コー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

1988 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 62420032
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 御子柴 宣夫 東北大学, 電気通信研究所, 教授 (70006279)
• 研究分担者: 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)
• キーワード: コールドエレクトロニクス / 半導体集積回路

研究概要

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。すでに現在において、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。本研究は、従来研究開発の行われてき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、コールドエレクトロニクス集積回路の基礎を拓くことを目的としている。
本年度は、昭和62年度に引き続き、超放熱構造型の常温動作MOS型及びバイポーラ型集積回路の基本設計を行うために、MOS型及びバイポーラ型トランジスタの動作時の三次元ダイナミック熱解析シミュレータの開発、さらに低温動作(〜80K)MOS型デバイスの最適化を行うための二次元デバイスシミュレータの開発を行った。
従来、熱伝導はゆっくりした現象であると理解されがちであったが、ダイナミック熱解析の結果、μm領域の局所熱伝搬は、nsecオーダで伝搬することが明らかになった。Alと同程度の熱伝導をもつAlNで熱流回路を形成すれば、表面の活性領域から、あたかも電流が流れるかのごとく、熱流をnsecオーダで表面側へ伝搬させることが可能である。これらの結果を用いて、活性領域で発生した熱を瞬時にしと取り去ることのできる新しいチップ・パッケージ一体型超放熱方式を提案した。
デバイスシミュレータを用いて、80Kで動作するMOS形デバイスの最適設計を行うための温度スケーリング則を明らかにした。本スケーリング則によりゲート遅延約1psecのチャネル長0.1μmのディープサブミクロンMOSFETの設計を行うことができた。また、80K動作のMOSデバイスの最適電源電圧は、1〜1.5Vであることを明らかにした。
以上述べたように、研究計画に沿って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。

研究成果

• [文献書誌] K.Okabe;H.Matsumoto;K.Tsubouchi;N.Mikoshiba: Extended Abstract of the 20th (8th International) Conference on Solid State Devices and Materials,Tokyo,1988. 597-600 (1988)
• [文献書誌] Y.Yi;K.Masu;K.Tsubouchi;N.Mikoshiba: Japanese Journal of Applied Physics. 27(10). L1958-L1961 (1988)
• [文献書誌] 岡部一弘,松本尚,坪内和夫,御子柴宣夫: 昭和63年春季応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 29p-ZD-11 (1988)
• [文献書誌] 易幼文,益一哉,坪内和夫,御子柴宣夫: 昭和63年春季応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 29p-ZD-10 (1988)
• [文献書誌] 岡部一弘,二ツ谷知士,坪内和夫,御子柴宣夫: 昭和63年秋季応用物理学学術講演会講演予稿集. 49-ZB-5 (1988)
• [文献書誌] 易幼文,益一哉,坪内和夫,御子柴宣夫: 昭和63年秋季応用物理学学術講演会講演予稿集. 49-ZB-10 (1988)
• [文献書誌] 二ツ谷知士,岡部一弘,坪内和夫,御子柴宣夫: 平成元年春季応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 1a-PC-15 (1989)
• [文献書誌] 易幼文,益一哉,坪内和夫,御子柴宣夫: 平成元年春季応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 1a-PC-16 (1989)
• [文献書誌] 益一哉,易幼文,坪内和夫、御子柴宣夫: 平成元年春季応用物理学関係連合講演会講演予稿集. 3a-C-3 (1989)