コ-ルドエレクトロニクス技術を用いた半導体集積回路の研究

1989 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 62420032
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 御子柴 宣夫 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (70006279)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 益 一哉 東北大学, 電気通信研究所, 助手 (20157192) ; 坪内 和夫 東北大学, 電気通信研究所, 助教授 (30006283)
• Keywords: コ-ルドエレクトロニクス / 半導体集積回路 / 過渡温度シミュレ-ション / デバイスシミュレ-ション / マイクロチャネルフィン / 温度スケ-リング則

Research Abstract

半導体集積回路は、超高速、超高密度の要求に従って年とともに集積化が進行している。既に現在について、高速動作のため消費電力を必要とする論理集積回路の集積度は、放熱限界で制限されつつある。本研究は、従来研究開発の行われていたジョゼフソン論理回路を使うクライオエレクトロニクスではなく、シリコン半導体集積回路の延長線上に、超放熱/超冷却(〜80K)構造型デバイスの開発によって、コ-ルドエレクトロニクス集積回路の基礎を築くことを目的としている。
昭和62、63年度の研究に引き続いて、超放熱構造型の常温動作MOS型及びバイポ-ラ型集積回路の基本設計を行うために、MOS型及びバイポ-ラ型トランジスタの動作時の三次元過渡温度シミュレ-タの開発、低温動作(〜80K)MOS型デバイスの最適設計、製作を行うための二次元及び三次元デバイスシミュレ-タの開発、更に、低仕事関数金属をゲ-トに用いたMOS型デバイスの設計・製作を行った。
過渡温度シミュレ-ションの結果、MOS型及びバイポ-ラデバイスにおいてSiO_2よりも熱伝導率の大きいAIN(熱伝導率:約2W/cm・K)を保護膜に用いると微少なチャネル領域、又はベ-ス・コレクタ接合で発生する局所的な温度上昇を抑制することができることが明らかになった。また、マイクロチャネル構造超冷却フィンを提案した。従来の放熱技術では、チップ当りの放熱は、空冷で10W/cm^2、水冷で10〜20W/cm^2が限界であるが、本研究で提案した高熱伝導率AIN保護膜とマイクロチャネル放熱フィンを組み合わせることで、空冷で10W/cm^2、水冷で1kW/cm^2の放熱が十分可能であることを明らかにした。二次元、三次元デバイスシミュレ-ションの結果、MOS型デバイスの温度スケ-リング則、温度・寸法合成スケ-リング則を提案し、低温動作MOSFETの電源電圧は、1〜1.5Vが最適であり、0.1μmチャネルMOSFETのゲ-ト遅延時間が77Kで1.6psecになることを明らかにした。更に、低仕事関数金属を用いた77K動作用MOS型デバイスを製作し、77Kでチャネルのフリ-ズアウトなくデプレッション動作刷ることを確認した。
以上のように、研究計画に沿った研究は進展しており、次年度以降の研究の見通しは立っている。

Research Products

• [Publications] K.Masu,Y.W.Yi,K.Tsubouchi and N.Mikoshiba: "“Temperature Scaling Theory for DeepーSubmicron MOSFET Operated at Low Temperature"" Proceedings of the Workshop on Low Temperature Semiconductor Electronics,(7,8 Aug.1989,Vermont)IEEE. 89TH0252ー7. 104-108 (1989)
• [Publications] 益一哉,易幼文,坪内和夫,御子柴宣夫: "ディ-プサブミクロンMOSFETにおける温度スケ-リング則" 電気学会論文誌C. tobepublished (1990)
• [Publications] 易幼文,益一哉,坪内和夫,御子柴宣夫: "温度スケ-リング則を用いた77K動作0.1μmMOSFETの設計" 電子情報通信学会 技術報告. SDM89ー75. 13-18 (1989)
• [Publications] 益一哉,易幼文,坪内和夫,御子柴宣夫: "“ディ-プサブミクロンMOSFETにおける温度スケ-リング則"" 平成元年春季応用物理学関係連合講演会. 1a-PG.16 (1989)
• [Publications] 易幼文,益一哉,坪内和夫,御子柴宣夫: "“低温動作MOSFETにおける温度スケ-リング則"" 平成元年春季応用学関係連合講演会. (1989)
• [Publications] 二ツ谷知士,岡部一弘,坪内和夫,御子柴宣夫: "“Si MOSFETにおける高速熱流回路設計"" 平成元年春季応用物理学関係連合講演会. 1a-PC.15 (1989)
• [Publications] 二ツ谷知士,坪内和夫,御子柴宣夫: "“バイポ-ラ・トランジスタにおける高速熱流回路設計"" 平成元年秋季応用物理学学術講演会. 28p-F.15 (1989)
• [Publications] 易幼文,益一哉,坪内和夫,御子柴宣夫: "“低温動作0.1μmMOSFETの設計"" 平成元年秋季応用物理学学術講演会. 28p-Y.6 (1989)
• [Publications] 横山道央,易幼文,益一哉,坪内和夫,御子柴宣夫: "“LaB_6ゲ-トMOSダイオ-ドの作製"" 平成元年秋季応用物理学学術講演会. 27p-D.13 (1989)
• [Publications] 易幼文,益一哉,坪内和夫,御子柴宣夫: "“温度スケ-リング則を用いた0.1μmMOSFETの設計"" 平成2年春季応用物理学関係連合講演会. 29p-ZD.6 (1990)
• [Publications] 横山道央,大橋俊夫,易幼文,益一哉,坪内和夫,御子柴宣夫: "フリ-ズアウトフリ-低温動作LaB_6ゲ-トデプレッションMOSFET" 平成2年春季応用物理学関係連合講演会. 28p-ZB.11 (1990)
• [Publications] 易幼文,益一哉,坪内和夫,御子柴宣夫: "低温動作解析用三次元デバイスシミュレ-タの開発" 平成2年春季応用物理学関係合連講演会. 3a-ZA.9 (1990)