シリコンリミット

ドリフト層以外の抵抗が限りなく0に近づいたとしても、ドリフト層に残る抵抗値によって「これ以上ON抵抗は下がらない」という限界値があり、これをシリコンリミット（理論限界）といいます。

プレーナMOSFETのON抵抗は、耐圧の2.5乗に比例するといわれています。
耐圧2倍     ⇒　ON抵抗5.6倍
耐圧10倍   ⇒　ON抵抗316倍

低耐圧MOSFETはまだ理論限界までやれることがありそうですが、高耐圧MOSFETはかなり前からほぼ限界に達しており、新たなブレークスルーが求められていました。
⇒Siを使いながらこの理論限界を超えるための新たな技術がスーパージャンクション構造です。

スーパージャンクション構造によるオン抵抗低減効果

スーパージャンクションの原理

従来構造のMOSFET

印加した電圧に応じて空乏層が広がっていき、これが耐圧を出しています。
空乏層の広がり＝空乏層の厚み　なので、高耐圧MOSFETではドリフト層の不純物濃度を上げることができません。そのため、高耐圧になるほどドリフト層の抵抗が大きく、ON抵抗が大きくなってしまいます。

スーパージャンクション構造のMOSFET

ドリフト層にN層とP層が縦溝構造に並んでおり、電圧を印加すると空乏層が横方向に広がって、やがて一体化して「溝の深さ分」の空乏層を形成します。
溝の間隔の半分だけ空乏層が広がるだけで、溝の深さ分の厚みの空乏層が得られます。空乏層の広がりは小さくてよいので、ドリフト層の不純物濃度を5倍程度に上げることができるため、ON抵抗を小さくすることができます。
この原理から、溝や溝の間隔はできるだけ細く、できるだけ深くすることが効果的であることが分かります。従来のMOSFETとは異なるメカニズムで耐圧を稼ぐので、いわゆるシリコンリミットを超える性能を出すことができます。

製造方法で見る違い

従来構造のMOSFET

一般にはこのように作るので、P層を縦方向だけに深く拡散することは困難です

スーパージャンクション構造のMOSFET

近年、Ｎ-層に深い溝を掘って溝の中にＰ層の結晶をエピタキシャル成長させ、深いスーパージャンクション構造を形成する方法が開発されました。

トレンチ埋戻しエピ製法