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» 2015年07月30日 10時10分 UPDATE

福田昭のデバイス通信(33):次々世代のトランジスタを狙う非シリコン材料(1)〜なぜ非シリコンなのか (1/2)

今回からは、非シリコン材料を使ったMOSFET開発に焦点を当てる。微細化技術が行き詰まりを見せている中、非シリコンへの注目が高まっている。それはなぜなのか。また、非シリコン材料の候補には何があるのだろうか。

[福田昭,EE Times Japan]

シリコンMOSFETの材料限界

 半導体の研究開発コミュニティでは、シリコン以外の半導体材料をMOSFETに応用する試みが活発である。微細化以外の方法でMOSFETの性能を上げる、有力な手段とみられているからだ。

 シリコンは半導体デバイスの代名詞となるくらいに、半導体集積回路に普遍的に使われてきた。しかし将来の微細化が行き詰まりを見せている状況で、シリコン以外の材料に注目が集まっている。なぜか。シリコンはキャリアの移動度がそれほど高くないからだ。言い換えると半導体の世界には、シリコンよりもキャリアの移動度が高い材料がいくつも存在する。MOSFETの材料をシリコンよりも移動度の高い材料に変更するだけで、トランジスタの性能向上が期待できる。

 MOSFETの性能は、電流をどのくらい流せるかで概ね決まる。具体的には、ドレイン電流を大きくできるほど、トランジスタの性能が高いと言える。スイッチング速度(高周波特性)もトランジスタの重要な特性なのだが、集積回路では後段の負荷にいかに素早く電荷を充てんするかが求められるので、ドレイン電流の大きさをより重視する。

 MOSFETのドレイン電流密度(単位面積当たりのドレイン電流)は、導電率と電界の積である。導電率が高い、あるいは電界が高い(印加電圧が高い)ことが、ドレイン電流密度を大きくする方法であることが分かる。ここで導電率は、キャリアの移動度に比例する。もう少し細かく説明すると、キャリアには電子(伝導電子)と正孔がある。電子密度と電子の移動度の積に、正孔密度と正孔の移動度の積を加え、単位電荷を乗じた値が導電率である。単位電荷は一定値なので、移動度と密度に導電率が比例することが分かる。

 ここでMOSFETには、n型とp型があることを思い出そう。n型のキャリアは電子、p型のキャリアは正孔である。n型MOSFET(あるいはnチャンネル型MOSFET)のドレイン電流は電子の移動度に比例し、p型MOSFET(あるいはpチャンネル型MOSFET)のドレイン電流は正孔の移動度に比例する。同じキャリア密度であれば、移動度の高い材料をトランジスタに使ったほうが、電流を多く流せる。つまり、集積回路の動作速度が向上する。

 シリコンのキャリア移動度に戻ると、シリコンは電子の移動度がやや高く、正孔の移動度がかなり低いという性質を備える。このため一般的にはn型MOSFETの性能が高く、p型MOSFETの性能が低い。

photo キャリア移動度とトランジスタ電流の関係(クリックで拡大)
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