[发明专利]一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管结构

说明书

技术领域

本发明属于半导体功率器件领域，尤其涉及一种垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管（Vertical Double-diffused Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，VDMOSFET）结构。

背景技术

通常设计电子电路时，都会考虑使其具有高的操作速度，而当电子电路中包含MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应管）器件时，提高操作速度的关键在于使MOSFET能够对输入信号做出快速的响应。MOSFET器件开关时需要对栅电容进行充电和放电，以使栅电极达到特定的电压；提高MOSFET器件开关速度的最大障碍在于克服寄生的栅电容在充放电时产生的延迟。

图1显示的一个典型的VDMOSFET器件的截面图，对VDMOSFET器件的主要寄生电容进行了标注，主要寄生电容包括：栅极-源极寄生电容Cgs、栅极-漏极寄生电容Cgd以及漏极-源极寄生电容Cds。

N沟道MOSFET正常工作时，漏极端drain加上正电压Vdd，n型源区30和P型阱区34通过源极source短接并接上低电位，当加在栅极gate和源极source间的电位Vgs超过MOSFET器件的阈值电压Vt时，栅下的p型阱区34开始形成反型沟道，n型源区30和n型漏区40通过反型沟道导通，源极source和漏极drain间开始形成电流；当MOSFET关断时，p型阱区34开始向N型漏区40扩展，图中虚线44所示即为耗尽层的扩展。

图2、图3显示了以固定电流Ig给一个典型的MOSFET器件的栅极-源极寄生电容Cgs和栅极-漏极寄生电容Cgd充电时，器件动态工作时电极之间的电位变化情况。当器件处于图3中第一区域Region1状态时，电流Ig开始给栅极-源极寄生电容Cgs充电，但栅源之间电压Vgs小于器件的阈值电压Vt，器件处于未开启状态；当器件处于第二区域region2状态时，输入电流Ig给栅极-源极寄生电容Cgs充电时，栅源之间电压Vgs电压大于阈值电压Vt，MOSFET器件开始开启，源极和漏极之间的电压Vds开始下降，输入电流Ig会开始分别给栅极-源极寄生电容Cgs和栅极-漏极寄生电容Cgd充电，随着充电的进行，分配给栅极-漏极寄生电容Cgd的充电电流Icgd会逐渐增大，而分配给栅极-源极寄生电容Cgs的充电电流Icgs会逐渐减小，故栅源之间电压Vgs逐渐增加但增长的速率逐渐减小；随着栅源之间电压Vgs的增加，源极和漏极之间的电压变化率增加直至Vgs不再增加，而栅漏之间电容的充电电流Icgd增加至等于输入电流Ig，即输入电流Ig完全分配给栅漏之间的充电电流Icgd；当栅源之间电压Vgs不再增加，充电继续进行，器件处于第三区域region3状态，源漏之间的电压继续降低。

对于栅极-漏极寄生电容Cgd的变化，当器件未开启前，源极和漏极间电势差最大使得耗尽层扩展较大如图1的44所示，而当器件开通后，器件漏极和源极间电势差减小，耗尽层厚度会逐渐减小，相当于减小了栅极和漏极正对面积间的距离，栅极-漏极寄生电容Cgd增加；这个电容的增加使源极和漏极间的电势减小的趋势变缓慢。只有源漏极间的电容稳定后，MOSFET器件才算完全开通，电容Cgd不会进一步的产生开通延迟。

同样地，当MOSFET器件关断时，电容的放电也会如充电一样产生延迟，从而影响器件的关断速度。MOSFTET 器件在线性应用时，例如射频功率放大器的响应速度很大程度上取决于由MOSFET器件的输入电容决定的高端的极限频率。

器件的输入电容Cin可以用如下公式表示：Cin=Cgs+Cgd（1-dVds/dVgs）；公式中Cin为输入电容，Cgs为栅极-源极寄生电容，Cgd为栅极-漏极寄生电容，Vgs栅极-源极电压，Vgd为栅极-漏极电压。

值得一提的是，器件的输入电容Cin的值至少比栅极-源极寄生电容Cgs大三倍，故减小电容Cgd的值能有效地减小器件的输入电容，从而提高器件的开关速度。