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発表・掲載日:2016/12/05

新原理のトランジスタを用いた集積回路の動作を実証

-超低消費電力集積回路の実用化に向けて前進-

ポイント

  • 原理的には低い電圧でも動作するシリコントンネルFETのリング発振回路の動作を初めて実証
  • 駆動電流を増大する技術によって回路の動作速度を2倍に向上
  • トンネルFETを用いた超低消費電力集積回路の実用化に期待


概要

 国立研究開発法人 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】ナノCMOS集積グループ 森 貴洋 主任研究員、松川 貴 研究グループ長らは、シリコントンネル電界効果トランジスタ(トンネルFET)を用いたリング発振回路の動作を実現すると共に、動作速度を2倍に向上させた。

 トンネルFETは、0.2~0.3V程度の低い電圧での駆動が期待される新しい動作原理によるトランジスタで、超低消費電力集積回路への応用が期待されている。超低消費電力集積回路の実現には、従来の集積回路と同様に、N型とP型の異なる極性のトンネルFETを同一のシリコン基板上に集積し、回路動作させる必要がある。今回、トンネルFETによるリング発振回路の動作を初めて実証した。また、産総研で開発した駆動電流増大技術を用いて、動作速度を初めて動作実証した際と比較して2倍に向上させた。これは、シリコントンネルFETを用いた超低消費電力集積回路の実用化に向けた大きな前進であり、IoT技術の普及に寄与すると期待される。

 なお、この技術の詳細は、2016年12月5~7日(米国太平洋標準時間)に米国 サンフランシスコで開催される国際会議「2016 IEEE International Electron Devices Meeting」で発表される。

今回製作したトンネルFETによるリング発振回路の光学顕微鏡写真、模式図と出力特性の図
今回製作したトンネルFETによるリング発振回路の光学顕微鏡写真、模式図と出力特性


開発の社会的背景

 さまざまな「モノ」がインターネットに接続された「モノのインターネット(Internet of Things、IoT)」と呼ばれる技術によって、一層の高度情報化社会の実現が期待されている。そのうち一部のIoT機器は、環境発電のような微小な電力によって「モノ」の情報を収集し、インターネットを介して送信する。橋などの建造物の老朽化情報や人間の健康情報などの収集が想定されており、より安全・安心な社会の実現が期待される。IoT機器では、大規模集積回路(LSI)が、微小な電力でも情報の演算や通信を行えることが望まれている。

 微小な電力での動作を実現するには、LSIを構成する個々のトランジスタの駆動電圧の低減が鍵を握る。これまで、LSIには電界効果トランジスタ(MOSFET)が用いられ、駆動電圧は徐々に下がってきたが、近年頭打ちになりつつある。そのため、MOSFETに代わる次世代のトランジスタとしてトンネルFETが注目されており、0.2~0.3Vという極めて小さい電圧での駆動が期待されている。

研究の経緯

 産総研は、IoT機器用の低消費電力LSIの実現を目指しており、トンネルFETなどの新たな動作原理のトランジスタの研究に取り組んできた。これまでに、性能向上のための新構造トンネルFET技術(2013年6月10日 産総研プレス発表)や不純物による駆動電流増大技術(2014年6月9日 産総研プレス発表)を開発し、またトンネルFETの長寿命性を実証(2014年12月16日 産総研プレス発表)するなどしてきた。

 なお、本研究開発の一部は、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構「エネルギー環境新技術先導プログラム(平成26~27年度)」、独立行政法人 日本学術振興会「科学研究費助成事業(若手研究(A)、課題番号15H05526)」による支援を受けて行った。

研究の内容

 従来のMOSFETを用いたデジタル回路では、N型とP型の極性が異なるトランジスタを用いる相補型回路方式が用いられている。トンネルFETを用いた回路でも同様に、相補型回路方式での動作を実現する必要がある。相補型回路の基本単位はインバーターであり、このインバーターを数十個集積するとリング発振回路となる。リング発振回路は動作速度を評価できるため、集積回路の開発に必須である。しかし、リング発振回路が正しく発振するには、相補型回路を実現して数十個のトランジスタを集積し、すべてのトランジスタを同時に動作させる必要がある。これらは高度なプロセス技術が要求されるものであり、トンネルFETに限らず新しいトランジスタを開発する際に大きな壁となる。トンネルFETの開発においても、インバーター動作は世界でも未だに数グループのみで実現されるに留まっており、またリング発振回路の動作は実現されていなかった。

 今回、相補型回路方式でリング発振回路を作製した。このリング発振回路はN型とP型のトンネルFET(SOIプレーナ型)をそれぞれ23個ずつ、合計46個を集積して、23個のインバーターを作製し、それらをリング状に接続した集積回路である。

 まず、N型とP型のトンネルFETを1個ずつ用いたインバーターを試作し、動作を確認した。図1は試作したインバーターの走査型電子顕微鏡写真と入出力特性である。インバーターは、N型トンネルFETとP型トンネルFETとが直列に配置された相補型回路であり、電圧を反転させる。図1に示すように、今回試作したインバーターでは、高い入力電圧に対しては低い出力電圧が得られ、また低い入力電圧に対しては高い出力電圧が得られ、電圧が反転されていた。このように、トンネルFETによるインバーターが動作することが確認された。

トンネルFETを用いたインバーターの走査型電子顕微鏡写真(左)と入出力特性(右)の図
図1 トンネルFETを用いたインバーターの走査型電子顕微鏡写真(左)と入出力特性(右)

 リング型発振回路では、リング状に接続されたインバーターによって電圧反転が連続的に繰り返され、奇数回反転した後に最初のインバーターに戻る。このプロセスが繰り返されて、時間と共に電圧が変動し、発振動作する。

 図2は作製したリング発振回路の光学顕微鏡写真と出力電圧特性である。今回製作したリング発振回路では、時間とともに出力電圧が変化し、発振動作が観測された。この発振動作は集積したすべてのトンネルFETが正しく動作したことによって実現されており、トンネルFETによる相補型回路方式でのリング発振回路の動作が初めて実証されたことを示す。これは、トンネルFETによる超低消費電力集積回路の実現に向けた大きな前進となる。

トンネルFETで作製したリング発振回路(上)とその出力電圧特性(下)の図
図2 トンネルFETで作製したリング発振回路(上)とその出力電圧特性(下)

 産総研では、次世代トランジスタの動作速度を改善する技術として、トンネルFETの駆動電流増大技術を開発していた。図3に、この技術を適用したトンネルFETによるリング発振回路の動作周波数(動作速度)と適用しない場合の動作周波数を示す。この駆動電流増大技術を適用することで、動作周波数の約2倍の向上が実証された。

 今後の技術開発により、高速化、動作電圧の低減が実現すれば、トンネルFETを用いた集積回路は実用化に近づき、IoT機器による安全・安心な社会の実現や、モバイル機器の低消費電力化に貢献することが期待される。

駆動電流増大技術を適用した場合/しない場合のトンネルFETリング発振回路の動作周波数の図
図3 駆動電流増大技術を適用した場合/しない場合のトンネルFETリング発振回路の動作周波数

今後の予定

 今回のトンネルFETの動作電圧は期待値よりも高かったため、閾値電圧調整技術の開発などによる低電圧動作を目指す。また、実用化には、さらに100倍程度の動作速度が必要となるため、高速化させる。さらに、リング発振回路以外のトンネルFETを用いた集積回路の実現を目指す。これらの研究を通じて、トンネルFETによる超低消費電力LSIの実用化に貢献していく。現在、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構「IoT推進のための横断技術開発プロジェクト/超低消費電力データ収集システムの研究開発」の支援のもと、これらの研究開発に取り組んでいる。



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]
◆リング発振回路
入力信号を反転させて出力する回路(反転機能回路)を、リング状に奇数個を多段接続した回路。反転機能回路の性能によって発振速度が変化するため、動作速度の評価に広く用いられている。反転機能回路としては、インバーターがよく用いられる。[参照元へ戻る]
◆集積回路
シリコンなどの半導体基板上に、微細加工技術により複数のトランジスタなどの素子を作りこんだ回路。コンピューターによる演算に用いられるデジタル回路と、通信などに用いられるアナログ回路に大別される。[参照元へ戻る]
◆環境発電
太陽光や照明光、機械の振動、温度差といった身の回りにあるエネルギー源を利用して発電する方法。発電できる電力が小さいため、消費電力の小さい機器にのみ利用できる。[参照元へ戻る]
◆大規模集積回路(LSI)
集積回路のうち、トランジスタなどの素子数が多くなり大規模化したもの。[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。現在大規模集積回路(LSI)の基本素子として利用されている。[参照元へ戻る]
◆デジタル回路
電圧の「高」「低」を利用して二進法の「1」「0」を表現し、論理計算を行なう回路。現代のコンピューターはデジタル回路によって演算が行われている。[参照元へ戻る]
◆相補型回路
N型とP型の2種類のトランジスタを用いて作製した回路。N型もしくはP型のみで回路を形成した場合に比べて、消費電力が小さくなる。デジタル回路を実現する方法の1つであり、現代のコンピューターは相補型回路方式で作製されている。[参照元へ戻る]
◆インバーター
N型とP型のトランジスタをそれぞれ1つずつ、直列に接続した回路。相補型回路の基本単位となる。入力信号を反転させて出力する機能を持つ。奇数個を多段接続すると、リング発振回路になる。[参照元へ戻る]
◆SOIプレーナ型
一枚のシリコンの板である一般的なシリコンウエハーではなく、薄いシリコンが絶縁膜によって支持基板から分離されている基板(Silicon-On-Insulator、SOI)上に形成されたトランジスタの型。最先端の集積回路で採用されている。[参照元へ戻る]
◆動作周波数
1秒間に回路が動作する回数。動作速度が速い回路ほど動作回数が多いので、動作速度を評価するために用いられる。発振回路の場合、1秒間に発振する回数が動作周波数となる。[参照元へ戻る]
◆閾値電圧調整技術
トランジスタがスイッチングし、オフからオンとなって回路が動作するために必要な電流が流れ出す電圧を閾値電圧という。閾値電圧が低すぎると待機時の消費電力が増え、高すぎると動作電圧が高くなり動作時の消費電力が増えるため、適切に調整する必要がある。[参照元へ戻る]


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