従来のシリコン材料が物理的限界に近づきつつある現在、半導体産業は変革の重要な岐路に立たされている。東京大学の研究チームはこのほど、人工知能やビッグデータなどのハイコンピューティング・アプリケーションにおいて、ムーアの法則のライフサイクルを延ばすと期待される、ガリウム添加アルミナ（InGaOx）ベースの新型トランジスタを開発した。この技術革新は、ポスト・シリコン時代におけるトランジスタ設計の新たな章を開くかもしれない。
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ボトルネックに直面するトランジスタ：シリコン代替材料の探索
20世紀に登場して以来、トランジスタは現代のエレクトロニクスの中核をなす部品であり、通信信号を制御・増幅する小型スイッチの役割を担ってきた。しかし、電子機器の小型化と高性能化が進むにつれ、従来のシリコンベースのトランジスタは物理的な限界に近づきつつあり、性能と消費電力という2つの課題に直面している。このため科学者たちは、既存の技術的ボトルネックを打破し、マイクロエレクトロニクス技術を前進させるために、新しい材料や設計を積極的に模索している。
ペロブスカイト：次世代トランジスタの理想的な材料
東京大学の研究チームによれば、ガリウムドープアルミナ（InGaOx）は、トランジスタ開発へのより良いルートを提供する。この材料は、高度に秩序化された結晶構造を形成できるため、トランジスタの性能向上に不可欠な電子の効率的な移動が大幅に促進される。
さらに、この新しいトランジスタは革新的な「ゲート・オールラウンド（GAA）」設計を採用している。この設計により、スイッチを制御するゲートが電流チャネルを完全に取り囲むため、電子移動度が大幅に向上するだけでなく、トランジスタの長期安定性にも寄与する。主任研究者の陳安蘭博士によると、ラップアラウンド・ゲート構造は効率とスケーラビリティの向上に効果的だという。
欠陥の抑制：高性能と高信頼性の実現
InGaOxの電気的応答をさらに最適化するため、研究チームはアルミナにガリウムをドープした。主任研究者の小林勝氏によると、酸化インジウムには酸素欠陥が一般的に見られ、これがキャリアの散乱を引き起こし、デバイスの安定性を低下させるという。研究チームは、ガリウムをドープすることで、この酸素欠陥を抑制し、トランジスタの信頼性を大幅に向上させることに成功した。
作製プロセスでは、原子層堆積技術を用いて、リング型ゲートトランジスタのチャネル領域にInGaOx膜を1層ずつコーティングした。その後、熱処理によって目的の結晶構造に変化させ、高性能の金属酸化物電界効果トランジスタ（MOSFET）を完成させた。チェン博士によると、このトロイダルMOSFETは44.5cm²/Vsという高い移動度を達成し、応力を加えた状態でも3時間近く安定動作するという優れた信頼性を示した。
未来に向けて：AIとビッグデータ活用の新たなダイナミズム
この研究成果は、ビッグデータや人工知能などの高コンピューティング需要のアプリケーション向けに、信頼性の高い高密度電子部品設計を提供するものである。新しいInGaOxトランジスタのブレークスルーは、人々の日常生活に大きな影響を与える次世代技術の円滑な運用を示唆している。トランジスタの性能向上は、将来、より効率的なAIの訓練とデータ処理の高速化を意味し、あらゆる産業にさらなる革新的な可能性をもたらす。
参照
- AI開発にムーアの法則が続々！東大がシリコン材料に代わる新型トランジスタを開発。
- Crystal-Powered Transistor Could Replace Silicon and Supercharge AI
(出典：iStock）
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