次々世代のトランジスタを狙う非シリコン材料（2）〜ゲルマニウムの復活：福田昭のデバイス通信（34）（2/2 ページ）

前回は、シリコン（Si）を代替する半導体材料の候補を紹介した。今回はゲルマニウム（Ge）をチャンネル材料とするMOSFETの研究開発の歴史と現状を紹介する。歴史上、初めてのトランジスタの材料はシリコンではなく、ゲルマニウムだった。

[福田昭，EE Times Japan]

Geトランジスタ研究の現状

　ゲルマニウム（Ge）をシリコン集積回路のすべて、あるいは一部のトランジスタで採用するとなると、まず問題となるのがGeとSiの格子不整合（格子定数の違い）である。Siウェハー上に直接、Geの薄膜を成長させると格子定数の違いによってGeに応力が加わり、薄膜が歪む。歪みは結晶の欠陥を引き起こし、トランジスタの動作に悪影響を与える。

　Si結晶の格子定数は0.5431nm、Ge結晶の格子定数は0.56754nmなので、両者の間には約4.5％の違いがある。この違いはかなり大きい。この違いを緩和するために、SiウェハーとGe薄膜層の間にバッファー層を入れることがある。代表的なバッファー層は絶縁体層である。

　格子定数の違いを緩和する、もう1つの方法は、SiGe混晶を使うことである。Geの組成比をxとすると、SiGe混晶の格子定数は「0.5431nm＋x×0.02nm＋xの2乗×0.0027nm」となる。例えばxを0.3と仮定すると、格子定数は0.5493nmとなり、格子不整合は0.14％とわずかで済む。

　将来の半導体トランジスタを狙ったGeトランジスタの研究は、p型MOSFETを対象とした成果が多い。これはSiのキャリア移動度が電子で約500cm2/Vs、正孔で約100cm2/Vsと正孔が低く、p型シリコンMOSFETの性能が比較的低いことによる。言い換えるとp型MOSFETであれば、GeがSiを置き換えやすい。

　試作されたGeのp型トランジスタのキャリア移動度（正孔移動度）は、Si基板あるいは絶縁層基板でSi p型トランジスタの2倍〜4倍くらいの値が得られている（構造が特殊なナノワイヤを除く）。バルクでは5.1倍の違いがあるので、さらに高い移動度を実現する可能性は残る。

またこれからは、電流駆動能力を示す相互コンダクタンス（Gm）や高周波特性（fT）などの評価結果が公表されていくだろう。今後の研究成果を期待したい。

SiGeトランジスタとGeトランジスタの最近の研究成果。IEDMとVLSIシンポジウムの論文資料からまとめた （クリックで拡大）

（次回に続く）