本说明书公开的技术涉及防止在负载电路中流动过载的保护装置。特别是涉及以简单的构造在若施加过载则形成了接通的保护元件的半导体基板的绝缘层，实现除去高频的输入的低通滤波器用的线圈或者电阻及电容器的技术。
背景技术：
已知有被连接于电源与负载电路之间，保护负载电路不受过载的影响的保护装置。作为这样的保护装置的例子，存在将齐纳二极管、组合了齐纳二极管与闸流晶体管的保护元件形成于半导体基板的装置。例如在专利文献1中公开有形成了组合了齐纳二极管与闸流晶体管的保护元件的半导体基板。
专利文献1：日本特开2015-198190号公报
为了应对比保护元件的响应频带高的频率的输入(噪声、浪涌电流/浪涌电压)，在保护装置的输入与输出之间，除了保护元件以外，优选具备包含线圈、电阻及电容器中的至少一个的低通滤波器。但是，若与半导体基板分开单独地具备基于线圈、电阻、电容的低通滤波器则保护装置的体积变大。本说明书提供一种以绝缘层覆盖形成有保护元件的半导体基板的表面，以简单的构造在该绝缘层中实现除去高频的输入的低通滤波器用的线圈或者电阻及电容器的技术。此外，线圈、电容器及电阻被总称无源元件。
技术实现要素：
本说明书公开的保护装置具备半导体基板、绝缘层、导电层及无源元件。在半导体基板形成有若施加过载则接通的保护元件。绝缘层以覆盖保护元件的方式被设置于半导体基板的表面。以下，为了便于说明，将从半导体基板与绝缘层的边界朝向绝缘层的表面的方向表现为“上方”。导电层在保护元件的上方被设置于绝缘层，并在与半导体基板的表面平行的面内控制。无源元件是由细长导体制成的线圈或者电阻。该无源元件在绝缘层内被形成于导电层的上方。在无源元件是线圈的情况下，细长导体在与导电层平行的面内以螺旋状扩展。在无源元件是电阻的情况下，细长导体在与导电层平行的面内弯曲为之字形。在上述情况下，由细长导体制成的无源元件以与导电层对置的方式二维地扩展。本说明书公开的保护装置还具备在绝缘层的表面露出的输入端子、输出端子及接地端子。输入端子与无源元件的一端电连接。无源元件的另一端、保护元件的高电位侧端子及输出端子电连接。保护元件的低电位侧端子和导电层与接地端子电连接。
在上述保护装置中，与导电层对置并二维地扩展的无源元件与导电层，利用它们之间的寄生电容来构成电容器。对于上述保护装置而言，细长导体和导电层构成低通滤波器的线圈(或者电阻)和电容器。通常，电容器需要2个导体(2个电极)，线圈(或者电阻)需要一个导体。上述保护装置能够利用2个导体(细长导体和导电层)，在绝缘层内实现线圈(或者电阻)和电容器。上述保护装置能够以简单的构造在绝缘层内紧凑地实现lc型(线圈和电容器)或者rc型(电阻和电容器)的低通滤波器。
本说明书公开的保护装置也可还具备其它的无源元件。其它的无源元件是由其它的细长导体制成的线圈或者电阻。其它的无源元件被配置为在绝缘层内且在导电层与半导体基板之间与导电层对置。在其它的无源元件是线圈的情况下，在与导电层平行的面内细长导体以螺旋状扩展。在其它的无源元件是电阻的情况下，在与导电层平行的面内细长导体弯曲为之字形。在任何的情况下，其它的无源元件以与导电层对置的方式二维地扩展。其它的无源元件电连接在上述的无源元件的另一端和保护元件的高电位侧端子连接的连接点、与输出端子之间。其它的细长导体与导电层利用它们之间的寄生电容而构成其它的电容器。其它的无源元件亦即其它的细长导体与导电层构成连接于保护元件与输出端子之间的其它的低通滤波器(lc型或者rc型)。具备其它的细长导体的保护装置能够利用三个导体(2个细长导体和导电层)，在保护元件的前段和后段分别具备lc型(或者rc型)的低通滤波器。
本说明书公开的保护装置积极地利用细长导体与导电层之间的寄生电容。另一方面，若在窄的绝缘层中设置多个导体，则存在在多个导体之间产生不希望的寄生电容的担忧。在保护装置的情况下，若在被配置于绝缘层内的导体间产生不希望的寄生电容，则存在高频噪声、浪涌通过该寄生电容从电源向保护元件或者负载电路传播的担忧。本说明书公开的保护装置积极地利用在绝缘层内导电层、与平行于导电层且二维地扩展的细长导体之间的寄生电容来实现低通滤波器用的电容器。或者进一步利用在与细长导体相反的一侧导电层与平行于导电层且二维地扩展的其它的细长导体之间的寄生电容来实现其它的低通滤波器用的电容器。在上述情况下，仅由导电层与平行的细长导体构成，所以除了积极地利用的寄生电容以外，额外的寄生电容产生的可能性较小。
唯一被考虑的额外的寄生电容是被形成于半导体基板的保护元件与导电层之间的寄生电容。因此，本说明书公开的保护装置优选地，以细长导体与导电层之间的寄生电容、比保护元件与导电层之间的寄生电容大的方式配置各导体。在具备其它的细长导体的情况下，优选其它的细长导体与导电层之间的寄生电容比保护元件与其它的细长导体之间的寄生电容大。寄生电容的大小例如能够利用细长导体与导电层的间隔来调整。若满足上述的寄生电容的关系，则导电层与细长导体之间的寄生电容(或者导电层与其它的细长导体之间的容量)成为支配性的寄生电容，能够抑制导电层与保护元件(或者其它的细长导体与保护元件)之间的寄生电容的影响。
半导体基板的保护元件例如也可是齐纳二极管、或者包含齐纳二极管的电路。包含齐纳二极管的电路的一个例子是组合了齐纳二极管与闸流晶体管的保护电路。被形成于半导体基板的保护元件和其等效电路是发明的详细的说明中具体地进行的例示。
本说明书公开的技术的详细内容与进一步的改进通过以下的“具体实施方式”来说明。
附图说明
图1是第一实施例的保护装置的示意性的分解图。
图2是第一实施例的保护装置的剖视图。
图3是第一实施例的保护装置的等效电路图。
图4是变形例的保护装置的示意性的分解图。
图5是第二实施例的保护装置的示意性的分解图。
图6是第二实施例的保护装置的剖视图。
图7是第二实施例的保护装置的等效电路图。
图8是第二实施例的保护装置的剖视图(对保护元件、第二线圈及导电层的间隔进行说明的图)。
附图标记说明
2、2a、2b：保护装置；3：输入端子；4：输出端子；5：接地端子；6：线圈(第一线圈)；7：导电层；8：电阻；9：第二线圈；10：保护元件；11：高电位侧端子；12：低电位侧端子；13：p+型接触区域；14：n+型阴极区域；15：p型阱区；16：n型阱区；17：n型齐纳阴极区域；18：n+型接触区域；19：p+型阳极区域；20：半导体基板；29、30：绝缘层；41-43：接线；50：闸流晶体管；51：齐纳二极管；52、53：晶体管；54、55：电阻；56、59：电容器；57、58：线圈；76、78、79：细长导体；91：电源；92：负载电路。
具体实施方式
(第一实施例)参照图1-3对第一实施例的保护装置2进行说明。保护装置2是被连接于电源与负载电路之间，在从电源对负荷装置施加过电压时短路并保护负荷装置的装置。保护装置2由被形成于半导体基板的保护元件、及被配置于覆盖半导体基板的绝缘层中的无源元件构成。在图1中表示示意性地分解保护装置2的立体图。为了容易理解绝缘层内具备的导体的构造，图1省略了绝缘层的图示，并且分解地表示多个导体。实际上要注意的是通过蚀刻等形成几个导体且与绝缘层是不可分的。图1的螺旋状的极粗线表示由细长导体76制成的线圈6。另外，图1与图2的中粗线41-43表示将导体彼此电连接的接线。要注意的是图1的接线41-43表示导体间的电连接关系，并不是表示物理的构造。图2表示保护装置2的剖视图。图2示出了图1的坐标系中在与xz平面平行的平面切断保护装置2的剖面。在图2的剖视图中，表示了后述的输入端子3、输出端子4、接地端子5的剖面。上述端子不需要排列在一条直线上，但为了帮助理解，方便起见，配置为在一个剖面展现。另外，接线41-43也可不通过图2的剖面来实现。在图2的剖视图中，为了帮助理解关于半导体基板20的内部省略了表示剖面的阴影。图3表示保护装置2的等效电路图。
首先，参照图3对保护装置2的电路进行说明。保护装置2被连接于电源91与负载电路92之间。保护装置2作为输入输出端具备输入端子3、输出端子4、接地端子5。输入端子3与电源91的正极连接。输出端子4与负载电路92的电力输入用的正极端连接。接地端子5在输入侧与输出侧共用，与电源91的负极及负载电路92的负极连接。
保护装置2具备若从电源91施加过电压则接通的保护元件10、电容器56及线圈57。保护元件10被连接于输入端子3与接地端子5之间，若接通则连接输入端子3与接地端子5。保护元件10由闸流晶体管50与齐纳二极管51构成。闸流晶体管50的阳极与齐纳二极管51的阴极连接。图中的点p1相当于闸流晶体管50的阳极与齐纳二极管51的阴极。闸流晶体管50的阳极(点p1)经由线圈57与输入端子3连接，并且也与输出端子4连接。闸流晶体管50的阴极(图中的点p2)与接地端子5连接。闸流晶体管50的栅极与齐纳二极管51的阳极连接(图中的点p3)。点p1相当于保护元件10的高电位侧端子，点p2相当于保护元件10的低电位侧端子。若对输入端子3施加过电压，则齐纳二极管51击穿，闸流晶体管50接通，输入端子3与接地端子5导通。用等效电路表示时，闸流晶体管50是pnp型晶体管52、npn型晶体管53及电阻54、55如图3那样被连接的电路。换言之，保护元件10是若施加过电压则该高电位侧端子与低电位侧端子接通的设备。
在输入端子3与接地端子5之间连接电容器56，在输入端子3与输出端子4之间连接线圈57。电容器56与线圈57构成所谓的lc型低通滤波器。该lc型低通滤波器除去比保护元件10的动作频率高的频率的输入，防止高频噪声或者浪涌电压/浪涌电流到达保护元件10、负载电路92。
参照图1和图2对由图3的等效电路表示的保护装置2的硬件进行说明。保护元件10被内置于p型的半导体基板20。保护元件10的具体的构造将在后面材质图2进行说明。保护元件10的高电位侧端子11与低电位侧端子12在半导体基板20的表面露出。高电位侧端子11与低电位侧端子12分别与图3的等效电路的点p1和点p2对应。以覆盖半导体基板20的表面(保护元件10的表面)的方式，设置有绝缘层30。如上所述，在图1中省略了绝缘层的图示。关于绝缘层30参照图2。为了容易对图进行观察，在图2中以浅灰色的粗斜线对绝缘层30实施了阴影。
在绝缘层30的内部设置有导电层7。导电层7被设置为在保护元件10的上方，在与半导体基板20的表面平行的面内(图中的xy平面内)扩展。在绝缘层30的内部且导电层7的上方设置有线圈6。线圈6是将细长导体76弯曲螺旋状的无源元件。线圈6在与导电层7平行的面内扩展为螺旋状。线圈6以与导电层7对置的方式二维地扩展。导电层7与线圈6均通过金属(铝)蚀刻加工等而被制成。
输入端子3、输出端子4以及接地端子5在绝缘层30的表面露出。输入端子3与线圈6的一端6a电连接(接线41)。线圈6的另一端6b与输出端子4以及保护元件10的高电位侧端子11电连接(接线42)。保护元件10的低电位侧端子12、导电层7及接地端子5电连接(接线43)。如上所述，要注意的是接线41-43表示导体间的电连接关系，并不表示物理的构造。实施的接线在绝缘层30的内部通过金属(铝)蚀刻加工等而被实现。
被连接于输入端子3与输出端子4之间的线圈6相当于图3的等效电路的线圈57。绝缘层30具有介电常数，因此在绝缘层30的内部被分离地配置的两个导体之间存在寄生电容(杂散电容)，构成电容器。导电层7与线圈6在绝缘层30的内部分离地对置，利用它们之间的寄生电容构成电容器。由线圈6与导电层7构成的电容器相当于图3的等效电路的电容器56。即，由线圈6与导电层7这2个导体实现图3的等效电路的lc型低通滤波器(线圈57和电容器56)。第一实施例的保护装置2在保护元件10的前段具备lc型低通滤波器。该低通滤波器由覆盖半导体基板20的表面的绝缘层30内部的2个导体(线圈6和导电层7)实现。
此外，在导电层7与保护元件10(特别是高电位侧端子11与低电位侧端子12)之间也存在寄生电容，而构成电容器。其中，导电层7与线圈6的间隔h1比导电层7与保护元件10(高电位侧端子11与低电位侧端子12)的间隔h2小。另外，高电位侧端子11与低电位侧端子12的总面积比俯视半导体基板20时的线圈6的总面积小。因此，导电层7与线圈6之间的寄生电容比导电层7与保护元件10之间的寄生电容大。因此，与导电层7与保护元件10之间的寄生电容相比，导电层7与线圈6之间的寄生电容的一方成为支配的一方，导电层7与保护元件10之间的寄生电容的影响被抑制。
参照图2对保护元件10的结构进行说明。保护元件10的整体在被设置于p型的半导体基板20的n型阱区16中被形成。在n型阱区16中以在半导体基板20的表面露出的方式设置有p型阱区15。在p型阱区15中以在半导体基板20的表面露出的方式设置有n+型阴极区域14、p+型接触区域13、n型齐纳阴极区域17。通过n+型阴极区域14、p型阱区15及n型阱区16，构成npn型晶体管。该npn型晶体管相当于图3的等效电路的晶体管53。另外，p型阱区15兼作图3的等效电路的电阻55。
n+型阴极区域14及p+型接触区域13与低电位侧端子12接触。在低电位侧端子12与p型阱区15之间夹着其它的绝缘层29，对两者之间进行绝缘。为了使低电位侧端子12与p型阱区15欧姆接触而设置了p+型接触区域13。
在n型阱区16中以在半导体基板20的表面露出的方式设置有p+型阳极区域19和n+型接触区域18。通过p+型阳极区域19、n型阱区16及p型阱区15构成pnp型晶体管。该pnp型晶体管相当于图3的等效电路的晶体管52。另外，n型阱区16兼作图3的等效电路的电阻54。上述的npn型晶体管和pnp型晶体管构成闸流晶体管。该闸流晶体管相当于图3的等效电路的闸流晶体管50。
p+型阳极区域19、n+型接触区域18及n型齐纳阴极区域17与高电位侧端子11接触。在高电位侧端子11、n型阱区16以及p型阱区15之间夹着其它的绝缘层29，对高电位侧端子11与两方的阱区之间进行绝缘。n+型接触区域18为了使高电位侧端子11与n型阱区16欧姆接触而被设置。此外，其它的绝缘层29也可与绝缘层30同时利用相同的材料而制成，也可利用不同的材料而制成。
n型齐纳阴极区域17与p型阱区15相当于图3的等效电路的齐纳二极管51。如以上那样，图2的保护元件10构成图3的等效电路的保护元件10。若在高电位侧端子11与低电位侧端子12之间施加过电压，由n型齐纳阴极区域17于p型阱区15构成的齐纳二极管51(参照图3)击穿，则闸流晶体管50(参照图3)接通，高电位侧端子11与低电位侧端子12之间导通。
(变形例)接下来，对图1-3的保护装置2的变形例进行说明。图4是变形例的保护装置2a的示意性立体图。图4与图1的示意性立体图对应。该变形例是将保护装置2的线圈6替换为电阻8的例子。即输入端子3与电阻8的一端8a电连接，电阻8的另一端8b和保护元件10的高电位侧端子11与输出端子4电连接。其它的连接关系与图1-图3的保护装置2相同。电阻8是使细长导体78蜿蜒的部件。细长导体78与通常的导体相比内部电阻大，细长导体78具有相应的电阻值。构成电阻8的细长导体78在导电层7的上方与导电层7平行的面内弯曲为之字形，以与导电层7对置的方式二维地扩展。电阻8也与之前的线圈6相同，与导电层7一起利用它们之间的寄生电容来构成电容器。图4的变形例的保护装置2a具备通过蜿蜒的细长导体78与导电层7，用电阻置换了图3的等效电路的线圈57的rc型低通滤波器。
(第二实施例)参照图5-8对第二实施例的保护装置2b进行说明。第二实施例的保护装置2b是对第一实施例的保护装置2追加了第二线圈9的保护装置。为了便于说明，以后将第一实施例的保护装置2的线圈6称为第一线圈6。图5是第二实施例的保护装置2b的示意性的分解图。图6是保护装置2b的剖视图。图7是保护装置2的等效电路图。图5-图7分别与图1-图3对应。在图5-图7中对于图1-图3相同的部件标注相同的符号。在第二实施例的保护装置2b中对于与图1-图3所示的部件相同的部件省略说明。
第二线圈9在绝缘层30中被配置于导电层7与半导体基板20之间。第二线圈9是在与导电层7平行的面内将细长导体79弯曲为螺旋状的部件。弯曲为螺旋状的细长导体79(第二线圈9)以与导电层7对置的方式二维地扩展。对于第二线圈9而言，其一端9a连接于第一线圈6的另一端6b与保护元件10的高电位侧端子11的连接点(图5的点q)，另一端9b与输出端子4连接。换言之，第二线圈9在第一实施例的保护装置2中，电连接在高电位侧端子11和第一线圈6的连接点(点q)、与输出端子4之间。第二线圈9与导电层7也利用它们之间的寄生电容来构成电容器。
要注意的是图5和图6的中粗线41、142-144与图1的情况相同，表示导体间的电连接关系，并不表示物理的构造。对部件的连接关系进行说明。输入端子3与第一线圈6的一端6a电连接(接线41)。第一线圈6的另一端6b、第二线圈9的一端9a及保护元件10的高电位侧端子11电连接(接线142)。第二线圈9的另一端9b与输出端子4电连接(接线143)。保护元件10的低电位侧端子12、导电层7及接地端子5电连接(接线144)。
图7的等效电路中的电容器59相当于由第二线圈9与导电层7构成的电容器。图7的线圈58相当于第二线圈9。与第一实施例的保护装置2相同，导电层7和第一线圈6相当于图7的等效电路的电容器56，细长导体76(第一线圈6)相当于等效电路的线圈57。如图7的等效电路图所示，第一线圈6和导电层7相当于等效电路中的线圈57和电容器56，它们作为被插入到保护元件10的前段的lc型低通滤波器而发挥功能。另外，细长导体79(第二线圈9)和导电层7相当于等效电路中的线圈58和电容器59，它们作为被插入到保护元件10的后段的lc型低通滤波器而发挥功能。第二实施例的保护装置2b利用三个导电部件(2个细长导体76、79和导电层7)，实现等效电路中的四个无源元件(2个线圈57、58和2个电容器56、59)。
图8表示省略了接线41、142-143的剖视图。导电层7与第二线圈9(细长导体79)的间隔h3比第二线圈9(细长导体79)与保护元件10(高电位侧端子11与低电位侧端子12)的间隔h4小。另外，高电位侧端子11与低电位侧端子12的总面积比俯视半导体基板20时的第二线圈9(细长导体)的总面积小。因此，导电层7与第二线圈9之间的寄生电容比第二线圈9与保护元件10之间的寄生电容大。因此，与第二线圈9(细长导体79)与保护元件10之间的寄生电容相比，导电层7与第二线圈9(细长导体79)之间的寄生电容的一方是支配的一方，第二线圈9(细长导体79)与保护元件10之间的寄生电容的影响被抑制。
对与实施例中已说明的技术相关的注意点进行阐述。也可将第二实施例的第一线圈6和/或第二线圈9替换为图4所示的电阻8。若用电阻替换线圈，则能够实现rc型的低通滤波器。
在第一实施例的保护装置2中，线圈6与导电层7的间隔h1比线圈6与保护元件10的间隔h1小，因此，线圈6与导电层7之间的寄生电容比线圈6与保护元件10之间的寄生电容大。只要线圈6与导电层7之间的寄生电容比线圈6与保护元件10之间的寄生电容大即可。寄生电容的调整不仅可以利用导体间的间隔，也可利用导体间的介电常数来进行调整，或者利用对置的导体的面积来进行调整。
第一实施例的线圈6、变形例的电阻8、第二实施例的第一线圈6和第二线圈9相当于绝缘层30的无源元件的一个例子。
在实施例的保护装置2、2a、2b的半导体基板20形成有若施加过电压则接通的保护元件10。典型的若施加过电压则接通的保护元件是齐纳二极管或者实施例中例示的齐纳二极管与闸流晶体管的组合。本说明书所公开的技术也可是其它的保护元件。例如保护元件也可是若施加过电流则接通的元件。一般来说，被形成于半导体元件20的保护元件只要是若施加过载则接通的元件即可。
以上，虽对本发明的具体例详细地进行了说明，但这些只不过是例示，并不限定技术方案的保护范围。技术方案所记载的技术包含对以上例示的具体例进行各种变形、改变的技术。本说明书或者附图中已说明的技术要素是通过单独或者各种组合而发挥技术的有用性的技术要素，并不限定于申请时技术方案记载的组合。另外，本说明书或者附图中例示的技术是能够同时实现多个目的技术，是由本身实现其中之一的目的并具有技术的有用性的技术。