2015 Fiscal Year Research-status Report
多機能金属細線によるナノ電子デバイス温度分布の研究
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26870574
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
高橋 綱己 慶應義塾大学, 理工学部, 助教 (60724838)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | トランジスタ温度分布 / 界面熱抵抗 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は，ナノスケール半導体の熱物性の理解に基づき，トランジスタや熱電素子，センサなどの将来の電子デバイスに対する設計指針を示すことを目指している．本年度は，3ω法によるナノワイヤおよびナノフィルム半導体の熱物性測定の検討と，電気・熱特性連成解析によるナノスケールトランジスタ内部温度分布と実験的に得られる素子温度との関係を調べた．
3ω法による熱伝導率測定では，シリコン／二酸化シリコン界面に存在するダングリングボンド（未結合手）の有無がシリコン／二酸化シリコン界面に存在する熱抵抗（界面熱抵抗）に与える影響を調べた．水素・窒素雰囲気でサンプルを加熱することでダングリングボンドを水素終端すると，界面熱抵抗が減少することを実験的に観測した．ナノスケールの半導体では表面積／体積比が大きくなることから，相対的に材料界面の特性が重要になる．上記の結果は，シリコン原子の結合状態が界面の熱特性に影響を与えていることを実験的に示すものであり，ナノスケール電子デバイスの内部温度分布を理解する上でも非常に有用となる．
ナノスケールSOI（Silicon-On-Insulator）トランジスタの温度分布を，電気・熱特性連成解析によって計算し，実験的に得られたトランジスタ動作時のゲート電極の温度との比較を行った．実験的に得ることができるゲート電極の温度は，素子のチャネル部分の温度とほぼ一致した．一方，LSI動作の信頼性に影響する，素子内部の最高温度は実験的に得られるゲート電極の温度より高く，その温度差は素子の発熱を抑制した構造でより顕著になることが明らかになった．この結果から，素子全体の発熱を抑制するだけではなく，内部の温度分布（最高温度）にも注意して熱設計を行うことの必要性が示された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度に予定していた研究実施計画は，ナノ半導体熱物性の測定と，ナノスケール電子デバイスの温度分布の検討である．熱特性の測定について，計画時に検討する方法としていた3ω法を用い，ナノスケール電子デバイスで影響が懸念される半導体／絶縁体界面の熱特性に半導体原子の結合状態が与える影響を明らかにした．ナノスケール素子の温度分布については，電気・熱特性連成解析により内部温度と実験的に得ることができる素子温度（ゲート電極温度）の温度との比較を行い，素子の平均温度だけでなく最高温度にも配慮した熱設計が必要であることを示した．以上から，現在までは概ね順調に進展しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
ごく近年，熱輸送のキャリアとなるフォノンの平均自由工程より小さなサイズの半導体・絶縁体では，フォノンは散乱を受けず弾道的（バリスティック）に輸送し，一般的に材料中の熱輸送・温度分布の理解に用いられているフーリエ則とは異なるふるまいを示すという研究結果が報告された．本研究課題で扱うナノスケール電子デバイスの温度分布の観点でも，ナノスケールの素子内部では一部のフォノンはバリスティックに輸送していると考えられ，フーリエ則を前提としている熱伝導率のような物性値に基づく解析では目的とする温度分布を見誤る可能性がある．
このような状況を受け，当初の計画を変更し，来年度はフォノンのバリスティック輸送に関する実験的な知見を得ることを目指す．具体的には，シリコンまたはシリコン酸化におけるフォノンの平均自由工程より薄い薄膜サンプルを作製し，3ω法によってこれらの薄膜の熱抵抗を測定する．様々な膜厚の熱抵抗を測定することで，シリコン／シリコン酸化膜中におけるフォノンのバリスティック輸送に関する実験的知見を得ることを目指す．平行して，シリコンナノワイヤサンプルを3ω法によって評価し，シリコンナノワイヤにおけるフォノン輸送を調べることも行う．
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