GAAFET（ジーエーエーフェット）

2025年10月29日

GAAFET（ジーエーエーフェット）

英語表記: GAAFET

概要

GAAFET（Gate-All-Around FET）は、現在の主流であるFinFET（フィンフェット）に代わる、次世代の半導体トランジスタの素子構造です。これは、半導体の微細化をさらに推し進める「プロセスルール」の進化において、不可欠な技術と位置づけられています。チャネル（電流の通り道）の全周（360度）をゲート電極で取り囲む構造を採用しており、これにより、トランジスタがオフ状態のときに電流が漏れてしまう「リーク電流」を極限まで抑制することが目的です。この革新的な素子構造により、半導体デバイスはさらなる高性能化と低消費電力化を実現できるのです。

詳細解説

GAAFETは、半導体技術の中でも特に「半導体材料とデバイス」における「素子構造」の進化の最先端を担っています。この技術がなぜ必要とされているのか、その背景から解説いたします。

微細化の壁と素子構造の進化

半導体の性能向上は、トランジスタのサイズを縮小するプロセスルール（例：10nm、7nm、5nmなど）の微細化によって達成されてきました。しかし、サイズが小さくなると、ゲート電極がチャネルを制御する能力が物理的に限界に達します。かつて主流だった平面型トランジスタでは、ゲートがチャネルを片側からしか制御できなかったため、微細化が進むとリーク電流が増大し、電力効率が悪化しました。

この問題を解決するために登場したのがFinFETです。FinFETはチャネルを魚のヒレ（Fin）のように立て、ゲート電極がその三方向から制御することで、制御能力を大幅に向上させました。これはまさに素子構造における大きな飛躍でした。

GAAFETの構造と動作原理

しかし、プロセスルールが3nm、さらには2nmへと進むと、FinFETでも制御が難しくなるという課題に直面しました。そこで開発されたのがGAAFETです。

GAAFETの最大の特徴は、チャネルをナノシート（またはナノワイヤ）と呼ばれる非常に薄い帯状の構造にし、それを何層にも重ねて配置する点にあります。そして、このナノシートの上下左右、つまり360度すべてを絶縁膜を介してゲート電極が完全に包み込みます。この「ゲート・オール・アラウンド（Gate-All-Around）」という名の通り、チャネルの全周から静電的に制御することで、FinFETの三方向制御よりもさらに強力かつ均一な制御が可能になります。

究極の静電制御がもたらす効果

この360度制御のおかげで、ゲート電圧がオフになったとき、チャネル内の電子の流れを完全に遮断できます。これにより、リーク電流が劇的に低減されます。リーク電流の抑制は、待機電力の削減に直結するため、スマートフォンや高性能AIチップなど、電力効率が重視されるデバイスにとって極めて重要です。

また、GAAFETはナノシートを積層できるため、同じ設置面積の中に、より多くの電流を流せる実効的なチャネル幅を確保できます。これは、トランジスタの駆動能力（性能）を維持しつつ、微細化を続けるための非常に巧妙な工夫であり、半導体デバイスの物理的な限界に挑む技術者たちの情熱を感じますね。

GAAFETは、単にFinFETの改良版というだけでなく、プロセスルールを進化させるための新しい「素子構造」の標準となることが期待されています。

（文字数概算：約1,400文字）

具体例・活用シーン

GAAFETのような最新の素子構造は、私たちの日常生活で使われる最も高性能な電子機器の心臓部で活躍しています。

1. 次世代の高性能コンピューティング

GAAFETは、主に3nm以降のプロセスルールを採用する先端半導体製造で導入が始まっています。これによって製造されるのは、データセンターで使用されるサーバー用のCPUや、AIの複雑な計算を担うGPU、そして次世代のスマートフォン向けのSoC（System on Chip）です。これらのチップは、膨大なデータを処理しつつ、電力消費を抑える必要があるため、GAAFETの低リーク電流特性が不可欠となります。

2. アナロジー：完璧な水門管理者

GAAFETの動作を理解するための良いアナロジーは、「完璧に制御された水門」です。

従来の平面型トランジスタは、水路（チャネル）の片側からしか水流（電流）を止められない、古い木製の水門のようなものです。完全に閉めても、どうしても水が少しずつ漏れてしまいます（リーク電流）。これが無駄な電力消費につながります。

FinFETは、水路の三方向から板を押し付けて水流を止める、高性能な水門に進化しました。漏れは大幅に減りますが、水路が細くなると、制御しきれない部分が出てきます。

一方、GAAFETは、水路全体を360度、ゴムのように均一に絞り込むことができる「最新鋭のバルブ」のようなものです。このバルブを閉じれば、水流は一滴たりとも漏れません。この「漏れない」特性こそが、待機電力ゼロに近い動作を可能にし、私たちのデバイスのバッテリー寿命を飛躍的に延ばす鍵となるのです。素子構造の進化が、いかに物理的な効率に影響を与えるかを示す、素晴らしい例だと思います。

3. 製造技術の進化

GAAFETはナノシートを積層するため、製造プロセス（プロセスルール）も非常に高度になります。特に、複数のナノシートを正確に形成し、その周囲を均一なゲート材料で完全に包み込む技術は、半導体製造技術の粋を集めたものです。この製造技術の進化こそが、半導体技術全体を押し上げる原動力となっています。

（文字数概算：約900文字）

資格試験向けチェックポイント

GAAFETは比較的新しい技術ですが、IT Passport、基本情報技術者試験、応用情報技術者試験などの上位資格では、半導体のトレンドとして出題される可能性があります。特に「素子構造の進化」の文脈で押さえておきましょう。

1. 基本情報・ITパスポートレベル

位置づけの理解: GAAFETは、FinFETの次世代技術であり、半導体の微細化（プロセスルール）を進めるための技術であると理解してください。
目的: 主な目的は「リーク電流の抑制」と「低消費電力化」です。
キーワード: 「ゲート・オール・アラウンド」という名称がそのまま特徴を表していることを覚えておきましょう。これは、素子構造が三次元的に進化しているトレンドを象徴しています。

2. 応用情報技術者レベル

FinFETとの比較: GAAFETは、FinFETの三方向制御に対し、チャネルを360度から完全に囲むことで、より高い静電制御能力を実現している点を説明できるようにしてください。
構造的特徴: チャネルが「ナノシート」または「ナノワイヤ」と呼ばれる細い構造になっていることが重要です。ナノシートの積層構造により、駆動能力を維持しつつ微細化を進めることが可能になっています。
プロセスルールとの関係: 3nmや2nmといった先端プロセスルールの実現に不可欠な技術として認識されており、半導体製造のロードマップにおける重要性を理解しておく必要があります。