JP2000505239A - 電流制限のための半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本半導体装置はｎ伝導性の第１の半導体領域のなかに横方向のチャネル領域（２２）と、それにつながる縦方向のチャネル領域（２９）とを含んでいる。両チャネル領域は、第１の半導体領域（２）とそのなかに埋め込まれているｐ伝導性の第２の半導体領域との間に形成されているｐ-ｎ接合のディプレッション帯域（２３）により境されている。

Description

【発明の詳細な説明】 電流制限のための半導体装置 本発明は半導体装置に関する。 定格電流を電気的負荷に供給するためには負荷は開閉装置を介して電力供給網 に接続される。スイッチオン過程で、また短絡の場合にも、一般に明らかに定格 電流よりも大きい過電流が生ずる。電気的負荷を保護するためには、電気的負荷 と電力供給網との間に接続されている開閉装置が過電流および特に短絡電流を迅 速に検出し、予め定められた値に制限し、また続いてスイッチオフすることがで きなければならない。この機能に対して、機械的スイッチまたは半導体スイッチ により形成され得る電流制限スイッチは知られている。 ドイツ特許第A-4330459号明細書から、予め定められた伝導形式の第１の半導 体領域を有し、それに互いに反対向きの表面においてそれぞれ電極が対応付けら れている電流制限-半導体スイッチは知られている。第１の半導体領域のなかに は、両電極の間に反対の伝導形式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の半導体領域のチャネル領 域が形成されており、これらのチャネル領域は第１の半導体領域の両表面に対し て垂直に向けられている（垂直チャネル）。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して導かれ、またそれにより制限される。両電極の間の 電流の流れを制御するため、第１の半導体領域のなかの逆極性にドープされた半 導体領域にゲート電圧が与えられ、それによりチャネル領域の抵抗が制御され得 る。 本発明の課題は、過電流の際に電流を制限して電流を開閉するために使用され 得る半導体装置を提供することである。 この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴により解決される。本半導体装 置は予め定められた伝導形式の第１の半導体領域と、第１の半導体領域の表面に 配置されている接触領域と、第１の半導体領域の内側で接触領域の下側に配置さ れた、第１の半導体領域と逆極性の伝導形式を有する第２の半導体領域とを含ん でいる。第２の半導体領域は、第１の半導体領域の表面に対して平行にすべての 方向に接触領域よりも先まで延びており、その結果として第１の半導体領域のな かに少なくとも１つのチャネル領域が形成されている。このチャネル領域は、下 方において第１の半導体領域と第２の半導体領域との間に形成されるｐ-ｎ接合 のディプレッション帯域により境されており、通過状態で電流を接触領域からま たは接触領域へ通ずる。少なくとも１つのチャネル領域は、こうして第１の半導 体領域のなかに横方向に配置されており、それにより非常に良好な飽和特性を有 する。 本発明の有利な実施態様は請求項１に従属する請求項にあげられている。 第１の有利な実施例では、チャネル領域は第２の半導体領域に向かい合ってい る側で別のｐ-ｎ接合のディプレッション帯域により境されている。このｐ-ｎ接 合は、第１の半導体領域と、第１の半導体領域に対して逆極性の伝導形式の少な くとも１つの第３の半導体領域とにより形成されている。好ましくは、いま、第 ３の半導体領域に、制御電圧を与えることによりチャネル領域の電気抵抗を制御 するための制御電極が対応付けられている。 他の実施例では、チャネル領域は、第２の半導体領域に向かい合っている側で 少なくとも１つのショットキー接触のディプレッション領域により境される。こ の実施例でも、好ましくは、ショットキー接触にチャネル領域の電気抵抗を制御 するための制御電圧が与えられ得る。 別の実施例は、第１の半導体領域の前記の表面と反対側の第１の半導体領域の 別の表面に、別の接触領域が配置されていることを特徴とする。この接触領域と 第１の半導体領域の他方の表面における接触領域との間に、その場合に半導体装 置に対する動作電圧が与えられ得る。 以下、図面を参照して本発明を説明する。 図１には下方にｐ-ｎ接合により境されるチャネル領域を有する半導体装置の 実施例、 図２には追加的なｐ-ｎ接合を有する半導体装置の実施例、 図３には制御電極を有する半導体装置の実施例、 図４には追加的なショットキー接触を有する半導体装置の実施例がそれぞれ概 要図および断面図で示されている。 図１に示されている半導体装置は、ｎ伝導形式の第１の半導体領域２とｐ伝導 形式の第２の半導体領域３とを含んでいる。第１の半導体領域２は好ましくは平 らな表面２０を有する。第２の半導体領域３は、表面２０の下側に第１の半導体 領域２の内側に配置されており、また少なくともその第１の半導体領域２の表面 に向けられた側に横方向に、すなわち第１の半導体領域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の半導体領域３は、ドーピング物質粒 子のイオン注入により第１の半導体領域２の表面２０のなかに生成される。所望 のドーピングプロフィルはイオンエネルギーによりイオン注入の際の侵入プロフ ィルにより設定される。第２の半導体領域３の垂直な、すなわち第１の半導体領 域２の表面２０に対して垂直に測った、広がりＤは、非臨界的であり、場合によ っては使用される注入マスクを考慮に入れてイオン注入の際のイオンエネルギー から生ずる。第１の半導体領域２と逆極性にドープされた第２の半導体領域３と の間に、ｐ-ｎ接合が形成されており、そのディプレッション帯域（空間電荷帯 域）は参照符号２３を付して示されている。ｐ-ｎ接合のディプレッション帯域 ２３は第２の半導体領域３全体を囲んでいる。図示されている断面において、第 １の半導体領域２の表面２０に対して平行な第２の半導体領域３の横方向の広が りは、参照符号Ｂを付して示されている。第１の半導体領域２の表面２０に接触 領域５がオーム接触として設けられている。オーム接触領域５は、好ましくは、 第１の半導体領域２と等しい伝導形式、図示されている実施例ではｎ⁺のより高 濃度にドープされた半導体領域である。接触領域５に図示されていない電極によ り電圧が与えられ得る。図示されている横断面において、接触領域５の横方向の 広がりはｂで示されている。接触領域５の横方向の広がりｂは横方向において、 すなわち第１の半導体領域２の表面２０に対して平行なすべての方向において、 第２の半導体領域３の横方向の広がりＢよりも小さい。第２の半導体領域３およ び接触領域５は互いに相対的に、第１の半導体領域２の表面２０に対して垂直な 投影のなかで、接触領域５の投影が完全に第２の半導体領域３の投影の内側に位 置するように配置されている。接触領域５の外縁と第２の半導体領域３の外縁と の間にこうして少なくとも１つのチャネル領域２２が、第１の半導体領域２の内 側に形成されており、その横方向の広がりＬ１およびＬ２は接触領域５の両側で 等しくてもよいし、相い異なっていてもよい。その場合、横方向の広がりＬ１、 Ｌ２、ｂおよびＢに対してＬ１＋ｂ＋Ｌ２＝Ｂが成り立つ。少なくとも一方のチ ャネル領域２２は下方に、すなわち表面２０と反対向きの側のほうに、第１の半 導体領域と第２の半導体領域３との間のｐ-ｎ接合の空間電荷帯域２３により制 限され、また上方に、図示されている実施例では、第１の半導体領域２の表面２ ０により制限される。接触領域５と、第１の半導体領域２の表面２０における、 または第１の半導体領域２の第１の表面２０と反対向きの別の表面における別の 図示されていない接触領域との間に電圧が与えられると、電流が両接触領域の間 を、第１の半導体領域２のなかの少なくとも一方のチャネル領域２２を通って流 れる。チャネル領域２２の幾何学的な寸法の選定により、チャネル領域２２の電 気抵抗、従ってまた電流容量が設定され、またこうして両接触領域の間の電流が 所望の仕方で制限され得る。チャネル領域２２の垂直な、すなわち第１の半導体 領域２の表面２０に対して垂直に測った広がりは、ｄで示されており、第１の半 導体領域２の表面２０からの第２の半導体領域３の間隔と第１の半導体領域２と 第２の半導体領域３との間に形成されたｐ-ｎ接合のディプレッション帯域２３ の広がりとにより決定される。ｐ-ｎ接合の空間電荷領域２３の広がりは、その 際に第１の半導体領域２および第２の半導体領域３のなかの電荷担体濃度と、こ れらの両半導体領域２および３の間に与えられている阻止電圧（ｐ-ｎ接合の阻 止方向の電位差）とに関係する。従って、チャネル領域２：２の電気抵抗は、制 御電圧を与えることによる第２の半導体領域３の電位の変化によっても制御され 得る。横方向の広がりＬ１およびＬ２は、前記のように接触領域５および第２の 半導体領域３の重なりにより定義される。 少なくとも一方のチャネル領域２２の電流容量を設定するための追加的な可能 性が図２に示されている。図２による半導体装置は、ｐドープされた、従って第 １の半導体領域２と逆の伝導形式の、第１の半導体領域２に境を接している少な くとも１つの第３の半導体領域４を含んでいる。第３の半導体領域４は、横方向 において、すなわち第１の半導体領域２の表面２０に対して平行に第２の半導体 領域３に対してずらされて配置されているので、左側の長さＬ１および右側の長 さＬ２に沿って、第１の半導体領域２の表面２０への投影のなかで両半導体領域 ３および４は重なっている。こうして両方のｐドープされた半導体領域３および ４の間に、横方向に延びているチャネル領域２２が第１の半導体領域２のなかに 形成されている。このチャネル領域２２は、下方において図１中のように第１の 半導体領域２と第２の半導体領域３との間に形成されるｐ-ｎ接合のディプレッ ション帯域２３により、また上方においては第１の半導体領域２と第３の半導体 領域４との間に形成されるｐ-ｎ接合のディプレッション帯域２４により制限さ れている。この実施例では電流の流れＩは、追加的に別のｐ-ｎ接合のディプレ ッション帯域２４の広がりを設定することにより影響され得る。第１の半導体領 域２と第３の半導体領域４との間に形成されるｐ-ｎ接合のディプレッション帯 域２４は、両半導体領域２および４のなかの電荷担体濃度、第３の半導体領域４ の幾何学的寸法および場合によってはｐ-ｎ接合に与えられている電圧に関係し ている。接触領域５は、図示されている実施例では直接に第３の半導体領域４に 境を接しており、従ってチャネル領域２２の横方向の広がりＬ１およびＬ２は、 表面２０と直交する投影のなかの両半導体領域３および４の重なりに一致する。 しかし、接触領域５および第３の半導体領域４は、横方向に互いに間隔をおいて いてもよい。第１の半導体領域２の第１の表面２０と反対向きの別の表面２１に 、別の接触領域６、たとえば電極が配置されている。第１の接触領域５と別の接 触領域６との間に半導体装置の動作電圧が与えられる。図示されている実施例で は接触領域５は陰極と、また接触領域６は陽極と接続されている。半導体領域の 伝導形式の交換の際には動作電圧の極性も同じく交換される。図１および図２に よる実施例は特に受動的な電流制限器として使用され得る。 図３は制御可能な電流制限を行う半導体装置の実施例を示す。第１の半導体領 域２の表面２０に複数の接触領域５が互いに間隔をおいて配置されているが、そ れらのうち２つだけが示されている。接触領域５に共通の電極７が対応付けられ ている。第１の半導体領域２のなかに接触領域５の下に、第１の半導体領域２と 逆の極性にドープされた第２の半導体領域３が埋め込まれている。第１の半導体 領域２の表面２０に接触領域５の間にそれぞれ横方向に間隔ａをおいて、それぞ れ第１の半導体領域２と逆の極性にドープされた別の半導体領域４が配置されて いる。半導体領域３および４はそれぞれ本質的に第１の半導体領域２の表面２０ に対して横方向に延びている。それぞれ半導体領域４は、表面２０に対して垂直 な方向に沿っての投影のなかで半導体領域３のそれぞれ２つと重なり、また各半 導体領域３は半導体領域４のそれぞれ２つと重なる。それにより横方向に延びて いるチャネル領域２２が第１の半導体領域２のなかに形成され、これらのチャネ ル領域２２は図２に示されているように下方および上方にそれぞれｐ-ｎ接合の ディプレッション帯域により制限されている。下側のｐ-ｎ接合は、第１の半導 体領域２と第２の半導体領域３との間に、また上側のｐ-ｎ接合は第１の半導体 領域２とそれぞれ１つの半導体領域４との間に形成されている。第１の半導体領 域２は、図示されている実施例では、基板２７と、その上に配置された、エピタ キシャルに成長した半導体層２６とにより形成されており、その際基板２７と半 導体層２６とは等しい伝導形式である。半導体層２６と反対向きの基板２７の側 、すなわち第１の半導体領域２の第２の表面２１の上に、やはり電極６が配置さ れている。電極６と電極７との間に半導体装置の動作電圧が与えられる。第２の 半導体領域３のなかに、それぞれ１つの横方向の広がりＡを有する開口が形成さ れており、これらの開口を通って第１の半導体領域２のそれぞれ１つのチャネル 領域２９が表面２０に対して本質的に垂直に延びている。各チャネル領域２９は 横方向に、第１の半導体領域２および第２の半導体領域３により形成されるｐ- ｎ接合の図示されていないディプレッション帯域により制限されている。第２の 半導体領域３のなかの開口の横方向の広がりＡは、両接触領域５および７の間に 与え得る最大の阻止電圧が少なくともほぼ半導体領域２および３の間のｐ-ｎ接 合が担い得る最大の体積阻止電圧に相当するように選ばれている。これは阻止の 場合の等電位曲線の少なくともほぼ平らな経過に相当する。第２の半導体領域３ のなかの開口の横方向の広がりＡの典型的な値は１μｍと１０μｍとの間にある 。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が図示 されている矢印に沿って、最初に横方向のチャネル領域２２を通り、その後に表 面２０に対して実際上垂直方向に第１の半導体領域２のなかの垂直なチャネル領 域２９を通って流れる。チャネル領域２２を通る電流の流れは、半導体領域４の 電位の制御により制御され、特に制限され得る。そのために半導体領域４に制御 電 極４０が対応付けられており、それに好ましくは等しい制御電圧が与えられる。 制御電極４０および共通の電極７は、それ自体は公知の埋込みゲート技術による 絶縁層１１により隔てられている。図３によるこのような実施例は能動的な電流 制限器として使用され得る。 図４は制御可能な電流制限を行う半導体装置の別の実施例を示す。第１の半導 体領域２の内側のチャネル領域２２は、この実施例では上方において、ショット キー接触８のディプレッション帯域（阻止層）８２により制限されており、また 下方においては、やはり第１の半導体領域２と埋込まれた半導体領域３との間の ｐ-ｎ接合のディプレッション帯域２３により制限されている。ショットキー接 触８は好ましくは第１の半導体領域２の表面２０に配置されている。ショットキ ー接触８のディプレッション帯域８２の広がりは、ショットキー接触に与えられ ているショットキー-制御電圧Ｕ_sの変更により制御され得る。それによりチャネ ル領域２２の垂直な広がり（深さ）ｄが、従ってまた電極７を有する接触領域５ と電極６との間を流れる電流に対するその電流容量が制御され得る。両電極６お よび７に与えられている半導体装置の動作電圧は参照符号Ｕを付して示されてお り、特に交流電圧であり得る。チャネル領域２２の垂直な広がりｄは、図示され ている実施例では、追加的にたとえばエッチングプロセスにより第１の半導体領 域２から半導体材料を除去することにより設定されている。ショットキー接触８ は材料除去により生成された凹部２８のなかに配置されており、またそれによっ て第１の半導体領域２の元々の表面にくらべて下方にずらされている。凹部の生 成または相補的に追加的な材料による凸部の生成によるチャネル領域２２の垂直 な広がりｄのこのような設定は、すべての他の実施例においても行われ得る。 半導体装置のすべての上述の実施例は種々のテクノロジーで、特に多層メタラ イジングを有するセル設計で、または櫛状の構造で構成され得る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ワイネルト、ウルリッヒ ドイツ連邦共和国 デー―91074 ヘルツ ォーゲンアウラッハ グラディオーレンシ ュトラーセ 10

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． ａ）予め定められた伝導形式（ｎまたはｐ）の第１の半導体領域（２）と、 ｂ）第１の半導体領域（２）の表面（２０）に配置されている接触領域（５）と 、 ｃ）第１の半導体領域（２）の内側で接触領域（５）の下側に配置された、第１ の半導体領域（２）と逆極性の伝導形式（ｐまたはｎ）を有する第２の半導 体領域（３）と を有する半導体装置において、 ｄ）第２の半導体領域（３）が第１の半導体領域（２）の表面（２０）に対して 平行にすべての方向に接触領域（５）よりも先まで延びており、その結果と して第１の半導体領域（２）のなかに少なくとも１つのチャネル領域（２ ２）が形成され、このチャネル領域は、下方において第１の半導体領域 （２）と第２の半導体領域（３）との間に形成されるｐ-ｎ接合のディプレ ッション帯域（２３）により境されており、通過状態で電流を接触領域 （５）からまたは接触領域（５）へ通ずる ことを特徴とする半導体装置。 ２．第１の半導体領域（２）と逆極性の伝導形式（ｐまたはｎ）の少なくとも１ つの第３の半導体領域（４）を有し、第３の半導体領域（４）と第１の半導体領 域（２）との間にｐ-ｎ接合が形成されており、そのディプレッション帯域（２ ４）がチャネル領域（２２）を第２の半導体領域（３）に向かい合っている側で 境することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。 ３．第３の半導体領域（４）に、制御電圧を与えることによりチャネル領域（２ ２）の電気抵抗を制御するための制御電極（４０）が対応付けられていることを 特徴とする請求項２記載の半導体装置。 ４．少なくとも１つのショットキー接触（６）を有し、そのディプレッション領 域（６２）がチャネル領域（２２）を第２の半導体領域（３）に向かい合ってい る側で境することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。 ５．ショットキー接触（６）にチャネル領域（２２）の電気抵抗を制御するため の制御電圧が与えられ得ることを特徴とする請求項４記載の半導体装置。 ６．第１の半導体領域（２）の前記の表面（２０）と反対側の第１の半導体領域 （２）の別の表面（２１）に別の接触領域（６）が設けられており、第２の半導 体領域（３）の開口を通って第１の半導体領域（２）の表面（２０）に対して本 質的に垂直に延びている第１の半導体領域（２）の少なくともチャネル領域（２ ９）が延びており、それを通って通過状態で電流（Ｉ）が両接触領域（６、７） の間を流れることを特徴とする請求項１ないし５の１つに記載の半導体装置。