什么是VMOS(垂直溝道絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)

為了適合大功率運(yùn)行，于70年代末研制出了具有垂直溝道的絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管，即VMOS管。

VMOS管或功率場(chǎng)效應(yīng)管,其全稱為V型槽MOS場(chǎng)效應(yīng)管.它是繼MOSFET之后新發(fā)展起來的高效,功率開關(guān)器件.它不僅繼承了MOS場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高(≥108W),驅(qū)動(dòng)電流小(左右0.1μA左右),還具有耐壓高(最高可耐壓1200V),工作電流大(1.5A～100A),輸出功率高(1～250W),跨導(dǎo)的線性好,開關(guān)速度快等優(yōu)良特性.正是由于它將電子管與功率晶體管之優(yōu)點(diǎn)集于一身,因此在電壓放大器(電壓放大倍數(shù)可達(dá)數(shù)千倍),功率放大器,開關(guān)電源和逆變器中正獲得廣泛應(yīng)用。

眾所周知,傳統(tǒng)的MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極,源極和漏極大大致處于同一水平面的芯片上,其工作電流基本上是沿水平方向流動(dòng).VMOS管則不同,從左下圖上可以看出其兩大結(jié)構(gòu)特點(diǎn):第一,金屬柵極采用V型槽結(jié)構(gòu);第二,具有垂直導(dǎo)電性.由于漏極是從芯片的背面引出,所以ID不是沿芯片水平流動(dòng),而是自重?fù)诫sN+區(qū)(源極S)出發(fā),經(jīng)過P溝道流入輕摻雜N-漂移區(qū),最后垂直向下到達(dá)漏極D.電流方向如圖中箭頭所示,因?yàn)榱魍ń孛娣e增大,所以能通過大電流.由于在柵極與芯片之間有二氧化硅絕緣層,因此它仍屬于絕緣柵型MOS場(chǎng)效應(yīng)管。

垂直MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（VMOSFET）的溝道長度是由外延層的厚度來控制的，因此適合于MOS器件的短溝道化，從而提高器件的高頻性能和工作速度。但在柵氧化過程和退火處理過程中，由于源和漏的雜質(zhì)（硼）擴(kuò)散作用，使得短溝道化受到限制。據(jù)報(bào)道，垂直p溝道MOSFET最短溝道長度為0．25μm［9］。SiGeC的引入能俘獲門氧化過程和退火處理過程中產(chǎn)生的硅自間隙原子，有效抑制了硼的瞬態(tài)加強(qiáng)擴(kuò)散（TED）和氧化加強(qiáng)擴(kuò)散（OED），因而在源區(qū)和漏區(qū)引入SiGeC層，抑制B的外擴(kuò)散，得到更短的溝道器件。溝道長度定義為兩層p＋Si薄膜之間的厚度。

由于較高的溝道摻雜濃度（2．5×1018cm－3），亞閾值斜率相對(duì)較大，為190mV／dec，器件溝道的加長和溝道摻雜濃度的降低都能降低亞閾值斜率。為了更好地了解這種器件的適用范圍，Min Yang等人制備了溝道長度為25nm的PMOSFET，發(fā)現(xiàn)這些器件開始出現(xiàn)穿通現(xiàn)象。但是在線性區(qū)柵電壓仍能控制漏電流。研究指出，在源區(qū)采用窄能帶材料能抑制圖形漂移作用，但在上述低漏電壓的p溝道器件（相對(duì)低的雪崩系數(shù)），這種抑制作用有待進(jìn)一步的研究。采用柵區(qū)完全包圍溝道的結(jié)構(gòu)，將能提高亞閾值斜率和抑制短溝道效應(yīng)，器件的性能也將進(jìn)一步的提高。

VMOS管的結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2—62（a）所示.它以N+型硅構(gòu)成漏極區(qū)；在N+上外延一層低濃度的Nˉ型硅；通過光刻、擴(kuò)散工藝，在外延層上制作出P型襯底（相當(dāng)于MOS管B區(qū)）和N+型源極區(qū)；利用光刻法沿垂直方向刻出一個(gè)V型槽，并在V型槽表面生成一層SiO2絕緣層和覆蓋一層金屬鋁，作為柵極。當(dāng)uGS﹥UT時(shí)，在V型槽下面形成導(dǎo)電溝道。這時(shí)只要uDS﹥0，就有iD電流產(chǎn)生。顯見，VMOS管的電流流向不是沿著表面橫向流動(dòng)，而是垂直表面的縱向流動(dòng)。VMOS管的電路符號(hào)如圖2—62（b）所示。

由于VMOS管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得它具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

1）uGS控制溝道的厚度。導(dǎo)電溝道為在P型襯底區(qū)打開了漏極到源極的電子導(dǎo)電通道，使電流iD流通。當(dāng)uDS增大到飽和狀態(tài)后，這一通道與uDS關(guān)系很小，即溝道調(diào)制效應(yīng)極小，恒流特性非常好。

2）在恒流區(qū)，當(dāng)uGS較小時(shí)，iD隨uGS的升高呈平方律增長，與一般的MOS管相同。當(dāng)uGS增大到某一數(shù)值后，其導(dǎo)電溝道不再為楔形，而近于矩形，且矩形的高度隨uGS線性增加，故轉(zhuǎn)移特性也為線性增加。

3）VMOS管的漏區(qū)面積大，散熱面積大（它的外型與三端穩(wěn)壓器相似便于安裝散熱器），溝道長度可以做的比較短，而且利用集成工藝將多個(gè)溝道并聯(lián)，所以允許流過的漏極電流iD很大（可達(dá)200A），其最大耗散功率PC可達(dá)數(shù)百瓦，乃至上千瓦。

4）因?yàn)檩p摻雜的外延層電場(chǎng)強(qiáng)度低，電阻率高，使VMOS管所能承受的反壓可達(dá)上千伏。

5）因金屬柵極與低摻雜外延層相覆蓋的部分很小，所以柵、漏極之間的電容很小，因而VMOS管的工作速度很快（其開關(guān)時(shí)間只有數(shù)十納秒），允許的工作頻率可高達(dá)數(shù)十兆赫。

VMOS管的的上述性能不僅使MOS管跨入了功率器件的行列，而且在計(jì)算機(jī)接口、通信、微波、雷達(dá)等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。