基于垂直堆叠GAA-SOI FinFET的互补场效应晶体管(CFET)在低功耗与射频应用中的直流、准静态电容电压与交流性能分析

本文推荐一种新型垂直堆叠互补场效应晶体管(CFET)结构，该结构整合n型绝缘体上硅鳍式场效应晶体管(SOI-FinFET)与p型全环绕栅极(GAA)纳米片晶体管，通过共享栅极与中间氧化层设计显著降低寄生电容。研究通过Silvaco TCAD仿真验证其在开态电流(Ion)、关态电流(Ioff)、阈值电压(Vth)、亚阈值摆幅(SS)及截止频率等方面的优越性能，证实其在高性能、低功耗集成电路领域的应用潜力。

　　

Highlight

本研究的核心创新点在于提出一种具有优异静电控制能力的新型器件架构，通过协同优化SOI-FinFET与GAA晶体管的堆叠结构，实现了对短沟道效应(SCE)的有效抑制，为下一代低功耗纳米电子器件提供了关键技术路径。

Device structure and model validation

本节详细讨论了器件的三维结构与模型验证流程。该互补场效应晶体管(CFET)采用垂直堆叠方式整合n型SOI-FinFET与p型全环绕栅极(GAA)纳米片晶体管，二者共享同一栅极结构。这种紧凑型布局显著减少了器件占地面积，同时保持了完整的CMOS功能。通过Silvaco TCAD工具进行物理模型校准，确保了仿真结果与实验数据的一致性，为后续性能分析奠定了可靠基础。

Results and discussion

本研究从直流特性、准静态电容电压(QSCV)特性和交流/射频特性三个维度系统评估了器件性能。直流分析显示，新型CFET结构相较于传统FinFET和GAA器件表现出更高的开态电流(I_ON)和更低的关态电流(I_OFF)，亚阈值摆幅(SS)降低至接近理想值60mV/dec。QSCV曲线揭示中间氧化层的引入使栅-源/漏电容(C_gs/C_gd)显著降低，有效改善了高频响应特性。射频性能方面，跨导(g_m)和截止频率(f_T)的提升证实该结构在高速应用中的优势。

Conclusion

通过对比研究带与不带氧化层隔离的CFET结构，证明垂直堆叠配置与氧化层协同设计可同时优化静电控制与寄生电容。该结构在维持高集成度的前提下，实现了亚阈值特性、开关比和频率响应的全面提升，为突破传统CMOS技术缩放极限提供了新思路。