(57)【要約】【課題】ブレークオーバ電圧を基板の不純物濃度で決まる雪崩降服電圧以外の電圧に設計可能で、ブレークオーバー電流を雪崩降服で決まる電流より広範囲に設定可能なスイッチ素子の提供。【解決手段】対向する第１と第２の主面を有する第１の導電形の半導体基板の、第１の主面に逆導電形の第１の半導体領域、該第１の半導体領域の表面に第１導電形の第２半導体領域、該第１半導体領域と離間して第１主面に逆導電形の第３の半導体領域、第２の主面の第１および第３半導体領域と対向する位置に逆導電形の第５の半導体領域を設け、該第１、第２半導体領域と接する第１の導電電極、第３の半導体領域と接する第３の導電電極を設け、更に該第５半導体領域と、第２主面の一部とに接する第２の導電電極を設ける。第１、第３の導電電極を素子の電気端子と接続する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主面と該第１の主面と対向する第２の主面とを有する第１の導電形の半導体基板と、該第１の主面に設けられた第１の導電形とは逆導電形の第１半導体領域と、第１半導体領域の表面に設けられた第１導電形の第２半導体領域と、
前記第１の主面に前記第１半導体領域と離間してかつ第１半導体領域から逆導電形のキャリアの到達距離に設けられた逆導電形の第３半導体領域と、
該第２の主面に設けられた逆導電形の第５半導体領域と、
前記第１及び第２の半導体領域と接する第１の導電電極と、前記第２の主面の少なくとも１部と前記第５の半導体領域とに接する第２の導電電極と、前記第３半導体領域と接する第３の導電電極と、
から構成され、該第１の導電電極と第３の導電電極間の電圧が規定の電圧以上になると該第２半導体領域と該半導体基板とで挟まれた該第１半導体領域部分およびそれに接する半導体基板部分が空間電荷領域となり、第２半導体領域から該空間電荷領域を通して第１導電形のキャリアを半導体基板に供給することにより導通を開始し、更にオン状態となり、その後前記第１の導電電極と第３の導電電極との間に流れる電流が規定の電流以下となるとオフ状態となることを特徴とするスイッチ素子。
【請求項２】
前記第３の半導体領域の表面に第１導電形の第４半導体領域を設け、前記第３導電電極を前記第３半導体領域と、該第４半導体領域とに接触したことを特徴とする請求項１記載のスイッチ素子。
【請求項３】
前記第２の導電電極に放熱板が接着されていることを特徴とする請求項１ないし２記載のスイッチ素子。
【請求項４】
前記第２の主面に第１導電形で前記基板より不純物濃度の大きい第６半導体領域を第５半導体領域と並置して設け、前記第２の導電電極は第５半導体領域と該第６半導体領域とに接する事を特徴とした請求項１、２ないし３記載のスイッチ素子。
【請求項５】
前記第１半導体領域と第３半導体領域との間に、第１導電形で前記基板より不純物濃度の大きい第７半導体領域を設けた事を特徴とする請求項１、２、３ないし４記載のスイッチ素子。
【請求項６】
前記第７半導体領域は更に前記第１半導体領域を平面的に囲むがごとく配置されている事を特徴とする請求項５記載のスイッチ素子。
【請求項７】
前記第７半導体領域は更に前記第３半導体領域を平面的に囲むがごとく配置されている事を特徴とする請求項５ないし６記載のスイッチ素子。
【請求項８】
前記第１の主面に第１半導体領域と離間して平面的に囲むごとく配置され、かつ前記規定の電圧で第１の半導体領域との間が少なくとも一部空間電荷領域で接続される距離に逆導電形の第８半導体領域を形成した事を特徴とする請求範囲１、２、３、４、５、６、ないし７記載のスイッチ素子。
【請求項９】
前記第１の主面に第３半導体領域と離間して平面的に囲むごとく配置され、かつ前記規定の電圧で第３の半導体領域との間が少なくとも一部空間電荷領域で接続される距離に逆導電形の第９半導体領域を形成した事を特徴とする請求範囲１、２、３、４、５、６、７ないし８記載のスイッチ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子の分野で用いられ、規定の電圧によりオン状態となるスイッチ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の雪崩現象を利用したスイッチ素子は、例えば、図１に示す様に、半導体基板１１の表面に第１のベース２１、第１のベースの表面に第１のエミッタ３１、該該第１のベース２１および該第１のエミッタ３１とに接続された第１の電極４１を設け、該半導体基板１１の裏面に第２のベース２２、該第２のベース２２の表面に第２のエミッタ３２、該第２のベース２２と該第２のエミッタ３２とに接続された第２の電極４２を設けている。更に、基板１１に垂直に延びる外部接続端子６１と６２とが電極４１と４２とにそれぞれ接着されている。
【０００３】
この素子の規定電圧（以後これをブレークオーバー電圧ＶＢＯと呼ぶ）は逆方向バイアスされているベース領域２１または２２と基板１１との接合の雪崩降服電圧で決められる。従って、基板の不純物濃度が決まると大幅な変更は難しい。また、通常、半導体ｐｎ接合の雪崩降服現象は負性抵抗現象が現れ、これにより、素子の初期スイッチオンが開始され、この時の電流値が素子のブレークオーバー電流ＩＢＯとなる。この場合、ＩＢＯを任意の値に予め設計する事は難しい。
【０００４】
さらにこのタイプの素子は電流分布が一様でなく、かつ放熱も外部接続端子からが主体であるために、単位面積当たりの電流容量に限界があった。
【０００５】
一方、基板不純物濃度を選定した後でも、例えば、図２に示すような、基板１１の表面のベース領域２１のエミッタ領域３１と基板１１の間に挟まれたベース領域の部分２３１１の不純物濃度および厚さによりブレークオーバー電圧ＶＢＯの制御が可能で、かつ、ブレークオーバー電流ＩＢＯの設計が半導体基板裏面の逆導電形の半導体領域５２の形状等で可能であるサージ防護素子が開示されている（特開平９−３０７０９８参照）。
【０００６】
しかし、この素子ではオン状態からオフ状態へ遷移する規定の素子電流（以後保持電流ＩＨと呼ぶ）とＩＢＯとがほぼ同程度の値をもち、さらにＩＨよりＩＢＯの方が大きくなる傾向が見られた。一方、急峻なサージを防護する目的以外のスイチ素子はブレークオーバー電流ＩＢＯの値を保持電流ＩＨより小さく設計する事が必要な用途（例えば放電ランプ点弧など）があり、このサージ防護素子はその用途には使用出来なかった。
【０００７】
なお、図２で第１の導電電極４１はベース領域２１とエミッタ領域３１に接している。第２の導電電極４２は逆導電形半導体領域５２と半導体基板裏面とに接している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、１）基板の不純物濃度で決まる雪崩降服電圧以外の電圧にブレークオーバー電圧を設計できる動作原理を有するスイッチ素子、２）ブレークオーバー電流を雪崩降服で決まる値より広範囲に設定でき、保持電流より小さい値に設計できる素子、３）要すれば電流容量を雪崩降服を利用した素子より大きくとることが出来る素子を提供する事が課題である。
【０００９】
【課題を解決する為の手段】
上記課題を解決する為に、本発明では、課題１）を解決するために、図３に示す様に、第１の主面１と該第１の主面と対向する第２の主面２とを有する第１の導電形の半導体基板１０と、該第１の主面１に設けられた第１の導電形とは逆導電形の第１半導体領域１００と、第１半導体領域の表面に設けられた第１導電形の第２半導体領域２００を設け、該第１半導体領域１００と第２半導体領域２００とに接触する第１導電電極４１を接続する。
【００１０】
この第１半導体領域が半導体基板と逆バイアス方向になる極性のブレークオーバー電圧下では、該第２半導体領域２００と該半導体基板１０とで挟まれた該第１半導体領域部分（およびそれに接する基板部分）１２１０が空間電荷領域となり、第２半導体領域２００から該空間電荷領域を通して第１導電形のキャリアを半導体基板１０に供給する。
【００１１】
この該第２半導体領域部分１２１０が空間電荷領域となるために必要な前記第２半導体領域２００と半導体基板１０との間の電圧は該第１半導体領域部分１２１０の不純物濃度と厚さで設計される。この部分が導通開始時の第１導電形キャリア供給手段となる。
【００１２】
本発明では、課題２）を実現する為に、
上記の第１導電形キャリア供給手段と、さらに、
前記第１の主面１に前記第１半導体領域１００と離間してかつ第１の半導体領域１００から逆導電形のキャリアの到達距離に設けられた逆導電形の第３半導体領域３００を設け、スイッチ素子に印加される電圧を前記第２の半導体領域２００と第３の半導体領域３００との間に供給する。
【００１３】
このようにする事で、第３の半導体領域３００から上記第１導電形キャリアに見合う逆導電形キャリアが半導体基板１０中に注入される。この逆導電形キャリアの内、一部が半導体基板１０の第１の主面１に沿って第２の半導体領域２００の方向に流れ、残りは半導体基板の厚み方向へ流れる。
【００１４】
第１の主面１に沿って第２の半導体領域２００の方向に流れた逆導電形のキャリアは再結合により数を失いながら第１半導体領域端部１０３（第３半導体領域３００に近い部分）へ到達し、導電形の同じ第１半導体領域１００へ流れ込む。
【００１５】
この逆導電形のキャリアのうち、第２半導体領域２００と半導体基板１０に挟まれる前記第１半導体領域の部分１２１０（空間電荷領域となっている）に到達したキャリアはその部分を主面に平行に流れ、第１の導電電極４１に到達する。
【００１６】
この時、主面に平行方向に電圧降下が生じ、第２半導体領域２００と半導体基板１０に挟まれる第１半導体領域の部分１２１０で第１半導体領域１００と第２半導体領域２００とが順方向バイアスとなり、この順方向バイアスにより、第２半導体領域２００から第１導電形のキャリアが第１半導体領域１００を通して基板へ供給される。
【００１７】
この第１導電形のキャリアが再度第３半導体領域３００から逆導電形のキャリアの基板への注入を促して、正帰還により、ブレークオーバーが始まりオン状態へ遷移する。ブレークオーバが始まる電流（ブレークオーバー電流ＩＢＯ）は、第２半導体領域２００と第３半導体領域３００の距離が近いほど上記逆導電形のキャリアの消滅が少なくなるので、小さくなる。上記距離の基準は半導体基板１０の厚さおよび前記逆導電形キャリアの拡散長である。
【００１８】
また、ブレークオーバ電流は第２半導体領域２００の幅（第１半導体領域１００と第３半導体領域３００とを結ぶ方向の）が大きいほど小さくなる。第２半導体領域の短辺幅は保持電流にも同様な（第２半導体領域２００の幅が大きいほど保持電流は小さい）効果を及ぼす。
【００１９】
なお、図３で第３の導電電極４３は外部接続端子を接着する為に第３半導体領域３００に接して設ける。
【００２０】
第１半導体領域１００内に複数の第２半導体領域２００が配置されている場合は、第１導電電極４１と第３半導体領域３００間の電流が増加すると、第２半導体領域２００と基板１０で挟まれる第１半導体領域１００の複数部分のうち、第３半導体領域３００に近い該部分から順次順バイアスが大きくなり、オン領域が第１半導体領域１００内に広がって行く。
【００２１】
保持電流ＩＨは前記第２の主面に逆導電形の第５半導体領域５００を設けて調節する事が出来る。該第５半導体領域５００は、前記第１、第３半導体領域と対向する前記第２主面２の一部に設けられる。複数個並置されても良い。更に第２の導電電極４２を第５半導体領域と半導体基板の第２の主面に亘って接触させる。該第２の導電電極４２と半導体基板１０の第２主面との接触の電気特性は、オーム性でも、ショットキー性でもよい。
【００２２】
上記、第３の半導体領域３００から半導体基板１０へ注入された逆導電形キャリアは第２の主面２方向へも拡散またはドリフトして行き第５半導体領域５００へ到達する。第５半導体領域５００及び第２の導電電極４２を第２の主面２に沿って電流が流れ、第１半導体領域１００が対向する基板の第２の主面の部分および第１半導体領域１００が対向する第５半導体領域５００の部分と第１半導体領域１００との間で電流が流れる。
【００２３】
この時、ある程度電流が大きいと、第２の導電電極４２と半導体基板の接触部分へ流れ込む第１導電形のキャリアの量と第５半導体領域５００から半導体基板１０へ注入される逆導電形キャリアの量が第２の導電電極４２が接触する半導体基板の平面寸法および抵抗率と第５半導体領域５００の平面寸法および不純物濃度とで設定される。第５半導体領域５００の平面形状のうち短辺幅が小さいほど保持電流は大、不純物濃度及び深さが大であるほど保持電流は小、複数の場合はその配置で調整される（たとえば間隔が大きいほど保持電流は大）。
【００２４】
第５半導体領域の形状、不純物濃度はブレークオーバー電流にも同様の影響を与える。
【００２５】
本発明では前記第３の課題を解決する為に、要すれば、第２導電電極４２へ放熱板を接着する。この放熱板は通常金属板が用いられる。この放熱板の第２導電電極４２とは反対側は通常絶縁コーティング、モールドされるが、さらに空気、モールド樹脂への放熱の効率を良好とする為にこの反対側表面を凹凸化するなどの手段を附加する事が出来る。素子の電気端子は第１、第３の導電電極に接続される。
【００２６】
【発明の実施の形態】
発明の実施形態の一例として、上記図３に示した従来の課題解決手段に更に以下の機能および効果を発現する構成を加えた構造を図４、５、６に示す。図４は平面図であり、図５はＸ−Ｘ’線で切断した断面図、図６はＹ−Ｙ’線で切断した断面図である。
【００２７】
１）正負両極性でブレークオーバーする為には、上記「課題を解決する為の手段」に記載した構成に更に、第１の導電形を有する第４半導体領域４００を前記第３半導体領域３００表面に設ける。
【００２８】
２）表面イオン汚染等による基板表面反転のため、リーク電流が増大する危険がある。高信頼素子を実現する１手段として、これを防止する為に半導体基板と同一導電形でかつ基板より高不純物濃度の第７半導体領域７００を第１半導体領域と第３半導体領域との間に設ける。
【００２９】
更にチップ端部からのリーク電流のパスも防ぐ為に、上記半導体基板と同一導電形でかつ半導体基板より高不純物濃度の第７半導体領域７００を第１半導体領域１００の周囲に配置する。同様に半導体基板と同一導電形でかつ半導体基板より高不純物濃度の第７半導体領域７００を第３の半導体領域３００の周囲に配置する。
【００３０】
３）第１半導体領域１００および第３半導体領域３００の接合端部１０４，３０４での電界集中のため、雪崩降服電圧が低下する。この素子のブレークオーバー電圧をこの低下した雪崩降服電圧以上に設計し、動作を実現する為には、電界集中を避けるために、動作電圧近くで第１半導体領域１００から空間電荷領域が到達する距離に半導体基板とは逆導電形の第８半導体領域８００を配置して第１半導体領域１００を囲む。同様の要求を実現する為に、動作電圧近くで第３半導体領域３００から空間電荷領域が到達する距離に基板とは逆導電形の第９半導体領域９００を配置して第３半導体領域３００を囲む。
【００３１】
４）ブレークオーバー電流をより小さく、設計性よく実現する構成として、少なくとも第１半導体領域１００と第３半導体領域３００とが接近する部分（図５の１０５、３０５）では第２半導体領域端部と第１半導体領域端部とで挟まれる第１半導体領域表面部分１０５に第１の導電電極を接しない。即ち、第１半導体領域１００の該端部に流入した逆導電形キャリアを第２半導体領域２００下部の第１半導体領域部分１２１０を通して第１の導電電極４１に集めてその部分での電圧降下を効率良く第１第２半導体領域２００の接合の順バイアスとして利用する。同様に第１半導体領域１００と第３半導体領域３００とが接近する部分３０５では第４半導体領域端部と第３半導体領域端部とで挟まれる第３半導体領域表面部分に第３の導電電極４３を接しない。
【００３２】
一様にオン状態で一様な電流分布を確保する為にこの部分１０５，３０５での第２半導体領域の平面幅、第４半導体領域の平面幅は他の部分より小さくする。例えば１／２程度に小さくする。
【００３３】
図４，５，６は上記の実施の様態１）〜４）を全てとり込んだ実施例の図面であるが、目的に応じて一部省略して実施する事が出来るし、例えば様態４）で更に降服電圧を増加する為に第８及び第９半導体領域の数を増やす事も出来る。ブレークオーバー電流、保持電流の再現性向上ないしは増大のために、第２半導体領域２００、第４半導体領域４００の外側部分で、第１、第３半導体領域の不純物濃度、深さを大きくした構成をとることが出来る。また図では半導体表面に通常形成される酸化膜、窒化膜等の保護膜は省略してある。この他、当業者が公知の機能、領域を追加する事も出来る。
【００３４】
【実施例】
図４〜６の構造をｐ形１０Ω−ｃｍ、厚さ３００μｍのシリコン基板で試作した。第１、第３半導体領域の接合深さは６．８μｍ、第８、第９半導体領域の接合深さは６．８μｍ、第２、第４半導体領域は複数個第１、第３半導体領域表面に設けられ、平面短辺幅は約２７０μｍ、深さは２．８μｍ以上でブレークオーバー電圧により可変とした。
【００３５】
ブレークオーバー電圧は２３０Ｖから約十Ｖまで第２、第４半導体領域の深さと第１、第２半導体領域の不純物濃度で任意の値とする事が出来た。
ブレークオーバー電流は１００ｍＡ以上から１ｍＡ以下まで実現できた。
【００３６】
保持電流は第２主面に形成された第５半導体領域の不純物濃度および面積、第５半導体領域が複数個の場合はその短辺長と逆の相関を示し、第５半導体領域と並置された第１導電形の第６半導体領域の面積ないしは短辺長ないしは不純物濃度と正の相関を示した。保持電流は電流は第２、第４半導体領域の短辺長と逆の相関を示した。
【００３７】
上記相関は、第３半導体領域と第２半導体領域の距離、第１半導体領域と第４半導体領域の距離が半導体基板の厚さより数倍大きいときは、ブレークオーバー電流に関しても同様であった。
【００３８】
保持電流が大きい値を示した時に保持電流とブレークオーバー電流に大きな差を与たのは、第３半導体領域と第２半導体領域の距離、第１半導体領域と第４半導体領域の距離である。この距離が半導体基板の厚さより数倍大きいときはブレークオーバー電流が２００ｍＡ、保持電流が１３０ｍＡであったが、この距離を基板厚み程度の３５０μｍ、とするとブレークオーバー電流１０ｍＡ、保持電流７０ｍＡとなった。
【００３９】
同様に基板の抵抗率を１５Ω−ｃｍとし、第２主面の第５、第６半導体領域の設計を上記実施例と変えた（第５半導体領域をより深く、第６半導体領域をより浅く）サンプルでは、この距離が充分大きいときは１００ｍＡ以上であったブレークオーバー電流がこの距離が３５０μｍと基板厚さに近づくと、５ｍＡ前後となり保持電流は約６０ｍＡを維持した。この距離をさらに９０μｍとするとブレークオーバー電流は１ｍＡ以下となった。
【００４０】
実施例の第２の主面の第２導電電極に０．４ｍｍ厚銅板を接着した素子では、表裏にブレークオーバー機構を集積した図１の雪崩降服形の同一チップ面積の素子に比較して交流電流耐量は約１．３倍であった。
【００４１】
【発明の効果】
Ａ）ブレークオーバー電流を大幅に調節出来る。例えば１ｍＡ以下の小さい値から、１００ｍＡの範囲まで実現出来る。その一方で保持電流はブレークオーバー電流より大きくすることも可能である。
【００４２】
Ｂ）ブレークオーバ電圧は基板の不純物濃度で決まる雪崩降服による上限値から１０Ｖ程度まで任意に設計可能である。
【００４３】
Ｃ）図１の従来の素子とちがって表面と裏面とのリソグラフィでの位置合わせを不要とする事が出来る。裏面リソグラフィの欠陥が歩留まりの決定的な要因とならない。
【００４４】
Ｄ）第２主面に放熱板を設ける事により、表裏にブレークオーバー機構を持たせた従来の同じチップ面積の素子より大きい電流耐量が得られる。
上記の本発明では上記効果全てが具現される必要はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】雪崩降服をブレークオーバーに利用した従来のスイッチ素子の断面図。
【図２】サージ防護素子の公知例の断面図。
【図３】本発明のスイッチ素子の断面図。第５半導体領域は第２主面の一部に設けられている。
【図４】本発明の実施様態を説明するスイッチ素子の平面図。
【図５】図４のＸ−Ｘ’線で切断された本発明のスイッチ素子の断面図。
【図６】図４のＹ−Ｙ’線で切断された本発明のスイッチ素子の断面図。
【符号の説明】
１　　　：第１の主面
２　　　：第２の主面
１０　　：半導体基板
１１　　：半導体基板
２１　　：表面のベース領域
２２　　：裏面のベース領域
３１　　：表面のエミッタ領域
３２　　：裏面のエミッタ領域
４１　　：第１の導電電極
４２　　：第２の導電電極
４３　　：第３の導電電極
５２　　：（裏面の）逆導電形の第５半導体領域
７０　　：放熱電極
１００　：逆導電形の第１の半導体領域
２００　：第１導電形の第２半導体領域
３００　：逆導電形の第３半導体領域
４００　：第１導電形の第４半導体領域
５００　：（第２の主面の）逆導電形の第５半導体領域
６００　：（第２の主面の）第１導電形の第６半導体領域
７００　：第１導電形の第７（高不純物濃度）半導体領域
８００　：逆導電形の第８半導体領域
９００　：逆導電形の第９半導体領域
１２１０：第２半導体領域と半導体基板に挟まれた第１半導体領域の空間電荷領域部分
２３１１：表面のエミッタと半導体基板に挟まれた表面のベースの空間電荷領域部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図４】
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【図５】
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