【MOSFET】『プレーナ構造』と『トレンチ構造』の違いと特徴について！

この記事ではMOSFETのプレーナ構造とトレンチ構造の違いと特徴について詳しく説明します。

『プレーナ構造』と『トレンチ構造』の違い

上図にプレーナ構造とトレンチ構造のセル断面構造を示します。

プレーナ構造は、ウエハの表面にゲートが付いた構造をしています。一方、トレンチ構造は、ウエハの表面から溝(トレンチ)を掘り、ゲート電極を埋め込んだ構造をしています。

後ほど詳しく説明しますが、『プレーナ構造』は構造上、セルの微細化が困難であり、『プレーナ構造』はセルの微細化が可能なためオン抵抗を小さくすることができる特徴があります。

では、次に『プレーナ構造』と『トレンチ構造』の特徴について詳しく説明していきます。

補足

MOSFETは1970年代から登場したパワー半導体です。MOSFETの構造は横型から縦型へ、そして、縦型のプレーナ構造から縦型のトレンチ構造へと変化していきました。
MOSFETのドレインソース間電圧の耐圧が中～高耐圧(V_DSSが約250V以上)では、縦型のプレーナ構造の製品が多く、MOSFETのドレインソース間電圧の耐圧が低耐圧(V_DSSが約200以下)では、縦型のトレンチ構造の製品が多くなっています。

プレーナ構造の特徴

トレンチ構造よりも前に普及していたのがプレーナ構造です。

上図に示すように、プレーナ構造は、ウエハの表面にゲートが付いた構造をしています。

プレーナ構造は、ゲートを凹凸の少ない平坦面にできるため、安定した特性を維持できるのが特徴であり、また、低容量の高速スイッチングに適しています。

しかし、ウエハの表面にチャネルが水平に形成されるため、チャネル長がセルサイズを制限します。チャネル長以下にセルサイズを小さくすることができないため、ひとつのセルサイズが大きくなってしまいます。

また、MOSFETにドレインソース間電圧V_DSを印加すると、P層とN^－ドリフト層の間に空乏層ができるため、ドレイン電流I_Dの経路を狭めてしまいます。この空乏層によってドレイン電流を制限するのはJFETの原理と同様です。そのため、この空乏層による抵抗はJFET抵抗(接合型電界効果トランジスタ抵抗)と呼ばれています。

すなわち、プレーナ構造は、オン抵抗を下げるために、セルを微細化すると、JFET抵抗が増加してしまうため、セルの微細化が困難となっています。

補足

プレーナ構造は、プレーナゲート構造、二重拡散構造とも呼ばれています。
プレーナは英語では「Planar」と書きます。
プレーナ構造のMOSFETは耐圧を上げると、ドリフト層が厚くなるためオン抵抗が大きくなります(スーパージャンクション構造のMOSFETはPN接合が複数並んである構造なので、耐圧を維持しながらオン抵抗及びゲート電荷量Q_Gを低減できます)。