成果報告書詳細
管理番号20160000000712
タイトル平成26年度ー平成27年度成果報告書 エネルギー・環境新技術先導プログラム ULPセンサモジュールの研究開発
公開日2016/12/23
報告書年度2014 - 2015
委託先名株式会社東芝 公立大学法人兵庫県立大学 学校法人立命館 大日本印刷株式会社 国立研究開発法人産業技術総合研究所 国立大学法人神戸大学 国立大学法人東京工業大学 国立大学法人豊橋技術科学大学 国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P14004
部署名イノベーション推進部
和文要約ULPセンサモジュールの研究開発

2030年のIoT社会においては、実空間とサイバー空間で相互連携しているデータ駆動型の超スマートIoT社会の実現が予想されている。IoT社会において基盤技術となる「超低消費電力なデータ収集システム」が広く浸透するには、収集された大量データが、蓄積、解析され、セキュリティを担保しつつ適時適切に実社会にフィードバックされる仕組みが構築されることが必要である。未来へのIoT基盤技術の確立は、世界規模で表面化する社会課題(少子高齢化、環境問題、都市問題、交通問題など)に解を与える技術の一つとなる。未来のIoT基盤技術の革新的共通基盤技術の一つとして、「ULPセンサモジュールの研究開発」は先駆的な役割を担っており、「ULP CMOS混載MEMS技術」、「ULP新規回路技術」、「ULP新規デバイス技術」が三位一体となって研究開発を行った。
ULP CMOS混載MEMS技術
CMOS混載MEMSセンサ用のpoly-SiGe膜の開発を行った。CVD poly-SiGe膜により、Ge濃度60-70%の範囲で低応力、低抵抗値の条件を見出した。Poly-SiGe膜を用いて加速度センサを試作したところ、Siに対して約2.5倍の感度でありpoly-SiGe膜の優位性が示された。
IoT時代に必要なセンサ群の調査とベンチマークを行った。その結果、加速度センサ、温湿度センサの需要が大きく、又、MEMSセンサのマルチコンボ化が必要であることが判明した。加速度センサに関してCMOS混載化と新規アナログフロントエンド(AFE)回路により、現行品よりも1/35の低消費電力化が可能であることを明らかにした。
ULP新規回路技術
IoT時代のセンサネットワーク応用における性能要件を応用カテゴリー毎に調査し、その活性化率を導出するとともに、デジタルシステムにおける各プロセス技術の消費電力性能を予測した。また、RF回路のノーマリーオフ化により大幅な低消費電力化が可能であることを見出した。更に、センサ・AFEを共に解析することで、統一的に消費電力の最適点を探すための設計手法を確立した。
ULP新規デバイス技術
MOSFETの限界を超えて動作エネルギー効率を改善するために、急峻オン/オフトランジスタ(SSFET)であるトンネルFET(TFET)及び負性容量FET(NCFET)の開発を進めた。MOSFETより現状劣っているTFETのオン電流を1桁改善する要素技術を開発、さらに負性容量を付加することで性能が改善する見通しを得た。
英文要約Research and Development and of Ultra-low Power Sensor Modules

In Internet of Things (IoT) era of the 2030s, it is expected that the data-driven ultra-smart IoT society is realized to be cooperated mutually between the real space and cyber space. In IoT society, in order to widely penetrate the fundamental technology "ultra-low power (ULP) consumption technology for the data collection system", collected large amounts of data is accumulated and analyzed, and, it is necessary to construct a system that is timely and appropriate feedback to the real world while ensuring security. The establishment of the IoT fundamental technology for the future will be one of the technologies that provide the solution to the social issues (aging population, environmental issues, urban problems, traffic problems, etc.) that surfaced in the world scale. As one of the innovative common fundamental technology for the future IoT infrastructure technology, "Research and Development of ULP Sensor Modules" plays a pioneering role. "MEMS on CMOS technology for ULP", "Next-gen Circuit technology for ULP", "Next-gen Device technology for ULP" was carried out the research and the development in the framework of the Trinity.
MEMS on CMOS technology for ULP
We have developed the poly-SiGe film for MEMS on CMOS technology. The poly-SiGe film had low stress and low resistivity between the Ge concentrations of 60 % and 70 %. When the acceleration sensor was fabricated using the poly-SiGe film, the sensitivity of poly-SiGe was more than about 2.5 times compared to that of Si. With the respect to the acceleration sensor, we showed advantages of the poly-SiGe film.
We have conducted the survey and the benchmarking of required sensors for IoT era. As a result, we have found that the demand for the acceleration sensor, the temperature sensor, and the humidity sensor is greater. In addition, we have found that multiple MEMS combo sensors are required. With the respect to the acceleration sensor, by the effect of MEMS on CMOS technology and the new Analog Front End (AFE) circuit, we revealed that it is possible to reduce the power consumption 1/35 as compared to the current sensor.
Next-gen Circuit technology for ULP
We have investigated the performance requirements for each application category in the sensor network application of IoT era. We have derived the activation ratio of each application category, and predicted the power performance of each process technology in digital systems. We have found that it is possible to significantly reduce the power consumption by the normally-off method of the RF circuit. In addition, by analyzing both the sensor and the AFE circuit, we have established the design technique for finding the optimum point of the power consumption in the unified manner.
Next-gen Device technology for ULP
In order to improve the operating energy efficiency beyond the limits of the MOSFET, we have developed the tunnel FET (TFET) and the negative capacitance FET (NCFET) that is the steep-slope transistor (SSFET). We have developed the element technique for improving a digit on-current of the TFET that is inferior to that of the MOSFET at present performance. In addition, we got the prospect that the performance of TFET is improved by the addition of the negative capacitance.
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