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発表・掲載日:2014/06/09

次世代トランジスタの動作速度を劇的に改善する技術を開発

-超低消費電力集積回路の実現に貢献-

ポイント

  • シリコントンネルFETの動作速度を10倍以上改善可能に
  • 新技術によりトンネル確率を増加させることで実現
  • 最先端研究開発支援プログラム(FIRST)のプロジェクト「グリーン・ナノエレクトロニクスのコア技術開発」の助成による成果


概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】(以下「産総研」という)ナノエレクトロニクス研究部門【研究部門長 安田 哲二】新材料・機能インテグレーショングループ 森 貴洋 研究員らは、シリコントンネル電界効果トランジスタ(トンネルFET)の新しい動作速度改善技術を考案し、実証した。この技術により、動作速度が10倍以上改善されることが期待される。

 トンネルFETは、0.2~0.3 V程度の低い電圧で駆動する新動作原理によるトランジスタであり、超低消費電力集積回路への応用が期待される。しかし、トンネル抵抗が大きいために高速動作に必要な駆動電流を得るのが難しいという問題があった。従来のシリコントンネルFETでは、現在集積回路に用いられている電界効果トランジスタ(MOSFET)に比べて100分の1から1000分の1程度の駆動電流しか得られない。今回開発した技術では、トンネル確率を増加させることで、シリコントンネルFETの駆動電流を10倍以上増大させた。これにより動作速度の改善が期待され、コストと量産性に優れるシリコントンネルFETの実用化に貢献すると考えられる。

 なお、この技術の詳細は、2014年6月10~12日(現地時間)にアメリカ合衆国・ハワイで開催される国際会議「2014 Symposium on VLSI Technology」で発表される。

今回開発したシリコントンネルFETの断面透過電子顕微鏡像(左)と今回の技術のコンセプト図(右)の画像
今回開発したシリコントンネルFETの断面透過電子顕微鏡像(左)と今回の技術のコンセプト図(右)


開発の社会的背景

 多くの人がスマートフォンやタブレットなどのIT機器を持つ時代となり、情報処理量は爆発的に増加している。そのため、IT機器による電力消費が増え続けており、低エネルギー消費社会の実現のためには、IT機器の超低消費電力化が重要である。また、安全・安心な社会を実現するためのセンサーネットワークでは、回収エネルギーによる微小な電力でも駆動できるセンサーが望まれている。

 低消費電力化では、大規模集積回路(LSI)を構成する個々のトランジスタの駆動電圧の低減化技術が鍵を握る。これまで、LSIにはMOSFETが用いられ、電源電圧は徐々に下がってきたが、近年0.8 V程度で頭打ちになりつつある。この状況を打破するため、MOSFETに変わる新しいトランジスタとしてトンネルFETが注目されており、0.2~0.3 Vという極めて小さな電圧での駆動が期待されている。

研究の経緯

 産総研ナノエレクトロニクス研究部門に2014年3月末まで置かれていた連携研究体グリーン・ナノエレクトロニクスセンター(GNC)ではトンネルFETをはじめとする新動作原理によるトランジスタの研究に取り組んできた(2013年6月10日 産総研プレス発表)。

 今回、小さい駆動電流のため遅くなる動作速度の問題を解決するため、トンネル接合部に等電子不純物による中間準位を導入して駆動電流の増加を図る新技術を提案し、実証を試みた。

 なお本研究開発は、総合科学技術会議により制度設計された、独立行政法人 日本学術振興会の最先端研究開発支援プログラム(FIRST)の助成を受けて、GNCにおいて実施した(2010年度から2013年度)。

研究の内容

 トンネルFETの駆動電流が小さいのはトンネル抵抗が大きいためである。これは、バンド間トンネル現象が運動量保存則に制限されるためトンネル確率が低くなることに起因する。今回、トンネル障壁中に等電子不純物を導入して中間準位を形成し、電子を中間準位を介してトンネルさせることで運動量保存則の制限を緩和させ、トンネル確率を高くした(図1)。

図1 中間準位の有無によるトンネル現象の違いの図
図1 中間準位の有無によるトンネル現象の違い

 図2に、新技術によりトンネル障壁中に中間準位を形成したシリコントンネルFETと、通常のシリコントンネルFETの電流電圧特性を示す。中間準位を形成することにより、通常のシリコントンネルFETの10倍以上の駆動電流が得られた。トランジスタの動作速度は駆動電流量に比例するため、10倍以上の動作速度改善が見込まれる。

新技術により中間準位を形成したシリコントンネルFETと通常のシリコントンネルFETの電流電圧特性の図
図2 新技術により中間準位を形成したシリコントンネルFETと通常のシリコントンネルFETの電流電圧特性

 トンネルFETはオフ電流が小さいため待機電力が小さいという利点がある。しかし、今回開発した技術では、オフ電流が増加して待機電力が増大する可能性が懸念される。図3に今回開発したシリコントンネルFETと、通常のシリコントンネルFETの待機電流特性を示す。オフ電流の著しい増加は見られず、待機電力増大の懸念が無いことが分かった。

新技術により中間準位を形成したシリコントンネルFETと通常のシリコントンネルFETの待機時電流特性の図
図3 新技術により中間準位を形成したシリコントンネルFETと通常のシリコントンネルFETの待機時電流特性

 より単純なデバイスであるシリコンダイオードに今回開発した技術を適用した。シリコンダイオードに逆方向の電圧を加えるとトンネル電流が流れるが、今回開発した技術を適用するとシリコンダイオードに流れるトンネル電流は735倍であった。シリコントンネルFETでは10倍以上駆動電流が増加したが、実用化に向けては100倍から1000倍の駆動電流の増加が必要である。シリコンダイオードでのトンネル電流の増大から、シリコントンネルFETでも同程度の電流増大の可能性があると考えられる。

シリコンダイオードの温度特性の比較図
図4 シリコンダイオードの温度特性を比較した図

今後の予定

 シリコントンネルFETの駆動電流のさらなる向上を目指す。それとともに、この技術を利用したCMOS回路を試作し回路動作の実証を目指す。



用語の説明

◆トンネル電界効果トランジスタ(トンネルFET)
トランジスタのスイッチングにトンネル効果を利用して、急峻なオン・オフの切り替えを実現し、低電圧の動作を目指した新しい原理のトランジスタ。[参照元へ戻る]
◆トンネル抵抗
電子がトンネル効果によって電位による障壁を透過し、電流として流れる際に発生する抵抗。[参照元へ戻る]
◆電界効果トランジスタ(MOSFET)
シリコンなどの半導体基板上に、酸化膜を介してゲート電極を形成し、その両側にソース、ドレイン電極を形成したトランジスタ。ソースが入力端子、ドレインが出力端子に相当し、ゲート電圧によってドレイン電流を制御する。Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor。現在大規模集積回路(LSI)に利用されている。[参照元へ戻る]
◆トンネル確率
電子がトンネル効果によって電位による障壁を透過する確率。確率が高いと多くの電流が流れる。[参照元へ戻る]
◆センサーネットワーク
ここでは、多くの無線機能付きセンサーを生活空間の中に配置し、エネルギー管理、環境管理、健康管理などに利用するネットワークのことをいう。無線機能付きセンサーは、省電力で動作することが望ましい。[参照元へ戻る]
◆回収エネルギー
光、熱、電波、振動など、これまでに利用されていなかった微小なエネルギーを回収したもの。電力に変換し、電源として利用する。[参照元へ戻る]
◆大規模集積回路(LSI)
シリコンなどの半導体基板上に、微細加工技術により大量のトランジスタなどの素子を作りこんだ回路。[参照元へ戻る]
◆等電子不純物
半導体をn型やp型にするための不純物とは異なり、半導体に添加しても電子や正孔を生成しない不純物。[参照元へ戻る]
◆運動量保存則
物体がある状態から別の状態に変化するとき、外部から力が加わらなければ、その質量と速度の積である運動量は変化しないという物理法則。トンネル現象の場合、トンネル前後で電子の運動量が変化しないことになる。[参照元へ戻る]
◆オフ電流
トランジスタがオフ状態のときに流れる電流。これにより待機電力が発生する。[参照元へ戻る]
◆ダイオード
半導体で構成される2端子素子。電流を一方向だけに流しやすい整流作用のため、交流電流の検出などの機能を持つ。[参照元へ戻る]
◆CMOS
論理回路の基本構成の一つ。入力値を反転して出力する。p型トランジスタ、n型トランジスタ各1個で構成される。[参照元へ戻る]


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