国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）纳米电子研究部[研究部主任安田哲二]纳米CMOS集成组首席研究员Takahiro Mori，研究组组长Takashi Matsukawa等人是硅隧道场效应晶体管（tunnel FET）环形振荡电路的运算外，运算速度也提高了一倍。
隧道FET是一种基于新工作原理的晶体管，预计可在02至03V左右的低电压下驱动，并且具有超低功耗集成电路预计。为了实现超低功耗集成电路，需要将不同极性的N型和P型隧道FET集成在同一硅衬底上并操作电路，就像传统集成电路一样。这次，我们首次演示了使用隧道 FET 的环形振荡电路的操作。此外，通过使用AIST开发的驱动电流增加技术，与首次演示时相比，操作速度增加了一倍。这是使用硅隧道FET的超低功耗集成电路商业化的重要一步，预计将有助于物联网技术的推广。
该技术的详细信息将于2016年12月5日至7日（太平洋标准时间）在美国旧金山举行的2016 IEEE国际电子器件会议上公布。
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| 使用本次制造的隧道FET的环形振荡电路的光学显微照片、原理图和输出特性 |
人们预计，将各种“物体”连接到互联网的物联网（IoT）技术将带来更加先进的信息社会。一些物联网设备是能量收集等微量电力收集有关“事物”的信息，并通过互联网进行传输。该系统预计将收集桥梁等老化结构的信息和人类健康信息，并有望帮助创建一个更安全、更有保障的社会。在物联网设备中，大规模集成电路（LSI）即使使用少量电力也能够计算和传输信息。
降低构成LSI的各个晶体管的驱动电压是实现最小功耗运行的关键。到目前为止，LSI 已经场效应晶体管 (MOSFET)使用以来，驱动电压逐渐下降，但近年来已达到稳定水平。因此，隧道FET作为取代MOSFET的下一代晶体管而备受关注，预计可在02～03V的极低电压下驱动。
AIST以实现物联网设备的低功耗LSI为目标，一直致力于隧道FET等采用新工作原理的晶体管的研究。到目前为止，我们已经开发出新结构隧道FET技术（2013 年 6 月 10 日 AIST 新闻稿) 和使用杂质的驱动电流增加技术 (2014 年 6 月 9 日 AIST 新闻稿) 并展示了隧道 FET 的长寿命 (2014 年 12 月 16 日 AIST 新闻稿) 等
这项研究开发的一部分得到了国家研究开发机构新能源和产业技术开发机构的“能源与环境新技术领先计划（2014-2017）”和日本学术振兴会科学研究资助金（青年科学家（A），项目编号15H05526）的支持。
使用传统 MOSFET数字电路N型和P型使用不同极性的晶体管互补电路使用方法。类似地，使用隧道 FET 的电路也必须以互补电路方式工作。互补电路的基本单元是逆变器，如果集成几十个这样的反相器，就成为环形振荡电路。环形振荡器电路对于集成电路的开发至关重要，因为可以评估其运行速度。然而，为了使环形振荡电路正确振荡，需要实现互补电路，集成几十个晶体管，并同时操作所有晶体管。这些需要先进的工艺技术，并且是开发新晶体管（而不仅仅是隧道 FET）时的主要障碍。即使在隧道FET的开发中，全球也只有少数小组实现了逆变器操作，而环形振荡器电路操作尚未实现。
这次，我们使用互补电路方法创建了环形振荡电路。该环形振荡电路由 N 型和 P 型隧道 FET 组成 (SOI平面型各23个)、总计46个反相器的集成电路，并将它们连接成环状。
首先，我们使用一个 N 型和一个 P 型隧道 FET 制作了逆变器原型，并确认了其运行。图 1 显示了原型逆变器的扫描电子显微照片和输入/输出特性。逆变器是串联配置N型隧道FET和P型隧道FET的互补电路，使电压反转。如图1所示，我们这次原型设计的逆变器能够在高输入电压时获得低输出电压，在低输入电压时获得高输出电压，从而实现电压逆变。这样，就证实了使用隧道 FET 的逆变器的工作原理。
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| 图 1 使用隧道 FET 的逆变器的扫描电子显微照片（左）和输入/输出特性（右） |
在环形振荡器电路中，通过连接成环形的反相器连续重复电压反转，并且在奇数次反转之后，电压返回到第一个反相器。重复这个过程，电压随时间变化，从而产生振荡。
图 2 显示了所制造的环形振荡电路的光学显微照片和输出电压特性。在这次制作的环形振荡器电路中，输出电压随时间变化，并且观察到振荡行为。该振荡操作是通过所有正确操作的集成隧道 FET 实现的，这表明首次演示了使用使用隧道 FET 的互补电路系统的环形振荡电路的操作。这是使用隧道 FET 实现超低功耗集成电路的重要一步。
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| 图2 使用隧道FET制作的环形振荡电路（顶部）及其输出电压特性（底部） |
AIST 一直在开发一种增加隧道 FET 驱动电流的技术，作为提高下一代晶体管工作速度的技术。图 3 显示了使用该技术的隧道 FET 的环形振荡电路。工作频率（运行速度）和运行频率（不适用时）。通过应用这种驱动电流增加技术，已经证明工作频率可以大约增加一倍。
如果未来的技术发展实现更快的速度和更低的工作电压，使用隧道FET的集成电路将更接近实际应用，并有望通过物联网设备为实现安全可靠的社会以及降低移动设备的功耗做出贡献。
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| 图3 应用和不应用驱动电流增加技术的隧道FET环形振荡器电路的工作频率 |
由于该隧道 FET 的工作电压高于预期值，阈值电压调节技术以实现低电压操作另外，为了实际使用，运行速度需要快100倍左右，因此速度会有所提高。此外，我们的目标是使用隧道FET而不是环形振荡器电路来实现集成电路。通过这些研究，我们将为使用隧道FET的超低功耗LSI的实际应用做出贡献。目前，我们正在新能源和产业技术发展组织的“物联网推广/超低功耗数据采集系统研发跨界技术开发项目”的支持下开展这些研发项目。