東大など、極めて小さな消費電力で動作する新構造トランジスターの開発に成功

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ZnOチャネル/Siソース トンネル接合界面近傍の素子構造と、試作された素子の断面透過電子顕微鏡像

東京大学と科学技術振興機構(JST)は2017年12月4日、同大学の高木信一教授らの研究グループが、JST戦略的創造研究推進事業において、極めて小さな電圧制御で動作が可能な量子トンネル電界効果トランジスターを開発したと発表した。

IoTやモバイル端末の低消費電力化のため、動作電圧の低減が限界を迎えている従来のMOS型電界トランジスターに代わる、新たな動作原理に基づくトランジスターが求められている。その中で、量子トンネル効果を用いた電界効果トランジスター(トンネルFET)が新たな素子として期待される。しかしトンネルFETはオン状態とオフ状態とで十分大きな電流比をとることが難しいなどの本質的な課題がある。また材料の面でも、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、実用化に向け課題が残っている。

今回同研究グループでは、従来の大規模集積回路に用いられるSi(シリコン)、SiGe(シリコンゲルマニウム)、Ge(ゲルマニウム)などのIV族半導体材料と、ZnO(酸化亜鉛)などの酸化物半導体を組み合わせたトンネルFETを初めて実現した。すでに広く実用化されている材料同士の組み合わせだが、これらをを組み合わせた研究はこれまでなかったという。

同研究で提案する酸化物半導体/IV族半導体接合トンネルFETの素子構造と、オフ状態およびオン状態におけるエネルギーバンド図

ゲート電極に正の電圧を加えることで、IV族半導体の価電子帯と酸化物半導体の伝導帯とがエネルギー的に重畳し、量子トンネル効果が発現する。この時、接合界面全域にわたり量子トンネリングが生じるため、オン状態での電流値を効果的に増大できる。また、適切な材料を組み合わせて実効エネルギー障壁高さを小さくするなどして、量子トンネル確率を指数関数的に増大できる。さらに、酸化物半導体の禁制帯幅(バンドギャップ、電子が存在することができない領域)が大きいため、オフ状態の漏れ電流を小さくできる。

今回の研究では、高濃度に不純物を添加したSiもしくはGe上に、レーザーアブレーションによりZnOを堆積することで、実際にトランジスターを作製した。その結果、既存の半導体作製プロセスにZnO堆積のみを追加することで、所望の構造を実現できることを実証した。オン状態とオフ状態の電流比は8桁を上回り、これまでのトンネルFETと比べて約4倍となった。

今回のトンネルFET構造は、量子トンネル効果が材料接合界面全域にわたり生じることを利用している。これにより、量子トンネル効果を活用した低消費電力化を達成すると同時に、素子寸法に比例した大きなオン電流が可能となる。このため、素子寸法の微細化技術に頼らない高性能かつ低消費電力な半導体素子の実現につながる。

新材料と新構造を組み合わせた今回のトンネルFETは、実用化への障壁が低く、従来の半分以下の電圧で動作可能なほか、極めて小さな待機時消費電力を達成している。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な集積回路の実現などへの応用展開が期待される。

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