産総研、トンネルFET実現に向けた回路シミュレータ用素子動作モデルを開発

産業技術総合研究所(産総研)ナノエレクトロニクス研究部門 連携研究体グリーン・ナノエレクトロニクスセンターの福田浩一 研究員らの研究グループは、トンネル電界効果トランジスタ(トンネルFET)の回路動作を予測する回路シミュレーションのための素子動作モデルを開発したことを発表した。同成果の詳細は2012年9月25~27日にて京都市で開催されている「2012年国際固体素子・材料コンファレンス(SSDM 2012)」で発表された。

近年、携帯情報端末の普及などに反してバッテリーの持ち時間の延長など、電子情報機器の消費電力低減に関する要求が高まってきている。しかし、従来の金属-酸化物-半導体で構成される電界効果トランジスタ(MOSFET)による低消費電力化は限界に近づいており、次世代デバイスの実現が必要とされている。

近年、LSIの超低消費電力化のために、MOSFETに代わる素子として、低電圧で急峻なオン・オフの切り替えができるトンネルFETが注目され、これを用いたLSI回路の低消費電力化が期待されるようになってきた。LSI回路の設計には、設計した回路が性能を満たすかどうかをあらかじめ検証するためのシミュレーションが欠かせないが、トンネルFETではトンネル効果を取り入れた電流電圧特性の予測が難しいといった問題があり、回路シミュレーションに必要な素子動作モデルは存在しなかった。

トンネルFETは、従来のLSIで用いられてきたMOSFETと異なり、ゲート電圧によりトンネル現象を引き起こすことでオン・オフを制御するトランジスタだ。トンネルFETではゲート電圧を制御してチャネルの価電子帯や伝導帯のエネルギーレベルを急激に変化させ、ソースの価電子帯とチャネルの伝導帯のエネルギーレベルが近づくとソースとチャネルの間にトンネル現象が生じて、トランジスタに電流が流れるという原理になっている。

トンネルFETの構造と動作原理。灰色はオフ状態を示す

この原理では、従来のMOSFETよりも少ない電圧で電流のオン・オフが切り替わり、急峻なスイッチングができる。もしスイッチングが急峻になれば、従来のMOSFETよりも低電圧での動作ができるようになることから、トンネルFETを用いたLSI回路は、従来のMOSFETを用いたLSI回路よりも低電圧で動作できるようになる。

トンネルFETの急峻なスイッチング特性

今回開発されたトンネルFETの素子動作モデルは、トンネルFETで生じるトンネル電流をソース、ドレイン、ゲートの各端子電圧から予測することが可能なもので、まずトンネルFET素子内部でトンネル電流が発生する箇所の電界分布を予測し、その電界分布からトンネル距離を求められることから、トンネル電流の発生量を見積もることができる。同モデルが個々の素子の電気特性を予測可能とするため、同モデルを用いた回路シミュレータは多数の素子を接続した回路の性能を高速に予測することが可能となる。これによりトンネルFETを用いたLSIの回路設計が可能となるほか、同モデルはVerilog-A言語で記述できるため、さまざまな回路シミュレータに組み込んでシミュレーションすることも可能だという。

回路シミュレーションにおいては同時に多数の素子を扱うため、同モデルは瞬時に計算可能な解析式で表されているという。モデルの妥当性は素子構造を小領域の集まりに分割して方程式を解く数値解析手法(有限要素法)などの数値シミュレーションと比較して検証がなされており、開発された素子動作モデルで予測した静電ポテンシャル分布と、数値シミュレーションによる計算結果の、各端子電圧での比較を行ったところ、予測された静電ポテンシャル分布は、1つの素子で10分~1時間の計算時間が必要な数値シミュレーションと比較してもよく一致しており、これを使ってトンネル距離を得ることができ、正確なトンネル電流量を高速に求めることができることが確認されたという。

素子動作モデルの静電ポテンシャル分布の予測と、数値シミュレーション結果の比較。各ゲート電圧(Vgs)における矢印に沿った界面の静電ポテンシャル分布

今回開発された素子動作モデルによって得られたトンネルFETの電流電圧特性と、実測値との比較として、ゲート電圧が負でオン状態になるトンネルFETについて比べた結果、精度よくトンネルFETの動作特性をシミュレーションできることが判明。このモデルを回路シミュレータに組み込むことで、トンネルFETを用いたLSI回路のシミュレーションが可能となり、その結果、トンネルFETを用いたLSI回路の設計や、さらなる低消費電力化の実現が期待されることとなるという。

トンネルFETの電流電圧特性のシミュレーション結果と実測値との比較。ゲート電圧0V付近の差異は、実測で見られたゲート誘電膜を介したリーク電流によるもので、トンネルFET本来の特性ではなく、素子設計で抑制できるため、この計算では無視されている

なお研究グループでは、今回開発した素子動作モデルを低消費電力回路を研究者に提供することで、トンネルFETを用いた低消費電力LSI回路の実現を加速させていくとしている。

低電圧動作トンネルFETを用いた大規模集積回路(LSI)回路設計までの流れ。開発した素子の特性を、今回の素子動作モデルで表現し、回路設計を行うことができる

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