JP6692427B2 - 過電圧保護デバイス - Google Patents

Description

本発明は、回路保護デバイスの分野に関し、より詳細には、過電圧事象から保護するための半導体デバイスに関する。

半導体デバイスは、Ｐ／Ｎ接合の特性を利用することにより過渡過電圧事象またはサージ事象などの過渡状態に対する保護を供するために広く使用されている。現在、市場に広く配備されている２つの主なタイプの別個の回路保護技術が存在する。これらはクローバー・デバイス（crowbar devices）およびクランプ・デバイス（clamping devices）と呼ばれることがある。クランプ・デバイスの例には、金属酸化物バリスタ（metal oxide varistors、ＭＯＶ）として一般に製造されたバリスタと、ツェナー・ダイオード（zener diode）が含まれる。これらのデバイスのいずれにおいても、電圧は、特定のクランプ・デバイスのレベル特性にクランプされてもよい。クランプ・デバイスの使用の欠点は、高いクランプ電圧を伴う（しばしばスタンドオフ電圧（standoff voltage）の１．６倍〜２．５倍）、比較的遅い応答である。さらに、高いリーク電流（または漏れ電流、leakage current）がＭＯＶデバイスに存在し、自己放熱がエージングを加速し、ＭＯＶが複数のサージ事象に耐えられない結果を招く可能性がある。クローバー型のデバイスは、特定の電圧に達すると低電圧ステージに戻る。クローバー・デバイスの使用に関する１つの問題は、リセットがない場合、またはデバイスを流れる電流がホールド電流（または保持電流、holding current）の低レベル特性に戻るまで、これらのデバイスが低リーク状態に戻らないことである。

上記および他の問題に関して、本開示が供される。

一態様では、過電圧保護デバイス（overvoltage protection device）は、第１面（または第１表面、first surface）および第２面（second surface）を有する金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、第１外側面（first outer surface）および第２外側面（second outer surface）を有し、互いに電気的に直列に配置された複数の半導体層を含んで成る半導体クローバー・デバイス（semiconductor crowbar device）を有して成り、金属酸化物バリスタの第１側（first side）に設けられた半導体基板、ＭＯＶの第２面と半導体基板の第１外側面との間に設けられた伝導領域（conductive region）、ＭＯＶの第１面に設けられた第１電気コンタクト（first electrical contact）、ならびに半導体基板の第２外側面に設けられた第２電気コンタクト（second electrical contact）を含んでもよい。

別の態様では、過電圧保護デバイスの製造方法は、第１側および第２側（second side）を有する金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）を供すこと、半導体クローバー・デバイスを有して成る半導体基板の第１面を第２側に取り付けること、第１電気コンタクトを金属酸化物バリスタの第１側に形成すること、ならびに第２電気コンタクトを半導体基板の第１面に対向する第２面に形成することを含んでもよく、金属酸化物バリスタおよび半導体クローバー・デバイスは、第１電気コンタクトと第２電気コンタクトとの間で互いに電気的に直列となっている。

さらなる態様では、過電圧保護デバイスは、第１電気コンタクト、第１電気コンタクトに電気的に接続された金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、第２電気コンタクトおよび複数の半導体層を含んで成る半導体クローバー・デバイスを有してもよく、金属酸化物バリスタおよび半導体クローバー・デバイスは、第１電気コンタクトと第２電気コンタクトとの間に電気的に直列に配置される。

図１Ａは、本開示の態様による過電圧保護デバイスの一の実装の回路図を示す。 図１Ｂは、本開示の態様による過電圧保護デバイスの構造の側断面図を示す。 図２は、種々の態様による過電圧保護デバイスの一部を形成し得る半導体クローバー・デバイスの側断面図を示す。 図３Ａは、ある態様による包封（または封入、encapsulation）前の過電圧保護デバイスを示す。 図３Ｂは、包封後の図３Ａの過電圧保護デバイスを示す。 図４Ａは、本開示の態様による過電圧保護デバイスの例示的な電流−電圧曲線を示す。 図４Ｂは、過電圧保護デバイスの第１構成要素の例示的な電流−電圧曲線を示す。 図４Ｃは、過電圧保護デバイスの第２構成要素の例示的な電流−電圧曲線を示す。 図４Ｄは、本態様によるデバイスとスタンドアローン・デバイスとを比較する例示的なブレークオーバー電圧挙動を示す。 図５は、例示的なプロセス・フローを示す。 図６Ａは、本開示の態様による製造の種々の段階における例示的な過電圧保護デバイスの一の図的記載を示す。 図６Ｂは、本開示の態様による製造の種々の段階における例示的な過電圧保護デバイスの一の図的記載を示す。 図６Ｃは、本開示の態様による製造の種々の段階における例示的な過電圧保護デバイスの一の図的記載を示す。 図６Ｄは、本開示の態様による製造の種々の段階における例示的な過電圧保護デバイスの一の図的記載を示す。 図６Ｅは、本開示の態様による製造の種々の段階における例示的な過電圧保護デバイスの一の図的記載を示す。 図６Ｆは、本開示の態様による製造の種々の段階における例示的な過電圧保護デバイスの一の図的記載を示す。

以下、種々の態様が示される添付の図面を参照して、本発明の態様をより詳細に記載する。態様は、多くの異なる形態で具体化されてもよく、本明細書に記載の態様に限定されると解釈されるべきではない。これらの態様は、本開示が詳細かつ構成要件を完備しており、態様の範囲が当業者に十分に伝わるように供される。図面において、同様の番号は同様の要素を参照する。

以下の記載および／または特許請求の範囲において、「に（on）」、「に横たわる、または、に重なる（overlying）」「に設けられる（disposed on）」および「にわたって（over）」という用語は、以下の記載および特許請求の範囲において使用される場合がある。「に（on）」、「に横たわる、または、に重なる（overlying）」、「に設けられる（disposed on）」および「にわたって（over）」は、２またはそれよりも多い要素が互いに直接物理的に接触していることを示すために使用される場合がある。「に（on）」、「に横たわる、または、に重なる（overlying）」、「に設けられる（disposed on）」および「にわたって（over）」という用語は、２またはそれよりも多い要素が互いに直接接触していない場合も意味する場合がある。例えば、「にわたって（over）」は、一方の要素が、他方の要素上方にあるが、接触していない場合を意味する場合があり、また２つの要素間において別の要素を有する場合がある。さらに、「および／または（and/or）」という用語は、「および（and）」を意味する場合があり、「または（or）」を意味する場合があり、「排他的な“または（or）”」を意味する場合があり、「１の（one）」を意味する場合があり、「全てでは無くいくらかの（some, not all）」を意味する場合があり、「いずれでもない（neither）」を意味する場合があり、「いずれでもない（neither）」および／または「両方とも（both）」を意味する場合がある。特許請求の範囲に記載された対象の範囲は、この点に限定されるものではない。

本態様は、一般に、過電圧保護デバイスに関する。種々の態様において、過電圧保護デバイスは、金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）と半導体クローバー・デバイスとの一体化（または集積化、もしくは統合、integration）を含んでもよい。以下詳細に記載するように、そのようなデバイスは、低いクランプ電圧、少ないリークおよび速い応答時間の利点を供し得る。本態様の過電圧保護デバイスの半導体クローバー構成要素は、摩耗していない間にサージ、少ないリーク、耐久性のある保護、ならびに正確で安定したブレークオーバー電圧に対する優れた応答を供し得る。このような過電圧保護デバイスのＭＯＶ構成要素は、サージに応答するために高エネルギーのクランピングを供し得る。本明細書で使用される「半導体クローバー・デバイス」という用語は、半導体基板に実装され、過電圧状態の場合に発動されるトリガー・レベル（trigger level）よりも低い電圧レベルに引き下げるように動作するデバイスを指し得る。単一デバイスとして実装される場合、半導体クローバー・デバイスにおけるトリガー・レベルは、ブレークオーバー電圧として表され得る。ブレークオーバー電圧に達すると、半導体クローバー・デバイスはオン状態になり、電圧をグラウンド（または基底、ground）・レベルに近いレベルまで引き下げるように作用する。この動作は、バリスタのようなクランプ・デバイスとは異なり、電圧は、バリスタが電気的に伝導するクランプ電圧にクランプされ得る。既知の半導体クローバー・デバイスの例としては、サイリスタ型デバイスおよびＳＩＤＡＣｔｏｒ（登録商標）型デバイス（ＳＩＤＡＣｔｏｒはＬｉｔｔｅｌｆｕｓｅ，Ｉｎｃ．の登録商標）が挙げられる。

種々の態様において、既知のＭＯＶデバイスの限界を克服する過電圧保護デバイスが供される。既知のＭＯＶデバイスでは、例えば、クランプ電圧は、動作電圧の約１．６倍から２．５倍の範囲であってもよい。これは、過電圧状態の際に伝わる可能性がある高エネルギーのために、電子機器を完全に保護するＭＯＶデバイスの能力を制限し得る。本態様に従って構成された過電圧保護デバイスでは、半導体クローバー構成要素は、オフ状態の間に高インピーダンス・スイッチとして機能するようにＭＯＶに結合されてもよい。これは全体的なリーク電流を低減するのに役立つ。

図１Ａは、本開示の態様による過電圧保護デバイスの１つの実装の回路図を示す。特に、過電圧保護デバイス１００は、第１電線１１０と第２電線１１２との間に実装される。第１電線１１０および第２電線１１２は、交流（ＡＣ）電圧源または直流ＤＣ電圧源に結合されてもよい。

動作中、過電圧保護デバイス１００は、ＤＣ電源またはＡＣ電源に接続されているかどうかにかかわらず、電圧を制限するように動作してもよい。図１Ａの例では、過電圧保護デバイス１００は、過電圧事象中に電力回路１０６を通過する電圧またはエネルギーを制限することによって、電力回路１０６を保護し得る。種々の態様では、過電圧保護デバイス１００は、正の外部電圧（positive external voltage）に応答して第１電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性を、またそれと同じである負の外部電圧（negative external voltage）に応答して第２電流−電圧特性を供する対称デバイス（symmetrical device）である双方向デバイス（bi-directional device）として動作することができる。

既知の原理による動作において、双方向性または対称性の半導体クローバー・デバイスは、有効なＡＣ電力線保護を供してもよい。ＡＣ電圧がブレークオーバー電圧を超えない通常の動作の下では、そのような半導体クローバー・デバイスはオンにならない。ＡＣピーク電圧またはサージ過渡電圧（surge transient voltage）がブレークオーバー電圧を超えると、半導体クローバー・デバイスがオンになり、半導体クローバー・デバイスが低電圧オン状態になり、外部過渡電圧がそらされる。

半導体クローバー・デバイスがオンになった場合にＡＣ結合が存在するため、ＡＣ上昇（rise）サイクルの短い持続時間が半導体保護に入る場合がある。このＡＣ上昇電流が、単一のＡＣサイクル電流耐量を表す最大定格Ｉ_ＴＳＭ（非繰り返しピーク電流）値を超えない場合、半導体クローバー・デバイスは、劣化を受けることなく過電圧状態に耐え得る。正弦波サイクルがサイクルの負電圧部分に向かうと、電流が半導体クローバー・デバイスのホールド電流の値よりも低くなるので、ゼロ交差（zero crossing）が発生して半導体クローバー・デバイスをオフ状態にリセットする。したがって、半導体クローバー・デバイスは、ＡＣ過渡サージおよびＡＣ結合事象を保護するためのＡＣライン保護デバイスとして作用する。図１Ａに示す態様において、半導体クローバー・デバイスを金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）デバイスと共に結合すると、結果として生じる過電圧保護デバイスは、非常に低いクランプ電圧の双方向サージ保護デバイスを形成し得る。

図１Ｂは、本開示の態様による過電圧保護デバイス１００の埋め込み構造の側断面図を示す。図示するように、過電圧保護デバイス１００は、金属酸化物バリスタ１０２および半導体クローバー・デバイス１０４を有してもよい。金属酸化物バリスタ１０２は、第１面１１４および第２面１１６を有してもよい。金属酸化物バリスタ１０２は、既知の製造技術に従ってあらゆる既知のＭＯＶ材で形成されてもよい。以下に詳細を記載するように、本態様の半導体クローバー・デバイスは、半導体基板内に電気的に直列に配置された複数の半導体層を含んでもよい。図１Ｂに示すように、半導体クローバー・デバイス１０４は、第１外側面１２６および第２外側面１２８を有する半導体基板として実装されてもよい。この例では、半導体クローバー・デバイス１０４（半導体基板）は、金属酸化物バリスタ１０２の第１側１３０に設けられる。

伝導領域１２４は、金属酸化物バリスタ１０２の第２面１１６と、半導体クローバー・デバイス１０４の第１外側面１２６との間に設けられる。以下に記載する異なる態様において、伝導領域１２４は、金属酸化物バリスタ１０２および半導体クローバー・デバイス１０４に電気的な接続を供する複数の層または構成要素を含んでもよい。伝導領域１２４は、少なくとも１つのコート（コーティング）を適用する（または塗布する、applying）ことによって形成してもよく、金属酸化物バリスタ１０２と半導体クローバー・デバイス１０４との間の電気伝導性を供するためのシート・メタルまたは他の金属層を付加的に含んでもよい。

過電圧保護デバイス１００は、金属酸化物バリスタ１０２の第１面１１４に設けられた第１電気コンタクト１２０および半導体クローバー・デバイス１０４の第２外側面１２８に設けられた第２電気コンタクト１２２をさらに含んでもよい。第１電気コンタクト１２０および第２電気コンタクト１２２は、一例では銅などの材料で作った薄い金属板またはシートを含む金属ピースとして実装されてもよい。したがって、図１Ｂに示すように、金属酸化物バリスタ１０２および半導体クローバー・デバイス１０４は、第１電気コンタクト１２０と第２電気コンタクト１２２との間に電気的に直列に設けられてもよい。

以下に詳細を記載するような態様において、種々の態様による過電圧保護デバイスは、第１電気コンタクト１２０および第２電気コンタクト１２２に取り付けられた電気リード（electrical leads）（図１Ｂには示さず）を含んでもよい。これは、回路または電気部品の保護デバイスとして、有益に処理および実装することを可能とし得る。例えば、半導体クローバー・デバイス１０４および金属酸化物バリスタ１０２などの電気部品を電気絶縁層で包封することは有用であり得る。したがって、電気リードの使用は、電気絶縁体によって包封された場合に過電圧保護デバイス１００にアクセスするための便利な手段を供し得る。

図２は、種々の態様による過電圧保護デバイスの一部を形成し得る半導体クローバー・デバイス２００の側断面図を示す。図示するように、半導体クローバー・デバイス２００は、単結晶シリコンのような半導体基板２０２内に形成される。半導体基板２０２は、内側ｎ型層２０４、第１外側ｎ型層２０６、第２外側ｎ型層２０８、第１外側ｎ型層２０６と内側ｎ型層２０４との間に配置された第１ｐ型層２１０、および第２外側ｎ型層２０８と内側ｎ型層２０４との間に配置された第２ｐ型層２１２とを含んでもよい。特に、第１ｎ型外側層２０８は、半導体基板２０２の第１外側面２２０に設けられてもよく、一方で、第２ｎ型外側層２０８は、半導体基板２０２の第２外側面２２２に設けられる。

図２に示されていないが、種々の態様による一体化過電圧保護デバイスを形成するために、半導体基板２０２は、図１Ｂの半導体クローバー・デバイス１０４として実装されてもよい。したがって、ＭＯＶデバイスは、第１外側面２２０に隣接するかまたは第２外側面２２２に隣接するように、半導体基板２０２の一方の側に設けられてもよい。例えば、ＭＯＶデバイスおよび半導体基板は、図１Ｂに示すように共に電気的に結合されてもよい。さらに、電気コンタクトは、図１Ｂにも示されるように、半導体基板２０２の外側面およびＭＯＶの外側面に形成されてもよい。このようにして、ＭＯＶを半導体クローバー・デバイス２００の種々の層と電気的に直列に位置付けてもよい。

図２に示すように、第１ｐ型層２１０の第１部分は、第１外側面２２０に設けられてもよく、第２ｐ型層２１２の第２部分は、第２外側面２２２に設けられてもよい。クローバー・デバイス２００の第１外側面２２０への第１外側コンタクト（図示せず）は、第１ｐ型層２１０と第１外側ｎ型層２０６とを電気的に並列に接触させてもよい。同様に、クローバー・デバイス２００の第２外側面２２２への第２外側コンタクトは、第２ｐ型層２１２および第２外側ｎ型層２０８と電気的に並列に接触させてもよい。種々の態様によれば、過電圧事象に応答して、半導体クローバー・デバイス２００は、同様に、必ずしも同一ではなく、既知のスタンドアローンの半導体クローバー・デバイスに応答し得る。例えば、半導体クローバー・デバイス２００は、金属酸化物バリスタと直列に組み込まれると、外部電圧事象に応答してブレークオーバー電圧を示すことがある。特に、半導体クローバー・デバイス２００は、半導体クローバー・デバイスの既知の挙動に従って、第１外側面２２０と第２外側面２２２との間で受ける外部電圧がブレークオーバー電圧に等しいか、またはそれを超えるときにオン状態にされてもよい。

図３Ａは、ある態様による過電圧保護デバイス３００を示す。この例では、包封の前の過電圧保護デバイス３００が示されている。過電圧保護デバイス３００は、半導体クローバー・デバイス３０４と電気的に直列に配置された金属酸化物バリスタ３０２を有してもよい。金属酸化物バリスタ３０２と半導体クローバー・デバイス３０４とを電気的に結合させるために、伝導領域３１２は金属酸化物バリスタ３０２と半導体クローバー・デバイス３０４との間に設けられてもよい。図示するように、伝導層３０６は、半導体クローバー・デバイス３０４の外側面に設けられてもよい。電気コンタクト３０８は、電気伝導層３０６に隣接していてもよい。また、電気伝導層３１０は金属酸化物バリスタ３０２の外側面に設けられてもよい。さらに、第１電気リード３１４は、電気伝導層３１０に接続されてもよく、一方で、第２電気リード３１６は、電気コンタクト３０８に接続されている。

図３Ｂは、包封後の図３Ａの過電圧保護デバイスを示す（このケースでは、過電圧保護デバイス３２０として示す）。この例では、金属酸化物バリスタ３０２および半導体クローバー・デバイス３０４を封入するように電気絶縁コーティング３２２が設けられている。したがって、過電圧保護デバイス３２０は、第１電気リード３１４および第２電気リード３１６を異なる電位（potentials）に位置付けられた異なる電線に隣接させることによって、対象とするデバイスまたは他の構成要素を保護するための保護回路に適宜に一体化される。

種々の態様では、金属酸化物バリスタおよび半導体クローバー・デバイスを有する過電圧保護デバイスを配置してもよく、金属酸化物バリスタは第１スタンドオフ電圧を含んで成り、半導体クローバー・デバイスは第２スタンドオフ電圧を含んで成り、また過電圧保護デバイスは第１スタンドオフ電圧および第２スタンドオフ電圧の合計に等しい総スタンドオフ電圧を含んで成る。半導体クローバー・デバイスおよび金属酸化物バリスタは、外部電圧が閾値を超えた場合に過電圧保護デバイスをオン状態にするように構成され（または配置され、arrange）てもよく、さらに、外部電圧がその閾値未満となる場合に過電圧保護デバイスをオフ状態にするように構成されてもよい。

さらに、過電圧保護デバイスは、第１電気コンタクトと第２電気コンタクトとの間に印加される第１大きさ（または高さ、magnitude）の正の外部電圧に応答する第１電流−電圧特性を含んで成り、また第１電気コンタクトと第２電気コンタクトとの間に印加される第１大きさの負の外部電圧に応答する第２電流−電圧特性を含んで成る対称デバイスを有して成るように構成されてもよく、第２電流−電圧特性は第１電流−電圧特性に整合する（または適合する、matching）。

図４Ａは、本開示の態様による過電圧保護デバイスの、曲線４００として示される例示的な電流−電圧曲線を示す。曲線４００は、正の電圧部分４０２および負の電圧部分４０４を含む対称的な挙動を示す。この文脈において態様は限定されない。曲線４００は、図１Ａ、図１Ｂ、図３Ａおよび図３Ｂに示すような過電圧保護デバイスの組合せ動作から生じる。例えば、図３Ｂも参照して、第１電気リード３１４と第２電気リード３１６との間に外部電圧が印加されると、過電圧保護デバイス３２０のようなデバイスを流れる電流は曲線４００によって示される。特に、曲線４００は、ブレークオーバー電圧Ｖ_ＢＲによって特徴付けられる。外部印加電圧がポイントＢで表されるＶ_ＢＲ電圧を超えると、電圧はポイントＣに“折り返され（folds back）”、過電圧保護デバイスは最大クランプ電圧を表すレベルＤに外部電圧をクランプする。ブレークオーバー電流ＩｍＡは、半導体クローバー・デバイスの特性である約４００ｍＡとしてもよい。特に、曲線４００は、一旦外部電圧事象が降下すると、オフ状態にリセットされる一体化過電圧保護の特徴である。さらに、曲線４００のオフ状態のリーク電流は、単純なＭＯＶデバイスと比較して、半導体クローバー・デバイスの高インピーダンスに起因してはるかに低い値を有する。

比較のために、図４Ｂは、本態様の過電圧保護デバイスで使用され得る半導体クローバー・デバイスの、例示的な電流−電圧曲線を曲線４１０として示す。曲線４１０は、スタンドアローン構成要素として実装された場合の半導体クローバー・デバイスの電流−電圧特性を表す。この例では、外部電圧がＶ_ｓに達すると、半導体クローバー・デバイスはオン状態になり、電圧は低レベルに低下する。図４Ｃは、本態様の過電圧保護デバイスで使用され得るＭＯＶデバイスの、例示的な電流−電圧曲線を曲線４２０として示す。外部電圧が値Ｖ_ｎｏｍに達すると、ＭＯＶデバイスが導通し、電圧がクランプされる。曲線４００に明示的に示されていないが、２つの電気ライン間に電気的に直列に配置されたＭＯＶおよび半導体クローバー・デバイスを含む過電圧保護デバイスの応答時間は、過渡電圧サージに応答してスタンドアローンＭＯＶよりもはるかに速く作用し得る。

表１は、スタンドアローンＭＯＶおよびスタンドアローンＳＩＤＡＣｔｏｒデバイスと比較した、本態様の一体化過電圧保護デバイスの実験的電気データの比較を示す。図示されるように、本態様のデバイスは、スタンドアローンＭＯＶと比較してクランプ電圧を８５０Ｖから４９２Ｖに改善する。リーク電流（Ｉｄｒｍ／Ｉｒｒｍ）に関しては、スタンドアローンＭＯＶの３１１Ｖでの７．１ｕＡから本態様のデバイスの３１１Ｖでの０．２５ｕＡまでの改善が測定される。表１に示すように、スタンドアローンのＳＩＤＡＣｔｏｒは、大きなＡＣフォローオン（または追従、follow-on）電流を持つ一方で、同じテスト条件で比較的小さいリーク電流および低いクランプ電圧を供する。ＡＣフォローオン電流は、ＳＩＤＡＣｔｏｒなどのクローバー・デバイスの量的特性である。既知のＳＩＤＡＣｔｏｒデバイスのフォローオン電流の定格は、約２３０〜２７０Ａの範囲（大きさ）である。クローバー・デバイス（ＳＩＤＡＣｔｏｒ）がＭＯＶと一体化される場合、一体化デバイスは本質的にクランプされており、一体化デバイスはゼロから非常に小さい、短い持続時間のフォロー電流（１０Ａ未満）を示す。ほぼゼロのＡＣフォローオン電流は、クランピング・デバイスの高インピーダンスによって非常に急速に「取り込まれる（absorbed）」ため、電流が蓄積する前に非常に急速に降下する。

図４Ｄは、本態様によるデバイスとスタンドアローン・デバイスとを比較する例示的なブレークオーバー電圧挙動を示す。図示するように、スタンドアローンのＳＩＤＡＣｔｏｒ、ＭＯＶおよび本態様によるデバイスのブレークオーバー電圧は、電圧の経時変化率（ｄＶ／ｄＴ）の関数としてプロットされる。図示するように、ＳＩＤＡＣＴｏｒのスタンドアローン・デバイスはｄＶ／ｄＴの関数として比較的フラットな応答を示し、一方でＭＯＶのブレークオーバー電圧はｄＶ／ｄＴに感度が高く、１００Ｖ／μｓを超えると劇的に増加し、また一方で本態様によるデバイスはｄＶ／ｄＴに対するブレークオーバー電圧の中間の感度を示す。したがって、本態様は、従来のＭＯＶデバイスよりも速い電圧インパルス応答を供する。

図５は、例示的なプロセス・フロー５００を示す。プロセス・フロー５００は、本開示の種々の態様による過電圧保護デバイスの製造に使用され得る。ブロック５０２において、金属酸化物バリスタは、第１面および第２面を有するように供される。金属酸化物バリスタは、既知のプロセス技術に従って既知の材料から製造されてもよい。金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）は、矩形、円形、または楕円形のような対象形状を有する平面構造を有してもよい。態様はこの文脈に限定されない。

ブロック５０４において、半導体基板の第１面は、ＭＯＶの第２側に取り付けられる。半導体基板は、複数のドープされた半導体層を有する半導体クローバー・デバイスを含んでもよい。ある例では、半導体クローバー・デバイスは、単結晶シリコン基板内に製造されてもよい。半導体基板の第１面は、ＭＯＶの第２側に、半導体基板の第１面に、またはＭＯＶの第２側および半導体基板の第１面に電気伝導性材を適用する（または塗布する、applying）ことによって取り付けることができる。ある例では、ＭＯＶを半導体基板に取り付けるために、伝導性（または導電性、conductive）はんだペーストなど（例えば、低温はんだ（または結合、solder）ペースト、金属シートその他同種のもの）のコーティングを含む複数の異なる電気伝導性構成要素を使用してもよい。

ブロック５０６において、第１電気コンタクトはＭＯＶの第２側に形成される（第２側は第１側に対向していてもよい）。第１電気コンタクトは、金属シートもしくはプレート、伝導性ペーストまたは他の構成要素を含んでもよい。

ブロック５０８において、第２電気コンタクトは半導体基板の第１面に対向する第２面に形成される。第１電気コンタクトは、金属シートまたはプレート、伝導性ペーストまたは他の構成要素を含んでもよい。このようにして、半導体クローバー・デバイスおよびＭＯＶは、第１電気コンタクトと第２電気コンタクトとの間で互いに電気的に直列になっていてもよい。

ここで図６Ａ〜図６Ｆでは、本開示の態様による、製造の種々の段階における例示的な過電圧保護デバイスの図的記載を示す。図６Ａ〜図６Ｃは、製造の初期段階におけるデバイスの平面図を示している。図６Ａは、ＭＯＶ６０２を示している。ＭＯＶ６０２は、平面図において円形形状を有してもよく、追加の態様によれば他の形状も可能である。ＭＯＶ６０２の表面には、伝導性ペースト６０４などのコートを適用してもよい。次に、図示するように、伝導性ペースト６０４にフラットな銅ピース６０６（銅スラグ）を適用してもよい。フラットな銅ピース６０６は、例えば、銅シートから形成されてもよい。フラットな銅ピース６０６は、図示するようにＭＯＶ６０２の面積よりも小さい面積を有してもよい。

図６Ｂは、はんだペーストであり得る伝導性ペースト６０８が、ＭＯＶ６０２から離れたフラットな銅シート６０６の外側面に適用された後の段階を示す。次に、図６Ｂに示すように、半導体クローバー・デバイス６１０は、伝導性ペースト６０８に取り付けられる。半導体クローバー・デバイス６１０は、フラットな銅シート６０６と同様の寸法を有する長方形のシリコンチップとして実施してもよい。

図６Ｃは、伝導性ペースト６１２を半導体クローバー・デバイス６１０の表面に適用し得る製造の次の段階を示す。次に、図示するように、フラットな銅ピース６１４を伝導性ペースト６１２に適用してもよい。フラットな銅ピース６１４は、半導体クローバー・デバイス６１０と同様の寸法を有する面積を有してもよい。これらの構成要素を合わせて、デバイス・スタック（device stack）６２０を形成してもよい。

次に、図６Ｃに示す段階におけるデバイス・スタック６２０を熱空気ガン（またはホットエアーガン、hot air gun）による手段のような低温アニール（または焼きなまし、anneal）に曝してもよい（熱空気ガンにおける高温空気の温度は室温よりも高い）。この低温アニールは、ＭＯＶ６０２に設けられた構成要素のスタックの接合を促進し得る。

ここで図６Ｄでは、製造の後続の段階における複数の過電圧保護デバイスの上面斜視図を示す。この段階では、図示するように、電気リード６２２として示される一対の電気リードを、デバイス・スタック６２０の対向する側に取り付けてもよい。特に、電気リード６２２をフラットな銅ピース６１４に取り付けるべく、伝導性ペースト６２４を使用してもよい。別の電気リードを、半導体クローバー・デバイス６１０が位置する側とは反対のＭＯＶ６０２の側に同様に取り付けてもよい。特に、他の電気リードを、低温アニール前で未アニールの（または非アニールの、unannealed）デバイスを形成する反対側に取り付けてもよい。

ここで図６Ｅでは、絶縁スリーブが電気リード６２２の周りに配置される、後の段階における過電圧保護デバイスの側面図を示す。最後に、図６Ｆでは、デバイス・スタック６２０およびデバイス・スタック６２０に隣接する電気リード６２２の一部を包封するように、プラスチック・コーティングのような絶縁コーティング６２６が形成される段階における側面図を示す。絶縁コーティング６２６は、例えばバリスタを包封するための既知の方法によって形成してもよい。一例では、粉末をデバイス・スタックに適用し、熱を導入して連続的なコーティングを形成してもよい。

本態様は、特定の態様を参照して開示されるが、添付の特許請求の範囲に規定される本開示の範囲および領域から逸脱することなく、記載された態様に対する多数の改変、修正および変更が可能である。したがって、本態様は、記載された態様に限定されず、添付の特許請求の範囲の文言およびその等価物によって定義される全ての範囲を有する。

Claims (20)

1. 過電圧保護デバイスであって、
   第１面および第２面を有する金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、
   第１外側面および第２外側面を有し、互いに電気的に直列に配置された複数の半導体層を含んで成る半導体クローバー・デバイスを有して成り、金属酸化物バリスタの第１側に設けられた半導体基板、
   ＭＯＶの前記第２面と半導体基板の前記第１外側面との間に設けられた伝導領域、
   ＭＯＶの前記第１面に設けられた第１電気コンタクト、
   半導体基板の前記第２外側面に設けられた第２電気コンタクト、
   第１電気コンタクトに設けられた第１電気リード、ならびに
   第２電気コンタクトに設けられた第２電気リード
   を有して成り、
   第１電気リードおよび第２電気リードが同一方向に伸びていて、
   隣接する各部材がそれぞれ互いにフラットに接している、
   過電圧保護デバイス。
2. 金属酸化物バリスタおよび半導体クローバー・デバイスが、第１電気コンタクトと第２電気コンタクトとの間で電気的に直列になっている、請求項１に記載の過電圧保護デバイス。
3. 金属酸化物バリスタが、第１スタンドオフ電圧を含んで成り、半導体クローバー・デバイスが、第２スタンドオフ電圧を含んで成り、ならびに過電圧保護デバイスが、該第１スタンドオフ電圧および該第２スタンドオフ電圧の合計に等しい総スタンドオフ電圧を含んで成る、請求項１に記載の過電圧保護デバイス。
4. 金属酸化物バリスタが、スタンドアローン・デバイスとして第１応答時間を含んで成り、および過電圧保護デバイスが、該第１応答時間より短い第２応答時間を含んで成る、請求項１に記載の過電圧保護デバイス。
5. 金属酸化物バリスタが、スタンドアローン・デバイスとして第１電圧での第１リーク電流を含んで成り、および過電圧保護デバイスが、該第１リーク電流よりも小さい第１電圧での第２リーク電流を含んで成る、請求項１に記載の過電圧保護デバイス。
6. 半導体クローバー・デバイスが、スタンドアローン・デバイスとして第１ＡＣフォローオン電流を含んで成り、および過電圧保護デバイスが、該第１ＡＣフォローオン電流より小さい第２ＡＣフォローオン電流を含んで成る、請求項１に記載の過電圧保護デバイス。
7. １０Ａ未満の第２ＡＣフォローオン電流を含んで成る、請求項６に記載の過電圧保護デバイス。
8. 半導体クローバー・デバイスおよび金属酸化物バリスタは、外部電圧が閾値を超える場合に過電圧保護デバイスをオン状態にするように構成され、さらに外部電圧が該閾値未満となる場合に過電圧保護デバイスをオフ状態にするように構成される、請求項１に記載の過電圧保護デバイス。
9. 半導体クローバー・デバイスが、
   内側ｎ型層、
   前記第１外側面に設けられた第１外側ｎ型層、
   前記第２外側面に設けられた第２外側ｎ型層、
   前記第１外側ｎ型層と前記内側ｎ型層との間に設けられた第１ｐ型層、および
   前記第２外側ｎ型層と前記内側ｎ型層との間に設けられた第２ｐ型層
   を含んで成る、請求項１に記載の過電圧保護デバイス。
10. 前記第１ｐ型層の第１部分が、前記第１外側面に設けられ、前記第２ｐ型層の第２部分が、前記第２外側面に設けられる、請求項９に記載の過電圧保護デバイス。
11. 前記伝導領域が、
    金属酸化物バリスタの前記第２面に設けられた第１伝導層、
    半導体基板の前記第１外側面に設けられた第２伝導層、および
    前記第１伝導層と前記第２伝導層との間に設けられた第１銅スラグ
    を含んで成る、請求項１に記載の過電圧保護デバイス。
12. 第２電気コンタクトが、
    半導体基板の前記第２外側面に設けられた第３伝導層、および
    前記第３伝導層に設けられた第２銅スラグ
    を含んで成る、請求項１に記載の過電圧保護デバイス。
13. 過電圧保護デバイスが、第１電気コンタクトと第２電気コンタクトとの間に印加される第１大きさの正の外部電圧に応答する第１電流−電圧特性を含んで成り、また第１電気コンタクトと第２電気コンタクトとの間に印加される前記第１大きさの負の外部電圧に応答する第２電流−電圧特性を含んで成る対称デバイスを有して成り、第２電流−電圧特性が第１電流−電圧特性に整合する、請求項１に記載の過電圧保護デバイス。
14. 過電圧保護デバイスの製造方法であって、
    第１側および第２側を有する金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）を供すこと、
    半導体クローバー・デバイスを有して成る半導体基板の第１面を前記第２側に、互いにフラットに接するように取り付けること、
    第１電気コンタクトを金属酸化物バリスタの前記第１側に、互いにフラットに接するように形成すること、
    第２電気コンタクトを半導体基板の前記第１面に対向する第２面に、互いにフラットに接するように形成すること
    第１電気リードを第１電気コンタクトに、互いにフラットに接するように取り付けること、ならびに
    第２電気リードを第２電気コンタクトに、互いにフラットに接するように取り付けること
    を含んで成り、
    第１電気リードおよび第２電気リードが同一方向に伸びていて、
    金属酸化物バリスタおよび半導体クローバー・デバイスが、第１電気コンタクトと第２電気コンタクトとの間で互いに電気的に直列となっている、
    製造方法。
15. 前記取り付けることが、
    低温はんだペーストを含んで成る第１コートを金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）の第１面に適用すること、
    第１金属ピースを前記第１コートに取り付けること、
    低温はんだペーストを含んで成る第２コートを前記第１金属ピースに適用すること、および
    半導体基板を前記第２コートに取り付けること
    を含んで成る、請求項１４に記載の製造方法。
16. 第２電気コンタクトを形成することが、
    低温はんだペーストを含んで成る第３コートを半導体基板に適用すること、および
    未アニールのデバイスを形成すべく、第２金属ピースを前記第３コートに取り付けること
    を含んで成る、請求項１４に記載の製造方法。
17. 熱空気を第１温度で未アニールのデバイスに加えることをさらに含んで成る、請求項１６に記載の製造方法。
18. 第１電気リードを金属酸化物バリスタの前記第１側に取り付けること、および第２電気リードを前記第２金属ピースに取り付けることをさらに含んで成る、請求項１６に記載の製造方法。
19. 半導体基板、金属酸化物バリスタ、第１電気コンタクトおよび第２電気コンタクトにプラスチック・コーティングを適用することをさらに含んで成る、請求項１４に記載の製造方法。
20. 過電圧保護デバイスであって、
    第１電気コンタクト、
    第１電気コンタクトの一方の側に電気的に接続された金属酸化物バリスタ（ＭＯＶ）、
    第１電気コンタクトの他方の側に電気的に接続された第１電気リード
    第２電気コンタクト、および
    第２電気コンタクトの一方の側に電気的に接続された複数の半導体層を含んで成る半導体クローバー・デバイス、
    第２電気コンタクトの他方の側に電気的に接続された第２電気リード
    を有して成り、
    第１電気リードおよび第２電気リードが同一方向に伸びていて、
    隣接する各部材がそれぞれ互いにフラットに接しており、
    金属酸化物バリスタおよび半導体クローバー・デバイスが、第１電気コンタクトと第２電気コンタクトとの間に電気的に直列に配置される、
    過電圧保護デバイス。

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