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基礎研究

1990 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 62420032
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 益 一哉 東北大学, 電気通信研究所, 助手 (20157192)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 坪内 和夫 東北大学電気通信研究所, 助教授 (30006283) ; 御子柴 宣夫 東北大学, 名誉教授 (70006279)
• Keywords: コ-ルドエレクトロニクス / 半導体集積回路 / 低温動作 / 冷却技術 / 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パッケ-ジ / 温度スケ-リング則

Research Abstract

半導体集積回路は、超高速、超高密度の要求にしたがって年とともに集積化が進行している。既に現在において、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。本研究では、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。
現在までの研究に引き続いて、最終年度である平成2年度は、以下の研究を行った。
(1)MOS型及びバイポ-ラ型集積回路のための超放熱構造として、マイクロチャネルフィンパッケ-ジを提案した。マイクロチャネルフィンパッケ-ジは、チップ内で局所的に発生した熱を高速で拡げる高熱伝導AlN保護膜と発熱した熱を速やかにとるマイクロチャネルフィンから構成される。従来の放熱技術では、チップ当りの放熱限界は、水冷で10〜20W/cm^2空冷で1W/cm_2程度である。我々が開発した三次元過渡温度シミュレ-ションの結果、マイクロチャネルフィンパッケ-ジでは、水冷で1.5kW/cm^2、空冷で30W/cm^2の放熱が可能であることを示した。
(2)低温動作超高速MOS型デバイスの最適設計理論として、温度スケ-リング則並びに温度・寸法スケ-リング則を提案した。我々が開発した低温動作デバイス用デバイスシミュレ-タを用いて、液体窒素温度動作MOSFETの最適電源電圧が1〜1.5Vであること、また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。また、温度スケ-リング則を用いると微細形状効果、単チャネル効果共に軽減されることを明らかにした。
(3)低温動作高速E/D構成MOSFET集積回路として、低仕事関数金属LaB^6を用いたMOS型デバイスを試作し、77Kでデプレッション動作することを確認した。
以上のように、研究計画に沿って研究を遂行し、コ-ルドエレクトロニクスの基礎を築いた。

Research Products

• [Publications] K.Tsubouchi,S.Utsugi,T.Futatsuya and N.Mikoshiba: "“HighーSpeed Heat Removal for VLSI Using AlN HeatーSpreading Layer and Microchannel Fin"," Extended Abstracts of the 22nd Conference on Solid State Devices and Materials (August 22ー24,1990,Sendai). 669-662 (1990)
• [Publications] M.Yokoyama,Y.W.Yi,K.Masu,K.Tsubouchi and N.Mikoshiba,: "“Evaluation of LaB6 Thin Film as LowーWorkーFunction Gate for MOSFET Operated at Low Temperature"," Japanese Journal of Applied Physics. 29(9). L1594-L1596 (1990)
• [Publications] K.Tsubouchi,S.Utsugi,T.Futatsuya and N.Mikoshiba,: "“Theoretical Analysis for a New Package Concept:HighーSpeed Heat Removal for VLSI Using an AlN HeatーSpreading Layer and Microchannel Fin"," Japanese Journal of Applied Physics. 30(1B). L88-L91 (1991)
• [Publications] Y.W.Yi,K.Masu,K.Tsubouchi and N.Mikoshiba,: "“SmallーSizeーEffect Suppressed Design for LowーTemperature DeepーSubmicron MOSFET's with Low Supply Voltage"," to be presented at Symposium on Low Temperature Electronic Device Operation,Washington,DC,May 5ー10,1991.(1991)
• [Publications] Y.W.Yi,K.Masu,K.Tsubouchi and N.Mikoshiba,: "“ThreeーDimensional Simulation of LowーTemperature Operation MOSFET's"," to be published in IEICE Transactions on Electronics. (1991)
• [Publications] 益 一哉、易 幼文、坪内 和夫、御子柴 宣夫、: "「ディ-プサブミクロンチャネルMOSFETにおける温度スケ-リング則」" 電気学会論文誌C(電子・情報・システム部門誌). 110C. 413-419 (1990)
• [Publications] 坪内 和夫、益 一哉、易 幼文、御子柴 宣夫、: "「微細MOSFETの低温動作」" 応用物理. 59(11). 1484-1490 (1990)
• [Publications] 宇津木 智、坪内 和夫、御子柴 宣夫: "「AlN熱拡散層とマイクロチャネルフィンを用いたVLSI用高速熱流回路」" 1990年秋季応用物理学学術講演会(1990年9月28日). 28p-G-6 (1990)
• [Publications] 易 幼文、益 一哉、坪内 和夫、御子柴 宣夫: "「低温動作サブミクロンMOSFETのサブスレッショルド・スイング」" 1990年秋季応用物理学学術講演会(1990年9月28日). 28p-G-7 (1990)
• [Publications] 横山 道央、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(II)」" 1990年秋季応用物理学学術講演会(1990年9月28日). 28a-G-1 (1990)
• [Publications] 宇津木 智、坪内 和夫、御子柴 宣夫: "「AlN熱拡散層とマイクロチャネルフィンを用いたVLSI用高速熱流回路(II)」" 1991年春季応用物理学関連連合講演会(1991年3月29日). 29a-SX-25 (1991)
• [Publications] 易 幼文、益 一哉、坪内 和夫、御子柴 宣夫: "「温度スケ-リング則を用いて設計した低温動作MOSFETの微細形状効果」" 1991年春季応用物理学関連連合講演会(1991年3月29日). 29a-SX-24 (1991)
• [Publications] 横山 道央、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(III)」" 1991年春季応用物理学関連連合講演会(1991年3月28日). 28p-T-6 (1991)