JP5109582B2

JP5109582B2 - 半導体素子

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Publication number: JP5109582B2
Application number: JP2007280492A
Authority: JP
Inventors: 幸司堀田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-10-29
Also published as: JP2009111071A

Description

本発明は、素子内部に冷却媒体流路を有する半導体素子に関する。

従来、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等の電力用半導体素子が広く用いられている。こうした電力用半導体素子を使用する際には、素子損失から発生する温度上昇を抑制する必要があり、このためにSiグリース等を介して冷却器を接続させる等の処置がとられている。冷却器の冷却方式には空冷式、水冷式等があるが、アルミニウム等の材料で微細なフィンを形成した水冷式が比較的高い冷却性能を得ることができる。

ところが、冷却器を別体とすると、当該半導体素子を用いた半導体装置全体のサイズが大きくならざるを得ないという問題や、十分な冷却性能を得ることができないという問題も生じる。後者の問題は、素子と冷却器との間に絶縁層やSiグリース等が存在し、これらの部材の熱抵抗や接触熱抵抗の影響を排除することができないこと、アルミニウム等の材料で形成されるフィンの熱伝導性を向上させるのに、アルミニウム等の加工精度による限界があること等に基づく。

また、定格電流が大きい電力用半導体素子は大型化する傾向にあり、この場合、素子内の温度分布がばらつく結果、外部の冷却装置では十分に半導体素子を冷却することができないことも、十分な冷却性能を得られないことの一因となる。

こうした問題を解消するために、回路素子が形成された半導体チップを貫通する貫通孔を有し、この貫通孔に冷却媒体を流通させて冷却効果を得る半導体装置についての発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３３１１１９１号公報

上記の如く、大型化された半導体素子においては、電流の集中や熱干渉の影響から、半導体素子の中心部の温度が周辺部分に比して高くなる傾向にある。また、これに限らず半導体素子内の温度分布が不特定にばらつくことは想定し得るところである。

しかしながら、上記特許文献１に記載の装置においては、半導体素子の温度上昇に応じて冷却性能を変化させたり、温度上昇の高い部位ほど冷却性能を高くしたりすることについての考慮がなされていない。従って、冷却効率が十分なものとならない場合がある。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、冷却効率を向上させると共に、実装された半導体装置を小型化することが可能な半導体素子を提供することを、主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、
素子内部に冷却媒体流路を有する半導体素子であって、
前記冷却媒体流路を拡大又は収縮可能な高熱膨張材料層を備えることを特徴とする、半導体素子である。

この本発明の一態様によれば、半導体素子内で温度分布が発生した場合には、温度が高い部位ほど高熱膨張材料層が膨張し、冷却媒体流路の断面積が狭くなる。これによって、当該部位における冷却媒体の流速が増すため、当該部位における冷却性能が他の部位に比して高くなり、温度が高い部位ほど高い効率で冷却することになる。また、半導体素子全体の温度上昇に応じて冷却性能が柔軟に変化することとなる。従って、単に素子内部に冷却媒体流路を設けた半導体素子に比して、冷却効率を向上させることができる。

また、冷却器を別体とするものに比して、当該半導体素子を実装した半導体装置のサイズを小型化することができる。

これらにより、冷却効率を向上させると共に、実装された半導体装置を小型化することができる。

本発明の一態様において、前記高熱膨張材料層は、例えば、前記冷却媒体流路の壁面を形成する。こうすれば、成膜技術によって高熱膨張材料層を形成することができるため、製造過程が容易となる。

また、本発明の一態様において、前記高熱膨張材料層は、該半導体素子を構成する半導体に比して熱膨張係数が高い材料により構成されると好適である。

また、本発明の一態様において、前記高熱膨張材料層は、例えば、銅及び／又はアルミニウムを材料として構成される。

また、ＩＧＢＴとして構成される本発明の一態様において、前記冷却流路は、コレクタ層の少なくとも一部を貫通して形成されると好適である。こうすれば、製造過程が比較的簡易となり、また、エミッタ側に存在するゲートによる電界の作用を妨げない。

本発明によれば、冷却効率を向上させると共に、実装された半導体装置を小型化することが可能な半導体素子を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。

以下、本発明の一実施例に係る半導体素子１０について説明する。

［構成］
図１は、本発明の一実施例に係る半導体素子１０を実装した半導体装置１を模式的に示す図である。また、図２は、本発明の一実施例に係る半導体素子１０を含む半導体装置１の断面図である。半導体装置１は、半導体素子１０が回路基板３０に実装されて構成される。

半導体素子１０は、例えばトレンチタイプのゲート部を有するパンチスルー型のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を基本構成とする。なお、係る構成はあくまで一例であり、本発明は、ノンパンチスルー型のＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等、電流による発熱が問題となる全ての半導体素子に適用可能である。

図２に示す如く、半導体素子１０は、入出力電極としてエミッタ電極１１と、コレクタ電極１２と、ゲート電極１３Ａ〜１３Ｆと、を備える。各電極の素材については特段の制限はなく、如何なるものを用いてもよい。

エミッタ電極１１とコレクタ電極１２の間には、図２における上側から順に第１導電型ボディ層１５、第２導電型低濃度ドリフト層１６、第２導電型バッファ層１７、及び第１導電型コレクタ層１８の各半導体層が形成されている。以下、一般的な選択として、第１導電型はｐ型であり、第２導電型はｎ型であるものとして説明する。この場合、第１導電型ボディ層１５をｐ+と、第２導電型低濃度ドリフト層１６をｎ−と、第２導電型バッファ層１７をｎ+と、第１導電型コレクタ層１８をｐ+と表現できる。なお、ｎ型とｐ型がこれらとは逆であっても構わない。

各半導体層は、シリコン等の真性半導体に不純物を添加（ドーピング）した不純物半導体として構成される。ｐ型半導体を構成するための不純物（アクセプタ）は、例えばボロンである。また、ｎ型半導体を構成するための不純物（ドナー）は、例えば砒素やリンである。

ゲート電極１３Ａ〜１３Ｆは、例えばトレンチタイプのゲート部である。ゲート電極１３Ａ〜１３Ｆは、図示しない電力供給源に接続されており、第１導電型ボディ層１５を貫通して第２導電型低濃度ドリフト層１６まで達している。ゲート電極１３Ａ〜１３Ｆは、ゲート絶縁膜１４Ａ〜１４Ｆによってエミッタ電極及び各半導体層と電気的に絶縁されている。

また、各ゲート電極のエミッタ電極１１との接合部には、各ゲート電極、エミッタ電極１１、及び第１導電型ボディ層１５に接するように第２導電型エミッタ層１９Ａ〜１９Ｆが形成されている。

各半導体層等の製造工程については、エピタキシャル成長技術やイオン注入技術、熱拡散処理等、既存の技術を利用すればよい。また、トレンチタイプのゲート部を製造する際には、例えば周知のエッチング技術等が利用される。

このように構成された半導体素子１０では、ゲート電極１３Ａ〜１３Ｆにプラス電圧がかけられると、第２導電型エミッタ層１９Ａ〜１９Ｆ及び第２導電型低濃度ドリフト層１６の電子が各ゲート電極に引き寄せられ、第１導電型ボディ層１５が部分的にｎチャネル化することとなる（図３参照）。これにより、エミッタ電極１１と、コレクタ電極１２との間がＰＮ接合された状態（エミッタ電極１１側から見ればＮＰの順）となり、エミッタ電極１１とコレクタ電極１２との間で、原則として一方向に電流が流れ得ることとなる。こうしてエミッタ電極１１とコレクタ電極１２との間で電流が流れる際に、素子損失から半導体素子１０の温度が上昇するという現象が生じる。この温度上昇に対応するために、本実施例の半導体素子１０は、図２に示す如き冷却構造２０を備えるものとした。

冷却構造２０は、例えば、図２における手前側から奥側にかけて半導体素子１０を貫通する冷却媒体流路２６を構成する。冷却媒体流路２６の内部を流れる冷却媒体は、例えばＨ_２０が適当であるが、他の媒体を用いても構わない。当該冷却媒体は図示しないポンプ等により流動される。

冷却媒体流路２６の外壁には、外側から順に、絶縁膜２２、高熱膨張材料層２４が積層されている。そして、高熱膨張材料層２４の内側が冷却媒体の流れる冷却媒体流路２６となっている。高熱膨張材料層２４は、絶縁膜２２によって各半導体層と電気的に絶縁される。

高熱膨張材料層２４は、上記の各半導体層よりも熱膨張係数の高い材料で構成される。そして、スパッタ成膜やＣＶＤ成膜を利用して冷却構造２０を形成することを考慮すると、銅やアルミニウムを用いるのが好適である。高熱膨張材料層２４は、半導体層から熱が伝達されると膨張し、冷却媒体流路２６の断面積を狭くする作用を有する（図４参照）。なお、高熱膨張材料層２４が冷却媒体流路２６の外壁を構成し、且つ上記の作用を実現するためには、高熱膨張材料層２４が、絶縁膜２２や半導体層（ＳｉやＳｉＣ）よりも柔らかい材料であることが求められる。

冷却構造２０の製造工程については、例えば、半導体の加工工程を流用することができる。すなわち、選択ドライエッチング法により第１導電型コレクタ層１８側から溝を形成し、ＣＶＤ法や熱酸化法により絶縁膜を形成する。高熱膨張材料層２４については、上記の如くスパッタ成膜やＣＶＤ成膜を利用する。

係る構成により、半導体素子１０内で温度分布が発生した場合には、温度が高い部位ほど高熱膨張材料層２４が膨張し、冷却媒体流路２６の断面積が狭くなる。これによって、当該部位における冷却媒体の流速が増すため、当該部位における冷却性能が他の部位に比して高くなり、温度が高い部位ほど高い効率で冷却することになる。また、半導体素子１０全体の温度上昇に応じて冷却性能が柔軟に変化することとなる。従って、単に素子内部に冷却媒体流路を設けた半導体素子に比較して、冷却効率を向上させることができる。

なお、冷却構造２０は、半導体素子１０の任意の位置に形成することが可能であるが、加工の容易性と電気特性への影響の小ささを考慮すると、図２に示す如くコレクタ電極１２側（例えば第１導電型コレクタ層１８の内部）に形成することが好ましい。

また、図２では等断面積の冷却媒体流路２６が平行して形成されているものとして示したが、部位によって断面積（及び断面形状）を異ならせてもよい。例えば、熱干渉によって温度が上昇しがちな中心部（図２の左右方向に関する中心部をいう）において冷却媒体流路２６の断面積を小さくする等が考えられる。

半導体素子１０と回路基板３０との接続は、例えばワイヤボンディングと半田付けを併用して行なわれる。回路基板３０は、アルミニウム等の回路板３１、窒化アルミニウム（ＡＬＮ）等の絶縁材料３２、及びアルミニウム等の金属板３３が固着された構造となっている。そして、半導体素子１０のエミッタ電極１１及びゲート電極１３Ａ〜１３Ｆは、ボンディングワイヤ群３４（図２では１本として示されているが、現実には複数存在してよい）によって回路板３１に接続される。また、コレクタ電極１２は、回路板３１に半田（ＳｎＣｕＮｉＰ）付けされる。そして、半導体素子１０及び回路基板３０の全体が封止ゲル等にて封止され、半導体装置１０を実装した半導体装置１が構成されることとなる。

［外部に冷却構造を備える従来の装置との比較］
以下、従来から一般的に利用されている、冷却構造を半導体素子の外部に備える半導体装置との比較について述べる。図５は、従来から一般的に利用されている比較例の半導体装置２の断面図である。半導体装置２に実装される半導体素子は、本実施例の半導体素子１０から冷却構造２０を除いたトレンチゲート型のＩＧＢＴであり、半導体素子１０の各構成要素を含め、半導体装置２において半導体装置１と同一の機能を有する部分については、同一の符号を付している。

半導体装置２は、金属板３３が放熱板３５に半田付け等され、放熱板３５はＳｉグリース等を介して冷却器天板３６に固着される。そして、冷却器天板３６に連結された波板放熱フィン３７と、その隙間を流れる冷却媒体との熱交換によって、半導体素子２に生じた熱が最終的に冷却される。冷却器天板３６及び波板放熱フィン３７は、アルミニウム等で形成される
半導体素子１０を実装した半導体装置１は、半導体装置２と比較すると、冷却媒体流路２６が半導体素子１０内に形成されるため、絶縁材料３２やＳｉグリース等の材料による熱抵抗、接触熱抵抗が熱の電波経路から省略され、熱抵抗を小さくすることができる。従って、冷却性能を向上させることができる。

また、半導体の加工プロセスを用いて冷却構造２０を形成することができるため、微細な冷却媒体流路２６を形成することができ、これによっても冷却性能を向上させることができる。

更に、絶縁材料３２について熱抵抗を小さくするという制約がなくなるため、比較的安価な材料を用いることが可能となる。

もとより、波板放熱フィン３８等の冷却器を備える必要がなくなるため、半導体装置の小型化を図ることができる。

［まとめ］
本実施例の半導体素子１０によれば、冷却効率を向上させると共に、実装された半導体装置１を小型化することができる。

［変形例］
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、高熱膨張材料層２４は、必ずしも冷却媒体流路２６の壁面を構成する必要はなく、図６に例示する如く、冷却媒体流路２６の任意の位置に設置されてよい。この場合、高熱膨張材料層２４について実施例で述べた如き堅さに関する制約はなくなる。

本発明は、自動車製造業や自動車部品製造業等に利用可能である。

本発明の一実施例に係る半導体素子１０を実装した半導体装置１を模式的に示す図である。本発明の一実施例に係る半導体素子１０を含む半導体装置１の断面図である。半導体素子１０のゲート電極１３Ａ〜１３Ｆに電圧がかかることによりエミッタ電極１１とコレクタ電極１２との間に電流が流れ得る状態となった様子を示す図である。高熱膨張材料層２４が熱膨張し、冷却媒体流路２６の断面積を狭くする様子を示す図である。従来から一般的に利用されている比較例の半導体装置２の断面図である。高熱膨張材料層２４の他の態様を示す図である。

符号の説明

１半導体装置
１０半導体素子
１１エミッタ電極
１２コレクタ電極
１３Ａ〜１３Ｆゲート電極
１４Ａ〜１４Ｆゲート絶縁膜
１５第１導電型ボディ層
１６第２導電型低濃度ドリフト層
１７第２導電型バッファ層
１８第１導電型コレクタ層
１９Ａ〜１９Ｆ第２導電型エミッタ層
２０冷却構造
２２絶縁膜
２４高熱膨張材料層
２６冷却媒体流路
３０回路基板
３１回路板
３２絶縁材料
３３金属板
３４ボンディングワイヤ群
３５放熱板
３６冷却器天板
３７波板放熱フィン

Claims

素子内部に冷却媒体流路を有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であって、
前記冷却媒体流路は、該冷却媒体流路に対して外側から順に、絶縁膜と、前記ＩＧＢＴを構成する半導体に比して熱膨張係数が高い材料により構成された高熱膨張材料層とが積層された壁面を有し、エミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向と直交する方向に延在し、コレクタ層の少なくとも一部を前記延在する方向に関して貫通して形成され、
前記高熱膨張材料層は、前記半導体から熱が伝達されると膨張し、前記冷却媒体流路の断面積を狭くすることを特徴とする、ＩＧＢＴ。
前記高熱膨張材料層は、銅又はアルミニウムを材料として構成される、請求項１に記載のＩＧＢＴ。