米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）先进半导体研究中心新原理硅器件研究小组首席研究员Hiroshi Oka、首席研究员Eihiro Asai和研究组组长Takahiro Mori至今仍是一个谜晶体管的低温工作机理。
集成电路的晶体管的特性随温度变化。因此，在设计集成电路时，了解晶体管在工作温度下的特性非常重要。近年来，量子计算机的控制电路需要开发在低至4开尔文（-26915摄氏度）温度下工作的集成电路。开关特性8894_9032缺陷研究表明，电子捕获现象决定了从关断状态到接通状态的开关特性。这是解开低温半导体物理学之谜的新知识，也将有助于提高量子计算机的性能。
该技术的详细信息将于2023年12月9日至13日在美国旧金山举行的IEEE International Electron Devices Meeting 2023上公布（12日公布）。
集成电路是我们周围各种电子设备的心脏，例如电脑、智能手机、汽车、家用电器，其组成元件是晶体管。众所周知，晶体管的工作特性根据温度而变化，其电特性可以通过基于半导体物理学的理论公式来表达。因此，设计集成电路时需要考虑目标工作温度下的特性，而了解晶体管在各温度下的特性至关重要。典型的集成电路被设计为在室温（大约300开尔文）下工作，但根据应用，例如汽车、地下资源开采和航天/航空工业，已经开发了具有不同工作温度的集成电路。近年来，作为量子计算机的控制电路，对在低温下工作的集成电路的研究和开发正在积极进行。这是一项通过从放置量子位的冰箱内的集成电路控制量子位来实现高度集成的量子位的技术。量子位超导量子位是啊硅半导体量子位时，控制集成电路在4开尔文（-26915度）下工作。然而，众所周知，晶体管特性在低至 4 开尔文（-26915 摄氏度）的温度下与基于传统半导体物理学的理论公式有很大偏差。迄今为止，通过世界范围内的研究和开发，人们对低温下的各种电气特性有了很多了解，但决定晶体管工作的最基本参数开关特性仍然是一个大谜团，因为尚未建立统一实验结果的理论。因此，阐明低温工作晶体管的开关特性不仅对于理解半导体物理至关重要，而且也成为工业应用中尚未解决的重要问题。
AIST正在致力于超导量子位、硅半导体量子位及其控制的低温操作集成电路的研究和开发，目标是实现高性能、高集成度的量子计算机。迄今为止，AIST已开发出超导量子退火机（2021 年 7 月 6 日 AIST 新闻稿) 以及可在高温下运行的硅量子位的开发 (2019 年 1 月 24 日 AIST 新闻稿)，用于自旋量子位读出的电流测量电路(2022 年 6 月 14 日 AIST 新闻稿)，提出了一种实现硅量子位高速运行的新型集成结构(2021 年 8 月 5 日 AIST 新闻稿)，了解控制电路晶体管降低计算性能的起源(2023 年 6 月 12 日 AIST 新闻稿)。在晶体管的低温电特性方面，我们取得了世界领先的研究成果，例如阐明了通态性能的原因（在2022年国际会议VLSI研讨会上发表）、发现噪声增加现象（在2020年国际会议VLSI研讨会上发表）。产业技术研究所先进半导体研究中心目前正在研究和开发用于控制量子计算机的晶体管和电路技术。基于对低温半导体物理的基本了解，我们现在已经查明了控制晶体管在低温下开关特性的原因的谜团。
本研究开发是受国家研究开发法人新能源产业技术综合开发机构（NEDO）“量子计算与伊辛计算系统的综合研究开发（2020-2027年）”（JPNP16007）和文部科学省光学与量子飞跃旗舰计划（Q-LEAP）委托的项目“量子计算与伊辛计算系统的综合研究开发”（Q-LEAP）的实现使用硅量子位的量子计算机的大规模集成电路（2018-2027）”（JPMXS0118069228）。
在这项研究中，我们通过测量低至 0015 开尔文（-273135 摄氏度）的极低温下的电气特性来确定控制开关特性的原因，该温度比 4 开尔文（-26915 摄氏度）的工作温度低两个数量级，而 4 开尔文是量子计算机控制电路的工作温度，也是之前研究的重点。在比实际使用温度低得多的温度下评估电气特性会测量实际使用中不需要的特性，因此世界上很少有此类测量的研究实例。实现这一目的导致了该事件的原因的阐明。
晶体管从截止状态到导通状态的开关特性是亚阈值系数的性能参数进行评估（S系数）。一般来说，较低的温度会导致较小的 S 因子值和更好的开关特性（图 1 左）。基于半导体物理学的基本模型假设S因子与温度成正比，并且随着温度的降低而线性减小。另一方面，之前的研究表明，S因子在50开尔文到1开尔文的温度范围内偏离了基本模型所做的预测，但研究人员多次争论其原因，并没有既定的理论。在量子计算机应用中，集成电路在 4 开尔文温度下运行，因此低温下与基本模型的偏差是实际应用中的一个重要问题，需要对此有所了解。
这项研究中最重要的作用是世界上第一个关于低于 1 开尔文的晶体管 S 因子的温度依赖性的实验数据。从这次观察到的数据来看（图1右），在1开尔文以下的温度范围内，S系数再次开始下降。这种重新还原是以前从未观察到的实验结果。
图 1 晶体管特性的温度变化（左）和 S 因子的温度依赖性（右）
*原始论文中的数字被引用或修改。
为了阐明世界上首次通过实验观察到的 S 因子再次降低的原因，我们试图构建一个可以解释这一现象的理论。解释之前在 1 开尔文以上温度下的测量结果的假设是，S 因子的基本模型考虑了半导体界面缺陷的影响，并且界面缺陷产生的自由移动电子主导着开关特性。可移动电子已经提出了一个模型。这一直是传统讨论中的主导假设，并被用来解释与基本模型的差异，基本模型没有考虑界面缺陷，其中 S 因子与温度成正比。然而，当我们使用这个移动电子模型进行理论计算时，我们发现它无法解释S系数再次下降的实验结果（图2中的红线）。因此，相反的想法是电子被界面处的缺陷捕获捕获的电子当我们使用该模型进行理论计算时，我们能够重现与实验结果相同的 S 系数下降（图 2 中的蓝线）。因此，本研究中首次观察到的 S 系数的重新下降可以通过捕获电子模型来解释。此时，当电子捕获开始时，S系数相对于温度变得恒定，并且当电子捕获几乎完全时再次开始减小。这里揭示的发现推翻了之前提出的假设。
图2 S因子理论计算结果（红色：移动电子模型，蓝色：捕获电子模型）
*原始论文中的数字被引用或修改。
上述研究表明，界面缺陷捕获的电子数量决定了开关特性。这是低温半导体物理学的一个新发现，它解决了一个古老的谜团。此外，在电路设计中，这意味着可以通过将过去未考虑到的参数（例如捕获的电子量）引入用于再现晶体管特性的方程中，并使方程更加复杂，来再现开关特性。这使得可以更好地设计在较低温度下工作的集成电路。这一发现不仅在低温半导体物理领域具有学术意义，也有望大大加速量子计算机的研发。
今后，基于这次获得的结果，我们将切实改进再现晶体管特性的方程，并改进控制集成电路的设计技术。通过这项研究和开发，我们的目标是实现大规模集成量子计算机。
已出版的杂志：2023 IEEE 国际电子器件会议，技术论文摘要
论文标题：毫开尔文分析揭示带边态在低温 MOSFET 中的作用
作者：Hiroshi Oka、Hidehiro Asai、Takumi Inaba、Shunsuke Shitakata、Hitoshi Yui、Hiroshi Fuketa、Shota Iizuka、Kimihiko Kato、Takashi Nakayama 和 Takahiro Mori