JP2006108631A - 冷却効果を持つ電子素子および配線構造、並びに温度差を電圧に変換する機能を持つ電子素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 CPP構造は、多層構造を持つ電子素子、配線回路において、上層から下層(あるいはその反対方向)に電流を流すために、層に対して垂直な方向に加工された「柱状の導電性部分とその周辺を囲う絶縁体部分からなる構造」を指す。このCPP構造は、異種材料の上部電極と下部電極のそれぞれから、柱状部を一体に延長して、接合することにより構成される。このCPP構造部分は、適切に選択された異種材料(金属、半導体とその合金など、導電性物質一般を指す)からなる界面(界面群)を持っている。これによって、柱構造に沿って電流を流した際、界面(界面群)に於いて、ペルチェ効果による吸熱作用が発現する。
【選択図】 図1
Description
1.電子素子のパッケ−ジに熱伝導率の高い材料を用いる、
2.パッケージ表面に放熱用のフィンを取り付ける、
3.放熱用フィンに電動ファンで風を当てる、
4.ポンプを伴う水冷式ラジエーターを持つ放熱器を設置する、などの方法が用いられている。
電子素子内部の発熱を効率よく逃がすために、半導体素子内部にペルチェ冷却素子を同一パッケージ内で別の回路として、組み込んだ半導体装置(特許文献1参照)が提案されているが、この方法では、
1)冷却のために、別途電力を必要とする。
2)冷却回路が別回路であるため、吸熱部分は発熱部分に対して電気的に絶縁されており、通常絶縁体の熱伝導度は導体に対して悪いため、放熱に対して大きな時定数を持つという問題がある。
1)素子の外部からしか温度測定が出来ない。
2)温度の位置分解能はせいぜい数ミクロンのオーダーである、という問題がある。
位置分解能は温度センサ、熱電対においてはセンサ自身の大きさによって、放射温度計においては熱分析用素子(フォトダイオードなど熱起電力素子、あるいはCdSセルなど光導電効果素子を、アレイ状に並べて面方向分布の情報が得られるセンサとしたもの:デジタルカメラにおけるCCDセンサに対応する部分)のピクセル(構成素子)サイズによって制限されている。すなわち素子内部の温度を、素子内部に作り込んだ微小CPP構造ペルチェ素子によって、直接、局所的に測定する方法は今まで提案されていない。
また、本発明は、温度差が存在する場合、熱電能(ゼーベック係数)の差に応じた電圧を発生させる温度センサ或いは赤外線センサを提供することを目的としている。
本発明の冷却効果を持つ電子素子は、電流を薄膜(あるいは層状構造)の膜(層)を膜面(層面)に対して垂直に加工した柱状部分に沿って流すCPP構造を持つ電子素子において、前記CPP構造は、前記柱状部分内部に異種材料界面を持ち、該異種材料界面は、電流を流した際、柱状部分に於いて冷却が起こる効果を有する異種材料によって構成される。
また、本発明の温度差を電圧に変換する機能を持つ電子素子は、電流を薄膜或いは層状構造の層を膜面或いは層面に対して垂直に加工した柱状部分に沿って流すCPP構造を有し、該CPP構造は、内部に2つの異種材料界面を持ち、該異種材料界面は、2つの界面の温度差を、熱起電力として検出することのできる機能を有する異種材料によって構成される。
また、本発明の電子素子は、温度差が存在する場合、熱電能(ゼーベック係数)の差に応じた電圧を発生させて、温度センサ或いは赤外線センサとして機能させることができる。
ここで、ペルチェ効果が発現する電気回路での熱収支について説明する。異種金属界面を含む閉回路に電流を流すと、異種金属界面において、それぞれの材料の熱電能(ゼーベック係数)の差に比例した吸熱(あるいは発熱)が起こる。これがペルチェ効果である。このとき、電源からみた、閉回路における吸熱(あるいは発熱)の熱収支は、電源の両端の材料が同一で、それぞれの界面の温度が同一であれば、ゼロになる。すなわち、本発明におけるCPP構造電流冷却配線に於いては、CPP構造の上部電極、下部電極と、より大きな電子素子の配線部分(例えば銅、アルミなどの配線部分)との界面で吸熱に相当する発熱が起こる。しかしながら電子素子の配線部分の断面積、体積がCPP構造に比べて何桁も大きいため、吸熱に相当する発熱の放熱は、通常問題にならない。
図2は、CPP構造冷却配線の柱の構造についてさらに説明する図であり、(A)はテーパー構造を、(B)は多段構造を示している。柱状部分は、(A)に示すように、円錐形(テーパー状)になっていてもよく、あるいは(B)に示すように多段構造(階段状)になっていてもよく、界面の存在する位置はもっとも狭隘な部分で無くともよい。例えば、上部電極、下部電極とCPP構造の境界部分に界面が存在しても良い。さらにそれらの組み合わせの構造、例えば中央部が最も狭くなっている糸巻き状、上下が狭くなっているそろばん玉状、上方向に向かって狭くなっている階段状、またはその逆などの構造でも良い。また、上部電極、下部電極内において、界面が存在し、電流が界面を貫いて流れる構造を持つ場合、その上部電極、下部電極を広い意味でのCPP構造と見なすことができる。そのような構造でも冷却効果は期待できるが、断面積が大きくなれば面積あたりの冷却能力は小さくなる。
また、CPP構造の内部に発熱体を組み込む配置を取ることも可能である。冷却すべき電子素子の大きさがCPP構造に比べて同じ程度である場合、冷却界面(冷却が起こる組み合わせである2種類の材料の界面)に、電子素子を挟み込む構造を取ることが出来る。そのような配置を取るために2種類の材料からなるCPP構造の柱状部分を2つに分割して設置することも可能である。図3(A)に冷却界面に、冷却すべき電子素子を垂直方向に挟んだ例を、図3(B)は2本の柱に分割したCPP構造の間に、冷却すべき電子素子を水平方向に挟んだ例を示す。図3(B)の場合、上部電極、下部電極の定義は、電流の流れる方向に基づいて定義する。正方向の電流の上流側(流れ出す側)を下部電極、下流側(流れ込む側)を上部電極と定義する。
図4は、多種材料による「CPP構造冷却配線」の例を示す図である。複数の材料界面が存在する場合、それぞれの界面では発熱が起こるものも出てくる場合があるが、CPP構造内で複数の界面に対して、吸熱(あるいは発熱)効果の和をとり、その和として吸熱作用が発現するように設計することが出来る。
さらに、材料の組み合わせとしては、それぞれの材料のゼーベック係数の差の絶対値(二種類以上の材料による場合は最大値と最小値の差を指す)が、10μV/K以上の大きな金属、半導体もしくは導電性材料から構成することにより、より冷却能力が高くなるようにすることができる。
膜は、熱酸化シリコン上に、クロム(下層)10nm、コバルト(下層:磁気固定層)25nm、銅(中間層)5nm、コバルト(上層:磁気自由層)2nm、金(下層)10nm、クロム(上層)10nm、金(上層)200nmからなる多層膜である。この構造でGMR素子として重要な層は、磁気固定層、中間層、磁気自由層の3層であり、そのほかの層は、密着性を高めるためのバッファー層、または電極層である。
ここで図5に示した構造におけるGMR(giant magnetoresistance:巨大磁気抵抗)効果について、簡単に説明する。図示の構造の素子は、下部コバルト層(磁気固定層)と上部コバルト層(磁気自由層)の2層の強磁性層を持ち、両層の磁化の方向によって、抵抗値が大きく変化する。さらにこの二つの層で、保磁力(磁化の向きを変化させるのに必要な磁場の大きさ)に差があるため、膜面に水平に磁場を掃引することによって、両層の磁化の方向を揃えたり、反対方向にすることが出来る。このとき、二つの層で磁化が揃っているときは、電子の散乱がすくないため抵抗が小さく、磁化の方向が反対の時は、電子の散乱が大きくなるため抵抗が大きくなる。
ΔW = RI2 − πI (1)
となる。ここでΔWはCPP構造で発生または吸収する熱量、RはCPP構造の抵抗値、Iは電流の大きさ、πは界面でのペルチェ係数(界面が複数ある場合はペルチェ係数の総和)である。式(1)において、右辺の第1項は抵抗発熱による熱量、第2項はペルチェ効果による吸熱量を表している。この式から、ペルチェ係数が正の場合(電流正方向で吸熱が起こる場合)、電流0からπ/Rの範囲で、電流による冷却が起こることがわかる。
構成1:クロム10nm、コバルト100nm、金(下層)20nm、チタン20nm、金(上層)200nmからなる多層膜で、CPP構造にあたる部分はコバルト、金、チタン、金の部分である。
構成2:クロム100nm、金(下層)20nm、チタン20nm、金(上層)200nmからなる多層膜で、CPP構造にあたる部分はクロム、金、チタン、金の部分である。
構成3:クロム(下層)10nm、コバルト100nm、金20nm、クロム(上層)200nmからなる多層膜で、CPP構造にあたる部分はコバルト、金、クロムの部分である。
構成4:クロム(下層)100nm、金20nm、クロム(上層)200nmからなる多層膜で、CPP構造にあたる部分はクロム、金、クロムの部分である。
π = (Sa - Sb) * T
ここで π はペルチェ係数、Sa, Sbはそれぞれの材料の熱電能(ゼーベック係数とも言う)、Tは温度である。
実験に使用した材料のペルチェ係数はそれぞれ、コバルト-30.8μV/K、クロム21.8μV/K、金1.9μV/Kである(これらの値はバルク材料の値である)。従って、構成1、構成3、実施例1においては、電流の正方向(下部電極から上部電極の方向を正とする)で冷却効果が、構成2においては、電流の負方向で冷却効果が、構成4においては冷却効果は現れないことが期待される。
従って、本構造を、例えばダイオード、トランジスタなどの能動素子の端子に組み込むという応用が考えられる。
図17(A)は、発熱素子に2つのCPP構造配線を接続した例である。CPP構造1つで吸熱できる熱量をQとすると、この場合単純に考えて2Qの電子素子からの発熱を外部に放散する能力を有する。前述したように、本発明のCPP構造による冷却効果は、冷却効果が現れる電流範囲に制限があるため、一つのCPP構造配線でその電流範囲を超えてしまう場合、電流を分流し複数のCPP構造配線に並列に流すことにより、冷却効果のある電流範囲に収めることが出来る。言い換えると、CPP構造配線を複数並列にすることにより、冷却効果のある電流範囲を拡大することが出来る。
V = π * DT
の電圧出力 V が得られる。ここで π は材料1と材料2のゼーベック係数の差によって決まるペルチェ係数である。
Claims (16)
- 電流を薄膜或いは層状構造の層を膜面或いは層面に対して垂直に加工した柱状部分に沿って流すCPP構造を持つ電子素子において、
前記CPP構造は、内部に異種材料界面を持ち、
該異種材料界面は、電流を流した際、冷却が起こる効果を有する異種材料によって構成される、
ことを特徴とする冷却効果を持つ電子素子。 - 前記柱状部分は、内部に前記異種材料界面を複数有して、電流を流した際に、複数の異種材料界面によって、柱状構造部分全体で冷却が起こるよう構成した請求項1に記載の冷却効果を持つ電子素子。
- それぞれの材料のゼーベック係数の差の絶対値、或いは複数の異種材料界面を有する場合はゼーベック係数の最大値と最小値の差の絶対値が10μV/K以上の大きな金属、半導体、もしくは導電性物質から構成され、より冷却能力が高くなるように設計されたCPP構造を持つことを特徴とする請求項1に記載の冷却効果を持つ電子素子。
- 各々1から数十nm程度の異種材料からなる多層膜積層構造をもち、接合部分において冷却が効果的に発現するように設計されたCPP構造を持つことを特徴とする請求項1に記載の冷却効果を持つ電子素子。
- 前記CPP構造における断面サイズが1マイクロメートル角以下、長さが1マイクロメートル以下であることを特徴とする請求項1に記載の冷却効果を持つ電子素子。
- 前記CPP構造における面電気抵抗が10Ω/マイクロメートル角以下であることを特徴とする請求項1に記載の冷却効果を持つ電子素子。
- 前記CPP構造を、磁性金属多層膜による巨大磁気抵抗(GMR)素子、あるいはトンネル磁気抵抗(TMR)素子に備えた請求項1に記載の冷却効果を持つ電子素子。
- 前記GMR素子、あるいはTMR素子を磁気検出センサとして使用するハードディスク用の磁気記録検出センサに備えた請求項7に記載の冷却効果を持つ電子素子。
- 前記CPP構造が、前記GMR素子あるいはTMR素子への配線部分に備えられる請求項8に記載の冷却効果を持つ電子素子。
- 前記GMR素子、あるいはTMR素子をメモリセルとして使用する磁気ランダムアクセスメモリに備えた請求項7に記載の冷却効果を持つ電子素子。
- 多層構造の半導体集積回路において、前記CPP構造を集積回路構成要素の半導体素子に備えた請求項1に記載の冷却効果を持つ電子素子。
- 半導体集積回路内部において、電流を薄膜或いは層状構造の層を膜面或いは層面に対して垂直に加工した柱状部分に沿って流すCPP構造によって、電気的に能動的な機能を持たず、電源からのリード線の役目のみを果たす配線構造において、
前記CPP構造は、内部に異種材料界面を持ち、
該異種材料界面は、電流を流した際、冷却が起こる効果を有する異種材料によって構成される、
ことを特徴とする冷却効果を持つ配線構造。 - 電流を薄膜或いは層状構造の層を膜面或いは層面に対して垂直に加工した柱状部分に沿って流すCPP構造を持つ電子素子において、
前記CPP構造は、内部に2つの異種材料界面を持ち、
該異種材料界面は、2つの界面の温度差を、熱起電力として検出することのできる機能を有する異種材料によって構成される、
ことを特徴とする温度差を電圧に変換する機能を持つ電子素子。 - 前記2つの異種材料界面は、2つの第1の材料の間に挟むように、それとは熱電能の異なる1つの第2の材料を接合することにより形成される2つの界面である請求項13に記載の電子素子。
- 前記CPP構造を、直列に接続し、出力電圧を素子の個数に比例して増加させた請求項13に記載の電子素子。
- 温度センサ或いは赤外線センサとして機能する請求項13に記載の電子素子。
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