香港理工大学（PolyU）の研究チームは、マイクロエレクトロニクスにおける重要な進展として、「ボルツマン限界」と呼ばれる長年の物理的障壁を突破する新規のトンネリング電界効果トランジスタ（TFET）を開発しました。科学誌『Science』に掲載されたこの成果は、省エネルギー演算と次世代AIチップの開発に革命をもたらす可能性があります。

集積回路の基本構成要素である従来のトランジスタは、オン・オフの切り替えに熱電子放出に依存しています。室温では、このプロセスには最低60ミリボルト（mV）のゲート電圧が必要であり、これはボルツマン限界による制約で、高性能エレクトロニクスのさらなる微細化と省エネルギー化を妨げてきました。PolyUのチームは、物理学・材料学科長であり材料物理・デバイス講座の主任教授である郝建華（Jianhua Hao）教授の指揮のもと、量子トンネリングを用いてこの制限を回避しました。

量子トンネリングにより、電荷キャリアは古典物理学では乗り越えられないエネルギー障壁を通過できます。研究チームは、2次元ビスマスとインジウム・セレン化物の層からなるヘテロ構造を精密に設計することで、通常は半金属であるビスマスを半導体に変換しました。この構造変化により、キャリアがインジウム・セレン化物へ効率的に量子トンネリングすることが可能になり、60 mV/decadeの限界を大きく下回るサブスレッショルドスイング（SS）値を持つトランジスタが実現しました。サブスレッショルドスイングは、トランジスタがOFF状態とON状態の間でどれだけ急峻に切り替わるかを示す指標であり、急峻であるほど少ない電圧、つまり少ないエネルギーでスイッチング操作が可能になります。この60 mV/decadeの下限を破るデバイスの探索は長年の目標であり、TFETは負容量トランジスタなど他の急峻スロープ手法とともに、世界的に研究されている有力な候補の一つです。

新しいTFETは室温でシリコン基板上で動作し、既存の製造プロセスへの統合において重要な実用上の利点を持ちます。必要なゲート電圧範囲はわずか160 mVで、従来デバイスに必要な800 mVと比べて大幅に低くなっています。電圧要件のこの劇的な削減は、大幅な低消費電力につながり、省エネルギー演算、そして膨大な計算能力を必要とするAI技術にとって重要な要素です。トランジスタのスイッチングエネルギーは電圧に比例して増加するため、動作電圧を下げることはプロセッサの消費電力を削減する最も直接的な手段の一つであり、AIの学習・推論に必要な計算能力とエネルギーが増加し続ける中、ますます切実な課題となっています。

従来の実験的TFETにおける大きな課題は、高いON/OFF電流比を維持しながら高出力電流を達成することでした。PolyUのデバイスはこの障壁を克服し、高出力電流と卓越したON/OFFスイッチング比の両方を実現しています。この性能により、トランジスタは複数の下流ロジックゲートを駆動でき、回路遅延を低減するため、実用的な集積回路に適しています。

郝教授はこの成果の意義を次のように強調しました。「量子トンネリングを採用することで、我々のTFETはこの境界を突破し、新興AIチップや先端半導体応用に不可欠な超低消費電力・高性能集積回路への道を開くものです」

この研究は、シンガポール国立大学、香港科技大学、北京大学、およびシンガポール工科設計大学との共同で行われました。

この開発は、エレクトロニクスの将来に広範な意義を持ちます。半導体産業が従来のMOSFET技術の物理的限界に近づく中、量子トンネリングTFETのような革新的アプローチは実行可能な前進への道を提供します。性能を犠牲にせずより低い電圧で動作することにより、より効率的なデータセンター、モバイルデバイスのより長いバッテリー寿命、そしてより少ないエネルギーで消費するより強力なAIシステムの実現につながる可能性があります。シリコン基板上でのこの技術の成功実証は、研究から商業応用への円滑な移行を示唆していますが、実験室での実証から量産製造への移行には通常、材料品質、デバイスの均一性、大規模プロセス統合におけるさらなる開発が必要です。

出典：Citybuzz