[特集]KAISTが既存の通信素子の欠点を克服した「3次元積層型化合物半導体素子」の制作に成功

半導体 特集 研究開発

[特集]KAISTが既存の通信素子の欠点を克服した「3次元積層型化合物半導体素子」の制作に成功

KAIST(韓国科学技術院)は電気電子工学キム・サンヒョン教授の研究チームがモノリシック3次元集積のメリットを最大限にし、既存の通信素子の欠点を克服する化合物半導体素子の集積技術を開発したと14日に明らかにした。

モノリシック3次元集積技術は、下部素子工程の後、上部の薄膜層を形成し、上部素子工程を順次行うことによって、上下素子間の整列度を最大化することができる技術で究極の3次元集積技術と呼ばれる。

半導体素子は、第4次産業革命の特徴である超接続の実装のための重要な通信材料および部品として注目されている。

特に通信信号、両者の信号は、アナログ形式の信号であり、信号伝達の過程で信号の大きさが弱くなったり、ノイズが生じたり、信号の歪みが生じたりすることもある。したがって、これらの信号を送受信するとき、高速信号の増幅が必要で、これらの増幅素子では、超高速、高出力、低消費電力、低ノイズなどの特性が非常に重要である。また、通信技術の発展に伴い、これを構成するシステムは、ますます複雑になり高集積素子の製作技術が非常に重要である。

通信素子は、一般的に2つの方法を実装する。シリコン(Si)を使用し、集積度の高いSi CMOSを用いて増幅素子を実装する方法と、周期表III族元素とV族元素が化合物を形成している半導体で電荷輸送特性と光特性が非常に優れた素材であるIII-V族化合物半導体を増幅素子として製作し、他の素子をSi CMOSで製作してパッケージングする方法がある。

しかし、それぞれの方式は、欠点が存在する。従来のシリコン(Si)技術は、物性上の制限により遮断周波数特性などの通信素子に重要な素子性能の向上が難しく、基板カップリングノイズなどの複雑な信号の干渉によるノイズの増加の問題が存在する。一方、III-V族化合物半導体技術は、素子自体のノイズ特性は優れているが、他の部品との集積/パッケージング工程が複雑であり、このようなパッケージング工程により、信号の損失が発生する問題が存在する。

研究チームは、このような問題を解決するために増幅素子以外の素子とデジタル回路で良好なパフォーマンスを出すことができるSi CMOS基板上にアナログ信号増幅性能が非常に優れたIII-V族化合物半導体HEMT(High-Electron Mobility Transistor)を3次元集積してSi CMOSとIII-V HEMTの利点を最大限にする工程と素子構造を提示した。 3階に素子を積み重ねていくことで、同じ基板上に集積することができる方式である。これと同時に、基板の信号の干渉によるノイズを除去することができることを証明した。

研究チームは、下部Si CMOSの性能低下を防ぐために300oC以下で上部III-V素子を集積するウェーハ接合などの超低温工程を利用して上部素子集積後に下部Si CMOSの性能を維持することができた。

また、高性能上部III-V族素子製作のためにInGaAs / InAs / InGaAsの量子井戸構造を導入して、高電子輸送特性を実現しており、100ナノメートル(nm)ノード工程レベルでも世界最高水準のカットオフ周波数特性を達成した。これは10ナノメートル(nm)以下級の最先端プロセスを使用していなくても、それ以上の優れた性能を出すことができる融合技術で、今後、既存の他の形態の鋳造ビジネス方式の導入の可能性を証明したとすることができる。

加えて、研究者は、これらの3次元集積形で素子を製作することにより、従来SI CMOSで存在している基板の干渉によるノイズを解決できることを実験で初めて証明した。

キム・サンヒョン教授は「デジタル回路と、さまざまな受動素子の製作に最適化されたSi CMOS基板上にアンプなどの能動素子の特性が、現存する物質よりも優れたIII-V族化合物半導体素子を同時に集積する可能性を最初に証明した研究であり、今後通信素子などへの応用が可能と考えている」とし「今回の技術は、今後両者キュービックの解読回路にも応用することができ、その拡張性が非常に大きい技術である。様々な分野で活用できるように、後続の研究に力を尽くす」と述べた。

VLSI技術シンポジウムは、国際電子素子学会(International Electron Device Meetings、IEDM)に加え、大学の論文の採択率が25%にならない著名な半導体素子の分野で最高の権威学会だ。

KAIST電気電子工学チョン・ジェヨン博士課程が第1著者として主導して韓国のナノ技術院キム・ジョンミン博士は、光州科学技術院ジャンジェヒョン教授の研究チームとのコラボレーションで行われた今回の研究では、半導体のオリンピックと呼ばれる「VLSI技術シンポジウム(Symposium on VLSI Technology) 」で発表された。

論文名はHigh-performance InGaAs-On-Insulator HEMTs on Si CMOS for Substrate Coupling Noise-free Monolithic 3D Mixed-Signal ICである。


 
 
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