ひずみゲルマニウム: 量子チップの画期的技術

シリコンからゲルマニウムへ

Silicon-based semiconductors are increasingly reaching multiple technical limits. Not only are transistors in the most advanced chips made of merely a few atoms, but the very physical characteristics of silicon atoms are becoming a limitation that cannot be overcome for further improvements.

シリコンベースの半導体は、ますます多くの技術的限界に達しつつあります。最先端のチップのトランジスタはわずか数個の原子で構成されているだけでなく、シリコン原子そのものの物理的特性が、さらなる改良を阻む限界となっています。

これは、スピントロニクスや量子コンピューティングなど、最先端の計算形態に特に当てはまります。

その結果、研究者や半導体企業は、他の金属や元素に目を向けて新たな設計の可能性を模索しています。

特にゲルマニウムは再び注目を集めています。1950年代に最初のトランジスタで使用されましたが、生産コストや製造の容易さなどの要因でシリコンに置き換えられました。

現在、ミサイルや防衛衛星のセンサーなど、エレクトロニクスや赤外光学に不可欠なゲルマニウムは、主に亜鉛やモリブデンの鉱山から生産されています。

例えば、磁性鉄-ゲルマニウム結晶が独特の構造を形成し、超伝導体の作成に利用できる可能性があります。ゲルマニウムだけで作られた膜も超伝導性を示す可能性があります。

しかし、ゲルマニウムは独自の物理特性を持ち、特定のケースでシリコン半導体の代替候補となり得ます。

ウォーリック大学とカナダ国立研究会議の研究者は、ゲルマニウムがある側面でシリコンよりも15,000倍以上優れていることを発見しました。彼らはその結果をMaterials Todayに掲載し、タイトルは「シリコン上の圧縮ひずみゲルマニウムにおけるホール移動度が7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹を超える」です。

電子ではなくホールを動かす

When dealing with electronics and semiconductors, the exact atomic structure of a material can be as important as the elements of which it is made.

エレクトロニクスや半導体を扱う際、材料の正確な原子構造は、その構成元素と同様に重要です。

ゲルマニウムでも同様です。研究者は、シリコン上に圧縮ひずみを与えて成長させたナノメートル厚のゲルマニウム層を作製しました。

このアイデアは、従来の電子の移動ではなく「高移動度ホール」を利用して電荷輸送を最適化することです。

この場合、情報を運ぶ電子の代わりに、電場下で正電荷キャリア（「ホール」または欠損電子）が材料中をどれだけ容易に移動できるかという特性を測定します。

従来の電子移動と比較して、ホール移動度は「強いスピン軌道結合、抑制された超微細相互作用、そして効率的な全電気的スピン制御」という優れた特性を持ちます。

技術的でない言葉で言えば、この特性はスピントロニクスや量子コンピューティングシステムで情報を符号化するのに最適です。

しかし、これまでホール移動度材料は環境からの乱れに対して脆弱で、実際の計算に利用できませんでした。不純物や製造の難しさがこの考えをさらに妨げていました。

圧縮ゲルマニウム

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最近、圧縮ひずみと呼ばれる新しい製造方法が登場し、半導体材料の結晶構造を変化させ、電子エネルギーレベルと電荷輸送に影響を与えます。

この方法を用いて、研究者はシリコン層上に圧縮されたゲルマニウムの薄層を作製し、ホール移動度が7.15百万 cm²/V·s（産業用シリコンの約450 cm²/V·sと比較）であることを示しました。

この指標において、ゲルマニウムベースのエレクトロニクスに対する指数的な改善を示しています。

出典: Materials Today

この材料では電荷がはるかに高速に（＞15,000倍）移動できるため、はるかに高速でエネルギー消費が少ないエレクトロニクスの実現への道が開かれます。

“これは、グループIV半導体における電荷輸送の新たなベンチマークを設定します――世界のエレクトロニクス産業の中心にある材料です。

これにより、既存のシリコン技術と完全に互換性のある、より高速でエネルギー効率の高いエレクトロニクスと量子デバイスへの道が開かれます。

Dr. Sergei Studenikin – Principal Research Officer, National Research Council of Canada (NRC )

ひずみゲルマニウムが量子および低消費電力チップを駆動する可能性

この新しいcs-GoSプラットフォームは、センサー、低消費電力回路、PCメモリに使用される半導体製造の定番であるCMOS（相補型金属酸化膜半導体）技術と本質的に互換性があります。

また、ウェハサイズの層へとスケールアップでき、現在の半導体製造プロセスに直接適用可能です。

“従来の高移動度半導体であるガリウムヒ素（GaAs）などは非常に高価で、主流のシリコン製造に統合することは不可能です。”

Dr. Sergei Studenikin – Principal Research Officer, National Research Council of Canada

これにより、量子コンピュータ設計でホール移動度を利用したり、低消費電力チップやスピントロニクスデバイスにこの種のゲルマニウムベース回路を統合する道が開かれます。

したがって、実験室のプロトタイプを実用的な大量生産チップに変換することは、より特殊な設計でしばしば直面するような困難さは少ないはずです。

出典: Materials Today

“我々の新しい圧縮ひずみシリコン上ゲルマニウム（cs-GoS）量子材料は、世界トップクラスの移動度と産業規模のスケーラビリティを組み合わせており、実用的な量子および古典的大規模集積回路への重要なステップです。”

Dr. Sergei Studenikin – Principal Research Officer, National Research Council of Canada

半導体製造への投資

TSMC – 台湾セミコンダクタ・マニュファクチャリング・カンパニー

半導体生産は、極めてニッチで複雑な専門知識と、コスト削減のために大規模に大量生産する必要性が組み合わさった産業です。

このビジネスモデルを熟達した企業として、超先進的なチップ製造で世界をリードする台湾企業TSMCほど成功した会社はありません。

TSMCは主にシリコンチップを製造しており、最も高性能な3nmおよび2nmノードチップを含みます。そして、最先端で高価なチップを製造することで、半導体ファウンドリ産業の世界収益の半分以上を掌握しています。

出典: Eric Flaningam

TSMCは現在、米国でシリコンチップの生産を開始するべく進化しており、特に新しいアリゾナ工場への大規模投資が目立ちます。

それでも、TSMCは高度なゲルマニウムベースのトランジスタやその他の半導体にも熟達しています。

したがって、同社は現在、先進的なチップやNvidiaなど向けのAIハードウェア製造から主に利益を得ていますが、一般的な半導体製造方法でゲルマニウムを使用した高性能チップが製造できるという発見の主な受益者の一つになる可能性もあります。

(こちらでも 当社の投資レポートでTSMの歴史と事業の詳細をご覧ください （当社専用）.)

最新のTSMC（TSM）株式ニュースと開発状況

参照研究:

^{1. Myronov, M., Bogan, A., & Studenikin, S. (2025). Hole mobility in compressively strained germanium on silicon exceeds 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹. Materials Today, 90, 314–321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004}