JP5752590B2 - 温度検出素子 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、半導体を用いた温度検出素子に関する。

特許文献１には、ポリシリコンダイオードを用いた温度検出素子が開示されている。ポリシリコンダイオードの順電圧は、温度に応じて変化する。このため、ポリシリコンダイオードの順電圧に基づいて、温度を検出することができる。

特開昭６２−２２９８６６号公報

上述した温度検出素子は、多くの場合、他の半導体素子と一体的に形成される。温度検出素子が検出する温度は、例えば、他の半導体素子を制御するために使用される。一方において、近年では、ＳｉＣ（炭化シリコン）基板を用いた半導体素子の開発が進んでいる。ＳｉＣ基板を用いた半導体素子は、Ｓｉ基板を用いた半導体素子よりも高い温度（例えば、２００℃以上の温度）で動作させることが期待されている。しかしながら、ポリシリコンダイオードを用いた従来の温度検出素子は、２００℃以上の温度において特性が安定せず、温度を検出することができない。したがって、本明細書は、半導体を用いた温度検出素子であって、高温の検出が可能な温度検出素子を提供する。

本願の発明者らは、ＳｉＣ基板に不純物がドープされたドープ領域を、温度検出素子として用いることを着想した。ドープ領域では、温度が上昇するほど、キャリア濃度が上昇する。例えば、ｐ型不純物がドープされた領域では、温度が上昇するほど、価電子帯からアクセプタ準位へ電子が励起され、キャリア濃度が上昇する。したがって、ドープ領域の導電率と温度の間には相関関係が存在する。このため、ＳｉＣ基板に不純物がドープされたドープ領域を、温度検出に用いることができる。しかしながら、活性化エネルギーが低い不純物がドープされたドープ領域では、高温の温度範囲において導電率と温度の間で正確な相関が得られないことが分かった。また、活性化エネルギーが高い不純物がドープされた領域では、高温の温度範囲において導電率と温度の間で正確な相関が得られるが、低温において導電率が極めて低くなることが分かった。低温において導電率が低すぎると、高電圧を印加しなければ低温の検出ができない。すなわち、活性化エネルギーが高い不純物を用いる場合には、高電圧が必要となるため、温度検出装置が大型化してしまう。これらの問題を解決するために、本願の発明者らは以下の温度検出素子を提供する。

本明細書が開示する温度検出素子は、ＳｉＣ基板を有する。ＳｉＣ基板には、導電型が同じであり、活性化エネルギーが異なる２種類以上の不純物がドープされたドープ領域が形成されている。ＳｉＣ基板の表面に、前記ドープ領域と導通する２つの電極が形成されている。

この温度検出素子は、活性化エネルギーが異なる２種類以上の不純物がドープされたドープ領域の温度に対する導電率の変化から、温度を検出する。このドープ領域においては、高温の温度範囲では、活性化エネルギーが低い不純物から提供されるキャリアの量は温度によってはほとんど変化しないが、活性化エネルギーが高い不純物から提供されるキャリアの量は温度によって変化する。このため、高温の温度範囲において、ドープ領域の導電率は温度に応じて変化する。すなわち、高温の温度範囲において、ドープ領域の導電率と温度の間で高い相関が得られる。また、このドープ領域においては、低温では、活性化エネルギーが高い不純物からはキャリアはほとんど提供されないが、活性化エネルギーが低い不純物からキャリアが提供される。このため、低温でも、ドープ領域の導電率はそれほど低くならない。また、このドープ領域においては、低温の温度範囲では、活性化エネルギーが低い不純物から提供されるキャリアの量が温度によって変化する。したがって、低温の温度範囲でも、ドープ領域の導電率と温度の間で高い相関が得られる。しがたって、この温度検出素子は、広い温度範囲で温度の測定が可能である。

上述した温度検出素子は、前記ドープ領域に、ボロンとアルミニウムがドープされていることが好ましい。これらの不純物の組み合わせによれば、より適切な特性を有する温度検出素子が得られる。

上述した温度検出素子は、前記ドープ領域において、ボロンのドーズ量が、アルミニウムのドーズ量の４．５４倍以上であることが好ましい。このような構成によれば、導電率と温度の相関曲線が、高温から低温まで滑らかに繋がる。このため、より使い易い温度検出素子が得られる。

上述した温度検出素子は、前記２つの電極のそれぞれが、直接、または、前記ドープ領域と同じ導電型の領域を介して、前記ドープ領域と導通していることが好ましい。

温度検出素子１０の斜視図。 切断面を含む温度検出素子１０の斜視図。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における温度検出素子１０の縦断面図。 ボロンをドープしたＳｉＣ半導体層の導電率σと温度Ｔとの関係と、アルミニウムをドープしたＳｉＣ半導体層の導電率σと温度Ｔとの関係を示すグラフ。 温度検出領域２４の導電率σと温度Ｔとの関係を示すグラフ。 不純物のドーズ量を変更した場合における温度検出領域２４の導電率σと温度Ｔとの関係を示すグラフ。

図１は温度検出素子１０の斜視図を示している。図示するように、温度検出素子１０は、ＳｉＣ基板１２と、ＳｉＣ基板１２の上面に形成されている電極１４、１６を有している。なお、図１の斜視図は、ＳｉＣ基板１２の一部を切り取って示したものである。実際には、ＳｉＣ基板１２は、図１のＸ方向及びＹ方向に沿って、図示しない範囲まで広がっている。図示しない範囲のＳｉＣ基板１２には、ＭＯＳＦＥＴが形成されている。ＭＯＳＦＥＴは、温度検出素子１０により検出されるＳｉＣ基板１２の温度に基づいて制御される。

図１〜３に示すように、ＳｉＣ基板１２内には、コンタクト領域２０、２２、温度検出領域２４、分離領域２６、ベース領域２８、及び、ドリフト領域３０が形成されている。なお、ＳｉＣ基板１２の上面や下面には、絶縁膜や配線等が形成されているが、図１〜３ではその図示を省略している。

ベース領域２８、及び、ドリフト領域３０は、ＳｉＣ基板１２の横方向に沿って、図示しないＭＯＳＦＥＴが形成されている領域まで広がっている。ベース領域２８、及び、ドリフト領域３０は、図示しないＭＯＳＦＥＴの一部を構成している。ドリフト領域３０は、ｎ型不純物濃度が低いｎ型の領域であり、ベース領域２８はｐ型不純物濃度が低いｐ型の領域である。

温度検出領域２４は、ＳｉＣ基板１２の上面に露出する範囲に形成されているｐ型の領域である。温度検出領域２４には、ボロンとアルミニウムがドープされている。

分離領域２６は、温度検出領域２４とベース領域２８の間に形成されているｎ型の領域である。分離領域２６は温度検出領域２４の周囲全体を覆っている。したがって、分離領域２６によって、温度検出領域２４がベース領域２８から分離されている。

コンタクト領域２０、２２は、ＳｉＣ基板１２の上面に露出する範囲に形成されているｐ型の領域である。コンタクト領域２０、２２のｐ型不純物濃度は、温度検出領域２４よりも高い。コンタクト領域２０、２２は、温度検出領域２４内に形成されている。コンタクト領域２０、２２は、互いに分離されている。コンタクト領域２０上には、電極１４が形成されている。電極１４は、コンタクト領域２０に対してオーミック接続されている。コンタクト領域２２上には、電極１６が形成されている。電極１６は、コンタクト領域２２に対してオーミック接続されている。

温度検出素子１０を使用する際には、電極１４と電極１６の間に一定電流を流す。この電流は、電極１４から、コンタクト領域２０、温度検出領域２４、及び、コンタクト領域２２を介して電極１６へ流れる。温度検出領域２４の導電率は温度によって変化する。このため、電極１４、１６間に一定電流を流すと、温度変化に応じて電極１４、１６間の電圧が変化する。したがって、電極１４、１６間の電圧を検出することで、ＳｉＣ基板１２の温度を検出することができる。

次に、一般的な半導体層中の導電率の温度特性について説明し、その後、温度検出領域２４の導電率の温度特性について説明する。一般に、不純物がドープされた半導体層では、温度の上昇と共に導電率が上昇する。これは、半導体層の温度が上昇するに従って、ドープされた不純物から半導体層中に供給されるキャリアが増加し、半導体層中のキャリア濃度が増加するためである。但し、半導体層の温度が所定温度に達すると、ドープされた不純物からキャリアが出尽くしてしまい、それ以上温度を上昇させても導電率が上昇しなくなる。この動作領域では、温度の上昇と共に半導体層中の散乱が増加するため、温度の上昇と共に導電率が緩やかに低下する。一般に、温度の上昇と共に導電率が上昇する動作領域は不純物領域（または、不純物イオン領域）と呼ばれ、不純物領域より高温において温度の上昇と共に導電率が緩やかに低下する領域は出払い領域（または、外因性領域）と呼ばれる。不純物領域と出払い領域との境界温度は、半導体層にドープされている不純物の活性化エネルギーに応じて変化する。すなわち、活性化エネルギーが高いほど、境界温度は高くなる。また、不純物領域における半導体層の導電率σ（Ω^−１）は、以下の計算式により決まる。

ここで、符号Ｂは、不純物のドーズ量が多いほど増加する係数であり、符号Ｅ_ａは不純物の活性化エネルギーであり、符号ｋはボルツマン定数であり、符号Ｔは絶対温度（Ｋ）である。図４のグラフＡ１は、所定濃度のボロンをドープしたＳｉＣ半導体層における導電率σと温度Ｔとの関係を示しており、図４のグラフＡ２は、所定濃度のアルミニウムをドープしたＳｉＣ半導体層における導電率σと温度Ｔとの関係を示している。不純物領域においては上述した（数１）の関係が得られるため、図４において不純物領域におけるグラフの傾き（横軸１／Ｔの変化量に対する縦軸ｌｏｇσの変化量の絶対値）は、活性化エネルギーが高いボロンがドープされた半導体層（グラフＡ１）の方が、活性化エネルギーが低いアルミニウムがドープされた半導体層（グラフＡ２）よりも大きい。また、上述した通り、活性化エネルギーが高いボロンがドープされた半導体層（グラフＡ１）の境界温度Ｔ_ａ１（不純物領域と出払い領域の境界温度）は、活性化エネルギーが低いアルミニウムがドープされた半導体層（グラフＡ２）の境界温度Ｔ_ａ２よりも高い。上述した傾きと境界温度は、活性化エネルギーＥ_ａによって決まるため、不純物のドーズ量（不純物濃度）を変更してもほとんど変わらない。一方、上述した（数１）の中の符号Ｂは、ドーズ量によって変化する。このため、不純物のドーズ量を変更すると、図４のグラフＡ１、Ａ２は上下にシフトする。

図４に示すように、ボロンがドープされた半導体層（グラフＡ１）では、境界温度Ｔ_ａ１が高いので、高温の温度範囲（温度Ｔ_ａ１と温度Ｔ_ａ２の間の温度範囲）でも、温度Ｔが増加するほど、導電率σが増加する。このため、ボロンがドープされた半導体層は、高温の温度範囲における温度検出に用いることができる。しかしながら、図４に示すように、ボロンがドープされた半導体層では、上述した傾きが大きいため、低温において導電率が極めて低くなる。その結果、低温の温度範囲において導電率を検出するためには、高電圧が必要になる。ボロンがドープされた半導体層は、低温の温度検出が困難である。一方、アルミニウムがドープされた半導体層（グラフＡ２）では、境界温度Ｔ_ａ２が低いので、高温において温度検出が困難である。

図５のグラフＢ１は、温度検出素子１０の温度検出領域２４の導電率σと温度Ｔとの関係を示している。また、図５のグラフＢ２は、温度検出領域２４と同じ濃度のボロンのみをドープしたＳｉＣ半導体層の導電率σの温度特性を示しており、図５のグラフＢ３は、温度検出領域２４と同じ濃度のアルミニウムのみをドープしたＳｉＣ半導体層の導電率σの温度特性を示している。すなわち、グラフＢ１は、グラフＢ２の導電率σとグラフＢ３の導電率σを加算したグラフである。また、図５の温度Ｔ_ａ３は、グラフＢ２とグラフＢ３の交点Ｄにおける温度を示している。

図５のグラフＢ１に示すように、温度検出領域２４の導電率σは、高温の温度範囲（温度Ｔ_ａ１と温度Ｔ_ａ３の間の温度範囲：本願では、約２００℃以上の温度範囲）において、温度Ｔが増加するほど増加する。これは、高温の温度範囲においては、ボロンの働きによって、キャリアの量が温度に応じて変化するためである。また、温度検出領域２４の導電率σは、低温の温度範囲（図５の温度Ｔ_ａ３以下の温度範囲：本願では、約２００℃未満の温度範囲）において極端に低くはならない。これは、低温の温度範囲においては、アルミニウムからキャリアが供給されるためである。低温の温度範囲では、主にアルミニウムの働きによって、キャリアの量が温度に応じて変化する。したがって、低温の温度範囲においても、温度Ｔが上昇するほど、温度検出領域２４の導電率σが増加する。このように、温度検出領域２４の導電率は、高温から低温までの広い温度範囲において温度に応じて変化するとともに、低温において極端に低くならない。したがって、温度検出素子１０によれば、高温から低温まで幅広い温度範囲において適切に温度を検出することができる。

なお、上述したように、図５のグラフＢ２、Ｂ３は、ボロン、及び、アルミニウムのドーズ量によって上下にシフトさせることができる。温度検出領域２４は、これらのドーズ量を調節することによって、グラフＢ３の不純物領域内でグラフＢ２とグラフＢ３との交点Ｄが得られるように形成されている。上記の（数１）と温度範囲とアルミニウムとボロンの活性化エネルギーの差を考慮すると、図５のようにグラフＢ３の不純物領域内でグラフＢ２をグラフＢ３と交差させるためには、ボロンのドーズ量をアルミニウムのドーズ量の４．５４倍以上とする必要がある。グラフＢ３の不純物領域内でグラフＢ２がグラフＢ３と交差していれば、図５のグラフＢ１に示すように、広い温度範囲で、温度Ｔが増加するほど導電率σが増加する特性が得られる。このため、より適切な温度検出が可能となる。なお、上述した関係が満たされていない場合には、図６のグラフＣ１に示すように、温度検出領域２４の導電率σの温度特性が極大値Ｅ１及び極小値Ｅ２を持つようになる。このような特性は、値Ｅ１、Ｅ２の付近で温度検出がし難くなるため、好ましくはない。但し、このような特性でも、温度検出は不可能ではない。また、このような構成でも、ボロンとアルミニウムの働きにより、広い温度範囲で温度を検出することができる。

なお、上述した温度検出素子１０の電流Ｉと電圧Ｖの間の特性は、以下の数式に示される特性となる。

上記の（数２）において、符号Ａは、不純物濃度や温度検出領域２４のサイズ等により変化する係数である。（数２）から明らかなように、電流Ｉは電圧Ｖに対して指数関数的に変化する一方で、電流Ｉは係数Ａに対して比例的に変化する。すなわち、上記係数Ａ（すなわち、不純物濃度や温度検出領域２４のサイズ等）が電流に与える影響は、電圧が電流に与える影響よりも遥かに小さい。したがって、温度検出領域２４の電流電圧特性が、温度検出領域２４を形成する際におけるバラツキ（不純物濃度や温度検出領域２４のサイズ等のバラツキ）の影響を受け難い。すなわち、温度検出素子１０は、安定した特性で量産することができる。

また、温度検出領域２４は、イオン注入やエピタキシャル成長により容易に形成することが可能であり、また、分離領域２６等によって他の領域から電気的に分離し易い。したがって、温度検出素子１０は製造が容易である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０：温度検出素子
１２：基板
１４：電極
１６：電極
２０：コンタクト領域
２２：コンタクト領域
２４：温度検出領域
２６：分離領域
２８：ベース領域
３０：ドリフト領域

Claims (4)

1. ＳｉＣ基板を有する温度検出素子であって、
   導電型が同じであり、活性化エネルギーが異なる２種類以上の不純物がドープされたドープ領域がＳｉＣ基板に形成されており、
   ＳｉＣ基板の表面に、前記ドープ領域と導通する２つの電極が形成されている、
   温度検出素子。
2. 前記ドープ領域に、ボロンとアルミニウムがドープされている請求項１に記載の温度検出素子。
3. 前記ドープ領域において、ボロンのドーズ量が、アルミニウムのドーズ量の４．５４倍以上である請求項１または２に記載の温度検出素子。
4. 前記２つの電極のそれぞれが、直接、または、前記ドープ領域と同じ導電型の領域を介して、前記ドープ領域と導通している請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度検出素子。

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