GAA（ゲートオールアラウンド）トランジスタとは — FinFETの次に来た構造

「2nm世代のトランジスタはGAA構造になる」——ニュースでよく見るこのフレーズ、実際にはトランジスタのどこがどう変わったのでしょうか。2011年にIntelが導入したFinFET構造は10年以上にわたって微細化を支えてきましたが、2nm前後の世代でとうとう物理的な壁にぶつかりつつあります。その壁を乗り越えるために登場したのが、チャネルをゲートで四方から包み込む「GAA（Gate-All-Around）」構造です。この記事では、FinFETが抱えていた課題からGAAの仕組み、各社の量産状況までをゆるっと整理します。

FinFETがぶつかった壁

平面（プレーナ）型トランジスタからFinFETへの立体化についてはトランジスタの進化で詳しく解説していますが、要点だけ振り返ると、FinFETはチャネルを板状に立てることでゲートの接触面積を増やし、電流のON/OFF制御を大きく改善した構造でした。

しかし微細化が進むにつれて、FinFETにも限界が見えてきます。チャネルの下面はゲートに覆われていないため、トランジスタが極小になるほど、ゲートで制御しきれない電流のわずかな漏れ（リーク電流）が無視できなくなってきたのです。フィンをさらに薄く高くすることである程度は対応できますが、薄すぎるフィンは製造ばらつきや強度の問題を招き、これも簡単ではありません。加えてフィンの本数を増減させることでしか電流量（駆動力）を細かく調整できないという設計上の制約もあり、回路設計の自由度も下がっていました。

GAA/ナノシートトランジスタの仕組み

GAAの基本アイデアは単純です。フィンのように立てた板状のチャネルではなく、細い板（ナノシート）や線（ナノワイヤ）を宙に浮かせたような形にし、その周囲をぐるりとゲートで取り囲みます。ゲートがチャネルの全方向に接することで、電流の流れをより緊密に制御でき、リーク電流を抑えやすくなるのです。

さらに、現在主流になっているのは複数枚のナノシートを縦に積み重ねる「ナノシート型GAA」です。1つのトランジスタの中に薄いチャネルを2〜4枚程度重ねて並列に配置することで、駆動力（流せる電流の量）をシート枚数によって細かく調整できるようになりました。これはFinFETのフィン本数による調整よりも柔軟性が高く、回路設計者にとっては性能と消費電力のバランスを取りやすい構造になっています。

誰が量産しているのか

GAAへの移行は各社で足並みが揃っているわけではありません。最も早く動いたのはSamsung電子で、独自の呼称「MBCFET」として2022年に3nm世代（SF3系）でGAAの量産を開始しました。ただし立ち上げ初期は歩留まり（良品率）の低さが繰り返し報じられており、先行したことが必ずしも競争優位に直結したわけではないという評価もあります。

Intelは20A世代でGAA構造「RibbonFET」と、電源配線をウエハ裏面に回す「PowerVia」を組み合わせる計画でしたが、20A自体は外部顧客向けにはほぼ展開せず、事実上の社内検証世代として扱われました。本命として位置づけられたのは次の18A世代で、RibbonFETとPowerVia backside powerを本格投入し、自社製CPU（Panther Lakeなど）や外部ファウンドリ顧客向けの量産を進めています。

TSMCは最も保守的なタイミングでGAAに踏み切りました。N3世代まではFinFETを使い続け、2nm相当のN2世代で初めてナノシート型GAAを導入しています。TSMCは長年にわたり圧倒的な顧客基盤と歩留まりの実績を持つため、GAA移行を急がず、成熟度を優先した形です。

まとめ

• FinFETはゲートがチャネルの3方向しか覆えず、微細化するほどリーク電流の抑制が難しくなっていた
• GAAはチャネルの全周をゲートで包み込む構造で、電流制御をより厳密にできる
• 現在主流の実装は複数枚のナノシートを積層する「ナノシート型GAA」
• Samsungが2022年に3nm世代で先行量産、IntelはRibbonFET（18A）、TSMCはN2でそれぞれ本格導入している
• GAAはリーク電流の抑制と駆動力設計の柔軟性という2つの課題を同時に解決する技術

もう少し詳しく（背景）

GAAへの移行タイミングが各社で異なるのは、単なる技術力の差だけでなく経営判断の違いも大きく影響しています。Samsungは先行者優位を狙って早期にリスクを取りましたが、立ち上げ初期の歩留まり低迷は顧客離れにもつながったと指摘されています¹。一方TSMCは、既に確立されたFinFETの歩留まりと顧客基盤という「強み」をできるだけ長く活用し、GAAへの移行は技術が十分成熟してからという保守的な戦略を取りました²。Intelにとっては、GAA（RibbonFET）とPowerViaという2つの新技術を同時に投入する18Aが、長年苦戦してきたファウンドリ事業の巻き返しを左右する重要な世代と位置づけられています³。

GAAの次の世代として、ナノシートをさらに垂直に積み重ねてトランジスタ自体を上下2段構成にする「CFET（Complementary FET）」という構造も研究が進んでおり、2nmのさらに先の微細化を見据えた技術開発が続いています。

GAAが登場する前段階の技術進化についてはトランジスタの進化、2nm世代を巡る各社の競争状況は2nm競争、プロセスノードという呼び方そのものについてはプロセスノードとは、微細化を支える露光技術はEUVリソグラフィの記事もあわせてご覧ください。

Footnotes

1. Samsung電子は2022年に3nm世代でGAA構造「MBCFET」の量産を業界に先駆けて開始したが、立ち上げ初期は歩留まりの低さが繰り返し報じられた。 ↩

2. TSMCはN3世代まではFinFETを使い続け、N2世代で初めてナノシート型GAAを導入する保守的な移行戦略を取った。 ↩

3. Intelは20A世代を事実上の社内検証世代とし、RibbonFET（GAA）とPowerVia（裏面配線）を組み合わせた18A世代を外部顧客も含めた本格量産の主力世代と位置づけている。 ↩