天津大学がシリコンRFチップの損失問題を解決、国産半導体の性能向上に貢献

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この記事のポイント

• 天津大学の馬凱学教授チームが、シリコンRFチップの信号損失問題を解決する画期的な技術を開発しました。
• この技術は、材料や製造ラインを変更せず、理論と設計の革新により、チップの性能を大幅に向上させます。
• 開発された技術は、位相ノイズの削減や帯域幅の拡大など、様々な性能向上を実現し、すでに産業界で広く応用されています。
• この成果は、天津市科学技術賞自然科学特等賞を受賞し、中国の半導体産業の安全性向上に貢献することが期待されています。

シリコンRFチップの長年の課題「信号損失」

5G、衛星通信、レーダーなど、無線技術が社会の基盤となる現代において、RF（高周波）チップは無線通信を支える「心臓部」と言えます。1000億元規模の巨大市場を誇るこの分野で、最も主流なシリコン基板を用いた半導体プロセスは、「RF信号の損失」という長年の課題に直面していました。

シリコン基板は、低コストで成熟した製造プロセスが特長ですが、その本質的な欠点として、商用シリコン基板の低い抵抗率がRF信号の伝送損失を高めてしまうことが挙げられます。これにより、大量のエネルギーが熱やノイズに変換され、チップのRF性能を著しく低下させるだけでなく、低損失化や小型化といった技術的な進歩を妨げていました。

材料・ライン変更なし！理論と設計の革新で課題を克服

「皆が当然だと諦めていた困難な問題を、私たちは根本から解決しようと努力しました」と、馬凱学教授は語ります。「私たちは材料を変更したり、製造ラインを改造したりすることなく、汎用的な商用シリコンプロセスを基盤として、理論と設計の革新によって『限られたスペースで最大限の効果を生み出す』ことを目指しました」

数えきれないほどのシミュレーション、テスト、そして改良を重ねる中で、チームは半導体の根本的なメカニズムを解明しました。商用シリコン基板における電磁的結合と伝送において、磁気損失はほぼゼロである一方、電気的損失が「主犯」であることを突き止めたのです。この知見に基づき、チームは独自の「結合・多共振電磁制御モデル」を創出しました。このモデルでは、商用シリコンプロセスで利用可能な多層金属構造の特性を活かし、電気エネルギーを低損失な二酸化ケイ素層に蓄積し、磁気エネルギーをシリコン層に蓄積することで、電磁エネルギーの「領域別蓄積と精密制御」を実現しました。

これにより、材料の追加やコストの増加なしに、構造設計の革新だけで超高損失を大幅に低減させ、シリコンRFチップの性能を質的に向上させることが可能になりました。

国際初の成果と産業界での広範な応用

この独創的なブレークスルーは、数々の目覚ましい成果をもたらしました。国際初の「三共振電圧制御発振器」を開発し、位相ノイズを87%も大幅に削減。設計を指導したパワーアンプは帯域幅が31%向上し、アンテナへの応用では帯域幅が50%向上しました。

チームは常に、市場のニーズを最優先し、産業界の要求に導かれる形で研究開発を進めてきました。彼らの論文は、多くのリーディングカンパニーや研究機関で広く採用され、特許としても実用化されています。これは、「成果が出てから応用へ」という従来の慣習を打破し、産業界のニーズが原始的なイノベーションを促進するという、新たな研究開発のあり方を示しています。

愛国心と科学者精神が中国の半導体産業を支える

10年間の企業勤務経験を持つ馬凱学教授は、長年研究開発の最前線に立ち、チームを率いて難題に挑み続けてきました。彼の活動には、每一次の回路調整や理論の改良に、祖国への貢献という強い思いが込められています。

彼らは、「愛国、革新、求実、奉献（献身）」という科学者精神を体現し、実際の行動で示しています。

中国の「芯」が世界で輝く未来へ

現在、この技術は5G通信の安定稼働を支えるだけでなく、6G通信の早期展開、そして空・地・海を統合した通信ネットワークの構築を支援し、あらゆるモノが知的に繋がる（IoE: Internet of Everything）社会の実現に貢献しています。天津というイノベーションの沃野において、チームはRFチップ分野での研究をさらに深め、自律的なイノベーションによって中国の集積回路産業の安全保障の礎を固め、中国の「芯」（半導体）が世界の舞台でより強く輝く未来を切り拓いていきます。

出典：天津大学微電子学院

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