米国エネルギー省プリンストン・プラズマ物理研究所（PPPL）の研究者たちは、より小型、薄型、そして高効率な次世代チップを開発しています。ショアイブ・ハリド氏が率いる研究チームは、プロセッサにおけるシリコンの代替として、遷移金属二カルコゲナイド（TMD）の利用を研究しています。
Tom's Hardwareとのインタビューで、ショアイブ氏は「チップはますます小型化しており、機能とサイズの面で限界に近づいている」と述べた。ムーアの法則によれば、半導体のトランジスタ数は2年ごとに倍増する。しかし、プロセスノードが微細化するにつれて、ムーアの法則は通常の2年ではなく3年に減速すると予想されている。その後、2ナノメートル以下のスケールに達すると、半導体の物理的限界にすぐに達してしまうだろう。
ショアイブ氏と彼のチームは、現在の3Dチップ設計に代わる2D材料としてTMDの利用を研究しています。TMDは原子3個分の厚さで、金属サンドイッチのような働きをします。この「パン」には、酸素族元素として知られるカルコゲン元素が使用されています。これは、酸素、硫黄、セレン、テルルのいずれかです。そして、あらゆる遷移金属を「サンドイッチ」の詰め物として使用することができます。
ショアイブ氏は、「欠陥の種類と性質によって、材料内での挙動が異なり、材料の特性を変化させる可能性があります。例えば、材料内に過剰な電子を発生させてn型（電子が多い材料）にしたり、より多くの正孔を発生させてp型（正孔、つまり正電荷が多い材料）にしたりすることができます」と述べました。
コンピューターチップは、負に帯電した（n型）材料と正に帯電した（p型）材料を組み合わせることで、優れた電気伝導性を実現しています。現在の半導体技術では、これらの特性を意図的に得るためにドーピングが用いられています。TMDにおける欠陥の誘起メカニズムを理解することで、これらのn型およびp型材料を原子レベルで作製することが可能になります。
シリコン半導体とTMDの原理は同じですが、後者にはいくつかの利点があります。ショアイブ氏によると、TMDは層数を変えることでバンドギャップを調整でき、最薄は原子3個分の単層（モノレイヤー）まで薄くできます。TMDは様々な材料で作製でき、柔軟性と耐久性に優れています。「最終的な目標は、よりスマートで安価なチップを実現することです」とショアイブ氏は言います。
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ショアイブ氏と彼のチームが現在取り組んでいる問題は、50年前に最初の半導体を研究していた研究者たちが直面していた問題とほぼ同じでしょう。しかし、彼らはサイズという点でより大規模な研究を行っていました。PPPLチームは、同じ問題を原子レベルで解決しようとしています。
では、TMDがスマートフォンやPCに搭載されるのはいつになるのでしょうか？TSMCはすでに1nmチップの開発に着手しており、他の企業も2036年までにサブナノメートルトランジスタへのロードマップを発表しています。「Intelなどの企業はすでに、これらのTMDを用いたトランジスタの製造に取り組んでいます」とショアイブ氏は言います。「2030年までには、実際にデバイスに使用できるTMDトランジスタが完成するかもしれません。」
ジョウィ・モラレスは、長年のテクノロジー業界での実務経験を持つテクノロジー愛好家です。2021年から複数のテクノロジー系出版物に寄稿しており、特にテクノロジー系ハードウェアとコンシューマーエレクトロニクスに興味を持っています。
