JP4154074B2 - surge absorber - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サージアブソーバに係り、特にバンドギャップエネルギーの高い半導体結晶を用いた、動作抵抗が小さくサージ耐量の大きいサージアブソーバに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電気機器を過電圧から保護するサージアブソーバとしては、Si半導体で形成したpn接合の降伏現象を利用した定電圧ダイオードが用いられている。定電圧ダイオードは、例えば、電子情報通信学会編、「電子情報通信ハンドブック」第9編半導体デバイス、第2部門ダイオードの774ページに詳しく記載されているように、Si半導体で形成したpn接合の2種類の降伏現象、すなわちアバランシェ降伏電圧およびツェナー降伏電圧が、広い範囲の逆電流にわたって一定値を示す現象を利用したものである。
【0003】
図6はアバランシェ降伏を利用したエピタキシャル型定電圧ダイオードを示す図であり、図(a)はエピタキシャル型定電圧ダイオードの断面図、図(b)はその電圧−電流特性を示す。
【0004】
図(a)において101はエピタキシャル型定電圧ダイオード、102はn型Si半導体基板、103は基板102に上に形成したn+型層、104はp+型エピタキシャル層、105はアノード電極、106はカソード電極、107はp+型エピタキシャル層104を成長させた後の熱処理によってp+型不純物をSi半導体基板102中に拡散して形成したp型拡散層、108はp型層で形成したガードリング、109はSiO2膜である。
【0005】
エピタキシャル型定電圧ダイオード101の降伏電圧は、前記p型不純物をSi基板102中に拡散して形成するp型拡散層107のpn接合付近の濃度勾配と、n型Si半導体基板102の不純物量によって微妙な制御が可能である。なお、前記p型拡散層をp型不純物のイオン注入とその後の熱拡散によって形成することもできる。
【0006】
図(b)はエピタキシャル型定電圧ダイオード101の電圧−電流特性を示す。ダイオード101に逆電圧を印加すると、所定電圧の降伏領域でアバランシェ降伏を起こし、逆電流が著しく増加する。定電圧ダイオードとしての性能の良否は降伏領域の電圧(Vz)と電流(Iz)の比、すなわち動作抵抗(Zz=Vz/Iz)で判定することができ、この比が小さいほど定電圧特性がよい。また、電圧−電流特性は次式で近似できる。
【0007】
Iz=(Vz/C)α
ここで、Cは定数、αは電圧比直線指数であり、α=1が通常の抵抗の場合であり、αが大きいほど優れている。
【0008】
Si半導体を用いた定電圧ダイオードではα=100〜500の素子を得ることができ、さらに繰り返しの動作にも耐えることができるので電気機器の保護素子として広く使用されている。
【0009】
しかしながら、Siを半導体材料とした定電圧ダイオードは焼結体バリスタに比してサージ耐量が著しく低い、例えば定電圧ダイオードの動作電圧は数V〜数100V、ピークパルス電流は大きいものでも数100A程度であり、その用途は比較的小容量の電子機器に限定される。すなわち、Siを半導体材料とした定電圧ダイオードでは、pn接合の上限動作温度は通常150〜200℃であり、さらにSiの熱容量は比較的小さい。したがって、定電圧ダイオードに許容される吸収エネルギーは焼結体バリスタ等のセラミック製のサージアブソーバに比して著しく制限されるからである。以上に述べたように、動作抵抗が低く、動作電圧の平坦性がよく、そしてサージ耐量が高く、広い電圧電流領域で使用できるサージアブソーバは存在せず、このような特性を備えたサージアブソーバの出現が望まれている。
【0010】
このような要求に応えるものとしてワイドバンドギャップの半導体を用いたサージアブソーバが考えられる。例えば、SiCのバンドギャップエネルギーEgは3.2eVであり、Siのバンドギャップエネルギー1.12eVの約3倍である。さらに半導体接合の上限動作温度は1000℃、結晶の溶融温度は2300℃であり、熱伝導率はSiの約3倍である。したがって、このような半導体材料を用いると、Si半導体を用いたサージアブソーバより大きなサージ耐量が期待できる等、前記の要求に応えることのできるサージアブソーバ実現の可能性がある。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ワイドバンドギャップの半導体を用いてサージアブソーバを製作するにはいくつかの問題点がある。すなわち、
サージアブソーバは素子の動作開始電圧となるpn接合の降伏電圧を所定値に精密に制御することが必要である。しかしワイドバンドギャップの半導体ではドーパント不純物の拡散がほとんど起こらないので前記Si半導体の場合に適用した不純物拡散による降伏電圧の自由な制御はほとんど不可能である。
【0012】
また、ワイドバンドギャップの半導体基板の不純物濃度は、その制御精度が低いためアバランシェ降伏電圧の精密な制御は困難である。
【0013】
さらにサージ耐量の大きい素子を制作するには広い面積のpn接合が均一に動作することが必要であるが、全面積にわたって動作の均一性を確保することが難しく、所要のサージ耐量を得ることは困難である。
【0014】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、動作抵抗が低く、動作電圧の平坦性がよく、そしてサージ耐量が高く、広い電圧電流領域で使用できるサージアブソーバを提供するものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【0016】
第1導電型の半導体基板と、該半導体基板の一方の主表面に形成した第2導電型の半導体層と、該第2導電型の半導体層に所定間隔で配置した、前記第2導電型の半導体層の不純物濃度よりも高濃度の第2導電型の不純物層と、前記第2導電型の半導体層および前記第2導電型の不純物層に導電接続する第1の電極と、前記基板の他方の主表面に形成した第2の電極を備え、前記第1導電型の半導体基板はバンドギャップが2.0eV以上の半導体材料からなり、前記第2導電型の半導体層の不純物濃度は、前記第1導電型の半導体基板と前記第2導電型の半導体層からなるpn接合を逆バイアスしたとき、該pn接合に形成される空乏層が前記第2導電型の半導体層の表面に到達して起きるパンチスルー電圧が、前記pn接合のアバランシェ電圧よりも低くなる濃度に設定した。
【0018】
また、前記サージアブソーバにおいて、
前記第2導電型の不純物層は前記第2導電型の半導体層よりも浅く形成したことを特徴とする。
【0019】
また、前記サージアブソーバにおいて、
前記半導体基板の他方の主表面近傍は比較的高濃度の第1導電型の不純物層であることを特徴とする。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1の実施形態にかかるサージアブソーバを示す図である。図において、1は上下に主表面を有するSiC単結晶の半導体基板、2は不純物濃度が5〜8×10の15乗/cm3、厚さ約200μmの比較的厚いn型層、3は不純物総量が約7×10の12乗/cm2、平均不純物濃度が約8×10の16乗/cm3のp型層である。半導体基板1は前記n型層2およびp型層3からなり、これらの半導体層間にpn接合32が形成される。4はn型層2が露出する一方の主表面にオーム性接触した例えばNi金属の電極、5はp型層3が露出する他方の主表面にオーム性接触した例えばAl金属の電極、6は平均不純物濃度2×10の17乗/cm3、深さ約0.7μmの比較的高濃度のp+型層であり、p+型層6は電極5が終端する部分のn型層2内に主表面から設ける。またp+型層6は電極5と低抵抗にオーム性接触している。
【0021】
電極4が電極5に対して正電位となるようにpn接合32に逆電圧を印加すると、pn接合32を起点として空乏層がn型層2およびp型層3内に拡がって逆電圧を阻止する。n型層2およびp型層3への空乏層の拡がりは印加する逆電圧の増加とともに拡大する。n型層2およびp型層3内の空乏層幅および平均不純物濃度をそれぞれXn、NnおよびXp、Npとすれば、Xn・Nn=Xp・Npの関係が保持される。
【0022】
本実施形態ではNp>>NnであるからXp<<Xnとなる。また本実施形態ではp型層3の厚さがきわめて小さいので、Xpはpn接合の電界が絶縁破壊電界(SiCの場合は約2×10の6乗V/cm)に達する以前にp型層全体に拡がって電極5側の主表面に到達する。そしてこの電圧でパンチスルー現象を起こしてpn接合は降伏する。すなわち、pn接合がアバランシェ降伏を起こす前にパンチスルー降伏することになる。
【0023】
また、本実施形態では、アバランシェ電圧が約1400Vであるのに対してパンチスルー電圧は1000Vである。パンチスルー電圧はp型層3の不純物の総量に依存する。したがって、パンチスルー電圧はイオン注入法などによるドーパント注入量を精密に調整することにより所要の値に正確に制御することができる。
【0024】
図2は本実施形態にかかるサージアブソーバの電圧−電流特性を示す図である。図に示すように、逆電圧を順次高くしていくと電圧Vzにおいてp型層がパンチスルーを起こし逆電流が急激に流れ始める。これに対して、p型層3の不純物量の多い通常のpn接合ではアバランシェ電圧VBでアバランシェ降伏する。
【0025】
本実施形態にかかるサージアブソーバはVz<VBとなる所定の電圧Vzでパンチスルー降伏が開始する。そして100μsの通電時間では約1000Aの逆電流を繰り返し印加しても正常に動作した。また、逆電流が1000Aにおける電極間電位差は約40Vであり、電圧非直線指数αは約350であり、高性能のサージ吸収特性を有する。
【0026】
なお、p+型層6はpn接合32の端部にかかる局所集中電界による降伏電圧の低下を防止するガードリングである。図では通常よく使われているガードリング構造を示したが、他の構造、例えばフィールドリミッティングリング(FLR)、フィールドプレート(FP)、あるいはジャンクション・ターミネーション・エクステンション(JTE)などが適用できる。
【0027】
また、電極4および5はそれぞれn型層2およびp型層3にオーム性接触しているが、パンチスルー電圧よりも十分低い電圧で降伏するバリアの低いショットキー接触であってもよい。動作電圧や動作抵抗に大きな影響を及ぼさないからである。
【0028】
次に、本発明の第2の実施形態を図3ないし図4を用いて説明する。図3において(a)は断面図、(b)は平面図である。図3において、7は基板2の電極5側の主表面からp型層3内に設けたp+型層である。p+型層7は比較的高濃度で、かつp型層3より浅い位置に複数個設けてある。p+型層7の平均不純物濃度および深さはそれぞれ1×10の17乗/cm3、および0.3μmであり、幅および間隔をそれぞれ50μmに設定して分散配置する。なお、図において図1に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【0029】
電極4が電極5に対して正電位となるようにpn接合32に逆電圧を印加すると、pn接合32を起点として空乏層がn型層2およびp型層3内に拡がって逆電圧を阻止する。n型層2およびp型層3への空乏層の拡がりは印加する逆電圧の増加とともに拡大する。p型層3内に拡がる空乏層は、p+型層7のない領域では前述した第1の実施形態における場合と同様に拡大し、その先端が電極5側の主表面に到達する電圧Vzでパンチスルー降伏する。しかしp+型層7を形成した領域では空乏層の先端がp+型層7に到達した後、p+型層7内に拡がるので、前記電圧Vzではパンチスルーは発生しない。すなわちパンチスルーする領域が分割されることになり、パンチスルー動作はpn接合の広い面積にわたって均一に行われる。このように、p+型領域7を備えることによりpn接合の面積が10cm2以上の大口径の素子を製作することが可能になり、サージ耐量が5000A以上の素子が得られる。
【0030】
なお、以上は前記p+型層7の深さがp型層3よりも浅い例を示したが、p+型層7の深さはp型層3と同等またはより深くても前記と同様の効果を得ることができる。また、p+型層7は、図3(b)に示すようにストライプ状の平面構造をしており、各ストパイプ状のp+型層7はガードリングを形成するp+型層6で終端している。
【0031】
図4は前記p+型層7の他の平面構造を示す図である。図4(a)はp+型層7をメッシュ状に形成した例、図4(b)は前記p+型層7を水玉模様に配置した例であり、いずれの平面構造であってもストライプ状に形成した例と同様な効果が得られる。なお、図において図1ないし図3に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【0032】
次に、本発明の第3の実施形態を図5を用いて説明する。図において、1aはSiC単結晶の基板、2aは比較的高不純物濃度のn+型SiC単結晶の半導体層、2bは前記半導体層2a上にエピタキシャル成長法などにより比較的低濃度に不純物をドープして形成した薄いn型層である。なお、図において図1に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【0033】
このようにエピタキシャル成長法によりn型層2bを形成すれば、基板1aのpn接合形成位置の不純物濃度を高精度に制御でき、かつ格子欠陥を少なくできるので、パンチスルー電圧の制御性および動作電圧の安定性に優れたサージアブソーバを得ることができる。
【0034】
また、前記比較的高濃度の半導体層2aを備えた基板1aを使用すると、動作抵抗が低減してより高性能のサージアブソーバを得ることができる。
【0035】
なお、以上の説明ではn型の半導体基板を例に説明したが、p型の半導体基板においても同様に適用できることはもちろんである。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ワイドバンドギャップの半導体材料を用いるサージアブソーバにおいて、pn接合を構成するp型半導体層およびn型半導体層のうち、高濃度となる半導体層のドーパント不純物の総量を制御してパンチスルー現象の発生する逆電圧を制御し、ひいてはpn接合の降伏電圧を制御するので、サージ耐量が大きく、動作開始電圧が正確なサージアブソーバを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態にかかるサージアブソーバを示す図である。
【図2】サージアブソーバの電圧−電流特性を示す図である。
【図3】本発明の第2の実施形態にかかるサージアブソーバを示す図である。
【図4】p+型層の他の平面構造を示す図である。
【図5】本発明の第3の実施形態にかかるサージアブソーバを示す図である。
【図6】従来の定電圧ダイオードを示す図である。
【符号の説明】
1,1a 半導体基板
2,2b n型層
2a n+型半導体層
3 p型層
4,5 電極
6 p+型層
32 pn接合
7 p+型層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a surge absorber, and more particularly, to a surge absorber using a semiconductor crystal having a high band gap energy and a low operating resistance and a high surge resistance.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a surge absorber for protecting electrical equipment from overvoltage, a constant voltage diode using a breakdown phenomenon of a pn junction formed of a Si semiconductor has been used. The constant voltage diode is, for example, a
[0003]
6A and 6B are diagrams showing an epitaxial constant voltage diode using avalanche breakdown. FIG. 6A is a cross-sectional view of the epitaxial constant voltage diode, and FIG. 6B shows its voltage-current characteristics.
[0004]
In FIG. 1A, 101 is an epitaxial constant voltage diode, 102 is an n-type Si semiconductor substrate, 103 is an n + type layer formed on the
[0005]
The breakdown voltage of the epitaxial
[0006]
FIG. 2B shows the voltage-current characteristics of the epitaxial
[0007]
Iz = (Vz / C) α
Here, C is a constant, α is a voltage ratio linear index, α = 1 is a normal resistance, and the larger α is, the better.
[0008]
A constant voltage diode using a Si semiconductor can obtain an element with α = 100 to 500, and can withstand repeated operations, and is therefore widely used as a protective element for electrical equipment.
[0009]
However, a constant voltage diode using Si as a semiconductor material has a significantly lower surge resistance than a sintered body varistor. For example, the constant voltage diode has an operating voltage of several volts to several hundred volts and a peak pulse current of several hundred volts even if the peak pulse current is large. The application is limited to electronic devices with a relatively small capacity. That is, in a constant voltage diode using Si as a semiconductor material, the upper limit operating temperature of the pn junction is normally 150 to 200 ° C., and the heat capacity of Si is relatively small. Therefore, the absorbed energy allowed for the constant voltage diode is significantly limited as compared with a ceramic surge absorber such as a sintered body varistor. As described above, there is no surge absorber that has low operating resistance, good operating voltage flatness, high surge withstand capability, and can be used in a wide voltage and current range. Appearance is desired.
[0010]
A surge absorber using a wide band gap semiconductor can be considered to meet such a demand. For example, the band gap energy Eg of SiC is 3.2 eV, which is about three times the band gap energy 1.12 eV of Si. Furthermore, the upper limit operating temperature of the semiconductor junction is 1000 ° C., the melting temperature of the crystal is 2300 ° C., and the thermal conductivity is about three times that of Si. Therefore, when such a semiconductor material is used, there is a possibility of realizing a surge absorber capable of meeting the above-mentioned demands, such as a higher surge resistance than a surge absorber using a Si semiconductor.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, there are several problems in fabricating a surge absorber using a wide band gap semiconductor. That is,
The surge absorber needs to precisely control the breakdown voltage of the pn junction, which is the operation start voltage of the element, to a predetermined value. However, since a dopant impurity hardly diffuses in a wide band gap semiconductor, it is almost impossible to freely control a breakdown voltage by impurity diffusion applied to the Si semiconductor.
[0012]
Further, since the control accuracy of the impurity concentration of the wide band gap semiconductor substrate is low, precise control of the avalanche breakdown voltage is difficult.
[0013]
Furthermore, it is necessary to operate a pn junction with a large area uniformly in order to produce a device with a large surge resistance, but it is difficult to ensure uniform operation over the entire area, and obtaining the required surge resistance Have difficulty.
[0014]
The present invention has been made in view of the above problems, and provides a surge absorber that has a low operating resistance, good operating voltage flatness, a high surge resistance, and can be used in a wide voltage-current region.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention employs the following means in order to solve the above problems.
[0016]
A first conductivity type semiconductor substrate ; a second conductivity type semiconductor layer formed on one main surface of the semiconductor substrate; and the second conductivity type semiconductor layer disposed at predetermined intervals on the second conductivity type semiconductor layer. A second conductivity type impurity layer having a concentration higher than the impurity concentration of the semiconductor layer; a first electrode conductively connected to the second conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type impurity layer; and the other of the substrate A second electrode formed on the main surface of the first conductive type semiconductor substrate , wherein the first conductive type semiconductor substrate is made of a semiconductor material having a band gap of 2.0 eV or more, and the impurity concentration of the second conductive type semiconductor layer is When a pn junction composed of a first conductivity type semiconductor substrate and the second conductivity type semiconductor layer is reverse-biased, a depletion layer formed in the pn junction reaches the surface of the second conductivity type semiconductor layer. The punch-through voltage is an avalanche of the pn junction. It was set to a concentration lower than the voltage.
[0018]
In the surge absorber,
The impurity layer of the second conductivity type is formed shallower than the semiconductor layer of the second conductivity type.
[0019]
In the surge absorber,
The vicinity of the other main surface of the semiconductor substrate is a relatively high concentration impurity layer of the first conductivity type.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a view showing a surge absorber according to a first embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a SiC single crystal semiconductor substrate having a main surface above and below, 2 is a relatively thick n-type layer having an impurity concentration of 5 to 8 × 10 15 / cm 3 , and a thickness of about 200 μm, and 3 is an impurity. This is a p-type layer having a total amount of about 7 × 10 12 / cm 2 and an average impurity concentration of about 8 × 10 16 / cm 3 . The
[0021]
When a reverse voltage is applied to the
[0022]
In this embodiment, since Np >> Nn, Xp << Xn. In this embodiment, since the thickness of the p-
[0023]
In this embodiment, the avalanche voltage is about 1400V, while the punch-through voltage is 1000V. The punch-through voltage depends on the total amount of impurities in the p-
[0024]
FIG. 2 is a diagram showing voltage-current characteristics of the surge absorber according to the present embodiment. As shown in the figure, when the reverse voltage is sequentially increased, the p-type layer causes punch-through at the voltage Vz, and the reverse current starts to flow rapidly. On the other hand, an avalanche breakdown occurs at an avalanche voltage VB in a normal pn junction with a large amount of impurities in the p-
[0025]
The surge absorber according to the present embodiment starts punch-through breakdown at a predetermined voltage Vz where Vz <VB. In the energization time of 100 μs, the device operated normally even when a reverse current of about 1000 A was repeatedly applied. Further, the potential difference between the electrodes when the reverse current is 1000 A is about 40 V, the voltage non-linear index α is about 350, and it has high-performance surge absorption characteristics.
[0026]
Note that the p + -
[0027]
The
[0028]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3A is a sectional view, and FIG. 3B is a plan view. In FIG. 3,
[0029]
When a reverse voltage is applied to the
[0030]
In the above, an example in which the depth of the p +
[0031]
FIG. 4 is a diagram showing another planar structure of the p +
[0032]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the figure, 1a is a SiC single crystal substrate, 2a is an n + type SiC single crystal semiconductor layer having a relatively high impurity concentration, and 2b is doped with impurities at a relatively low concentration on the
[0033]
If the n-
[0034]
Further, when the substrate 1a having the
[0035]
In the above description, an n-type semiconductor substrate has been described as an example, but it is needless to say that the present invention can be similarly applied to a p-type semiconductor substrate.
[0036]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in the surge absorber using the wide band gap semiconductor material, the dopant impurity of the semiconductor layer having a high concentration among the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer constituting the pn junction. Since the reverse voltage at which the punch-through phenomenon occurs is controlled and the breakdown voltage of the pn junction is controlled, a surge absorber having a large surge resistance and an accurate operation start voltage can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a surge absorber according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing voltage-current characteristics of a surge absorber.
FIG. 3 is a view showing a surge absorber according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing another planar structure of a p + type layer.
FIG. 5 is a view showing a surge absorber according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a conventional constant voltage diode.
[Explanation of symbols]
1,
Claims (3)
該半導体基板の一方の主表面に形成した第2導電型の半導体層と、
該第2導電型の半導体層に所定間隔で配置した、前記第2導電型の半導体層の不純物濃度よりも高濃度の第2導電型の不純物層と、
前記第2導電型の半導体層および前記第2導電型の不純物層に導電接続する第1の電極と、
前記基板の他方の主表面に形成した第2の電極を備え、
前記第1導電型の半導体基板はバンドギャップが2.0eV以上の半導体材料からなり、 前記第2導電型の半導体層の不純物濃度は、前記第1導電型の半導体基板と前記第2導電型の半導体層からなるpn接合を逆バイアスしたとき、該pn接合に形成される空乏層が前記第2導電型の半導体層の表面に到達して起きるパンチスルー電圧が、前記pn接合のアバランシェ電圧よりも低くなる濃度に設定したことを特徴とするサージアブソーバ。A first conductivity type semiconductor substrate;
A second conductivity type semiconductor layer formed on one main surface of the semiconductor substrate;
A second conductivity type impurity layer having a higher concentration than the impurity concentration of the second conductivity type semiconductor layer, disposed at a predetermined interval in the second conductivity type semiconductor layer;
A first electrode conductively connected to the second conductivity type semiconductor layer and the second conductivity type impurity layer ;
A second electrode formed on the other main surface of the substrate ;
The semiconductor substrate of the first conductivity type is made of a semiconductor material having a band gap of 2.0 eV or more, and the impurity concentration of the semiconductor layer of the second conductivity type is that of the semiconductor substrate of the first conductivity type and that of the second conductivity type. When a pn junction made of a semiconductor layer is reverse-biased, a punch-through voltage generated when a depletion layer formed in the pn junction reaches the surface of the semiconductor layer of the second conductivity type is higher than an avalanche voltage of the pn junction. A surge absorber characterized by a low concentration.
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