長年にわたり、コンピューターチップの速度と効率を向上させる競争は、極紫外線（EUV）リソグラフィ装置と呼ばれる機器と密接に関連してきました。この高度に複雑なシステムは、最先端のシリコンチップを製造するための鍵と見なされています。しかし、中国は輸出制限によりこの技術で大きな障害に直面しており、半導体の野心に重大な挑戦をもたらしています。現在、上海のスタートアップ企業である元基偉（Yuanjiwei）が、将来的にはEUV機器を全く必要としない計算の可能性に賭けています。同社は、二次元（2D）半導体専用の世界初の8インチパイロット生産ラインを立ち上げました。この技術は、最終的には全く異なる材料と製造方法を使用して先進的なチップを構築することを可能にするかもしれません。
この発表は重要な意味を持っています。なぜなら、半導体業界は根本的な問題に直面しているからです。数十年にわたり、チップメーカーは情報を処理する小さなスイッチであるトランジスタを縮小することで性能を向上させてきました。しかし、これらの部品が原子サイズに近づくにつれて、製造はますます困難で高コストになっています。さらに、これらのトランジスタは不必要な電流漏れの問題にも直面しており、トランジスタがオフであるべき時でも電流が流れ続けるため、エネルギーを浪費し、熱を発生させます。世界中の研究者たちは、従来のシリコンの代替品を探求しており、2D材料は最も有望な候補の一つとなっています。
元基偉の8インチパイロット生産ラインが半導体業界を変える可能性
二次元半導体は、わずか1つまたは数個の原子の厚さの材料で作られています。従来のシリコンのように三次元の結晶構造を形成するのとは異なり、2D材料内の電子は主に超薄層内を移動するため、「二次元」と呼ばれています。この独特の構造により、2Dトランジスタは非常に小さなスケールでも強力な電気性能を維持でき、従来のシリコンデバイスはますます制御が難しくなっています。元基偉の会長である包文忠（Bao Wenzhong）は、「従来のシリコンベースのチップと比較して、2D半導体は複数の潜在的な利点を提供します。2D材料の原子レベルの厚さにより、2D半導体内のトランジスタは、ますます複雑なトランジスタ構造に依存することなく小さくなることができます。」と述べています。
もう一つの利点は、2D半導体と3Dチップスタッキング技術を組み合わせるときに現れる可能性があります。材料が非常に薄いため、電子回路の多層構造はより効率的にスタッキングでき、チップの占有面積を大幅に増加させることなく計算能力とメモリ密度を向上させることができます。しかし、研究者たちはこれらの材料の研究を10年以上行っていますが、実験室のサンプルからウェーハレベルの製造に拡大することは依然として非常に困難です。これが、チップ業界が依然として大きくシリコントランジスタに依存している理由の一つでもあります。
元基偉の研究者たちは新しい材料を発明したわけではなく、実験室の研究を実際のチップに変換する産業プロセスを創造しました。同社によると、新しいパイロット生産ラインは、2D半導体材料の準備からそれを完成品に統合するまで、製造チェーン全体をカバーしています。この生産ラインは、チップ設計の最終段階である出片もサポートしており、これは2D半導体研究における重大な障害、すなわちこれらの原子薄材料がチップ業界に関連するスケールで安定して製造できることを証明するという問題を解決します。
以前の研究では、2D材料を使用して高性能電子デバイスを構築できることが示されています。最近、研究者たちはこれらの超薄材料をウェーハレベルで成長させ、製造する方法を示しました。しかし、これらの努力は主に技術の実現可能性を証明することに集中しており、完全な生産プロセスを構築することには至っていません。実験室のデモを再現可能な製造プロセスに変換するには、材料の準備、設備の製造、チップの統合など、追加の課題を解決する必要があります。元基偉は、新しい8インチパイロット生産ラインが、複数のチップ生産段階を1つのプラットフォームに統合することでこのギャップを埋めることを目指していると述べています。
同社はさらに、この製造拠点を利用して先進的なプロセスを開発し、最終的には2029年までにEUVリソグラフィに依存せずに5ナノメートルに相当するチップ技術を達成することを目指しています。これらの努力は、中国が先進的な半導体製造の代替ルートを模索するという大きな推進力に合致しています。アメリカが主導する一部の世界最先端のチップ製造ツールへのアクセス制限に直面して、中国はチップ研究に大きな投資を行い、大学、国営研究所、設備メーカー、半導体企業を集結させて外国技術への依存を減らそうとしています。
この秘密のEUVプロジェクトに直接関与している匿名の情報筋は、ロイターに対して「目標は、中国が最終的に完全に中国製の機械で先進的なチップを製造できるようにすることです。」と語りました。2D半導体に対する期待が高まる一方で、専門家たちは商業的成功が依然として遠いと警告しています。チップ製造は、世界で最も複雑な産業プロセスの一つです。元基偉の発表に参加した業界の専門家は、供給チェーンの各部分が一緒に成熟しなければ、どの単一の企業も2D半導体を独立して商業化できないと強調しています。
さらに、いくつかの未解決の技術的問題が依然として存在しています。研究者たちは実験室で高性能な2Dトランジスタを何度も展示してきましたが、高い信頼性で数百万または数十億の同一デバイスを生産することは依然として大きな課題です。多くの有望な半導体技術は、研究論文から大規模生産への移行過程で困難に直面しています。しかし、試作生産ラインの導入は重要な移行を示しています。元基偉は単に実験室の結果を発表するのではなく、2D半導体が産業規模で製造できることを証明しようとしています。もしこの会社が成功すれば、中国に先進的なチップへの道を提供し、半導体業界で最も制限された技術の一つを回避する可能性があります。