なぜパワーMOSFETは縦型構造なのか？

MOSFETには、電流の流れ方の違いにより、横型構造と縦型構造があります。横型MOSFETでは、電流は半導体表面に対して平行（横方向）に流れます。
横型MOSFETの主な特徴は以下の通りです。

• ソースとドレインが同一平面上に配置されている
• 電流が横方向に流れる
• 構造が単純で、すべての電極を上面に配置できる
• ゲート・ドレイン間の容量が小さい

このため、横型構造はICやLSIなどの集積回路に適しています。また、寄生容量が比較的小さいことから、高速動作が求められる用途にも適しています。
一方で、ドリフト層の構造上、高耐圧化や大電流対応には制約があり、パワー用途への使用は限定的です。

縦型MOSFETでは、電流は半導体表面に対して垂直（縦方向）に流れます。ソースとゲートは上面に配置され、ドレインは基板裏面に配置されます。
縦型MOSFETの主な特徴は以下の通りです。

• 電流が縦方向に流れるため、電流経路を広く確保できる
• ドリフト層を厚く設計できるため、高耐圧化が容易
• 電流が広い領域に分散するため、大電流に対応しやすい

このような構造により、縦型MOSFETは低オン抵抗と高耐圧を両立しやすく、パワー用途に適しています。
そのため、電源回路やモータードライバーなど、高電圧・大電流を扱う用途では、縦型MOSFETが広く使用されています。

これらの構造の違いを理解するために、はじめにMOSFETの基本構造について簡単に説明します。

ここまでに述べた内容を踏まえ、構造をより具体的に説明します。
横型MOSFETと縦型MOSFETの基本的な構造を図-1に示します。

• 横型構造: 3つの端子（ドレイン・ソース・ゲート）が全て上面に配置されています。裏面はボディ（B）と呼ばれる端子で、通常はソースに接続されます。ドレインからソースに流れるドレイン電流は横方向に流れます。端子が全て上部にあり構造が単純であることから、IC化が容易でCMOSロジックICなどのICやLSIに多く使用されています。また、低容量であることから、RFアンプなどで使用されるMOSFETとして横型構造が用いられます。
• 縦型構造: 上面には2つの端子（ソース・ゲート）が配置され、ドレインは裏面に配置されます。横型MOSFETのボディに相当する層（P－ボディ）は上面でソースと接続されています。ドレインからソースに流れるドレイン電流は縦方向に流れます。高耐圧化が可能で、中・高耐圧の多くのデバイスのほとんどはこの構造になっています。

汎用的な横型構造プロセスとしてはプレーナーゲート構造が挙げられます。縦型構造では特性を大幅に向上させたトレンチゲート構造やスーパージャンクション（SJ）構造などの縦型構造が主流です。また、最近ではRESURF（Reduced Surface Field）原理を応用したフィールドプレート（FP）構造が開発されています。

それぞれの構造によるMOSFETの特徴:

横型構造

• プロセスが単純でゲート・ドレイン・ソース端子が全て上面にあることからIC化が容易
• ゲート・ドレイン間容量C_GDが小さく高速のアプリケーションに向いている
• 高耐圧・高電流の素子を形成することが困難（実用レベルではV_DSS < 100～200V）

縦型構造

• 裏面がドレインとなるためIC化するためには、ドレインを上面に引き出すなどの処理が必要
• ゲート・ドレイン間容量C_GDが大きい
• ドレイン側の電流が広く裏面方向に拡散するため低オン抵抗化が容易
• ドレイン・ソース間電圧V_DSSの高耐圧化が容易

MOSFETのドレイン・ソース間の耐圧はn^-ドリフト層（ドレイン）の不純物濃度を下げることによって高くすることができます。ただし、この不純物濃度を下げると耐圧は上昇しますが、同時にオン抵抗は高くなってしまいます。
横型構造: ドレインとの間に低濃度のn^-層を設けることで、ある程度は耐圧を上げることが可能です。オン時にはドレイン・ソース間に流れるドレイン電流I_Dは、ドレインからこのn^-層の表層を通り反転層を経由してソースに流れます（図-2 a 黄色のライン）。不純物濃度の低いn^-層はオン時には抵抗体になるため、高耐圧で低抵抗化するためには広い面積が必要となります。
縦型構造: 裏面がドレイン電極です。この広範囲なドレインからI_Dは反転層に向かって流れます（図-2 b 黄色のライン）。横型構造と同様にn^-層の濃度を下げることで高耐圧化が可能となります。横型構造と異なり、抵抗体となるn^-層に広く電流が流れるため、横型構造に比べ狭い面積で低いオン抵抗（≒ 高電流対応）を実現できます。同様に、同じオン抵抗であれば縦型は高い耐圧V_DSSを実現できます。

このような特性は、縦型構造がパワー用途に適している理由の一つです。

縦型構造は横型構造に比べて、入力容量C_issや帰還容量C_rssが大きくなります。
縦型構造と横型構造で最も異なる点は、図-3に示すようにゲート・ドレイン間の容量です。横型構造ではゲート電極に対向する部分はボディのp層です。したがってゲートがドレインと対向する部分はごくわずかです。これに対し、縦型構造ではゲート電極に対向する部分はドレインのn^-層です。このため縦型は横型に比べC_GDが大きくなります。
ゲート・ソース間容量をC_GS、ゲート・ドレイン間容量をC_GD、ドレイン・ソース間容量をC_DSとすると、回路設計などで用いられる入力容量C_iss、帰還容量C_rss、出力容量C_ossは下式で表されます。

• C_iss = C_GS + C_GD
• C_oss = C_DS + C_GD
• C_rss = C_GD

このため縦型構造は横型構造に比べC_issやC_oss、C_rssが大きくなります。

このようなことを背景に、横型MOSFETは無線通信機の出力（RFアンプ）に、縦型はスイッチング電源やDC-DCコンバータ、ロードスイッチなどの電源回路に使用されています。
一方で、縦型MOSFETはゲート・ドレイン間容量が大きい傾向があり高速性では不利となるため、近年はスイッチングの高速化に対応するための容量低減や更なるオン抵抗低減を目的とした構造およびプロセスの改良が進められています。

以下にMOSFETのオン抵抗（R_DS(ON)）について説明します。
MOSFETのドレイン・ソース間の耐圧 V_DSS とオン抵抗 R_DS(ON) では、V_DSS を上げると R_DS(ON) が上がる関係にあります。また抵抗 R は、断面積 S と長さl、抵抗率  ρ を使って以下のように示されます。
    R = ρ x l / S
従って、l を短く、S を広く、ρ を低くすれば抵抗は低くなります。半導体の場合、抵抗率 ρ は不純物濃度を N、移動度を μ、電子電荷を q とすると下式になります。
    ρ = 1 / ( q x μ x N )
ρ を下げるためには N、μ、q を大きくすれば良いわけですが、qは物理定数、μは材料・物性に強く依存し、プロセスで自由に増やすのは容易ではありません。したがってρを下げるには主に濃度Nを上げることが有効です。
MOSFET オフ時にドレイン・ソースに逆バイアス V_DSS を印加した場合、この逆バイアスに比例して空乏層が伸びます。また、不純物濃度 N が低くなるほど、空乏層はより遠くまで伸びることになります。空乏層内では、多数キャリアは存在せず不純物イオン（固定電荷）のみが存在していると考えます。この固定電荷に起因する電界の合算値が臨界電界 E_critical を超えるとアバランシェ降伏が生じます。このアバランシェ降伏が生じない最大電圧が耐圧 V_DSS です。このように、N を上げると R は下がるが、同時に V_DSS も下がる、N を下げると R は上がるが、V_DSS は上がるというトレードオフの関係は主に不純物濃度 N によります。
N-ch MOSFETではゲート・ソース間にオン電圧を印加すると、ゲート直下のp層に反転層が形成します。この反転層はp層でありながら電子が過多な状態となっており、n層と同様の状態になっています。この反転層（チャネルとも呼ばれます）により、ドレインとソースが導通しMOSFETはオンとなります。オンの状態には線形領域と飽和領域がありますが、ここでは線形領域におけるオン抵抗について説明します。飽和領域などのMOSFETの動作に関する説明は、以下のFAQを参照ください。
MOSFETの動作原理と仕組み｜遮断・線形・飽和領域をわかりやすく解説

このような特性から、縦型構造は低オン抵抗化と高耐圧を両立しやすく、パワーMOSFETに適しています。
また、オン抵抗を構成する支配的な抵抗成分は耐圧によって異なり、低耐圧MOSFETではチャネル抵抗やJFET抵抗の影響が大きく、高耐圧MOSFETではドリフト抵抗の影響が支配的となります。これに対応するため、それぞれの耐圧領域に応じた構造最適化が行われています。

従来構造であるプレーナーゲート構造（ここまで縦型構造として扱ってきたものと同じ構造です）と最も異なる点は、ゲートの配置です。プレーナーゲート構造では、デバイス表面にゲート電極を乗せるように配置していましたが、トレンチゲート構造ではデバイスの表面から溝を掘りゲート電極を埋め込む構造となっています。（図-5　トレンチゲート構造とプレーナーゲート構造）反転層は従来の横方向に対し、縦方向に形成されることになります。このことによって、下記の利点があります。

• 微細化が可能で単位面積当たりのチャネル数を増やすことができます。これによりチャネル抵抗を著しく低減できます。
• 電流経路を阻害するJFETが構造的になくなり、JFET抵抗は大幅に削減されます。
• プレーナー型に比べて電流密度が高く、同じ面積のチップでより多くの電流を流すことができます（図-6）。
• ゲート電荷はプロセス設計にも依存しますが、低下する傾向があります。

トレンチゲート構造は、縦型MOSFETにおけるオン抵抗低減のための代表的な手法の一つであり、特に低耐圧領域で支配的となるチャネル抵抗やJFET抵抗の低減に有効です。

MOSFETの高耐圧化を図るためには、ドリフト領域（n^-層）の濃度を下げ、同時にn^-層の厚みを増す必要があります。しかし、これによりMOSFETのオン抵抗を構成するドリフト抵抗が増加する問題が生じます。この解決策としてスーパージャンクション構造が採用されています。
従来のプレーナー構造は平面的な構造であるため、電界はn層（n^-層）とp層の境界面で最も高くなります。これに対し、スーパージャンクション構造はn^-層の一部にp層（Pピラー層）を柱状に形成し、P-N層を交互に配置する構造です。このため、n層（n^-層）とp層の境界面は縦方向（深さ方向）に存在します。このpn接合に沿って空乏層が広がり、高電圧が印加されるときには、この柱状部分が完全空乏化します。
電界強度は従来構造と同様に境界面で最も高くなりますが、電界は縦方向（柱状に沿って）に分散され均一化されます。これにより、同じ不純物濃度でドレイン・ソース間に従来構造より高い電圧（ドレイン・ソース間電圧  V_DS）を印加することが可能となります。これは、同じ耐圧（V_DSS）であれば、より低オン抵抗（R_DS(ON)）のMOSFETが実現できることを意味します。
これにより、縦型構造においても高耐圧と低オン抵抗の両立が可能となっています。

このように、MOSFETの構造は用途に応じて選択されます。
パワーMOSFETでは、高耐圧かつ大電流に対応する必要があるため、電流を縦方向に流す縦型構造が採用されています。
一方、IC用途では集積化や高速性が重視されるため、端子を全て上面に配置できる横型構造が用いられます。

製品ラインアップやその他のドキュメントについては、以下のページ・ドキュメントを参考にしてください。