JP6985661B2 - ペルチェ素子の製造方法及びその実装方法 - Google Patents
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ペルチェ素子を電力制御用半導体デバイス、例えば、車載用のパワーデバイスの急激な温度上昇の冷却に用いる場合は、ペルチェ素子自体の外部への熱移動量、すなわち熱伝導率を高める必要がある。なお、ペルチェ素子を冷却装置に用いる小型冷蔵庫のような場合は、外界からの熱が庫内に入らないように、ペルチェ素子自体の熱伝導率は、通常抑えられている。
ここで、Sはペルチェ素子を構成する半導体のゼーベック係数[V/K]であり、Tは絶対温度[K]であり、Iは電流[A]であり、Rは抵抗[Ω]であり、Kは熱伝導率[W/(cm・K)]である。また、RI2は、ジュール熱[J](=[W・s])を表す。
また、抵抗Rは、以下の式(3)に示すように、半導体抵抗Rsと、接触抵抗Rpと、金属抵抗Rmとの和である。ここで、接触抵抗Rpは、半導体と電極金属との接合部における接触抵抗である。
また、熱伝導率の増大は、以下の式(4)に示すように、熱伝導率の逆数に対応する伝熱抵抗(1/K)の低減として、半導体熱抵抗1/Ksと、接触熱抵抗1/Kpと、金属熱抵抗1/Kmとの和として表される。ここでも、接触熱抵抗1/Kpは、半導体と電極金属との接合部における接触熱抵抗である。
上記の式(1)〜(4)から分かるように、ペルチェ素子による発熱密度Qoutを大きくするには、少なくとも、
(a)ゼーベック係数Sの増大 => 寄生ゼーベック係数Spの低減、及び
(b)ジュール熱RI2の低減 => 接触抵抗Rpの低減
が考えられる。
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は本実施形態に係る半導体を用いたペルチェ素子の断面構成の一例を示している。図1に示すように、本ペルチェ素子10は、それぞれ複数のドット(島)状に交互に配置されたp型シリコン層12及びn型シリコン層14と、これらシリコン層12、14に交互に電流が流れるようにその下部に配置された下部電極11及びその上部に配置された上部電極15とから構成されている。
次に、図2〜図4を用いて、本実施形態に係るペルチェ素子を構成する半導体層のうちn型シリコン層への電極の形成方法について説明する。
qin = 80×1000×(1−0.96)×(2/3)×(1/3)= 711[W/cm2]となる。また、図8からは、出力が50kWで、インバータ効率が96%の場合に、その発熱量は430W/cm2程度となり、インバータ効率が97%の場合では、その発熱量は320W/cm2程度となることが分かる。
次に、図10に示すように、本実施形態においては、ペルチェ素子10における熱移動量、ここでは単位面積当たりの熱移動量qoutと、パワーデバイス50の単位面積当たりの発熱量(発熱密度qin)との関係において、パワーデバイス50に接して載置するペルチェ素子10の実装形態を変更する。
ここで、Sはゼーベック係数[V/K]であり、Tは絶対温度[K]であり、iは単位面積当たりの電流[A/cm2]である。ρは抵抗率[Ω・cm]であり、lはペルチェ素子10を構成する半導体層、例えば1個のn型シリコン層14における電流の行路長[cm]であり、kは熱伝導率[W/(cm・K)]である。
本実施形態に係るペルチェ素子の製造方法によると、半導体を用いたペルチェ素子において、半導体と電極金属との接合面で生じるショットキー障壁(バリア)に対して、その低障壁化及び狭障壁化を実現することができる。
Qout = STI − (1/2)RI2 + KΔT …(1)
第1に、寄生ゼーベック係数Spを低減させることにより、ゼーベック係数Sを増大させる。第2に、接触抵抗Rpを低減させることにより、ジュール熱RI2を低減させる。これにより、熱移動量Qoutを大きくすることができるので、ペルチェ素子によるパワーデバイスからの発熱を高効率で放熱することができる。
11 下部電極(電極材)
12 p型シリコン層
13 絶縁膜
14 n型シリコン層(n型の半導体層)
15 上部電極(電極材)
21、21A n型シリコン層(n型の半導体層)
21a n+型領域(n型の高濃度領域)
22、22a 金属膜(Pt膜)
23 白金シリサイド層
40 ホルダ
41 測定電極
43 導電体
45 ヒータ
50、50A パワーデバイス(電力制御用半導体デバイス)
Claims (4)
- 電力制御用半導体デバイスを冷却するための、n型の半導体層とp型の半導体層とが電極材によって交互に接続して構成されたペルチェ素子の製造方法であって、
前記n型の半導体層における互いに対向する表面及び裏面の浅い領域に、n型の不純物イオンを注入することにより、前記浅い領域にそれぞれn型の高濃度領域を形成する工程と、
前記n型の半導体層の表面及び裏面の上に、前記電極材である白金、アルミニウム又はチタンからなる金属膜を成膜する工程と、
前記金属膜が成膜された前記n型の半導体層に対して所定の温度で熱処理を行う工程とを備え、
前記各半導体層は、シリコンからなり、
前記熱処理を行う工程は、白金又はチタンからなる金属膜と前記n型の半導体層との界面をシリサイド化する、ペルチェ素子の製造方法。 - 請求項1に記載のペルチェ素子の製造方法において、
前記金属膜は白金からなり、
前記熱処理は400℃以上且つ800℃以下の温度で行う、ペルチェ素子の製造方法。 - 請求項1又は2に記載のペルチェ素子の実装方法であって、
前記電力制御用半導体デバイスにおける単位面積当たりの発熱量が前記ペルチェ素子における単位面積当たりの熱移動量よりも小さい場合は、前記ペルチェ素子を前記電力制御用半導体デバイスの発熱面に当接させ、
一方、前記電力制御用半導体デバイスの前記発熱量が前記ペルチェ素子の前記熱移動量と同等か又は大きい場合は、前記ペルチェ素子を前記電力制御用半導体デバイスの発熱面との間にヒートスプレッダ材を介在させて当接させる、ペルチェ素子の実装方法。 - 請求項3に記載のペルチェ素子の実装方法において、
前記電力制御用半導体デバイスの前記発熱量が前記ペルチェ素子の前記熱移動量と同等か又は大きい場合は、
前記ペルチェ素子の平面積を前記電力制御用半導体デバイスの平面積よりも大きくする、ペルチェ素子の実装方法。
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