基于Si p-隧道场效应晶体管和ITO n-场效应晶体管的低功耗三维CMOS反相器演示

Demonstration of Low-Power Three-Dimensional CMOS Inverters Based on Si p-Tunnel FET and ITO n-FET

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/EDL.2025.10836929

作者	Anyu Tong · Kaifeng Wang · Qianlan Hu · Zhiyu Wang · Xiong Xiong · Shiwei Yan
期刊	IEEE Electron Device Letters
出版日期	2025年1月
技术分类	拓扑与电路
相关度评分	★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词	异质3D集成 CMOS反相器环形振荡器低功耗低传播延迟

语言:

中文摘要

本研究基于垂直堆叠的前道制程（FEOL）p 型硅隧穿场效应晶体管（TFET）与后道制程（BEOL）n 型铟锡氧化物（ITO）场效应晶体管的异质三维集成，展示了低功耗互补金属氧化物半导体（CMOS）反相器和 5 级环形振荡器（RO）。由于 p 型和 n 型场效应晶体管的关态电流均较低，我们的 ITO/TFET 异质三维集成 CMOS 反相器在 ${\text{V}}_{\text {dd}}=1$ V 时静态功耗低至 4.83 pW，在 ${\text{V}}_{\text {dd}}=2.5$ V 时电压增益高达 522 V/V，这些性能在已报道的非晶氧化物半导体（AOS）CMOS 器件中处于领先水平。同时，我们还验证了基于 ITO/TFET 异质三维集成 CMOS 反相器的逻辑电路（包括 4T 静态随机存取存储器（SRAM）单元和 5 级 RO）的功能。我们的 5 级 RO 每级传播延迟低至 30 ns，这也是 AOS 和 TFET 相关 CMOS 器件中的最低值。

English Abstract

In this work, low-power CMOS inverter and 5-stage ring oscillator (RO) are demonstrated based on heterogeneous 3D integration of vertically stacked FEOL p-type silicon tunnel FET (TFET) and BEOL n-type indium-tin-oxide (ITO) FET. Owing to the low off-state current of both p-type and n-type FET, our ITO/TFET heterogeneous 3D integrated CMOS inverters show a low static power of 4.83 pW at V_ dd=1 V and a high voltage gain of 522 V/V at V_ dd=2.5 V, among the best values in reported amorphous oxide semiconductors (AOS) CMOS devices. Meanwhile, we also verified the functionality of logic circuits including 4T-SRAM cell and 5-stage RO based on our ITO/TFET heterogeneous 3D integrated CMOS inverters, and our 5-stage RO achieved a low propagation delay of 30 ns/stage, which is also the lowest value among AOS and TFET related CMOS devices.

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，这项基于三维异质集成的超低功耗CMOS技术展现出值得关注的应用潜力。该技术通过垂直堆叠硅基p型隧穿晶体管与ITO n型晶体管，实现了4.83 pW的极低静态功耗和522 V/V的高电压增益，这些特性与我们在光伏逆变器和储能系统中对功率控制芯片的核心需求高度契合。

在光伏逆变器领域，该技术的超低待机功耗特性可显著降低系统级能量损耗。当前我们的组串式和集中式逆变器在夜间或低辐照条件下仍存在控制电路的静态功耗问题，而这种新型CMOS器件有望将待机损耗降低2-3个数量级，直接提升系统全生命周期的发电效率。对于大型光伏电站，这意味着可观的长期收益提升。

在储能系统的电池管理系统(BMS)中，该技术的低功耗特性尤为关键。我们的储能产品需要持续监测数千个电芯的状态，传统芯片的累积功耗会影响系统效率。30 ns/stage的传播延迟也满足实时控制需求，可支持更精细的SOC估算和均衡控制。

然而，技术成熟度仍是主要挑战。论文展示的是实验室级器件，距离车规级或工业级应用还需解决工艺稳定性、温度适应性(-40°C至85°C)、长期可靠性等问题。ITO材料在高温高湿环境下的稳定性需要充分验证。建议我们的中央研究院跟踪该技术路线，评估在下一代数字控制芯片中的集成可能性，特别是在对功耗极度敏感的分布式储能和户用光伏场景中的应用前景。