JP2003500859A - 長いパルスで作動する電子コンポーネントのためのサーマルキャパシタ - Google Patents

長いパルスで作動する電子コンポーネントのためのサーマルキャパシタ

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JP2003500859A
JP2003500859A JP2000620677A JP2000620677A JP2003500859A JP 2003500859 A JP2003500859 A JP 2003500859A JP 2000620677 A JP2000620677 A JP 2000620677A JP 2000620677 A JP2000620677 A JP 2000620677A JP 2003500859 A JP2003500859 A JP 2003500859A
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シルヴァン ドゥラージュ，
シモーヌ カセット，
ジャン‐パスカル デュシュマン，
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タレス
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Abstract

(57)【要約】 本発明にかかるコンポーネントは、基板上に、上端部が電気的接合部を構成するメサ状である複数層からなる第１の積層構造、その上部を覆う導電性かつ熱伝導性の層、さらにその上部に接触するヒートシンクエレメントを有する電子コンポーネントである。当該ヒートシンクエレメントは平面状である。さらに、コンポーネントは別の積層構造からなり、導電性かつ熱伝導性の層に覆われた少なくとも１つのパッドを有する。シンクエレメントは、ヒートシンクエレメントから基板に熱を伝導するよう該層と接触する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、長いパルスで作動する電子コンポーネントのためのサーマルキャパ
シタに関する。本発明は特にヘテロ接合バイポーラトランジスタ、とりわけ、マ
イクロ波の周波数で作動するトランジスタに関するものである。
【０００２】 継続時間が数十から数百マイクロセカンド、あるいは、ミリセカンド以上のパ
ルスで作動するマイクロ波コンポーネントが航空管制レーダ等の素子の製造のた
めに使用されている。
【０００３】 この種のコンポーネントでは、パルスの継続時間中においてジャンクションの
温度が変化する；継続時間が十分に長ければ、最初は高いレベルに到達するまで
時間の平方根に比例して上昇し、デューティサイクルが１よりも十分に小さけれ
ばパルスの終了まで前記と同じ速度で最初の温度に戻る。
【０００４】 継続時間がτであるパルスの間における、ジャンクションと称するコンポーネ
ントの活性部分の最大温度上昇ΔＴmaxは、 ΔＴmax＝（１‐Ｄ）x Δpulse ＋ ＤΔＴCW で表される。ここで、 Ｄは、デューティサイクル； ΔＴpulse は、パルス時間内の温度上昇； ΔＴCWは、同じパワーレベルで当該コンポーネントを作動させたときの温度上
昇である。
【０００５】 継続時間がτである動作パルスによるジャンクションの温度上昇は、表面Ｓに
温度パワーＰthを生じさせるとすると、 ΔＴpulse ＝ （Ｐth/Ｓ）・（τ/λ・ρ・ｃp）1/2 で表され、ここで、 λは、対象物質の熱伝導率、 ρは、当該物質の密度、 Ｃpは、体積熱容量をあらわす。
【０００６】 熱的拡散長さと称する、パルスの継続時間における半導体材料中への熱の浸透
深さは、 Ｌ ＝ （τ・λ/ρ・ｃp）1/2 で表される。パルスの継続時間中に発生する熱エネルギの量は、 Ｅth ＝ ０．５・Ｓ・（λ・ρ・ｃp）1/2・ΔＴpulse である。ここで、（λ・ρ・ｃp）1/2は、対象物質の熱拡散特性、つまり、熱の
発生ポイントから如何に早くその熱を吸収するかという特性をあらわす。
【０００７】 基本的なヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、エミッタと、ベー
スと、コレクタとから構成される。この種のトランジスタは（図１参照）、 ‐ＧａＡｓからなる半絶縁性層Ｓと； ‐（典型的な場合にはドーパントの濃度が、４・１０１８ｃｍ−３で）ｎ+ド
ープされたＧａＡｓからなるサブコレクタ層ＳＣと； ‐（典型的な場合にはドーパントの濃度が、２・１０１６ｃｍ−３で）ｎ‐ド
ープされたＧａＡｓ、ＧａＩｎＰまたは他の半導体材料からなるコレクタ層Ｃと
； ‐（典型的な場合にはドーパントの濃度が、７・１０１９ｃｍ−３で）ｐドー
プされたＧａＡｓからなるベース層Ｂと； ‐（典型的な場合にはドーパントの濃度が、３・１０１７ｃｍ−３で）ｎドー
プされたＧａＩｎＰからなるエミッタ層Ｅと；
【０００８】 サブコレクタ層ＳＣ上にコレクタコンタクトＣＣ1とＣＣ2を形成し、ベース層
Ｂ上にベースコンタクトＣＢ1とＣＢ2を形成し、エミッタ層Ｅ上にエミッタコン
タクトＣＥを形成する。
【０００９】 マイクロ波パワーＨＢＴトランジスタは、並行に搭載された基本モジュールを
多く有する。層にわたって熱が均一に流れるように、数μｍの幅を有する、典型
的には幅が２μｍであるエミッタは、数十μｍだけ、典型的には３０μｍ程度離
間されている。フランス特許出願第97/06682号に開示されているように、このよ
うな構造に、熱分流器を重ねることは知られている。この熱分流器は、エミッタ
の頂部で発生した熱の一部を取り出し、典型的には１０μｍ程度はなれた２つの
基本的なトランジスタの間の空間を通って発散させる。従って、熱の発散におい
て考慮しなければならない面積は、エミッタフィンガーの合計面積よりもはるか
に大きく、トランジスタによって覆われた全領域を覆う面積に近いものと仮定す
ることができる。
【００１０】 ヘテロ接合トランジスタが長いパルス（典型的には１００μｓより長い）で動
作するとき、当該パルスの継続時間中における温度上昇は、１００℃程度以上で
あり、これには多くの欠点がある。 １）最大出力は、しばしば、消費平均電力ではなく、パルスの途中に到達する
温度によって制限される； ２）温度が上昇することによって出力が減少する； ３）温度が上昇すると位層が変化する。
【００１１】 本発明の目的は、温度上昇の幅を抑えかつ非常に急速に安定状態にいたること
ができるための解決方法である。
【００１２】 従って、本発明は、基板上に、上端部が電気的接合部を構成するメサ状である
複数層からなる第１の積層構造、その上部を覆う導電性かつ熱伝導性の層、さら
にその上部に接触するヒートシンクエレメントを有する電子コンポーネントであ
って、該ヒートシンクエレメントが平面状であり、前記積層構造と同様の構造で
ある第２の積層構造からなる少なくとも１つのパッドを有し、前記同様に導電性
かつ熱伝導性の層に覆われ、ヒートシンクエレメントから基板に熱を伝導するよ
う導電性かつ熱伝導性の層と接触するものであることを特徴とする電子コンポー
ネントに関するものである。
【００１３】 本発明はまたヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法であって、以下の
ステップを有するものに関する。 ・基板上に、一例としてその材料をカッコ書きで示した以下の層を形成し； ‐サブコレクタ層（ｎ+：ＧａＡｓ） ‐コレクタ層（μ：ＧａＡｓ） ‐エミッタ層（ｎ：ＧａＩｎＰ） ・基本的なトランジスタとパッドを製作するために上記の種々の層をエッチン
グし； ・ベースコンタクトとコレクタコンタクトを製作し； ・トランジスタとパッドの間の空間を絶縁物質で埋め、トランジスタとパッド
からなる平坦面を得るために表面を平坦化し； ・トランジスタとパッドの表面に接触するように、ヒートシンク層となる層を
堆積させ； ・ヒートシンク層にヒートシンク板を取り付ける。
【００１４】 本発明の種々の対象と特徴は以下の記述及び添付の図面によってより明瞭にな
るものである。
【００１５】 図２を参照して本発明にかかる装置の実施例について説明する。図示の装置は
、基板１の上に形成された複数の基本トランジスタ２．１ないし２．４から構成
されたトランジスタを有する。各基本トランジスタは、図１に関連して説明した
複数層の積層構造を有する。これらの基本トランジスタは、その上部にあるエミ
ッタコンタクトｅ．１ないしｅ．３が何れもほぼ同じレベルに来るように集合と
して製造されている。
【００１６】 本発明の場合には、パッドＰ１とＰ２は、全ての基本トランジスタの両面（あ
るいは、少なくとも一方の面）に形成されている。好ましくは、これらのパッド
は同時に、基本トランジスタ２．１ないし２．４と同じ層の中に、同じ技術を用
いて形成されたものである。これらは従ってトランジスタと同じ形状で高さも同
じである。しかし、電気的にはこれらのパッドは受動的で発熱を生じない。これ
らは熱的には伝導性を有するに過ぎない。基本トランジスタの間の空間には、そ
の上面は基本トランジスタとパッドの上面と同一平面を形成するように絶縁材料
が充填されている。この全体構造の上面６は平面である。
【００１７】 熱伝導性が良好な板が上面６に設けられている。好ましくは、このヒートシン
ク板は平面的である。この板は基本トランジスタとパッドの上部と接触するか、
これらの上部に溶着している。
【００１８】 この条件で、トランジスタで発生した熱は、各パルスの継続中にプレートに蓄
えられ、次にパッドＰ１とＰ２を介して基板１に逸散する。
【００１９】 発明の好ましい実施例によれば、板３はダイアモンドである。当該層はトラン
ジスタとパッドの上面にスズベースの合金で接着されている。
【００２０】 図３は、複数のトランジスタＴＲ１ないしＴＲ３を有する実施例を示したもの
である。ヒートシンク板は、全てないしはいくつかのトランジスタに共通である
。パッドＰ１とＰ２はトランジスタの両側に設けられているが、このことは図に
示したトランジスタＴＲ２とＴＲ３に関しては必ずしも必須ではない。
【００２１】 図４によれば、トランジスタとパッドの上部に接触する熱分流器からなる層４
が、ヒートシンク板とトランジスタの間に設けられている。この層は好ましくは
例えば金のような金属からなる。ヒートシンク板３が次にこの層に接着される。
【００２２】 従って、本発明によれば、ヒートシンク板３はヘテロ接合バイポーラトランジ
スタに対して熱吸収体の役目を果たし、半導体がガリウム砒素、リン化インディ
ウム、あるいはシリコン、シリコンゲルマニウムあるいはシリコンカーバイドか
らなるものであるか否かに関わり無く半導体自身による熱消散よりも早く、パル
スの途中に発生した熱のほとんど全てを吸収する。
【００２３】 本発明は従って、より具体的には、熱分流器４の上に熱分流器４に接触するよ
うに、表面を研磨して金属被覆した多結晶合成ダイアモンドの並行六面体を接着
することからなる。
【００２４】 本発明の他の実施例によれば、ヒートシンクはダイアモンドと同程度の熱拡散
性を有する材料を成長させることで製作しても良い。
【００２５】 ダイアモンドの熱拡散性{(λ・ρ・ｃp)1/2}は、下の表に示したように、ガリ
ウム砒素の約８倍である。
【表１】
【００２６】 ダイアモンドの厚さは、パルスの長さτにおける熱的拡散長”Ｌ”に近いかあ
るいはそれ以上、つまり、２００μｓのパルスに関しては４５０μｍ以上でなけ
ればならない。
【００２７】 したがって、過渡状態では金／ガリウム砒素接合面における熱分流器４の厚さ
と影響を無視することができると仮定すれば、連続性条件から、温度は同じであ
り、両側から逸散する熱量は材料の熱拡散性に比例する。
【００２８】 ΔＴ0とΔＴ1をそれぞれ、パルスの継続時間中における熱分流器のみを取り付
けたディバイスの接合部における温度上昇、ダイアモンド並行六面体を十分には
んだ付け、接着または溶着したディバイスの接合部における温度上昇とすると、 ΔＴ1とΔＴ0・effusivityGaAs/(effusivityGaAs+effusivitydiamond)、つま
り、約ΔＴ0/９とを得る。
【００２９】 このようにしてパルスの継続時間中にダイアモンドの並行六面体に蓄積された
熱は、金の熱分流器か、一例として示したガリウム砒素からなる半導体材料５と
５’とを通って逸散する。パルスとパルスの間の時間は、典型的にはパルスの継
続時間の１０倍程度なので、この熱逸散はアッセンブリの熱抵抗にはほとんど影
響しない。
【００３０】 連続モードでは、本発明によって熱分流器を使用したバイポーラトランジスタ
の熱抵抗が大幅に減少することも起こりえる。
【００３１】 従って、上述の熱容量体をトランジスタの幅広い熱基板に接触させて、トラン
ジスタから発生した平均的な熱を逸散させることも可能である。この場合には、
ダイアモンドの並行六面体はエミッタをエッチングするときに同じ高さに残され
たガリウム砒素のピラーを２つ保持することが必要である。熱抵抗の大きさは、
このピラーに許された面積の大きさに反比例する。
【００３２】 図２に示したコンポーネントは以下の方法によって製造することができる： ・カッコの中に例示した材料からなる層を交互に積層した基板（１）の製作； ‐サブコレクタ層（ｎ+：ＧａＡｓ） ‐コレクタ層（μ：ＧａＡｓ） ‐エミッタ層（ｎ：ＧａＩｎＰ） ・上記の層のエッチングによる、基本トランジスタ２．１ないし２．４、および
、パッドＰ１とＰ２の製作； ・ベースコンタクト（ＣＢ１、ＣＢ２）とコレクタコンタクト（ＣＣ１、ＣＣ２
）の製作； ・トランジスタとパッド間の空間の絶縁材料での充填と、平面処理によるトラン
ジスタとパッドの上面の平坦化； ・トランジスタとパッドの上面に接触してヒートシンク層となる層の堆積； ・ヒートシンク層と接触するヒートシンク板の固着。
【００３３】 上記の方法は従来の方法に比較して以下の利点を有する： ‐（接合部）動作温度の低減； ‐パルス時の接合部温度変化の減少； ‐コンポーネントの電磁的環境への干渉低減による速やかな設計変更； ‐動作温度の低減による信頼性の期待以上の改善； ‐パルス中の位層安定性の改善； ‐使用可能な最大出力（Ｐout）の増大； ‐信頼性の向上。
【００３４】 本発明をヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）への適用の形で説明し
たが、本発明は上記以外のいかなる形式のコンポーネントにも適用できるもので
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、上述の既知のＨＢＴトランジスタを示すものである。
【図２】 図２は、本発明にかかる装置の実施例を示すものである。
【図３】 図３は、複数のＨＢＴトランジスタに本発明の実施例を適用した
ものを示すものである。
【図４】 図４は、図２に示した実施例の変形例である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 27/082 29/737 (72)発明者 カセット， シモーヌ フランス国 91470 リムール， ヴィラ ドゥ ラルバトロス 11 (72)発明者 デュシュマン， ジャン‐パスカル フランス国 91190 ジフ シュール イ ヴェット， シェヴリー ドゥー， アレ ドゥ ラ ピエス デュ ラヴォワ 82 Ｆターム(参考） 5F003 BA92 BF06 BH11 BJ01 BM03 5F036 AA01 BB01 BC01 BC08 BD16 5F082 AA40 BA35 BA47 BA50 BC03 CA01 CA02 DA03 EA50

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板上に、上端部が電気的接合部を構成するメサ状である複
    数層からなる第１の積層構造と、その上部を覆う導電性かつ熱伝導性の層と、さ
    らにその上部に接触するヒートシンクエレメントとを有する電子コンポーネント
    であって、該ヒートシンクエレメントが平面状であり、前記積層構造と同様の構
    造である第２の積層構造からなる少なくとも１つのパッドを有し、前記同様に導
    電性かつ熱伝導性の層に覆われ、ヒートシンクエレメントから基板に熱を伝導す
    るよう導電性かつ熱伝導性の層と接触するものであることを特徴とする電子コン
    ポーネント。
  2. 【請求項２】 前記第１の積層構造はヘテロ接合バイポーラトランジスタで
    あることを特徴とする請求項１に記載の電子コンポーネント。
  3. 【請求項３】 前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタは、同一平面状に配
    置された複数の前記第１の積層構造を有し、前記導電性かつ熱伝導性の層とヒー
    トシンクが全てのトランジスタに共通で、前記パッドもまたトランジスタの積層
    構造に共通であることを特徴とする請求項２に記載の電子コンポーネント。
  4. 【請求項４】 前記パッドを、トランジスタの両側にそれぞれ合計２つ具備
    することを特徴とする請求項３に記載の電子コンポーネント。
  5. 【請求項５】 前記ヒートシンクはダイアモンド板であることを特徴とする
    請求項３または４に記載の電子コンポーネント。
  6. 【請求項６】 前記ダイアモンド板は前記トランジスタの積層構造と前記パ
    ッドにはんだ付けされていることを特徴とする請求項５に記載の電子コンポーネ
    ント。
  7. 【請求項７】 前記はんだは、スズベースの合金によって希釈されているこ
    とを特徴とする請求項６に記載の電子コンポーネント。
  8. 【請求項８】 積層構造の間と、積層構造とパッドの間に絶縁材料を有し、
    該絶縁材料は積層構造の接触面と同一平面となる平坦面を形成することを特徴と
    する請求項１ないし７のいずれかに記載の電子コンポーネント。
  9. 【請求項９】 前記ダイアモンド板は多結晶ダイアモンドであり、積層構造
    及びパッドと接する表面は金属処理されていることを特徴とする請求項５に記載
    の電子コンポーネント。
  10. 【請求項１０】 前記ヒートシンクはダイアモンドと同等な熱拡散性を有す
    る材料を成長させることによって製造されることを特徴とする請求項３または４
    に記載の電子コンポーネント。
  11. 【請求項１１】 ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法であって、
    以下のステップを有する方法： ・カッコの中に例示した材料からなる層を交互に積層した基板（１）の製作； ‐サブコレクタ層（ｎ+：ＧａＡｓ） ‐コレクタ層（μ：ＧａＡｓ） ‐エミッタ層（ｎ：ＧａＩｎＰ） ・上記の層のエッチングによる、基本トランジスタ２．１ないし２．４、および
    、パッドＰ１とＰ２の製作； ・ベースコンタクト（ＣＢ１、ＣＢ２）とコレクタコンタクト（ＣＣ１、ＣＣ２
    ）の製作； ・トランジスタとパッド間の空間の絶縁材料での充填と、平面処理によるトラン
    ジスタとパッドの上面の平坦化； ・トランジスタとパッドの上面に接触してヒートシンク層となる層の堆積； ・ヒートシンク層と接触するヒートシンク板の固着。
JP2000620677A 1999-05-21 2000-05-19 長いパルスで作動する電子コンポーネントのためのサーマルキャパシタ Pending JP2003500859A (ja)

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