JPH0478186B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、雷やスイツチング・サージ等、各種
サージ要因に基づく異常電圧から電気回路系を保
護するためのサージ吸収素子に関し、特にパンチ
スルー現象を利用したサージ吸収素子に関する。

〈従来の技術〉 サージ吸収素子とは、“降伏電圧”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等価的な低インピーダ
ンス電流線路を形成することにより、その高電圧
に伴う大電流を吸収し、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
を言うが、従来において市場に供されているもの
のほとんどは、その動作メカニズムが雪崩（なだ
れ）降伏原理によるものであつた。

すなわち、pn接合によるダイオード構造また
はトランジスタのダイオード接続構造に逆バイア
スを印加したときの雪崩降伏電圧をしてサージ吸
収素子としての降伏電圧を規定していた。

〈発明が解決しようとする問題点〉 従来の雪崩降伏原理によるサージ吸収素子にお
いては、上記のように、その雪崩降伏電圧そのも
のが、サージ吸収素子としての特性を云々する場
合に使われる“降伏電圧”を直接に規定するもの
となる。

しかし一方、こうした従来素子における雪崩降
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、したがつて
一般に半導体基板の不純物濃度の如何により、
略ゞ一義的に定まつてしまう。

そのため、こうした従来の雪崩降伏型サージ吸
収素子では、同一の不純物濃度の半導体基板を用
いる限り、その降伏電圧を任意に変えることはで
きないか、極めて難しく、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
異なつた半導体基板を用いねばならない。

こうしたことは、それ自体、極めて不合理であ
るばかりでなく、降伏電圧を変えると接合容量や
直列抵抗等、降伏電圧以外のその他の電気的特性
も変わつてしまうことになる。換言すれば、接合
容量や直列抵抗等を降伏電圧と独立には設計でき
ないのである。

また逆に考えれば、こうした従来素子では、意
図的な場合に限らず、例え各ロツト毎には許容公
差の範囲内にあるとは言え、異なるロツト間では
始めから不純物濃度にバラ付きのある半導体基板
が供給されてきたような場合には、しかもそれが
予め分かつていたにしても、簡単にはこれを修正
する術がなく、したがつてその結果は、製品とし
て完成された後のサージ吸収素子の降伏電圧に関
するロツト間変動ないしバラ付きとして、そのま
ま正直に反映されてしまう。

さらにはまた、この種従来の雪崩降伏型サージ
吸収素子では、実際の物理的な構造上においても
制約を生むことが多い。

というのも、この種のサージ吸収素子において
第一半導体領域内への不純物拡散等により第二半
導体領域を埋設的に形成した場合、雪崩降伏は一
般にその接合両端の電界集中部分から起き易く、
仮にそのようになると、降伏後の入力電圧クラン
プ時において接合の全面積部分に亘り均一に電流
を流すことが極めて難しくなるからである。

これら欠点に加うるに、上記従来素子では、降
伏後の入力電圧クランプ時において、素子両端電
圧（クランプ電圧）がそれほどに低くはならない
という欠点もある。雪崩降伏型の場合、むしろ、
クランプ電圧の方が雪崩降伏を生起し始めた降伏
電圧よりも高くなる。

そのため、降伏後、素子内にて消費される電力
は、絶対値において相当に高いこのクランプ電圧
と吸収電流との積になり、結果として素子に多大
な発熱をもたらす。これは言い換えれば、熱容量
の観点からして、素子に許容できる吸収電流にか
なりな制限を生むことを意味する。

この最後の欠点は、サージ吸収時のクランプ電
圧を降伏電圧に比し、十分に低電圧化することで
解決できるが、この種のサージ吸収素子は保護す
べき回路系の電源部と負荷との間にあつて負荷に
対して並列に挿入されるため、用いた素子のクラ
ンプ電圧が十分に低く、当該電源部の電源電圧よ
りも低いとなると、サージにより一度ターン・オ
ンした以上、例えその後にサージの要因がなくな
つてもこの素子はターン・オン状態を維持してし
まい、電源エネルギを無駄に消費し続けることに
なる。こうした現象は特に“続流効果”と呼ばれ
ている。

したがつてこの種のサージ吸収素子がターン・
オン状態を維持するための保持電流（後述する１
ｈを、電源等の装置から供給される電流値以上に
設定することができれば、サージ要因が消失した
後は当該素子は続流現象を起こすことなく自動リ
セツトする。

本発明は以上のような従来の諸事情及び各種の
欠点に鑑みて成されたもので、用いる半導体基板
の不純物濃度ないし抵抗率や厚味のいかんにかか
わらず、相当程度以上の幅で設計性良く任意の降
伏電圧が得られ、したがつてまた降伏電圧のいか
によらず、接合容量や直列抵抗等、その他の電気
的特性を独立に設計することもでき、さらには保
持電流を制御可能な構成を開示することにより、
要すれば電源等から供給される正規の電流値以上
に保持電流値を設定して効果的に続流現象を抑止
しながら大電流を吸収することのできるサージ吸
収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、
従来の雪崩降伏型に代え、新たな動作原理として
パンチスルー現象を導入し、下記構成によるパン
チスルー型のサージ吸収素子を提供する。

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一表面側に形成され、上
記第一導電型とは逆導電型であつて上記第一半
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一表面側において
上記第二の半導体領域に対し横方向に離間して
形成され、上記第一半導体領域と注入接合を形
成する第四領域と； 上記第一半導体領域の上記一表面側にあつて
上記第二半導体領域と第四領域との間の一部
分、及び上記第一半導体領域の上記一表面とは
対向する裏面側にあつて上記第二半導体領域下
から第四領域下にかけての少なくとも一部分の
いづれか一方または双方に設けられたキヤリア
再結合領域と； から成り、上記pn接合ダイオードへの逆バイ
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によりサージ電流を吸
収しながら上記再結合領域で保持電流を制御す
ること； を特徴とするサージ吸収素子。

２ 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一表面側に形成され、上
記第一導電型とは逆導電型であつて上記第一半
導体領域との間で第一の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一表面側において
上記第二の半導体領域に対し横方向に離間して
形成され、上記第一導電型とは逆導電型であつ
て上記第一半導体領域との間で上記第一のpn
接合ダイオードとは逆方向になる第二のpn接
合ダイオードを形成する第四の半導体領域と； 上記第一半導体領域とは反対側から上記第四
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四半導体
領域の実効厚味を規定する第五領域と； 上記第一半導体領域の上記一表面側にあつて
上記第二半導体領域と第四半導体領域との間の
一部分、及び上記第一半導体領域の上記一表面
とは対向する裏面側にあつて上記第二半導体領
域下から第四半導体領域下にかけての少なくと
も一部分のいづれか一方または双方に設けられ
たキヤリア再結合領域と； から成り、上記第一、第二の二つのpn接合ダ
イオードのいづれか一方への逆バイアスで生ず
る空乏層が対応する上記第三領域または第五領
域のいづれか一方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または上記第一
半導体領域と上記第五領域との間のパンチスル
ーによりサージ電流を吸収しながら上記再結合
領域で保持電流を制御すること； を特徴とするサージ吸収素子。

（作用） 上記第一発明のサージ吸収素子においては、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接合ダイオードに逆バイアスが印加さ
れると、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。

そしてこの空乏層が印加電圧の大きさに応じて
伸び続け、やがて第三領域にまで達すると、第一
半導体領域と当該第三領域との間でパンチスルー
が起こり、この電流経路を介してサージ電流が吸
収され始める。このパンチスルー動作開始電圧
が、第２図中において降伏電圧として示されたも
のである。

しかるに、この吸収電流は、第四領域から第一
半導体領域に至る経路で流れるため、要旨構成中
に記したように、当該第四領域が第一半導体領域
に対して少数キヤリアを注入し得る注入接合を形
成する材料（例えば第一半導体領域とは逆導電型
の半導体とかシリサイド、さらにはまた第一半導
体領域が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
ら第一半導体領域内へ少数キヤリアの注入が起こ
り、したがつて例え、外部端子を介し第二半導体
領域と第三領域とが電気的に短絡されていても、
当該少数キヤ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ヤリアの
注入が起こる。

こうしたキヤ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２図中にブレーク・オー
バ電流として示された値以上の大きさの電流が流
れると、正帰還現象を介し、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、本発明のサージ吸収素子では、素子の発熱
を抑えながらの大電流の吸収が可能となる。

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２図に示されるよ
うに降伏電圧よりは高くなる。

したがつて、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、それが降伏電圧以上であればパン
チスルー動作を開始し、吸収電流がブレーク・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、一旦でもブレーク・オーバ電流を越え
ると、当該ブレーク・オーバ電圧から極端に値の
低いクランプ電圧に移る。

上記ブレーク・オーバ電流の値は、第二半導体
領域の抵抗や第三領域と第一半導体領域に対する
形状の如何により決められ、また第四領域の第一
半導体領域に対する形状、さらには後述するよう
に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と第四領
域近傍の形状の如何によつても決めることができ
る。

一方、パンチスルー動作を開始せしめる降伏電
圧について考えると、本発明サージ吸収素子で
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、換言すれば中間の第二半導
体領域の実効厚味をどの程度に設定するかによ
り、第一、第三領域間のパンチスルー電圧、つま
りは当該降伏電圧を任意に変更、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
設定した場合には、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設定す
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
電圧を低目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つても制御し得るが、
いづれにしても上記のことからすれば、本発明に
よつた場合、第一半導体領域として適当な市販の
半導体基板ウエハをそのまま用いても、そしてま
た同一種類の半導体基板を出発部材としても、任
意所望の降伏電圧のサージ吸収素子を得られるこ
とが分かる。

また、第二半導体領域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。

さらに、半導体基板そのもの、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に対し、
順次に第二半導体領域、第三領域を形成していく
手法自体は、既存のエピタキシヤル成長技術によ
つても良いし、イオン打込み、選択拡散等々によ
つても良いが、いづれによるにしても、第二半導
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
は本発明により作成されるサージ吸収素子は、要
すればその精度を極めて高いものとすることがで
きる。

一方、構造的な観点からしても、第二半導体領
域の実効厚味は第一領域の厚味とは無関係に薄く
設定できるから、第一半導体領域としては市販の
半導体基板ウエハに何等特殊な前加工を施さず、
厚いままにそのまま用いることもでき（その方が
一般的でもある）、したがつて工程の増加を招か
ず、物理的な強度低下も招かないで済むし、一つ
の半導体基板内に本発明素子を複数個、形成する
こともでき、集積化が容易な効果もある。

これらに加えて、本発明の構造においては、第
一半導体領域の一表面側にあつて第二半導体領域
と第四領域との間の一部分、及び第一半導体領域
の上記一表面とは対向する裏面側にあつて第二半
導体領域下から第四領域下にかけての少なくとも
一部分（要すれば全部分）のいづれか一方または
双方に、キヤリア再結合領域が設けられているた
め、第２図中に符号ｈで示した保持電流の値を
も制御することができる。

すなわち、第四領域から注入される電流が小さ
い内は、これらキヤリア再結合領域が設けられて
いる部分ないしその近傍を通過しようとする少数
キヤリアは当該キヤリア再結合領域にて多数キヤ
リアと再結合するが、電流が多くなつてくるとこ
の再結合速度が少数キヤリアの供給速度に追い付
かなくなり、当該再結合領域ないしその近傍をそ
のまま通過する少数キアリアが生じ始め、その結
果、やがて素子がターン・オン状態になるという
機構が生起するため、キヤリア再結合領域がない
場合に比し、ある場合にはより多くの電流が流れ
なければならない状態となり、保持電流を制御で
きるのである。

こうしたキヤリア再結合領域は、実際上、アブ
レード等による結晶欠陥の多い領域として形成す
るとか、シヨツトキ接合によつて形成したり、あ
るいはまた鉄や金等の重金属の熱拡散等によつて
も形成することができるが、これによつて制御さ
れる保持電流の値は、形成するキヤリア再結合領
域の面積、深さ、そして結晶欠陥や重金属を利用
して当該再結合領域を形成する場合には再結合中
心の濃度等々の要因により、設計的に相当程度の
自由度で所望の値に定めることができる。

このように、保持電流ｈを制御可能であると
いうことは、サージ要因がなく、正規な稼動状態
下で電源をその他の装置から供給される最少の電
流値に対し、当該保持電流値をそれより大きく設
定し得ることを意味し、したがつて既述の続流現
象を有効に防止でき、サージ要因が消失した後、
素子を自動リセツトすることもできるようにな
る。

また、上記原理から顕かなように、第二半導体
領域と第三領域とは外部端子において同一の電位
に置いて良く、したがつて外部への引き出しも同
一の引き出し端子から行なつて差支えない。しか
し逆に、各専用の端子から独立に引き出せるよう
にし、これら両端子間に適当なバイアスを掛ける
ようにしても良く、このようにすれば、素子完成
後ないし素子実動下にあつても、このバイアス電
圧の変更調整により、パンチスルー電圧、すなわ
ちサージ吸収素子としての降伏電圧を可変にする
ことができる。

なお、上記した所から顕かなように、降伏電圧
の変更にともなつてブレーク・オーバ電圧も当然
に変化する。

上記第一発明に対して第二発明は、両極性のサ
ージ電流をも吸収可能としたものである。

すなわち、第四領域を半導体に限定したものと
してこれを第一発明における第二半導体領域相当
の領域と考え、同様に第五領域を第一発明中の第
三領域相当の領域と考えれば、既述のように第一
半導体領域と第二半導体領域とにより構成された
第一発明中におけるpn接合ダイオードに相当す
る第二発明中の第一のpn接合ダイオードにおい
て生じ得るパンチスルー現象は、逆極性のサージ
電流に関して第一半導体領域と第四半導体領域と
で構成される第二のpn接合ダイオードの逆バイ
アスの結果としても同様に生ずることになる。

換言すれば、第一半導体領域と第四半導体領域
との間の第二のpn接合ダイオードにてパンチス
ルーが生起しているときには、第二半導体領域が
先の第一発明の説明中において半導体で構成した
場合の第四領域がなす機能を営むことになる。

こうしたことから、第四半導体領域については
第二半導体領域に関しての、そして第五領域につ
いては第三領域に関しての各説明がそのまま単な
る読み代えで適用できるし、その他の配慮事項に
ついてもまた然りとなる。

したがつて、クランプ電圧が十分に低いとか、
降伏電圧、保持電流の任意設計性が良い等々、第
一発明のサージ吸収素子が有していた利点は、全
く同様に、この第二発明のサージ吸収素子におい
ても発揮することができる。

なお、この第二発明においては、保持電流値を
設定、制御するキヤリア再結合領域が第二半導体
領域に近いか第四半導体領域に近いかという物理
的ないし幾何的な配置関係のいかんによつて、各
極性での保持電流値を意図的に異ならせることも
できる。

（実施例） 以下、図示する本発明実施例のいくつかにつき
詳記する。もちろん、第一発明と第二発明の個々
に対してそれぞれの実施例があるが、すでに述べ
てきたように、両者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図に示すサージ吸収素子１０は、第一発明
による基本的な実施例の一つであつて、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
術で形成する一方で、第二半導体領域２に対し横
方向に離間させて第四領域４を形成したものであ
る。

以下、便宜的に、これらの領域２，３，４があ
る方を半導体基板１の表面、その対向面を裏面と
呼ぶ。

上記のような各領域関係において、この実施例
では第一半導体領域１がｎ型半導体であるため、
ホウ素等の適当な不純物の拡散技術により、第二
半導体領域２をｐ型とすると共に、第四領域４も
ｐ型半導体領域としている。

これに対し、第三領域３はパンチスルーを起こ
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が良く、この実施例
では高不純物濃度ｎ型、すなわちn⁺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。

さらにキヤリア再結合領域１Ｒは、図中、実線
で示すように、半導体基板１の裏面側にあつては
第二半導体領域２の下から第四半導体領域４の下
にかけての少なくとも一部分（図示の場合は両領
域２，４の下のそれぞれ一部に共にまたがつてい
る部分）に形成されているか、図中、仮想線で示
すように、半導体基板１の表面側にあつては第二
半導体領域２と第四半導体領域４の間に設けられ
ている。

もつとも、場合によつてはこのキヤリア再結合
領域１Ｒは基板表裏面の双方に設けられていても
良く、特に基板裏面に設ける場合には製作の便宜
のため、基板全面に設けられていても良い。

また、このキヤリア再結合領域１Ｒは、アブレ
ード等によつて結晶欠陥を意図的に増加させた領
域としてとか、シヨツトキ接合を形成する領域と
して得ることができ、さらには鉄または金等の重
金属を第一半導体領域１中に選択的に拡散した領
域として得ることができる。

こうした構成において、最終的には第二、第
三、第四領域２，３，４にそれぞれオーミツクな
引き出し端子を付して素子として完成させるが、
第二半導体領域２の引き出し端子２ｔと第三領域
３の引き出し端子３ｔとは、図中、仮想線の線路
Lsで示すように、製作の段階で短絡して置いて
も良いし、別途に引き出して置いて使用者側で短
絡したり、あるいは後述のように適当なバイアス
源を介挿させても良い。

短絡させる場合、実際には線路Lsは、第二半
導体領域２の露出表面と第三領域３の露出表面と
の上に一連に蒸着される等してオーミツクに接触
した金属層等で形成することができる。

ここではまず、両端子２ｔ，３ｔがこのように
線路Lsで短絡されており、それらと第四半導体
領域４の引き出し端子４ｔとの間にサージ電圧が
印加されるものとして説明する。

このようなサージ吸収素子１０においては、す
でに作用の項で説明したように、第一半導体領域
１と第二半導体領域２との間のpn接合に逆バイ
アスが印加されると、それにより生ずる空乏層は
第一半導体領域１の側へのみならず、第三領域３
の側に向けても伸びて行く。

したがつて、端子２ｔ，３ｔと端子４ｔ間にサ
ージ電圧が印加され、それが上記pn接合に逆バ
イアスを印加する位相で相当程度に大きいもので
あると、当該空乏層の上方端部が第三領域３に達
することが起こり得る。

この状態が、第一半導体領域１と第三領域３と
の間でのパンチスルー状態の開始であり、大電流
を流し得る低インピーダンス状態、ないし本サー
ジ吸収素子としての降伏状態の始まりとなる。こ
の開始点は第２図中にあつて電圧軸上に降伏電圧
として示してある。

こうした降伏開始状態が具現すると、端子２
ｔ，３ｔと端子４ｔ間にサージ電流が流れ出し、
第四半導体領域４から正孔が第一半導体領域１に
注入され、それが第二半導体領域２で収集されて
外部端子２ｔを介し、外部電流（素子電流）とな
る。

したがつて、第三領域３と第一半導体領域１と
に挟まれた第二半導体領域２の抵抗と、上記電流
の積が、領域２，３で構成されるpn接合ダイオ
ードの順方向電圧に等しくなつたときに、今度は
第三領域３から電子が第二半導体領域２に注入さ
れ、これが電流の増大を招き、再びまた第四半導
体領域４から正孔の注入が行なわれるという正帰
還現象が生ずる。

このような正帰還現象が起こり始める電流値が
これまで述べてきたブレーク・オーバ電流であ
り、このときの素子両端電圧（外部端子４ｔ，３
ｔ間電圧）がブレーク・オーバ電圧となる。

すでに記したように、このブレーク・オーバ電
圧は降伏電圧よりはいく分か大きな値となるが、
一旦、正帰還が起こり始めると、素子両端電圧は
著しく低い値に遷移する。この値は第２図中にあ
つてクランプ電圧として示されているが、具体的
には吸収電流と各部の直列抵抗との積に、pn接
合の順方向電圧一つ分を加えた値に略ゞ等しい。

このようなメカニズムから理解されるように、
本発明のサージ吸収素子１０は、サージが印加さ
れていないときには高い降伏電圧を維持して素子
内に流れる電流を最少限度に抑え、本素子により
無駄に電力が消費されるのを防げる一方で、一
旦、降伏電圧以上にサージが印加されると、間も
なく極めて低いクランプ電圧を呈し、もつて大電
流を吸収して後続の回路系を確実に保護するよう
になる。

そして本サージ吸収素子１０における降伏電圧
は、第一半導体領域１の抵抗率乃至不純物濃度の
みならず、第一半導体領域１と第三領域３との間
の離間距離で規定される第二半導体領域２の実効
厚味Dtの如何、及びあるいは不純物濃度の如何
によつてパンチスルー電圧が制御できることによ
り、かなりに広い設計幅内で任意に設定すること
ができる。実際にも本出願人の実験によれば、こ
の設計幅は、数ボルトから数百ボルトまでの極め
て広範な範囲に及ぶものであることが確かめられ
ている。

第１図の実施例の場合は、既述のように、半導
体基板１に対して第二半導体領域２及び第三領域
３を二重拡散技術で作成する場合を示している
が、このような場合には、当該第二半導体領域２
の実効厚味Dtは、第二半導体領域２の形成後、
その表面からの第三領域形成用不純物の拡散深さ
Ddを制御することにより、直接に制御されるも
のとなる。すなわち、二重拡散技術による場合に
は、第一半導体領域に対する第三領域３の高さ位
置の変動乃至変更設定は、直接に第二半導体領域
２の実効厚味Dtを変更するものとなる。

一方、第二半導体領域２、及び第三領域３をエ
ピタキシヤル成長技術により形成した場合には、
当該第二半導体領域２の実効厚味Dtは当該エピ
タキシイにおける諸条件に基いて決定される成長
膜厚自体により規定されるのが一般的であるが、
その場合にも実際上第三領域３の存在がパンチス
ルーに関する実効厚味Dtを規定していることに
変わりはない。

拡散技術による場合もエピタキシイによる場合
も、第二半導体領域２の実効厚味Dtの制御は、
既存の技術をしても極めて高い精度で制御できる
から、結局、本発明によるサージ吸収素子は、そ
の降伏電圧を極めて高い精度で設定できるものと
なる。

また、同様に、パンチスルー電圧、ひいては本
素子の降伏電圧を規定する他の一要因となる第二
半導体領域２の不純物濃度も、既存の技術をして
極めて高い精度で調整、制御することができる。

こうしたことを換言すれば、本発明の素子の場
合、降伏電圧を設計するのに、第二半導体領域２
の実効厚味Dtと不純物濃度という、それぞれ設
計性の良い、しかも互いには独立の二つの変数を
有していることを意味している。

したがつて、これら変数を一方のみ使つたり、
双方使つてそれぞれ適当に按配することにより、
単に極めて広範な範囲に亘つて降伏電圧を設定で
きるでけでなく、接合容量や直列抵抗等、その他
の電気的特性を降伏電圧と独立に設計することも
できることが分かる。

もちろん、第四半導体領４についても、不純物
拡散、エピタキシイ等の従来技術を援用して制御
性良く形成することができるし、またそもそも、
既述したように、この第一発明に限つては、当該
第四領域４が第一半導体領域１に対して少数キヤ
リアを注入し得る注入接合を形成する材料で形成
されていれば足り、図示実施例におけるように第
一半導体領域１と逆導電型の半導体であることに
限らず、シリサイド製にするとか、第一半導体領
域１がｐ型である場合にはそれに対して電子注入
の可能な金属製とする等も考えられる。

これらに加えて、本発明において設けられてい
るキヤリア再結合領域１Ｒは、次のような理由に
より第２図に示されている保持電流ｈを制御す
ることができる。

第１図中に併示されているように、既述した動
作に従つて第四半導体領域４から注入された少数
キヤリアは、矢印ｆ１，ｆ２ａ，ｆ２ｂにてそれ
ぞれ示されるように、半導体基板内にて種々の経
路を取ることが考えられるが、その中、矢印ｆ１
に沿つて動いた少数キヤリアこそ、そのまま第２
半導体領域２に到達するが、矢印ｆ２ａに沿つて
動いた少数キヤリアは、半導体基板１の表面側に
既述のキヤリア再結合領域１Ｒが設けられている
場合にはそこで多数キヤリアに捕えられて消滅し
てしまう。

同様に矢印ｆ２ｂに沿つて動いた少数キヤリア
も、半導体基板１の裏面側にキヤリア再結合領域
１Ｒが設けられている場合、そこで多数キヤリア
に捕えられて消滅してしまう。

しかし、これらキヤリア再結合領域に供給され
る少数キヤリアの量が多くなると、再結合速度よ
りも当該供給速度の力が高くなり、キヤリア再結
合領域内、及びその近傍をそのまま通過して第二
半導体領域２に至るキヤリアが生じ始め、このよ
うにしてやがてこのことに素子はターン・オン状
態となる。

したがつて換言すれば、保持電流値ｈは、キ
ヤリア再結合領域１Ｒのない場合に比し、この実
施例のようにある場合の方が高い値を示すように
なる。

そしてこの保持電流値ｈの値は、キヤリア再
結合領域１Ｒの面積、深さ等により制御すること
ができ、特に当該キヤリア再結合領域１Ｒが結晶
欠陥や重金属の熱拡散により形成されているとき
には、再結合中心の濃度によつても制御すること
ができる。

ところで、上記の第一実施例を通じて説明した
ことから顕かなように、本発明のサージ吸収素子
においては、その原理上、第一、第三領域間でパ
ンチスルーが起きた後のサージ電流の電流分布は
比較的均一なものとなる。しかし、なお一層の均
一性を確保しようとするなら、第３図に示すよう
な構成を採ることもできる。

すなわち、この第３図示の第二実施例では、半
導体基板ないし第一半導体領域１の表面に形成さ
れた逆導電型の第二半導体領域２に対して形成さ
れる第三領域３を、複数に分割された第三領域要
素３１，３２，３３，……，３ｎ（図示の場合ｎ
＝５）の集合から構成しており、各領域要素３１
〜３ｎは、共通の引き出し端子３ｔから外部に導
通を採られるようにしている。

こうした構造では、従来の雪崩降伏型素子に見
られたような電界の集中効果はこれを避けること
ができ、均一な電流分布を得ることができる。そ
のためまた、電流容量も略ゞ素子面積に比例して
増大させることができる。

この第３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採用することができ
る。キヤリア再結合領域１Ｒも基板の表面、裏面
の双方または片方に当然、設けられており、先に
説明したと全く同様の作用を呈する。これらの点
については以下の第二発明に関する他の実施例に
おいても同様とする。なお、二つの端子２ｔ，３
ｔは、既述したように動作原理上、短絡できるだ
けでなく、短絡して用いると過渡現象を避け得る
効果もある。

本発明のような構成のサージ吸収素子では、本
来、パンチスルー現象によつて規定されるべき降
伏電圧が、第一半導体領域１と第二半導体領域２
の雪崩降伏電圧に近くなつてくると、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、第二半導体領域
２の端部の接合で生じ始める雪崩降伏を初期の段
階で防ぐか抑えるため、後述する第二発明の実施
例としての第４図に示されるように、第二半導体
領域２の周囲を囲むように第二半導体領域と同一
の導電型のガード・リング領域２Ｇを形成する
か、同様に第二発明の第二実施例としての第５図
に示されるように、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ツク
電極６の端縁部６ａを、絶縁膜８を介して第二半
導体領域の端部における第一半導体領域との接合
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、第二半導体領域端部におけ
る電界の集中を緩和し、実効的に雪崩降伏電圧を
増加させることにより、本発明の思想に即し、パ
ンチスルーによつてのみの降伏電圧の設計性を拡
大、改善することができる。

次いで、当該第４，５図に示される第二発明の
実施例につき説明する。

この第４，５図に示される実施例においても、
第一半導体領域１、第二半導体領域２、第三領域
３、第三領域要素３１，３２，３３，……，３ｎ
については第１図及び第３図に示された第一発明
に即する実施例におけると同様の構成、形状、配
置関係が適用できる。というよりも、この第二発
明の実施例においては、第３図に示されたサージ
吸収素子の構成に加えて、第四半導体領域４内
に、第三領域要素３１，３２，３３，……，３ｎ
と実質的に同様な第五領域要素５１，５２，５
３，……，５ｎが追加されていると考えて良い。

したがつて、この第４，５図示のサージ吸収素
子においては、端子３ｔと５ｔとの間に印加され
るサージ電圧の極性に応じて、パンチスルーを起
こすダイオードが第一半導体領域１と第二半導体
領域２により構成される第一のダイオードであつ
たり、第一半導体領域１と第四半導体領域４とで
構成される第二のダイオードであつたりするが、
そのいづれのダイオードにてパンチスルー現象が
生起するにしろ、その動作メカニズムは、すでに
第一発明の第一半導体領域１と第二半導体領域２
とにより構成されるダイオードに関して説明した
のと全く同じことになる。

換言すれば、この第二発明に即する実施例とし
てのサージ吸収素子は、両極性のサージ電圧ない
しサージ電流に対し、吸収機能を呈することがで
きる。もちろん、サージ電圧に対して設計性良く
降伏電圧や保持電流値ｈを定め得ることが等々
は、第一発明に関して説明されたサージ吸収素子
におけると全く同様である。

したがつてまた、キヤリア再結合領域１Ｒは、
両極性のサージに対して先の第一実施例と同様の
機能を示すが、その配置位置が第二半導体領域２
に近いか第四半導体領域４に近いかによつて、各
極性での保持電流値ｈを意図的に異ならせるこ
とも可能である。

第４図に示される実施例と第５図に示される実
施例との相違は、あれば望ましい配慮として、第
二半導体領域及び第四半導体領域の端部の接合で
生じ始める雪崩降伏を初期の段階で防ぐか抑える
ための手段が異なるだけである。

つまり、第４図示の実施例にあつては、先にも
少し述べたが、第二半導体領域２と第四半導体領
域４の周囲を囲むように第二、第四半導体領域と
同一の導電型のガード・リング領域２Ｇ，４Ｇが
形成されており、第５図示の実施例では、第二半
導体領域２と第三半導体領域３との表面、及び第
四半導体領域４と第五領域５との表面を各一連に
形成されたオーミツク電極６，７のそれぞれの端
縁部６ａ，７ａを、絶縁膜８を介して第一半導体
領域１との接合端部を越えるようにさらに張り出
させている。

なおもちろん、第４，５図示の実施例において
は、第三、第五領域３，５はそれぞれ複数の当該
領域用の領域要素群３１〜３ｎ，５１〜５ｎの集
合から構成されているが、第一発明の第１図に示
されている第三領域３に代表されるように、最も
基本的にはこれら第三領域３、第五領域５は、そ
れぞれ単一の非分割領域として形成されていても
良い。

これまで述べたきた各実施例に示されるような
本発明のサージ吸収素子の場合、素子完成後、従
来の雪崩降伏型において必要とされていた端面研
磨等の付帯処理は原則としては必要ない。したが
つて、これら既述の各実施例構成は、一つの半導
体基板１内に複数個、同時に作ることができる。

もつとも、逆に多数個を集積する必要のないと
きには、先に述べた雪崩降伏電圧を増加させるた
めの他の手段として、第６図に示すように、第
一、第二半導体領域１，２間の接合端部に相当す
る部分を、表面に垂直または角度を持つた斜面で
エツチングまたはカツテイング処理しても良い。
第四領域４の側面までもが同様の処理をされてい
るのは、単に上記処理の結果とも見られるが、逆
に、同一のｐ型層を利用して上記エツチング処理
により、自動的に第二、第四領域を分離的に形成
できることをも示している。

また、第６図に示される場合は、本発明の第一
発明に相当するサージ吸収素子に関してである
が、第二発明のものについても同様の考えを適用
することはできる。ただし、このような簡便な手
法によつた場合には、切り落とし面に適当な保護
膜（図示せず）を要するのが普通である。

次いでまた、第一発明の第１図示実施例にて代
表して、本発明サージ吸収素子のやや特殊な使い
方につき説明すると、第二半導体領域２と第三領
域３とを異なる端子２ｔ，３ｔから個別に引き出
すようにした場合、第７図Ａに示されるように、
これら端子２ｔ，３ｔ間に適当なバイアス源Vb
を挿入することにより、パンチスルー電圧を外部
から制御することも可能となる。

サージ電圧のモデルとして、第三領域用端子３
ｔと第四半導体領域４の端子４ｔとの間に接続さ
れた高電圧源Vrを考えると、第７図Ｂに示され
るように、本サージ吸収素子のエネルギ・バンド
構造は、サージ電圧が印加されていないときの実
線で示される状態から、サージ電圧に相当する高
電圧Vrが印加されたときには図中、仮想線せ示
される状態に変化する。ただし図示の場合は、以
下述べるようにバイアス効果を見るため、サージ
電圧に相当する高電圧源電位が、未だパンチスル
ーを起こす程には至つていない状態で示されてい
る。

この状態においては、バイアス源Vbから供給
されるバイアス電位の極性及び大きさによつて、
第二領域２と第三領域３に関し逆バイアスの場合
には矢印“”で示されるように、順方向バイア
スの場合には矢印“〓”で示されるように、各々
バンド構造が変化する。したがつて、当該バイア
ス電位及びその極性により、サージ吸収素子とし
てのパンチスルー電圧は外部から制御できること
が分かる。

こうしたバイアス構成は、第４図や第５図に示
される本発明第二発明のサージ吸収素子におい
て、第二半導体領域側、第四半導体領域側の両ダ
イオードに関して共通にあるいは独立に施すこと
ももちろんできる。

最後に、一例として、本発明の効果を実際の素
子における比較で確認する。

まず、以下に述べる工程により、第二発明の構
成に即したサージ吸収素子を作成した。

抵抗率5Ω−cm、導電型ｎ型、１１１面、
300μm厚のシリコン・ウエハを第一半導体領域１
の出発部材とし、まずその表面に6000ÅのSiO₂
膜を形成した。

次いで第二半導体領域２及び第四半導体領域４
の平面形状を規定するため、表面のシリコン酸化
膜に対し所定のパターンにしたがつてフオト・エ
ツチング工程を適用し、不純物拡散窓を開け、こ
の各拡散窓を介してホウ素を拡散し、その深さ
が、2.5μmに亘るｐ型領域２，４を形成した。

このときの上記パターンは、それぞれ200μm幅
の第二、第四領域２，４が交互に70μm間隔で繰
返されるものである。

新たにウエハ表面にシリコン酸化膜を形成した
後、複数個の第三領域要素３１〜３ｎ及び第五領
域要素５１〜５ｎの各平面形状を規定するため、
当該シリコン酸化膜に対して所定のパターンに即
したフオト・エツチングを施し、複数個の第三領
域要素及び第五領域要素用の不純物拡散窓を形成
した。

この拡散窓から高濃度に燐を拡散し、その深さ
が、1.2μmに亘るn⁺型第三領域要素３１〜３ｎの
集合から成る第三領域３と同様に第五領域要素５
１〜５ｎの集合から成る第五領域５を形成した。
したがつて、これと同時に最終的に完成した第二
半導体領域２と第四半導体領域４が形成、規定さ
れ、その実効厚味Dtは1.3μmとされた。

こうした後、ウエハ裏面にアルミナ粉末を吹き
付け、アブレードしてキヤリア再結合領域を形成
した本発明素子Ａと、アブレードせず、したがつ
てキヤリア再結合領域のない比較素子Ｂを作成し
た。

その後、本発明素子Ａにも比較素子Ｂにも、第
二、第三領域に共通のオーミツク・コンタクトと
第四、第五領域に共通のオーミツク・コンタクト
とを採るため、フオト・エツチング、金属薄膜蒸
着、そのエツチング工程を経て電極６，７ないし
端子２ｔ，３ｔ；４ｔ，５ｔを形成した。半導体
基板側の電極ないし端子１ｔも、上記金属薄膜蒸
着工程において同時に形成した。

このような構成下にあつて、さらに別な意味で
の第三の比較用サージ吸収素子Ｃとして、基板表
面側の端子２ｔ，３ｔ（あるいは４ｔ，５ｔ）と
基板裏面端子１ｔとの間でサージを吸収するモデ
ルを組んだ所、その降伏電圧は120Vを示し、サ
ージ吸収電流は最大300A／cm²まで取れた。

一方、本発明の思想に即するサージ吸収素子Ａ
として、上記構成により端子２ｔ，３ｔと４ｔ，
５ｔとの間で両極性のサージを吸収するようにし
たものでは、降伏電圧は121Vと略ゞ同じであつ
たが、ブレーク・オーバ電流密度が4A／cm²で、
サージ吸収電流密度は何と最大5000A／cm²も取る
ことができた。

この特性例を見ても、本発明により設けられた
第二、第三領域の組に対する第四半導体領域の働
き、そして第四、第五領域の組に対する第二半導
体領域の働きは極めて大きいものであることが分
かる。

そしてまた、他は上記と同一条件として、実質
的に第二、第四半導体領域２，４の実効厚味を規
定することになるn⁺型第三、第五領域３，５を
形成する際の拡散時間を変化させた所、降伏電圧
は30Vから170Vの間で変化させることができた。
もちろん、この変化幅も最大変化幅ではなく、他
の条件も勘案すれば数ボルトから数百ボルトに亘
る極めて広範な変化範囲を得ることができること
も確認されている。

さらに、本発明によるキヤリア再結合領域を有
する素子Ａと有しない素子Ｂとを保持電流ｈに
関して比較した所、本発明素子Ａにおいては
0.3Aも取れていたのに対し、比較素子Ｂでは
40mAしか取れていなかつた。これは本発明によ
り組込まれたキヤリア再結合領域が保持電流を大
きく制御していることを端的に示している。

なお、本素子における降伏メカニズムは、トン
ネリングや雪崩降伏によらず、確実にパンチスル
ー現象にのみよつて制御可能となつていることも
検証された。

もちろん、上記第二発明に対して取られた特性
例からすれば、第四半導体領域の中に第五半導体
領域のない第一発明に即するサージ吸収素子にお
いても、サージ吸収極性が一極性になるだけで、
保持電流等に関し、同等の特性傾向となることは
ほとんど自明の理である。

また、ブレーク・オーバ電流をさらに大きくし
て、“小さなサージ”、例えば電圧の時間微分値は
大きいものの持続時間が極めて短い単なる一過性
のノイズ等が侵入した場合、直流降伏電圧以下で
はこれに応答させないようにするには、第二半導
体領域及びあるいは第四半導体領域が金属薄膜に
接触する面積を大きくするか、特に第一発明に即
する素子の場合には、第８図に示されるように、
第四半導体領域４を複数の領域要素４１，４２，
……，４ｎの集合から構成し、それら燐接する第
四半導体領域要素間に横方向に挟まれる第一半導
体領域部分１１，１２，……，１n_-1が形成され
るようにして、当該第一半導体領域部分１１，１
２，……，１n_-1に対し共通にオーミツク接触す
る電極を設けて端子１ｔとし、同様に第四半導体
領域要素群４１，４２，……，４ｎにも共通の線
路を形成して端子４ｔを引き出し、使用すると良
い。

いづれにしても、ブレーク・オーバ電流もかな
りな範囲で任意に設計することができる。

〈発明の効果〉 本発明によれば以下列記するように、既存の雪
崩降伏型素子に比し、各種優れた効果を得ること
ができる。

半導体基板ないし半導体ウエハはこの種素子
の各部の部品価額としては最も高価で、且つ最
も融通の効かない部材であるが、本発明によれ
ば同一の材料定数の出発ウエハからも異なる降
伏電圧のサージ吸収素子を得ることができる。

第二半導体領域及び第三領域の組、また第四
半導体領域と第五領域の組を第一半導体領域に
対して共に同一の面側からのみ形成することが
できるため、降伏電圧の変更及び定められた降
伏電圧にするための制御が極めて簡単で、且つ
高精度で行なえる。

降伏電圧に対して他の電気的特性、例えば接
合容量とか直列抵抗等は独立に設計することが
でき、したがつて例えば、異なる降伏電圧でも
他の電気的特性は略ゞ同様とすることもでき
る。

共通の半導体基板内に複数の素子を集積化す
ることも容易である。

大電流領域では降伏電圧よりもさらに端子電
圧（クランプ電圧）が大きく低減化する設計原
理を有するので、極めて大きなサージ電流をも
吸収することができ、回路系の保護に関して極
めて高い能力を有する。

上記のようにクランプ電圧を大きく低減化
できるにもかかわらず、キヤリア再結合領域の
存在により、保持電流は大きな値に設定できる
ので、サージが消失した後は素子を自動リセツ
トし、続流効果を避けることができる。

第二発明によつた場合には上記効果に加え、
両極性のサージ電流を吸収することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一発明に従う第一実施例の
概略構成図、第２図は第１図示実施例の動作特性
図、第３図は第一発明に従う第二実施例の概略構
成図、第４図及び第５図は本発明の第二発明に従
う各実施例の概略構成図、第６図は本発明サージ
吸収素子における雪崩降伏電圧の影響をなくすた
めの一例の説明図、第７図は本発明サージ吸収素
子の特殊な使い方の一例の説明図、第８図は第一
発明に従うサージ吸収素子の更に他の改変例の概
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、
１Ｒはキヤリア再結合領域、２は第二半導体領
域、３は第三領域、３１〜３ｎは第三領域要素、
４は第四半導体領域、４１〜４ｎは第四半導体領
域要素、５は第五領域、５１〜５ｎは第五領域要
素、２Ｇ，４Ｇはガード・リング、１０は全体と
しての本発明サージ吸収素子、である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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一表面側に形成され、上記
   第一導電型とは逆導電型であつて上記第一半導体
   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一表面側において上
   記第二の半導体領域に対し横方向に離間して形成
   され、上記第一半導体領域と注入接合を形成する
   第四領域と； 上記第一半導体領域の上記一表面側にあつて上
   記第二半導体領域と第四領域との間の一部分、及
   び上記第一半導体領域の上記一表面とは対向する
   裏面側にあつて上記第二半導体領域下から第四領
   域下にかけての少なくとも一部分のいづれか一方
   または双方に設けられたキヤリア再結合領域と； から成り、上記pn接合ダイオードへの逆バイア
   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
   間のパンチスルーによりサージ電流を吸収しなが
   ら上記再結合領域で保持電流を制御すること； を特徴とするサージ吸収素子。 ２ 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一表面側に形成され、上記
   第一導電型とは逆導電型であつて上記第一半導体
   領域との間で第一の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一表面側において上
   記第二の半導体領域に対し横方向に離間して形成
   され、上記第一導電型とは逆導電型であつて上記
   第一半導体領域との間で上記第一のpn接合ダイ
   オードとは逆方向になる第二のpn接合ダイオー
   ドを形成する第四の半導体領域と； 上記第一半導体領域とは反対側から上記第四半
   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四半導体領域の
   実効厚味を規定する第五領域と； 上記第一半導体領域の上記一表面側にあつて上
   記第二半導体領域と第四半導体領域との間の一部
   分、及び上記第一半導体領域の上記一表面とは対
   向する裏面側にあつて上記第二半導体領域下から
   第四半導体領域下にかけての少なくとも一部分の
   いづれか一方または双方に設けられたキヤリア再
   結合領域と； から成り、上記第一、第二の二つのpn接合ダイ
   オードのいづれか一方への逆バイアスで生ずる空
   乏層が対応する上記第三領域または第五領域のい
   づれか一方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または上記第一半導体領域
   と上記第五領域との間のパンチスルーによりサー
   ジ電流を吸収しながら上記再結合領域で保持電流
   を制御すること； を特徴とするサージ吸収素子。