JP6985496B2 - 熱伝導性ヒートシンクを備えた超伝導デバイス - Google Patents
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Description
本開示は、概して、集積回路に関し、より詳細には、熱伝導性ヒートシンクを備えた超伝導デバイスに関する。
極低温で動作するモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ：Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）チップは、超伝導回路を有し、超伝導回路は、超伝導回路から基板に向かって熱を除去することにより熱的に管理される必要がある。上面からの熱除去は、超伝導はんだバンプがあるために非効率的である。これは、許容できないほどに高い温度勾配をもたらす。しかしながら、ＭＭＩＣの下位層にある超伝導メッシュ材料製の接地面により、全体の層が熱平衡となる。このため、ＭＭＩＣ上のデバイスのうちより低い温度に維持する必要のある部分は、より高温部品にさらされることになる。極低温条件では、熱負荷、冷却資源、および温度は互いに強く結びついている。極低温から室温に上げると、１つのユニットの消費電力の節約は数桁に拡大する。
一般的な超伝導電子回路は、電気伝導率の低い金属製の抵抗器と、絶縁材料内または絶縁材料上に作製された超伝導要素とを含み得る。一般的な動作では、抵抗器を流れる電流はホットエレクトロンの形で熱を発生する。熱は、電子−フォノン結合によりフォノンに変換されるまで、電子に閉じ込められる。その後、ホットフォノンは、回路を通ってパッケージに到達し、最終的にクライオクーラーに到達する。クライオクーラーへのホットフォノンの移動中、ホットフォノンは電子回路全体を加熱し、結果として、電子回路を所望の動作温度に維持するためのエネルギーが増加する。
一例では、抵抗器と、抵抗器の第１の端子に結合された第１の超伝導構造と、抵抗器の第２の端子に結合された第２の超伝導構造とを含む集積回路が提供される。熱伝導性ヒートシンク構造が、ホットフォノンを生成する前に、電子から熱を除去するために、抵抗器の第２の端子に結合されている。
別の例では、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）が提供される。ＭＭＩＣは、基板の上にある誘電体構造と、誘電体構造の第１の誘電体層内に存在する複数の超伝導構造と、誘電体構造の第２の誘電体層内に存在する複数の抵抗器と、誘電体構造の中間層内に存在する複数の超伝導コンタクトとを含む。中間層は、第１の誘電体層と第２の誘電体層との間に存在する。複数の抵抗器の各々について、複数の超伝導コンタクトの第１の超伝導コンタクトは、所与の抵抗器の第１の端子を第１の超伝導構造に結合し、複数の超伝導コンタクトの第２の超伝導コンタクトは、所与の抵抗器の第２の端子を第２の超伝導構造に結合する。ＭＭＩＣは、共通接地を形成するとともに、ホットエレクトロンがフォノンを生成する前に、複数の抵抗器の電子から熱を除去するために、複数の抵抗器の各々の第２の端子に結合された熱伝導性ヒートシンク構造をさらに備える。
本開示は、誘電体構造内に配置された超伝導回路と、集積回路の部品から熱を除去するための熱経路を提供する熱伝導性ヒートシンクとを含む集積回路（例えば、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ））について説明する。高熱伝導性ヒートシンクは、銅などの熱伝導率の高い常伝導金属（ｎｏｒｍａｌ ｍｅｔａｌ）から形成することができる。常伝導金属は銅である必要はないが、極低温下で超伝導体にならない他の高熱伝導性金属とすることができる。追加の例としては、金、銀、タングステン、モリブデン、イリジウム、およびロジウムが含まれる。
本明細書で定義される通常の金属は、非常に優れた熱伝導体である金属、例えば、電子伝導により熱を容易に輸送および分配し、能動回路から熱を除去する機構を提供する高熱伝導性金属を指す。能動回路は、抵抗器などの発熱回路部品、または回路部品を流れる電流の結果として熱を発生するその他の部品を含むことができる。抵抗器は、チタンタングステン合金またはモリブデンなどの抵抗材料から形成することができる。能動回路は、能動回路の一部を形成する超伝導部品をも含むことができる。超伝導部品は、非常に優れた導電性材料であるが、熱伝導性の低い材料である超伝導材料を含む。しかしながら、超伝導部品は、規定の極低温に維持する必要があり、これにはエネルギーが必要である。発熱部品によって発生した熱により、発熱部品および超伝導部品を含むデバイスの温度が上昇し、その結果、デバイスとその関連部品を規定の極低温に維持するためにより多くのエネルギーが必要となる。
一例では、超伝導デバイスの能動部品用の制御回路は、電流が流れる一対の通電型超伝導構造（例えば、伝送線、ジョセフソン接合、インダクタ、量子ビット、または１つ以上のレシプロカル量子論理デバイスなどのそれらの組み合わせ）を含む。システムは、５０ミリケルビン（ｍＫ）などの最大動作温度未満に維持する必要がある。動作温度を下回ることの利点の１つは、制御回路が超伝導体として動作することである。制御回路を流れる電流には抵抗がないため、熱は放散されない。電気回路を完成させるために、２つの通電型超伝導構造の間に抵抗素子が配置されることがある。この素子は、制御回路が適切に動作するために電気抵抗特性を持つ必要があるため、素子は超伝導体ではない。この素子を流れる電流は熱を放散する。熱的に管理される必要があるものは、この熱である。
高熱伝導性のヒートシンクは、ホットエレクトロンがフォノンを生成する前に、抵抗素子の電子から熱を除去して、ＭＭＩＣの熱を低減する。一例では、常伝導金属の熱シンクが、抵抗素子の端子に結合され、かつ共通接地を提供することができる。共通接地の利点は、適切に管理された熱流と、共通電気接地としても機能する共通シンクへの熱経路の集中である。代替的に、超伝導材料製の第２の共通接地によって電気的接地を提供することができる。熱伝導性コンタクトは、熱伝導性ヒートシンクを誘電体構造の上面に配置された熱伝導性プレートに結合することができる。代替的に、熱伝導性コンタクトは、複数の抵抗器の各々に関して、個々の抵抗器の端子および個々の熱伝導性コンタクトを熱伝導性プレートに直接結合することができる。常伝導金属伝導プレートは、熱伝導経路を拡大し、かつ直接冷却されることができる。一例では、基板貫通ビア（ＴＳＶ）は、熱伝導性プレートを基板の底面上に配置された熱伝導性ヒートスプレッダに結合する。ＴＳＶは、著しい温度勾配を導入することなく、誘電体構造および基板を貫通する熱経路を提供する。このヒートスプレッダは、チップの底面とＭＭＩＣに極低温を提供するコールドヘッドとの間の熱伝達面積を増加させる。面積が増加すると、スプレッダとコールドヘッドとの間の温度勾配が減少する。
図１は、例示的な集積回路１０の一部の断面図を示している。集積回路１０の一部は、基板１２の上にある複数の積層された誘電体層を含む。複数の誘電体層は、誘電体構造１１を形成する。誘電体構造１１は、基板１２の上にある第１の誘電体層１４と、第１の誘電体層１４の上にある第２の誘電体層１６と、第２の誘電体層１６の上にある第３の誘電体層１８と、第３の誘電体層１８の上にある第４の誘電体層２０と、第４の誘電体層２０の上にある第５の誘電体層２２と、第５の誘電体層２２の上にある第６の誘電体層２４とを含む。基板１２は、シリコン、ガラス、または他の基板材料製とすることができる。複数の超伝導構造が誘電体構造１１内に配置されている。
第１の超伝導構造２６および第２の超伝導構造２８が第１の誘電体層１４内に存在する。第３の超伝導構造３４および第４の超伝導構造３６が第３の誘電体層１６内に存在する。第１の超伝導コンタクト３０は、第２の誘電体層１６を介して第１の超伝導構造２６を第４の超伝導構造３６に接続し、第２の超伝導コンタクト３２は、第２の誘電体層１６を介して第２の超伝導構造２８を第４の超伝導構造３６に接続する。抵抗器４２は、第５の誘電体層２２内に存在し、第１の端子において第３の超伝導コンタクト３８によって第３の超伝導構造３４に結合され、第２の端子において第４の超伝導コンタクト４０によって第４の超伝導構造３６に結合される。第３の超伝導コンタクト３８および第４の超伝導コンタクト４０の両方は、第４の誘電体層２０を貫通して延在する。抵抗器４２の第２の端子は、熱伝導性シンク構造４４にも結合されている。熱伝導性シンク構造４４は、抵抗器４２および複数の超伝導構造用の接地面として機能することができる。
熱伝導性シンク構造４４は、常伝導金属などの熱伝導性材料製である。熱伝導性材料は、熱を容易に伝達するように、比較的優れた熱伝導体である材料である。超伝導材料は、優れた電気伝導性材料であるが、熱伝導性の低い材料である。従って、熱伝導性シンク構造４４は、超伝導材料で形成されておらず、抵抗器４２から熱伝導性シンク構造４４に熱を伝導するのに比較的優れた材料で形成される。熱伝導性シンク構造４４は、外部ソースによって冷却することができる。
熱伝導性シンク構造４４は、非常に高い伝導性を有する常伝導金属製の経路を介してチップパッケージおよび／またはクライオクーラーに接続することができる。抵抗器４２で発生したホットエレクトロンは、例えば、集積回路の上面または底面への熱流に対する代替経路を提供する常伝導金属を介してクライオクーラーに運ばれる。常伝導金属が十分に高い熱伝導率を有する限り、この第２の経路の熱抵抗は、フォノン媒介経路よりも小さくなり、回路の温度が低下する。
図２〜３に示す別の例では、抵抗器は、超伝導回路への電気接続を超えて延在している。ビアが、抵抗器から回路の表面まで絶縁体を貫通するように続いてエッチングされ、金または銅などの高熱伝導性金属で充填される。チップの上面および底面は、高熱伝導性の常伝導金属で覆われ、基板貫通ビア（ＴＳＶ：ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｖｉａ）コンタクトが、チップを貫通してエッチングされ、高熱伝導性の常伝導金属で充填されて、上面および下面の高熱伝導性金属層を結合する。チップの底面は、常伝導金属パッケージと接触して保持されることができる。
図２は、上記で説明したＴＳＶコンタクトを備えた例示的な集積回路５０の一部の断面図を示している。図３は、図２の集積回路５０の一部の平面図を示している。集積回路５０の一部は、基板５２の上にある複数の積層された誘電体層を含む。複数の誘電体層は、誘電体構造５１を形成する。誘電体構造５１は、基板５２の上にある第１の誘電体層５４と、第１の誘電体層５４の上にある第２の誘電体層５６と、第２の誘電体層５６の上にある第３の誘電体層５８と、第３の誘電体層５８の上にある第４の誘電体層６０とを含む。基板５２は、シリコン、ガラス、または他の基板材料製とすることができる。
複数の超伝導構造６２、６４、８０、８２および９０が第１の誘電体層５４内に配置され、複数の抵抗器７０、８４および９２が第３の誘電体層５８内に配置される。複数の抵抗器７０、８４および９２の各抵抗器の端子は、第２の誘電体層５６を貫通する超伝導コンタクト６６、６８、８３、８５、９１および９３によって個々の超伝導構造に結合されて、複数の能動回路を形成する。抵抗器および１対の超伝導構造は、能動回路を形成することができる。各抵抗器の接地端子は、各抵抗器のコンタクトを超えて、個々の超伝導構造まで延在している。個々の熱伝導性コンタクト７２、８６、９４は、複数の抵抗器７０、８４、９２の各々に関して、各個々の抵抗器の各接地端子を、集積回路５０の上面に存在する熱伝導性プレート７４に結合する。熱伝導性プレート７４は、増強された熱伝導経路を提供し、直接冷却されることができる。
基板貫通ビア（ＴＳＶ）７６は、熱伝導性プレート７４を基板５０の底面に配置された熱伝導性ヒートスプレッダ７８に結合する。ＴＳＶ７６は、著しい温度勾配を導入することなく、誘電体構造５１および基板５２を貫通する熱経路を提供する。この熱伝導性ヒートスプレッダ７８は、チップの底面と、ＩＣに極低温を提供するコールドヘッドとの間の熱伝達面積を増加させる。この面積の増加により、熱伝導性ヒートスプレッダ７８とコールドヘッドとの間の温度勾配が減少する。
図４に示すように、ＭＭＩＣ１００は、超伝導コンタクト１１０によって互いに接続された超伝導構造１０６および抵抗器１０８を備えた能動デバイスを含む集積回路１０２を含む。複数の熱伝導性プレート１１２は、集積回路１０２の上面に存在し、かつ個々の熱伝導性コンタクト１１４を介して抵抗器１０８に接続され、かつ個々の熱伝導性貫通基板ビア（ＴＳＶ）（１１６）を介して集積回路１０２の裏側に接続される。集積回路１０２は、キャリア、プリント回路基板またはインターポーザなどのパッケージ１０４内に配置することができる。集積回路１０２の基板の裏側は、パッケージ１０４に接続される熱伝導性スプレッダ１２２を形成するために常伝導金属でコーティングされている。これにより、抵抗器１０８からパッケージ１０４への高伝導性熱経路が提供され、熱を逃がすことができる。この場合、超伝導コンタクトパッド１２０へのワイヤボンド１１８を介して超伝導構造１０６との電気的接触が行われる。代替的に、超伝導コンタクトパッド１２０は、圧力コンタクトまたはインターポーザを介してプリント回路基板に接続されるか、またはソケットに直接はんだ付けすることができる。
上述したものは、本発明の事例である。当然ながら、本発明を説明する目的で、構成要素または方法の考えられるすべての組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置換が可能であることを認識するであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲を含む、本出願の範囲内にあるすべてのそのような変更、修正、および変形を包含することを意図している。
以下に、上記実施形態から把握できる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）であって、
基板の上にある誘電体構造と、
前記誘電体構造の第１の誘電体層内に存在する複数の超伝導構造と、
前記誘電体構造の第２の誘電体層内に存在する複数の抵抗器と、
前記誘電体構造の中間層内に存在する複数の超伝導コンタクトと、前記中間層は前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層の間に存在し、前記複数の抵抗器の各々について、前記複数の超伝導コンタクトの第１の超伝導コンタクトは、所与の抵抗器の第１の端子を第１の超伝導構造に結合し、前記複数の超伝導コンタクトの第２の超伝導コンタクトは、前記所与の抵抗器の第２の端子を第２の超伝導構造に結合し、
共通接地を形成するとともに、電子がフォノンに変換される前に、前記複数の抵抗器から電子を移動させるために、前記複数の抵抗器の各々の前記第２の端子に結合された熱伝導性ヒートシンク構造とを備えるＭＭＩＣ。
［付記２］
前記熱伝導性ヒートシンク構造は、前記誘電体構造に封入されている、付記１に記載のＭＭＩＣ。
［付記３］
前記熱伝導性ヒートシンク構造は、誘電体構造の一部を貫通して延在する熱伝導性コンタクトによって前記複数の抵抗器の各々の第２の端子に結合される熱伝導性ヒートシンクプレートであり、前記熱伝導性ヒートシンクプレートは、前記誘電体構造の上面および底面のうちの一方の上に配置されている、付記１に記載のＭＭＩＣ。
［付記４］
前記熱伝導性ヒートシンクプレートは、前記誘電体構造の前記上面に配置され、ＭＭＩＣはさらに前記誘電体構造の前記底面上に配置された熱伝導性ヒートスプレッダと、前記熱伝導性ヒートシンクプレートを前記熱伝導性ヒートスプレッダに結合する熱伝導性貫通基板ビア（ＴＳＶ）とを備え、前記熱伝導性ヒートスプレッダは、クライオクーラーに隣接して配置されるように構成されている、付記３に記載のＭＭＩＣ。
［付記５］
前記誘電体構造の前記上面上に配置された複数の追加の熱伝導性ヒートプレートをさらに備え、各追加の熱伝導性ヒートプレートは、個々の熱伝導性ヒートシンクプレートを前記熱伝導性ヒートスプレッダに結合する個々の熱伝導性基板貫通ビア（ＴＳＶ）によって前記熱伝導性ヒートスプレッダに結合されている、付記４に記載のＭＭＩＣ。
［付記６］
前記熱伝導性ヒートシンク構造は、銅、金、銀、タングステン、モリブデン、イリジウム、および／またはロジウムから形成される、付記１に記載のＭＭＩＣ。
［付記７］
前記誘電体構造および前記基板は、キャリア内に存在する、付記１に記載のＭＭＩＣ。
以下に、上記実施形態から把握できる技術思想を付記として記載する。
［付記１］
モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）であって、
基板の上にある誘電体構造と、
前記誘電体構造の第１の誘電体層内に存在する複数の超伝導構造と、
前記誘電体構造の第２の誘電体層内に存在する複数の抵抗器と、
前記誘電体構造の中間層内に存在する複数の超伝導コンタクトと、前記中間層は前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層の間に存在し、前記複数の抵抗器の各々について、前記複数の超伝導コンタクトの第１の超伝導コンタクトは、所与の抵抗器の第１の端子を第１の超伝導構造に結合し、前記複数の超伝導コンタクトの第２の超伝導コンタクトは、前記所与の抵抗器の第２の端子を第２の超伝導構造に結合し、
共通接地を形成するとともに、電子がフォノンに変換される前に、前記複数の抵抗器から電子を移動させるために、前記複数の抵抗器の各々の前記第２の端子に結合された熱伝導性ヒートシンク構造とを備えるＭＭＩＣ。
［付記２］
前記熱伝導性ヒートシンク構造は、前記誘電体構造に封入されている、付記１に記載のＭＭＩＣ。
［付記３］
前記熱伝導性ヒートシンク構造は、誘電体構造の一部を貫通して延在する熱伝導性コンタクトによって前記複数の抵抗器の各々の第２の端子に結合される熱伝導性ヒートシンクプレートであり、前記熱伝導性ヒートシンクプレートは、前記誘電体構造の上面および底面のうちの一方の上に配置されている、付記１に記載のＭＭＩＣ。
［付記４］
前記熱伝導性ヒートシンクプレートは、前記誘電体構造の前記上面に配置され、ＭＭＩＣはさらに前記誘電体構造の前記底面上に配置された熱伝導性ヒートスプレッダと、前記熱伝導性ヒートシンクプレートを前記熱伝導性ヒートスプレッダに結合する熱伝導性貫通基板ビア（ＴＳＶ）とを備え、前記熱伝導性ヒートスプレッダは、クライオクーラーに隣接して配置されるように構成されている、付記３に記載のＭＭＩＣ。
［付記５］
前記誘電体構造の前記上面上に配置された複数の追加の熱伝導性ヒートプレートをさらに備え、各追加の熱伝導性ヒートプレートは、個々の熱伝導性ヒートシンクプレートを前記熱伝導性ヒートスプレッダに結合する個々の熱伝導性基板貫通ビア（ＴＳＶ）によって前記熱伝導性ヒートスプレッダに結合されている、付記４に記載のＭＭＩＣ。
［付記６］
前記熱伝導性ヒートシンク構造は、銅、金、銀、タングステン、モリブデン、イリジウム、および／またはロジウムから形成される、付記１に記載のＭＭＩＣ。
［付記７］
前記誘電体構造および前記基板は、キャリア内に存在する、付記１に記載のＭＭＩＣ。
Claims (13)
- 集積回路であって、
抵抗器と、
前記抵抗器の第１の端子に結合された第１の超伝導構造と、
前記抵抗器の第２の端子に結合された第２の超伝導構造と、
電子がフォノンを生成する前に、前記抵抗器の電子から熱を除去するために、前記抵抗器の前記第２の端子に結合された熱伝導性ヒートシンク構造とを備える集積回路。 - 前記熱伝導性ヒートシンク構造は、超伝導ではない常伝導金属から形成されている、請求項１に記載の回路。
- 前記熱伝導性ヒートシンク構造は、前記抵抗器および前記第１および第２の超伝導構造とともに誘電体構造内に封入されている、請求項１に記載の回路。
- 前記熱伝導性ヒートシンク構造は、前記抵抗器および前記第１および第２の超伝導構造を封入する誘電体構造の一部を貫通して延在する熱伝導性コンタクトによって前記抵抗器に結合された熱伝導性ヒートシンクプレートであり、前記熱伝導性ヒートシンクプレートは、前記誘電体構造の上面の上および底面の下のうちの一方に配置されている、請求項１に記載の回路。
- 前記熱伝導性ヒートシンクプレートは、前記誘電体構造の前記上面上に配置され、回路はさらに、前記誘電体構造の前記底面の下に配置された熱伝導性ヒートスプレッダと、前記熱伝導性ヒートシンクプレートを前記熱伝導性ヒートスプレッダに結合する熱伝導性貫通基板ビア（ＴＳＶ）とを備え、前記熱伝導性ヒートスプレッダは、クライオクーラーに隣接して配置されるように構成されている、請求項４に記載の回路。
- 前記第１および第２の超伝導構造が第１の誘電体層内に配置され、前記抵抗器が第２の誘電体層内に配置され、前記第１および第２の超伝導構造が、前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層との間に存在する中間誘電体層を貫通して延在する超伝導コンタクトによって前記抵抗器の個々の端子に結合され、前記第１の誘電体層、前記中間誘電体層、および前記第２の誘電体層が誘電体構造を形成する、請求項１に記載の回路。
- 複数の追加の抵抗器をさらに備え、各抵抗器は個々の超伝導構造の間に結合され、前記複数の追加の抵抗器の各々および前記抵抗器は、共通接地を形成する前記熱伝導性ヒートシンク構造に第２の端子上において結合される、請求項１に記載の回路。
- 前記超伝導構造が第１の誘電体層内に配置され、前記抵抗器および前記複数の追加の抵抗器が第２の誘電体層内に配置され、前記個々の超伝導構造が、前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層との間に存在する中間誘電体層を貫通して延在する超伝導コンタクトによって前記抵抗器の個々の端子に結合されて、複数の能動回路が形成される、請求項７に記載の回路。
- 前記熱伝導性ヒートシンク構造は、誘電体構造の一部を貫通して延在する熱伝導性コンタクトによって前記複数の追加の抵抗器の各々の第２の端子に結合される熱伝導性ヒートシンクプレートであり、前記熱伝導性ヒートシンクプレートは、前記誘電体構造の上面および底面のうちの一方の上に配置されている、請求項８に記載の回路。
- 前記熱伝導性ヒートシンクプレートは、前記誘電体構造の前記上面に配置され、回路はさらに前記誘電体構造の前記底面上に配置された熱伝導性ヒートスプレッダと、前記熱伝導性ヒートシンクプレートを前記熱伝導性ヒートスプレッダに結合する熱伝導性貫通基板ビア（ＴＳＶ）とを備え、前記熱伝導性ヒートスプレッダは、クライオクーラーに隣接して配置されるように構成されている、請求項９に記載の回路。
- 前記誘電体構造の前記上面上に配置された複数の追加の熱伝導性ヒートプレートをさらに備え、各追加の熱伝導性ヒートプレートは、個々の熱伝導性ヒートシンクプレートを前記熱伝導性ヒートスプレッダに結合する個々の熱伝導性基板貫通ビア（ＴＳＶ）によって前記熱伝導性ヒートスプレッダに結合されている、請求項１０に記載の回路。
- 前記熱伝導性ヒートシンク構造は、銅、金、銀、タングステン、モリブデン、イリジウム、および／またはロジウムから形成される、請求項１に記載の回路。
- キャリアと、前記キャリア上に存在する請求項１に記載の集積回路とを備えるモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）。
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