極低温動作トランジスタのスイッチング特性を解明

量子コンピューター用制御回路の研究開発を加速する半導体物理の新知見

産総研

ポイント

・1ケルビン以下の超極低(di)温測定から低(di)温半導体物理の新知見(jian)を獲得(de)

・半(ban)導(dao)体界面での電子(zi)の捕(bu)獲が低温動作トランジスタのスイッチング特性を決定することを発見

・大規模集(ji)(ji)積(ji)量(liang)子コンピューターに向(xiang)けた制御用集(ji)(ji)積(ji)回路の正確な設(she)計(ji)に貢献

 

 

概 要

国立研究開発法人 産業技術総合研究所(以下「産総研」という)先端半導体研究センター 新原理シリコンデバイス研究チーム 岡 博史 主任研究員、浅井 栄大 主任研究員、森 貴洋 研究チーム長は、これまで謎であったトランジスタの低温動(dong)作メカニズムを世(shi)界で初めて解明しました。

 

集積回路(lu)を構成するトランジスタの特性は温度によって変化することが知られています。そのため、集積回路の設計においては、その動作温度でのトランジスタ特性の理解が重要となります。近年では量子コンピューターの制御回路に向けて4ケルビン(マイナス269.15度)の低温で動作する集積回路の開発が求められていますが、このような低温でのトランジスタのスイッチング特性は従来の半導体物理の理論では説明できず、これまで謎とされてきました。今回の研究では、従来の研究対象温度であった4ケルビン(マイナス269.15度)よりも2桁も低い0.015ケルビン(マイナス273.135 度)の超極低温での電気特性を測定することで、半導体界面の欠陥が電子を捕獲する現(xian)象がオフ状態(tai)からオン状態(tai)へのスイッチング特性(xing)を決定することを明らかにしました。これは低温半導体物理に残(can)された謎を解き明かした新知見であり、量子コンピューターの性(xing)能向(xiang)上にも貢献します。

 

なお、この技術の詳(xiang)細は、2023年12月9日から12月13日(12日発表)に米国サンフランシスコで開催される国際会議「IEEE International Electron Devices Meeting 2023」で発表されます。

 

下線部は【用語解説】参照

 

開発の社会的背景

集積回路はパソコンやスマートフォン、自動車、家電製品など身の回りのさまざまな電子機器を制御する心臓部であり、その構成素子はトランジスタです。トランジスタの動作特性は温度によって変化することが知られており、その電気特性は半導体物理に基づく理論式で表すことができます。そのため、集積回路はその対象動作温度での特性を考慮した回路設計を行う必要があり、トランジスタの各温度での特性を把握することが第一に重要となります。一般的な集積回路は室温動作(約300ケルビン)が前提となりますが、車載、地中資源採掘、宇宙・航空産業など、その用途によって動作温度の異なる集積回路が開発されています。近年では量子コンピューター用の制御回路として、低温下で動作する集積回路の研究開発が活発に進められています。これは量子ビットが配置される冷凍機の内部で集積回路から量子ビットを制御することで、量子ビットの高集積化を可能にする技術です。量子ビットに超(chao)伝導量子(zi)ビットシリコン半導体量子ビットを用いる場合には、制御用集(ji)積回路は4ケルビン(マイナス269.15 度)での動作(zuo)となります。しかし、4ケルビン(マイナス269.15 度)のような低温(wen)下(xia)でのトランジスタ特(te)(te)性は従来(lai)の半導(dao)体物理(li)に基(ji)づく理(li)論(lun)式から大きく逸脱することがわかっています。これまでの世界的な研究開発により低温(wen)での各(ge)種電気特(te)(te)性について多くのことがわかってきましたが、トランジスタの動作(zuo)を決(jue)定(ding)づける最(zui)も基(ji)本的なパラメータであるスイッチング特(te)(te)性については、実(shi)験結果を統一(yi)的に説明(ming)(ming)する理(li)論(lun)は確立(li)されておらず、大きな謎(mi)として残(can)っていました。そのため、低温(wen)動作(zuo)トランジスタのスイッチング特(te)(te)性の解(jie)(jie)(jie)明(ming)(ming)は半導(dao)体物理(li)の根本的理(li)解(jie)(jie)(jie)に不可欠であるのみならず、産業応用上も重要(yao)な未(wei)解(jie)(jie)(jie)決(jue)問題(ti)となっていました。

 

研究の経緯

産総研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)は、高(gao)(gao)性能(neng)(neng)・高(gao)(gao)集積量(liang)子(zi)コンピューターの実現(xian)を目指して、超伝(yun)導量(liang)子(zi)ビットやシリコン半導体(ti)型量(liang)子(zi)ビット、およびその制(zhi)御(yu)(yu)(yu)のための低温(wen)動作集積回(hui)(hui)路(lu)の研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究開(kai)(kai)発に取り組んでいます。これまでに産総研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)は、独自(zi)のアーキテクチャを用いた超伝(yun)導量(liang)子(zi)アニーリングマシン()や高(gao)(gao)温(wen)動作可能(neng)(neng)なシリコン量(liang)子(zi)ビットの開(kai)(kai)発()、スピン量(liang)子(zi)ビット読(du)み出し向(xiang)け電流(liu)計測回(hui)(hui)路(lu)()、シリコン量(liang)子(zi)ビットの高(gao)(gao)速動作を実現(xian)する新集積構造(zao)の提案()、制(zhi)御(yu)(yu)(yu)回(hui)(hui)路(lu)用トランジスタが演算性能(neng)(neng)を低下させる起(qi)源の理(li)(li)解()など、量(liang)子(zi)ビット向(xiang)けデバイス技(ji)術から制(zhi)御(yu)(yu)(yu)用回(hui)(hui)路(lu)技(ji)術まで幅広く研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究開(kai)(kai)発に取り組んできました。トランジスタの低温(wen)電気特(te)(te)性についても、オン性能(neng)(neng)を支配する原(yuan)因の解明(2022年(nian)国際会議VLSIシンポジウム発表)やノイズの増大現(xian)象の発見(2020年(nian)国際会議VLSIシンポジウム発表)など、世界(jie)をリードする研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究成果を挙げてきました。現(xian)在、産総研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan) 先端半導体(ti)研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究センターでは量(liang)子(zi)コンピューターの制(zhi)御(yu)(yu)(yu)に向(xiang)けたトランジスタ・回(hui)(hui)路(lu)技(ji)術についての研(yan)(yan)(yan)(yan)(yan)究開(kai)(kai)発を進(jin)めており、今回(hui)(hui)、低温(wen)半導体(ti)物理(li)(li)の根本的理(li)(li)解に基づき、残(can)された謎であった低温(wen)でのトランジスタのスイッチング特(te)(te)性を支配する原(yuan)因を突き止めました。

 

なお、本(ben)研(yan)究開発(fa)は、国立研(yan)究開発(fa)法人新エネルギー・産業技術(shu)総合開発(fa)機構(NEDO)の委託(tuo)事業「量(liang)(liang)子計(ji)算及びイジング計(ji)算システムの統合型研(yan)究開発(fa)(2020~2027年(nian)度(du))」(JPNP16007)および文(wen)部科学(xue)省光・量(liang)(liang)子飛躍フラッグシッププログラム(Q-LEAP)「シリコン量(liang)(liang)子ビットによる量(liang)(liang)子計(ji)算機向け大(da)規模集積回(hui)路の実現(xian)(2018~2027年(nian)度(du))」(JPMXS0118069228)による助(zhu)成を受(shou)けています。

 

研究の内容

今(jin)回(hui)の研究は、従来研究が中心的(de)(de)に行われてきた量子コンピューター用(yong)制御回(hui)路の動作温度である4ケルビン(マイナス269.15度)よりも2桁(heng)も低い0.015ケルビン(マイナス273.135度)までの超極(ji)低温での電気特(te)(te)性(xing)(xing)を測定(ding)(ding)することによって、スイッチング特(te)(te)性(xing)(xing)を支配(pei)する原因を突き止めたものです。このような実(shi)(shi)利(li)用(yong)する温度よりも極(ji)めて低い温度での電気特(te)(te)性(xing)(xing)評価(jia)は、実(shi)(shi)用(yong)上は不要(yao)な特(te)(te)性(xing)(xing)を測定(ding)(ding)するものであるため、世界的(de)(de)に見てもほとんど測定(ding)(ding)した研究例がありませんでした。これをあえて実(shi)(shi)施したことが、今(jin)回(hui)の原因解明につながっています。

 

トランジスタのオフ状態からオン状態へのスイッチング特性は、サブスレッショルド係数(S係数)と呼(hu)ばれる性能パラメータで評価(jia)します。一(yi)般に、低(di)温(wen)にするとS係数の値(zhi)が小(xiao)さくなり、スイッチング特(te)性はよくなります(図1左)。半導(dao)体物理(li)に基(ji)づく基(ji)本(ben)モデルでは、S係数は温(wen)度に比例するものとされており、低(di)温(wen)にすると直線的に減少するものとされていました。一(yi)方、これまでの研究(jiu)の中(zhong)で50ケルビンから1ケルビンにかけての温(wen)度帯でS係数が基(ji)本(ben)モデルによる予測から外れることはわかっていましたが、その原(yuan)因は研究(jiu)者(zhe)の間でも議(yi)論が繰り返され、定(ding)説がありませんでした。量子コンピューター用途(tu)では集積回(hui)路は4ケルビンでの動作となるため、低(di)温(wen)での基(ji)本(ben)モデルからの逸脱(tuo)は実利用上重要な問題であり、その理(li)解が求められていました。

 

今(jin)回の研(yan)究で最も重要(yao)な役割を果たしたのは、トランジスタのS係(xi)数(shu)の1ケルビン以下(xia)での温(wen)度依存性を世界で初めて実験(yan)で観測(ce)したデータです。今(jin)回観測(ce)したデータを見ると(図1右(you))、1ケルビン以下(xia)の温(wen)度帯でS係(xi)数(shu)が再度減少に転じます。このような再減少は、これまでには観測(ce)されたことがない実験(yan)結果でした。

 

この世界で初めて実験的に観測されたS係数の再減少の原因を解明するために、これを説明できる理論を組み立てることを試みました。これまでの1ケルビン以上での測定結果を説明する仮説としては、S係数の基本モデルに半導体界面の欠陥の影響を考慮し、界面欠陥が生み出した自由に動ける電子がスイッチング特性を支配するという可動電子モデルが提唱されていました。これは、従来の議論の中では主流の仮説となっており、S係数が温度に比例する界面欠陥を考慮しない基本モデルとの相違を説明するものとされてきました。しかしながら、この可動電子モデルで理論計算を行ってみたところ、今回得られたS係数が再減少する実験結果を説明できないことがわかりました(図2赤線)。そこで、逆の考え方である、界面の欠陥に電子が捕らえられる捕獲電子モデルで理論計算を行ったところ、実験結果と同様のS係数の再減(jian)少が再現できました(図(tu)2青線)。これによって、今回(hui)の研究で初(chu)めて観測されたS係数の再減(jian)少は捕(bu)獲(huo)電子(zi)モデルで説明できました。このとき、S係数は電子(zi)の捕(bu)獲(huo)が始まると温(wen)度に対して一定(ding)となり、ほぼ満(man)杯に捕(bu)獲(huo)されると再び減(jian)少を始めます。今回(hui)明らかになった事柄は、従来提唱されていた仮説を覆すものです。

 

 

以上(shang)の研究(jiu)で明らかとなったのは、界面の欠陥に捕(bu)(bu)獲される電子(zi)の量(liang)がスイッチング特性(xing)(xing)を決(jue)めているということです。これは低温(wen)半導体物理における新しい知見であり、これまでの謎を解(jie)明するものです。また、回路設(she)計(ji)においてはトランジスタ特性(xing)(xing)を再(zai)現するための方程式に、捕(bu)(bu)獲される電子(zi)の量(liang)という従来考慮されていなかったパラメータを導入し、方程式を高(gao)度化することでスイッチング特性(xing)(xing)を再(zai)現できることを意(yi)(yi)味しています。これによって、低温(wen)で動(dong)作する集積回路をより正しく設(she)計(ji)できるようになります。本発(fa)見は低温(wen)半導体物理における学術的な意(yi)(yi)義のみならず、量(liang)子(zi)コンピューターの研究(jiu)開発(fa)を大きく加速することも期待されます。

 

今後の予定

今後は、今回得られた成果を元にしてトランジスタ特(te)性を再現する方程(cheng)式の高(gao)度化を実際に実施し、制御(yu)用集積回路の設計技(ji)術(shu)を高(gao)めていきます。これらの研究開発を通じて、大規模(mo)集積量子コンピューターの実現を目指します。

 

論文情報

掲載誌:2023 IEEE International Electron Devices Meeting, Digest of Technical Papers

論文タイトル:Milli-Kelvin Analysis Revealing the Role of Band-edge States in Cryogenic MOSFETs

著者:Hiroshi Oka, Hidehiro Asai, Takumi Inaba, Shunsuke Shitakata, Hitoshi Yui, Hiroshi Fuketa, Shota Iizuka, Kimihiko Kato, Takashi Nakayama, and Takahiro Mori

 

用語解説

トランジスタ

現代(dai)電子回路において、信号を増幅したりスイッチングしたりするための素子。

 

集積回路

多数のトランジスタを用いた電子回路を1枚の半導体(ti)チップの上に形成したもの。

 

スイッチング特性

トランジスタがオフ状態からオン状態になる際の電流の立ち上がり性能のこと。

 

欠陥

半導(dao)体などの材料を構成している原(yuan)(yuan)子(zi)は規(gui)則的(de)に並んでいる。その規(gui)則から外(wai)れたものを欠(qian)陥(xian)と呼ぶ。ここでは本来(lai)あるべき原(yuan)(yuan)子(zi)が1個なくなった点状の欠(qian)陥(xian)を指している。他にも、線状や面上(shang)の欠(qian)陥(xian)もある。

 

超伝導量子ビット

超伝(yun)導材料を用いて製造される固体の量(liang)子(zi)(zi)ビット素子(zi)(zi)。超伝(yun)導量(liang)子(zi)(zi)ビットには磁束量(liang)子(zi)(zi)ビットやトランズモン量(liang)子(zi)(zi)ビットなどと呼ばれる複数の方(fang)式がある。

 

シリコン半導体量子ビット

半導体材(cai)料であるシリコンを用いて製造される固体の量(liang)(liang)子ビット素子。シリコン量(liang)(liang)子ビットにはスピン量(liang)(liang)子ビットや電荷量(liang)(liang)子ビットの方(fang)式(shi)がある。

 

サブスレッショルド係数

ドレイン電流を1桁変化させるために必要なゲート電圧で定義され、トランジスタのスイッチング特性を表すパラメータのこと。従来の理論では、温(wen)度に対して比(bi)例(li)するものとされていた。

 

可動電子

トランジスタを流(liu)れる電流(liu)に寄与する電子(zi)(zi)を指し、動くことができる電子(zi)(zi)のこと。

 

捕獲電子

トランジスタ内部(bu)で欠(qian)陥などに捕獲された電子を指し、電流(liu)には寄与しない。一度捕獲されると自由に動くことができない電子のこと。

 

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    東京都
  • キーワード
    研究開発、トランジスタ、量子コンピューター、半導体、スイッチング特性、集積回路、低温半導体物理
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