由国立大学法人广岛大学 HiSIM 研究中心（图 1）与产业界和政府合作开发，其中包括国立产业技术综合研究所（以下简称 AIST）。晶体管紧凑型``HiSIM-SOTB(广岛大学 STARC IGFET 模型硅薄盒)''于2014年6月20日在美国华盛顿举行硅集成计划 (Si2)、紧凑建模联盟 (CMC)会议上经过大约两年的国际标准化活动，被选为国际标准模型，并决定于2014年12月18日作为适合工业用途的标准模型发布。为响应这一决定，广岛大学将从2015年1月9日起在HiSIM研究中心网站上启动HiSIM-SOTB（http://wwwhisimhiroshima-uacjp/)。这将使我们能够快速响应超低压领域的集成电路设计和产品开发。
SOTB-MOSFET作为一种可以降低集成电路工作电压、实现超低功耗的晶体管结构有望投入实用。 SOTB-MOSFET自2004年起由日立制作所和瑞萨电子公司开发，自2010年起由经济产业省和新能源产业技术综合开发机构开发。作为“实现低碳社会的超低压器件项目”的一部分，超低压器件技术研究协会（以下简称LEAP）受NEDO委托，正在开发实用的CMOS器件和使用它们的电路集成技术（图2）。在该项目中，AIST与LEAP共同研究（共同实施）使用SOTB-MOSFET的集成电路的开发。广岛大学决定与 AIST 合作开发 SOTB 模型。
广岛大学 HiSIM 研究中心主任 Mattaus Hans Jürgen 和 AIST纳米电子研究部（研究部部长安田哲二）电子信息学研究组组长小池方平领导的研究小组，通过快速运行广岛大学的晶体管模型开发和AIST的晶体管特性再现验证循环，成功开发了精确再现SOTB-MOSFET特性的紧凑模型HiSIM-SOTB，并且晶体管工作所需的电压从1V降低到04，这使得精确再现成为可能当电压显着降低至 V 时的电路行为。
为了降低集成电路的功耗，主要问题是控制短沟道效应（由于MOSFET的小型化导致漏电流迅速增加）以及由于沟道中掺杂原子数量的减少而导致特性变化的增加。作为对策，提出了一种超薄SOI晶体管，其中硅沟道层被做得超薄(10nm)，同时不掺杂。然而，存在难以调节阈值电压以获得所需特性的问题。 SOTB-MOSFET 就是这个问题的解决方案。除了使硅沟道层变得极薄之外，通过使底部绝缘体(BOX)层更薄，还可以通过调整衬底掺杂浓度和衬底偏压来理想地调整晶体管特性，同时保持特性变化较小。因此，可以创建一种在 04V 的低电源电压下工作且功耗约为传统电路十分之一的集成电路。为了使用新开发的 SOTB-MOSFET 设计集成电路，必须有一个紧凑的晶体管模型，该模型能够准确地再现电源电压显着降低至 04 V 时的电路行为。
SOTB-MOSFET具有非常高的结构自由度，其特性根据器件结构而敏感地变化（图3）。它是终极器件，要准确地描述它，必须遵循物理原理，否则模型将无法预测。广岛大学通过对2012年被选为国际标准的HiSIM-SOI进行了显着改进，开发了HiSIM-SOTB，使其可以适应任何设备结构。 HiSIM-SOTB通过求解泊松方程精确确定超薄膜SOI（硅沟道层）的顶部和底部以及衬底顶部三个位置的表面电势。为了实现这一目标，需要解决寻找三阶牛顿方程的稳定数值解的难题，但通过开发适当的算法，我们能够准确地再现由于基质浓度变化和施加基质偏压而引起的载流子分布变化。另一方面，为了保持紧凑模型的便利性，我们在没有问题的地方广泛使用有效的近似，并采取各种措施来缩短计算时间。
超薄膜SOI晶体管的开发正在全球范围内取得进展，2010年，在其实际应用之前，CMC开始为超薄膜SOI晶体管选择标准晶体管模型。 CMC从企业能否在实际集成电路设计中使用的角度来评价大学研发的模型。评估的挑战将是LEAP向CMC提供的SOTB-CMOS器件特性数据是否可以使用晶体管模型再现，以及是否可以使用实际电路进行稳定的模拟。 2012年底，对来自广岛大学的HiSIM-SOTB和来自加州大学伯克利分校的BSIM-IMG的入围评估开始。模型评估的主要负责人是HiSIM-SOTB 的AIST 和BSIM-IMG 的意法半导体
与薄 BOX 层相关的现象很复杂，两种模型都很难重现它们。经过延长一年的评估期并进行模型改进和评估，评估结果最终获得批准，表明两种模型均满足CMC要求的规格，并选择HiSIM-SOTB和BSIM-IMG作为超薄膜SOI晶体管的标准晶体管模型。在 2010 年创建模型需求规范时，只有 AIST 要求规范包含与薄 BOX 层兼容的特性，因此 BOX 接口处的通道形成等内容仍作为可选规范。然而，随着超薄膜SOI晶体管的发展，薄BOX层的必要性被广泛认识到。意法半导体也开始要求再现具有与SOTB等效结构的自家设备的特性，这成为事实上的必需规格。
作为LEAP实施的NEDO项目的一部分，AIST和国内大学正在使用SOTB-MOSFET设计各种电路，并使用LEAP进行原型制作，并展示SOTB-CMOS的低功耗。在 CMC 开展标准化活动的同时，AIST 向国内大学提供了重现 LEAP SOTB-MOSFET 特性的 HiSIM-SOTB 模型。 AIST和国内大学利用HiSIM-SOTB对LEAP原型的大规模逻辑电路和模数混合电路进行仿真，阐明了器件的优点，并致力于演示超低电压操作。由此，HiSIM-SOTB作为实际电路设计的紧凑模型的高稳定性和实用性不仅得到了CMC的高度评价，也得到了国内合作机构的高度评价。到目前为止，标准化一直是CMC内部的封闭活动，但这一次它被认为值得赞扬，因为它发起了一场新的运动来标准化一般设计师所需的模型。
研究团队之所以能够在有限的时间内解决问题，并将HiSIM-SOTB发展到足以标准化的程度，是因为通过前期的标准化活动，我们能够快速建立起产官学的合作体系。
当器件完成时，其电路特性的评估已经完成，我们能够实现一个理想的场景，在该场景中大规模电路设计的环境已经具备。
所有类型的晶体管都可以实现这一点，未来设计能力将变得更加重要。通过构建产官学合作体系，国内企业将掌握节能半导体领域领先世界的关键。
 |
| 图 1：HiSIM 研究中心正在开发的紧凑模型列表。 |
 |
| 图2：SOTB-MOSFET的结构图以及与通用MOSFET的比较。 |
 |
| 图 3：改变衬底浓度 (NSUBB) 时 SOTB-MOSFET 结构和特性的比较。 |
|
左图为底物浓度2X1017厘米3调整模型参数的结果并再现二维数值结果。右图仅显示了左图模型参数中的底物浓度为4X1016厘米3时的计算结果阈值电压或衬底偏置V负移bg的变化而减小的现象。 （较低的基材系数）。
|