JPH027568A - 双方向ｍｏｓスイッチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は双方向ＭＯＳスイッチに関するものである。

［従来の技術］ 多くの電気回路および電気装置において、ｍｌ状態では
できるだけ大きな電圧を加えることが許されそして閉状
態では小さな抵抗値を有し、かつ、制御回路と主回路と
の間で、ａ３よび同じ装置の中の責なる主回路の間で、
Ｎ流が十分に分離されている一スイツチ装置が必要とさ
れる。この種のスイッチ装ｄが必要とされる装置の例は
電話装置である。この場合の典型的なスイッチ装置とし
て、電気機械リレーが用いられる。電話局に人ってくる
おのおのの電話線に対して、複数個のこのようなリレー
が必要である。すなわち、例えば、ベルを鳴らす装置と
の接続、修理係への接続および接続解除、などのために
必要である。電気機械リレーは大型であり、かつ、比較
的高価である。また、機械的接触体の信頼性はそれＦｌ
高くなく（例えば、接触体の劣化による）、そしてリレ
ーを着１コしている装置の中に設置するさいの組み立て
作業と接続作業に比較的コストがかかる。

ｔＬ　Ｓａｋｕｍａとに、　ｌｌｉｒａｔａ名の論文［
王ノリシック・コンデンサ結合ゲート入力高電圧ＳＯ８
／ＣＭＯＳ駆動器アレイ（Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ　Ｃａ
ｐａｃｉｔｏｒ　−Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｉｎｐ
ｕｔ　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　ＳＯ３／ＣＭＯ６Ｄ
ｒｉｖｅｒ　　Ａｒｒａｙ　）　Ｊ　（Ｐｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥＣＵＳｔＯｌｌｌ　
Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃ１ｒｃｕｉｔ　ｃｏｎｒｅｒ
ｅｎｃｅ　（ＩＥ［［：ＣＩＣＣ）　、　１９８４年、
５６４頁−・５６８頁）により、１方向ＭＯＳスイツヂ
が知られている。このスイッチは、電圧を吸収する弱く
ドープされた２つの中間領域をそなえた、強くドープさ
れた１対の接触体領域を有する。これらの領域と接触体
領域のうちの１つとの間に、ＭＯＳ構造体が作られ、そ
してこの構造体の制御電極を用いて、このスイッチが閉
状態と開状態との間で制御される。前記のように、この
スイッチは１方向性のスイッチである。すなわら、この
スイッチは１方向の電圧のみを吸収することができる。

多数の装置がある場合には、電流型のスイッチは双方向
性のスイッチであることが要求される。すＩｔＫわち、
両方の極ｆ［の電圧を吸収でき、さらに、両方向に電流
を流すことが要求される。前記論文に開示されている形
式の部品を２個、対向させて直列接続することにより、
双方向スイッチそれ自体を作成することは可能である。

このような直列接続で作成された装ηの導電状態での抵
抗値は、どうしても大ぎくなる。この抵抗値を受は入れ
可能な値にまで小さくするためには、比較的大きな横断
面積が必要である。

［発明の目的と要約］ 本発明の目的は、前記で説明した形式の双方向ＭＯＳス
イッチ、すなわち、電圧を吸収する８闇が大きくそして
導電状態での抵抗値が小さく、かつ、価格が安くそして
大きな信頼を有し、かつ、先行技術による電気機械リレ
ーよりは製造が簡単でかつ設置も容易である、双方向Ｍ
ＯＳスイッチをうろことである。本発明のスイッチは複
数個のスイッチを１つの半導体カプセルの中に集積化す
ることが可能であり、したがって、同時に回路機能を付
加して有することも可能である。このスイッチは、先行
技術による１方向ＭＯＳスイッチを直列接続したものよ
りも、（与えられた一定の導電状態抵抗値において）必
要とする半導体表面積は大幅に小さい。

本発明によるＭＯＳスイッチの特徴は特許請求の範囲に
明確に示されている。

［実施例］ 第１図は本発明による双方向ＭＯＳスイッチの１つの実
施例の図面である。このＭＯＳスイッチはいわゆるＳ　
ＯＳ　（５ｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　５ａｐｐｈｉｒｅ　）
法によって製造される。サファイヤの基板１の上に、単
結晶シリコン層２がエビタクシ法により作成される。こ
の単結晶シリコン層２は、長いストリップ状の形状を有
しているとする。第１図は、このストリップの長尺方向
に垂直な横断面図を示したものである。シリコン？ｆ２
の幅は約３０μ請であり、その厚さは０．６μ■である
とすることができる。このシリコン層の基本的ドーピン
グ状態は非常に弱いＰ形ドーピングであって、その不純
物濃度は約１０１６０−３である。チャンネル領域６ａ
とチャンネル領域６ｂの中のドーピング状態がこのドー
ピング条件に従っている。、位４が層５のドーピング状
態は、表面濃度が （１〜２）×１０１２０−２である状態である。接触体
領域３ａと接触体領域３ｂのドーピング濃度は１０１９
〜１ｏ　２−−３である。これらの接触体領域は金属接
触体７ａ、７ｂを右する。金属接触体７ａは接続線Ｓ　
１　／Ｄ　２を有し、そして金属接触体７ｂは接続線８
２／ＤＩを有する。これらの接続線はこのスイッチの主
接続線である。チャンネル領域６ａ、６ｂの上には、ｖ
制御電極ｇａ、　８ｂが絶縁体層（図示されていない）
を間にはさんで配置される。この制ｔＩｌ電極は、例え
ば、適切にドープされたポリシリコンであることができ
る。制御電極８ａは金属接触体９ａを有し、そして金属
接触体９ａは制御接続線Ｇ１に接続される。制御電極８
ｂは金属接触体９ｂをｈし、そして金属接触体９ｂは制
御接続線Ｇ２に接続される。

第１ＭＯＳ構造体は１ｆｆｉ３ａ、６ａ、５ｒ構成され
、そして制御ｍ８Ａ８ａを有する。第２ＭＯＳ構造体は
層５，６ｂ、３ｂで構成され、そして制御電極８ｂを有
する。これら２つのＭＯＳ４１ｉ造体は、通常は、非導
電状態にある。けれども、隣接する主金属接触体７ａに
対して制御Ｉ電極８ａにも”し十分に大きな正の電圧、
例えば５■、が加えられるならば、シリコン層の表面の
ところのチャンネル領域６ａの中に、Ｎ形２１電チャン
ネルが作られる。

主接触体Ｓ　２／Ｄ　Ｉに対して制御電極Ｇ２に対応し
た正の電圧が加えられる時、もう１つのＭＯＳＩｌｌｉ
造体の中に対応した状況が生ずる。

第１図に示されている点線は、左側の主電極８１／Ｄ２
に右側の主電極８２／（）１に対し正極性の電圧がかけ
られた時、この部品の中に生ずる障壁層（欠乏層）の領
域を示したものである。層４と層５との間のＰＮ接合１
１の両側に形成されるｇＩｖｉｉｏのこの部分における
厚さは、加えられる電圧によって変わる。この図面は、
比較的小さな電圧が加えられた場合の障壁層１０の領域
を示している。主電極の間に加えられる電圧が大きくな
ると、層４と層５との間の接合１１のところにおける障
壁層の垂直り向の厚さが大きくなり、そしてシリコン層
の全体の厚さを順次に含んでいくであろう。さらに電圧
が大ぎくなる時、垂ａ電界に水平１［が加わり、遂には
、この部品の絶縁破壊電圧に達して、ある点において絶
縁破壊が起こる。前記寸法と前記ドーピング濃度とを有
する場合、２０オームまたは３０オ一ム程度以下の導電
状態抵抗値がえられると共に、約３５０Ｖ以上の最大阻
止電圧を簡単な方法でうろことができる。

このスイッチは完全に対称的である。したがって、任意
の極性の＾流電圧に対して用いることができると共に、
交流電圧に対しても用いることができる。すなわち、阻
止電圧を両方向に持つことができ、および両方向に電流
を流すことができる。

第２図は、本発明の好ましい実施例により、スイッチの
主回路とその制御回路との間の電流分離がどのようにし
て得られるかを示したものである。

ダイオード・ブリッジＢ１の直流端子が制御接触体Ｇ１
と隣接する主接触体Ｓ　１　／Ｄ　２に接続される。ダ
イオード・ブリッジＢ２のｒｉ流流子子、同様に、制ｔ
ｉｌＩ端子Ｇ２と隣接する主接触体８２／Ｄ１に接続さ
れる。このスイッチの制御信号は、このスイッチの制御
接続線路ＣＴ１およびＣＴ２に供給される交流電圧であ
る。制御電圧は２つのコンデンサＣ１およびＣ３を通し
てブリッジＢ１に接続され、および２つのコンデン’＋
０２およびＣ４を通してブリッジＢ２に接続される。制
御信号がゼロである時、制御接触体Ｇ１と制御接触体Ｇ
２はそれらに隣接する主接触体と同じ電位にあり、そし
てこのスイッチは非１！ｖｔｉ状態にある。適切な大き
さのａ、ＩＩ御電電圧制御接続線路ＣＴ１およびＣＴ２
に加えられた時、おのおののＩＩＪｔ［ｌ電極は隣接す
る主接触体に対して正になり、そしてこのことによりこ
のスイッチが制御されて１ｍ状態になる。第２図に示さ
れたダイオード・ブリッジとコンデンサは、スイッチそ
れ自身と・−緒に集積化しつるという利点を有する。

ｌ１１１ｔＩｌｆ：Ｓ号（交流電汁）がなくなると、制
御電極の正電荷は、＄ＩＪ１１１Ｉ極の静電容量とａ−
制御回路の漏洩抵抗値（第２図の抵抗器ＲＥＩとＲＥ２
の抵抗値）によって定まる速さで、消失する。または、
このＳＡ鱈は２重制ｔＩｌｌ装薦をそなえることができ
る。

すなわち、１つのａ１１御装置は導電状態へ部品を制御
するための正制御信号を発生し、そして、他の１つは非
尋電状態へ部品を制御するための負制御信号を発生する
。

第２図の点ＩＰＬは主接触体領域３ａと主接触体領域３
ｂとの間がＰ形層４を通して接続されることを表したも
のである。

第３ａ図、第３ｂ図、第４ａ図、第４ｂ図、第５ａ図お
よび第５ｂ図は、本発明の好ましい実施例の製造のいく
つかの段階を示したものである。

この実施例では、サファイー７１！板の上に正方形また
は長方形のシリコン層の中に、複数個の並行なそして電
気的に並列に動作する、スイッチ素子が製造される。第
３ａ図、第４ａ図および第５ａ図図は、シリコン層を通
り、このスイッチ素子の縦方向に垂ｉな、横断面図であ
る。第３ｂ図、第４ｂ図および第５ｂ図は基板に垂直な
方向から見たシリコン層の図面である。個々のスイッチ
素子の長さはそれらの幅に比べて大きいので、図面には
、素子の縦方向にはその一部分だけが示されている。省
略された部分は鎖線で示されている。

寸法とドーピングの泪は、第１図で示したものと同じで
ある。第３ｂ図と、第４ｂ図と、第５ｂ図において、シ
リコン層の端部が参照１１号２１および２２で示されて
いる。

出発の材料は弱くＰ形にドープ（π形ドープ）された材
料である。リンとホウ素をそれぞれ注入することにより
、サファイヤ基板１の近傍のシリコン層の対応する部分
くシリコン層の厚さの約半分）がドープされる。接触体
領域の下部部分を構成するこれらのストリップ３１ａ、
３１ｂは強くＮ形にドープされ、一方、この層の下部部
分の残りの部分は比較的弱くＰ形にドープされる１、こ
れらの段階を実行した結果が第３図に示されている。

その後、基板から制御電極を分離ゴる薄い酸化物ＩＪ８
１ａ、８１ｂが作られ、そしてさらに、これらの酸化物
層の上に、多結晶でドープされたシリコンの１−ｊ御ｆ
ｆ４Ｕ８ａ、８ｂが作成される。その後、ｔＩＩＩｗＪ
電極シリコンをマスクとして用い、リンの注入が浅く行
なわれ、それにより、このシリコン層の上側半分が弱く
Ｎ形にドープされる１、このように作成された結果が、
第４ａ図の層５に示されている。最後に、表面のすぐ近
くにある接触体領域３ａの部分が、強くＮ形にドープさ
れる。これらの段階を実施した結果が第４図に示されて
いる。

その後、第５図に丞されているように、ｌダさが１μＩ
ｌ〜３μ−の保護用二酸化シリコン層が、シリコン層の
表面の上に作成される。ただし、この保護用二酸化シリ
コン層は、下の層と接触体が作られる領域（例えば７１
ａ、９１ａ）の上には、作成されない。その後、金属接
触体が、酸化物層１３の上の主接触体領域と制御領域と
に対して、作成される。接触体７ａは、接触体領域の長
さ方向に沿って分布している複数個の領ｔ＊７１ａの中
の、主接触体領域３ａと接触する。同じように、接触体
７ｂは、接触対領域の良さ方向に沿って分布している複
ａ個の領域７１ｂの中の、主接触体領域３ｂと接触する
。制御ｌＩｌ電極ａは領域９１ａの中の金属接触体９ａ
ど接触し、そして制御電極８ｂは領域９１ｂの中の金属
接触体９ｂと接触する。

第５図をみるとすぐにわかるように、主接触体７ａおよ
び７ｂは、接触している主接触体領域の両側に、２つの
Ｍ　Ｏ３４Ｍ　％体を越えて、横方向に延長されている
。ここで、金属接触体は、電界の制御のための、いわゆ
る、電界極板として作用する。適切な電位に接続された
付加的電界極板１４（第５ａ図の点線をみよ）は、電界
の制御のために、主接触体の間に配ｔｖることができる
。

第３図、第４図および第５図は本発明による１つのＫｆ
ｉ＆部分だけを示している。すなわち、隣接するＭＯＳ
構造体と共に、２つの主接触体領域３ａ、３ｂだけが示
されている。大きな電流を処理するためには、これらの
図面に示されているように、複数個のスイッチ素子を並
べて配置するのが適切である。これらの図面に示されて
いるように、他のすべての主接触体領域とそれに付随す
る制御領域は、この層の一方側に延びている接続線を有
し、そして中間の主接触体領域とそれらの制御領域は、
この層の反対側に延びている接続線を有することができ
る。第６図は、このような場合に、接続がどのようにし
て行なわれるかの原理の１要を示したものである。この
図面は、基板１と、その上に配置されたシリコン層２と
を概略的に示している。シリコン層２は、第３図ないし
第５図に示された方式の複数個の並列スイッチ素子をｈ
する。他のすべての主接触体７ａは、この層から外へ、
図面の層の左側へ延長され、そして中間主接触体７ｂは
、この層から外へ、層の右側に延長される。接続線７ａ
は互いに並列接続され、そしてこのスイッチの主接続線
８１／Ｄ２に接続される。同じように、接触体７ｂは互
いに並列接続され、そしてこのスイッチの他の主接続線
Ｓ２／Ｄ１に接続される。制御接触体９ａは相Ｕに並列
接続され、そしてこのスイッチの制御接続１３Ｇ１に接
続される。制御接触体９ｂは相互に並列接続され、そし
てこのスイッチの他の制御接続ａＧ２に接続される。

シリコン層２の長さおよび幅と、スイッチ素子の数は、
もちろん、それぞれの具体的用途に応じて、十分に高い
電圧量は入れる容量と、十分に低い導電状態抵抗値とが
得られるように、選定されなければならない。

もし必要ならば、本発明による複数個の別々の半導体ス
イッチが、１つのシリコン層２の中に、または同じ基板
１の、Ｆに配置された複数個のシリコン層の中に、相互
に集積して作成されることができる。この装置は、例え
ば、電話装置のリレーの代りに用いられる最初に説明し
た用途において、適切に用いられる。この場合には、１
つの電話線路に付随するすべてのリレーは１つの集積回
路によって首き換えられ、そしてこの集積回路はその電
話線路に属しているすべてのリレーを匿き換えるのに必
要な数の別々の半導体スイッチをそなえることができる
であろう。このことにより、スペースの要請と、製造コ
ストおよび設置コストと、装置の信頼性に関して大幅な
利点がえられる。前記スイッチに対し、スイツヂｉ能以
外の機能、例えば論理回路機能、を加えることは、もし
必要ならば、このスイッチの制御のための回路の中に集
積化して実施することができる。

前記説明は本発明の１つの実施例に関するものである。

この実施例では、半導体スイッチがＳＯ８技術で作成さ
れている。すなわち、リファイヤ基板の上に配置された
シリコン層の中に、スイッチが作成された。もちろん、
Ｉ３根材料および半導体材料として、これら以外の材料
を用いることも可能であるが、この場合には、ＳＯ８技
術により利点のえられることがわかっている。この１つ
の理由は、薄い半導体層がこの技術によって簡単な方法
で製造できることであり、そしてこれらの層に対し、注
入の方法により、単純でかつ正確に、要求されたドーピ
ングを行なうことができるからである。

このスイッチが導電状態にある時、小さな抵抗値を有す
るためには、表面の近くにある弱くドープされたＮ形尋
電層５が大きな導電率を有することが必要である。この
層のドープ量には電圧を受は入れる容量に関する要請か
ら上限があるので、したがって、この層内のＭ［キャリ
アの移動度が大きいことが必要である、すなわち、この
層内で半導体材料の構造ができるだけ完全であることが
必要である。ＳＯ８技術それ自体により高品質の材料が
えられるので、この技術はこの用途に用いるのに適切な
技術である。もし必要ならば、半導体層の材料の品質を
、例えば、いわゆるＤＰＳＥ技術（２重同相エピタクシ
（Ｄｏｕｂｌｅ　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅＥｐｉｔａｘ
ｙ　）技術）によって、さらによくすることができる。

この技術では、まず非晶体が作成され、その後、基板に
近い半導体層部分が再結晶化され、それにより、その部
分の結晶Ｍ４造がより完全なものとされる。その後、表
面に近い半導体層部分が再結晶化され、それにより、高
度に完全な半導体層をうろことができる。

前記実施例において、２つのＭＯＳ構造体が同時に＆ｌ
ｊ御される。すなわち、スイッチが導電状態にある時、
両方の構造体が導電状態にあり、そしてスイッチが非導
電状態にある時、両方の禍迅体が非導電状態にある。後
者の場合に、２つの構造体のうちの１つがＳ電状態にあ
るようにＭ　ＯＳ　ｉＭ構造体制御すると利点がえられ
る。これはＮ形導ｆｆ１ｌｌｌ’Ｍ５の定められた電位
をうるためである。

さらに、前記実施例において、ＭＯＳ構造体は、通常は
（制御電圧が加えられていない状態では）非導電状態で
あり、制御信号が加えられると導電状態になる形式のも
のであると仮定されていた。

これとは異なって、もちろん、ＭＯＳ［を体は、通常は
（制御電圧が加えられていない状態では）導電状態であ
り、そして制御信号が加えられると非導電状態になる形
式のものであることができる。

後者の場合には、ＭＯＳ４Ｍｆｉ体のうちの１つまたは
両方に制御電圧を加えることによって部品が非導電状態
に保たれ、そして両方のＭＯＳ構造体から制御電圧を取
り除くことによって導電状態になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるスイッチの図面、第２図は本発明
によるスイッチの１つの実施例であって、制御回路と主
回路との間の電流分離がえられており、第３ａ図、第３
ｂ図、第４ａ図、第４ｂ図、第５ａ図および第５ｂ図は
本発明によるスイッチの製造の逐次の段階を示し、第６
図は、本発明の１つの好ましい実施例において、複数個
のスイツヂ京子が同じ半導体層の中にどのように作成さ
れるか、およびこのスイッチの主接触体と制御接触体へ
の並列接続がどのように行なわれるかを示した図面であ
る。 ［符号の説明］ １　　　　　　　　絶縁体基板、サファイヤ基板２　　
　　　　　　半導体層、シリコン層３ａ、３ｂ　　　　
　接触体領域 ８１／Ｄ２．８２／Ｄ１　主接触体 ５　　　　　　　　弱くドープされた第１領域４　　　
　　　　　弱くドープされた第２領域６ａ、６ｂ、８ａ
、８ｂ　　ＭＯＳ椙造構造体、６ｂ　　　　　チャンネ
ル領域 ８ａ、８ｂ　　　　　ｉ、１Ｊｔｌｌ電極８１、Ｇ１．
８２．Ｇ２　　制御電圧印加装置ＣＴ１．ＣＴ２．Ｃ１
〜Ｃ／ｌ、Ｂ１．８２．Ｇ１゜Ｇ２　　　　　　　制御
電圧同時印加装置Ｂ１．Ｂ２．Ｃ１〜Ｃ４１すｌＩＩ信
号の静電容か性伝送装置

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁体基板（１）の上に配置された半導体層（２
   ）の中に作成され、前記半導体層が 第１導電形（Ｎ形）の高い導電率を有する２個の接触体
   領域（３ａ、３ｂ）および主接触体（Ｓ１／Ｄ２、Ｓ２
   ／Ｄ１）を有し、かつ、前記接触体領域（３ａ、３ｂ）
   の間に、反対の導電形（Ｐ形）の弱くドープされた第２
   領域（４）の上に第１導電形（Ｎ形）の弱くドープされ
   た第１領域（５）を有し、かつ、 弱くドープされた前記第１領域（５）と前記接触体領域
   （３ａ、３ｂ）のうちのそれぞれの接触体領域との間に
   、その導電状態を制御するための反対導電形（Ｐ形）の
   チャンネル領域（６ａ、６ｂ）と制御電極（８ａ、８ｂ
   ）とをそなえたＭＯＳ構造体を有する、 ことを特徴とする双方向ＭＯＳスイッチ。
2. （２）請求項１において、複数個の細長くかつ事実上平
   行な接触体領域（３ａ、３ｂ）と、弱くドープされた領
   域（４、５）と、前記接触体領域の対のおのおのの間に
   配置されたＭＯＳ構造体（６ａ、６ｂ、８ａ、８ｂ）と
   を有し、それによりすべての第２接触体領域（例えば、
   ３ａ）が前記スイッチの前記主接触体（Ｓ１／Ｄ２）の
   うちの１つに接続されかつ他の接触体領域（３ｂ）が前
   記スイッチの他の主接触体（Ｓ２／Ｄ１）に接続される
   、ことを特徴とする前記双方向ＭＯＳスイッチ。
3. （３）請求項１または請求項２において、前記ＭＯＳ構
   造体に隣接して配置された前記主接触体（７ａ、Ｓ１／
   Ｄ２）の電位に対しおのおのの前記ＭＯＳ構造体の前記
   制御電極（例えば（８ａ））に制御電圧を加えるための
   装置（Ｂ１、Ｇ１、Ｂ２、Ｇ２）を有することを特徴と
   する前記双方向ＭＯＳスイッチ。
4. （４）請求項１、請求項２および請求項３のいずれかに
   おいて、１対の接触体領域（３ａ、３ｂ）の間に配置さ
   れた２個のＭＯＳ構造体の制御電極（８ａ、８ｂ）に２
   個の前記ＭＯＳ構造体が同じ導電状態に制御されるよう
   に制御電圧が同時に加えられるための装置（ＣＴ１、Ｃ
   Ｔ２、Ｃ１−Ｃ４、Ｂ１、Ｂ２、Ｇ１、Ｇ２）を有する
   ことを特徴とする前記双方向ＭＯＳスイッチ。
5. （５）請求項１から請求項４までのいずれかにおいて、
   前記ＭＯＳ構造体の前記制御電極（８ａ、８ｂ）に制御
   信号を静電容量性伝送を行なうための装置（Ｂ１、Ｂ２
   、Ｃ１−Ｃ４）を有することを特徴とする前記双方向Ｍ
   ＯＳスイッチ。