長らくエレクトロニクス業界の絶対的な王座に君臨してきたシリコンは、その微細化の限界に直面している。短チャネル効果や熱放散といった物理的な障壁が、ムーアの法則の終焉を現実のものとしつつあるのだ。しかし、この半導体業界の「大いなる壁」を乗り越えるべく、新たな素材が静かに、しかし着実にその存在感を高めている。それが、原子レベルの薄さを持つ「2次元（2D）材料」である。
ペンシルベニア州立大学の研究チームは、この2D材料を用いて、世界初となる機能的な相補型金属酸化膜半導体（CMOS）ワン命令セットコンピュータ（OISC）の開発に成功したと、科学誌『Nature』で発表した。これは単なる技術的なデモンストレーションに留まらない。シリコンに依存しない次世代コンピューティングへの扉を開く、まさに歴史的な一歩と言えるだろう。
シリコンの壁と「2次元」という名の革命
現代のデジタル社会は、シリコン半導体の上に成り立っている。スマートフォンのプロセッサからデータセンターのサーバーまで、あらゆる電子機器の心臓部には、微細化の極致に達したシリコントランジスタが組み込まれている。しかし、その微細化は物理的な限界に直面している。
トランジスタを小さくしすぎると、電子の挙動をうまく制御できなくなる「短チャネル効果」や、増大する発熱の処理といった深刻な問題が顕在化する。この「シリコンの壁」を乗り越えるため、世界中の研究者が次世代の材料を探し求めてきた。
その最も有力な候補こそが、グラフェンに代表される2次元（2D）材料である。これらの材料は、原子わずか数個分という究極の薄さを持ちながら、シリコンを凌駕するほどの優れた電気的特性（キャリア移動度）を維持できるという特異な性質を持つ。理論上、2D材料はシリコンよりも遥かに小さく、かつエネルギー効率の高いトランジスタを実現できる可能性を秘めているのだ。
今回、ペンシルベニア州立大学のチームが注目したのは、以下の2種類の2D材料であった。
- 二硫化モリブデン（MoS₂）: 電子をキャリアとする「n型」トランジスタに適した材料。
- 二セレン化タングステン（WSe₂）: 正孔（電子の抜け穴）をキャリアとする「p型」トランジスタに適した材料。
この2つを組み合わせることが、今回のブレークスルーの鍵となる。
歴史的快挙の核心 – 異種材料が奏でる「補完的」ハーモニー
現代のプロセッサの基本技術であるCMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）は、n型とp型のトランジスタを対（ペア）で利用することで、高性能と低消費電力を両立させている。これまで2D材料で複雑な回路を組む上での最大の障壁は、このn型とp型の両方を、高品質かつ大規模に集積することの難しさにあった。
ペンシルベニア州立大学のチームは、この難題を見事に解決した。その核心は、複数の技術的ブレークスルーの組み合わせにある。
n型とp型の「ヘテロジニアス集積」という妙技
研究チームは、n型のMoS₂とp型のWSe₂という、性質の異なる2つの材料を一つの基板上に統合する「ヘテロジニアス集積」に成功した。これは単に2つの材料を並べるだけではない。それぞれの材料の特性を最大限に引き出しつつ、安定したCMOS回路として連携動作させる、極めて高度なエンジニアリングの賜物である。
MOCVD法による「ウェハー規模」での製造
実験室レベルの小さな試作品ではなく、「コンピュータ」と呼べる規模の回路を構築するためには、均質で広範囲な材料が不可欠だ。チームはMOCVD（有機金属化学気相成長法）という製造技術を用いることで、1,000個以上のトランジスタを搭載できるほど大面積のMoS₂とWSe₂のシートを成長させることに成功した。これは、将来的な量産化への道筋を示す重要な一歩と言える。
性能を左右する職人技 – しきい値電圧の精密制御
CMOS回路が効率的に動作するためには、n型とp型のトランジスタがON/OFFする電圧（しきい値電圧）を精密に調整する必要がある。研究チームは、高誘電率（high-κ）ゲート絶縁膜の採用や、デバイス製造後の処理工程を丹念にチューニングすることで、このしきい値電圧を最適化。これにより、リーク電流（待機時の電力漏れ）を最小限に抑え、超低消費電力動作を実現したのである。
「OISC」が示す、ささやかだが偉大な一歩 – その性能と可能性
今回開発されたのは、命令セットが一つしかない非常にシンプルな「OISC（One-instruction set computer）」だ。現代の複雑なプロセッサとは比較にならないが、デジタルコンピューティングの基本要素が2D材料だけで実現可能であることを世界で初めて証明した点で、その意義は計り知れない。
その性能を見てみよう。
- 動作周波数: 最大25kHz。現在のシリコンプロセッサ（GHz単位）には遠く及ばない。これは主に、試作段階のデバイスレイアウトに起因する寄生容量（不要なコンデンサ成分）によるものだと分析されている。
- 動作電圧: 3ボルト以下。低電圧での動作が可能。
- 消費電力: ピコワット（pW、1兆分の1ワット）レベル。これは驚異的な数値であり、この技術の最大の魅力と言える。
- エネルギー効率: スイッチング1回あたりのエネルギー消費は、約100ピコジュール（pJ）と極めて低い。
周波数の低さは現時点での課題だが、この「ピコワット級の超低消費電力」という特性は、半導体の応用先を根底から変えるインパクトを秘めている。例えば、人間の体温や微弱な振動で発電し、半永久的に動作するウェアラブルデバイスや、体内に埋め込んで生体情報を常時モニタリングする医療インプラント、あるいは環境中に無数にばらまかれ、協調して動作する超小型センサーネットワークなど、これまで電力供給の制約で実現が難しかった応用が現実のものとなる可能性を拓く。
さらに重要なのは、研究チームが単に「動いた」と報告するだけでなく、実測データに基づいてSPICE互換の性能評価モデルを構築した点だ。これにより、デバイス間の特性のばらつきといった現実的な要素を考慮した上で、将来の性能向上を予測し、既存のシリコン技術と客観的に比較することが可能になる。これは、研究室の成果を産業界へと橋渡しする上で不可欠な、極めて現実的かつ戦略的なアプローチである。
「ゲームのルール」を変える歴史的偉業か
この成果をどう位置づけるべきか。筆者は、これを単一の技術的マイルストーンとしてではなく、半導体業界全体の「ゲームのルール」を変え得る、より大きな地殻変動の始まりとして捉えるべきだと考えている。
80年の帝国に対する「15年の挑戦」
研究を主導したSaptarshi Das教授は、「シリコン技術の開発には約80年かかったが、2D材料の研究は2010年頃に本格化したばかりだ」と語る。わずか15年足らずの研究で、コンピューティングの基本構成要素をゼロから構築してみせたという事実は、この分野の進化がいかに急峻であるかを物語っている。これは、長きにわたり君臨してきたシリコンの牙城に対する、最も有望な挑戦者の登場を告げる物だ。
次なる戦場は「異種材料の統合」へ
2D材料の真の魅力は、その「モジュール性」にあるかもしれない。今回の研究がMoS₂とWSe₂を組み合わせたように、様々な特性を持つ2D材料をレゴブロックのように組み合わせることで、特定の用途に最適化されたカスタムチップを設計できる可能性がある。
さらにその先には、シリコンの持つ成熟した製造基盤と、2D材料の持つ究極の薄さや低消費電力といった利点を組み合わせる「ハイブリッドアーキテクチャ」という未来も見えてくる。これは、業界の競争軸を「単一材料の微細化競争」から「異種材料の巧みな統合能力」へとシフトさせる、大きなパラダイム転換を引き起こす可能性がある。
残された課題と未来へのロードマップ
もちろん、この技術がスマートフォンに搭載されるまでには、まだいくつもの高いハードルが存在する。動作周波数の大幅な向上、ウエハー全体でのデバイス特性の均一性の確保、そして既存のシリコン製造インフラと互換性のある低コストな製造プロセスの確立など、解決すべき課題は山積みだ。
しかし、今回の成果は、これらの課題が乗り越え不可能な壁ではなく、明確な道筋の上に存在するマイルストーンであることを示した。ペンシルベニア州立大学の2D Crystal Consortium（2DCC）のようなプラットフォームが研究を加速させており、開発のペースは今後さらに速まるだろう。
我々が今、目の当たりにしているのは、単一の原始的なコンピュータの誕生ではない。それは、原子の厚みしかない物質の上に、全く新しいコンピューティング文明を築き上げるための、壮大な挑戦の始まりなのかもしれない。シリコンが築いた帝国は、すぐには崩れないだろう。だが、その足元では、確実に次なる時代の胎動が始まっている。
論文
参考文献
- Nature: Computer processors built from 2D materials
- Penn State University: World’s first non-silicon 2D computer developed
