JPS6265382A - サ−ジ吸収素子 - 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】 く産業上の利用分野〉 本発明は、雷やスイッチング・サージ等、各種サージ要
因に甚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った。

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接合を形成する円領域の中、高比抵抗側を形成す
る一方の半導体領域、したがって一般に半導体基板の不
純物濃度の如何により、略Ｃ−義的に定まってしまう。

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っ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ってしまうこと
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、例え各ロフト毎には許容公差の範囲内にあ
るとは言え、異なるロフ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っていたにしても、簡単に
はこれを修正する術がなく、したがってその結果は、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
するロフ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。

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、用いる半導体基板の不純物濃度ないし抵抗率や
厚味の如何に拘らず、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、したがってまた、降伏電圧の如
何によらず、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、しかもサージ吸収時に
は、クランプ電圧を降伏電圧に比し、十分に低電圧化さ
せ、もって大きな吸収電流をも流し得るサージ吸収素子
を提供せんとするものである。

く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。

ｌ）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って上記第一半導体領域との間でｐ
ｎ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
； 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っ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って上記第一半導体
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；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ャリア
を注入し得る注入接合を形成する材料（例えば第一半導
体債城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
ら第一半導体債域内へ少数キャリアの注入が起こり、し
たがって例え、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。

こうした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〈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、当該ブレークパ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っても決めること
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、第一半導体債
城に対し、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
の不純物濃度によっても制御し得るが。

いづれにしても上記のことからすれば、本発明によった
場合、第一半導体領域として適当な市販の半導体基板ウ
ェ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
体憤域、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ェハに回
答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）、シたがって工
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。

そして、この第一発明の原理的動作に係る基本構成に関
する限り、第二、第三、第四領域の各々は、第一半導体
領域の一面側にのみ形成すれば良いから、第一半導体領
域の両面を使用するような場合に比して製造上、相当に
有利となる。

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、
したがって外部への引き出しも同一の引き出し端子から
行なって差支えない、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効下にあっても、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
ともなってブレーク・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−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−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［１項についてもまた黙りとなる。

したがって、クランプ電圧が十分に低いとか、降伏電圧
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。

〈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ｌＯは、第一発明による基
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ｌ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。

このような関係において、この実施例では第一半導体領
域ｌ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。

なお、半導体基板ないし第一半導体領域ｌの裏面側には
後述する高濃度不純物層１ｂが設けられていると良いが
、これ自体は本発明の基本構成ないし原理動作には直接
には関与しないので、以下の説明中においても初めの中
はこれがないものとして考えていて良い。

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中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。

各領域２，３．４には、それぞれオーミックな引き出し
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、仮想線の線路り、ｓ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、或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、第二半導体蒙域
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ッ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ｌＯ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ｌ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ｌ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。

したがって、端子２ｔ　、　３ｔと端子４を間にサージ
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図中にあって
電圧軸上に降伏電圧として示しである。

こうした降伏開始状態が具現すると、端子２ｔ。

３ｔと端子４を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。

したがって、第三領域３と第一半導体領域ｌ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
しくなったときに、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・オー八電流であり、このときの素
子両端電圧（外部端子４ｔ　、　３を間型圧）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図中にあっ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Ｃ
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
妨げる一方で、一旦、降伏電圧以上にサージが印加され
ると１間もなく極めて低いクランプ電圧を呈し、もって
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。

このような動作をなす本サージ吸収素子ｌＯにおける降
伏電圧は、第一半導体領域ｌの抵抗率乃至不純物濃度の
みならず、第一半導体領域ｌ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ってパンチスル
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、数ポルトから数百ポルトま
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図示の実施例の場合は、既述のように、半導体基板
ｌ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゛衿
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
ャ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０１は当該エピタキシィにおける諸条
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。

そして、拡散技術による場合もエピタキシィによる場合
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♂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。

上記はまた、本発明の素子の場合、降伏電圧を設計する
のに、第一半導体領域２の実効厚味ａｔ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住味している。したがって
、これら変数を一方のみ使ったり、双方使ってそれぞれ
適当に按配することにより、単に極めて広範な範囲に亘
って降伏電圧を設定できるだけでなく、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、第四半導体領域４についても、不純物拡散、
エピタキシィ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
の第一発明に限っては。

当該第四領域４が第一半導体領域ｌに対して少数キャリ
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ｌ
と逆導電型の半導体であることに限らず、シリサイド製
とか、さらにはまた第一半導体領域ｌ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こと
等も考えられる。

さらに、先に少し述べたが、半導体基板ないし第一半導
体領域ｌの裏面側に、当該領域１の導電型によらず、ｎ
十またはｐ中型の高濃度不純物領域層１ｂを形成して置
くと、キャリアを効率良く搬送することができて望まし
い。

すなわち、図示のように第一半導体領域ｌにｎ型半導体
を選択した場合、高濃度不純物領域層１ｂの導電型をｎ
中型に選ぶと、当該高濃度不純物領域層１ｂと第一゛ト
導体領域ｌとによって一種の組込み電界が生じ、第１図
中に矢印ｆ１で示したように、第四半導体領域４から注
入されたホールは当該高濃度不純物領域層ｉｂの近傍に
おいて追い返され、第一半導体領域の裏面側に抜けるこ
とがなくなる。

また、同じｎ型の第一半導体領域ｌに対してその裏面側
にｐ中型の高濃度不純物領域層１ｂを形成した場合には
、第１図中に模式的に矢印ｆ２ａ、ｆ２ｂで示すように
、当＃ｐ中型高濃度不純物領域層ｔｂ中にホールが充満
することによりその電位が上がり、結局は当該高濃度不
純物領域層１ｂからホールの放出が起こるようになった
り、あるいはまた矢印ｆ２ｃで示されるように、跳ね返
されたりするようになって、やはり第一半導体領域の裏
面側への透過を阻止することができる。

以上、第一の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Ｃ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。先に述べた第
一半導体領域裏面側の高濃度不純物領域層１ｂについて
も、要すれば同様にこれを採用して良く、したがって第
３図中、左手に一部、仮想線でこれを示しである。この
点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　、　３ｔ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は畳込効果もある。

本発明のような構成のサージ吸収素子では、本来、パン
チスルー現象によっ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、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ック電極６の
端縁部８ａ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、パンチスルーによっての
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ｌ、第二半導体領域２、第三領域３、第
三領域要素３１　、３２　、３３　、　、、、、、、　
、３ｎニツいては第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１ｇ３ｔ　
、　３２　、３３　、　、、、、、、　、３ｎと実質的
に同様な第五領域要素５１　、５２　、５３　、　、、
、、、、　、５ｎが追加されていると考えて良い。

したがって、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
のダイオードであったり、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ったりす
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ｌ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を定め得ること、ク
ランプ電圧を降伏電圧に比して十分に小さくすることが
できること等々は、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。

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図示の実施例にあっては、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２０．４Ｇ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との表面に各
一連に形成されたオーミック電極６，７のそれぞれの端
縁部８ａ、７ａを、絶縁膜８を介して第一半導体領域ｌ
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３１〜３！１．５１〜５ｎ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、したがって、これら既述の各実施例
構成は、一つの半導体基板１内に複数偏、同時に作るこ
とができる。

もっとも、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
度を持った斜面でエツチングまたはカッティング処理し
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った場合には、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２
ｔ　、　３ｔから側層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　、　３を
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３ｔ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Ｖ
ｒ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、
仮想線で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
す程には至っ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って、第三領域２と第
三領域３に関し逆バイアスの場合には矢印嘗”で示され
るように、順方向バイアスの場合には矢印“１”で示さ
れるように、各々バンド構造が変化する。したがって、
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、−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−ｃ＋ｗ、導電型ｎ型、（１１１）面、３０
０１１＋１１厚のシリコン・ウェハを第一半導体領域１
の出発部材とし、まずその表裏面に６００ＯＡの５ｉ０
２Ｗｌを形成した。

その中、裏面の５ｉＯｚ膜をのみ除去し、高濃度燐拡散
を深さ３ｔ１ｍに亘るよう、行なった。これにより、高
濃度不純物領域１ｂが形成された。

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
パターンにしたがってフォト・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２．５鱗に亘るｐ層領域２，４を形
成した。

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

新たにウェ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５１〜５
ｎ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ォト・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１．２
ｇ＋に亘るｎ中型第三領域要素３１〜３ｎの集合から成
る第三領域３と同様に第五領域要素５１〜５ｎの集合か
ら成る第五領域５を形成した。したがって、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ａｔは１．３４とさ
れた。

その後、第二、第三領域に共通のオーミック・コンタク
トと第四、第五領域に共通のオーミック・コンタクトと
を採るため、フォト・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Ｕ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って、比較用のサージ吸収素子と
して、基板表面側の端子２ｔ　、　３ｔ　（あるいは４
ｔ　、　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／ｃ＋ｗ２まで取れ
た。

一方、本発明の思想に即するサージ吸収素子として、上
記構成により上記端子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Ｃ同じであったが、ブレーク
・オーバ電流が４Ａ／ｃｍ２でサージ吸収電流は何と最
大５０００Ａ／ｃｍ２も取ることができた。

この特性例を見ても１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十型第三、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
も勘案すれば数ずルトから数百ポ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。

また、本素子における降伏メカニズムも、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
って制御可能であ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、同等の特性となることは殆ど
自明の理である。

なお、ブレーク・オーバ電流をさらに大きくして、小さ
なサージには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、それら隣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　、
　、、、、　、　Ｉｎ−＋が形成されるようにして、当
該第一半導体領域部分１１．＋２゜、、、、　、　Ｉｎ
−１に対し共通にオーミック接触する電極を設けて端子
Ｉｔ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４
ｔを引き出し、使用すると良い。

いづれにしても、ブレーク・オーバ電流はかなりな範囲
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ェ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
ェ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
域と第三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、したがっ
て例えば、異なる降伏電圧でも他の電気的特性は略−同
様とすることもできる。

（４）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。

（Φ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。

（中第二発明によった場合には、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、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、４ｌ−４ｎは第四半導体領域要
素、５は第三領域、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って上記第一半導体領域との間でｐ
   ｎ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； 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っ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っ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； 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すること； を特徴とするサージ吸収素子。