拝してしまった。もちろん、今だからGaNが正解だったと言えますが、当時はZnSeにもZnOにもチャンスがあると考えられており、どの材料が勝者になるか分からなかったですよね。
中原
誰も確実な答えは持っていなかったですね。
十倉
GaNは窒化物（ナイトライド）だから扱いにくそうなのは直感的に分かりますが、一方でZnOは酸化物（オキサイド）なのでp型半導体を作るのが難しそうです。それでも、どうしてZnOを選択したのですか。
中原
理由はとても単純で、GaNが特許紛争を抱えていたからです。当社はLEDと半導体レーザーを製品化しており、1998年ごろにBlu-ray Disc（ブルーレイディスク）に向けた青色半導体レーザーを開発しようということになりました。その当時、すでにGaNを使った青色LEDは実用化されており、特許紛争が話題になっていました。もちろん当社の事業部門としてはGaNを追究した方が技術的に確実でしたが、特許問題で販売できなくなるリスクがある。そうしているうちに、当時の社長である佐藤研一郎が、「光る原理が変わらないなら、別の材料でも可能なんじゃないか？」と言い出しました。そこで、当時東京工業大学におられた川﨑雅司先生（現東京大学教授）が「ZnOは大変発光効率が高い」という論文を発表されていたため、チャレンジしようということになりました。
十倉
産業界では、II-VI族半導体を使った光デバイスはすべて失敗に終わりましたが、その開発で得たものは現在何かに役立っていますか。
中原
残念ながら直接的なものはありません(笑)。ただ、川﨑教授が引き取ってくれて研究を継続されています。私が作った成膜装置は太平洋を渡り、現在は米国の研究機関で2次元電子ガスという物性研究に使われています。
十倉
2次元電子ガスに関する知見は、「分数量子ホール効果」の研究に役立っています。分数量子ホール効果は量子ホール効果の1つであり、その研究成果に対してはノーベル賞が贈られています。分数量子ホール効果における偶数分母状態は、量子コンピューターで活用できると期待されています。
中原
ZnOの開発で得たものはあります。研究における成功か失敗かは、軸の取り方の問題だということです。「お金がもうかる」という軸であればZnOの研究は失敗です。しかし、「勉強になった」という軸であれば、決して失敗ではありません。
十倉
価値の軸が1つだけならば、成功か失敗かになってしまいます。しかし、やることをやってダメだったら、それは仕方のないことです。自然が決めたことだから。もちろん、見通しが甘かったかもしれないが、失敗ではない。むしろ私たちにとっては、次に進むきっかけになるし、少なくともガッカリするようなことではないと思います。
Si文明は特殊だった
――1990年代に隆盛を極めたエレクトロニクス企業の中央研究所は、今や見る影もない。この中央研究所の栄枯盛衰から学べることは何か。
中原
企業の研究開発は、ユーザーにお金を払っていただける商品をどうやって生み出すのかに集中すべきだと考えています。従って、研究者の興味だけでテーマを選ぶべきではない、というのが私の意見です。別の言い方をすれば、企業の研究開発はテクノロジードリブンに寄りすぎず、マーケットドリブン、もしくはデマンドドリブンであるべきです。
十倉
19世紀の終わりに電磁気学が完成しました。19世紀における最大の科学的・技術的な成果は電磁気学による発電機だったと言えるでしょう。その後、第2次世界大戦後にpn接合が完成し、半導体デバイスが誕生。半導体デバイスは、花が開いてからわずか30〜40年後にあれほどまで大きな産業に発展しました。それは人類史上、まれに見る事態と言えます。
私たちは、完全に変な時代に生きていました。Si（ケイ素）文明は特殊だったのです。とても変化が激しかったため、研究開発の価値観や、その価値を深掘りする企業の戦略がそれとともに変わるのは仕方ないことだったと思います。そのため中央研究所は突然役割を終えた。事実、日本だけでなく、米国でも同様の動きがありました。
企業で取り組まれていた基礎研究は、現在そのほとんどが大学などに移っています。しかし、大学はそれほどコヒーレントではない。つまり目標に向けて、みんなで力を合わせてワーッと取り組む馬力もなければ、投資力もありません。このため基礎研究所の役割を十分に果たしているとは言い難い。それでは、どうすればいいのか。今、その答えは持ち合わせていません。
――中央研究所が廃れていく中で、ロームは研究開発に力を入れておりSiC（炭化ケイ素）パワー半導体という成功事例を生み出した。成功した理由は何か。
中原
1つは、基本的にSiでは勝てないという自覚があったからだと思います。要は、微細化は追わないということです。微細化を進めれば進めるほど、製造に対する投資額は桁違いに増えていくので、当社の体力ではついていけません。
そうした自覚があったため、Si以外に目が行ったのは自然な流れだったと思います。ただ、なぜSiCパワー半導体はうまくいったのか。それを説明するのはとても難しい。個人的な意見ですが、うまくいっているものにはたいてい偶然の幸運があります。SiCはたまたま筋が良かった。トランジスタの基本構成はMOSFETであり、ゲート絶縁膜を使いますが、化合物半導体はこれまでゲート絶縁膜を作ることができなかった。ところが、SiCだけはMOSFETを実現できる程度にゲート絶縁膜が形成できた。十倉先生の言葉を借りれば、「自然がそう決めていたもの」を京都大学の松波弘之先生が長年かけて掘り起こし、そのおかげでロームが——多くの努力は必要でしたが——成功の糸口をつかめた、ということだと思います。
GaNも同じです。GaNという材料がすごい。GaNを使った青色LEDを作製した研究者もきっと驚いたはずです。「なんで、こんなに光るんだ」と。
十倉
なぜGaN研究にも力を入れ始めたのですか。
中原
理由は2つあります。1つは、SiCパワー半導体と同じく、Siでは勝てないという自覚があったから、もう1つは、電子移動度が圧倒的に高いこと。スピードが全然違う。この特徴はパワー用途にとって良いことがいくつもあります。
十倉
GaNパワー半導体って、そんなにスイッチングが速いんですか。
中原
圧倒的に速いですね。ただ、速すぎるとハンドリングが難しくなります。そこでゲートドライバーICなどとの組み合わせが重要になってきます。そういう意味では、当社はIC事業も手掛けているので、それが生きると考えています。
新物理学が切り開くパワーエレクトロニクスの革新
――十倉教授が現在取り組んでいる研究とはどのようなものか。
十倉
現在私は、ファラデーの電磁誘導を物質中の磁化と電気分極を使って実現しようとしています。つまり、固体中の電子を使って電磁誘導を起こそうとしています。
これを実現できれば、固体だけでインダクターを実現できるようになります。現状のインダクターは、そのインダクタンス値がコイルの断面積に比例します。従って、その値を高めようとすると、どうしても断面積が大きくなり小型化できない。しかし固体中の電磁誘導を利用すれば、物質を小さく切り出すだけでインダクターを実現できるので、大幅な小型化が可能になります。
原理は簡単です。固体中にコイルは巻けないので、電子のスピンを使ってコイルを模擬します。電子のスピンは約2nm（ナノメートル）間隔、つまり電子の大きさの数倍の間隔です。ここに電流を流すと電子は風車のように回転する。すると傾いた電界ができるので、最初に流れていた電流の位相に比べて遅れた電流が発生します。つまりインダクターと同じ現象が起きるわけです。
もちろん実用化に向けては、様々な課題が残っています。しかし、集束イオンビーム（FIB）装置を使ってμm（マイクロメートル）オーダーの物質を切り出して、そこに電流を流す実験で電磁誘導効果が現れることを確認済みです。
中原
電源回路にはインダクターが必要不可欠です。インダクターは電流が変化することで機能するデバイスですが、電流変化が速すぎる(高周波化)と機能しなくなります。
GaNパワー半導体を使えば、高周波スイッチングが可能になりますが、インダクターの高周波特性が十分ではないため、それが高周波化を阻害する要因になっています。例えるなら、高性能なエンジンを積んでいるがタイヤは従来通りの自動車です。走らせたらバーストしてしまうので、ゆっくり走らざるを得ない。それが現在のGaNパワー半導体を使った電源回路が置かれた状況です。このインダクターの研究開発は、材料に関する課題が多いため、十倉先生に相談しました。
――今後、高周波特性に優れたインダクターの研究はどのように進めていくのか。すでに共同開発に取り組んでいるのか。
十倉
まだその段階ではありません。ロームさんに興味を持ってもらうところまで、私たちの研究レベルが高まっていないからです。インダクターへの応用には、どの物質が最適なのか。それさえもまだ分かっておらず、現在は様々な原理を探っているところです。
中原
十倉先生のように、新しい学問分野に挑戦する。これが大学における研究の価値だと思います。大学に多様性がなかったら、固体中の電磁誘導現象を発見できなかったら、磁石を強くすることしか考えていなかったら…。GaNパワー半導体を使った電源回路に適したインダクターを実現するきっかけさえもつかめていなかったでしょう。
企業がリスクテイクできる幅は経済合理性で決まるので、大学よりは狭くなります。その幅を広げるため、大学や公的研究機関には様々なテーマにチャレンジしてもらいたいですね。
十倉
もちろん大学や公的研究機関は、様々なテーマにチャレンジしなければなりません。私も、固体中の電磁誘導効果に基づくインダクターの実用化にまい進する考えです。その一方で、企業における研究開発も極めて重要です。SiCについて言えば、自然が与えたギフテッドの要素があったにせよ、ロームが基礎技術を1つずつ積み重ね、長期間にわたって研究開発に取り組んだからこそ、現在のSiCパワーMOSFET市場の拡大があります。
次は、GaNパワー半導体の番です。中原さんは青色半導体レーザーの開発では成功者になれなかった。しかし、その研究開発の過程で培った成果は、今や量子コンピューターの分野で花開こうとしています。ぜひ、その方法論をGaNの分野に持ち込んで、GaNパワー半導体を成功へと導いてほしい。私は、高周波動作に対応したインダクターの研究開発で中原さんをサポートしていきたいと思います。
十倉
そのときは、あきらめます（笑）。私たちが相手にしているのは自然。挫折したのは、努力が足らないのではなく、「できること、できないこと」を自然が決めているからです。様々な手を尽くして解決できなかったら、それはしょせん無理なのです。もちろん違う戦略を考えたりしますが、ある程度挑戦して打開できなかったらあきらめます。