什么是VMOS(垂直沟道绝缘栅型场效应管)

什么是VMOS(垂直沟道绝缘栅型场效应管)

为了适合大功率运行，于70年代末研制出了具有垂直沟道的绝缘栅型场效应管，即VMOS管。

VMOS管或功率场效应管,其全称为V型槽MOS场效应管.它是继MOSFET之后新发展起来的高效,功率开关器件.它不仅继承了MOS场效应管输入阻抗高(≥108W),驱动电流小(左右0.1μA左右),还具有耐压高(最高可耐压1200V),工作电流大(1.5A～100A),输出功率高(1～250W),跨导的线性好,开关速度快等优良特性.正是由于它将电子管与功率晶体管之优点集于一身,因此在电压放大器(电压放大倍数可达数千倍),功率放大器,开关电源和逆变器中正获得广泛应用。

众所周知,传统的MOS场效应管的栅极,源极和漏极大大致处于同一水平面的芯片上,其工作电流基本上是沿水平方向流动.VMOS管则不同,从左下图上可以看出其两大结构特点:第一,金属栅极采用V型槽结构;第二,具有垂直导电性.由于漏极是从芯片的背面引出,所以ID不是沿芯片水平流动,而是自重掺杂N+区(源极S)出发,经过P沟道流入轻掺杂N-漂移区,最后垂直向下到达漏极D.电流方向如图中箭头所示,因为流通截面积增大,所以能通过大电流.由于在栅极与芯片之间有二氧化硅绝缘层,因此它仍属于绝缘栅型MOS场效应管。

垂直MOS场效应晶体管（VMOSFET）的沟道长度是由外延层的厚度来控制的，因此适合于MOS器件的短沟道化，从而提高器件的高频性能和工作速度。但在栅氧化过程和退火处理过程中，由于源和漏的杂质（硼）扩散作用，使得短沟道化受到限制。据报道，垂直p沟道MOSFET最短沟道长度为0．25μm［9］。SiGeC的引入能俘获门氧化过程和退火处理过程中产生的硅自间隙原子，有效抑制了硼的瞬态加强扩散（TED）和氧化加强扩散（OED），因而在源区和漏区引入SiGeC层，抑制B的外扩散，得到更短的沟道器件。沟道长度定义为两层p＋Si薄膜之间的厚度。

由于较高的沟道掺杂浓度（2．5×1018cm－3），亚阈值斜率相对较大，为190mV／dec，器件沟道的加长和沟道掺杂浓度的降低都能降低亚阈值斜率。为了更好地了解这种器件的适用范围，Min Yang等人制备了沟道长度为25nm的PMOSFET，发现这些器件开始出现穿通现象。但是在线性区栅电压仍能控制漏电流。研究指出，在源区采用窄能带材料能抑制图形漂移作用，但在上述低漏电压的p沟道器件（相对低的雪崩系数），这种抑制作用有待进一步的研究。采用栅区完全包围沟道的结构，将能提高亚阈值斜率和抑制短沟道效应，器件的性能也将进一步的提高。

VMOS管的结构剖面图如图2—62（a）所示.它以N+型硅构成漏极区；在N+上外延一层低浓度的Nˉ型硅；通过光刻、扩散工艺，在外延层上制作出P型衬底（相当于MOS管B区）和N+型源极区；利用光刻法沿垂直方向刻出一个V型槽，并在V型槽表面生成一层SiO2绝缘层和覆盖一层金属铝，作为栅极。当uGS﹥UT时，在V型槽下面形成导电沟道。这时只要uDS﹥0，就有iD电流产生。显见，VMOS管的电流流向不是沿着表面横向流动，而是垂直表面的纵向流动。VMOS管的电路符号如图2—62（b）所示。

由于VMOS管独特的结构设计，使得它具有以下一些优点：

1）uGS控制沟道的厚度。导电沟道为在P型衬底区打开了漏极到源极的电子导电通道，使电流iD流通。当uDS增大到饱和状态后，这一通道与uDS关系很小，即沟道调制效应极小，恒流特性非常好。

2）在恒流区，当uGS较小时，iD随uGS的升高呈平方律增长，与一般的MOS管相同。当uGS增大到某一数值后，其导电沟道不再为楔形，而近于矩形，且矩形的高度随uGS线性增加，故转移特性也为线性增加。

3）VMOS管的漏区面积大，散热面积大（它的外型与三端稳压器相似便于安装散热器），沟道长度可以做的比较短，而且利用集成工艺将多个沟道并联，所以允许流过的漏极电流iD很大（可达200A），其最大耗散功率PC可达数百瓦，乃至上千瓦。

4）因为轻掺杂的外延层电场强度低，电阻率高，使VMOS管所能承受的反压可达上千伏。

5）因金属栅极与低掺杂外延层相覆盖的部分很小，所以栅、漏极之间的电容很小，因而VMOS管的工作速度很快（其开关时间只有数十纳秒），允许的工作频率可高达数十兆赫。

VMOS管的的上述性能不仅使MOS管跨入了功率器件的行列，而且在计算机接口、通信、微波、雷达等方面获得了广泛的应用。