什么是VMOS(垂直溝道絕緣柵型場效應管)

為了適合大功率運行，于70年代末研制出了具有垂直溝道的絕緣柵型場效應管，即VMOS管。

VMOS管或功率場效應管,其全稱為V型槽MOS場效應管.它是繼MOSFET之后新發展起來的高效,功率開關器件.它不僅繼承了MOS場效應管輸入阻抗高(≥108W),驅動電流小(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),跨導的線性好,開關速度快等優良特性.正是由于它將電子管與功率晶體管之優點集于一身,因此在電壓放大器(電壓放大倍數可達數千倍),功率放大器,開關電源和逆變器中正獲得廣泛應用。

眾所周知,傳統的MOS場效應管的柵極,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.VMOS管則不同,從左下圖上可以看出其兩大結構特點:第一,金屬柵極采用V型槽結構;第二,具有垂直導電性.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,而是自重摻雜N+區(源極S)出發,經過P溝道流入輕摻雜N-漂移區,最后垂直向下到達漏極D.電流方向如圖中箭頭所示,因為流通截面積增大,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場效應管。

垂直MOS場效應晶體管（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（硼）擴散作用，使得短溝道化受到限制。據報道，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生的硅自間隙原子，有效抑制了硼的瞬態加強擴散（TED）和氧化加強擴散（OED），因而在源區和漏區引入SiGeC層，抑制B的外擴散，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，發現這些器件開始出現穿通現象。但是在線性區柵電壓仍能控制漏電流。研究指出，在源區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（相對低的雪崩系數），這種抑制作用有待進一步的研究。采用柵區完全包圍溝道的結構，將能提高亞閾值斜率和抑制短溝道效應，器件的性能也將進一步的提高。

VMOS管的結構剖面圖如圖2—62（a）所示.它以N+型硅構成漏極區；在N+上外延一層低濃度的Nˉ型硅；通過光刻、擴散工藝，在外延層上制作出P型襯底（相當于MOS管B區）和N+型源極區；利用光刻法沿垂直方向刻出一個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uGS﹥UT時，在V型槽下面形成導電溝道。這時只要uDS﹥0，就有iD電流產生。顯見，VMOS管的電流流向不是沿著表面橫向流動，而是垂直表面的縱向流動。VMOS管的電路符號如圖2—62（b）所示。

由于VMOS管獨特的結構設計，使得它具有以下一些優點：

1）uGS控制溝道的厚度。導電溝道為在P型襯底區打開了漏極到源極的電子導電通道，使電流iD流通。當uDS增大到飽和狀態后，這一通道與uDS關系很小，即溝道調制效應極小，恒流特性非常好。

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

3）VMOS管的漏區面積大，散熱面積大（它的外型與三端穩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溝道并聯，所以允許流過的漏極電流iD很大（可達200A），其最大耗散功率PC可達數百瓦，乃至上千瓦。

4）因為輕摻雜的外延層電場強度低，電阻率高，使VMOS管所能承受的反壓可達上千伏。

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（其開關時間只有數十納秒），允許的工作頻率可高達數十兆赫。

VMOS管的的上述性能不僅使MOS管跨入了功率器件的行列，而且在計算機接口、通信、微波、雷達等方面獲得了廣泛的應用。