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基于新型双面工艺的互补型垂直场效应晶体管
Complementary Vertical FETs (CVFETs) Enabled by a Novel Dual-Side Process
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 互补垂直沟道场效应晶体管逆变器 双端工艺 NMOS PMOS 电压传输特性 |
语言:
中文摘要
我们展示了采用创新的双侧工艺（DSP）实现的单片集成互补垂直沟道场效应晶体管（CVFET）反相器。NMOS和PMOS均实现了良好的电学特性：顶部NMOS的跨导为$69~\mu$ S/$\mu$m，导通电流$I_{on}$为$18~\mu$ A/$\mu$m（@栅源电压$V_{GS}$ - 阈值电压$V_{T} = 0.45$ V，电源电压$V_{DD}=0.65$ V），导通电流与关断电流之比$I_{on}/I_{off} = 3.1\times 10^{6}$，亚阈值摆幅$SS = 69$ mV/dec，漏致势垒降低效应$DIBL = 12$ mV/V；底部PMOS的跨导为$592~\mu$ S/$\mu$m，导通电流$I_{on}$为$136~\mu$ A/$\mu$m（@栅源电压$V_{GS}$ - 阈值电压$V_{T} = -0.45$ V，电源电压$V_{DD}= -0.65$ V），导通电流与关断电流之比$I_{on}/I_{off} = 5.4\times 10^{6}$，亚阈值摆幅$SS = 72$ mV/dec，漏致势垒降低效应$DIBL = 18$ mV/V。功能正常的CVFET反相器在高达1.2 V的电压下呈现出良好平衡的电压传输特性（VTC），最大增益为13 V/V。此外，CVFET还采用了晶体硅垂直沟道和共自对准高$\kappa$金属栅极。CVFET结构及其集成方案是先进逻辑技术应用的有力候选者。
English Abstract
We demonstrated the monolithically integrated complementary vertical-channel field-effect-transistor (CVFET) inverters with an innovative dual-side process (DSP). Good electrical characteristics for both NMOS and PMOS were achieved: transconductance of 69~ S/ m, I_ on = 18~ A/ m (@ VGS – V_ T =0.45 V, V_ DD=0.65 V), Ion/ I_ off = 3.1 10^6 , SS =69 mV/dec and DIBL =12 mV/V for the top NMOS, and transconductance of 592~ S/ m, I_ on = 136~ A/ m (@ VGS – V_ T = -0.45 V, V_ DD= -0.65 V), Ion/ I_ off = 5.4 10^6 , SS =72 mV/dec and DIBL=18 mV/V for the bottom PMOS. The functional CVFET inverters show well-balanced voltage transfer characteristics (VTC) up to 1.2 V with a maximum gain of 13 V/V. Furthermore, the CVFETs also featured with crystal-Si vertical channels and common self-aligned high- metal gates. The CVFET structure and its integration scheme are strong candidates for the applications of advanced logic technologies.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项互补垂直场效应晶体管（CVFET）技术虽然属于先进半导体工艺领域，但对我们的核心产品线具有重要的潜在战略价值。
该技术通过创新的双面工艺实现了NMOS和PMOS的单片集成，展现出优异的电气特性：亚阈值摆幅接近理想值（69-72 mV/dec），开关电流比达到10^6量级，漏极诱导势垒降低效应控制良好。这些特性直接关联到功率器件的关键性能指标——更低的开关损耗、更快的响应速度和更高的能效比。对于阳光电源的光伏逆变器和储能变流器而言，功率半导体是决定系统效率和功率密度的核心部件。
具体应用价值体现在三个层面：首先，CVFET的垂直沟道结构能显著提升芯片集成密度，这对开发高功率密度的逆变器控制芯片具有吸引力，可帮助我们进一步缩小产品体积、降低系统成本。其次，该技术展示的低工作电压（0.65V）和优异的开关特性，预示着在数字控制芯片和信号处理单元中的应用潜力，可提升我们产品的智能化水平和响应速度。第三，晶体硅垂直沟道和高介电常数金属栅的组合，为未来开发耐高温、高可靠性的工业级控制芯片提供了技术路径。
然而需要客观认识到，该技术目前仍处于实验室验证阶段，距离大规模量产和在高压大电流场景的应用尚有距离。对阳光电源而言，建议持续跟踪该技术的产业化进程，评估其在低压控制电路和辅助电源管理芯片中的先期应用可能性，同时关注其向功率器件领域延伸的技术演进路径，为未来的产品代际升级储备技术洞察。