JPH08506665A - ｐｎ接合を有する温度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明によれば、特に少なくとも８００℃の高温で使用することのできる温度センサに対して２ｅＶ以上のエネルギーギャップを有する半導体を有するｐｎ接合の空間電荷帯域（８）の温度依存性が利用される。この空間電荷帯域の大きさはｎ又はｐ導電形チセネル（４）の電流容量を測定する。従ってソース−ドレイン電流（Ｉ_SD）は温度の明確な尺度として用いられる。温度センサは高温又はパワー半導体デバイスの温度の測定に使用され、それには半導体デバイスと一体化して基板（２）上に集積すると有利である。

Description

【発明の詳細な説明】 ｐｎ接合を有する温度センサ 本発明は温度センサに関する。 例えばキャリア濃度及びキャリア移動度のような半導体デバイスの電子的特性 は一般に温度に関係する。このデバイスが広範囲の温度に使用される場合温度の 影響を測定技術により補正することが必要となる。温度補正のためにデバイスの 温度は温度センサで測定されなければならない。この温度センサはデバイスので きるだけ近くに配設する必要があり、デバイスと温度センサとの熱的接触抵抗を できるだけ少なくするためにデバイスと共に半導体チップ上に集積すると有利で ある。 公知の温度センサには温度に関係する抵抗器（サーミスタ）及び熱電対がある 。この両センサタイプは薄膜技術により薄い金属薄膜として半導体デバイス上に 集積可能である。一つの問題はそこに生じる高い使用温度又は熱電力損の結果と しての高温のために高温及びパワーエレクトロニクスデバイスの温度測定である 。例えば約４００℃の温度ではいわゆる公知のセンサ薄膜は冶金学的変化により 制限下に使用できるに過ぎない。サーミスタ薄膜では結晶成長工程のために電気 抵抗に変化を来し、また熱電対薄膜では拡散工程のために接触材に変化を来す。 少なくとも８００℃までの高温及び高出力での使用に適した半導体物質には炭 化ケイ素（ＳｉＣ）がある。ＳｉＣは真性キャリア濃度が低く、、破壊電場強度 が高く、熱伝導率が高く、かつ熱的及び化学的安定性に優れている。既にいくつ かのＳｉＣをベースとするデバイスが実現されており、その山には特にＪＦＥＴ （接合形電界効果トランジスタ）、ＭＥＳＦＥＴ（ショットキー形電界効果トラ ンジスタ）及びＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物車導体電界効果トランジスタ）がある 。これらのＳｉＣデバイスではキャリア濃度及びキャリア移動度の温度依存性に 起因するその電気的特性の温度依存性を測定することができる（「ダイヤモンド 及び関連物質」第１巻（１９９２年）第１０９〜１２０真、エルセヴィア・サイ エンス出版社、アムステルダム）。 本発明は、少なくとも４００℃の高温の測定に使用することができ、特に半導 体デバイスの温度制御及び温度補正のために基板上にこのデバイスと共に一体に 集積することができる温度センサを提供することを課題とする。 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。 本発明はｐｎ接合の空間電荷帯域の温度依存性を温度センサの構成に利用する という考えに基づくものである。このｐｎ接合は２ｅＶ以上のエネルギーギャッ プを有する２個の互いに反対の導電形にドープれている半導体で形成されている 。それにより温度測定範囲を少なくとも４００℃にまで拡大することができる。 本発明による有利な実施態様は従属請求項から明らかである。 本発明を図面に基づき以下に詳述する。その際 図１は１個のｐｎ接合及び水平なチャネルを有する温度センサの実施例の切断面 図を、 図２及び図３は複数個のｐｎ接合及び垂直なチャネルを有する実施例の斜視断面 図及び平面図を、及び 図４は２個のｐｎ接合を有する実施例の断面図を 概略的に示すものである。互いに相応する部分には同じ符号が付けられている。 図１には価電子帯と伝導帯との間のエネルギーギャップが２ｅＶ以上のｐ導電 形半導体から成る基板は２、基板２中又はその上のｎ導電形領域は４、基板２で 形成されるｐ導電形領域は７、ｎ領域４及びｐ領域７で形成されるｐｎ接合の空 間電荷帯域は８及びソース電極はＳ並びにドレイン電極はＤと符号付けられてい る。領域４はソース電極Ｓとドレイン電極Ｄを接続する少なくとも部分的に水平 なチャネルとして形成されている。 ｐｎ接合はその真性空間電荷帯域８が所定の基準温度Ｔ_ref（通常は室温（２ １℃）である）で丁度チャネル全体を覆うように施されている。それには特にｐ ｎ接合の拡散電位及びドナー及びアクセプタ濃度が調整されなければならない。 従ってチャネルはこの基準温度Ｔ_refでは遮断（通常のオフ状態）しており、ソ ース電極Ｓとドレイン電極Ｄとの間に電圧が印加された場合この両電極Ｓ及びＤ 間に無視し得る漏れ電流Ｉ_SDが流れるに過ぎない。その際印加されたソース−ド レイン電圧は当然ｐｎ接合の破壊電圧を超えてはならない。Ｔ_refより高い温度 Ｔではチャネルは温度の上昇に連れてｐｎ接合の空間電荷帯域８の幅ｗが単調に 減少するためますます開く。それ故ソース−ドレイン電流Ｉ_SDは温度Ｔに明らか に関係し、従って温度センサの測定信号として利用することができる。 ソース−ドレイン電流Ｉ_SDがその飽和電流値に達するようにソース−ドレイン 電圧を調整すると有利である。その際飽和電流とはソース−ドレイン電圧の更な る上昇の際に実際にはそれ以上大きくならない最大ソース−ドレイン電流と定義 される。 この温度センサの測定範囲は、空間電荷帯域８が丁度チャネルを遮断する基準 温度Ｔ_refから、チャネルが完全に開けられソース−ドレイン電流Ｉ_SDが実際に それ以上上昇しないか又はｐｎ接合が熱的に生じさせられるキャリアによりその 整流特性を失う最大温度Ｔ_maxにまでに及ぶ。 もちろんソース−ドレイン電流Ｉ_SDを一定に保持し、領域４内の電流を運ぶ範 囲の変化及びそれと関連する抵抗変化により惹起される電圧変化を測定すること もできる。 ｐｎ接合はまたｐ導電形領域４とｎ導電形領域７とで形成可能である。更に領 域４と基板２との間に付加層を領域７として配設してもよい。こうしてこのｐｎ 接合はこの層と領域４によって形成される。 空間電荷帯域８の大きさは補助的にゲート電極Ｇにゲート電圧を印加すること により制御することができる。それにより温度センサの測定感度及びその動作点 はゲート電極Ｇのゲート電圧に応じて調整可能である。このゲート電極Ｇは例え ばソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄを有する側とは反対側の基板２に配設可能で ある。１個又は複数個のゲート電極は他の全ての実施例の場合にも設けることが できる。 ドープされた全ての領域及び基板２はそれぞれ２ｅＶ以上のエネルギーギャッ プを有する半導体物質から、有利には同じ半導体物質からなる。シリコン（１． １ｅＶ）に比べて高いエネルギーギャップを有する本発明による温度センサに選 択される半導体は少なくとも４００℃の高い使用温度に適した温度センサである 。このような半導体の例としてはダイヤモンド、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、 窒化ガリウム（ＧａＮ）或は窒化インジウム（ＩｎＮ）がある。半導体としては そ の傑出した執的及び電気的特性の故に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を備えると有利であ る。真性伝導のキャリア濃度はこのＳｉＣ物質の場合８００℃でもチャネルがも はや十分に遮断されない約１０¹³ｃｍ^-3の臨界値を下回る。 図２の斜視切断面図及び図３の平面図に示されている実施例ではソース電極Ｓ が一方の側にまたドレイン電極Ｄがｎ導電形基板２の反対側に配設されている。 基板２上にはｐ導電形層１７が配設されている。この層１７から例えば円形のｐ 領域７３がメサ形に構造化されている。このｐ領域７３及びその間にある基板２ の表面範囲の上方にｎ導電形で有利には同時に構造化された層１５が配設されて いる。このｎ層１５の上に構造化層がソース電極Ｓとして配設されている。この 層及び２つの層１５及び１７はエピタキシャル成長させると有利である。ｐ領域 ７３はウェルの形に基板２内に埋込んでもよい。その場合ｎ層１５及びその上に 施されているソース電極Ｓはほぼ平坦になる。 ソース電極Ｓはそれぞれ領域４１（これはｎ導電形基板２及びその上に配設さ れているｎ層１５により形成され、ｐ領域７３とｎ基板２又はｎ層１５との間の ｐｎ接合の空間電荷帯域１０により電流を導通するチャネルとして狭められてい る）を介してドレイン電極Ｄと接続されている。このチャネルは所定の基準温度 Ｔ_refでは隣接するｐ領域７３を囲む２つの空間電荷帯域１０が接触して再び丁 度遮断されている。Ｔ_refよりも高い温度Ｔでは空間電荷帯域１０は後退し、開 いているチャネル内にソース−ドレイン電流Ｉ_SDが流れる。この電流Ｉ_SDは主に 電極Ｓ又はＤを有する基板２の表面に対して垂直方向に流れる。 ｐｎ接合を形成するｐ導電形基板２、ｐ導電形層１５及びｎ導電形領域７３を 設けてもよい。 更にｐ層１７の露出する表面上にゲート接触部を形成することもできる。 図４は温度センサの有利な１実施例の断面を示すものである。ｐ導電形基板２ が備えられ、この基板２の表面上にはｎ導電形層１６が配設されている。基板２ とｎ導電形層１６との間には更にｐ導電形層１９を設けると有利である。この２ つの層１６及び１９はエピタキシャル成長させてもよい。ｎ導電形層１６の上に はソース電極Ｓ及びドレイン電極Ｄが配設されている。両電極Ｓ及びＤ間のｎ層 １６の上にはｐ導電形層１８が施されている。ｎ層１６と共にソース電極Ｓとド レイン電極Ｄを接続する領域４は電流を導通するチャネルとして形成される。こ の領域４は、ｐ層１９で形成されるｐ領域７４とｎ領域４との間にあるｐｎ接合 の空間電荷帯域９及びｐ層１８で形成されるｐ領域７５とｎ領域４との間にある ｐｎ接合の空間電荷帯域９′により上方又は下方を制限されている。この図示さ れている実施例では両空間電荷帯域９及び９′は接しており、その結果チャネル は相応する基準温度Ｔ_refで再び遮断される。ソース−ドレイン電流Ｉ_SDはこの 場合もまたＴ_ref以上の温度Ｔに関係する。 この場合もまたドーピングは逆にしてもよく、即ちｎ導電形領域がｐ導電形と なり、或はその逆になる。これらのドープ領域は異なる半導体物質で形成されて も或は同じ半導体物質で形成されてもよい。 シリコン（Ｓｉ）又はＳｉＣベースのパワー半導体デバイス又は高温半導体デ バイスの温度を補正するには温度センサをデバイスと共に半導体基板上に集積す ると有利である。その際温度センサ用基板が支持機能のみを有し、センサのｐｎ 接合にとって必要なドープ領域が基板で形成されていない場合には半導体基板は シリコンからなっていてもよい。温度センサを製造する個々の処理工程はデバイ スの処理工程に適合するものである。更に温度センサとデバイスの極めて良好な 熱的結合が達成される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．以下の特徴： ａ）２ｅＶ以上のエネルギーギャップと所定のドーピングを有する第１の半導体 から成る第１の領域（４）と２ｅＶ以上のエネルギーギャップと反対の導電形の ドーピングを有する第２の半導体物質から成る第２の領域（７）が設けられてお り、 ｂ）これらの２つの反対の導電形にドーピングされている領域（４及び７）でｐ ｎ接合が形成されており、 ｃ）ソース電極（Ｓ）とドレイン電極（Ｄ）との間でｐｎ接合の空間電荷帯域（ ８）の大きさ及び測定すべき温度に関係する電流信号（Ｉ_SD）又は電圧信号が取 り出される を有する温度センサ。 ２．第１及び／又は第２の半導体物質として炭化ケイ素（ＳｉＣ）が備えられて いることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。 ３．測定感度を調整するために補助ゲート電極（Ｇ）が備えられていることを特 徴とする請求項１又は２記載の温度センサ。 ４．第２の領域（７）が基板（２）でまた第１の領域（４）がこの基板（２）の 上に配設されているドープされた層で形成されていることを特徴とする請求項１ ないし３の１つに記載の温度センサ。 ５．第１の領域（４）が少なくとも部分的に基板（２）の上に配設されている第 １のドープ層（１５、１６）で形成されていることを特徴とする請求項１ないし ３の１つに記載の温度センサ。 ６．第２の領域（７）が基板（２）と第１のドープ層（１５、１６）との間に配 設されていることを特徴とする請求項５記載の温度センサ。 ７．ソース電極（Ｓ）及びドレイン電極（Ｄ）が第１の領域（４）を介して互い に接続されていることを特徴どする請求項１ないし６の１つに記載の温度センサ 。 ８．第１のドーピングを有する第１の領域（４）に反対の導電形のドーピングを 有する複数の領域（７４、７５）が相応する数のｐｎ接合を形成しながら配設さ れていることを特徴とする請求項１ないし７の１つに記載の温度センサ。 ９．半導体デバイスの温度を測定するための温度センサがこの半導体デバイスと 共に基板（２）上に集積されていることを特徴とする請求項１ないし８の１つに 記載の温度センサ。