2D CMOS コンピュータがシリコン代替の新時代を切り開く

半導体技術の世界では、現代のエレクトロニクスの基盤を形成するシリコン（Si）が最も広く使用されている材料です。

酸素に次いで地球上で2番目に豊富な元素であるシリコンは、ミニチュア化を通じて半導体技術の進歩を可能にしてきました。マイクロプロセッサから自動化、コンピュータ、スマートフォン、電気自動車に至るまで、デバイスの物理的サイズを大幅に縮小することでエレクトロニクスに革命をもたらしました。

しかし現在、スケーリングの課題により新素材の探索が必要となっています。ここで、二次元（2D）材料は原子レベルで前例のないデバイス性能向上の可能性を示しています。

2D材料は単一原子層からなる超薄型ナノ材料です。高度な異方性と化学的機能性を持ち、魅力的な電子特性により幅広い応用が可能です。グラフェンは代表的な2D材料です。

このように、原子厚さと高いキャリア移動度を持つ2D材料は有望な代替手段を提供します。ウェーハスケールでの成長や高性能電界効果トランジスタ（FET）、これらの材料を用いた回路でも大きな進展が見られます。

FETは電界を利用して半導体を流れる電流を制御するトランジスタの一種です。現代エレクトロニクスの重要な部品として、FETは高電圧・高周波電力回路における制御スイッチとして機能します。

多くの進展が見られる一方で、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）の統合は依然として課題です。

CMOSは、特にコンピュータプロセッサ、メモリチップ、その他のデジタルデバイスの製造に用いられる技術で、これらの部品を通る電流の流れを制御し、適切な動作に不可欠です。

特に、CMOSはn型（NMOS）とp型（PMOS）トランジスタの両方を組み合わせて論理機能を実現します。

n型トランジスタは主に負の電荷を持つ電子をキャリアとして電流を流します。p型トランジスタでは、キャリアは正孔（正の電荷）で、電源から出力へ電流が流れます。

CMOSにおける金属酸化膜半導体とは、トランジスタの構成に使用される材料、すなわちゲートの金属、絶縁体の酸化膜、チャネルのシリコン半導体を指します。

CMOSが強力なのは、単一の半導体チップ上に複雑な電子回路を作成できる点です。また、CMOSトランジスタはオン/オフの切り替え時にのみ電力を消費するため、他の技術に比べて消費電力が低く、さらに高い信頼性が知られています。

現在、ペンシルベニア州立大学の研究者は、CMOSと2D材料の統合という課題を克服しました。

彼らはCMOS技術に基づく2Dのワンインストラクションセットコンピュータを開発しました。これは、大面積のn型MoS2とp型WSe2電界効果トランジスタのヘテロ統合を活用しています。

チームは、n型およびp型2D FETのしきい値電圧を調整することで、高い駆動電流とサブスレッショルドリークの低減に成功しました。これは、チャネル長をスケーリングし、高κゲート誘電体を組み込み、材料成長とデバイス後処理を最適化した結果です。

これにより、回路は3V未満で動作し、最大25kHzの動作周波数を実現するとともに、ピコワット領域の超低消費電力と約100pJのスイッチングエネルギーを達成しました。

ペンシルベニア州立大学の2D CMOSコンピュータが原子レベルの限界に挑む

シリコンは半導体技術のリーダーですが、この化学元素とは異なり、原子一層の厚さの2D材料はそのスケールでも特性を保持できます。

「何十年にもわたり、電界効果トランジスタ（FET）の継続的な小型化を可能にし、エレクトロニクスに驚異的な進歩をもたらしてきた」シリコンは、デバイスをさらに小型化し性能向上させる上で大きな課題に直面しています。

「シリコンデバイスが縮小するにつれて、性能が低下し始める」と、研究リーダーでペンシルベニア州立大学のエンジニアリング・サイエンス・メカニクス教授であるサプタルシ・ダスは述べました。

対照的に、2D材料は原子厚さでも優れた電子特性を維持し、したがって「有望な道を提供する」ことができます。したがって、先駆的な研究で、研究チームは2D材料を用いてシンプルな操作が可能なコンピュータを開発しました。

Natureに掲載され（Nature）この研究は、米海軍研究所、陸軍研究所、米国国立科学財団の一部支援を受け、薄く、速く、エネルギー効率の高いエレクトロニクスの実現という大きな飛躍を詳細に示しました。

上記の通り、彼らはシリコン（金属と非金属の中間的性質を持つ四価の半金属）に依存しないCMOSコンピュータを作成しました。研究者は、CMOSコンピュータに必要な2種類のトランジスタを制御するために、2つの異なる2D材料に置き換えました。

n型トランジスタには、モリブデンジスルフィド（MoS2）を使用しました。これは、低摩擦係数、優れた熱安定性、高耐摩耗性を備える2D遷移金属ジカルコゲナイド（TMDC）無機材料の一種です。

p型トランジスタには、タングステンジセレニド（WSe2）を使用します。この無機化合物はモリブデンジスルフィドと類似した六方晶構造を持ち、高いキャリア移動度、十分なバンドギャップ、顕著なオンオフ比などの独自の電子特性で知られています。

CMOS技術は、高性能かつ低消費電力を実現するために、n型とp型半導体が協調して動作することを必要とします。しかし、これはシリコンを超える取り組みを阻む主要な課題でした。

研究では、2D材料ベースの小規模回路が複雑で機能的なコンピュータにスケールアップできることが示されていますが、まだ実現には至っていません。

研究者によれば、これが彼らの研究の鍵となる進歩です。初めて、2D材料だけで構成されたCMOSコンピュータを構築し、大面積で成長させたモリブデンジスルフィドとタングステンジセレニドのトランジスタを組み合わせました。

トランジスタの製造には、金属有機化学蒸着（MOCVD）と呼ばれるプロセスを使用しました。このプロセスでは、原料を蒸発させて化学反応を促し、生成物を基板上に堆積させます。

MOCVDを用いて、チームは大面積のモリブデンジスルフィドとタングステンジセレニドのシートを成長させ、各タイプのトランジスタを1,000個以上製造しました。

その後、デバイス製造と後工程を慎重に変更することで、n型およびp型トランジスタのしきい値電圧を調整し、完全に機能するCMOSロジック回路の開発を可能にしました。

「我々の2D CMOSコンピュータは低供給電圧で動作し、最小限の電力消費で、最大25キロヘルツの周波数でシンプルな論理演算を実行できます。」

この動作周波数は従来のシリコンCMOS回路に比べて低いものの、Ghoshは彼らのコンピュータが依然としてシンプルな論理演算を実行できると指摘しました。

「我々は実験データを用いて校正し、デバイス間のばらつきを組み込んだ計算モデルも開発し、2D CMOSコンピュータの性能を予測し、最先端のシリコン技術とベンチマークしました。さらなる最適化の余地はあるものの、本研究は2D材料を活用してエレクトロニクス分野を前進させる重要なマイルストーンです。」

– Ghosh

したがって、大きな成果ではありますが、研究はまだ完了していません。2D CMOSコンピュータのアプローチをより広範に利用できるようにするためには、さらなる研究が必要です。しかし、ダスはシリコン技術の開発と比較して、分野の急速な進展を強調しました。

「シリコン技術は約80年にわたり開発が進められてきましたが、2D材料の研究は比較的新しく、実際に本格的に始まったのは2010年頃です。我々は2D材料コンピュータの開発も段階的に進むと予想していますが、シリコンの軌跡と比べれば大きな飛躍です。」

– Das

スケールで2D材料を用いたマイクロチップの構築

数か月前、中国の科学者らはモリブデンジスルフィドを用いたマイクロチップの開発を報告しました（developing a microchip）。このチップは5,931個のトランジスタを有し、各トランジスタは3原子層の厚さです。

モリブデンジスルフィド（MoS2）は、シリコンがさらなる進歩を提供できなくなった際に、ムーアの法則を継続させることができると科学者は考えています。

「2D材料は10年以上前から広く提唱されていますが、現在の開発の真の制限は単一デバイスの性能ではなく、多くの2Dエレクトロニクスデバイスが実験室レベルで非常に良好に機能していることです。」

– Wenzhong Bao, a professor at Fudan University

2D材料の実用性は、「スケーラブルで再現性があり、産業プロセスと互換性のある統合技術システムが欠如している」という点で疑問視されています、と彼は付け加えました。

そこで、チームはRV32-WUJIという新しいマイクロチップを作成しました。これは、従来のCMOS技術を用いて製造された約6,000個のMoS2トランジスタを備えており、実験室研究からシステムレベルのエンジニアリング応用への移行を示しています。

このマイクロチップはRISC-Vアーキテクチャを搭載し、標準的な32ビット命令を実行できます。新しいプロセッサは、トランジスタ同士を電気的に分離する絶縁サファイア基板上に構築されています。また、RV32-WUJI用の標準セルライブラリも開発され、基本機能を実行する25種類のロジックユニットが含まれています。プロセスの各ステップを最適化するために、チームは機械学習を活用しました。

研究者は製造歩留まり99.77%を達成しました。チップは演算時にわずか0.43ミリワットの電力しか消費しません。

シリコンチップは何百万倍ものトランジスタ数とはるかに高速な動作周波数を持ちますが、Baoは新しい研究は実験室ベースであり、過去数十年にわたりシリコンベースの半導体に膨大なR&Dリソースが投入されてきたのと対照的だと述べました。産業が2D半導体を採用すれば、「シリコンベースの性能に追いつく速度は想像以上に速くなる」と彼は付け加えました。

2D活性材料であるモリブデンジスルフィド（MoS2）は、最近、プラチナ（Pt）を原子レベルで導入するアップグレードを受けました（new study）。

研究者は個々のPt原子を超薄型MoS2単層に埋め込み、初めて格子内での正確な位置を原子精度で特定しました。

彼らのアプローチは、MoS2単層へのターゲット欠陥作成、プラチナ堆積の制御、高コントラスト計算顕微鏡イメージング技術を統合し、2Dシステムにおける原子スケールの特徴を理解・設計する新たな道を提供すると研究者は考えています。

CMOSを超えて：ハイブリッド2D材料と量子経路

研究者は長年にわたり、次世代エレクトロニクスのシリコン代替材料を探求してきました。これらの材料は、より高い性能と低消費電力を提供し、スケーラビリティを持つ必要があり、そのため2D材料が注目されています。

数年前にMITが共同指揮した多機関共同研究は、実際に2つの技術的突破口を達成し、遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）を用いた半導体材料の成長手法がデバイスをより高速かつエネルギー効率的にすることを初めて報告しました。

新材料を作成するために、チームはウェーハスケールまたは大規模での3つの課題、すなわち単結晶性の確保、垂直ヘテロ構造の実現、厚さの不均一性防止を克服しなければなりませんでした。

3D材料は粗さと平滑化を経て均一な表面を実現しますが、2D材料はこのプロセスができず、表面が不均一になりやすく、大規模で高品質かつ均一な2D材料の製造が困難です。

そこで、チームは2D材料の動的制御を促進する閉鎖構造を構築し、すべての課題を解決するとともに、自己定義されたシーディング成長により成長時間を短縮しました。

もう一つの技術的突破口は、単一ドメインヘテロ接合TMDを大規模に層ごとに示したことです。

2D材料の研究は実際に拡大し続けており、科学者はより高度な未来のために新たな機能を解き明かそうと日々取り組んでいます。

数週間前、ライス大学の材料科学者は、グラフェンとシリカガラスという根本的に異なる2つの2D材料を化学的に統合し、「glaphene」と呼ばれる新しい化合物を作り出しました（genuine 2D hybrid）。

「層は単に重なるだけでなく、電子が移動し新たな相互作用と振動状態を形成し、どちらの材料にもない特性を生み出します。」

この大陸横断的な取り組みでは、炭素とシリコンの両方を含む液体化学前駆体を用いた二段階・単一反応法が開発され、glapheneの成長が実現しました。加熱中の酸素レベルを調整することで、まずグラフェンを成長させ、次にシリカ層の形成に有利な条件へとシフトさせました。

特筆すべきは、この手法は幅広い2D材料に適用可能であり、次世代エレクトロニクスや量子デバイス向けにカスタム構築された2D材料の開発への道を開くことです。

韓国の科学者は、2D半導体材料を利用して新しい量子状態を発見し、より安定した量子コンピュータを実現できる可能性を示しました（discover a new quantum state）。この新たに発見された量子状態は、2D半導体チップ上で量子情報をより信頼性高く制御するためにも利用できます。

微小な材料は長らく量子コンピューティングの大きな進歩を牽引しており、ダグスタ大学（DGIST）の最新研究は、データ保存用の新しい再構成可能デバイスへの道を開いています。

「我々はエキシトン‑フローレー合成状態と呼ばれる新しい量子状態を発見し、量子もつれと量子情報抽出の新たなメカニズムを提案しました。これは二次元半導体における量子情報技術研究を前進させると期待されています。」

– Jaedong Lee of DGIST

昨年、JMU Würzburg と TU Dresden の科学者は、2D量子材料を環境影響から保護しつつ、その画期的な特性を損なわない保護コーティングを開発しました（developed）。

科学者たちは以前、極薄の量子半導体は高度な真空装置と特定の基板材料が必要であることを発見しました。2D材料を電子部品に利用するには真空環境から取り出す必要がありますが、短時間でも空気にさらされると酸化し、特性が失われ「無用」になるのです。

そこで、チームは環境要素から敏感な層を保護する方法を模索し、2年の研究の末に成功しました。チームは高度な超高真空装置を用いて、シリコンカーバイドを基板として加熱し、インデンエンを実験しました。

チームは、極めて敏感な半導体原子層を含む応用への道を切り開くと見込んでおり、現在、保護層として機能するさらなるファンデルワールス材料を特定しています。

2D半導体技術への投資

トランジスタ寸法の縮小という課題に積極的に取り組んでいるApplied Materials (AMAT )は、2D半導体の産業転換を実現するための製造装置とプロセス化学を通じて重要な役割を果たしています。

時価総額1,370億ドルのApplied Materialsの市場パフォーマンスも強い上昇トレンドを示しています。

Applied Materials (AMAT )

現在、Applied Materialsの株価は170.50ドルで、年初来4.9%上昇し、昨夏の最高値からは33.6%下落しています。EPS（TTM）は8.21、P/E（TTM）は20.78で、配当利回りは1.08%です。

同社の財務については、Applied Materialsは2025年4月27日終了の第2四半期に売上高71億ドルを報告し、前年同期比7%増加しました。

この「強い業績」は「変動する経済・貿易環境にもかかわらず」実現したと、Brice Hill上級副社長兼CFOは述べました。同社は顧客需要に大きな変化はないと報告しています。

GAAPベースの粗利益率は49.1%、非GAAPベースは49.2%で、GAAP EPSは28%上昇して2.63ドル、非GAAP EPSは14%上昇して2.39ドルとなりました。この期間中、同社は営業活動から15.7億ドルの現金を生み出し、株主へは20億ドルを配当（3億2500万ドル）と自社株買い（16億7千万ドル）で還元しました。

「Applied Materialsの幅広い能力と連結された製品ポートフォリオは、2025年においても極めて変動の激しいマクロ環境の中で強力な結果をもたらしています。」

– CEO Gary Dickerson

彼は、高性能でエネルギー効率の高いAIコンピューティングが引き続き半導体イノベーションの主要な推進力であると指摘しました。

最新のApplied Materials（AMAT）株式ニュースと開発

結論

原子厚さの2D材料だけで構成された世界初の実用CMOSコンピュータを構築することで、研究者はシリコンの長年の支配に挑戦しただけでなく、電子デバイスをより小型・高速・高性能にするという既存の課題に対する解決策も提示しました。

チームが製造した2,000以上のトランジスタはコンピュータ上で論理演算を実行でき、従来のシリコンを必要としません。

まだ初期段階ではありますが、この突破口は、原子一層の材料で駆動される高性能・エネルギー効率の高い薄型エレクトロニクスが新たな現実となるエキサイティングな未来を示唆しています。

レイヤード半導体が次のメモリストレージの飛躍になる理由をこちらでご覧ください。

参照文献：

^{1. Ghosh, S.; Zheng, Y.; Rafiq, M.; et al. 相補型二次元材料ベースのワンインストラクションセットコンピュータ. Nature 2025, 642 (12), 327–335. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08963-7}
2. Ao, M.; Zhou, X.; Kong, X.; et al. 二次元半導体に基づくRISC-V 32ビットマイクロプロセッサ. Nature 2025, 640 (17), 654–661. https://doi.org/10.1038/s41586-025-08759-9
3. Li, J.; Yuan, Y.; Cao, W.; Deng, B.; Li, C.; Cheng, Z.; Wang, H.; Hu, W.; Xu, H. Q.; Wang, L. 二次元半導体トランジスタにおけるプログラム可能なP-N接合. Nano Lett. 2025, 25 (12), 5049–5056. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00919
4. Iyengar, S. A.; Tripathi, M.; Srivastava, A.; Biswas, A.; Gray, T.; Terrones, M.; Dalton, A. B.; Pimenta, M. A.; Vajtai, R.; Meunier, V.; Ajayan, P. M. Glaphene：2Dシリカガラスとグラフェンのハイブリッド. Adv. Mater. 2025, 公開日 Online 2025年5月28日. https://doi.org/10.1002/adma.202419136
5. Park, H.; Park, N.; Lee, J. エキシトン‑フローレー複合体の新しい量子状態：電子‑ホールのエンタングルメントと情報. Nano Lett. 2024, 24 (42), 13192–13199. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03100