リーク電流

リーク電流について

リーク電流は、電子回路において特定の経路から意図せず漏れ出る電流を指します。この現象は、絶縁体の存在にもかかわらず、微細な半導体回路内で特に問題となります。そのため、リーク電流は半導体技術において重要なトピックとなっています。

半導体におけるリーク電流の発生

従来の技術レベルでは、結晶構造や絶縁膜における欠陥が原因で不要な電流が発生していました。これが過去の主要なリーク電流の要因です。現在、リーク電流の主な原因は量子力学のトンネル効果にあります。名目上は絶縁体であっても、微視的な世界においては電流が流れる可能性があるのです。

量子論的なトンネル効果により、導体内の自由電子は微小な範囲で広がりを持つため、周囲の絶縁体を越えて漏れ出すことがあります。この現象は、非常に薄い絶縁体ではより顕著に発生します。最近の半導体素子の微細化が進むにつれて、電子回路内でのリーク電流の量が増加し、消費電力や発熱の問題が顕著になっています。

リーク電流の増加とその影響

2005年以降、半導体のプロセスルールが100nm以下に微細化されると、消費される電力の半分以上がリーク電流として消費されるようになりました。この状況は、誤動作や発熱などを引き起こし、集積回路の進展を妨げる要因となっています。最近の半導体技術の焦点は、このリーク電流を抑えることにシフトしています。

リーク電流の分類

現代の半導体素子では、リーク電流は主に以下の3種類に分類されます。

1. ゲート・リーク電流

微細化が進む中、ゲート絶縁膜が極端に薄くなることで、シリコン基板からゲートに向かって電流が流れる現象が発生します。これをゲート・リーク電流（I_gate）と呼びます。プロセスルールの微細化が進むと共に顕著になり、温度依存性は比較的小さく、高誘電率材料を用いることでこの電流を抑える方法が研究されています。

2. サブスレッショルド・リーク電流

日本では、デジタル半導体の消費電力を抑えつつ、高速でスイッチングを行うためにしきい値電圧（V_th）を下げる手法が使われています。しかし、しきい値電圧が1.5Vから1.0V以下に低下すると、オフ状態でも流れる不要なサブスレッショルド・リーク電流（I_subthreshold）が増加します。温度が上昇するとこの値も増大するため、パワー・ゲーティング技術や異なるしきい値電圧の採用によってその抑制が試みられています。

3. 接合リーク電流

接合リーク電流は、ソースとシリコン基板、またはドレインとシリコン基板間で生じるものです。このリーク電流は不純物濃度の不適正や格子欠陥によって生じ、プロセスルールの微細化による温度依存性は比較的低いとされています。現在はかなり管理されており、大きな問題にはなっていません。

まとめ

リーク電流は、微細な半導体素子において不可避の現象であり、特に近年の技術進展による影響が見られます。これに対する対策が各種の半導体技術の中で極めて重要な要素となっていることは明白です。

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