北大が半導体の消費電力を10分の1以下に低減可能な技術の開発に成功

2012-06-13 17:53
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北海道大学と科学技術振興機構は6月13日、現在の半導体集積回路に比べて回路全体で消費電力を10分の1以下に低減が可能な低消費電力トランジスターの開発に成功したと発表した。デジタル家電の待機電力を大幅カットすることが可能になり、モバイル機器電池の消耗を半分に低減する「夢の省エネデバイスへ道」が開けた。


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パソコンのLSIやマイクロプロセッサなどで使われている半導体集積回路は、基礎となるトランジスタ-を小さくし、集積度を高めることで、高性能化、低消費電力化、低コスト化を実現してきた。

しかし近年は低消費電力化が頭打ちになり、半導体回路内の消費電力が大幅に増えている。
低消費電力化の妨げになっているのは、スイッチに利用しない電流が漏れ出すリーク電流と、トランジスターのサブスレッショルド係数に理論的な限界(60mV/桁)があるためだ。これまでのトランジスターのサブスレッショルド係数は60~100mV/桁だった。

研究グループは、トランジスター構造を縦型にし、ラップ状にゲート電極を作ることで、電流のリークを抑えた。さらに、ナノメートルスケールの結晶成長技術によってシリコンとインジウムヒ素(InAs)ナノワイヤ界面を形成し、その界面で生じる電子のトンネル効果による電流をスイッチ素子に使うことで、サブスレッショルド係数の理論限界60mV/桁を大幅に超える21mV/桁を初めて達成した

この要素技術を応用すると、現在の半導体集積回路に比べ、回路全体の消費電力を10分の1以下に低減できる。また、あらゆるデジタル家電の待機電力やモバイル機器の電池の消費を大幅にカットすることができる。

北海道大学・量子集積エレクトロニクス研究センターで研究が行われ、その要素技術は、すでに日本を含む世界5ヵ国・地域に特許出願されている。

研究グループの今後の展開は、下記の通り。

<今後の展開>
現在のIT社会を支えているパソコンやスマートフォン、デジタル家電に使用される半導体集積回路は数多くの製品に搭載されており、いずれも半導体トランジスターからなる集積回路を用いているため、ジュール熱によって多大なエネルギー損失を生じます。この消費電力の削減はあらゆる電子機器の大きな問題であり、トランジスター開発は消費電力削減との戦いといってもよい状況です。
本研究で初めて開発された低電力スイッチ素子は、従来のトランジスターが抱えていた発熱によるエネルギーロスの問題を根本的に解決しうるものです。集積回路を搭載した製品では、デジタル家電の待機電力を大幅にカットすることができ、また、モバイル機器の電池の消耗を半分にすることが期待できます。環境に配慮した省エネルギーな電子技術開発への貢献が期待できます。

トランジスターの理論限界を突破 次世代省エネデバイス実現へより引用