独立行政机构国立产业技术综合研究所[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[研究部主任安田哲二]硅纳米器件组首席研究员水林渡、首席研究员森田幸纪、首席研究员太田博之和研究组组长张原秋内被视为有前途的未来节能器件隧道晶体管的高性能和长寿命（隧道 FET）。
而且，大规模传感器网络驱动电路所必需的CMOS我们开发了一种工艺，可在经济高效的硅平台上形成两个正负隧道 FET，这对于电路配置至关重要。场效应晶体管低于 (MOSFET) 的物理极限阈下摆幅 (SS)电流驱动功率显着增加。因此，使用隧道 FET 驱动大规模传感器网络电路预计将显着降低安装和维护成本，因为它们的使用寿命长、成本优势以及能够在较低电压电源下运行。
详细结果将于2014年12月15日至17日在美国旧金山举行国际电子器件会议(IEDM)
 |
隧道晶体管和场效应晶体管的长期寿命比较（左）改善双极隧道晶体管的传输特性（右）
新开发的新工艺显着提高了亚阈值摆幅和电流驱动力 |
利用传感器进行持续检查和监控的无线传感器网络正在医学、预防犯罪、农业、交通和建筑物（桥梁、建筑物）等各个领域迅速扩展（图1）。随着出生率迅速下降和人口老龄化，未来无线传感器网络预计将变得更加庞大。除了比以往更加节能之外，还要求传感器能够长期使用而不发生故障，以降低安装后更换传感器的成本。目前，传感器使用由 MOSFET 组成的电路，但近年来，人们开始考虑用隧道 FET 代替它们，这样可以更省电地驱动。为此，关键是要确保隧道FET在低电压范围内具有高性能、低成本和长寿命。
 |
| 图1无线传感器网络图像 |
绿色纳米电子中心（GNC）（2010-2010）是在产业技术研究院纳米电子研究部设立的合作研究机构，一直在研究和开发采用新工作原理的CMOS器件，以将大规模集成电路（LSI）的功耗降低到十分之一以下。作为用于此目的的器件，我们重点关注与传统 CMOS 晶体管高度兼容的隧道 FET。结果，垂直结构（2013 年 6 月 10 日 AIST 新闻稿) 并将中间层引入隧道连接点 (2014 年 6 月 9 日 AIST 新闻稿) 已用于提高隧道 FET 的性能。
这项研究和开发是在日本学术振兴会前沿研究开发支援计划（FIRST）项目“绿色纳米电子核心技术的开发”（首席研究员：横山直树）的支持下进行的。
在这项研究中，我们首先验证了隧道 FET 的长期可靠性，目的是大幅降低更换成本。用于评估的器件是负隧道FET，用于比较的器件是负MOSFET。阈值电压的时间偏移 50 mV 定义为长期寿命。如果在正常工作电压下进行长期可靠性评估，则需要10年以上才能达到寿命终点，不切实际。因此，通过将通过高施加电压的加速测试获得的实际测量寿命外推到工作电压范围来预测寿命。
图2显示了长期寿命评估的结果。例如，当施加15V的栅极电压时，传统MOSFET的寿命只有几千秒，而隧道FET的寿命为10年，这比MOSFET有了显着的改进。在1V以下的驱动电压下可以保证100年以上的使用寿命，表明它可以半永久性地用作低压传感器驱动电路。
 |
| 图2 隧道晶体管和场效应晶体管的长期寿命比较 |
接下来，我们考虑了显着提高隧道 FET 寿命的可能性。对于图 2 所示的长期寿命评估，进行了加速测试，对栅极施加电压，并假设处于工作状态，对漏极施加 05 V 的电压。图 3 总结了对 MOSFET 和隧道 FET 长期寿命的影响。首先，就 MOSFET 而言，长期寿命主要取决于源头的电子注入。另一方面，在隧道FET的情况下，正型源极和负型漏极具有不同的极性，并且电场集中特别出现在正型源极和栅极端处。到目前为止，人们一直担心这种电场集中会对可靠性产生不利影响。不过，这是第一次被曝出此举影响甚微。此外，他们首次发现隧道FET的极性差异与其长寿命的原因有关。结果表明，决定隧道 FET 长期寿命的电子注入仅发生在负漏极。在该加速测试中，向负漏极施加电压，因此栅极和漏极之间的电压差减小，并且显着抑制了来自负漏极的电子供给。这就是隧道 FET 寿命长的原因。
从以上结果可以看出，当使用低电压工作的隧道FET作为传感器驱动器件时，可以半永久地使用而无需更换。
 |
| 图 3 影响 MOSFET 和隧道 FET 长寿命的因素 |
此外，我们在实际构建节能、大规模传感器网络的前提下开发了隧道FET的基本技术。
由于传统 MOSFET 通过电子热扩散注入载流子，因此亚阈值摆幅的物理下限（表示开/关特性上升的陡度）约为 60 mV/位。另一方面，在隧道 FET 中，隧道效应来执行的，因此原则上小于60mV/阶的亚阈值摆动值是可能的。亚阈值摆幅衡量晶体管可以开启的电压有多小（图 4）。由于晶体管在电路中充当开关，因此隧道 FET 导通所需的电压比 MOSFET 低，从而通过降低运行电路的电源电压来降低功耗，并且可以缩小电池和电源的尺寸。
 |
| 图 4 MOSFET 和隧道 FET 的开/关操作差异 |
由于这些优势，世界各地领先的研究机构都致力于开发高性能隧道 FET。然而，之前的报告仅限于单个单极隧道 FET 的优化。另一方面，CMOS反相器是电路最基本的元件，需要一对正型和负型晶体管，因此为了将其应用到实际电路中，必须在同一平台上创建双极隧道FET。因此，我们开发了一种新的制造工艺，可以批量生产双极隧道 FET，并以低成本构建电路（图 5）。
众所周知，隧道结中的晶体缺陷会导致亚阈值摆幅恶化，如果在形成结之前使用常用的氢氟酸进行清洁，则表面上可能会残留非常薄的氧化膜，从而导致晶体缺陷X射线光电子能谱的分析揭示了这一点因此，通过多次重复表面氧化和氧化层去除，去除了剩余的氧化膜，并且在具有正负极性的隧道FET中获得了无缺陷的结。结果，正负隧道 FET 的亚阈值摆幅和电流驱动功率都得到了显着改善，双极隧道 FET 首次获得了比 MOSFET 理论极限低 60 mV/数量级的亚阈值摆幅值。此外，与之前的新闻公告相比，当前的驱动力提高了约1000倍（图6）。实现高性能双极隧道 FET 是一项与 CMOS 节能直接相关的成就，而 CMOS 是双极隧道 FET 的基本组件。未来，我们可以期待巨大的好处，例如应用于即使用少量电力也可以驱动设备的电路，例如回收能量。
 |
|
 |
| 图 5 新隧道 FET 创建过程 |
|
图 6 使用新工艺开发的隧道 FET 的传输特性 |
未来，我们将进一步提高隧道晶体管的性能，目标是用大规模传感器网络的节能器件来取代它们。