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2013 年度 実施状況報告書

極低消費電力LSIの実現に向けたグリーンナノデバイスの研究

研究課題

研究課題/領域番号 23560395
研究機関神戸大学

研究代表者

土屋 英昭  神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80252790)

キーワードグラフェン / III-V MOS / ナノワイヤFET / ウィグナーモンテカルロ法 / ジャンクションレス・トランジスタ / シリセン / ゲルマネン
研究概要

平成25年度はグラフェンナノリボンFETとInAsナノワイヤFETとの性能比較を行った。両者とも低消費電力トランジスタとして期待されていることから、FETのスイッティング電力に相当するPDP(電力遅延積)を重要な性能指標の一つとして検討を行った。その結果、LSI内の単位面積当たりのPDPで比較すると、シングルゲート構造のグラフェンナノリボンFETがInAsナノワイヤFETよりも低消費電力動作が可能であることを見出した。特に、ゲート酸化膜の厚さを薄くするほど、グラフェンナノリボンFETの優位性が顕著になることが分かった。この知見は、LSIの省電力化に向けたグラフェンFETの研究に強いモチベーションを与えるものである。
一方、シリコンダブルゲート構造MOSFETに対して、準バリスティック輸送係数を抽出することに成功した。チャネル長が10nmまでは短チャネル化によりバリスティック効率が向上するが、チャネル長が10nm以下になるとチャネルの膜厚揺らぎに起因する新たな表面ラフネス散乱が顕在化し始め、バリスティック効率は急激に低下することを見出した。この結果は、現在のシリコンテクノロジーではチャネル長が10nm以下になるとMOSFETの性能向上が本質的に困難になることを示唆しており、微細化限界を議論する上で重要な知見を与えている。
また、従来の常識を覆す新概念デバイスであるジャンクションレス・トランジスタの性能評価を行った。ジャンクションレス・トランジスタは従来型トランジスタに比べて表面ラフネス散乱が大きく低減するため、たとえチャネル内で不純物散乱が発生しても、従来型と同等の性能を維持できることが分かった。ジャンクションレス・トランジスタは微細化が容易なデバイス構造をしているため、従来型トランジスタと同等の性能を維持したまま更なる微細化を可能にする技術として注目される。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

これまでの研究により、グラフェンチャネルのバンド構造を計算するための強束縛近似バンド構造計算法を確立するとともに、今年度はグラフェンFETおよびナノワイヤFETのスイッティング電力の評価を可能とするデバイスシミュレータの開発に成功した。
一方、シリコンMOSFETに対しては、フォノン散乱、界面ラフネス散乱および不純物散乱を取り入れた高精度なウィグナー・モンテカルロシミュレータの開発を完了しており、今年度はさらに、サブ10nmのチャネル長デバイスの性能を評価する際に必要となる準バリスティック輸送係数の抽出機能を追加した。今年度はさらに、新概念デバイスであるジャンクションレス・トランジスタの性能評価にも成功している。以上のことから、次世代の低消費電力デバイスとして期待されている様々な新材料・新構造デバイスの設計指針の構築に向けた研究基盤の構築が順調に進んでいると判断している。

今後の研究の推進方策

炭素原子で構成されるグラフェンよりも現在のシリコンLSIとの親和性が高いシリセンおよびゲルマネンのFETチャネルとしての潜在性能を検討する。シリセン(ゲルマネン)はシリコン(ゲルマニウム)版グラフェンと言われており、炭素原子の代わりにシリコン(ゲルマニウム)原子が2次元ハニカム状に並んだ薄膜である。シリセンおよびゲルマネンもバンドギャップを持たないため、リボン構造にすることを考えていく。これまでに開発したグラフェンナノリボンFETのシミュレータをシリセンナノリボンFETとゲルマネンナノリボンFETに適用させて、3種類のFETの性能比較を行っていく。
グラフェンに関してはこの他、様々な基板(SiO2, HfO2, BN等)上に堆積した時の電子移動度の解析にも取り組む。基板からの光学フォノン散乱や基板表面に存在する荷電不純物からの散乱を計算に取り入れ、電子移動度の実験結果と比較を行う。
ジャンクションレス・トランジスタに関しては、様々なチャネル長に対する系統的な解析を行い、従来型トランジスタに対する性能比のチャネル長依存性を明らかにする。ジャンクションレス・トランジスタの実用化には、ナノワイヤ型への拡張が不可欠であるので、キャリアの散乱レートを1次元電子ガスに対応させる。現在までに、フォノン散乱、界面ラフネス散乱そして不純物散乱の1次元電子ガスに対する散乱レートの計算に成功しているので、次年度にはそれらをナノワイヤ型ジャンクションレス・トランジスタのモンテカルロシミュレータに組み込む研究を実施する。

次年度の研究費の使用計画

残額がわずかに残ったため次年度に繰り越ししたため。
次年度の予算と合わせて、その他消耗品の購入に使用する。

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (10件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Channel Length Scaling Limits of III-V Channel MOSFETs Governed by Source-Drain Direct Tunneling2014

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Koba, Masaki Ohmori, Yōsuke Maegawa, Hideaki Tsuchiya, Yoshinari Kamakura, Nobuya Mori, and Matsuto Ogawa
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 53 ページ: 04EC10

    • DOI

      10.7567/JJAP.53.04EC10

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Theoretical Performance Estimation of Silicene, Germanene, and Graphene Nanoribbon Field-Effect Transistors under Ballistic Transport2014

    • 著者名/発表者名
      Shiro Kaneko, Hideaki Tsuchiya, Yoshinari Kamakura, Nobuya Mori, and Matsuto Ogawa
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 7 ページ: 035102

    • DOI

      10.7567/APEX.7.035102

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Computational Study on Band Structure Engineering using Graphene Nanomeshes2013

    • 著者名/発表者名
      Ryutaro Sako, Naomi Hasegawa, Hideaki Tsuchiya, and Matsuto Ogawa
    • 雑誌名

      Journal of Applied Physics

      巻: 113 ページ: 143702

    • DOI

      10.1063/1.4800624

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Increased Subthreshold Current due to Source-Drain Direct Tunneling in Ultrashort Channel III-V Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors2013

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Koba, Yōsuke Maegawa, Masaki Ohmori, Hideaki Tsuchiya, Yoshinari Kamakura, Nobuya Mori, and Matsuto Ogawa
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 6 ページ: 064301

    • DOI

      10.7567/APEX.6.064301

    • 査読あり
  • [学会発表] シリセン/ゲルマネン/グラフェンナノリボンFETのバリスティック性能評価2014

    • 著者名/発表者名
      兼古志郎,長谷川直実,土屋英昭,鎌倉良成,森伸也,小川真人
    • 学会等名
      第61回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      青山学院大学
    • 年月日
      20140317-20140320
  • [学会発表] 原子論的アプローチに基づくGeナノワイヤの電子移動度解析2014

    • 著者名/発表者名
      下井田健太,森規泰,土屋英昭,鎌倉良成,森伸也,宇野重康,小川真人
    • 学会等名
      第61回応用物理学会春季学術講演会
    • 発表場所
      青山学院大学
    • 年月日
      20140317-20140320
  • [学会発表] The impact of increased deformation potential at MOS interface on quasi-ballistic transport in ultrathin channel MOSFETs scaled down to sub-10nm channel length2013

    • 著者名/発表者名
      Shunsuke Koba, Ryoma Ishida, Yuko Kubota, Hideaki Tsuchiya, Yoshinari Kamakura, Nobuya Mori, and Matsuto Ogawa
    • 学会等名
      International Electron Devices Meeting
    • 発表場所
      Washington, DC
    • 年月日
      20131209-20131211
  • [学会発表] ウィグナーモンテカルロ法を用いた極微細III-V MOSFETの量子輸送解析2013

    • 著者名/発表者名
      大森正規,木場隼介,前川容佑,土屋英昭,鎌倉良成,森伸也,小川真人
    • 学会等名
      応用物理学会分科会 シリコンテクノロジー
    • 発表場所
      機械振興会館
    • 年月日
      20131114-20131115
  • [学会発表] Performance projections of III-V channel nanowire nMOSFETs in the ballistic transport limit2013

    • 著者名/発表者名
      Kenta Shimoida, Hideaki Tsuchiya, Yoshinari Kamakura, Nobuya Mori, and Matsuto Ogawa
    • 学会等名
      International Conf. on Solid State Devices and Materials
    • 発表場所
      Fukuoka
    • 年月日
      20130925-20130927
  • [学会発表] Performance comparison of graphene nanoribbon, Si nanowire and InAs nanowire FETs in the ballistic transport limit2013

    • 著者名/発表者名
      Naomi Hasegawa, Kenta Shimoida, Hideaki Tsuchiya, Yoshinari Kamakura, Nobuya Mori, and Matsuto Ogawa
    • 学会等名
      International Conf. on Solid State Devices and Materials
    • 発表場所
      Fukuoka
    • 年月日
      20130925-20130927
  • [学会発表] バリスティック輸送下でのグラフェンナノリボンFETの性能評価2013

    • 著者名/発表者名
      長谷川直実,下井田健太,土屋英昭,鎌倉良成,森伸也,小川真人
    • 学会等名
      第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [学会発表] ソースドレイン直接トンネリングによるIII-V MOSFETの短チャネル化限界2013

    • 著者名/発表者名
      大森正規,木場隼介,前川容佑,土屋英昭,鎌倉良成,森伸也,小川真人
    • 学会等名
      第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [学会発表] MOS界面における変位ポテンシャル上昇が超薄膜チャネルMOSFETのドレイン電流に与える影響2013

    • 著者名/発表者名
      木場隼介,石田良馬,久保田結子,土屋英昭,鎌倉良成,森伸也,小川真人
    • 学会等名
      第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [学会発表] 短チャネルSi MOSFETの準バリスティック輸送パラメータの抽出2013

    • 著者名/発表者名
      石田良馬,木場隼介,土屋英昭,鎌倉良成,森伸也,小川真人
    • 学会等名
      第74回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      同志社大学
    • 年月日
      20130916-20130920
  • [図書] ナノ構造エレクトロニクス入門2013

    • 著者名/発表者名
      土屋英昭
    • 総ページ数
      257
    • 出版者
      コロナ社

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公開日: 2015-05-28  

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