スーパージャンクションのp柱にも電流は流れるのか――導通と空乏化を分ける

一つのドリフト層に、通す役目と支える役目がある

縦型パワーMOSFETでは、表面側のチャネルから裏面のドレインへ向かう途中にドリフト領域がある。オン時には電流がここを通り、オフ時にはドレイン側にかかる電圧を支える。従来型の一様なn型ドリフト層で耐圧を高くしようとすると、低い不純物濃度と厚さが必要になり、その部分の抵抗が増える。新電元の解説は、この同じ領域が持つ制約からSJを説明している。

単にn型の不純物濃度を上げれば導通時の抵抗は下げやすいが、同じ厚さでオフ時の電圧を支える条件も変わる。オンとオフを別々の材料へ任せられないことが、構造を工夫する出発点である。SJはゲートの電圧だけでこの問題を解くのではなく、ドリフト領域の内部へ別の接合を作り込む。

オン時に追うのは、チャネルからn柱へ進む電子である

本稿の対象は、通常の正方向導通を考えるnチャネルSiの縦型SJ-MOSFETである。ゲートの作用で表面側にチャネルができると、電子はソース側からチャネルを経てn柱へ入り、裏面のドレインへ進む。慣用電流の向きは電子の移動と逆なので、電流矢印を見るときは何を描いているかを確認する。

ウィーン工科大学の公開資料は、縦型SJのオン抵抗を説明する際、導通がn柱を通ることを明示している。p柱の領域は、n柱と同じように主な電子電流を運ぶ面積ではない。断面全体を一つのn型導通領域として面積計算すると、電流を通す幅の見積もりを誤る。p柱を細くする議論にも、耐圧側の条件が付いてくる。

ただし『p柱にはどんな状態でも電流が一切流れない』と覚えるのも違う。ここで述べているのはオン時の主電流の経路である。切り替え時の電荷の出入りや、ボディダイオードによる逆方向動作までゼロとする説明ではない。回路がどの状態にあるかを先に決める必要がある。

オフ時には、柱の境界から横へ空乏層が広がる

ゲートでチャネルを閉じ、ドレインに正の電圧がかかる状態では、隣り合うp柱とn柱の接合から空乏層が横方向にも広がる。電圧が増すにつれ柱の内部が空乏化し、深さ方向の広い領域で電圧を支える構成になる。東芝と新電元の原理解説は、従来のドリフト層とこの空乏層の広がり方を対比している。

空乏層は、電子が横へ大量に流れる『新しい配線』ではない。動けるキャリアが少なくなった領域であり、その中の電荷と境界条件が電界を決める。横方向の空乏化を説明する矢印を、オン時の電流矢印へ読み替えないことが重要だ。p柱を入れる狙いは、n柱の電荷を補償し、電界の偏りを抑えることにある。

これにより、従来の一様なドリフト層より高いn型濃度を選びながら、必要な耐圧と抵抗の両立を狙える。大学公開資料でも電荷補償に基づく説明を確認できる。ただし、特定メーカーが示す濃度倍率や面積削減率を、SJなら必ず得られる共通値としては扱わない。実際の形状、濃度分布、定格によって条件が違う。

電荷バランスは、柱を同じ本数にすればよい話ではない

電荷補償では、隣り合う領域の幅と不純物濃度を合わせて読む。p柱とn柱を一本ずつ描いたことや、同じ色面積にしたことだけでは釣り合いを示せない。大学のSJダイオードの公開説明にも、柱幅と濃度が異なる組み合わせが示されている。深さ方向に形や濃度が変わる実構造では、一本の単純な比だけで全体を代表できるとも限らない。

ロームは、p柱とn柱の電荷バランスが崩れると、狙った耐圧とオン抵抗の利点が十分に得られないと説明する。n側を低抵抗化したいからといって濃度だけを上げればよいわけではない。電圧を受け持つ分布と、電流の断面積を同時に成立させることが設計上の条件になる。

また、オン抵抗はドリフト領域だけで決まらない。チャネルや基板、電極、接続にも抵抗があり、回路の損失には容量の充放電も関係する。SJの電荷補償という原理を確認したことと、ある製品が実回路で最も高効率だと結論することは別である。比較には動作温度、ゲート駆動、電流、回路方式をそろえる必要がある。

深い柱を作る溝と、ゲートを埋める溝は別である

日新イオン機器の用語解説は、SJの柱を作る方法として、溝へ逆導電型のシリコンを選択成長させる方式と、多段のイオン注入を使う方式を挙げる。新電元も、深い溝を掘ってp型をエピタキシャル成長させる例を示す。完成断面が似ていても、どの工程で幅・深さ・濃度を作るかは一つに固定されない。

ここでいう溝を、そのまま『トレンチゲート』と同じ意味に取らないようにしたい。トレンチゲートは、絶縁膜を介したゲートとチャネルの配置を示す。一方、SJは電圧を支えるドリフト領域の構成である。ゲート構造の分類と、柱を作る工程の分類を混ぜると、別の階層を二者択一だと誤解してしまう。

作り込みでは、狙った柱幅と深さ、濃度、隣の領域との位置関係を保つことが重要になる。これは加工装置やエピタキシャル成長、イオン注入へつながる論点である。ただし、本稿は公開された工程の分類を読むものであり、製造条件のレシピや特定工場の能力を示すものではない。

構造図は、オン・オフ・工程の三枚に分けて読む

資料を見る順序を三つに絞るなら、オン時にはチャネルからn柱へつながる主電流の道、オフ時にはp/n境界から広がる空乏領域、工程では柱を形成する操作を確認するとよい。柱という形だけを暗記するより、どの状態で何を担うかが明確になる。

SiCの解説は材料がドリフト層の設計条件をどう変えるか、MOSFETの入門はゲートがチャネルをどう制御するかを扱う。今回のSJは、同じSiのドリフト領域へ接合を追加して制約を変える話である。材料、ゲート、ドリフト構造を別の軸に置けば、新しい製品名が出てきても、何を変えた技術なのかを比較しやすくなる。