2024年10月1日、中国政府によるレアアース材料の輸出規制が発効した。この動きは、西側諸国による対中技術制裁への対抗措置とみられている。中国は、ガリウムを含むレアアース材料を「国有」に再分類し、その輸出を厳しく制限した。
これに対し、米国防総省の研究開発部門である国防高等研究計画局（DARPA）は、翌10月2日、即座に対抗策を打ち出した。DARPAは、米国の大手防衛企業Raytheonと3年間の契約を締結し、中国からの輸入に依存しない新たな半導体技術の開発に乗り出すことを発表したのだ。
DARPAとRaytheonの契約
この迅速な対応は、米国が半導体技術における中国への依存度を低減し、国家安全保障を強化する決意を示すものである。新たに開発される半導体は、従来のガリウムベースの技術に代わる、ダイヤモンドと窒化アルミニウムを用いた超広帯域ギャップ半導体（UWBGS）となる見込みだ。
この動きは、先端技術分野における米中の緊張関係が一段と高まっていることを示している。半導体技術は現代の電子機器や防衛システムの根幹を成すものであり、そのサプライチェーンの確保は国家安全保障上の重要課題となっている。
DARPAとRaytheonの間で締結された契約は、3年間にわたる2段階のプロジェクトとなっている。この契約の目的は、ダイヤモンドと窒化アルミニウム技術を基盤とした「基礎的な」超広帯域ギャップ半導体（UWBGS）の開発である。
第1段階では、RaytheonのAdvanced Technologyチームが、ダイヤモンドと窒化アルミニウムを用いた半導体フィルムの開発と、それらの電子デバイスへの統合に焦点を当てる。この段階では、新材料の基本的な特性の理解と、実用化に向けた課題の特定が主な目標となる。
第2段階では、開発された技術の最適化と成熟化が図られる。特に、より大口径のウェハーを用いたセンサーアプリケーションの開発に重点が置かれる。この段階では、研究所レベルの成果を実用的なデバイスへと昇華させることが目指される。
契約の全工程を3年以内に完了させるという条件は、このプロジェクトの緊急性を物語っている。RaytheonのAdvanced Technology部門の社長であるColin Whelan氏は、「これは半導体技術を再び革新する重要な一歩となる」と述べ、同社の豊富な経験と専門知識を活かして、これらの新材料を将来のアプリケーションに向けて成熟させていく意向を示した。
この契約は、マサチューセッツ州アンドーバーにあるRaytheonのファウンドリーで遂行される。同社は既に、ガリウムヒ素（GaAs）やガリウムナイトライド（GaN）などの類似材料の開発で実績があり、DARPAがこのプロジェクトをRaytheonに委託したのは、同社の先駆的な歴史と先端microelectronics における専門性を評価したためと考えられる。
新半導体技術の概要と期待される効果
開発が進められる超広帯域ギャップ半導体（UWBGS）技術は、従来のガリウムナイトライド（GaN）ベースの半導体を上回る性能を目指している。UWBGSの特徴的な材料特性は、従来の半導体技術に比べていくつかの重要な利点を提供する。
ダイヤモンドベースの半導体は、約5.5eVというバンドギャップを持ち、これはGaNの3.4 eVを大きく上回る。一方、窒化アルミニウム（AlN）は約6.2 eVという更に広いバンドギャップを有している。これらの広いバンドギャップは、高周波性能、高電子移動度、極端な熱管理、より高い電力処理能力、および耐久性が重要となるアプリケーションにおいて、GaNを凌駕する可能性を秘めている。
UWBGSの利点は以下の点に集約される：
- 高コンパクト性：超高出力無線周波スイッチ、リミッター、電力増幅器の小型化が可能となる。
- 高温動作：高い熱伝導率により、より高温かつ極端な環境下での動作が可能となる。
- 電力効率の向上：より効率的な電力供給と熱管理が可能となり、センサーやその他の電子アプリケーションの性能向上につながる。
これらの特性は、現在および次世代のレーダーや通信システムに最適化されたデバイスの開発を可能にする。具体的には、協調sensing、電子戦、指向性エネルギー、そして極超音速などの高速兵器システムへの回路組み込みなど、幅広い応用が期待されている。
特に、レーダーや通信システムの能力と range の拡張は、現代の防衛システムにおいて極めて重要な意味を持つ。UWBGS技術の実用化により、米国の軍事力と技術的優位性の維持・強化が期待される。
開発プロジェクトの今後の展望
RaytheonDARPAの共同プロジェクトは、半導体技術の新たなフロンティアを開拓するものとして注目を集めている。しかし、この野心的な取り組みには、いくつかの課題と今後の展望が存在する。
- 量産化への道のり： ダイヤモンドベースの半導体は、まだ新興材料の段階にある。大量生産に関連する課題を克服し、商業的に実現可能な製造プロセスを確立することが、今後の重要なマイルストーンとなる。
- 性能の実証： 研究所での成果を実際のデバイスに転換し、理論上の利点を実証することが求められる。特に、既存のGaN技術との比較において、明確な優位性を示す必要がある。
- アプリケーションの拡大： 当初は軍事・防衛分野での使用が想定されているが、将来的には民生用途への展開も視野に入れられる可能性がある。高温・高出力が要求される産業用途などへの応用が期待される。
- 国際協力と競争： 中国の輸出規制に対抮する形で始まったプロジェクトだが、今後は同盟国との技術協力も重要になる可能性がある。一方で、この分野での国際的な技術競争も激化すると予想される。
- 環境への配慮： 新技術の開発にあたっては、環境負荷の低減や持続可能性も考慮に入れる必要がある。材料のリサイクル性や製造プロセスの効率化なども、今後の課題となるだろう。
3年という限られた期間内での開発完了は、このプロジェクトの野心的な性質を示している。しかし、成功すれば、アメリカの技術的優位性を確保し、国家安全保障を強化する上で重要な役割を果たすことになる。さらに、この技術は半導体産業全体に波及効果をもたらし、次世代の電子機器や通信システムの基盤となる可能性を秘めている。
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