JP2002505038A - 半導体デバイスおよびその使用方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 短絡電流を迅速に受容可能な電流値に制限する半導体デバイス、特にシリコンカーバイド（ＳｉＣ）をベースとする半導体デバイスが提案される。そのために予め定められた飽和電流を超過した際に横方向のチャネル領域（２２）が狭窄され、そして電流が飽和電流以下の値に制限される。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体デバイスおよびその使用方法 本発明は電流の受動的制限のために適した半導体デバイスおよびその使用方法 に関する。 電気的負荷（機器）に電流を供給するため、負荷は開閉装置を介して給電回路 網の電線路分岐と接続される。特に短絡の場合の過度に大きい電流から負荷を保 護するため、低圧開閉技術では、分岐を保護する断路器（一般に溶融ヒューズが 使用される）と、１ミリ秒（１ｍｓ）よりも明らかに長い開閉時間を有する機械 的な電力開閉器とを有する開閉装置が使用される。電線路分岐の中で多くの負荷 が同時に運転され、そしてこれらの負荷のただ１つに短絡が生じたときには、短 絡を生じていない負荷が擾乱されずに引き続いて動作し得ること、そして短絡を 生じた負荷のみが切り離されることは大きな利点を与える。この目的で、各負荷 のすぐ前に接続され、１ｍｓよりも明らかに短い時間のうちに、そしてこうして 電線路分岐に対して設けられている電線路保護開閉器の断路器の引き外しの前に 、電流を見込まれる短絡電流から予め定められた非臨界的な過電流値に確実に制 限する電流制限用構成要素（“リミッタ”）が必要である。この電流制限用の構 成要素は、さらに受動的に駆動なしに動作し、また電流制限の場合に構成要素に 生ずる通常７００Ｖまで、場合によっては回路網に関係して１２００Ｖに達する 高い電圧に耐えることができなければならない。その場合に構成要素の中に生ず る損失電力は非常に大きいので、電流制限器が追加的に電流を予め定められた過 電流値よりも明らかに低い値に自動的に減ずることは特に有利である（本質安全 な構成要素）。 市場で入手可能な唯一の受動的な、すなわち駆動部なしで機能する電流制限器 は、ＢＡ社からＰＲＯＬＩＭといし名称で販売されている装置であり、この装置 は、その中に使用される材料の、粒界における電流依存性の伝導性に基づいてい る。しかし、電流制限のために装置を頻繁に使用すると、電流が制限される電流 飽和値に変化が生ずる。 さもなければ一般に能動的な、すなわち駆動部により操作される電流制限器の みが使用され、これらの電流制限器は電流を検出し、また予め定められた最大電 流値を超過した際に電流を能動的な制御により制限する。ドイツ特許出願公開第 43 30 459号明細書から、半導体を用いたこのような能動的な電流制限器が公知 である。この能動的に電流制限を行う半導体開閉器は、互いに反対向きの表面に それぞれ電極が設けられた、予め定められた導電形の第１半導体領域を有する。 第１半導体領域の中に位置して、両電極の間に逆の導電形の別の半導体領域が互 いに間隔をおいて配置されている。個々の別の半導体領域の間にそれぞれ、第１ 半導体領域の両表面に対して垂直に向いた第１半導体領域のチャネル領域（垂直 チャネル）が形成されている。両電極の間の垂直な電流の流れは、これらのチャ ネル領域を通じて導かれ、またそれにより制限される。両電極間の電流の流れを 制御するため、第１半導体領域中の逆導電形にドープされた半導体領域にゲート 電圧が印加され、それによりチャネル領域の抵抗が制御される。 本発明の課題は、臨界的な電流値を超過した際に電流を受動的に制限するため に使用される半導体デバイスを提供することである。またこのような半導体デバ イスを備えた電流制限器を提供することである。 この課題は、本発明によれば、請求の範囲１または請求の範囲３の特徴により 解決される。 請求の範囲１による半導体デバイスは ａ）第１表面と、この第１表面における少なくとも１つの接触領域とを有する第 １半導体領域と、 ｂ）第１半導体領域と共にｐｎ接合を形成する少なくとも１つの第２半導体領域 と、 ｃ）第１半導体領域の第１表面に配置されており、また第１半導体領域と 共にｐｎ接合を形成する少なくとも１つの第３半導体領域と、 ｄ）第１半導体領域の少なくとも１つの接触領域ならびに第３半導体領域と、 第１半導体領域に接していない表面において接触する第１電極と、 ｅ）第１半導体領域と接触する第２電極と を含んでおり、その際に ｆ）第１半導体領域が両電極間の電流経路の中に位置するチャネル領域を有し、 このチャネル領域が、両電極間の電流が予め定められた飽和電流に到達した 際に、前記のｐｎ接合の空乏層により狭窄され、それによって電流が飽和電 流より小さな制限電流に制限される。 請求の範囲３による半導体デバイスは ａ）第１表面と、この第１表面上の少なくとも１つの接触領域とを有する第１半 導体領域と、 ｂ）第１半導体領域と共にｐｎ接合を形成する少なくとも１つの第２半導体領域 と、 ｃ）第１半導体領域の各接触領域の上にそれぞれオーム接触を形成し、そして少 なくとも１つの接触領域の外側に位置している第１半導体領域の範囲の上に ショットキ接触を形成する第１電極と、 ｅ）第１半導体領域と、その第１表面において接触する第２電極と を含んでおり、その際 ｆ）第１半導体領域が両電極間の電流経路の中に位置している少なくとも１つの チャネル領域を有し、このチャネル領域が両方の電極の間の予め定められた飽 和電流に到達した際に、一方では前記ｐｎ接合の空乏層により、また他方では 前記のショットキ接触の空乏層により狭窄され、それによって電流が飽和電流 以下の制限電流に制限される。 請求の範囲１または請求の範囲３によるこの半導体デバイスは、チャネル領域 中の物理的効果の有利な組み合わせにより自動的に電流、特に短絡電流を受容可 能な電流値、阻止電流（制限電流）に制限する。 半導体デバイスの有利な実施例は、請求の範囲１または請求の範囲３に従属す る請求の範囲にあげられている。電流制限装置に対する半導体デバイスの有利な 使用方法は請求の範囲１９および２０にあげられている。 特に有利なかつ特に耐降伏性の半導体デバイスの実施例では、第２半導体領域 が第１半導体領域の内部に、接触領域の下側に位置して配置されており、そして 第１半導体領域の第１表面に対して平行な全ての方向に、接触領域よりも先まで 延びている。第２半導体領域中に電荷を蓄積し、またその結果としてそれに続く 両電極における電圧の低下の際にも、チャネル領域の狭窄を持続するために、半 導体デバイスはいま制限電流（阻止電流）を予め定められた制限時間（阻止時間 ）にわたって受容可能な電流チャネルとして本質的に維持する能力がある。 第２半導体領域の中に蓄積された電荷の緩和時間、従ってまた半導体デバイス の電流制限特性曲線の中の制限時間は、いま、第１電極と第２半導体領域との間 の電気的連結部を形成することによって適切に設定できる。この連結部のインピ ーダンスが緩和時間を決定する。特に第１電極は直接に、または半導体デバイス ないし別に設けられている電気的連結回路を介して、第２半導体領域の自由表面 と接触させられる。連結インピーダンスを設定するため、特に、第２半導体領域 と接触領域との間のより高いオーム抵抗が、例えば伝導性のポリシリコンの中間 接続により設定される。 半導体デバイスの垂直な構成、従ってまた特に耐電圧性の構成は、第２電極を 第１半導体領域の第１表面と反対側の第２表面に配置することにより達成される 。 第１半導体領域の第１表面に多くの接触領域を設け、それらに第１電極を共通 の電極として対応付けるのが望ましい。 いま接触領域の下側に、第１半導体領域の第１表面に対して平行な全ての方向 に、全ての接触領域の全体よりも先まで広げられており、そして好ましくは電気 的に前記のチャネル領域に対して直列に接続された第１半導体領域の中の別のチ ャネル領域を通って、好ましくは垂直に延びた開口を有する、相互につながった 第２半導体領域が配置されていてよい。 しかし、各接触領域の下側に位置して、付属する第２半導体領域が第１半導体 領域の中に配置されており、それらの間に、電流経路の中で接触領域に対応付け られているチャネル領域のそれぞれ少なくとも１つに電気的に直列に位置してい る第１半導体領域の追加的なチャネル領域が延びていてもよい。 各接触領域が、第１半導体領域のその他の範囲よりも高いキャリア濃度を有す ることは好ましい。 半導体デバイスに用いる半導体として、少なくとも２ｅＶの高い禁制帯を有す る半導体を使用するのが望ましい。この半導体は、電荷蓄積効果に有利に影響す る低い内在的なキャリア濃度（ドーピングなしのキャリア濃度）を有することで 著しく優れている。 電荷蓄積効果は、半導体デバイスの半導体領域に対する半導体材料として、シ リコンカーバイド（ＳｉＣ）を使用するときに特に大きい。なぜならば、ＳｉＣ は非常に低い固有のキャリア濃度を有するからである。ＳｉＣの他の利点は、そ の高い降伏耐性、わずかな損失電力、高い温度耐性、化学的耐性および高い熱伝 導性である。ＳｉＣの好ましいポリ形式は４Ｈ、６Ｈおよび３Ｃポリ形式である 。ＳｉＣに対する好ましいドーピング物質は、ｐドーピングに対してはホウ素お よびアルミニウム、そしてｎドーピングに対しては窒素である。しかし、他の半 導体、特にシリコン（Ｓｉ）も適している。 第１電極によく適合する材料はニッケル（Ｎｉ）である。ポリシリコンまたは 金属、好ましくはタンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）またはタングステン（Ｗ） のような他の材料も同じく適している。 直流電流制限器は、半導体デバイスの一方の電極が電流源と、そして他方の電 極が負荷と電気的に接続可能であることにより実現される。 交流電流制限器は、２つの半導体デバイスを逆直列に電流源と電気的負荷との 間に接続することにより実現される。第２半導体領域中での電荷の蓄積は、電流 が交流電圧の極性交換の際に、常に再びスイッチオンされることを阻止する。 図面を参照して本発明をさらに説明する。 図１には２つの逆直列に接続されている半導体デバイスと２つのそれぞれ逆並 列に接続されている保護ダイオードとを有する本発明による交流電流制限器が、 図２にはｐｎ接合により下方から、そしてショットキ接触により上方から境界 を定められた横方向チャネル領域を有する半導体デバイスが、 図３には横方向および垂直方向のチャネル領域と表面における絶縁体領域とを 有する半導体デバイスの実施例が、 図４にはセルデザインを有する半導体デバイスの平面図が、 図５には縁部に電気的に接触し、かつ埋め込まれた半導体領域を有する半導体 デバイスが、 図６には逆直列に接続された２つの半導体デバイスを有する交流電流制限器が 、 図７には図６による交流電流制限器において測定された特性曲線が、そして 図８には電線路分岐の中に交流電流制限器を有する開閉装置が示されている。 図１および２に示す半導体デバイスは、それぞれｎ形（電子伝導）の第１半導 体領域２と、ｐ形（正孔伝導）の第２半導体領域３とを含んでいる。第１半導体 領域２は、好ましくは平らな表面１０を有する。第２半導体領域３は、この表面 ２０の下側に位置して第１半導体領域２の中に埋め込まれており、また少なくと もその第１半導体領域２の表面２０の方に向いた側で横方向に、すなわち第１半 導体領域２の表面２０に対して本質的に平行に延びている。好ましくは、第２半 導体領域３は、第１半導体領域２の表面２０へのドーピング物質粒子のイオン打 込みにより形成される。望ましいドーピングプロフィルは、場合によって用いら れる打込みマスクを考慮に入れて、イオンエネルギーによるイオン打込みの際の 侵入プロフィルにより設定される。特にそのことから、打込まれた半導体領域３ の深さ、すなわちこの第２半導体領域３の第１半導体領域２の表面２０からの間 隔と、第２半導体領域３の垂直な、すなわち第１半導体領域２の表面２０に対し て垂直に測られた寸法Ｄとが明らかである。しかし半導体領域２および３を製造 するために、相応の半導体層のエピタキシャル成長と、それに続いくこれらの層 のパターニングとを行うこともできる。第１半導体領域２の垂直な寸法Ｄは、特 に約０．１μｍと約１．０μｍとの間の大きさである。図示されている断面の中 で、第１半導体領域２の表面２０に対して平行な第２半導体領域３の横方向の寸 法はＢで示されており、そして一般に約１０μｍと約３０μｍとの間に選ばれて いる。第１半導体領域２と、それと逆導電形にドープされた第２半導体領域３と の間にｐｎ接合が形成されており、その空乏層（空間電荷層、キャリアの不足し た帯域）は、参照符号２３を付して破線で記入されている。ｐｎ接合の空乏層２ ３は第２半導体領域３の全体を囲んでいる。ｐ領域およびｎ領域の中のｐｎ接合 の寸法は、その際既知のように、ドーピング濃度から生ずるキャリア濃度に応じ て、ポアッソン法則および電荷保存の原理ならびにｐｎ接合に与えられている電 圧（電位差）に従って決まる。 第１半導体領域２の表面２０には、図１および図２のようにオーム接触のため の接触領域５が設けられている。オーム接触領域５は、好ましくは第１半導体領 域２よりも高い濃度に、またそれと等しい導電形、図示の実施例ではｎ⁺にドー プされている。図示されている断面内での接触領域５の横方向の寸法はｂにより 示されており、また第１半導体領域２の表面２０に対して平行な全方向において 第２半導体領域３の横方向の寸法Ｂよりも小さい、通常接触領域の横方向の寸法 ｂは、約６μｍと約２８μｍとの間である。第２半導体領域３および接触領域５ は互いに相対的に、第１半導体領域２の表面２０に対して垂直な突起の中におい て、接触領域５の突起が完全に第２半導体領域３の突起の内側に位置するように 配置されている。 接触領域５の自由表面５０の上に、導電性の材料から成る第１電極７が配置さ れている。第１電極７は境を接する半導体表面の上にも延びている。 図１による実施例では、第１電極７が接触領域５の上にオーム接触を形成し、 そして第１半導体領域２の表面２０上にショットキ接触を形成する。その空乏層 は参照符号７０を付して示されており、そして破線で記入されている。このこと は、例えばドーピングの際の接触領域５および第１半導体領域２のキャリア濃度 の適当な設定により達成される。第１半導体領域２および接触領域５がそれぞれ 特に好ましい半導体材料であるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）から成っているな らば、特に約１・１０¹⁹ｃｍ^-3を越える接触領域５のドーピング物質濃度および 約２・１０¹⁶ｃｍ^-3よりも小さい第１半導体領域２のドーピング物質濃度が選ば れる。その場合、第１電極７に対してニッケル（Ｎｉ）を材料として使用するこ とは有利である。 それに対し図２による実施例では、第１半導体領域２の表面２０上に、第１半 導体領域２と逆の導電形、すなわち図示の実施例ではｐ形であり、好ましくは同 じくイオン打込みにより形成された第３半導体領域４が配置されている。第１半 導体領域２と、第３半導体領域４との間にｐｎ接合が形成されており、その空乏 層は参照符号２４を付して示され、破線で記入されている。第１電極７は第３半 導体領域４の上にも延びており、接触領域５の上にも、そして第３半導体領域４ の上にもオーム接触を形成する。 一方において第１半導体領域２の表面２０に配置され、第１電極７により形成 される図１によるショットキ接触または図２による第３半導体領域４と、他方に おいて第２半導体領域３との間に、それぞれ横方向に延びる半導電性のチャネル 領域２２が、第１半導体領域２中に位置して形成されている。接触領域５の相異 なる側にあるチャネル領域２２の横方向の寸法Ｌ１およびＬ２は等しい大きさで あってもよいし、相異なる大きさであってもよい。典型的には、チャネル長さＬ １およびＬ２は、約１μｍと約５μｍとの間の寸法を持つ。チャネル領域２２の 垂直な、すなわち表面２０に対して垂直方向の寸法は、一般に約０．１μｍと約 １μｍとの間に選ばれる。チャネル領域２２の中に延びる図１中の空乏層２３お よび７０と、図２中の空乏層２３および２４とは、キャリアの著しい不足により 第１半導体領域２よりも著しく高い電気抵抗を有するので、チャネル領域２２の 、下方からは空乏層２３により、また上方からは図１中の空乏層７０および図２ 中の空乏層２４により境界付けられている内部範囲のみが電流を導く能力を有す る。チャネル領域２２の、この電流を導く内部範囲の垂直な寸法はｄで示されて いる。 図２において第３半導体領域４は、両方の半導体領域３および４が一方の側で チャネル長さＬ１に沿って、また他方の側でチャネル長さＬ２に沿って、第１半 導体領域２の表面２０への投影像の中で重なり合うように、第２半導体領域３に 対して横方向にずらして配置されている。第３半導体領域４は横方向に接触領域 ５を囲み、そして図示の実施例の中で直接に接触領域５と境を接しており、従っ て横方向の寸法Ｌ１、Ｌ２、ｂおよびＢに関し、Ｌ１＋ｂ＋Ｌ２＝Ｂが成り立つ 。しかし接触領域５は、第３半導体領域４から横方向に間隔をおいて配置しても よい。 図１および図２に示す両実施例では、さらに図２中にのみ図示する第２電極６ が設けられており、この第２電極６は、チャネル領域２２が両方の電極の間の電 流通路の中に位置するように配置されている。この第２電極は、例えば第１半導 体領域２の第１表面２０に配置されていてもよいし（横方向構成）、図５中に示 すように第１半導体領域２の、第１の表面２０と反対側の他の表面２１に配置さ れていてもよい（垂直方向構成）。 第２電極６と第１電極７との間に、半導体デバイスの動作電圧が与えられる。 図１および図２による実施例では、第１電極７は動作電圧源の陰極と、そして第 ２電極６は陽極と接続されている。半導体デバイスの導電形を交換する際には、 動作電圧の極性を相応に交換すればよい。 導通方向に動作電圧を与えらた際の半導体デバイスの挙動は、半導体デバイス を通って流れる電極６と７との間の電流Ｉに関連する。この電流Ｉは両方の電極 ６と７との間を、矢印により示されている電流方向に先ずほぼ横方向に第１半導 体領域２の中のチャネル領域２２を通って流れ、次いで、図２による実施例では ほぼ垂直に、第１半導体領域２の内部範囲を通って流れる。電流Ｉの上昇と共に 電極６と７との間の順方向電圧降下が増大するので、第２半導体領域３および図 １によるショットキ接触または図２による第３半導体領域４は、第２電極６に対 して負にバイアスされる。増大する導通降下電圧は、より高い阻止電圧として第 １半導体領域２と第２半導体領域３との間のｐｎ接合に、そして図４によるショ ットキ接触または図５における第３半導体領域４に作用し、それによって空乏層 ２３および７０または２４の拡大を引き起こす。このことはチャネル領域２２の 半導電性の範囲の断面積の減少および相応の抵抗上昇という結果を伴う。特定の 臨界的な電流値（飽和電流）Ｉ_satに到達した際に、空乏層２３および７０また は２４は接触し合い、この結果チャネル領域２２は完全に狭窄する。チャネル領 域２２の中の電気抵抗が顕著に高くなるので、電流は飽和状態に入り、そして電 極６と７との間の電圧が不変であれば、飽和電流値Ｉ_satにとどまる。半導体デ バイスの飽和電流Ｉ_satは、チャネル領域２２の幾何学的寸法、特にその横方向 の寸法Ｌ１およびＬ２および垂直な寸法ｄによりそしてドーピングにより決定さ れるチャネル領域２２のキャリア濃度により、所望の値に設定される。 それに対し例えば短絡の場合のように、電極６と７との間の順方向電圧が引き 続いて上昇する場合には、電流Ｉが飽和電流値Ｉ_satに到達した後に、チャネル 領域２２の中の電力損失が上昇し、またチャネル領域２２の温度が上昇する。チ ャネル領域２２中の内部温度の上昇と共に、チャネル領域２２を覆っている空乏 層２３および７０または２４の中にとどまっているキャリアの移動度が減少する 。チャネル領域２２の伝導性がこうして引き続いて低下し、その結果として電極 ６と７との間の導通電圧降下の上昇が空乏層２３および７０または２４から溢れ 出る可動のキャリアを増大させるという結果を伴う。この帰還結合効果に基づい て、半導体デバイスは短絡の場合のように電流が著しく増大するときも、迅速に 、明らかに飽和電流Ｉ_satよりも小さく、たかだかその０．２倍であり（Ｉ_sat≧ ５ Ｉ_B）、また高い順方向電圧の到達の際に本質的に、典型的に約６０Ｖと約１２ ００Ｖ（例えばまた７００Ｖ）との間に位置する所望の順方向降伏電圧に対する 半導体デバイスの阻止電流に相当した非臨界的な電流値（制限電流）Ｉ_Bに制限 する。 埋め込まれた第２半導体領域３の周りの空乏層２３中に、蓄積された空間電荷 が半導体の固有のキャリア濃度に関係してとどまる。この電荷蓄積により第２半 導体領域３中の電位が、両電極６と７との間の電圧が再び減少する際にも十分に 保たれ、そしてチャネル領域２２が閉じられた状態にとどまる。こうして半導体 デバイスにより、阻止電流Ｉ_Bへの電流Ｉの迅速かつ確実な制限が達成される。 半導体デバイスの半導体領域２、３および４を構成する半導体はシリコンカー バイド（ＳｉＣ）である。それに伴い電荷蓄積効果は特に大きい。ＳｉＣに対す る好ましいドーピング物質は、ｐドーピングに対してはホウ素およびアルミニウ ム、そしてｎドーピングに対しては窒素である。 第１半導体領域２、第２半導体領域３および第３半導体領域４のドーピングは 、両方の電極６と７との間に電圧が阻止方向に与えられたときの半導体デバイス の阻止能力を決定する。 半導体領域４および５の前記のイオン打込みの後に、一般に格子欠陥を減らす ため、熱的な治癒を施される。イオン打込みの代わりに、接触領域５および第の 半導体領域４を製造するため、相応の半導体層のエピタキシァル成長およびそれ に続くこれらの層のパターニング（例えばメサ構造）または特にシリコンの際に は拡散プロセスも使用される。 図３は、第１半導体領域２が基板２７と、その上に配置され、エピタキシャル 成長により形成され、さらに基板２７と等しい導電形およびそれと同等のまたは それよりも低いキャリア濃度を有する半導体層２６とから成る半導体デバイスを 示す。半導体層２６の表面２０に、互いに等しく、しかし望ましくは半導体層２ ６よりも高い濃度にドープされた多数の接触領域５が互いに間隔をおいて配置さ れており、それらのうちの２つだけが図示されている。接触領域５の下側に位置 して、半導体層２６の中に、半導体層２６と逆の導電形にドープされたそれぞれ 第２半導体領域３または関連する第３半導体領域４のそれぞれ部分領域が埋め込 まれている。接触領域５の間には、それぞれ横方向に間隔をおいて、そして好ま しくは等しい間隔ａをおいて、半導体層２６と逆の導電形にドープされた第３半 導体領域４が、半導体層２６の表面２０上に配置されている。第３半導体領域４ からの接触領域５の横方向間隔ａは、一般に約１μｍと約３μｍとの間である。 半導体層２６の自由な表面、接触領域５および第３半導体領域５は、第１電極 ７として、好ましくは金属またはポリシリコンから成る導電性の層により接触さ れている。 半導体領域３および４は、それぞれ第１半導体領域２の表面２０に対してほぼ 横方向に延びている。各半導体領域４は、表面２０に対して垂直な方向に沿う投 影像の中で、半導体領域３のそれぞれ２つと、そして各半導体領域３は半導体領 域４のそれぞれ２つと重なっている。それにより、図１中に示すように、横方向 に延びる横方向チャネル長さＬ１またはＬ２のチャネル領域２２が、半導体層２ ６中において、各第２半導体領域３と、各第３半導体領域４との間にそれぞれ形 成されている。埋め込まれている第２半導体領域３の横方向の寸法は、Ｂ＝ｂ＋ ２ａ＋Ｌ１＋Ｌ２である。基板２７の、半導体層２６と反対側の面の上に、第１ 半導体領域２の第２表面２１として第２電極６が配置されている。電極６と電極 ７との間に半導体デバイスの動作電圧が与えられる。埋め込まれている半導体領 域３は、横方向に互いに、好ましくは等しい間隔Ａをおいて配置されており、ま たは関連する第２半導体領域３の中にそれぞれ横方向の寸法Ａを有する開口が形 成されている。第２半導体領域３の間に、その結果、横方向の寸法Ａおよび垂直 方向の寸法Ｄを有し、表面２０に対してほぼ垂直に延びる第１半導体領域２の各 チャネル領域２９が形成されている。各チャネル領域２９中の半導電の範囲は、 半導体層２６および第２半導体領域３により形成されるｐｎ接合の、図示されて いない空乏層により制限されている（図４中にも図示）。垂直なチャネル領域２ ９の横方向の寸法Ａは、好ましくは両方の電極６と７との間に与える最大阻止電 圧（逆方向電圧）が、少なくとも十分に、第２半導体領域３の下面における半導 体領域２と３との間のｐｎ接合が耐える最大の内部阻止電圧に相当するよう小さ く選ばれている。このことは阻止状態における等電位線の少なくとも十分に平ら な経過に相当する（減ぜられた電圧逆増幅率）。横方向の寸法Ａに対する典型的 な値は、１μｍと１０μｍとの間の値である。 導通方向の極性の動作電圧を与えると、電極７と電極６との間に電流Ｉが、先 ず横方向のチャネル領域を通って、次いで表面２０に対して実際上垂直方向に半 導体領域２６の中の垂直なチャネル領域２９を通ってそして次いで垂直に半導体 層２６および基板２７を通って第２電極６へ、図示の矢印に沿って流れる。 図４は半導体デバイスの実施例を、電極および絶縁体を除いた状態にある半導 体表面の平面図で示す。セルデザインにおいて、少なくとも近似的に正方形の多 くのセルが設けられている。これらのセルは、それぞれ第１半導体領域２として のｎドープされた半導体層の中に打込まれた接触領域５としての、辺の長さｂの 正方形として形成され、またｎ⁺⁺ドープされたソース領域と、ｎ⁺⁺接触領域５を 間隔ａをおいて囲むｐドープされた第３半導体領域４と、接触領域５の下側に打 込みにより埋め込まれたｐドープされた第２半導体領域３（破線で示されている ）とから成っている。表面４０を有する第３半導体領域４は、好ましくは表面５ ０を有する接触領域５と、第１半導体領域２の表面２０の、接触領域５を囲む部 分範囲とに対する正方形状の開口部を例外として、第１半導体領域２の全表面２ ０に打込まれている。幅Ｌ１またはＬ２の正方形状の重なり範囲の中において、 第３半導体領域４の下側および第２半導体領域３の上側に、それぞれチャネル領 域２２が形成されている。埋め込まれている第２半導体領域３を共通の電位にお くため、この第２半導体領域３は第１半導体領域２の中の、特に交差状に延びて いるｐドープされた接続部８および９を介して互いに接続されている。接続部８ および９と、隣の第３半導体領域４との間に、幅Ａを持つ一種の菱形模様の形態 で、表面４０または２０に対して垂直に延びるそれぞれ連続的なチャネル領域２ ９が第１半導体領域２の中に位置して、第３半導体領域４の下側に配置されてい る。電流Ｉは接触領域（ソース領域）５から先ず横方向に水平に横方向チャネル 領域２２を通って、そして続いて近似的に垂直方向に隣接する垂直チャネル２９ を通って流れる。 ＳｉＣから成る半導体に対しては、全ての実施例で、一般に下記のドーピング 濃度が選ばれる 第１半導体領域２、特に半導体層２６に対しては約２・１０¹⁷ｃｍ^-3（約６ ０Ｖの阻止電圧に対して）から、約２・１０¹⁶ｃｍ^-3（約７００Ｖの阻止電圧に 対して）を経て、約６・１０¹⁵ｃｍ^-3（約１２００Ｖの阻止電圧に対して）まで の範囲内、基板２７に対して明らかに１０¹⁸ｃｍ^-3以上、そして第２半導体領域 ３および第３半導体領域４に対して約１・１０¹⁸ｃｍ^-3と約２・¹⁹ｃｍ^-3との間 、好ましくは約５・１０¹⁸ｃｍ^-3、また接触領域５に対して約１・１０¹⁹ｃｍ^-3 以上。シリコンの中では、これらのドーピング濃度は一般に１００により除算す る必要がある（２桁だけ小さい）。 半導体デバイスについての説明した全ての実施例は、種々のトポロジーで、特 にセルデザインまたは櫛歯状の構造で構成可能である。 図５は、図３による実施例の発展例を示す。半導体層２６はその縁において、 例えばエッチングプロセスにより半導体材料を除去することにより、互いにつな がりあって打込みにより形成された第２半導体領域３の下まで除去されている。 第２半導体領域３の露出した表面上に、端子６０が被着されている。この端子６ ０は電気的接続体６１を介して第１電極７と電気的に接続されている。この電気 的接続体６１を介して、第２半導体領域３が表面２０において第３半導体領域４ に接続されている。電気的接続体６１は半導体デバイス上に集積されていてもよ いし、特に中間に回路が介在した外部配線であってもよい。この電気的接続６１ の電気的インピーダンスの選定により、短絡の場合に第２半導体領域３の中に蓄 積される電荷の定められた緩和時間（電荷流出時間）が設定される。一般に電気 的接続６１は第１電極７よりも高い電気抵抗を有し、またそのためにより高い抵 抗のポリシリコン導電部を含んでいる。露出された第２半導体領域２３に続いて 、第２半導体領域３と形は等しいが、それよりもキャリア濃度が低い平らな縁終 端３３が表面における電界の強さを減ずるために設けられる。図５に対する変形 例では、打込まれた第２半導体領域３の接触は、半導体デバイスの内部範囲の中 でも行われる。 ショットキ接触を有する実施例と、第１半導体領域２の表面２０における第３ 半導体領域４との追加的なｐｎ接合を有する実施例とを組み合わせて、第１電極 ７への導電性を制限するために相並んでショットキ接触および追加的なｐｎ接合 を第１半導体領域２の同一の表面２０に設けることも可能である。 これまでに説明した半導体デバイスは、卓越した方法で短絡直流電流を制限す るために適しており、またその際に本質安全な駆動部なしで、即ち受動的に動作 するユニポーラな構成要素である。直流電流制限器として半導体デバイスを設計 することにより、定格電流範囲およびなお許容すべき通常の過電流範囲の上側に 位置し、これらの電流範囲を越えると半導体デバイスが自動的に電圧を受け入れ ることにより、それよりも低い阻止電流Ｉ_Bに電流を制限する所望の飽和電流Ｉ_{s at} が設定される。 交流電圧に対しても好適な、図示しない実施例では、図１ないし５の１つによ る第１半導体デバイスと、逆方向電圧に対する第１ダイオードとから成る直列回 路と、図１ないし５の１つによる第２半導体デバイスと逆方向電圧に対する第２ ダイオードとから成る別の直列回路とが逆並列に接続される。両方のダイオード はｐｎ整流ダイオードであってもよいし、特にＳｉＣベースのショットキダイオ ードであってもよい。この交流電流制限器の特性曲線は、その場合にダイオード の閾値電圧を有する。 交流電流制限器の特に有利な実施例を図６に示す。図３と類似の構成を持つ２つ の同種の半導体デバイスが、両方の半導体デバイスのそれぞれ１つが短絡半波（ 電流極性）を制限するように、逆直列に接続されている。そのために両半導体デ バイスの第１電極７および７’は、電気接続体を介して互いに電気的に接続され ており、そして両方の第１電極６および６’は、それぞれ交流電圧の極と電気的 に接続されている、最も外側の第３半導体領域４または４’は、表面２０または ２０’における電界の強さの低減およびバッシベーションのために、半導体層２ ６または２６’と逆の導電形にドープされた平らな縁終端３３により囲まれてい る。第２半導体領域３および３’の中の電荷蓄積効果は、短絡の場合に、電流が 阻止電流Ｉ_Bに制限された状態にとどまるように、後続の交流電圧周期の間にス イッチオンが繰り返されることを防止する。 ＳｉＣ中に形成された、図６の交流電流制限器において測定された電流‐電圧 特性曲線が、図７に示されている。この特性曲線は、電流を制限する部品として の半導体デバイスのぬきんでて優れた適性を示す。０Ｖ近辺の定格電圧範囲にわ たる定格電流範囲の中において、交流電流制限器は非常にわずかな導通抵抗、従 ってまた非常にわずかな導通損失を有するオーム的な挙動を示す、正の飽和電圧 ＋Ｕ_satの際の飽和電流Ｉ_satおよび負の飽和電圧＋Ｕ_satの際の飽和電流−Ｉ_sat に到達した際に、電圧Ｕの絶対値が短絡の場合のようにさらに増大するならば、 電流Ｉは制限電流＋Ｉ_Bまたは−Ｉ_Bに制限される。 図８は電気的負荷１２に対する交流電圧供給網、例えば建物設備の相Ｒと接地 電位Ｍｐとの間の電線路分岐１７の中に設けられた開閉装置を示す。この開閉装 置は、特に図１ないし６の１つにより構成された電子式の交流電流制限器１３と 、交流電流制限器１３の２つの端子１３Ａ、１３Ｂとの間の電圧降下を取出す過 電圧引外し器１６と、交流電流制限器１３と直列に負荷１２の前方において、電 線路分岐１７の中に接続されている開閉リレー１４とを含んでいる。開閉リレー １４は、短絡の場合に電圧供給網（Ｒ）から負荷１２を電気的に切り離すため、 電流制限器１３における限界電圧を超過した際に過電圧引外し器１６により引外 される。開閉リレー１４は、その際その接触部が電流制限時のアークにより負担 をかけられないよう、特に速く動作しなくてよい。なぜならば、本発明による電 子式の交流電流制限器１３は、１ミリ秒よりも明らかに短い時間中に非常に素速 く電流を制限するからである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュテファニ、ディートリッヒ ドイツ連邦共和国 デー―91088 ブーベ ンロイト ハンス―ビルクマイル―シュト ラーセ ７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．半導体デバイスにおいて、 ａ）第１表面（２０）と、この第１表面（２０）における少なくとも１つの接触 領域（５）とを有する第１半導体領域（２）と、 ｂ）第１半導体領域（２）と共にｐｎ接合を形成する少なくとも１つの第２半導 体領域（３）と、 ｃ）第１半導体領域（２）の第１表面（２０）に配置され、そして第１半導体領 域（２）と共にｐｎ接合を形成する少なくとも１つの第３半導体領域（４） と、 ｄ）第１半導体領域（２）の少なくとも１つの接触領域（５）ならびに第３半導 体領域（４）と、第１半導体領域（２）と境を接していない表面（４０）にお いて接触する第１電極（７）と、 ｅ）第１半導体領域（２）と接触する第２電極（８）と を含んでおり、その際 ｆ）第１半導体領域（２）が両方の電極（６、７）の間の電流経路の中に位置す るチャネル領域（２２）を有し、このチャネル領域が、両電極（６、７）の間 における予め定められた飽和電流に到達した際に、前記ｐｎ接合の空乏層（２ ３、２４）により狭窄され、それによって電流が飽和電流の下側の制限電流に 制限される ことを特徴とする半導体デバイス。 ２．第３半導体領域（４）が、接触領域（５）を第１半導体領域（２）の第１表 面（２０）に対して平行に囲んでいることを特徴とする請求の範囲１による半導 体デバイス。 ３．特に請求の範囲１による半導体デバイスにおいて、 ａ）第１表面（２０）と、この第１表面（２０）における少なくとも１つの接触 領域（５）とを有する第１半導体領域（２）と、 ｂ）第１半導体領域（２）と共にｐｎ接合を形成する少なくとも１つの第２半導 体領域（３）と、 ｃ）第１半導体領域（２）の各々の接触領域（５）の上にそれぞれオーム接触 を形成し、そして少なくとも１つの接触領域（５）の外側に位置している第１ 半導体領域（２）の範囲の上にショットキ接触を形成する第１電極（７）と、 ｅ）第１半導体領域（２）と接触する第２電極（８）と を含んでおり、その際 ｆ）第１半導体領域（２）が両方の電極（６、７）の間の電流経路の中に位置し ているチャネル領域（２２）を有し、このチャネル領域が両方の電極（６、 ７）の間の予め定められた飽和電流に到達した際に、一方では前記のｐｎ接 合の空乏層（２３）により、また他方では前記のショットキ接触の空乏層（ ７０）により狭窄され、それによって電流が飽和電流の下側の制限電流に制 限される ことを特徴とする半導体デバイス。 ４．第２半導体領域（３）が第１半導体領域（２）の内部に位置して接触領域（ ５）の下側に配置されており、第１半導体領域（２）の第１表面（２０）に対し て平行に、全ての方向に接触領域（５）よりも先まで延びていることを特徴とす る請求の範囲１ないし３の１つによる半導体デバイス。 ５．第２電極（８）が第１半導体領域（２）の第１表面（２０）と反対向きの第 ２表面（２１）に配置されていることを特徴とする請求の範囲１ないし４の１つ による半導体デバイス。 ６．第１半導体領域（２）が、その第１表面（２０）に多くの接触領域（５）を 有することを特徴とする請求の範囲１ないし５の１つによる半導体デバイス。 ７．接触領域（５）の下側に、第１半導体領域（２）の第１表面（２０）に対し て平行な全ての方向に、全ての接触領域（５）の全体よりも先まで広がる、相互 につながった第２半導体領域（３）が配置されていることを特徴とする請求の範 囲６による半導体デバイス。 ８．各接触領域（５）の下側において、第２半導体領域（３）が第１半導体領域 （２）の中に配置されていることを特徴とする請求の範囲４または７による半導 体デバイス。 ９．互いに連結した第２半導体領域（３）中の開口を通って、それぞれ第１半導 体領域（２）のチャネル領域（２９）が延びており、これらのチャネル領域が電 流経路の中で、接触領域（５）に対応付けられたチャネル領域（２２）の、それ ぞれ少なくとも１つに電気的に直列に位置していることを特徴とする請求の範囲 ７による半導体デバイス。 １０．接触領域（５）に対応付けられている第２半導体領域（３）の間に、第１ 半導体領域（２）の追加的なチャネル領域（２９）が延びており、これらのチャ ネル領域が電流経路の中で、接触領域（５）に対応付けられたチャネル領域（２ ２）のそれぞれ少なくとも１つに電気的に直列に接続されていることを特徴とす る請求の範囲８による半導体デバイス。 １１．追加的なチャネル領域（２９）が、第１表面（２０）に対してほぼ垂直に 延びていることを特徴とする請求の範囲１０による半導体デバイス。 １２．半導体領域（２、３、４）が少なくとも２ｅＶの禁制帯域を有する半導体 から形成されていることを特徴とする請求の範囲１ないし１１の１つによる半導 体デバイス。 １３．半導体領域（２、３、４）がシリコンカーバイド（ＳｉＣ）から形成され ていることを特徴とする請求の範囲１２による半導体デバイス。 １４．第２電極（７）が少なくとも部分的にニッケルから成っていることを特徴 とする請求の範囲１ないし１３の１つによる半導体デバイス。 １５．第１電極（７）が各第２半導体領域（３）に、第２半導体領域（３）中の 蓄積された電荷に対して予め定められた緩和時間が生ずるように、電気的に連結 されていることを特徴とする請求の範囲１ないし１４の１つによる半導体デバイ ス。 １６．第１電極（７）および／または第１電極（７）と，各第２半導体領域（３ ）との間の電気的接続（６１）が，少なくとも部分的にポリシリコンから成って いることを特徴とする請求の範囲１５による半導体デバイス。 １７．第１半導体領域（２）が各接触領域（５）の中で，その他の範囲の中にお けるよりも高いキャリア濃度を有することを特徴とする請求の範囲１ないし１６ の１つによる半導体デバイス。 １８．飽和電流が少なくとも制限電流の５倍の大きさであることを特徴とする請 求の範囲１ないし１７の１つによる半導体デバイス。 １９．電流源（Ｒ）と電気的負荷（１２）との間の直流電流を制限するための電 流制限器（１３）に対する請求の範囲１ないし１８の１つによる少なくとも１つ の半導体デバイスの使用方法において、半導体デバイスの電極（７）が電流源（ Ｒ）と、また他方の電極（８）が負荷（１２）と電気的に接続可能であることを 特徴とする半導体デバイスの使用方法。 ２０．電流源（Ｒ）と電気的負荷（１２）との間の交流電流を制限するための電 流制限器（１３）に対する請求の範囲１ないし１８の１つによる少なくとも２つ の半導体デバイスの使用方法において、２つの半導体デバイスが逆直列に電流源 （Ｒ）と負荷（１２）との間に接続されていることを特徴とする半導体デバイス の使用方法。