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次世代GaN半導体で6G革命を解き放つ
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半導体は電子機器やモノのインターネット（IoT）デバイス、通信機器の基盤です。
それらは電流の流れを制御する材料です。その導電性が導体と絶縁体の中間であるという独自の特性により、ダイオード、トランジスタ、集積回路などのデバイスの重要な部品となっています。
半導体の需要は急速に高まっています。スマートフォン、コンピュータ、家電、医療機器、ゲームハードウェアなどに使用されています。また、人工知能（AI）技術の普及と利用が進むことで、チップ開発がさらに進み、半導体生産が増加しています。
5Gの展開が着実に進むことも、半導体チップの需要が堅調に推移する要因の一つです。
2019年以降、世界中のモバイル事業者が導入している第5世代（5G）セルラーネットワークは、より高速なダウンロード速度と低遅延を提供し、ほぼ瞬時の通信を可能にします。
5Gの超低遅延と高信頼性は、ハイテクの進歩にとって極めて重要です。5Gネットワーク自体も、これらの利点を実現するために半導体に依存しています。
ここで信号を処理しデータを運ぶために半導体部品が必要です。基地局からスマートフォン、IoTデバイスに至るまで、これらのチップが高速信号処理、広帯域無線周波数（RF）送信、そして安全な接続を可能にしています。
5Gがまだ展開段階にある一方で、業界関係者はすでに第6世代（6G）開発について議論し始めています。しかし、これには極めて低遅延、超高速データレート、高エネルギー効率、テラヘルツ（THz）周波数への対応、そして大量接続を実現できる半導体技術の大幅な進歩が必要です。
企業や研究者が半導体性能の向上に取り組む中、最近の技術的ブレークスルーは、通信のあり方を根本的に変える大きな可能性を示しています。
6Gモバイルネットワークを強化し、現在の第5世代（5G）よりも高速で、より効率的な通信、そしてはるかに広いカバレッジを提供することで、この最新の進歩は、SF的な未来を現実に近づけることを約束します。
大陸を越えて暮らす愛する人の手触りを感じたり、外出せずに即座に医療診断を受けたりといった未来的な概念は、既存ネットワークが提供できる速度をはるかに超える大量データの高速転送能力に依存しています。
ブリストル大学の物理学者らは、これを加速させる新たな方法を見出しました。
「今後10年以内に、かつてはほぼ想像もできなかった技術が広範な人間体験を変革し、広く利用可能になるでしょう。」
– 共著者マーティン・クバル、ブリストル大学物理学教授。
可能性のある利点について語り、彼はそれが「広範囲にわたる」と指摘しました。クバルは医療分野の遠隔診断や手術、バーチャル教室、バーチャル観光、産業オートメーションによる効率向上、そして道路安全性を高める先進運転支援システム（ADAS）への進展を例に挙げました。
「6Gの可能な応用例は無限で、限界は人間の想像力だけです。したがって、我々の革新的な半導体発見は非常にエキサイティングであり、これらの開発を高速かつ大規模に推進するのに役立ちます。」
– クバル
6Gへの転換に必要なのは、半導体技術、システム、回路、そして関連アルゴリズムの根本的なアップグレードです。
GaNベーストランジスタの台頭
急速に進化する半導体分野では、窒化ガリウム（GaN）が主要な半導体材料として利用されています。
この化合物半導体は非常に硬く、機械的に安定しており、広いバンドギャップを持つため、高出力・高周波の用途に適しています。シリコンに次いで重要な半導体の一つであり、消費者向けエレクトロニクスへの採用が拡大しています。
GaNはシリコンに比べてバンドギャップが広いことで知られています。その結果、GaNデバイスはより高い電力密度を扱えるため、設計が小型軽量化し、効率と信頼性が向上します。
現在の第5世代通信システムでは、これらのデバイスが新たな標準となりつつあります。そして、研究者は6Gモバイルおよび無線インフラ向けにその活用を模索しています。
GaNベースの高電子移動度トランジスタ（HEMT）は、高出力と高周波で動作できるため、無線および軍事通信に革命をもたらしています。
これは主に、高い臨界電界、優れた室温搬送度、そして高い飽和速度といった材料特性によります。フィールドプレート設計の革新によりGaN HEMTの性能はさらに向上し、4 GHzで最大40 W/mm、60%のパワー付加効率を実現しています。
しかし、将来の応用を実現するにはこれだけでは不十分です。GaNはさらに高速かつ信頼性が高く、より大出力を発揮して第6世代無線通信を可能にする必要があります。
長距離で信号の完全性を保つためには出力パワーの向上が必要で、野心的なプロジェクトではすでに81 W/mmの目標が設定されています。
このような背景のもと、国際的なエンジニア・科学者チームは、特殊なGaN増幅器の性能を向上させる新しいアーキテクチャを開発・テストしました。
GaNでラッチ効果を発見したことで、非常に高いRFデバイス性能が実現しました。この次世代デバイスは、サブ100nmのサイドフィンを必要とする並列チャネルを使用し、デバイスを通過する電流の流れを制御するトランジスタです。
最新の研究では、チームは幅がサブ100nmのフィンを1000本以上使用し、電流駆動に活用しました。共同研究者でブリストル大学名誉研究員のアキル・シャジ博士によれば、
「我々は共同研究者と共に、スーパー格子カステレート型電界効果トランジスタ（SLCFET）と呼ばれるデバイス技術を試作しました。」
GaNベースのSLCFETは、プロジェクトが設定した高出力目標（81 W/mm）を達成する可能性があります。最大10層の2次元電子ガス（2DEG）チャネルを持つSLCFETは、単一チャネルGaN HEMTに比べて電荷キャリアを10倍増加させることができます。
研究によると、新しいアーキテクチャは低いキーネ電圧を提供し、大きな出力電圧スイングと高電流密度に最適です。
SLCFETは、ドレイン電圧12 Vで94 GHzにおいて10 W/mm以上の出力パワーと40%以上のパワー付加効率を示し、電流密度4.8 A/mm、最小分散と電流崩壊を実現しています。
このような高出力では、熱放散の制御が課題となりますが、デバイスのフットプリントを拡大せずに対応しなければなりません。電圧（VDS）を上げることで出力は増加しますが、インパクトイオン化がSLCFETの特性を劣化させる可能性があります。
次にトランジスタのラッチングがあります。ここでは、デバイスはオフ状態のゲートバイアス（VGS）でバイアスされていてもオン状態を維持します。この効果はシリコンベースのデバイスでよく知られていますが、GaNの高バンドギャップによりインパクトイオン化が最小化されます。研究者らは、SLCFETのオン状態動作においてインパクトイオン化が起こることを以前に確認しています。
ラッチ効果によるGaN性能の向上
アルミニウムガリウム窒化物（AlGaN）または窒化ガリウム（GaN）ベースのSLCFETは、将来の高度レーダーにおける高出力RF増幅器やスイッチの基盤として有望です。
これらのトランジスタは、75 GHzから110 GHzのWバンド周波数帯で最高の性能を示しています。この背後にある科学は、これまで不明でした。
Nature Electronics誌に掲載された研究によると、これは「GaNにおけるラッチ効果であり、高い無線周波数性能を実現する」ものです。
この効果が認識されたことで、研究チームはその発生位置を特定するために、超高精度の電気測定と光学顕微鏡観察を同時に行い、さらに詳細に研究しました。
1,000本以上のフィンを分析した結果、研究者は最も幅の広いフィンで効果を確認しました。観測結果をさらに検証するため、チームはシミュレータを用いて3Dモデルを構築しました。
研究は「電流-電圧測定、シミュレーション、ラッチ状態での相関発光は、フィン幅依存の局所的インパクトイオン化がラッチを引き起こす原因であることを示している」と述べ、これらの局所化は製造プロセスのばらつきによるフィン幅変動に起因すると付記しています。
次に、実用化に向けた効果の信頼性面に取り組みました。長期間にわたるデバイスの厳格なテストにより、ラッチ効果がデバイスの性能や信頼性に有害な影響を与えないことが示されました。
研究によれば、ラッチ状態は可逆的で劣化しないだけでなく、トランジスタのトランスコンダクタンス特性を改善し、RFパワー増幅器における線形性と出力を向上させる可能性があります。
「この信頼性を支える重要な要素は、各フィンを覆う薄い誘電体コーティング層であることが判明しました。」
– ロイヤル・アカデミー・オブ・エンジニアリング 新興技術チェア、クバル教授
デバイス熱画像化と信頼性センター（CDTR）を率いるクバルは、通信およびレーダー技術向けの次世代半導体電子デバイスの開発と、ネットゼロ排出の実現に貢献しています。CDTRはまた、広帯域・超広帯域バンドギャップ半導体を通じて、デバイスの熱管理、電気性能、信頼性の向上にも取り組んでいます。
研究の主な結論として、クバルは「ラッチ効果は数多くの実用的応用に活用でき、今後数年で人々の生活を様々な形で変革する可能性がある」と述べました。
今後の研究では、チームはデバイスが提供できる電力密度のさらなる向上に注力し、より高性能で幅広いユーザー層に対応できるようにする予定です。
さらに、産業パートナーがこれら次世代デバイスの商業化を支援します。
半導体イノベーションへの投資
GaN技術への投資に関しては、MACOM (MTSI ) は、直接的にエクスポージャーを提供する数少ない米国上場企業の一つです。同社はGaN-on-SiCおよびGaN-on-Siプロセス技術の両方を活用し、幅広い用途にわたる次世代システムアーキテクチャを実現しています。製品は低ノイズ増幅器、GaNパワー増幅器、DCから100 GHz以上の周波数帯にわたるスイッチを提供しています。
MACOM Technology Solutions Holdings Inc (MTSI )
MACOM Technology Solutions Holdingsは、通信分野をはじめとするさまざまな産業向けに高性能半導体製品を製造しています。
同社は、アナログ、マイクロ波、無線周波数（RF）、ミックスドシグナル、光学半導体技術を組み合わせた幅広い製品ポートフォリオで、年間6,000以上の顧客にサービスを提供しています。MACOMは、GaAs、GaN、InP、特殊シリコンを含む化合物半導体の製造、アナログ・ミックスドシグナル回路設計、先進パッケージング、バックエンド組立・テストを専門としています。
同社は、航空宇宙規格AS9100D、自動車規格IATF16949、国際品質規格ISO9001、環境管理規格ISO14001など、複数の認証を取得しています。
市場パフォーマンスについて、時価総額90億ドルのMTSI株は現在123.41ドルで取引されています。今年度は6.37%下落していますが、4月初旬の安値からは46.7%上昇し、今年1月の最高値からは約15.5%離れた位置にあります。EPS（TTM）は-1.22、P/E（TTM）は-99.66です。
MTSI 価格チャート
会社の財務について、MACOMは2025年4月4日終了の会計年度第2四半期の結果を発表し、売上高は2億3590万ドルで、前年同期比30.2%増加しました。
営業利益は3490万ドルで、売上高の14.8%を占め、純利益は3170万ドル、希薄化後1株当たり0.42ドルでした。売上総利益率はこの期間で55.2%に2.7ポイント上昇し、調整後売上総利益率は57.5%に0.4ポイント上昇しました。
「堅実な第2四半期の業績」に言及し、社長兼CEOのスティーブン・G・デイリーは「MACOM全体の卓越したチームワークがこの成功を可能にした」と称賛しました。
これらの数字は、第1四半期の「好調なスタート」に続くもので、デイリーは「顧客へのサービス提供と、より強力で幅広く競争力のある製品ポートフォリオの構築」に引き続き注力していると述べました。
2025年第1四半期におけるMACOMの売上は2億1810万ドルで、2024年第1四半期から38.8%増加しました。営業利益は1750万ドルで、売上高の8%を占めました。前四半期には、債務消却による一時的な損失1億9310万ドルの影響で、純損失は1億6750万ドル、希薄化後1株当たり2.30ドルの損失となっていました。
2025年7月4日終了の第3四半期については、売上高を2億4600万ドルから2億5400万ドルの範囲で予想しています。調整後売上総利益率は56.5%から58.5%の間、調整後1株当たり利益は0.87ドルから0.91ドルと見込んでおり、非GAAP税率は3%、希薄化後発行株式数は7650万株としています。
このような状況の中、MACOMは投資を通じて事業拡大を続けています。 今年1月、MACOMはマサチューセッツ州とノースカロライナ州のウェーハ製造施設に対し、5年間で最大3億4500万ドルを投資する戦略計画を発表しました。この投資は既存施設の近代化と、RF、マイクロ波、ミリ波技術向けの先進製造能力を導入し、データセンター、通信、防衛産業向けの製品提供を強化することを目的としています。
マサチューセッツ州の施設では、150mm GaN-on-SiC製造能力を導入する予定です。
「この計画はMACOMの国内半導体製造能力を強化する」とデイリーは述べ、同時に同社の成長戦略を加速させると付け加えました。
このイニシアチブは、CHIPSプログラム事務局との予備的合意に支えられており、米国への施設・機器投資に対し総額390億ドルのインセンティブが提供されています。CHIPS & Science法に基づき、MACOMには1億8000万ドルの資金と税額控除が提案されています。
数か月前に、MACOMはファブレス半導体企業ENGIN-ICを買収しました。同社は先進的なGaN MMIC（単一チップミリ波集積回路）を設計し、ターゲット市場へのサービス向上と市場シェア拡大を目指しています。
ENGIN-ICの焦点は米国防衛産業へのサービス提供で、60種以上の標準MMICと多数のカスタムMMICを取り扱っています。
「ENGIN-ICの卓越した広帯域・高効率MMICおよびモジュール設計の専門知識は、相互の顧客をより良くサポートすることを可能にします」とデイリーは述べ、ENGIN-IC共同創業者兼CTOのスティーブン・ネルソンは「MACOMがGaN半導体プロセスと製品で業界をリードする取り組みに参加できることを嬉しく思う」と語りました。
結論
6Gは、さらに高速な通信と効率的な通信を約束する次世代の無線通信技術です。このグローバルな通信、オートメーション、没入型バーチャル体験の未来を実現するには、半導体の進歩が不可欠です。半導体材料であるGaNは、より高速、低抵抗、高耐圧という独自の特性により、エレクトロニクスと通信を革命的に変える可能性を示しています。
GaNベースのSLCFETにおける最新のブレークスルーは、革新的なトランジスタアーキテクチャを活用し、ラッチ効果のメカニズムを解明することで、高周波半導体性能の限界を押し広げています。
このイノベーションは、スケーラブルな性能と堅牢な信頼性の両方を示すことで、6G実現への道筋をこれまで以上に明確にします。
参照文献：
1. Kumar, A. S., Dalcanale, S., Uren, M. J., & others. (2025). Gallium nitride multichannel devices with latch-induced sub-60-mV-per-decade subthreshold slopes for radiofrequency applications. Nature Electronics. https://doi.org/10.1038/s41928-025-01391-5
