TU Wien、量子チップ向けに革新的トランジスタ

November, 20, 2025, Wien--TU Wienが開発した新しいトランジスタ技術は半導体ドーピングを必要としないため、量子チップの制御と読み取りに決定的な利点をもたらす。

電子部品が小さくなればなるほど、その製造は複雑になる。これは長年にわたってチップ業界にとって大きな問題だった。TU Wienの研究チームは、将来的に、より小さな寸法を可能にするだけでなく、量子チップにとって重要な極低温でより高速で必要なエネルギーが少なく、機能する代替アプローチを使用してシリコンゲルマニウム(SiGe)トランジスタの製造に初めて成功した。

重要なトリックは、半導体を絶縁する酸化物層にある。ドープされ、半導体にまで及ぶ長距離効果を生み出す。この技術は、TU Wien、JKU Linz、Bergakademie Freibergによって開発された。

ドーピング:設計による汚染
以前の電子部品はドープされた半導体材料をベースにしていた。シリコンやゲルマニウムなどの元素を使用し、少量の異原子をターゲットを絞って添加した。その結果、純粋で規則的な結晶の代わりに、異原子がランダムな場所に堆積した結晶が誕生した。これにより、材料の電子特性が完全に変化し、「ドーピング」として知られる異原子の存在により、帯電粒子の移動度が変化し、したがって材料の導電率が変化する。このプロセスは、何十年にもわたって継続的に最適化され、現代のマイクロエレクトロニクスの基礎の1つである。

「しかし、ナノメートル範囲のコンポーネントでは、この方法は次第に限界に達している」と、TU Wien固体エレクトロニクス研究所、新しい研究の筆頭著者Andreas Fuchsbergerは説明している。「トランジスタが小さいほど、ドーピングのランダムな変動の影響が大きくなる。マイクロエレクトロニクスは数百万から数十億のトランジスタの相互接続に基づいているため、これはこれまで以上に大きな課題につながる。」

温度感度も問題になる。電子コンポーネントが熱くなりすぎてはいけないが、温度が低すぎるのも悪い。電荷キャリアが十分に動けなくなるからだ。これは、量子コンピュータのアプリケーションにおいて重要であり、たとえば、ほぼ絶対零度まで冷却する必要がある量子ビットを、従来の電子トランジスタと組み合わせて制御および読み取り、非常に冷たくなる必要がある。

ドープ酸化層で覆われたクリーンな結晶
「これらの問題に対するわれわれの解決策は、変調アクセプタードーピングとして知られる新しい形態のドーピングである。これには、リモート結合によって半導体の特性を調整することが含まれる」と、TU Wienナノ電子部品の研究グループを率いるWalter Weber教授は言う。「半導体結晶自体をドーピングする代わりに、半導体材料を絶縁する酸化層をドープする。これにより、酸化物層は結晶自体に外来原子を組み込むことなく半導体の導電性を向上させることができる」。磁石が他の材料を介して作用するのと同様に、酸化物層の変化も、この材料自体がドープされていない場合でも、半導体材料に遠隔の影響を与える可能性がある。

この変調アクセプタードーピング(MAD)の実験は、いわゆるグループIII-V化合物半導体とシリコンですでに行われており、TU Wienの研究グループは、Bergakademie Freiberg およびJohannes Kepler University Linzと協力して、重要な半導体シリコンゲルマニウムでこの効果を実証することに成功した、さらに、このように機能的なSiGeトランジスタの製造にも成功した。

これは、特に産業に関連している。スイッチング時間の短縮と消費電力の削減を実現するために、トランジスタのGe含有量を継続的に増加させる取り組みが行われているからである。量子チップでは、量子情報をより高速に処理し、エネルギー損失を低減することもできる。測定結果は非常に有望である:「MAD技術は4000倍以上の導電率、スイッチオン挙動の改善、エネルギー消費の削減を示すことができた。これにより、新世代の多用途ナノトランジスタへの道が開かれる可能性がある」とDr. Masiar Sistaniは話している。

量子チップに適合
この新技術は量子チップにとっても特に興味深いものである:「量子技術の関連性は高まっている。ただし、量子システムを制御または読み取るなど、依然として古典的な電子工学が必要である。これは、従来のトランジスタが超低温量子コンポーネントの非常に近接して動作する必要があることを意味する。これは、従来のドーピング技術が失敗することが多い場所である。これは、電荷キャリアの「凍結」と呼ばれる。われわれのテクノロジーは、これらの問題を回避する。酸化層のドーピングは、極低温でも効果的である」とDr. Sistaniはコメントしている。

この成果は現在、有名なジャーナルであるIEEE Electron Device Lettersに掲載され、8月号の表紙のEditor’s Pickに選ばれた。