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LSIの低消費電力化に向けて:

量子トンネルFETを酸化物半導体とSi系材料で実現 (1/2)

東京大学大学院工学研究科教授の高木信一氏らは2017年12月4日、極めて小さな電圧制御で動作可能な量子トンネル電界効果トランジスタを開発したと発表した。

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東京大学高木信一氏ら

 東京大学大学院工学研究科教授の高木信一氏らは2017年12月4日、極めて小さな電圧制御で動作可能な量子トンネル電界効果トランジスタを開発したと発表した。開発したトランジスタは従来の半分以下の低い電圧で動作する他、極めて小さな待機時消費電力を実現するという。「さまざまなモバイル端末の省電力化や環境発電と融合したバッテリー不要の集積回路の実現など、新たな応用展開が期待できる」(東大など)

 高木氏らが開発したトランジスタは、半導体中のエネルギー障壁をトンネリングする電流を、別の電極(ゲート電極)の電圧によって制御する、電流のスイッチング動作を行う量子トンネル電界効果トランジスタ(トンネルFET)。低消費電力化につながる動作電圧の低減を、従来のMOSFETよりも図りやすいトランジスタとして期待されている。

 ただ、これまで、トンネルFETは、オン状態とオフ状態とで十分な電流比を取ることが難しいといった課題を抱えた。また材料としても、これまではInGaAs(インジウム・ガリウム・ヒ素)やGaSb(アンチモン化ガリウム)などのIII-V化合物半導体や、分子吸着を利用したMoS2(二硫化モリブデン)やWSe(セレン化タングステン)などが用いられ、既存の半導体技術への組み込みや大規模集積化が難しく実用化の面で大きな課題があった。

 開発したトンネルFETは、酸化物半導体材料とIV族半導体材料を積層した構造を採用した。酸化物半導体はディスプレイなどの薄膜トランジスタ(TFT)材料として使用され、シリコン(Si)やゲルマニウム(Ge)などのIV族半導体材料は、大規模集積回路の基盤材料であり、それぞれ実用化実績のある材料。東大などによると「(酸化物半導体材料とIV族半導体材料という)これらの異なる材料系を組み合わせた研究はこれまでなく、世界で初めての試み」としている。

トンネルFETの構造模式図とエネルギーバンド図
開発したトンネルFETの構造模式図(上)とエネルギーバンド図(下) (クリックで拡大) 出典:東京大学/科学技術振興機構

接合面全域にわたり量子トンネル効果

各種IV族半導体と酸化物半導体のエネルギーバンド関係
各種IV族半導体と酸化物半導体のエネルギーバンド関係 (クリックで拡大) 出典:東京大学/科学技術振興機構

 「ゲート電極−極薄ゲート絶縁膜−酸化物半導体−IV族半導体」という積層構造により、IV族半導体と酸化物半導体の接合面全域にわたり量子トンネル効果が生じるため、オン状態での電流値を効果的に増大させることに成功。さらに適切な材料の組み合わせにより、実効エネルギー障壁高さを小さくすることで、量子トンネル確率を指数関数的に増大させることも可能になったという。量子トンネル確率を左右する量子トンネル距離も、n型チャンネルを構成する酸化物半導体膜厚で決定できるというメリットも持つ。また、この構造では、酸化物半導体のバンドギャップ(禁制帯幅)が大きくなり、オフ状態の漏れ電流を小さくすることもできる。

 このトンネルFETの特性をTCAD(Technology Computer Aided Design)シミュレーションで予測したところ、電流値の変化の急峻性を示すS係数(=電流を1桁変化させるために必要なゲート電圧の変化量)において、最小値1mV/桁、0.3Vの動作領域全体での平均は40mv/桁を実現しうる、高いポテンシャルを持つことが明らかになったとする。

TCADシミュレーションでトンネルFET特性予測
TCADシミュレーションでトンネルFET特性予測。左は、ドレイン電流とゲート電圧の関係。非常に小さなゲート電圧の変化に対し、十分大きなドレイン電流の変化が達成できていることが分かる。右は、ドレイン電流とドレイン電圧の関係。0.3Vでの動作において約50μA/μmの大きなドレイン電流が見込まれ、実用化水準に達する値だとする (クリックで拡大) 出典:東京大学/科学技術振興機構
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