High-k

半導体デバイス測定に関する翻訳で、High-kという言葉がよく出てくる(例えば、Agilent B1542A 10 ns パルスIV パラメトリック・テスト・ソリューション)。High-kのkは、比誘電率を表す記号としてκ(ギリシャ文字のカッパ)が使われていたことに由来し、「High-k」とは、比誘電率が大きいという意味である。

CPUやメモリなどのLSIには、MOS(Metal-Oxide-Semiconductor、金属酸化膜半導体)構造のトランジスタ(MOSFET、FETはField Effect Transistor(電界効果トランジスタ)の略)がスイッチング素子として使われている。MOSFETのゲートに電圧(電界)を印加するか、しないかによる、ソース-ドレイン間の電流のオン/オフ制御(スイッチ)を利用して、論理回路が形成されている。

近年のLSI CMOSプロセスの微細化、高速化の進展に伴い、ゲート電極の下にあるゲート絶縁膜(酸化膜)も薄くなり、量子トンネル効果によるリーク電流が生じやすくなっている。このリーク電流は、LSIの消費電力の増大、発熱、劣化の原因になる。

一方、高速化のためには、ソース-ドレイン間のオン抵抗が低い(電流が流れやすい)ことが必要であり、そのためにはソース-ドレイン間のチャネルのキャリア(電流の運ぶ担い手である電子または正孔)の量を増やす必要がある。このキャリアの量は、ゲートの静電容量×ゲート電圧に比例する。消費電力を増やさないためにゲート電圧は上げられないので、よく知られた静電容量に関する式

C=ε0×k×S/d(C:静電容量、ε0:真空の誘電率、k:絶縁膜の比誘電率、S:電極の面積、d:絶縁膜の厚さ)

から、ゲート絶縁膜を薄くして静電容量を稼ぐのであるが、上記のリーク電流の問題が生じる。

この問題を解決するために、比誘電率の大きな材料をゲート絶縁膜として使用して、リーク電流が生じないようにゲート絶縁膜を厚くしも、十分な電流駆動力のある静電容量が得られるようにしたものが、High-kゲート絶縁膜と呼ばれるテクノロジーである。

MOSFETについては、以下を参照

山形大学大学院理工学研究科廣瀬文研究室 > 半導体デバイス教科書プロジェクト > 第6章 MOSFET

ゲート絶縁膜については、以下を参照。

高誘電率ゲート絶縁膜の作製と評価

IGBT

半導体デバイス測定に関する翻訳で、IGBTという言葉が出てくる(例えば、Keysight B1505Aによる1500 A/10 kV IGBTの特性評価)。IGBTは、Insulated Gate Bipolar Transistor(絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ)の略である。

IGBTは、ベース電流を制御してコレクタ-エミッタ間の主電流を制御するバイポーラ・トランジスタのベース部分がMOSFETのゲートに置き換わったようなもので、MOSFETの高速スイッチング性能とバイポーラ・トランジスタの高耐圧、低オン抵抗性能を併せ持っている。このような特徴から、高効率、省電力が求められる比較的大電力のパワー制御機器(冷蔵庫、エアコン、電気自動車、電車などのインバータ制御)で用いられている。

IGBTについては、以下を参照。

トランジスタの構造と基本特性(2)=MOSFETとIGBT=

こうして使おうパワー・デバイス 第3回 IGBTの原理と使い方

return loss(リターン・ロス)

高周波測定に関する翻訳で、return loss(リターン・ロス)という言葉がよく出てくる(例えば、FieldFoxベクトル・ネットワーク・アナライザのp10)。

伝送線路に信号を流すと、伝送線路の特性インピーダンスと負荷インピーダンスが同じ場合は、すべての入射波が負荷に吸収されて反射波が生じない。しかし、異なる場合はすべての入射波が負荷に吸収されずに反射波が生じる。この入射波の電圧と反射波の電圧は、方向性結合器を用いて容易に測定でき、これらの比(反射波の電圧/入射波の電圧)は反射係数と呼ばれる。リターン・ロスは、この反射係数を対数(デシベル)で表したもので、以下で定義される。

リターン・ロス(dB) = -20 x LOG(反射係数)

反射係数は、1以下(入射波の電圧≧反射波の電圧)なので、リターン・ロスは常に正の値で、無限大(反射波がない、特性インピーダンスの負荷)から0 dB(全反射、オープンまたはショート)まで変化する。

また、VSWR(電圧定在波比)とは、

リターン・ロス(dB) = 20 × LOG((VSWR + 1) / (VSWR – 1))

の関係にある。

リターン・ロスについては、以下を参照

ベクトル・ネットワーク解析の基礎