JPS6265383A - 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】 〈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
因に基〈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、略イー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、同一の不純喘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タ１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。

そして、こうした事情は、降伏電圧からさらにはブレー
ク・オーバ電圧と呼ばれる電圧を越えるサージを受けた
ことによって、素子がターン・オン状態となったとき以
陣のクランプ電圧に関しても同じことが言える。従来、
このクランプ電圧を自在に設計し得るものはなかったの
である。

さらに、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、既述したクランプ電圧が絶
対値においてもそれほど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。

しかし、だからと汀って、このクランプ電圧を可能な限
り低くできれば良いかと言うとそうでもない。

というのも、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っ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６度ターン・オンした以上、例えその後にサージ
要因がなくなったにしてもこの素子は当該ターン・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
けるからである（これを続流現象と言う）。

したがって、先の設計性との兼ね合いの問題ともなるが
、クランプ電圧は適用される回路系の電源電圧に応じて
それよりは高いがそれにできるだけ近い値に設定し得る
ことが最も望ましい、クランプ時の発熱を最少限度に抑
えることができる一方で、サージ要因が消失すれば続流
現象を起こすことなく自動リセットするからである。

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゛ト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
任意の降伏電圧やクランプ電圧が得られ、したがってま
た、降伏電圧やクランプ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、もってサージ吸収時にはクランプ電圧を降伏
電圧に比し、続流現象を起こさない下限にまで十分に低
電圧化しながら大電流をも吸収し得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、動作当初
の降伏メカニズムに関し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する一方で、
降伏後のクランプ電圧の規定に関しては雪崩降伏または
ツェナ降伏、あるいはパンチスルー現象を利用し得る新
規な構成のサージ吸収素子として、下記のようなサージ
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
記第一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：！−記第一半導体領域の上
記上下両表面の中、上記一方の表面に対向する他方の表
面側に形成されるか、またはヒ記一方の表面側において
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
； 」二足温一半導体領域とは反対側から上記第四領域に接
触することにより、該第四領域との間で整流性接合を形
成する第五領域と； から成り、上記ｐｎ接合ダイオードの逆バイアスで生ず
る空乏層が対応する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と共に上記第四領域と
上記第五領域との間の上記整流性接合の降伏電圧により
クランプ電圧が規定され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； ８に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、上記一方の表面に対向する他方の表
面側に形成されるか、または上記一方の表面側において
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とは反対側から上記第四領域に接触
することにより該第四領域との間で整流性接合を形成す
る第五領域と； 該第五領域に対し、さらに上記第四領域とは反対側から
整流性接合を形成する第六領域と；から成り、上記ｐｎ
接合ダイオードの逆バイアスで生ずる空乏層が対応する
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
流を吸収すると共に上記第五領域を介してのパンチスル
ーによりクランプ電圧が規定されることを特徴とするサ
ージ吸収素子。

３）　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、上記一方の表面に対向する他方の表面
側に形成されるか、または上記一方の表面側において上
足温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； 上記第三領域に対し上記第二半導体領域とは反対側から
整流性接合を形成する補助領域と；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
収すると共に上記第三領域と上記補助領域との間の上記
整流性接合の降伏電圧によりクランプ電圧が規定される
ことを特徴とするサージ吸収素子。

〈作　用〉 まず、上記第一発明から第三発明のいづれにも共通する
作用から述べると１本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に伴
い、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４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、例え第一、第二発明におい
ての第五領域等が第四領域からはみ出して形成されてい
る場合にも、主として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、当該第三領域から第一
半導体領域内へ少数キャリアの注入が起こり、したがっ
て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４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、第四領域と第三領域間の領域間はクランプ状態下
において極端に低電圧となる。

しかし、素子両端電圧、すなわち素子特性としてのクラ
ンプ電圧は、第一発明にあっては第四領域と第五領域と
の間の雪崩降伏電圧またはツェナ降伏電圧、第二発明に
あっては第五領域を介するパンチスルー電圧、そして第
三発明にあっては第三領域と補助領域間の雪崩またはツ
ェナ降伏電圧が、それぞれ上記第三、第四領域間の極端
な低電圧に加えられたものとなる。

そして、このクランプ電圧は、上記雪崩降伏電圧または
ツェナ降伏電圧、あるいはパンチスルー電圧の各規定に
係る各領域の不純物濃度制御及びあるいは厚味制御等に
より、既存の技術をしても設計性良く相当程度の設計幅
で任意設定できるものとなる。

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俺な一方で、クランプ電
圧は任意に設計できるものとなり、したがって本サージ
吸収素子を適用する回路系の電源電圧に応じ、続流現象
を起こさないための最適なりランプ電圧を設定し、自動
リセットを図ることも可能かつ容易となる。

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
端電圧はいく分か上昇するが、一旦でもブレーク・オー
バ１ｉ流を越えると、当該ブレーク・オーバ電圧から既
述したように任意設定できる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
は未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同
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）、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。

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妄動下にあっても、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。

〈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、第二発明、第三発明の個々に関
しそれぞれの実施例があるが、すでに述べてきたように
、それらは全て極めて密接な関連にあって互いに参考に
することができ、特にクランプ電圧を如何にして規定す
るか以外についての配慮や改変例は相互に適用可能であ
る。

第１図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（Ｃ）に示すサージ吸
収素子ｌＯはそれぞれ第一発明の基本的実施例群であり
、第２図に示す実施例は第二発明の、そして第３図に示
す実施例は第三発明に対応する実施例である。

いづれにおいても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、また第三、第四領域３，４
を半導体領域とした外、第一、第二発明に関しての第五
領域５と第三発明に関しての補助領域７も半導体材料製
に選んでいる。

第１図（Ａ）に示される実施例や第２図、第３図に示さ
れる実施例においては、第一半導体領域ｌの上下両表面
の中、一方の表面側に一般に二重拡散技術で形成されて
いる第二半導体領域２、第三半導体領域３に対し、第四
半導体領域４が第一半導体領域ｌの他方の表面、すなわ
ち裏面側に形成されているが、第１図（Ｂ）、（Ｃ）に
示されている実施例においては、第二半導体領域２が設
けられていると同一の表面に、ただし第二半導体領域２
に対して横方向に離間して第四半導体領域４が拡散技術
で形成されている。

このような断面構造関係において、これらの実施例では
、いづれも第一半導体領域１ｔ−ｎ型半導体に選んだた
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、第四半導体領域４もｐ
型半導体領域としている。

したがってもちろん、第１図及び第２図に示される第一
、第二発明の実施例においてこの第四半導体領域４に対
して第一半導体領域ｌとは反対側から整流性接合を形成
する第五半導体領域５の導電型は°ｎ型に選ばれ、第３
図に示される第三発明の実施例において第三領域３と整
流性接合を形成する補助領域７の導電型はｐ型に選ばれ
る。

なお、第１図ＣＢ）、（Ｃ）に示されるような実施例の
場合、第一半導体領域１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。

第一、第二発明に関する第三領域３や第三発明に関する
補助領域７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、これらの実施例ではそれぞれ、高不純物濃度
、すなわちｐ＋型及びｎ＋型の領域として不純物の二重
拡散により形成されている。

各領域２；３または７；５または６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
、第一発明と第二発明に関する第二半導体領域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、各
対応する図中、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、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、これに対して第三発明に
関する第二領域２と第三領域３とは、第３図中に示され
ているように、一般には線路ないし電極Ｌｃで外部固定
接続して置く。

上記において端子２ｔ　、　３を間を短絡させる場合、
実際には線路Ｌｍ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　、　Ｌｃで短絡されており、サージ吸収素子とし
ての両端子間、すなわち第一、第二発明の実施例におい
ては端子２ｔ、３ｔと第五半導体領域５の引き出し端子
５ｔとの間に、そして第三発明に関する実施例において
は補助領域端子７ｔと第四領域端子４ｔとの間に、それ
ぞれ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。

したがって、端子２ｔ　、　３ｔと端子５を間、または
端子４ｔと端子７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ｌ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４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５を間、または端子４ｔと端子７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ｌ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・オーバ電流であり、このときの素
子両端電圧（外部端子３ｔ、５を間まなは外部端子４ｔ
　、　？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、第三領域３と第四領域４との間の電
圧は著しく低い値に遷移する。この値は具体的には吸収
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。

しかし、第４図に示されている素子としてのクランプ電
圧は、各発明の実施例に応じて次のように規定されるも
のとなる。

まず第一発明に関する第１各図の実施例においては、第
四半導体領域４と第五半導体領域５との整流性接合にお
ける降伏電圧を上記第三、第四領域間の極端な低電圧に
加算したものとなる。

したがって、第四半導体領域４の不純物濃度を適宜に設
定すれば、この素子のクランプ電圧は任意に設定できる
ものとなる。

第２図に示される第二発明に関する実施例においては、
第五半導体領域５に対して整流性接合を形成し得る材料
製の第六領域（ここではｐ型半導体領域）６を設けたこ
とにより、第五領域のパンチスルー電圧を上記第三、第
四領域間の極端な低電圧に加算したものとなる。

そのため、当該第五領域５の不純物濃度や厚味を制御す
ることにより、相当に広い設計幅で制御性良く任意所望
のクランプ電圧を得ることができる。

第三発明に関する第３＠示の実施例においては、第三領
域３内に形成されている補助領域７と当該第三領域との
間の雪崩またはツェナ降伏電圧が上記第三、第四領域間
の極端な低電圧に加算され、したがって第三半導体領域
の３の不純物濃度を制御することにより、素子としての
クランプ電圧を任意に設定できるものとなる。

なお、第一発明に係る第１図（Ｃ）に示される実施例は
、第１図（Ｂ）に示される実施例と比較すると分かるよ
うに、第四半導体領域４に接する第五半導体領域５の角
部がないようにしたもので、これは降伏電流が接合面に
一様に流れるようにした工夫である。第２図における第
二発明の実施例にあって領域４〜６の側部がメサ型に落
とされているのも同様の理由である。

上記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、本素子により有意の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、間もなく任意設定した規定のクランプ電圧を呈
し、もって大電流を吸収して後続の回路系を確実に保護
すると共に、クランプ電圧を適当に設定すれば続流現象
を防止し得、当該回路系の電源電圧によってサージ要因
の消失後も無駄にターン・オンし続けるのを防ぐことが
できる。

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１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、数ボ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。

上記各実施例にあっては、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
術で作成するようにしているが、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、第一半導体領
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０１
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
存在がバ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。

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、クランプ電圧の規定に係る第四半導体領域４
や第五半導体領域５、さらＫは第六領域６や補助領域７
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第二発明の第六領域、第三発
明の補助領域等は、半導体製であることに限らず、第一
半導体領域の導電型によっては、シリサイド製にすると
か場合により金属製とすることもできる。

さらに、先に少し述べたが、第１図（Ｂ）や第１図（Ｃ
）に示されるような実施例の場合には、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＋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と第一半導
体領域ｌとによって一種の組込み電界が生じ、第１図Ｃ
Ｂ）に代表させて図中に矢印ｆｌ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ｔｂ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ｎＪＪｌの第一半導体領ｍｉ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、当該Ｐ＋型高濃度不純物債城暦１ｂ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！ｂ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。

このような言わばラテラル配置は、第２図や第３図に示
された実施例に関しても採用することができ、したがっ
て、そうした場合には同様に、上記高濃度不純物領域１
ｂを第一半導体領域裏面側に形成することもできる。

以上、第一、第二、第三の本発明に係る各実施例を通じ
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
一発明に係る第１図示実施例の改変例として代表させた
第５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５図示の実施例では、半導体基板ない
し第一半導体領域ｌの一表面側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。

そして、この実施例の場合には、第五領域は第四領域か
ら横方向にはみ出すように形成されているが、これはこ
の部分での雪崩またはツェナ降伏に甚く降伏電流の均一
性を保つため、先の第１図（Ｃ）と同様、角部接合を排
斥する意味がある。

この第５図示の実施例モも、第１各図示の実施例につい
て述べた他の配慮は同様に採用することができるし、第
１図（Ｂ）、　（Ｃ）に示された実施例のように、第四
、第五領域４，５を第二、第三領域２．３側と第一半導
体領域１の同じ表面側に配する場合には、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ｔｂについて
も、要すれば同様にこれを採用して良い、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得る
効果もある。

また逆に、この第５図に示された実施例の考えは、第２
ｒＩ４及び第３図に示された実施例にもそのまま適用す
ることができる。

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ｌ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ｌかスごシム去；口餉ス そのような危惧のある時には、第二半導体領域２の端部
ないし角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、第６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、第７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に６の端縁
部Ｍａｔ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。

また、第７図示の実施例では、第五領域５の表面に一連
に形成されたオーミ７り電極訃のそれぞれの端縁部Ｍｂ
ｔも、絶縁膜９を介して第四半導体領域４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６，７図示の実施例の思想も第二、第
三発明に応用できるし、また当該第６゜７図においては
、第三領域３はそれぞれ複数の当該領域用の領域要素群
３１〜３ｎの集合から構成されているが、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は、それぞれ単一の領域として形
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ｌ内に複数個、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８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と第五領域５との関係においてもこうした処
理が有効なこともある。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、ＩＩ！Ｉ
（図示せず）を要するのが普通である。

また、クランプ電圧を規定する接合を流れる電流の均一
性を増すためには、第９図示のように、第四領域４を複
数の領域要素４１　、４２　、　、、、、１４ｎの集合
から構成すると良い、これについてもまた同様に、第二
、第三発明の各実施例に対しても、この分割構成を適用
することができる。

ここで、第１図（Ａ）に示される実施例で代表させて、
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から個別に引き出すようにした場合、第１
０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と第五
半導体領域５の端子５ｔとの間に接続された高電圧源Ｖ
ｒを考えると、第１θ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“首”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
子としてのパン手スルー雷ＦＦＩ＋外＃Ｒ≠）ち止１濶
で膚スｒ〉が分かる。

以上、本発明の各実施例につき詳記してきたが、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５図に示される本発
明のサージ吸収素子に対し２第四半導体領域４や第五領
域５のないものを比較用として作成した。

抵抗率５Ω−Ｃ■、導電型ｎ型、（１１１）面、３００
障厚のシリコン・ウェハを第一半導体領域ｌの出発部材
とし、まずその表裏面に６０００人のＳｉＯ２膜を形成
した。

その中、裏面のＳｉＯ２膜をのみ除去し、高濃度燐拡散
を深さ３脚に亘るよう、行なった。

次に、第二半導体領域２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従ってフォ
ト・エツチング工程を適用し、不純物拡散窓を開けた。

この拡散窓を介してホウ素を拡散し、その深さが２．５
１ｆｆｌに亘るｐ型債城を形成した。

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の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
ｍｌに亘るｎ十型第三領域要素３１〜３ｎの集合から成
る第五領域３を形成した。したがって、これと同時に第
二半導体領域２が形成され、その実効厚味ａｔは１．３
障とされた。

その後、第二、第三領域に共通のオーミック・コンタク
トを採るためのフォト・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ないし端子２ｔ　、　３ｔ
を形成した。半導体基板側の電極ないし端子も、上記金
属薄膜蒸着工程において同時に形成した。

こうしたプロセスによって作成された比較用のサージ吸
収素子の降伏電圧は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として、上
記第三領域に関するまでの作成工程は上記比較用のサー
ジ吸収素子におけると同じであるが、ｎ型半導体基板の
裏側に第四半導体領域としてのｐ中領域を不純物拡散に
よって形成し、さらに第五半導体領域５としてのｎ中領
域を不純物拡散によって形成した後、金属薄膜蒸着によ
って電極ないし端子５ｔを形成したサージ吸収素子にお
いては、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／ｃ■２でサージ吸収電流は
何と最大５００ＱＡ／ｃ■２も取ることができた。

また、クランプ電圧の変化幅は５〜５０ｖまで、任意の
値に制御することができた。

この特性例を見ても、本発明により設けられた第四半導
体領域４、第五領域５のＳ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
半導体領域２の実効厚味を規定することになるｎ中型第
三領域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、本素子におけるサージ吸収メカニズムも、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確認された。

なお、例えば第３図示の素子において、図中の第四領域
４を第二、第三領域２．３と補助領域７の積層から成る
ように改変し、ただし第五領域の不純物濃度を補助領域
とあいまってクランプ電圧を規定するための降伏電圧を
規定し得るような濃度に制御すれば、両極性のサージ電
流に対して本発明の効果を呈することができる。

〈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
域と第五領域の組、あるいは第二半導体領域と第三領域
と補助領域の組自体は、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
及びあるいはクランプ電圧の変更及び定められた降伏電
圧、クランプ電圧にするための制御が極めて簡単で、且
つ高精度口折なえる。

■降伏電圧やクランプ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、異なる降伏電圧やクランプ電圧
でも他の電気的特性は略−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。

■クランプ電圧が大きく低減化するとは言っても必要に
応じ、その値を極端には低い値とならないように、ある
いは本サージ吸収素子を適用する回路系の電源電圧に呼
応するように設定することができ、したがってサージ要
因がなくなった後も導通な続けるという続流現象を防止
することもできる。

【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図は第二発明に従うサージ吸収素子の一実施例
の概略構成図、第３図は第三発明に即する一実施例の概
略構成図、第４図は本発明素子の動作特性図、第５図は
第一発明に従う改変例の概略構成図、第６図、第７図、
第８図、第９図は、それぞれ本発明実施例のさらなる改
変例の概略構成図、５１１１０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、である。 図中、ｌ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は第四領域、４ｌ−４ｎは第四領域要素、５は第五
領域、６は第六領域、７は補助領域、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、上記一方の
   表面に対向する他方の表面側に形成されるか、または上
   記一方の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とは反対側から上記第四領域に接触
   することにより、該第四領域との間で整流性接合を形成
   する第五領域と； から成り、上記ｐｎ接合ダイオードの逆バイアスで生ず
   る空乏層が対応する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と共に上記第四領域と
   上記第五領域との間の上記整流性接合の降伏電圧により
   クランプ電圧が規定され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、上記一方の
   表面に対向する他方の表面側に形成されるか、または上
   記一方の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とは反対側から上記第四領域に接触
   することにより該第四領域との間で整流性接合を形成す
   る第五領域と； 該第五領域に対し、さらに上記第四領域とは反対側から
   整流性接合を形成する第六領域と；から成り、上記ｐｎ
   接合ダイオードの逆バイアスで生ずる空乏層が対応する
   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
   流を吸収すると共に上記第五領域を介してのパンチスル
   ーによりクランプ電圧が規定されることを特徴とするサ
   ージ吸収素子。 ３）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、上記一方の
   表面に対向する他方の表面側に形成されるか、または上
   記一方の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； 上記第三領域に対し上記第二半導体領域とは反対側から
   整流性接合を形成する補助領域と；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
   収すると共に上記第三領域と上記補助領域との間の上記
   整流性接合の降伏電圧によりクランプ電圧が規定される
   ことを特徴とするサージ吸収素子。