JPH06501593A - 半導体装置 - 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】 電子的なスイッチ 従来技術 本発明は請求項１に記載した形式の電子的なスイッチに関する。半導体ベースの 上に組立てられる電子的なスイッチ、例えばトランジスタ及びダイオードは公知 である。例えば２極トランジスタをエミッタ回路において、電流密度が高い場合 にアバランチェ降伏において働かそうとする場合には、たいていの場合、ベース が開いている場合のコレクタとエミッタとの間の降伏電圧が第２の降伏による破 損の慣れがあるためにいわゆるリバーズセコンドブレークダウンに達しないこと が好ましい。この場合には電圧制限のためには電子的なスイッチを有する他の回 路の場合のように電圧分配器を有するか又は有していないツェナーダイオードを 使用することができる。電圧制限回路は外部で電子的なスイッチに接続するか又 はスイッチの半導体に統合してお（ことができる。外部的な接続は付加的な製造 費用を意味し、さらに総回路の所要スペースを拡大する。電圧制限回路を電子的 なスイッチの半導体に例えばプレーナ技術で統合することは電子的なスイッチの ための製造プロセスに、制限回路の付加的な構成要素により高い費用がかかるこ とを意味する。

発明の利点 これに対して請求項１に記載した特徴を有する本発明の電子的なスイッチは降伏 電圧の制限装置が、製造プロセスを変えることなしに電子的なスイッチの半導体 に統合できるという利点を有している。これによって電圧保護された電子的なス イッチの製造のための労力と黄用は実質的には高くならない。すなわち電圧制限 のための付加回路は省略される。

スイッチの有利な１実施例においては電圧制限域は限界層と交差する半導体表面 にほぼ垂直に位置している限界層線範囲に配置されている。すなわち、スイッチ の基板に設けられたドーピング層は変化させられずに留まる。これによって電圧 制限域はスイッチのスイッチ特性を原則的には低下させない。

電子的なスイッチの有利な実施例においては、直接的に相上下する、交互にコン カーブ及びコンベックスに湾曲された、有利には実質的に半円形に構成された複 数の範囲が限界層もしくは拡散層のｐｎ移行の縁に設けられている点ですぐれて いる電圧制限域が設けられている。電圧制限域がこのように構成されている場合 には構成要素の強すぎる加熱に継がる惧れのある高すぎる局部電流密度が回避さ れる。さらにこの場合には比較的にシャープな降伏特性線が生じる。すなわち、 降伏電圧は電流に関連する。

さらに電圧制限域が有利にはほぼ半円形に構成された複数の湾曲した範囲を有し 、該範囲が直線的な区分で接続されている有利な実施例がある。限界層もしくは ｐｎ移行範囲の前記構成によっても正確に規定された降伏特性を調節することが できる。この場合には降伏特性線は所望される使用目的に合わせることができる 。

本発明の電子的なスイッチの別の有利な構成と改良は請求項２以下に記載されて いる。

図面 次に本発明を図示された２つの実施例に基づき詳細に説明する。

第１図はブレーナ垂直型出力トランジスタとして構成された電子的なスイッチの 概略的横断面図。

第２図は第１図の電子的なスイッチの概略的な平面図。

第３図は降伏電圧Ｕ　ｎ　Ｒと曲率半径Ｒとの関連を示した線図。

第４図は第１図及び第２図の電子的なスイッチのｐｎ移行部の拡大図。

第５図は電子的なスイッチの別の実施例のｐｎ移行部の拡大図。

発明の説明 以下本発明をトランジスタを例にとって説明する。

しかしながら本発明の電圧制限装置はすべての形式の電子的なスイッチ、例えば ダイオード、サイリスタ、ダーリントントランジスタ、点火トランジスタにも使 用できる。電圧制限装置はｎｐｎ　トランジスタにもｐｎｐトランジスタにも使 用可能である。

第１図には概略的にプレーナｎｐｎ出力トランジスタが断面して示されている。

図面を見やすくするためにオキシード層は図示していない。

トランジスタ１はドーピングの異なる範囲を備えた半導体３を有している。高オ ームｎ−コレクタ層５には第１の拡散層、この場合にはｐドーピングされたベー ス槽７が設けられている。ドーピングは深さＸＪＢまで達している。ベース槽７ には別の層が拡散されている。すなわち、これはエミッタ９として役立つｎ＋ト ド−ングされた層である。ベース槽７から間隔をおいて半導体３の表面には別の ｎ＋トド−ングされた層がチャンネルストッパ１１として拡散によって設けられ ている。

エミッタ９のｎ＋トド−ングされた層の上には第１の、導電性の、有利には金属 性の接点が蒸着されている。この接点は導電的にエミッタ接続部Ｅと接続されて いる。同様に半導体の表面にはベース槽７の範囲に第２の金属性の接点１５が例 えば蒸着によって設けられ、該接点１５はベース接続部Ｂと接続されている。

基板もしくは半導体３の、エミッタ接続部Ｅもしくはベース接続部Ｂとは反対側 には、コレクタ接続部Ｃと導電的に接続された金属層１７が設けられている。

金属層１７の範囲に基板体は、他のコレクタ層よりも低オームである層１９を有 している。ドーピングの異なる範囲の間には限界層が生じる。この限界層の経過 は第１図に線で示されている。図面から判るように基板３に拡散された層の底面 を形成する限界層、すなわち、ベース槽７もしくはエミッタのｎ＋トド−ングさ れた層の下面は平らに構成され、トランジスタ１の上面に対してほぼ平行に延び ている。ドーピングされた層の縁範囲においては、層を製造する間の拡散プロセ スに基づき限界層の湾曲した範囲が生じる。すなわち、層の側壁は底面から発し て、直角ではなく、はぼ円筒形に延びている。ドーピングされた層の底面と半導 体の表面との間の移行範囲は半径がドーピングされた層の深さｘＪＢに相当する 円筒体の周面に沿って延びている。さらに限界層は半導体３の表面とほぼ９０゜ の角度を成して交差する。

第２図の平面図においては第１図に示された電子的なスイッチもしくはトランジ スタ１の同じ部分は同じ符号で示されており、この限りにおいては先きの記述を 参照されたい。

平面図からはトランジスタ１の表面は、チャンネルストッパ１１として役立つ拡 散層により形成された枠によって取囲まれている。このｎ＋トド−ングされた層 にはｎ−ドーピングされたコレクタ層が続いている。この層と接続するｐドーピ ングされたベース７、すなわち、トランジスタ１のｐドーピングされた範囲との 間の移行もしくは縁範囲もしくは限界層は少な（とも範囲的には非直線的に構成 されている。全体的に見てベース槽はほぼ方形である。この場合、コーナの範囲 では半径ｒの湾曲が設けられている。ベース槽の縦側と横側は互いに隣接する複 数の範囲を有し、この場合にはこれらの範囲は曲率半径Ｒで湾曲されている。

この場合、コンカーブな範囲とコンベックスな範囲とが直接的に交互に位置して いる。これらの湾曲した範囲は電圧制限域２を形成している。曲率半径Ｒがベー ス槽のコーナ範囲の半径ｒよりも著しく小さいことは図面から明らかである。

表面の範囲の上には第２の接点１５として示された金属面が蒸着されており、該 金属面には図示されていないベース接点Ｂ（第１図参照）が導電的に接続されて いる。

ベース槽７内にはこの場合のもほぼ方形に構成されたエミッタ９が配置され、こ のエミッタ９の上面には第１の接点１３として示された金属面が蒸着されている 。この金属面は同様に図示されていないエミッタ接点Ｅ（第１図参照）の電気的 な接続部として役立つ。

第３図からは電圧制限域Ｚによる電圧制限が個々の湾曲された範囲の曲率半径Ｒ に関連していることが判る。線図には制限電圧ＵＢＲ（ボルトで測った）と曲率 半径Ｒ（μｍで測った）との関連が示されている。

破線ではベースが開放されている場合のコレクタとエミッタとの間の降伏電圧Ｕ 　ｓ　ｎ　ＣＥ　Ｏが記入されている。

第４図にはベースとコレクタとの間のｐｍ移行部もしくは縁の、電圧制限域Ｚと して役立つ範囲の１部が示されている。

符号５で示された面は高オームのコレクタ層で、符号７で示された面はベース７ である。

図面から判るように、限界層の縁範囲は円弧状に湾曲された範囲を有し、該範囲 の曲率半径がＲで示されている。個々の範囲は互いに直接的に接続されているの で、縁部域はほぼメアンダ形に構成されている。第４図に図示の実施例ではコン カーブに湾曲された電圧制限域範囲には直接的にコンベックスに湾曲された範囲 が接続している。

第５図にも拡大されてトランジスタもしくはｐｎ移行部のベースとコレクタとの 間の限界層の縁範囲が示されている。しかしながらこの場合には湾曲した範囲は 直線的な区分と交互に配！されていることが判る。

この場合には湾曲した範囲は円弧形を有しかつ曲率半径Ｒを有している。直線的 な範囲の長さは符号ａで示されている。

図面で説明した、ベースとコレクタとの間の限界層の縁範囲におけるｐｎ移行部 の構成によって、トランジスタとして構成された電子的なスイッチに生じるコレ クタとベースとの間の最大電圧が制限される。この場合、制限電圧Ｕ　ｓ　Ｒは ベースが開放している場合のコレクタとエミッタとの間の降伏電圧Ｕ　Ｂ　ＲＣ Ｅ。よりも小さくしたいことは達成される。すなわち、Ｕ　Ｂ　Ｒ＜　Ｕ　Ｂ　 ＲＣＩｃ。

になる。

トランジスタにおいてコレクターエミッタ電圧ＵＣ８゜が生じ、このコレクター エミッタ電圧Ｕ　ＣＥ　Ｏには以下の式があてはまる。

Ｕ　ｃ　ｔｔ　ｏ　＝　Ｕ　Ｂ　Ｒ＋　Ｕ　ａ　Ｅこの場合Ｕ　ｓ　Ｅではトラ ンジスタのベース−エミッタ流電圧が示されている。

以下の観点のためには限界層もしくはｐｎ移行部が大きなドーピング値を有し、 ベース−コレクタ移行部が片側で階段状にされたｐｎ移行部であることを仮定す る。

ベース７として役立つ、第１図に示された拡散層を形成することにより、限界層 の縁範囲には円筒半径Ｘ１Ｂのｐｎ−移行部が生じる。この範囲においてはアバ ランチェ降伏電圧は、例えば無視に広げられた拡散の場合（いわゆる無視広域ｐ ｎ移行部）の場合に与えられるように平らなｐｎ移行部の場合よりもわずかにな る。

符号Ｗで降伏の場合の空間電荷域の幅を表わし、ＵＢ　ＲＣＥ。でエミッタが開 放している場合のベース−コレクタ移行部の降伏電圧を表わすと、以下の式があ てはまる。

Ｕ　ｎ　Ｒｃ：　ａ　ｃ＋　Ｚ”　Ｌ＜　Ｕ　ｎ　ｎ　ｃ　ｓ　ＯＥ”　”　” この式はドーピング層の厚さ、ひいては円筒状に湾曲された縁範囲の半径Ｘ　Ｊ 　Ｂが最大でも空間電荷域の幅Ｗと同じ大きさであることが前提である。すなわ ち降伏電圧Ｕ　ｔｓ　ＲＣＥ　Ｏ”　”　Ｌは円筒半径Ｘ　Ｊ　Ｂが減少すると 減少する。確実な電圧制限を保証するためには条件： Ｕ　ｎ　ＲＣＢ　０　＜　Ｕ　ｎ　Ｒｃ　ｖｔ　０を充たさなければならない。

最大Ｕ　ｃ　ｗ　０降伏電圧ＵＢ　ＲＣＥｏのためには近似的に次の式二Ｕ　ｒ ｓ　ＲＣＥ　ｃｙ　＝　Ｕ　Ｂ　ＲＣＥｌ　。”　”　”　／　（β＋１）（１ ／”）があてはまる。

この場合にはβではトランジスタの小信号流増幅が表わされ、ｎでは定数が表わ される。この式からはＵＢＲＣＥＯがβに反比例し、すなわち Ｕ　Ｂ　ＲＣＥ　Ｏ＜　＜　Ｕ　ＦＩ　ＲＣｅ　（）　”　−”であることが判 る。

第２図に示された、はぼ円形の湾曲を有する少なくとも１つの範囲を有する電圧 制限域Ｚによっては階段状のｐｎ移行部において達成される降伏電圧をさらに減 少させることができる。曲率半径Ｒが小さければ小さいほど降伏電圧Ｕ　Ｂ　Ｒ はわずかになる。曲率半径がほぼ層厚さＸ　Ｊ　ｓの相応していると、すなわち 、関係式Ｘ　Ｊ　ａ　＝　Ｒであると、球面ｐｎ移行部の限界に達する。降伏電 圧の減少に対する曲率半径Ｒの影響はｐｎ移行部が階段状もしくは球面状である ほど顕著である。階段状のｐｎ移行部における曲率半径Ｒによる降伏電圧のはう きりした影響は条件Ｒ≦Ｗが充たされると与えられる。すなわち、曲率半径が降 伏に際して空間電荷の幅Ｗと最大でも等しいか又はそれよりも小さいことが必要 である。曲率半径Ｒとｐｎ移行部における降伏電圧Ｕ　ＢＲとの間の関係は第３ 図に示されている。第３図においては降伏電圧は曲率半径に対してプロ、トされ ている。この場合にはｎ−ダイオードにおける曲率半径Ｒが条件とされている。

すなわち、５ＱＯｈｍ／センチメータｎ−シリジュームから成る基板において種 々の半径Ｒを有する円形のｐ域が設けられている。はう素でドーピングされたｐ 層の侵入深さＸＪＢはほぼ９μｍである。図面からは降伏電圧Ｕ　Ｂ　Ｒと曲率 半径Ｒとの関連が示されている。降伏電圧は曲率Ｒが減少すると減少する。限界 である球面状のｐｎ移行部はＲでＯの値をとる。すなわち、円の代わりに直角に なる。

第３図のドーピングプロフィールをｎｐｎ　トランジスタのベース−コレクタ移 行部にあてはめると、Ｕ　ｓ　ｎは電圧Ｕ　ｓ　ｎ　ｃ　ｎ　０に相当する。こ の場合には適当ななエミッタによって最大Ｕ　ｃ　Ｂ　０降伏電圧は例えば３５ ０Ｖになる。したがってＲく５０μｍの曲率半径で所望のＵ　ｎ　Ｃ０電圧制限 が得られる。

原則的には唯一の電圧制限で、すなわちｐｎ移行部もしくはベース７の縁範囲に おける、コレクタ１に対する曲率半径Ｒを有する唯一の個所でロック電圧の減少 が達成される。この場合にはもちろんこの範囲においては若干の使用例では比較 的に高い電流密度が生じる。この高い電流密度は構成要素の強すぎる加熱、場合 によってはその損傷に継がる。さらに数多くの使用例にとっては不都合であるや わらかい降伏特性線が生じる。

この理由からｐｎ移行部もしくはベース７とコレクタ５との間の縁範囲には有利 には数多くの湾曲された範囲が設けられ、第２図に示されているような少なくと も１つの電圧制限域Ｚが生じる。

縁範囲の正確な構成はさらに第４図と第５図に示されている。ベース縁輪郭の構 成の１つの可能性は第４図に示されている。このベース縁輪郭は互いに直接的に 隣接する、交互にコンカーブにかつコンベックスに構成された複数の範囲から成 っている。効果的な電圧制限を達成するためには、曲率半径Ｒは降伏における空 間電荷域の幅Ｗにほぼ相応している。

ｐｎ移行部もしくはベース７とコレクタ５との間の縁範囲の構成の別の１例は第 ５図に示されている。この場合にもコレクタ５の範囲はベース７の範囲からベー ス縁で分離されている。しかしながらベース縁は長さａの直線的な範囲と交互に 配置された、曲率半径Ｒの半円から成っている。良好な電圧制限を達成するため いは曲率半径Ｒは最大でも降伏における空間電荷域の幅Ｗに相当し、Ｒ≦Ｗの関 係を充たしている。長さａについては、直線的な範囲が降伏における空間電荷域 の幅Ｗの２倍よりも小さく、ａ≧ＺＷの関係が成立っている必要がある。

原則的には所望の電圧制限を達成するため及び所望の降伏特性線を調節するため にはｐｎ移行部もしくはベース縁範囲は任意に構成することができる。

ここに示された実施例では電圧制限は、トランジスタ自体の範囲が特別に構成さ れることによって達成される。トランジスタ自体は電圧制限域の統合によって不 変に保持される。すなわち、製造費用の変化は実質的に変化しない。しかしなが ら例えば第４図と第５図に示されたように、少なくとも１つの電圧制限域Ｚを有 するスイッチ部材をトランジスタに配属しかつこれとは分離して構成することも できる。

半導体内部に電圧制限範囲が統合されて設けられることに基づき、チップ表面の 上の保護層によって、電圧制限に役立つ範囲も外部からの影響から保護すること ができる。曲率半径の減少された範囲が誘電体及び（又は）金属層で覆われてい ると電圧制限は妨げられない。

ここに提案されている電圧制限は回路の運転確実性を高めるためにレギュラの電 圧制限装置と組合せることもできる。

ここに提案された電圧制限装置においては半導体の表面に対して垂直なＵ　ＣＥ 　Ｏ降伏が変わらないでいることが保証される。これは電圧制限だけがｐｎ移行 部の縁範囲の特別な構成によって、すなわちベース槽の構成によって達成される からである。

国際調査報告

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．電気的なスイッチ、特にトランジスタであって、異なるドーピングの範囲の 間を延びる少なくとも１つの限界層を半導体内に有している形式のものにおいて 、限界層が拡散層の厚さ（ＸＪＢ）よりも小さいか又は同じである曲率半径（Ｒ ）で延びる少なくとも１つの範囲を有する少なくとも１つの電圧制限域（Ｚ）を 存していることを特徴とする、電子的なスイッチ。
2. ２．電圧制限域が半導体の表面に接する限界層の緑範囲に配置されている、請求 項１記載のスイッチ。
3. ３．限界層がトランジスタのｐｎ移行部、有利にはベース（７）とコレクタ（５ ）との間の限界範囲に相当している、請求項１又は２記載のスイッチ。
4. ４．電圧制限域（Ｚ）が交互にコンカーブとコンベックスに湾曲され、有利には 半円形に構成された複数の範囲を備えている、請求項１から３までのいずれか１ 項記載のスイッチ。
5. ５．電圧制限域（Ｚ）が有利には湾曲され、特に曲率半径（Ｒ）を有するほぼ半 円形に構成されかつ直線的な区分で接続されている複数の範囲を備えている、請 求項１から４までのいずれか１項記載のスイッチ。
6. ６．直線的な区分の長さ（ａ）が降伏における空間減の幅（Ｗ）のほぼ２倍であ るか又は長さ（ａ）が２倍の幅（Ｗ）よりも小さい、請求項５記載のスイッチ。
7. ７．ｐｎ移行部がほぼ方形の形状を有し、その縦側と横側とが少なくとも１つ、 有利には複数の、曲率半径（Ｒ）で延びる範囲（Ｚ）を有している、請求項１か ら６までのいずれか１項記載のスイッチ。
8. ８．ｐｎ移行部がほぼ円の形状を有し、その縦側と横側とが少なくとも１つ、有 利には複数の、曲率半径（Ｒ）で延びる範囲（Ｚ）を有している、請求項１から ７までのいずれか１項記載のスイッチ。
9. ９．湾曲した範囲の曲率半径（Ｒ）が降伏における空間電荷域の幅（Ｗ）と有利 には同じ又はそれよりも小さい、請求項１から８までのいずれか１項記載のスイ ッチ。
10. １０．電圧制限域（Ｚ）がスイッチの部分として（統合されて）構成されている か又は別個の構成部分としてスイッチに配属されている、請求項１から９までの いずれか１項記載のスイッチ。