概要

半導体デバイスの研究には電子工学だけではなく機械工学、化学、材料工学、電気化学など多岐にわたる分野の知見が必要です。本研究室では学際的に研究を遂行することで半導体デバイスのさらなる高性能化と応用分野の拡大を目指しています。

具体的には「新材料および新構造による半導体デバイスの高性能化」、「三次元集積化技術を用いたシステムインテグレーション」、「FETバイオセンサの高感度化」などの研究に取り組んでおり、シミュレーションによる検証から実際の素子作製による実証まで行っています。

新材料による半導体デバイスの高性能化

トランジスタにひずみを導入することで駆動電流を向上させることができます。一方で、温めると体積が収縮する負の熱膨張を示す材料が存在することが知られています。本研究室では負の熱膨張材料を用いた新しいひずみ導入技術を開発しています。

関連する研究成果

1. H. Kino, T. Fukushima, and T. Tanaka, “Enhancement of carrier mobility in metal-oxide semiconductor field-effect transistors using negative thermal expansion gate electrodes,” Appl. Phys. Express, vol. 15, no. 11, p. 111004, 2022.
   DOI: 10.35848/1882-0786/ac9d24
2. H. Kino, T. Fukushima, and T. Tanaka, “Negative-Thermal-Expansion Gate Electrode to Introduce Tensile Strain into the Channel of MOSFETs for Mobility Enhancement,” 4th Electron Devices Technol. Manuf. Conf. EDTM 2023 - Proc., pp. 594–596, Mar. 2023.
   DOI: 10.1109/EDTM55494.2023.10102952

新構造メモリの開発と応用

フラッシュメモリは大容量化が容易であり、DRAMやSRAMとは異なり電源を切っても情報の保持が可能であることから、ストレージデバイスとして広く普及しています。本研究室ではフラッシュメモリにトンネルFETの素子構造を適用した新しいメモリ素子の研究も行っており、フラッシュメモリの駆動電圧の低電圧化やニューロモフィックデバイスなど新しいアプリケーションへの展開を目指しています。

関連する研究成果

1. H. Kino, T. Fukushima, and T. Tanaka, “Generation of STDP with non-volatile tunnel-FET memory for large-scale and low-power spiking neural networks,” IEEE J. Electron Devices Soc., vol. 8, pp. 1266–1271, 2020.
   DOI: 10.1109/JEDS.2020.3025336
2. H. Kino, T. Fukushima, and T. Tanaka, “Tunnel field-effect transistor charge-trapping memory with steep subthreshold slope and large memory window,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 57, no. 4, 2018.
   DOI: 10.7567/JJAP.57.04FE07

三次元集積化技術を用いたシステムインテグレーション

集積回路の性能は集積回路を構成する半導体素子の微細化により素子の集積度を向上させることで向上してきました。しかしながら素子の微細化は年々難化の一途をたどっています。そこで、集積回路を縦方向に積層することで集積度を向上させる三次元集積化技術が世界中で注目されています。本研究室では三次元集積化に関する要素技術に関する研究を遂行しながら、三次元集積化による集積回路の性能向上の実証を行っています。

関連する研究成果

1. H. Kino, T. Fukusima, and T. Tanaka, “Investigation of TSV Liner Interface with Multiwell Structured TSV to Suppress Noise Propagation in Mixed-Signal 3D-IC,” IEEE J. Electron Devices Soc., vol. 7, pp. 1225–1231, 2019.
   DOI: 10.1109/JEDS.2019.2936180
2. T. Tanaka, H. Kino, R. Nakazawa, K. Kiyoyama, H. Ohno, and M. Koyanagi, “Ultrafast Parallel Reconfiguration of 3D-Asacked Reconfigurable Spin Logic Chip with On-chip SPRAM (Spin-transfer torque RAM),” 2012 Symposia on VLSI Technology and Circuits, pp. 169-170, 2012.
   DOI: 10.1109/VLSIT.2012.6242515

FETバイオセンサの高感度化

FETバイオセンサはMOSFETのゲート電極の代わりに、ゲート絶縁膜上に分子識別素子を修飾した構造で、分子識別素子に吸着したターゲット分子の量を電気信号として取得できます。FETバイオセンサはMOSFETと同様の構造であるため集積化に優れるなどの利点があります。pHセンサとしてすでに実用化されており、グルコ－スセンサ、ウイルスセンサなど様々な応用が期待されています。

本研究室では従来のMOSFETではなくトンネルFET構造を用いることでセンサの高感度化を目指しています。