スーパージャンクションMOSFET 高耐圧特性の理由

SiC GaN FETの高速ドライブ回路設計

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スーパージャンクションMOSFETの高耐圧化技術

スイッチング素子に求められる性能の1つに「高耐圧」があります．特に産業機器や電源回路などでは，高電圧に耐えながらも低損失で動作する半導体デバイスが必要です．従来のシリコンMOSFETでは，ドリフト層を厚くし不純物濃度を低くすることで耐圧を高めてきましたが，それに伴いオン抵抗が大きくなるという課題がありました．この問題を解決するために登場したのが「スーパージャンクション構造」です．

ドリフト層と耐圧の関係

MOSFETの耐圧は主にドリフト層の構造で決まります．高耐圧を実現するためには，ドリフト層の厚みを増し，不純物濃度を低下させる必要があります．しかし，それによって電流経路の抵抗成分が大きくなり，スイッチング時の損失が増加します．

たとえば，40V耐圧のシリコンMOSFETでは比較的薄いドリフト層で構成されますが，100V以上の耐圧が求められる場合，ドリフト層はさらに厚くなるため，オン抵抗の大半がドリフト層の抵抗成分に支配されます．これでは高効率な電力変換が困難になります．

スーパージャンクション構造の特徴

スーパージャンクションMOSFETでは，ドリフト層にP型の柱状構造を埋め込むことで，高耐圧と低オン抵抗を両立しています．P柱とNドリフト層が縦方向に交互に配置され，電界を均一に分散させることで，同じ厚みでも従来型より高い耐圧を実現します．

この構造では，ドリフト層自体の抵抗を増やさずに耐圧を向上させることが可能であり，高周波スイッチングや低損失動作が求められる電源アプリケーションにおいて有利です．

SiCやGaNとの違い

最近ではSiCやGaNといったワイドバンド・ギャップ材料のFETも登場していますが，スーパージャンクションMOSFETは依然としてシリコン・ベースのデバイスとして優れたコスト性能比をもちます．高速駆動が求められる用途では，ゲートドライブ回路の最適化が鍵となり，$L_r$や$V_{in}$などのパラメータ設計も重要です．

スーパージャンクション構造で高耐圧と低損失を両立

スーパージャンクションMOSFETは，電力変換分野において重要な技術革新の1つです．従来のシリコンMOSFETでは，耐圧を上げるためにはドリフト層の厚みを増し，その結果オン抵抗が増大するというトレードオフが避けられませんでした．

この問題に対して，スーパージャンクション構造では以下のようなアプローチが取られています．

1. P型の柱をN型ドリフト層中に交互に形成することで，電界分布を制御
2. 高耐圧を確保しつつも，オン抵抗を抑制
3. 同等のチップ面積でも高性能を実現

スーパージャンクションは，一般にプレーナ構造のチャネルを有していますが，製造技術としてはトレンチ構造に近いプロセスを採用しています．このハイブリッドな構造によって，高密度かつ精密なP柱の形成が可能になります．

P柱の役割は，オフ状態での電界を分散し，ブレークダウン電圧を高めることにあります．また，オン状態ではキャリアが主にNドリフト層を通過するため，P柱によるオン抵抗への影響は最小限です．これにより，スイッチング素子としての特性が損なわれることなく，高耐圧化が実現されています．

設計上の注意点

スーパージャンクションMOSFETを用いる場合，ゲート駆動回路の設計が重要です．特に高速スイッチングを行う場合，$L_r$や$V_{in}$の立ち上がり時間，ゲート電圧波形のオーバーシュートなどが性能に影響を与えます．

スーパージャンクション構造はチャネル密度が高くなるため，デバイス間のばらつきや寄生素子の影響を抑えるためのパッケージ設計や熱設計も慎重に行う必要があります．

〈著:ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 2003年　パデュー大学大学院を卒業
• 2007年　リニアテクノロジー株式会社にFAEとして入社
• 2017年　アナログ・デバイセズ株式会社 車載ビジネス・デブロップメント・スペシャリスト．主に新製品の企画や開発に携わる

著書

1. ［VOD］小型＆高出力！高効率電源設計のためのSiC/GaNトランジスタ活用 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．

参考文献

1. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD/KIT/data］一緒に作る！LLC絶縁トランス×超高効率・低雑音電源 完全キット，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］高速＆エラーレス！5G×EV時代のプリント基板＆回路設計 100の要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［VOD］ Before After！ ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
8. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
9. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．