現在のIGBTの表面構造において、プレーナ型とトレンチ型は互角と言えるでしょう。多くの読者が初めてこの1つの用語に出会ったとき、プレーナ型IGBTの電流は水平方向に流れ、トレンチゲートIGBTの電流は垂直方向に流れると誤解するかもしれません。実際、これは誤解です。プレーナ型IGBTであれトレンチ型IGBTであれ、電流は垂直方向に流れます。さらに、IGBT、MOSFET、サイリスタ、パワーダイオードなど、私たちがよく知っているすべてのパワーエレクトロニクスデバイスでは、耐圧要件を満たすために、電流を垂直方向に流すようにしています。IGBTの場合、正孔電流は裏面コレクタ電極から前面エミッタ電極に流れ、電子電流はエミッタから表面反転チャネルを通過して裏面コレクタに流れます（図XNUMXを参照）。

図1. IGBTにおける電流の流れる方向

トレンチゲートIGBTは、プレーナー型IGBTと比較して、ターンオフ損失を増加させることなくオン状態の電圧降下を大幅に低減できることは周知の事実です。では、トレンチゲートはどのようにしてこれを実現するのでしょうか？その鍵となるのは、JFET効果の排除、チャネル密度の向上、そして表面近傍のキャリア濃度の向上という3つの要素です。

JFET効果の除去

トレンチゲート構造とプレーナゲート構造の主な違いは、IGBTがオンになったときのP型エミッタ領域における反転チャネルの向きにあります。トレンチゲート構造では、反転チャネルは水平ではなく垂直になります。

図 2. プレーナー型およびトレンチ ゲート型 IGBT の反転チャネルの概略図。

プレーナゲートIGBTでは、順方向導通時に、Pウェルとnドリフト領域の間に形成されるPN接合がわずかに逆バイアス状態になります。これにより、一定幅の空間電荷領域が形成され、一定の空間を占めます。その結果、電流は比較的狭い空間しか流れることができず、電流経路のインピーダンスが増加します。

図 3. プレーナ ゲート IGBT における JFET 効果。

したがって、プレーナゲートIGBTでは、電子の流れ方向に、チャネル抵抗Rchannel、JFET抵抗RJFET、ドリフト領域抵抗Rn-が存在します。一方、トレンチゲートIGBTでは、垂直トレンチ構造によってJFET領域が排除され、電流経路全体のインピーダンスが低くなります。

図 4. プレーナー ゲート IGBT とトレンチ ゲート IGBT のオン状態インピーダンスの比較。

表面近くのキャリア濃度が増加します。

プレーナゲートIGBTでは、コレクタからエミッタにかけてキャリア濃度が徐々に減少します。新世代IGBTの設計目標は、コレクタとエミッタ間のキャリア濃度の均一な分布を維持することであり、できれば徐々に増加させることです。これにより、テール電流とターンオフ損失に影響を与えることなく、導通損失をさらに低減できます。下の図は、3つの異なる構造のIGBTのドリフト領域におけるキャリア濃度分布を示しています。エミッタ領域付近では、トレンチゲートIGBTのキャリア濃度がプレーナゲートIGBTのキャリア濃度よりもはるかに高いことがわかります。したがって、トレンチゲートIGBTでは、適切なトレンチ幅と間隔により、N-領域の表面近傍層のキャリア濃度を高め、ドリフト領域抵抗Rn-を低減できます。

図5. IGBT 内のキャリア濃度分布。

チャネル密度の増加

プレーナゲートIGBTと比較して、トレンチIGBTの垂直構造はシリコン表面に導電チャネルを形成するために必要な面積を削減し、よりコンパクトなセル設計を可能にします。つまり、同じチップ面積により多くのIGBTセルを製造できるため、導電チャネルが広くなり、チャネル抵抗が低くなります。

トレンチIGBTの急速な普及にもかかわらず、プレーナゲートIGBTも依然として存在感を示しています。トレンチIGBTには克服すべき課題が数多く残されているため、先行者も後れを取っているわけではありません。

滑らかなトレンチ壁を掘削する技術は困難を極めます。一般的なトレンチゲートIGBTのトレンチ幅はわずか1～2μmですが、深さは4～5μm、あるいはそれ以上にまで達する必要があります。トレンチは酸腐食法を用いてシリコン表面にエッチングされますが、トレンチの幅と深さを精密に制御することは極めて困難です。さらに、トレンチ壁は可能な限り滑らかで欠陥のない状態にする必要があります。表面の凹凸は破壊電圧に影響を与え、歩留まりを低下させる可能性があるためです。トレンチ底部の角も非常に滑らかにする必要があります。そうでなければ、電界がそこに集中し、耐電圧に深刻な影響を与えます。このように、トレンチIGBT技術はプレーナゲートIGBT技術よりもはるかに困難です。

導電チャネルが広くなるほど、IGBT短絡時の電流が増加します。前述のように、トレンチIGBTの高チャネル密度はチャネル抵抗を低減しますが、それに伴う欠点の10つとして短絡電流の増加が挙げられます。最悪の場合、短絡電流が非常に大きくなり、非常に短時間でIGBTが損傷する可能性があります。IGBTが最大XNUMXマイクロ秒の短絡（指定されたテスト条件下）に耐えられるようにするには、チャネル幅と隣接セルを非常に慎重に設計する必要があります。たとえば、セル間の距離を広げて単結晶あたりの有効セル数を減らすなどです。もうXNUMXつの方法は、すべてのゲートを共通ゲートに接続するのではなく、一部のセルのゲートをエミッタで短絡することです。この技術は、インサートマージセルテクノロジーと呼ばれます。この方法を使用することで、チャネル密度を低減できるため、短絡電流が減少し、デバイスの短絡能力が向上します。