JPH01286370A - 半導体サージ保護素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、誘導雷やスイッチング・サージ等、各種サー
ジ要因に基くＷ雷電圧から電気、電子機器や通信回路系
を保護するための半導体サージ保護素子に関する。

［従来の技術］ 半導体サージ保護素子とは、−数的に定義すれば、“降
伏電圧”または“動作電圧”と呼ばれる規定電圧値以上
の高電圧が印加されたとき、以降の過程において自身の
内に、速やかに等価的な低インピーダンス電流路を形成
することにより、その高電圧に伴う大電流を放流させ、
素子両端電圧を一定電圧値以下にクランプして、保護す
べき電気回路系にそうした異常電圧の影響が及ばないよ
うするものを言う。

この種のサージ保護素子として、従来から市場に供され
ている中で最も代表的、古典的なものは、放電管の一種
である避雷管と、酸化亜鉛バリスタである。

しかし、最近の小型化、半導体化された各種の電子、電
気機器においては、取扱う信号レベルそのものが微小化
する傾向にあり、したがってその見返りとして、サージ
等の異常電圧に対する耐性も著しく低下している。

そこで、上記した避雷管やバリスタ等では、優秀なもの
が多ツノあるとは言え、そうした低レベルにまで及ぶ保
護機能を完全に期待するのは少し苦しいような状況も、
無きにしもあらずとなってきた。

一方、雷等の自然放電現象の頻度は、当然のことながら
、毎年減るべくもなく、逆に人為的要因により発生する
サージ、例えば機器を取り巻く電磁環境等は、益々にし
て悪化の一途をたどっている。

こうしたことから、従来においても、上記のようにある
。ａ、味で古典的なサージ保護素子に対し、新たに、よ
り低電圧なオーダでも十分な保護機能を発揮し得るよう
に、幾つかのソリッド・ステートな半導体サージ保護素
子が提案されてきた。

そうした中で、現在の所、比較的良く酋及している素子
は、 従来例■：シリコンｐｎ接合による雪崩（なだれ）降伏
現象（アバランシェ降伏現象）を 利用した定電圧ダイオード型。

のもので、特に電流容ｊｉｌを増すように工夫されてい
る。

こねに対し。

従来例■：ターン・オンした後、負性抵抗領域を経て低
電圧オン状態に移行するサイリ スタ型。

のものも開示されている。

さらに、これらに対する改良として１本発明者等が開発
し、特開昭６１−２５９５０１号に開示した、従来例＠
：パンチ・スルー効果利用型。

もある。この従来例■は、基本的には、半導体基板自体
として形成されるか、または該半導体基板に対して分離
的に形成された第一導電型の第一半導体領域と； この第一半導体領域の上下両表面の中、一方の表面側に
形成され、第一導電型とは逆導電型で、第一半導体領域
との間でｐｎ接合ダイオードを形成する第二の半導体領
域と： 第一半導体領域とは反対側から」二記の第二半導体領域
に接触することにより、第一半導体領域との間の離間距
離をして第二半導体領域の実効厚味を規定する第三領域
と； 第一半導体領域の上記上下両表面の中、ト記−方に対向
する他方の表面側に形成され、第一半導体領域と注入接
合を形成する第四領域と：を打して成っており、その動
作メカニズムは、上記のｐｎ接合ダイオードの逆バイア
スで生ずる空乏層が第三領域に到達したときに起きる第
一半導体領域と第三領域との間のパンチ・スルーに依存
している。

［発明が解決しようとする問題点］ 先にも述べたように、昨今のサージ保護素子としては、
単にサージを吸収ないし放流可能であるという基本機能
だけでは満足でなく、より低電圧からの保護も行なえる
こと、また平常時においては保護対象の回路系に影響を
与えることのないよう、できるだけ高インピーダンスか
つ低静電容量であること、さらには異常電圧の消滅後は
続流遮断機能を有し、速やかに自己復帰できること、望
ましくは両極性のサージも簡単な構成で吸収ないし放流
可能なこと等々、実用的な機能も極めて重視されてきて
いる。

してみるに、上記した従来例■〜■は、少なくともどれ
かの機能要求には応えられないことが多く、したがって
サージ保護素子として万全なものとは到底、言えなかっ
た。

まず、上記従来例０の定電圧ダイオード型は、サージ応
答特性こそ、ｌｏ−９秒以下と優れてはいるが、アバラ
ンシェ降伏動作後は、素子両端電圧をほぼ一定としてサ
ージ電流放流経路を形成するため、素子の内部で当該素
子内を流れる電流、電圧積によるエネルギを消費し、実
際上、これはかなりな大きさになり、結局は素子として
のサージ耐量に制限を生んでしまっていた。換言すれば
、ある程度のサージ耐量を得るには、降伏電圧や不純物
濃度の関係もあるが、一般にはチップ面積を相当大きく
し、しかもかなり大型なヒート・シンクを設けねばなら
なかった。

さらに静電容量の観点からも望ましくない。上述した大
型化の故もあるが１例えば１００Ｖのアバランシェ型定
電圧サージ保護素子では、サージ波形１０／　１０００
μｓを印加したときに僅かＩＯＡ程度のサージ耐量を示
す素子を作成した場合にも、その静電容量は１０００Ｐ
Ｆ以上になった。これでは被保護回路の周波数特性をも
悪化させる要因となる。

そこで実際には、こうした定電圧型のサージ保護素子は
、単体として用いられるよりは、小耐量の素子とか避雷
管と併せて用いられることが多く、結局はサージ保護素
子というより、サージ保護回路として、回路的にも面積
的にも不利な状態で組まれねばならなかった。

これに対し、上記従来例■のサイリスタ型は、降伏動作
後、より低電圧に移行するので、その点では上記定電圧
ダイオード型よりましである。

しかしこの素子も、動作電圧の規定とか、正負両極性サ
ージの吸収、続流遮断機能等に関し、望ましい結果は未
だ得られておらず、多くは外部的に抵抗とかダイオード
等を付加して用いねばならなかった。

すなわち、続流遮断機能を高めるには、このサイリスタ
の保持電流値を太きくしなけわばならないので、カソー
ド−ゲート間に抵抗を挿入し、また、動作電圧を規定す
るためには、アノード−ゲート間にアバランシェ型の定
電圧ダイオードを挿入し、素子動作用のゲート信号を得
る等していたのである。

したかって、このように素ｆ単体で用い得ないことが多
いという点では、先に定電圧ダイオード型に関し述べた
と全く同様の欠点と言わざるを得ない。両極性のサージ
吸収や多回線保護用の集積化等に関しても、このタイプ
のサージ保護素子構造を用いる限り、今の所、かなり難
しい状況にある。

これに対し、本発明者が開発した上記従来例０のパンチ
・スルー型は、アバランシェ降伏原理による以１１ｔ「
の半導体サージ保護素子においては不可能であった、相
当程度に簡易かつ任意な降伏電圧の規定を許す点で優れ
ており、基板ウェハの抵抗率に依らず、素子の降伏電圧
（パンチ・スルー電圧）をプロセス条件だけでも決定す
ることができる。

また、少数キャリアの注入部が設けられているため、ブ
レーク・オーバする特性を有し、したがって大きなサー
ジ耐量を得ることができる。

しかし、こうした素子においても、上記のように注入接
合部があるかため、実際上、両極性の素ｒを作ることは
かなり厄介で、あえて内棒性素子とするには、各素子の
注入接合部の降伏電圧を十分に高くした上で、互いに逆
並列接続する等、図らねばならなかった。

こうした逆並列接続は組立が面倒で、チップを切り出し
、裏返しに貼る等の工程を必要とし、ために集積化も難
しかった。

静電容量に関しても、逆並列接続するということは、当
然、単位素子の持つ静電容量を、さらに用いた素子数分
だけ、倍増させる結果となり、やはり望ましいとは言え
ない。

本発明は以上のような従来の実情にかんがみて成された
もので、大きなサージ耐量、低電圧からの動作、小さな
接合部１１、良好な続流遮断効果等、電気的な特性はも
とより、両−極性素子や集積化も簡県な基本構造を有す
る半導体サージ保護素子を提供せんとするものである。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明においては、構造的に
は既述の本発明者開発になる従来例■の改良を図り、た
だし動作機構的には上記パンチ・スルーに限らずアバラ
ンシェ降伏も含んだ形でより広く展開しながら、さらに
保持電流や逆方向降伏電圧の調整、規定が可能なように
、注入キャリアの制御が可能な補助領域を設けるという
構成を提案する。

こわかあれば、後述の作用の項や実施例の項に明らかな
ように、上記電気的諸特性の向上に加え、内棒性素子を
得る逆直列構成も簡単に得ることができ、またそうした
逆直列構成を採用すれば、等価静電容量は順逆の別なく
、直列であることによって、当該直列数分の−に低減し
得ることになる。

詰まる所、本発明の半導体サージ保護素子に要求される
最低限度の基本構成を挙げれば、ｒ　′性導体基板自体
として形成されるか、または１該半導体基板に対して分
離的に形成された第一導電型の第一半導体領域と； 該第一半導体領域の上下両表面の中、一方の表面側に形
成され、上記第一導電型とは逆導電型であって上記第一
半導体領域との間でｐｎ接合ダイオードを形成する第二
の半導体領域と；上記第一半導体領域とは反対側からト
記第二゛ｉ導体領域に接触することにより、該第一半導
体領域との間の離間距離をして一ヒ記第二半導体領域の
実効厚味を規定する第三領域と：」二記第一半導体領域
の上記上下両表面の中、上記一方に対向する他方の表面
側に形成され、該第一半導体領域と同一・導電型であっ
て高不純物濃度の補助領域と： 上記補助領域に対して注入接合を形成する第四領域と； から単位の基本構造が形成され、ト記第一半導体領域と
上記第二半導体領域とで構成される上記ｐｎ接合ダイオ
ードの逆バイアスで生ずる空乏層が上記第三領域に到達
したときに生ずる上記第一半導体領域と上記第三領域と
の間のパンチ・スルーか、または上記第一半導体領域と
上記第二半導体領域との間で生ずる雪崩降状によりサー
ジ電流を吸収し始めると共に、上記補助領域の厚さか不
純物濃度のどちらか一方または双方が、逆耐圧と保持電
流の中、一方または双方を規定する半導体サージ保護素
子」 となる。

そして、上記の単位基本構造を有する素子を複数個用い
、それら複数個の単位基本構造の各々の第四領域を、他
の全ての単位基本構造の第四領域に対し電気的に接続す
る構成も提案する。

上記全ての第四領域相互の電気的な接続に関しては、そ
れ自体、幾種類かの手法が考えられ、一つには、各第四
領域表面に形成したオーミック電極を共通の導電膜また
は導電板上に載置、接触させる手法がある。

また一つには、全ての第四領域を共通領域として形成す
る手法もある。

さらに、第四領域に加え、補助領域も全ての単位Ｊ、（
本構造に共通の領域とするか、あるいはまた、こうした
第四領域と補助領域に加え、第一半導体領域をも共通領
域とする構成も提案することができる。

そしていずれの場合にも、そうした全ての単位基本構造
に共通な領域部分を除いて、隣接する素子間には空間的
な切り通しや、絶縁物埋設等による絶縁分離機構を備え
ても良く、逆に第一領域まで共通領域として構成されて
いるような場合には、特に絶縁分離を図らなくても良い
。

もちろん、第四領域には専用ないし共通のオーミック電
極を設ける構成も提案することができる。

［作用および効果］ まず、本発明の適用された最も基本的な素子形態として
、主として請求項１にのみ即して構成された場合に相当
する、素子単体での作用とその効果につき、考える。

本発明の半導体サージ保護素子においては、第一の半導
体領域と第二の半導体領域とにより構成されるｐｎ接合
ダイオードに対し、サージに伴う逆バイアスが印加され
た場合、当該接合に生成される空乏層は、第一半導体領
域に向けて伸びると同時に、第三の領域に向けても伸び
ていく。

そして、素子降伏電圧の規定をアバランシェ原理による
べく構成した場合には、上記の逆バイアスが当該アバラ
ンシェ降伏電圧に至ったとき、また、パンチ・スルー原
理によるべくした場合には、上記の空乏層が第三領域に
達したときのパンチ・スルーで、素子内部にサージ電流
の放流経路が形成される。

こうしたアバランシェ降伏電圧またはパンチ・スルー動
作開始電圧は、第４図中において“降伏電圧”として示
されている。

しかるに、素子内への放流電流は、第四領域から補助領
域を介し、第一半導体領域に至る経路で流れ出し、換言
すれば、要旨構成中に記したように、当該第四領域が補
助領域に対し、少数キャリアを注入し得る注入接合を形
成する材料（例えば補助領域とは逆導電型の半導体とか
シリサイド、さらにはまた補助領域がｐ型である場合に
は電子注入の可能な金属等）から構成されている限り、
当該第四領域からまず補助領域に対し、少数キャリアの
注入が始まり、ここで多数キャリアとの再結合が生じ始
める。

しかし、さらに通過電流量が増して行くと、この再結合
速度が少数キャリアの供給速度に追い付かなくなるか、
あるいはまた補助領域の欠陥密度が少数キャリアにより
埋め尽された状態が起こり、こうなると、少数キャリア
は当該補助領域をそのまま通過し始める。

すると、例えば外部端子や表面導電層を介し、第二半導
体領域と第三領域とが電気的に短絡されているようなこ
とがあっても（そうでない場合はもちろんのこと）、当
該少数キャリアが第二半導体領域に流れ込んだ結果とし
て、第二半導体領域には電圧降下が生じ、第三領域から
第二半導体領域に対してキャリアの注入が起こる。

このようなキャリアフト人過程が繰返されていきながら
、やがてのことに第４図中にブレーク・オーバ電流とし
て示された値以にの大きさの電流が流れると、ＩＥ帰之
現象を介し、素子の両端電圧、すなわちクランプ電圧は
極端に低電圧となる。

そのため、本発明の半導体サージ保護素ｆでは、素子内
で消費されるエネルギを極力小さな値に抑え込むことも
でき、素子の発熱を抑えながら大電流の放流が可能とな
る。

なお、ブレーク・オーバ電流を呈する電圧をブレーク・
オーバ電圧と呼ぶことができ、一般にこのブレーク・オ
ーバ電圧は、第４図に示されるように、先に定義した降
伏電圧よりは高くなる。

したがって、本発明素子の初期動作から電圧クランプま
での素子両端の電圧履歴を追うと、サージ印加に伴い、
それが降伏電圧以りであればアバランシェ降伏またはパ
ンチ・スルー動作により素子内に印加サージの放流電流
が生じ、この放流電流がブレーク・オーバ電流に至るま
では素子両端電圧はいく分か上昇するが、−旦でもブレ
ーク・オーバ電流を越えるとブレーク・オーバ電圧から
極端に値の低いクランプ電圧に移る。

サージに基づく異常電圧が消失すると、素子内を流れる
放流電流分が減少して行き、やがてのことに補助領域を
通過する少数キャリアがある値以下にまで減少すると、
素子は高インピーダンスを７するオフ状態に自己復帰す
る。つまりは続流防１１−機能を有し、しかも高速な復
帰能力を持っている。

こうした補助領域の作用は、結局、素子をオン状態に維
持し得る最小の電流値である保持電流の規定をも意味す
る。

このようにして、本発明の素子構成を採用した場合、上
記したブレーク・オーバ電流や保持電流の値に関しては
、補助領域における不純物濃度やその厚み等がその規定
要因となる。

例えば補助領域の不純物濃度を濃くすれば、少数キャリ
アの注入効率は低下するので、第二半導体領域において
の電圧降下分も低下し、第三領域からのキャリア注入も
止め易くなる結果、電流の値が相当に大きな所でもオフ
状態に移行可能なものとなる。

逆に、補助領域の不純物濃度を薄目にすれば、もちろん
、逆の結果に帰結する。

こうした関係をも含め、本発明により得られる半導体サ
ージ保護素子のＶ−１特性については、当該第４図を元
に、もう少し詳しく説明する。

まず、図中、実線で示されたＶ−１特性に着目する（こ
れに係る各電流、電圧値には単に数字符号“１”を付す
）と、−上記のように、ブレーク・オーバ電流１と保持
電流１の値は、本発明により設けられた補助領域の不純
物濃度により決定される。これはまた、補助領域の厚さ
によっても規定することができる。

一方、補助領域と第四半導体領域とで構成されるｐｎ接
合ダイオードは、逆方向降伏電圧１において、ツェナ降
伏またアバランシェ降伏する。

これに対し、補助領域のない、本発明者既開発になる既
述の従来例■のような半導体サージ保護素子では、保持
電流の値は、本発明のようなキャリアの注入、再結合機
構がない分だけ、小さな値となり、逆に第四半導体領域
に対し、補助領域がない故に直接に接触する第一半導体
領域と当該第四半導体領域とで構成されるｐｎ接合ダイ
オードの逆耐圧は、本発明におけるよりも高い値となる
。

結局、補助領域の存在は、上記のような事実をして有意
であり、保持電流、逆耐圧等の諸パラメータを相当程度
、任意な設計下に置ける作用を有する。

第４図中、仮想線で示されるＶ−Ｉ特性に示されるよう
に、補助領域の不純物濃度を増してキャリア再結合中心
のｈｌを増やしてやわば、保持電流値は例えば値２で示
されるように増加させることができる。対して、補助領
域と第四半導体領域とで構成されるｐｎ接合ダイオード
の逆方向降伏電圧２は、絶対値において小さな値になる
。

こうしたことから、−数的に言って、保持電流値の増加
は逆方向降伏電圧の絶対値における低下を伴う関係にあ
り、補助領域の不純物濃度調整は、この関係に基づき、
保持電流値、逆方向降伏電圧値（逆耐圧）を調整するこ
とになる。

ただし、上記保持電流の制御や、さらにブレーク・オー
バ電圧、ブレーク・オーバ電流の制御は、第二半導体領
域の抵抗値調整や、第三半導体領域、第一半導体領域に
対する形状の如何によってもなすことができる。第四半
導体領域の第一半導体領域に対する形状とか、第一半導
体領域が直接に外部端子に接続されている場合には当該
第一半導体領域の抵抗や、さらに当該第一半導体領域に
おける第四半導体領域近傍の形状の如何によっても、こ
れら値は調整可能である。

すでに明らかなように、本発明の半導体サージ保護素子
においては、そもそも降伏を開始するときのメカニズム
については、アバランシェ降伏でもパンチ・スルー原理
でも良いようになっている。実際上、静的な構造上は原
理的、図面的に示すと何等変りなくとも、各種のパラメ
ータの条件如何により、アバランシェ降伏となるかパン
チ・スルー動作となるかが決定されることも多い。

しかし、本発明の効果を共に享受し得るという事実を除
き、単にこれら両者を比較する限りにおいては、どちら
かと言えばパンチ・スルー利用型とした方が有利である
。

アバランシェ降伏型素子におけるアバランシェ降伏電圧
は、ｐｎ接合を形成する両領域の中、高比抵抗側を形成
する一方の半導体領域、したがフて本発明のような構造
では第一半導体領域の不純物濃度、結局は出発ウェハの
不純物濃度により、はぼ一義的に定まってしまう。

そのため、これに付随した動作抵抗や静電容量環、他の
パラメータも制約を受は易くなってしまう。そして、こ
れらのパラメータが素子の降伏電圧に依存するという事
実が、素子設計の自由度や適用範囲を狭めることもある
。また、異なる降伏電圧の製品を得ようとするなら、そ
れに応じて不純物濃度の異なった半導体ウェハを用いね
ばならない点でも好ましくはない。

これに対し、既述の従来例０にて提案されているように
、パンチ・スルー型を利用すると、これらの点について
特に有利となる。

換言すれば、本発明の効果は、アバランシェ降伏型の半
導体サージ保護素子においても十分に有意に発揮され、
したがってこの種の半導体サージ保護素子をも本発明の
範囲内には含むものではあるが、特に本発明をパンチ・
スルー型の半導体サージ保護素子に適用すると、その効
果は最大となる。

つまり、本発明の請求項に記載された要旨構成が、特に
パンチ・スルー型として規定された場合、まず、パンチ
・スルー動作を開始せしめる降伏電圧は、第一半導体領
域に対し、その反対側で第二半導体領域に接する第三半
導体領域の高さ位置をどの程度に設定するか、すなわち
中間の第二半導体領域の実効厚味をどの程度に設定する
かにより、相当程度、任意に変更、制御できるものとな
る。

例えば中間の第二半導体領域の実効厚味を厚く設定する
と、他の条件が同一であれば、生成した空乏層が第三領
域にまで伸びるにはより大きな逆方向バイアスが必要と
なり、これは結局、素子が降伏する降伏電圧を高めたこ
とになるし、逆に中間の第二半導体領域の実効厚味を薄
くすれば、生成した空乏層は比較的低い印加電圧でも容
易に第三領域に到達することになるから、降伏電圧を低
［１に設定したことになる。

もちろん、こうした降伏電圧は、中間の第二半導体領域
の不純物濃度によっても制御し得るが、いづれにしても
、このようにパンチ・スルー型として構成されると、第
一半導体領域として適当な市販の半導体ウェハをそのま
ま用いても、そしてまた同一種類の半導体ウェハを出発
部材としても、任意所望の降伏電圧の半導体サージ保護
素子が得られることになる。

また、第二半導体領域の実効Ｊゾ味のル制御とその不純
物濃度の制御とを適当に操作ずれば、降伏ｒＨＨＪ−ト
の如何に刻して接合容７１１や直列抵抗を独立にも設計
できるようになる。

したがって、出発ウェハに抵抗率の高いものを選べば、
アバランシュ降伏型として構成した場合よりも小さな静
電容量の素子を得るのか筒中、になり、この神の半導体
サージ保護素ｒの適用可能な周波数帯域をさらに広げ得
ることにもなる。

なお、半導体基板（ウェハ）そのもの、ないしＮｌ！−
導体基板に分離的に形成された第一゛ト導体領域に対し
、順次に第一二半導体領域、第三領域を形成していく手
法自体は、既存のエピタキシャル成長技術によっても良
いし・、イオン打込み、選択拡散等々によっても良いが
、いずれによるにしても、第：鑞゛ｒ−導体領域の実効
厚味とか不純物濃度の制御は、現在の技術でも極めて高
いものが得られるから、結局は本発明を適用するのにパ
ンチ・スルー利用型として作成される半導体サージ保護
素子は、要すればその精度を特に高いものとすることが
てきる。

請求項１に加えて請求項２の構成も加味された本発明の
゛白導体サージ保護素子においては、複数個用いられる
中位基本構造の中、例えば二つを−・組として一回線用
と考えると、各単位基本構造に関し、これまで説明して
きた基本作用を共に期待し得る外、さらに両極性のサー
ジ電流をも放流可能となる。

すなわち、これら二つの単位基本構造の各第四領域相互
が電気的に接続されていれば、どちらか−・方のＩｊ−
位基本構造の第一、第二半導体領域間にサージによる逆
バイアスが印加されるとき、他方の単位基本構造の第一
、第二半導体領域間は順バイアスとなる。

逆に、第一、第二半導体領域間にサージによる逆バイア
スが印加されている方の単位基本構造では、補助領域と
第四領域とで構成されるｐｎ接合は順バイアスとなり、
他方の単位基本構造におけるそれは逆バイアスとなフて
、ある逆方向降伏電圧を持つ。

こうした関係において一方の素子でブレーク・オーバ電
流として示された値以七の電流が印加されると、既述の
正帰遍現象を介し、この単位基本構造両端のクランプ電
圧自体は極端に小さな値に低下し始める。

しかし、一対の単位Ｊ真木構造の各第三領域に接続され
た端子の各々をそれぞれ、この両極性用サージ保護素子
の一対の端子の一方あてとして見た場合、これら端子間
か導通した後の両極性サージ保護素子としてのクランプ
電圧は、ト記一方の単位基本構造に係るクランプ電圧に
対し、他方の補助領域と第四領域との逆耐圧が加わった
値となる。

したがって、これを言い直せば、この種の逆直列構成に
よる両極性サージ保護素子では、当該両極性サージ保護
素子としてのクランプ電圧は、補助領域と第四領域との
ｐｎ接合に規定される逆方向降伏電圧によっても調整で
きるものとなり、こうしたクランプ電圧の規定はまた、
上記のようにアバランシェ降伏またはツェナ降伏に係る
各領域の不純物濃度制御や厚さ制御等により、相当自由
になすことができる。

このように、素子としてのクランプ電圧がかなり任意に
設計できるということは、この両極性サージ保護素子を
適用する回路系の電源電圧に応じ、続流現象を生じせな
いために最適なりランプ電圧を求め得るということにも
なる。

ここで、こうした続流現象の防止について考えると、こ
れには主として二つの方法がある。

一つは電流に鑑みてのそれであって、本発明の場合、ト
記した保持電流を回路系の供給電流値より大きく設定す
ることで、この手法を満たすことができる。

第二には電圧に鑑みての遮断で、これには上記のように
、素子のクランプ電圧を回路系の回路電圧より高目に設
定して置けば良い。

両方式共、異常電圧が去った後は速やかにサージ保護素
子をして高インピーダンス状態に復帰させるのに役立つ
が、明らかなように、本発明によると、そのいずれの方
式をも良く満たし得ることが分かる。上記のように、保
持電流の制御もクランプ電圧の制御も可能だからである
。

なお、基本的な逆直列構成として、最低二つの単位基本
構造を逆直列接続しただけでも、そうした直列素子の等
価静電容量は中一体の半分になるから、その点でも有利
である。

さらに、上記した電気的特性」−からの有利性に加え、
構造的にも、本発明は上記逆直列構成の両極性サージ保
護素子や、さらに多回線同時保護用集積回路の構築に極
めて都合の良い構成を提案している。

例えば、二つの逆直列構成を、それぞれ単体として別途
に構築した単位基本構造から得る場合にも、せいぜい、
それら各単位基本構造の第四領域表面（第一半導体領域
表面から見れば素子裏面）側にオーミック接触層を形成
し、このオーミック接触層ないしオーミック電極の部分
で適当なる共通の導電体ないし導電股上にそれらを載置
するだけで、目的の構造が得られる。これは極めて簡単
な組立手続である。

また、百単位基本構造の第四領域を共通領域として構成
するという思想に即すれば、一連のプロセスによってこ
れら両惟位基本構造を同時に形成できるので５単体の単
位基本構造を製造するに要するとほぼ変りない手間と時
間で、こうした逆直列構造を得ることができる。

その場合にも、共通の第四領域を残した他の領域和〃は
、酸化手続とかエツチング処理等、適当なる絶縁分離手
段の採用により、当該隣接方向に電気的に分離されるよ
うにしても良いし、そうでなく、特には絶縁分離手段を
採用せず、適宜に隣接素子との間に距離を採るでけでも
、所期の作用を営ませることができる。

これは、結果として最も低インピーダンスな線路に電流
が支配的に流れるという単純な基本原理に即して考えて
も間違いでなく、素子積層構造の厚さ方向への電流線路
が十分に横方向に比し、例えば弔純に距離が短い等の理
由によっても低インピーダンスでありさえすれば、例え
複数回線のどれか一つにのみ、選択的にサージが印加さ
れても、当該サージが印加された線路に関しての単位基
本構造のみが、隣接する他の単位基本構造の影響をほと
んど受けることなく、所期通りにブレーク・オーバする
結果を得ることができる。

したがって、いわゆるラテラル構造における望ましくな
い寄生効果は、本発明のような構造の場合、余り考慮し
なくても済む。

そして、このような共通領域構成に関する理屈は、結局
、第四領域のみならず、補助領域や、さらには第一半導
体領域をまで、共通領域とし得ることをも意味し、また
、単に一対の単位基本構造に対してのみならず、これら
を多数個集積して、多回線用とする場合にも、同様に簡
単な製造工程ないし組立手順の採用で済むことが分かる
。

逆に、第四領域のみならず、補助領域をまで共通領域と
した場合、むしろ電気的な動作特性上も望ましい結果を
得ることができる。

例えば、全ての単位基本構造に同時に雷サージ等が印加
されたような条件下では、補助領域が全ての単位基本構
造に共通の領域となっていると、ここにおける電位は、
当然のことながら、ある共通の電位となる。

そのため、全ての単位基本構造におけるブレーク・オー
バ動作速度をほとんど同じにし得るという効果も生まれ
、従来のように個々の素子の動作速度にむらのあった避
雷管利用時のように、どれか一つはオンとなっているが
、他は未だにオフとなっている過渡状態が生じ、その間
、望ましくない線間電圧が生ずるという問題も解決する
ことができる。

もちろん−１製造上もこの方が簡単になるし、さらに第
四領域、補助領域、第一半導体領域をまで、全ての単位
基本構造に共通の領域とし、かつ、それらの併置方向な
いし隣接方向に特には絶縁分離を施さないという構成が
、製造上、最も簡単になる。

本発明に基づき、平衡多回線用サージ保護素子集積構造
を構成し、かつ、各回線ごとに上記した逆直列構成を採
用する場合、各逆直列構成中における一方の単位基本構
造の第三領域に付した端子は、一般に全て共通に、接地
端子として取出されることが多い。

こうした場合には、単に外部的にそれら端子群を共通接
続するのみならず、ある一つの単位基本構造が面積的な
いし体積的にも共通の大きな一つの領域を占めるように
構成し、他方の各回線用の中−位基本構造をそれぞれ、
共通にこの大きな接地側Ｑｉ位基本構造に対して逆直列
接続となるように臨ませるのも良い配慮である。そうし
た外部線路接続も必要なくなり、より−層、簡便化する
からである。特に、接地側の四位基本構造におけるサー
ジ耐晴を大きくし得ることでも、この共通単位基本構造
の大型化構造は望ましいと言える。

−・方でそのように、各逆直列接続構成の各一方を共通
に兼ねる単位基本構造を体積的に大型化しても、各回線
ごとの各逆直列構成の等価静電容量は、この共通単位基
本構造に対して接続される当該側々に専用の単位基本構
造の持つ静電容量の存在により、それ程に大きくなるこ
とはないし、当然、線間サージの吸収も可能である。

［実　／ｉ１！ｉ　　例］ 以下、図示する本発明実施例の幾つかにつき詳記する。

もちろん、各請求項に対応した実施例が存在するが、す
でに述べてきたように、これらは極めて密接な関連にあ
るので、互いに参考にすることができる。

第１図に示す半導体サージ保護素子ｌＯは、主として請
求項１に基づいて構成された本発明の比較的基本的な実
施例の一つであって、半導体基板を第一導電型の第一半
導体領域１としてそのまま用い、その上下両表面の中、
一方の表面に順次、第二半導体領域２、第三領域３を二
重拡散技術で形成し、他方の表面、すなわち裏面には、
補助領域５、第四領域４をそわぞれ半導体製に選び、こ
れを拡散技術で形成している。

このような関係において、例えば半導体基板ないし第一
半導体領域１がｎ型半導体であった場合には、ホウ素等
の適当な不純物の拡散技術により、第二を導体領域２及
び第四半導体領域４はｐ型とする。

第三領域３は、本素子１０か導通した際の主電流線路の
一端部を形成するので、望ましくは高導電率であること
か良く、この実施例では高不純物濃度ｎ型、すなわちｎ
十型領域として、第二半導体領域２内への不純物の二重
拡散により形成されている。実際にはこれは、高濃度燐
拡散等により得ることができる。

同様に、本発明により特徴ある領域として設けられてい
る補助領域５は、その不純物濃度が既述したように、少
なくとも逆耐圧と保持電流の中、一方または双方を規定
することができるが、相対的な問題としては、第一半導
体領域ｌと同一の導電型で、より高不純物濃度なｎ＋型
領領域して構成される。これも実際上、高濃度燐拡散等
により得ることができる。

図示実施例の場合、第二半導体領域２と第三領域３とは
、その表面に付された金属層等適当なるオーミック電極
により、あらかしめ接続が採られており、したがって第
三領域３の引き出し端子３Ｌは、実際ト、第二半導体領
域２の引き出し端子をも兼ねている。

ここで、端子３Ｌと第四半導体領域４の引き出し端子４
Ｌどの間にサージが印加されたものとし、かつその極性
が、第一半導体領域１と第二半導体領域２とで形成され
るｐｎ接合に逆バイアスを印加する方向であったとする
と、当該ｐｎ接合に生成される空乏層は、第一半導体領
域１に向けて伸びると同時に、第三領域３に向けても伸
びていく。

そして、素子降伏電圧の規定をアバランシェ原理による
べく構成した場合には、上記の逆バイアスが当該アバラ
ンシェ降伏電圧に至ったとき、また、パンチ・スルー原
理によるべくした場合にはＦ記の空乏層が第三領域３に
達したときのパンチ・スルーで、素子ＩＯの内部にサー
ジ電流の放流経路が形成される。

こうしたアバランシェ降伏電圧またはパンチ・スルー動
作開始電圧は、先にも述べたように、第４図中において
“降伏電圧”と示されている。

しかるに、素子内への放流電流は、第四領域４から補助
領域５を介し、第一半導体領域１に至る経路で流れ出す
が、こむに伴い、補助領域５においては、第四領域４か
ら第一半導体領域１に向けて注入される少数キャリアが
多数キャリアと再結合する現象が生じ始める。

しかし、さらに通過電流量が増して行くと、この再結合
速度が少数キャリアの供給速度に追い付かなくなるか、
あるいはまた補助領域５の欠陥密度が少数キャリアによ
り埋め尽された状態が起こり、こうなると、少数キャリ
アは当該補助領域５をそのまま通過し始める。

すると、図示の場合、第三領域３に対し、電気的に接続
されている第二半導体領域２に当該少数キャリアが流れ
込んだ結果として、第二半導体領域２には電圧降下が生
じ、第三領域３から第二半導体領域２に対してキャリア
の注入が起こる。

このようなキャリア注入過程が繰返されていきながら、
やがてのことに第４図中にブレーク・オーバ電流として
示された値以上の電流が流おると、正帰還現象を介し、
素子１０の両端電圧、すなわちクランプ電圧は極端な低
電圧となる。

これが、素子＋（ｌの発熱を抑えながら大電流の放流を
可能とする理由であることは先に作用の項において述べ
た通りである。

もう−度、第１図示の素子ｌＯの初期動作から電圧クラ
ンプまでの素子両端の電圧履歴を追うと、サージ印加に
伴い、それが降伏電圧以上であればアバランシェ降伏ま
たはパンチ・スルー動作により素子内に印加サージの放
流電流が生じ、この放流電流がブレーク・オーバ電流に
至るまでは素子両端電圧はいく分か上昇するが、−旦で
もブレーク・オーバ電流を越えるとブレーク・オーバ電
圧から極端に値の低いクランプ電圧に移る。

サージに基づく異常電圧が消失すると、素子内を流れる
放流電流分が減少して行き、これに連れて補助領域５を
通過する少数キャリアがある値以下になると、当該少数
キャリアの注入が断たれ、素子は高インピーダンスを呈
するオフ状態に自己復帰する。

したがって、本素子１０は、続流防止機能も有し、しか
も高速な復帰能力を持っている。

換言すると、補助領域５は、素子をオン状態に維持し得
る最小の電流値である保持電流の値を規定し得る能力を
持っている。

例えば補助領域５の不純物濃度を濃くすれば、少数キャ
リアの注入効率は低下するので、第二半導体領域２にお
いての電圧降下分も低下し、第三領域３からのキャリア
注入も止め易くなる結果、電流の値が相当に大きな所で
もオフ状態に移行可能になる。逆に補助領域５の不純物
濃度を薄目にすれば、当然、上記とは逆の結果に帰結す
る。

こうした関係をも含め、第１図示の半導体サージ保護素
子１０のＶ−１特性について再度、第４図に即してみる
と、図中、実線で示されたＶ−１特性におけるブレーク
・オーバ電流値１と保持電流値ｌは、本発明により設け
られた補助領域５の不純物濃度により決定される。これ
はまた、補助領域５の厚さによっても規定することがで
きる。

一方、補助領域５と第四半導体領域４とで構成されるｐ
ｎ接合ダイオードは、逆方向降伏電圧１においてツェナ
降伏またはアバランシェ降伏する。

補助領域５はまた、この逆方向降伏電圧１の値も、相当
程度、任意な設計下に置ける働きを有する。

つまり、第４図中、仮想線で示されるＶ−を特性に示さ
れるように、補助領域５の不純物濃度を増してキャリア
再結合中心の量を増やしてやれば、保持電流値は例えば
値２で示されるように増加するのに対し、補助領域５と
第四半導体領域４とで構成されるｐｎ接合ダイオードの
逆方向降伏電圧２は、絶対値において小さな値になる。

すなわち、これも既述の理由により、−数的に保持電流
値の増加は逆方向降伏電圧の絶対値における低下を伴う
関係にあり、補助領域５の不純物濃度調整は、この関係
に基づき、保持電流値、逆方向降伏電圧値を調整するこ
とになる。

ただし、上記保持電流の制御や、さらにブレーク・オー
バ電圧、ブレーク・オーバ電流の制御は、第二半導体領
域２の抵抗値調整や、第三半導体領域３、第一半導体領
域１に対する形状の如何によってもなすことができる。

第四半導体領域４の第一゛ｌ′：専体領載体領域１る形
状とか、第一半導体領域１か直接に外部端ｆ−に接続さ
れている場合の当該第一半導体領域１の抵抗や、さらに
当該第一半導体領域１における第四゛ｒ−４体領域４の
近傍の形状の如何によっても、これら値は調整可能であ
る。

−４−てに連・＼たように、本発明においては、第１図
示のような了、導体サージ保護素１−１ｏの構成自体は
静的に見てほぼ同一ではあっても、その降伏動作に関与
する原理機構は、アバランシェ降伏でもパンチ・スルー
原理でも良いようになっており、確かに、補助領域の介
在による効果は共に満たすことができる。

しかし、先に作用の項において述へたように、弔にこれ
ら両者を比較する限りにおいては、どちらかと言えばパ
ンチ・スルー利用〜１とした方が有利である。

ど計うのも、第１図示の半導体サージ保護素子１０にお
いてパンチ・スルー動作を開始せしめる降伏型１Ｆは、
第一！ｒ−導体領域１に対し、その反対側で第一’ｔ’
＝　＃　Ｋ領域２に接する第一３領域３の高さ位置をど
の程度に設定するか、すなわち中間の第二゛ｈ導体領域
２の実効Ｊ（＾味をどの程度に設定するかにより、相当
程度、ｆｆ意に変更、制御できるからである。

例えば中間の第二半導体領域２の実効厚味を厚く設定す
ると、他の条件が同一であれば、ｌ構成した空乏層が第
モ領域３にまで伸びるにはより大きな逆）Ｊ゛向バイア
スが７四１となり、これは結局、第４図中１示さ、ｔ＋
、−ｃいる降伏電圧を高めたことになるし、逆に中間の
第ニーｒ−導体領域２の実効厚味を薄くすれば、生成し
た空乏層は比較的低い印加電圧でも容易に第三領域３に
到達することになるから、降伏電圧を低１１に設定した
ことになる。

この降伏電圧はまた、中間の第一半導体領域２の不純物
濃度によっても制御し得るが、いずわにしても、このよ
うにパンチ・スルー型として構成されると、第一半導体
領域１として適当な市販の半導体ウェハをそのまま用い
てさえ、そしてまた同一種類の半導体ウェハを出発部材
としても、任意所望の降伏電圧の半導体サージ保護素子
ｌＯが得られることになる。アバランシェ型では一般に
そうは行かない。

実際にも本発明者における実験によりば、未発１１Ｊド
ｉ導体サージ保護素子をパンチ・スルー利用型とした場
合、降伏電圧の設計幅は、数ボルトから数百ボルトに及
ぶことが確かめられている。

また、第二半導体領域２の実効厚味の制御とその不純物
濃度の制御とを適当に操作すれば、降伏電圧の如何に対
して接合容量や直列抵抗を独立にも設計できるようにな
る。

したかつで、出発ウェハに抵抗率の高いものを選べば、
アバランシェ降伏３＋２として構成した場合よりも小さ
な静電容量の素子を得るのが簡単になる。これは、この
種の半導体サージ保護素子の適用可能な周波数帯域を広
げ得ることになる。

なお、半導体基板（ウェハ）そのもの、ないし半導体基
板に分離的に形成された第一半導体領域１に対し、順次
に第二半導体領域２、第三領域３を形成して行く手法や
、その反対側において補助領域５、第四領域４を形成し
て行く手法自体は、既存のエピタキシャル成長技術によ
っても良いし、イオン打込み、選択拡散等々によっても
良いが、いずれによるにしても、−Ｆ記の第二半導体領
域２の実効厚味とか不純物濃度の制御は、既述した補助
領域５に関するそれらと全く同様に、現在の技術でも極
めて高いものが得られるから、結局は本発明を適用する
にもパンチ・スルー利用型として作成された半導体サー
ジ保護素子は、要すればその積度を特に高いものとする
ことかできる。

なお、図示実施例では半導体領域としまたが、第四領域
４は補助領域５に対して注入接合が形成できれば良く、
したがってこの第四領域４にシリサイド等を選ぶごとも
できるし、第一半導体領域１、補助領域５がｐ型の場合
には、適当なる金属等も選ぶことができる。

第２図に示されているサージ保護素子は、両極性のサー
ジ電流をも放流可能なように、第１図示のト記半導体サ
ージ保護素子１０を単位の基本構造１０とし、本発明の
請求項２以降に関し、ただしその比較的基本的な構成例
として、この単位基本構造を二つ（１０−＋　、　１Ｏ
−２）用い、これらを逆直列接続した場合の一例を示し
ている。

なお、特にどちらかの構造やそれに含まれる各領域を特
定する必要のある場合には、上記のように弁別用の号フ
ィックス“−！”・　“−２”を用い・例えば第三領域
３−１とか３−２等と記すが、どちらの単位基本構造に
関しても共通に言える事項とか、単位基本構造の一方を
特定したが故にその領域についてまで、あえて特定表記
しなくても分かるときには、そうしたサフィックスを省
略し、先と同様、例えば第三領域３等と記す。特に図中
においては、各単位基本構造全体を示す符号１０にのみ
、各サフィックスを付すに留め、他の領域には簡明化の
ため、これらを省いた。

各々の単位基本構造ｔｏ−，、１（Ｌ２共、個別に見れ
ば、第一半導体領域１、第二半導体領域２、第三領域３
、第四領域４、補助領域５を先の第１実施例に関して述
べたと同様の形状、配置関係で有し、したがって、個々
の作用も本質的には先の第一実施例におけると同様であ
る。

ただ、第三領域３に関しては、単一連続領域ではなく、
複数の要素領域３１．３２．３３．　、、、、、、、３
ｎ（図示の場合ｎ・５）の集合から構成されている点で
異なっている。

これは、本単位基本構造ｌＯを既述のようにパンチ・ス
ルー原理に従って動作させようとする場合に、第一、第
三領域１．３間でバンチスルーが起きた後のサージ電流
の分布をさらに均一化しようとした結果であり、このよ
うにすると、電流８屏もほぼ素子面積に比例して増大さ
せることができる。

したがって、この第三領域３に関する分割構成は、第１
図示の基本構成においても採用することができ、逆にも
ちろん、この第２図示の構成や、後述の第３各図示の構
成に関し、基本構成中における単一かつ連続的な第三領
域構成を採用しても、原理的には何等、差支えない。

また当然、この第２図示の実施例でも、第一実施例につ
いて述べた他の配慮は同様に援用することができる。

さて、第２図示の両極性サージ保護素子においては、少
なくとも第四領域／ｌ、、４−２は、幾何構造的に必ず
しも連続している必要はないが、互いに電気的には接続
していなければならない。

そこでまず、この基本的な実施例においては、各第四領
域１．，１２の表面（裏面）に、共通のオーミック電極
６を付している。

しかるに、このように、二つの単位基本構造の各第四領
域相互が電気的に接続されていれば、どちらか一方の単
位基本構造（例えば１０−、とする）の第一、第二半導
体領域１，２間にサージによる逆バイアスが印加される
と、他方の単位基本構造（したがってこの場合、１Ｏ−
２）の第一、第二半導体領域１．２間は順バイアスとな
る。

逆に、第一単位基本構造１０−、では、補助領域５と第
四領域４とで構成されるｐｎ接合は順バイアスとなり、
他方の単位基本構造１Ｏ−２におけるそれは逆バイアス
となる。

こうした関係において一方の単位基本構造！Ｏ−１でブ
レーク・オーバ電流値以上の電流が印加されると、既述
の正帰還現象を介し、この単位基本構造両端のクランプ
電圧自体は極端に小さな値に低下し始める。

しかし、一対の単位基本構造１（Ｌ、、ＩＬ２の各第三
領域３．３に接続された端子３ｔ、　、　３ｔの各々を
、この両極性用サージ保護素子の一対の端子の一方あて
として見た場合、これら端子３ｔ、３ｔ間が導通した後
の両極性サージ保護素子としてのクランプ電圧は、上記
一方の単位基本構造ＩＬ、に係るクランプ電圧に対し、
他方１０−２の補助領域５と第四領域４との逆方向降伏
電圧が加わった値となる。

このようなメカニズムに即しての本道直列構成素子の特
性例を示すと、第５図中、実線で示される曲線のように
なる。素子接続法からして明らかなように、この特性自
体は原点に関し、点対称となる。

この実線曲線上に示されている本第２図示素子のクラン
プ電圧１は、上記の理由により、第１゜４図に示された
ような？林体のみの場合におけるより、高くなっている
。パンチ・スルーを起こしていない他方のｒ…位基本構
造１０−２の補助領域５と第四領域４との間のツェナ降
伏またはアバランシェ降伏電圧が加わっているからであ
る。

降伏電圧やブレーク・オーバ電圧１、ブレーク・オーバ
電流１、さらに保持電流１等は、既に説明したように、
設計的に規定可能である。

してみるとまた、続流防止効果に関しても、この第２図
、■の逆直列構成の素子は、第１図示構成よりさらに有
利なことか分かる。

まず、クランプ電圧は、補助領域５と第四領域４とのｐ
ｎ接合に規定される逆方向降伏電圧によっても調整でき
るものとなっているので、この両極性サージ保護素子を
通用する回路系の電源電圧に応し、続流現象を生しせな
い十分高い値１にまで、クランプ電圧を設定可能となっ
ている。

一方、これも先に述べたように、保持電流を回路系の供
給電流値より大きく設定することで続流防１に効果を得
ようとする場合にも、当該保持電流の値は既述の通り、
補助領域５の不純物濃度や厚さ等で相当程度任意かつ設
計性良く制御できるから、必要に応じ、この手法を採用
することもできる。

ちなみに、第５図中の仮想線で示される特性曲線は、補
助領域５中の不純物濃度を高めた結果、先の保持電流１
の値よりも大きな値２を得た場合の特性例を示している
。

ただし、このときのクランプ電圧２は先の値１より低く
なる。他方の単位基本構造の第四領域４とＭ動領域５と
の逆耐圧加算において、当該逆耐圧自体が補助領域５の
高不純物濃度化により、低電圧方向に移行するためであ
る。

しかし、クランプ電圧１を採るか、保持電流２を採るか
、というように、電圧に鑑みるか電流に鑑みるかの選択
が許され、いずれを選択しても高い続流防止効果が得ら
れる点で、この逆直列構成も望ましいものがある。

また、上記のように、基本的な逆直列構成として、最低
二つの単位基本構造を逆直列接続しただけでも、そうし
た直列素子の等価静電容量は単体の半分になるから、そ
の点でも有利である。

さらに、上記した電気的特性上からの有利性に加え、構
造的にも、第２図は上記逆直列構成の両極性サージ保護
素子や、さらに多回線同時保護用集積回路の構築に極め
て都合の良い基本構成を示唆している。

例えば、−数的に集積化する単位基本構造ｌＯの数をｍ
個に展開して考えると、第３図に示すような集積化ない
し組立手続を例示することができる。

第３図（八）は、それぞれ単体として別途に構築した単
位基本構造１０−、、・・・・、１０−、、を、第一半
導体領域表面側から見ての裏面に形成されたオーミック
接触層ないしオーミック型棒６０部分で、適当なる共通
の導電体ないし導電膜８上に他に併置したものである。

これは極めて簡単な組立手続である。

第３図（Ｂ）に示される構造は、全ての単位基本構造１
０−、、・・・・、１０−、、、の第四領域４をまで、
全ての共通領域としたもので、この場合にも、共通、−
連の第四領域４のπ面（ないし露出表面）側にはオーミ
ック電極６を設けても良い。

このような構造は、一連のプロセスによってこれら単位
基本構造群ＩＬ、、・・・・、１０−、を同時に形成し
た後、共通とすべき第四領域を残した他の領域相互間を
、酸化手続とかエツチング処理等、適当なる絶縁分離手
続により、当該隣接方向に絶縁分離することにより得ら
れる。

そして、このような共通領域構成に関する思想は、結局
、第四領域のみならず、補助領域や、さらには第一半導
体領域をまで、共通領域とする構成を導き得る。

第３図（Ｃ）は第四領域４のみならず、補助領域５をま
で共通領域とした場合を示しており、このようにすると
、製造がより一層、簡単になるのみならず、むしろ電気
的な動作特性上も望ましい結果が得られる。

例えば、全ての単位基本構造１０−、、・・・・、１０
−、に同時に雷サージ等が印加されたような条件下では
、補助領域５が全てのｊｐ−位基本構造に共通の領域と
なっていると、ここにおける電位は、当然のことながら
、ある共通の電位となる。そのため、全ての単位基本構
造におけるブレーク・オーバ動作速度をほとんど同じに
し得るという効果も生まれ、従来のように個々の素子の
動作速度にむらのあった避雷管利用時のように、どれか
一つはオンとなっているが、他は未だにオフとなってい
る過渡状態が生じ、その間、望ましくない線間電圧が生
ずるという問題も解決することができる。

最後に、製造上、最も簡単な方法を追い究めると、第一
半導体領域１をまで、全ての単位基本構造１（Ｌ、、・
・・・、１０−に共通の領域とし、それらの併置方向な
いし隣接方向に特には絶縁分離を施さないという構成に
至る。

これは第３図（０）に例示されているが、同図中で隣接
素子間に示されている点線７は、あくまで仮想的に各々
の素子領域境界を示すだけの仮想分離線であって、特に
この部分に分離手段が適用されている訳ではない。

ここで、このように横方向ないし単位基本構造の隣接方
向に何の絶縁分離を図らなくてもそれで大丈夫なのかと
の疑問が起きるかも知れない。

結論から３って、問題は生じない。幾つかある電流線路
の中、支配的には最も低インピーダンスな線路に電流が
流れるという単純な基本原理が適用されるものと考えて
間違いでなく、したがって素７−　ｈＩ層構造の厚さ方
向への電流線路が、横方向に比し、例えば単純に距離が
短い等の理由によっても十分に低インピーダンスであり
さえすれば、例え複数回線のどれか一つにのみ、選択的
にサージが印加された場合でも、当該サージが印加され
た線路に関しての単位基本構造のみが、隣接する他の単
位基本構造の影響をほとんど受けることなく、所期通り
にブレーク・オーバすることができる。

したがって、いわゆるラテラル構造における望ましくな
い寄生効果は、本発明のような構造の場合、余り考慮し
なくても済む。

しかるに、上記本発明の実施例に即し、多回線用サージ
保護素子集積構造を構成し、かつ、各回線ごとに上記し
た逆直列構成を採用する場合、各逆直列構成中における
一方の単位基本構造の第三半導体領域３に付した端子３
Ｌは、一般に全て共通に、接地端子として取出されるこ
とが多い。

このような場合に、本発明を適用しての両極性サージ保
護素子を構築したときの外観構造概念を示すと、第６図
（八）のようになる。

すなわち、図示の場合は四回線Ｌｌ　、　Ｌ２　、　Ｌ
３　、１４の各々と接地Ｅ間に対し、第２図に示したよ
うな逆直列構成を満たすため、第３図示の集積例を参考
に、各一対の単位基本構造１０−１１．１０−２１；１
０−１２゜１０−２２；１０−１３．１０−２３；１０
−１４．１０−２４を四組、集積化した構成を例示して
いるが、各単位基本構造対における一方の単位基本構造
１Ｏ−ＩＩ；１０−１２：１０−＋３；１０−．４の端
子３Ｌは、それぞれ対応する各回線Ｌｌ。

Ｌ２　、　Ｌ３　、　Ｌ４に独立に接続するが、他方の
単位基本構造ｔｏ−２，；１０−２□；ｔｏ−２３；ｔ
ｏ−２４の端子３ｔは、共通に接地線Ｅに外部結線で接
続している。

もちろん、このような構成でも良いのであるが、こうし
た場合には、さらに第６図（Ｂ）に示されているように
、ある一つの単位基本構造１ｏ−２゜が面積的ないし体
積的にも共通の大きな一つの領域を占めるように構成し
、他方の各回線専用の単位基本構造１Ｏ−ＩＩ；１０−
＋２；ｔｏ−１３；１０−１４を、それぞれ共通にこの
大きな接地側単位基本構造１０−２０に対して逆直列接
続となるように臨ませるのが良い配慮である。外部線路
接続も必要なくなり、より一層、簡便化する。

特にこれは、接地側の単位基本構造１Ｏ−２ｏにおける
サージ耐量を大きくし得ることでも望ましいと言え、一
方でそのように、各逆直列接続構成の各一方を共通に兼
ねる単位基本構造１Ｏ−２ｏを体積的に大型化しても、
各回線ごとの各逆直列構成の等価静電容量は、この共通
単位基本構造１Ｏ−２゜に対して接続される当該側々に
専用の単位基本構造ｔｏ−，，；ｔｏ−，２；ｔｏ−＋
ｓ；１０−１４の持つ静電容量の存在により、それ程に
大きくなることはない。

もちろん、第６図（八）、（Ｂ）のいずれの構造の場合
にも、四つの中の二つを採る組合せで、それら一対の線
間に印加されるサージをも吸収ないし放流できることは
明らかである。

最後に、ト記いずれの実施例によるにしても、本発明に
基つく半導体サージ保護素子を既述したバンチスルー現
象によってのみ、動作させようとした場合、Ｎ′百ｇパ
ンチ・スルーによる降伏電圧が第一゛ｒ−導体領域１と
第二半導体領域２のアバランシェ降伏電圧に近くなって
くると、制御性が悪くなることも考えられる。

そのような危惧のある時には、図示されていないか、第
二半導体領域２の端部の接合で生じ始めるアバランシェ
降伏を初期の段階で防ぐか抑えるため、第二半導体領域
２の周囲を囲むように、これと同一の導電型のガード・
リング領域を形成するか、第二半導体領域２と第三半導
体領域３との表面に一連に形成されたオーミック電極の
端縁部を、適当なる表面絶縁膜を介して、第二半導体領
域２の端部における第一半導体領域１との接合を越える
ように、さらに張り出させると良い。

このようにすれば、第二半導体領域２の端部における電
界の集中を緩和し、実効的にアバランシェ降伏電圧を増
加させることにより、バンチスルーによってのみの降伏
電圧の設計性を拡大、改乃することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う比較的基本的な実施例の概略構成
図、第２図は両極性サージに関して保護可能としたｊ！
本本実実施例概略構成図、第３図は本発明によるサージ
保護素子集積化に関しての構成例の説明図、第４図は第
１図示実施例の特性例を示す説明図、第５図は第２図示
実施例の特性例を示す説明図、第６図は集積化に関して
の基本構造例と改良構造例を比較対照的に示すための概
略構成図、である。 図中、１は第一半導体領域ないし半導体基板、２は第二
を導体領域、３は第三領域、３１〜３ｎは第三領域要素
、４は第四領域、５は補助領域、６はオーミック電極、
８は導電体、１０は全体としての本発明サージ保護素子
ないしその単位基本構造、である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板自体として形成されるか、または該半
   導体基板に対して分離的に形成された第一導電型の第一
   半導体領域と； 該第一半導体領域の上下両表面の中、一方の表面側に形
   成され、上記第一導電型とは逆導電型であって上記第一
   半導体領域との間でｐｎ接合ダイオードを形成する第二
   の半導体領域と；上記第一半導体領域とは反対側から上
   記第二半導体領域に接触することにより、該第一半導体
   領域との間の離間距離をして上記第二半導体領域の実効
   厚味を規定する第三領域と； 上記第一半導体領域の上記上下両表面の中、上記一方に
   対向する他方の表面側に形成され、該第一半導体領域と
   同一導電型であって高不純物濃度の補助領域と； 上記補助領域に対して注入接合を形成する第四領域と； から単位の基本構造が形成され、上記第一半導体領域と
   上記第二半導体領域とで構成される上記ｐｎ接合ダイオ
   ードの逆バイアスで生ずる空乏層が上記第三領域に到達
   したときに生ずる上記第一半導体領域と上記第三領域と
   の間のパンチ・スルーか、または上記第一半導体領域と
   上記第二半導体領域との間で生ずる雪崩降状により、サ
   ージ電流を吸収し始めると共に、上記補助領域の厚さか
   不純物濃度のどちらか一方または双方が、逆耐圧と保持
   電流の中、一方または双方を規定する半導体サージ保護
   素子。
2. （２）上記単位の基本構造が複数個、用いられ、それら
   各々の第四領域は相互に電気的に接続しており、その中
   の少なくとも一対の単位基本構造の逆直列接続で双方向
   のサージ保護が可能となっていると共に、第一、第二半
   導体領域が逆バイアスされている単位基本構造に対し、
   注入接合が逆バイアスされている単位基本構造により、
   上記逆直列接続素子としてのクランプ電圧が規定される
   こと； を特徴とする請求項１に記載の半導体サージ保護素子。
3. （３）全ての第四領域相互の電気的な接続は、該各第四
   領域表面に形成したオーミック電極を、共通の導電膜ま
   たは導電板上に載置、接触させることによりなされてい
   ること； を特徴とする請求項２に記載の半導体サージ保護素子。
4. （４）隣接する単位基本構造の問は、当該隣接方向に互
   いに絶縁分離されていること； を特徴とする請求項３に記載の半導体サージ保護素子。
5. （５）全ての第四領域相互の電気的な接続は、該全ての
   第四領域を共通領域として形成することによりなされて
   いること； を特徴とする請求項２に記載の半導体サージ保護素子。
6. （６）共通の第四領域には、共通のオーミック電極が付
   されていること； を特徴とする請求項５に記載の半導体サージ保護素子。
7. （７）隣接する単位基本構造の間は、上記共通の第四領
   域を除き、該隣接方向に互いに絶縁分離されていること
   ； を特徴とする請求項６に記載の半導体サージ保護素子。
8. （８）補助領域までも共通領域として形成されているこ
   と； を特徴とする請求項５または６に記載の半導体サージ保
   護素子。
9. （９）隣接する単位基本構造の問は、上記共通の第四領
   域と上記共通の補助領域を除き、該隣接方向に互いに絶
   縁分離されていること； を特徴とする請求項８に記載の半導体サージ保護素子。
10. （１０）さらに、第一半導体領域も全ての単位素子構造
    に共通の領域として形成されていること；を特徴とする
    請求項８に記載の半導体サージ保護素子。