Transistores VTFET (Vertical Transport FET): qué son y para qué sirven

Desde los transistores MOSFET, la industria de semiconductores y chips no ha parado de innovar y generar nuevas estructuras y tipos de transistores para conseguir mejores prestaciones. Una de estas novedades son los llamados transistores VTFET. Aquí te mostramos qué son y qué ventajas pueden aportar frente a los actuales GAAFET o los FinFET…

Tabla comparativa de transistores

Tecnología	Corriente	Control de puerta	Densidad	Nodo compatible
MOSFET (Planar)	Horizontal	Lateral	Baja	> 28nm
FinFET (3D)	Horizontal	Multilateral	Media	7nm – 16nm
GAA (3D)	Horizontal	Envolvente (wrap)	Alta	≤ 3nm
VTFET	Vertical	Envolvente 3D	Muy alta	≤ 2nm y más allá

¿Qué es un VTFET?

El concepto de transistores con transporte vertical no es completamente nuevo (hay antecedentes en V-MOS o V-GROOVE FETs), pero el VTFET moderno fue co-desarrollado por IBM y Samsung Electronics, y anunciado oficialmente en diciembre de 2021 como parte de una colaboración de investigación. Este diseño fue presentado como parte de su estrategia para superar los desafíos del escalado sub-2nm y reducir el consumo energético en un 85% comparado con el FinFET tradicional.

El continuo escalado de los transistores MOSFET ha sido uno de los pilares fundamentales de la Ley de Moore durante las últimas décadas. Sin embargo, conforme los nodos de fabricación se acercan a los límites físicos y cuánticos, la arquitectura planar tradicional y sus derivados (como FinFET o GAA-FET) enfrentan cuellos de botella críticos en términos de densidad, consumo energético y rendimiento. El VTFET (Vertical Transport Field-Effect Transistor) es la propuesta dada como solución que redefine la geometría del transistor: el transporte de corriente se realiza verticalmente a través del substrato, en lugar de lateralmente.

Es decir, el flujo de corriente ocurre de forma vertical desde el drenador hacia el sustrato (o fuente), a través de capas epitaxiales de materiales semiconductores. A diferencia de los transistores planos o FinFET, en los que la corriente fluye horizontalmente en el plano del chip, los VTFET aprovechan la tercera dimensión para incrementar la densidad de integración sin reducir el tamaño crítico del canal y evitar esos efectos cuánticos no deseados.

Para hacerte una idea más clara, tenemos una arquitectura particular donde:

• El canal es perpendicular a la oblea.
• La puerta (gate) rodea al canal vertical, permitiendo control electrostático preciso.
• La corriente fluye verticalmente a través de múltiples capas.
• Posibilidad de apilar múltiples dispositivos en el eje Z.

¿Cómo funciona un VTFET?

La estructura de un VTFET consiste, de forma simplificada, en:

1. Fuente (source): ubicada en la parte superior del stack.
2. Canal semiconductor vertical: capa epitaxial entre la fuente y el drenador.
3. Puerta (gate): envuelve completamente el canal vertical, proporcionando control electrostático.
4. Drenador (drain): ubicado en el fondo, generalmente en el substrato.

El flujo de portadores (electrones o huecos) ocurre verticalmente, lo cual reduce la longitud efectiva del canal, mejora la movilidad y permite más transistores por área. Esta arquitectura permite optimizar el apilamiento vertical, clave para la computación 3D.

Ventajas y desventajas de los VTFET

Entre las ventajas del transistor VTFET tenemos:

• Mayor densidad de integración: la orientación vertical libera espacio lateral, permitiendo empaquetar más transistores por mm².
• Mejor control de canal: la puerta envolvente reduce el efecto de canal corto (SCE) y mejora el subthreshold slope.
• Reducción del consumo energético: la distancia más corta entre source y drain reduce las pérdidas por resistencia y capacitancia. Según IBM/Samsung, un chip con VTFET puede reducir el consumo hasta en 85% respecto a FinFET.
• Mayor rendimiento: incremento significativo en corriente de encendido (Ion) sin penalizar la corriente de apagado (Ioff), consiguiendo mejoras en el switching. Algo beneficioso para cargas de trabajo de alto rendimiento como IA, HPC y 5G.

Sin embargo, no todo son ventajas, también tiene algunas desventajas importantes:

• Fabricación compleja: la epitaxia y el alineamiento de capas verticales con precisión atómica son más difíciles. Requiere nuevas herramientas de deposición y litografía. Por tanto, más inversión económica.
• Térmica y disipación: el flujo de calor en estructuras verticales es más difícil de controlar, especialmente en configuraciones 3D apiladas.
• Ecosistema de diseño: las herramientas de diseño electrónico (EDA) deben adaptarse para soportar simulaciones y síntesis en estructuras verticales.

Pese a todo, se espera que entre en producción en masa para futuros chips destinados a HPC, IA, etc., alcanzando también a los procesadores y SoCs de ordenadores, dispositivos móviles, etc.

¿Cuándo llegará?

Es posible que su adopción se vea primero en dispositivos de alto rendimiento antes de generalizarse a CPUs o móviles. Además, aún falta investigación y mejoras, ya que el verdadero potencial de estos transistores se podrá optimizar cuando se use la integración 3D monolítica, nuevos materiales como canales III-V, etc.

Con materiales del grupo III-V para el canal del transistor me estoy refiriendo a semiconductores compuestos por elementos de la tabla periódica del Grupo III (Galio, Inidio y Aluminio) y los del Grupo V (Arsénico, Fósforo y Nitrógeno), como por ejemplo GaAs, InP, InAs, etc. Estos semiconductores tienen propiedades eléctricas superiores al silicio, como una mayor movilidad de electrones, lo que aumenta la velocidad del transistor, además de menos pérdidas, y mayor conductividad.

El VTFET se posiciona como una de las arquitecturas candidatas para reemplazar o complementar a los nanosheets (GAAFET) en nodos inferiores a 2nm. IBM y Samsung planean usar esta tecnología como base para la próxima generación de chips más allá de 2025…

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