JPH02170452A - ダイヤモンド複合物を用いた構造体及びヒートシンク並びに電子デバイス - Google Patents
ダイヤモンド複合物を用いた構造体及びヒートシンク並びに電子デバイスInfo
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- JPH02170452A JPH02170452A JP1270560A JP27056089A JPH02170452A JP H02170452 A JPH02170452 A JP H02170452A JP 1270560 A JP1270560 A JP 1270560A JP 27056089 A JP27056089 A JP 27056089A JP H02170452 A JPH02170452 A JP H02170452A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、半導体デバイスに用いて好適な非常に高い熱
伝導率と半導体デバイスの熱膨張率に適合され得る熱膨
張率とを有するヒートシンクなどのための複合材料に関
し、特にこの複合材料は、金属マトリックス中に埋込ま
れたダイヤモンド粒子から成るものである。そして、そ
の複合材料を用いた構造体およびヒートシンクと、この
ヒートシンクに接続される電子デバイスに関する。
伝導率と半導体デバイスの熱膨張率に適合され得る熱膨
張率とを有するヒートシンクなどのための複合材料に関
し、特にこの複合材料は、金属マトリックス中に埋込ま
れたダイヤモンド粒子から成るものである。そして、そ
の複合材料を用いた構造体およびヒートシンクと、この
ヒートシンクに接続される電子デバイスに関する。
電子デバイスの多くの品種は、ヒートシンクまたは熱伝
導材料のように少なくとも一部分で機能する他の材料に
取り付けられる半導体部品からなる。このような電子デ
バイスは、1つ以上のpn接合を内蔵するものであるが
、これに限られるわけではない。そのような電子デバイ
スの例とじては、レーザダイオード(レーザダイオード
アレイを含む)、発光ダイオード(超発光ダイオードと
超発光ダイオードアレイとを含む)、サイリスク、トラ
イアック、およびマイクロウェーブ電子伝送デバイスが
挙げられる。その電子デバイスの脆い半導体部品につい
て熱的に誘発される機械的応力を少しでも軽減するため
に、そしてその電子デバイスの半導体部品からでる熱の
除去を増加させるために、次に述べる特性をもつ熱伝導
材料が必要とされる。その特性は、(11できるだけ半
導体部品の熱膨張率に近い熱膨張率を有するということ
と、(2)可能な最も高い熱伝導率を有するということ
である。
導材料のように少なくとも一部分で機能する他の材料に
取り付けられる半導体部品からなる。このような電子デ
バイスは、1つ以上のpn接合を内蔵するものであるが
、これに限られるわけではない。そのような電子デバイ
スの例とじては、レーザダイオード(レーザダイオード
アレイを含む)、発光ダイオード(超発光ダイオードと
超発光ダイオードアレイとを含む)、サイリスク、トラ
イアック、およびマイクロウェーブ電子伝送デバイスが
挙げられる。その電子デバイスの脆い半導体部品につい
て熱的に誘発される機械的応力を少しでも軽減するため
に、そしてその電子デバイスの半導体部品からでる熱の
除去を増加させるために、次に述べる特性をもつ熱伝導
材料が必要とされる。その特性は、(11できるだけ半
導体部品の熱膨張率に近い熱膨張率を有するということ
と、(2)可能な最も高い熱伝導率を有するということ
である。
最も効果的な熱伝導材料は、半導体レーザの製造で用い
られる場合に、とりわけ重要である。そのような電子デ
バイスはダイオードを形成するpn接合を有し、このp
n接合はレーザの活性媒体として機能する。レーザダイ
オードに代表されるその種の電子デバイスは、半導体材
料の多種から組み立てることができる。この半導体材料
には、(alGaAsおよびInPなどの化合物、(b
lAIGaAs、 GaAsPおよびInGaAsなど
の三元合金、(C)InGaAs P 、、 InGa
AIPおよびAlGaAs Pなどの四元合金が含まれ
る。
られる場合に、とりわけ重要である。そのような電子デ
バイスはダイオードを形成するpn接合を有し、このp
n接合はレーザの活性媒体として機能する。レーザダイ
オードに代表されるその種の電子デバイスは、半導体材
料の多種から組み立てることができる。この半導体材料
には、(alGaAsおよびInPなどの化合物、(b
lAIGaAs、 GaAsPおよびInGaAsなど
の三元合金、(C)InGaAs P 、、 InGa
AIPおよびAlGaAs Pなどの四元合金が含まれ
る。
電力を出力光に変換する場合のレーザの効率は比較的に
高く、例えば、50%以上になり得る。しかしながら、
そのような電子デバイスによって光に変換されない電力
は熱として失われる。動作中にレーザダイオードから出
る副産物としての熱の除去は重要である。というのは、
そのような電子デバイスの寿命時間は、動作温度の重要
な関数であり、動作温度の増加はその電子デバイスの寿
命時間を減らすことに帰結するからである。例えば、レ
ーザダイオードにおける通常のガリウム砒化物の寿命時
間は、温度が40℃上昇する間の量の時間のオーダーで
減少する。従って、熱伝導に関する単純な検討によると
、できるだけ素早く副産物としての熱を除去するために
可能な最も高い熱伝導率を有するヒートシンク材料とレ
ーザダイオードとが接触しているべきであるということ
が提案される。しかしながら、レーザダイオードの熱膨
張率とヒートシンクの熱膨張率との間に不適合があると
、脆い半導体ダイオードは、動作中に副産物の熱の発生
の結果としての機械的応力にあい、この応力の大きさは
、不適合の度合の関数となる。
高く、例えば、50%以上になり得る。しかしながら、
そのような電子デバイスによって光に変換されない電力
は熱として失われる。動作中にレーザダイオードから出
る副産物としての熱の除去は重要である。というのは、
そのような電子デバイスの寿命時間は、動作温度の重要
な関数であり、動作温度の増加はその電子デバイスの寿
命時間を減らすことに帰結するからである。例えば、レ
ーザダイオードにおける通常のガリウム砒化物の寿命時
間は、温度が40℃上昇する間の量の時間のオーダーで
減少する。従って、熱伝導に関する単純な検討によると
、できるだけ素早く副産物としての熱を除去するために
可能な最も高い熱伝導率を有するヒートシンク材料とレ
ーザダイオードとが接触しているべきであるということ
が提案される。しかしながら、レーザダイオードの熱膨
張率とヒートシンクの熱膨張率との間に不適合があると
、脆い半導体ダイオードは、動作中に副産物の熱の発生
の結果としての機械的応力にあい、この応力の大きさは
、不適合の度合の関数となる。
そのような応力は、それがひどくて補償しえないならば
、短時間のうちに電子デバイスを破損させる。
、短時間のうちに電子デバイスを破損させる。
従来技術は、半導体と組合せる熱伝導材料の選択につい
て2つの主な方法を採用していた。第1の方法は、比較
的高い熱伝導率を有し、かつ、半導体の熱膨張率と実質
的に等しい熱膨張率を有する合金または複合物を選択す
ることである。例えば、GaAsの熱膨張率は、約6.
6x 10−”/”cであり、タングステンを85重量
%含有するタングステン・銅合金の熱膨張率(6,5x
10−4/℃)とよく適合する。また、モリブデンを
85重景%含有するモリブデン・銅合金の熱膨張率(6
,6X 10−h/’C)も、GaAs0熱膨張率とよ
く適合する。
て2つの主な方法を採用していた。第1の方法は、比較
的高い熱伝導率を有し、かつ、半導体の熱膨張率と実質
的に等しい熱膨張率を有する合金または複合物を選択す
ることである。例えば、GaAsの熱膨張率は、約6.
6x 10−”/”cであり、タングステンを85重量
%含有するタングステン・銅合金の熱膨張率(6,5x
10−4/℃)とよく適合する。また、モリブデンを
85重景%含有するモリブデン・銅合金の熱膨張率(6
,6X 10−h/’C)も、GaAs0熱膨張率とよ
く適合する。
一方、米国特許第3.969.754号(クニャ(Ku
niya)その他;1976年7月13日)は、半導体
、と組合せて用いるための複合熱伝導材料の使用を開示
している。ここで、複合物は大部分を金属マトリックス
中に埋込まれた繊維で構成され、この繊維は半導体の熱
膨張率に実質的に等しいか、それよりも低い熱膨張率を
有している。そして、その金属マトリックスは上記繊維
の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有している。同様に
、米国特許第4゜470.063号(アラカワ(^ra
kawa)その他;1984年9月4日)は、半導体と
組合せるための熱及び電気の伝導体として、銅マトリツ
クス中に炭素繊維を含む複合構造体の使用を開示してい
る。残念ながら、この第1の方法は全く満足なものでは
なかった。なぜならば、少なくともその合金または複合
物の一部分は、比較的に低い熱伝導率を有し、そのため
望ましい全体の熱伝導率よりも低くなってしまうからで
ある。上記の例に関して、合金のタングステンおよびモ
リブデンと複合物の繊維とは、比較的低い熱伝導率を有
している。
niya)その他;1976年7月13日)は、半導体
、と組合せて用いるための複合熱伝導材料の使用を開示
している。ここで、複合物は大部分を金属マトリックス
中に埋込まれた繊維で構成され、この繊維は半導体の熱
膨張率に実質的に等しいか、それよりも低い熱膨張率を
有している。そして、その金属マトリックスは上記繊維
の熱伝導率よりも大きい熱伝導率を有している。同様に
、米国特許第4゜470.063号(アラカワ(^ra
kawa)その他;1984年9月4日)は、半導体と
組合せるための熱及び電気の伝導体として、銅マトリツ
クス中に炭素繊維を含む複合構造体の使用を開示してい
る。残念ながら、この第1の方法は全く満足なものでは
なかった。なぜならば、少なくともその合金または複合
物の一部分は、比較的に低い熱伝導率を有し、そのため
望ましい全体の熱伝導率よりも低くなってしまうからで
ある。上記の例に関して、合金のタングステンおよびモ
リブデンと複合物の繊維とは、比較的低い熱伝導率を有
している。
半導体と組合せる熱伝導材料の選択についての第2の方
法は次のようなものである。すなわち、(alダイヤモ
ンド、銀または銅のような非常に高い熱伝導率を有する
材料を、熱膨張率間の不適合にかまわずに選択し、(b
)インジウムのような軟金属あるいは適当な軟合金と共
に、上記熱伝導材料と半導体材料とを接着することであ
る。−最に、熱伝導材料と半導体との間の熱膨張率の不
適合が大きくなればなるほど、2つの材料の間の結合を
より軟らかくしなければならない。レーザダイオードに
関して、この第2の方法は、低出力、例えば約100m
Wあるいはそれ以下の電子デバイスに対しては全く満足
なものであり、それは動作中に比較的少ない熱を生じる
ものである。残念ながらこの方法は、より高出力用のレ
ーザダイオードに対しては満足なものではない。
法は次のようなものである。すなわち、(alダイヤモ
ンド、銀または銅のような非常に高い熱伝導率を有する
材料を、熱膨張率間の不適合にかまわずに選択し、(b
)インジウムのような軟金属あるいは適当な軟合金と共
に、上記熱伝導材料と半導体材料とを接着することであ
る。−最に、熱伝導材料と半導体との間の熱膨張率の不
適合が大きくなればなるほど、2つの材料の間の結合を
より軟らかくしなければならない。レーザダイオードに
関して、この第2の方法は、低出力、例えば約100m
Wあるいはそれ以下の電子デバイスに対しては全く満足
なものであり、それは動作中に比較的少ない熱を生じる
ものである。残念ながらこの方法は、より高出力用のレ
ーザダイオードに対しては満足なものではない。
熱伝導率の観点から見て最も良好なヒートシンク材料は
、金、銀、銅、アルミニウムおよびダイヤモンドである
。不幸にして、これらの材料は、代表的な半導体の熱膨
張率とは非常に異なった熱膨張率を有している。これは
、下記第1表に示される実例を参照することで理解でき
る。
、金、銀、銅、アルミニウムおよびダイヤモンドである
。不幸にして、これらの材料は、代表的な半導体の熱膨
張率とは非常に異なった熱膨張率を有している。これは
、下記第1表に示される実例を参照することで理解でき
る。
第 1 表
第1表において、ダイヤモンドの熱膨張率の値(0,8
” )におけるaは20℃の温度の場合に対して報告さ
れている。この内容については、[カーク−オスマー・
インサイクロビデイア・オブ・ケミカル・チクノロシイ
(にirk−Othmer Encyclopelea
of Chemical Technology) J
、第4巻、第3版、ジョン・ウイレイエンドソンズ出
版(John Wiley& 5ons) +第669
頁により示されている。
” )におけるaは20℃の温度の場合に対して報告さ
れている。この内容については、[カーク−オスマー・
インサイクロビデイア・オブ・ケミカル・チクノロシイ
(にirk−Othmer Encyclopelea
of Chemical Technology) J
、第4巻、第3版、ジョン・ウイレイエンドソンズ出
版(John Wiley& 5ons) +第669
頁により示されている。
次に、米国特許第2.382.666号(ローリング(
Rohring)その他11945年8月14日)は、
次の工程を備えた方法によりダイヤモンド複合工具を提
供することを開示している。すなわち、この工程は+8
)金属カルボニルの気化、グロー放電、陰極スパッタリ
ングあるいは熱分解などによって、金属箔に小さなダイ
ヤモンド粒子を塗布し、(b)この塗布されたダイヤモ
ンドを金属マトリックス中に混合するものである。同様
に、米国特許第4,378.233号(カーバー(Ca
rver) ; 1983年3月29日)は、アルミ
ニウム、亜鉛、銅そして錫の混合物を含み、また、ポリ
テトラフルオロエチレン、グラファイト、モリブデンニ
硫化物およびヘクサゴナル硼素窒化物のようなドライフ
ィル、ムの潤滑剤を最大50体積%含むことのできるマ
トリックス中にダイヤモンド粒子を埋込むことにより調
整された複合物から成るダラインダの回転歯を開示して
いる。
Rohring)その他11945年8月14日)は、
次の工程を備えた方法によりダイヤモンド複合工具を提
供することを開示している。すなわち、この工程は+8
)金属カルボニルの気化、グロー放電、陰極スパッタリ
ングあるいは熱分解などによって、金属箔に小さなダイ
ヤモンド粒子を塗布し、(b)この塗布されたダイヤモ
ンドを金属マトリックス中に混合するものである。同様
に、米国特許第4,378.233号(カーバー(Ca
rver) ; 1983年3月29日)は、アルミ
ニウム、亜鉛、銅そして錫の混合物を含み、また、ポリ
テトラフルオロエチレン、グラファイト、モリブデンニ
硫化物およびヘクサゴナル硼素窒化物のようなドライフ
ィル、ムの潤滑剤を最大50体積%含むことのできるマ
トリックス中にダイヤモンド粒子を埋込むことにより調
整された複合物から成るダラインダの回転歯を開示して
いる。
本発明の第1の目的は、半導体材料と組合せて用いるた
めの改良された熱伝導材料を提供することにある。
めの改良された熱伝導材料を提供することにある。
本発明の第2の目的は、半導体電子デバイスに用いるた
めの改良されたヒートシンク材料を提供することにある
。
めの改良されたヒートシンク材料を提供することにある
。
本発明の第3の目的は、半導体材料に適合され得る熱膨
張率を有する高い熱伝導率の複合力材料を提供すること
にある。
張率を有する高い熱伝導率の複合力材料を提供すること
にある。
本発明の第4の目的は、半導体材料の熱膨張率に適合さ
れ得る熱膨張率を有するとともに、そのような適合が可
能であるために、従来の材料の熱伝導率よりも高い熱伝
導率を有する複合力材料を提供することにある。
れ得る熱膨張率を有するとともに、そのような適合が可
能であるために、従来の材料の熱伝導率よりも高い熱伝
導率を有する複合力材料を提供することにある。
さらに、本発明の第5の目的は、レーザダイオードの熱
膨張率と実質的に同じ熱膨張率を有し、かつ非常に高い
熱伝導率を有する、レーザダイオードのためのヒートシ
ンク材料を提供することにある。
膨張率と実質的に同じ熱膨張率を有し、かつ非常に高い
熱伝導率を有する、レーザダイオードのためのヒートシ
ンク材料を提供することにある。
そして、本発明の第6の目的は上記のような材料を用い
た構造体、ヒートシンクとそれに接続される電子デバイ
スを提供することにある。
た構造体、ヒートシンクとそれに接続される電子デバイ
スを提供することにある。
本発明は、金属マトリックス中に埋込まれたダイヤモン
ド粒子を含む熱伝導複合物(ダイヤモンド複合物)が半
導体材料からよく熱を導えることに用いるための十分満
足な材料であって、上記複合物は高い熱伝導率を有し、
それと組合される半導体材料の熱膨張率に適合できる複
合物の熱膨張率を有するということを見出したことに基
づいている。
ド粒子を含む熱伝導複合物(ダイヤモンド複合物)が半
導体材料からよく熱を導えることに用いるための十分満
足な材料であって、上記複合物は高い熱伝導率を有し、
それと組合される半導体材料の熱膨張率に適合できる複
合物の熱膨張率を有するということを見出したことに基
づいている。
本発明の一態様は、金属マトリックス中に埋込まれたダ
イヤモンド粒子から成る熱伝導複合物と1、この熱伝導
複合物に熱的に接触する半導体とを備え、前記熱伝導複
合物は、前記半導体の熱膨張率と実質的に同じ熱膨張率
を有する構造体である。
イヤモンド粒子から成る熱伝導複合物と1、この熱伝導
複合物に熱的に接触する半導体とを備え、前記熱伝導複
合物は、前記半導体の熱膨張率と実質的に同じ熱膨張率
を有する構造体である。
また、本発明の他の態様は、放熱する半導体電子デバイ
スの半導体部品を取り付けるためのヒートシンクであっ
て、金属マトリックス中に埋込まれたダイヤモンド粒子
の複合物から成り、前記半導体部品を取り付けるために
適用されるヒートシンクである。
スの半導体部品を取り付けるためのヒートシンクであっ
て、金属マトリックス中に埋込まれたダイヤモンド粒子
の複合物から成り、前記半導体部品を取り付けるために
適用されるヒートシンクである。
また、本発明の別の態様は、金属マトリックス中に埋込
まれたダイヤモンド粒子から成る熱伝導複合物と、この
熱伝導複合物に熱的に接触する半導体とを備え、また、
前記熱伝導複合物は、前記半導体の熱膨張率と実質的に
同じ熱膨張率を有する電子デバイスである。
まれたダイヤモンド粒子から成る熱伝導複合物と、この
熱伝導複合物に熱的に接触する半導体とを備え、また、
前記熱伝導複合物は、前記半導体の熱膨張率と実質的に
同じ熱膨張率を有する電子デバイスである。
以下、本発明の一実施例を図面を用いて詳細に説明する
。
。
本発明者らは、金属マトリックス中に埋込まれたダイヤ
モンド粒子から成る複合物が、半導体と組合せるための
熱伝導材料として十分に満足いくものであることを見出
した。すなわち、(all合金物組成の調整により、そ
の複合物の熱膨張率は半導体の熱膨張率に適合させ得る
ということ、そして、(blその複合物は知られている
最も高い熱伝導材料をもつ材料のいくつかから構成され
得るということを見出したからである。その上、この複
合物は、典型的に良好な電気伝導体であり、従って、半
導体電子デバイスの半導体部品のための電極または電気
伝導体として使用できる。
モンド粒子から成る複合物が、半導体と組合せるための
熱伝導材料として十分に満足いくものであることを見出
した。すなわち、(all合金物組成の調整により、そ
の複合物の熱膨張率は半導体の熱膨張率に適合させ得る
ということ、そして、(blその複合物は知られている
最も高い熱伝導材料をもつ材料のいくつかから構成され
得るということを見出したからである。その上、この複
合物は、典型的に良好な電気伝導体であり、従って、半
導体電子デバイスの半導体部品のための電極または電気
伝導体として使用できる。
どんなタイプのダイヤモンドも本発明における実施に用
いることができる。例えば、タイプ■1、Ib、■、お
よび■、のダイヤモンドは総て適当である。タイプ■あ
のダイヤモンドは、小板状の約0.1%の窒素を含み、
そして、大半の自然のダイヤモンドはこの部類に属する
。タイプIbのダイヤモンドは分散状の最大約0.2%
までの窒素を含み、そして、大半の合成ダイヤモンドは
この部類に属する。タイプ■、と■、のダイヤモンドは
、実質的に窒素を含まない。ダイヤモンドの熱伝導率は
その純度の関係であり、約9〜23W/co+・℃の範
囲で変化する。最も高い熱伝導率は最も純粋なダイヤモ
ンドで見られ、そのようなダイヤモンドの使用は本発明
の好ましい態様を表わす。約1100pp未満の窒素不
純物と約10ppm未満の触媒金属を含む合成タイプ1
.のダイヤモンドは、約20W/cm・℃の熱伝導率を
有し、本発明の実施における使用のために高く推奨され
る。
いることができる。例えば、タイプ■1、Ib、■、お
よび■、のダイヤモンドは総て適当である。タイプ■あ
のダイヤモンドは、小板状の約0.1%の窒素を含み、
そして、大半の自然のダイヤモンドはこの部類に属する
。タイプIbのダイヤモンドは分散状の最大約0.2%
までの窒素を含み、そして、大半の合成ダイヤモンドは
この部類に属する。タイプ■、と■、のダイヤモンドは
、実質的に窒素を含まない。ダイヤモンドの熱伝導率は
その純度の関係であり、約9〜23W/co+・℃の範
囲で変化する。最も高い熱伝導率は最も純粋なダイヤモ
ンドで見られ、そのようなダイヤモンドの使用は本発明
の好ましい態様を表わす。約1100pp未満の窒素不
純物と約10ppm未満の触媒金属を含む合成タイプ1
.のダイヤモンドは、約20W/cm・℃の熱伝導率を
有し、本発明の実施における使用のために高く推奨され
る。
本発明の実施において用いられる望ましいダイヤモンド
粒子は、約106μm(140メツシユ)よりも小さな
寸法を有し、好ましくは約38μm(400メツシユ)
よりも小さく、さらに好ましくは約3μm未満の寸法を
有するものである。
粒子は、約106μm(140メツシユ)よりも小さな
寸法を有し、好ましくは約38μm(400メツシユ)
よりも小さく、さらに好ましくは約3μm未満の寸法を
有するものである。
要求されるならば、金属マトリックスへの混合の前に、
ダイヤモンド粒子は金属にコーティングされ得る。その
ようなコーティングはいくつかの望ましい1つ以上の金
属に行うことができ、この場合にはいくつかの通常の技
術、例えば真空蒸着あるいは化学的手段などが使用され
得る。好ましいコーティングされる金属しては、銅、銀
、金およびアルミニウムのような高い熱伝導率を有する
ものである。
ダイヤモンド粒子は金属にコーティングされ得る。その
ようなコーティングはいくつかの望ましい1つ以上の金
属に行うことができ、この場合にはいくつかの通常の技
術、例えば真空蒸着あるいは化学的手段などが使用され
得る。好ましいコーティングされる金属しては、銅、銀
、金およびアルミニウムのような高い熱伝導率を有する
ものである。
本発明の複合物におけるダイヤモンド粒子と1つ以上の
金属との割合は、所望の熱膨張率を得るために調整され
る。それらの割合は、支配的な主成分において容易に調
整され、好ましくは次のように選ばれる。すなわち、結
果として生じる複合物が、この複合物と組合せられる半
導体の熱膨張率と実質的に同じ熱膨張率を有するように
選ばれる。
金属との割合は、所望の熱膨張率を得るために調整され
る。それらの割合は、支配的な主成分において容易に調
整され、好ましくは次のように選ばれる。すなわち、結
果として生じる複合物が、この複合物と組合せられる半
導体の熱膨張率と実質的に同じ熱膨張率を有するように
選ばれる。
ここで用いられる「半導体」とは、電子または正孔によ
って電流が流される材料に属するものであって、正常に
充満した材料の価電子帯(充満帯)における電子と、材
料の伝導帯における電子との間におけるエネルギーの相
違であるバンドギャップ(禁止帯幅)によって特徴づけ
られるものである。そのような材料は比較的低い電気伝
導度を有する。この電気伝導率は電気的活性不純物をド
ーピングすることにより、いくつかの大きさの順で増加
させることができる。普通の半導体は、シリコン、ゲル
マニウム、および元素周期律表の■族とV族との元素の
様々な組合せから成っている。
って電流が流される材料に属するものであって、正常に
充満した材料の価電子帯(充満帯)における電子と、材
料の伝導帯における電子との間におけるエネルギーの相
違であるバンドギャップ(禁止帯幅)によって特徴づけ
られるものである。そのような材料は比較的低い電気伝
導度を有する。この電気伝導率は電気的活性不純物をド
ーピングすることにより、いくつかの大きさの順で増加
させることができる。普通の半導体は、シリコン、ゲル
マニウム、および元素周期律表の■族とV族との元素の
様々な組合せから成っている。
この元素の組合せとしては、InAs5 InP 5G
aP %GaAs5 AIAS% AlGaAs、 I
nGaAs、 InGaAsP、 1nGaPおよびI
nGaAl Pのようなものがある。より普通の半導体
についてのいくつかの表とそれらの半導体の性質とにつ
いては、「ハンドブック・オブ・ケミストリイ・アンド
・フィジックス0landbookofChen+1s
try and Physics)J (第68版、
CRC出版、ポカ・ラドン(Baca Raton)
、フロツグ(1987−1988)の第E−102頁か
ら第E−105頁に示されている。本発明における熱伝
導ダイヤモンド複合物は、いくつかの半導体と組合わせ
て用いられ得る。しかしながら、組合わされる半導体の
熱膨張率と複合物の熱膨張率との間の差は、約2 X
10−6/℃よりも小さく、好ましくは約I X 10
−”/’Cよりも小さく、さらに好ましくは約0.5X
10−b/’Cよりも小さいほうがよい。
aP %GaAs5 AIAS% AlGaAs、 I
nGaAs、 InGaAsP、 1nGaPおよびI
nGaAl Pのようなものがある。より普通の半導体
についてのいくつかの表とそれらの半導体の性質とにつ
いては、「ハンドブック・オブ・ケミストリイ・アンド
・フィジックス0landbookofChen+1s
try and Physics)J (第68版、
CRC出版、ポカ・ラドン(Baca Raton)
、フロツグ(1987−1988)の第E−102頁か
ら第E−105頁に示されている。本発明における熱伝
導ダイヤモンド複合物は、いくつかの半導体と組合わせ
て用いられ得る。しかしながら、組合わされる半導体の
熱膨張率と複合物の熱膨張率との間の差は、約2 X
10−6/℃よりも小さく、好ましくは約I X 10
−”/’Cよりも小さく、さらに好ましくは約0.5X
10−b/’Cよりも小さいほうがよい。
半導体は電子デバイスの構成に広く用いられてきた。そ
のような電子デバイスの多くは、動作中に半導体部品で
の不必要な熱生成の結果としての熱を消散させる。本発
明におけるダイヤモンド複合物は、そのような電子デバ
イスの半導体部品から熱をよく導えることに使用するた
めの十分に満足い(ヒートシンク材料である。このダイ
ヤモンド複合物はレーザダイオードおよび発光ダイオー
ドとの組合わせに特に適しているが、本発明はこれに限
定されるものではない。
のような電子デバイスの多くは、動作中に半導体部品で
の不必要な熱生成の結果としての熱を消散させる。本発
明におけるダイヤモンド複合物は、そのような電子デバ
イスの半導体部品から熱をよく導えることに使用するた
めの十分に満足い(ヒートシンク材料である。このダイ
ヤモンド複合物はレーザダイオードおよび発光ダイオー
ドとの組合わせに特に適しているが、本発明はこれに限
定されるものではない。
半導体からの熱をよく導えるために本発明におけるダイ
ヤモンド複合物は、もちろん、半導体と熱的に接触させ
られなければならない。そのような熱的な接触は、この
複合物と半導体との間における直接の物理的な接触を含
んでいる。また、半導体と複合物とは熱伝導性の結合物
あるいは接着剤といった手段により相互に張り付けても
よい。
ヤモンド複合物は、もちろん、半導体と熱的に接触させ
られなければならない。そのような熱的な接触は、この
複合物と半導体との間における直接の物理的な接触を含
んでいる。また、半導体と複合物とは熱伝導性の結合物
あるいは接着剤といった手段により相互に張り付けても
よい。
例えば、元素インジウム、Au−5ns Au In
s Pb −In、 5n−Pb、 5n−In、およ
びPb−In−へg系の様々な合金のような普通の軟ら
かな結合物から成る薄い層を使用できる。
s Pb −In、 5n−Pb、 5n−In、およ
びPb−In−へg系の様々な合金のような普通の軟ら
かな結合物から成る薄い層を使用できる。
本発明におけるダイヤモンド複合物は、いくつかの通常
の技術で調整できる。例えば、マトリックスとなる1つ
以上の粉状の金属は、適切な量のダイヤモンド粒子と十
分に混合でき、結果として生じた混合物はホットプレス
加工され得る。銅、アルミニウム、恨および金のような
金属に関して、ホットプレス加工は圧力約800kg/
crA、温度350℃、および約10分間の設定で行な
われ得る。
の技術で調整できる。例えば、マトリックスとなる1つ
以上の粉状の金属は、適切な量のダイヤモンド粒子と十
分に混合でき、結果として生じた混合物はホットプレス
加工され得る。銅、アルミニウム、恨および金のような
金属に関して、ホットプレス加工は圧力約800kg/
crA、温度350℃、および約10分間の設定で行な
われ得る。
要求されるならば、ホットプレス加工は真空のものでま
たは不活性雰囲気の中で実行され得る。また、金属マト
リックスとして合金が使用される場合には、複合物は粉
状の合金とダイヤモンド粒子の混合物から容易に成形で
きる。要求されるならば、金属クラッドダイヤモンド粒
子がそのタラッディング金属とは異なるマトリックス金
属との組合わせで利用され得る。
たは不活性雰囲気の中で実行され得る。また、金属マト
リックスとして合金が使用される場合には、複合物は粉
状の合金とダイヤモンド粒子の混合物から容易に成形で
きる。要求されるならば、金属クラッドダイヤモンド粒
子がそのタラッディング金属とは異なるマトリックス金
属との組合わせで利用され得る。
第1図は本発明の一実施例を示す図であって、GaAl
Asタイプの5ストライプ・ダブルへテロ構造のレーザ
ダイオードアレイの形態を示す図である。
Asタイプの5ストライプ・ダブルへテロ構造のレーザ
ダイオードアレイの形態を示す図である。
このレーザダイオードは、ダイヤモンド複合物からなる
ヒートシンクに取り付けられている。ただし、本発明は
図示された実施例に限定されるものではない。
ヒートシンクに取り付けられている。ただし、本発明は
図示された実施例に限定されるものではない。
第1図において、レーザダイオードアレイの半導体部品
は層1〜層7から構成される。層1は約100μmの厚
さを有するn形GaAsから成る。層2および層3は、
それぞれn形Gas、 35Alo、 hsAsおよび
p形Ga、、、:+5Alo、 1sAsから成る約2
μmの厚さを有する外側のクランド層である。層4およ
び層5は、それぞれn形Ga6.t Alo、+ As
およびpY3Ga。、、八1゜、、、Asから成る約0
.1μmの厚さを有する内側クラッド層である。また層
6は、ドーピングされていないGa、)、 94^L、
。−3から成る約0.02μmの厚さを有する単一量子
井戸活性層である。そして、層7は約1μmの厚さを有
するp形GaAsから成っている。n形ドーパントおよ
びp形ドーパントは、それぞれSeおよびZnにするこ
とができる。
は層1〜層7から構成される。層1は約100μmの厚
さを有するn形GaAsから成る。層2および層3は、
それぞれn形Gas、 35Alo、 hsAsおよび
p形Ga、、、:+5Alo、 1sAsから成る約2
μmの厚さを有する外側のクランド層である。層4およ
び層5は、それぞれn形Ga6.t Alo、+ As
およびpY3Ga。、、八1゜、、、Asから成る約0
.1μmの厚さを有する内側クラッド層である。また層
6は、ドーピングされていないGa、)、 94^L、
。−3から成る約0.02μmの厚さを有する単一量子
井戸活性層である。そして、層7は約1μmの厚さを有
するp形GaAsから成っている。n形ドーパントおよ
びp形ドーパントは、それぞれSeおよびZnにするこ
とができる。
当然ながら、このタイプの電子デバイスでの種々の半導
体層について、的確な化学的組成と厚さとが広範囲に変
え得ることが理解されるだろう。そして、上記の設定値
が単に一実施例の説明のためのものであることが理解さ
れよう。図中、点彩された領域8〜領域13は、層3と
層7とにおける高抵抗率の範囲(高抵抗部)である。こ
の高抵抗率の範囲は、適当なフォトレジストマスクを通
して、陽子を注入することで形成できる。層14は、例
えば金または金合金から成る、オーム接触する層(電極
)である。ヒートシンク15は本発明におけるダイヤモ
ンド複合物から構成される。そして、層16は熱と電流
とを伝導するインジウムのような結合物である。この結
合物は約2μm〜3μmの厚さを有し、ヒートシンク1
5にレーザダイオードアレイ (層1〜層7)の半導体
部品を取り付けるのに役立っている。ヒートシンク15
はある熱膨張率をもっているが、この熱膨張率は半導体
層7の熱膨張率と同じである。そして、ヒートシンク1
5は、約2μm〜3μmの最大寸法を有するダイヤモン
ド粒子を含んでいる。ヒートシンク15は次のような点
で役立つ。すなわち、(a)レーザダイオードアレイに
対する一方の電極となる。Tb)電子デバイスの半導体
部品から出る無用の熱を伝導する手段となる。もし要求
されるならば、ヒートシンク15は熱の除去のために熱
電冷却器またはその他の冷却手段(図示せず)に取り付
けることができる。熱はヒートシンク15によって半導
体部品から伝導される。電流が電源(図示せず)から、
オーム接触する層14とヒートシンク15との間に流さ
れると、約808nmの波長をもつレーザ光が、幾何学
的な縞状の領域(レーザ光放射部)17〜21から放射
される。そして、領域17〜領域21は層3と層7とに
おける高抵抗率と低抵抗率との範囲によって限界を決め
られる。
体層について、的確な化学的組成と厚さとが広範囲に変
え得ることが理解されるだろう。そして、上記の設定値
が単に一実施例の説明のためのものであることが理解さ
れよう。図中、点彩された領域8〜領域13は、層3と
層7とにおける高抵抗率の範囲(高抵抗部)である。こ
の高抵抗率の範囲は、適当なフォトレジストマスクを通
して、陽子を注入することで形成できる。層14は、例
えば金または金合金から成る、オーム接触する層(電極
)である。ヒートシンク15は本発明におけるダイヤモ
ンド複合物から構成される。そして、層16は熱と電流
とを伝導するインジウムのような結合物である。この結
合物は約2μm〜3μmの厚さを有し、ヒートシンク1
5にレーザダイオードアレイ (層1〜層7)の半導体
部品を取り付けるのに役立っている。ヒートシンク15
はある熱膨張率をもっているが、この熱膨張率は半導体
層7の熱膨張率と同じである。そして、ヒートシンク1
5は、約2μm〜3μmの最大寸法を有するダイヤモン
ド粒子を含んでいる。ヒートシンク15は次のような点
で役立つ。すなわち、(a)レーザダイオードアレイに
対する一方の電極となる。Tb)電子デバイスの半導体
部品から出る無用の熱を伝導する手段となる。もし要求
されるならば、ヒートシンク15は熱の除去のために熱
電冷却器またはその他の冷却手段(図示せず)に取り付
けることができる。熱はヒートシンク15によって半導
体部品から伝導される。電流が電源(図示せず)から、
オーム接触する層14とヒートシンク15との間に流さ
れると、約808nmの波長をもつレーザ光が、幾何学
的な縞状の領域(レーザ光放射部)17〜21から放射
される。そして、領域17〜領域21は層3と層7とに
おける高抵抗率と低抵抗率との範囲によって限界を決め
られる。
本発明によれば、上記したように構成されているので、
以下に記載されるような効果を奏する。
以下に記載されるような効果を奏する。
(a) 半導体材料と組合わせて用いるための改良さ
れた熱伝導材料を提供できる。
れた熱伝導材料を提供できる。
(b) 半導体電子デバイスに用いるための改良され
たヒートシンク材料を提供できる。
たヒートシンク材料を提供できる。
(C1半導体材料に適合され得る熱膨張率を有する、高
い熱伝導材料の複合物材料を提供できる。
い熱伝導材料の複合物材料を提供できる。
(dl 半導体材料の熱膨張率に適合され得る熱膨張
率を有するとともに、高い熱伝導材料を有する複合物材
料を提供できる。
率を有するとともに、高い熱伝導材料を有する複合物材
料を提供できる。
(el レーザダイオードの熱膨張率と実質的に同じ
熱膨張率を有し、高い熱伝導率を有する、レーザダイオ
ードのためのヒートシンク材料を提供できる。
熱膨張率を有し、高い熱伝導率を有する、レーザダイオ
ードのためのヒートシンク材料を提供できる。
(「)上記(al〜(elのような材料を用いた構造物
、ヒートシンクとそれに接続される電子デバイスを提供
できる。
、ヒートシンクとそれに接続される電子デバイスを提供
できる。
1〜7・・−・・・・・・・−・・−層(半導体部品)
15−・・・−−一−−−−−−・・・−・・ヒートシ
ンクである。
15−・・・−−一−−−−−−・・・−・・ヒートシ
ンクである。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、金属マトリックス中に埋込まれたダイヤモンド粒子
から成る熱伝導複合物と、この熱伝導複合物に熱的に接
触する半導体とを備え、 前記熱伝導複合物は、前記半導体の熱膨張率と実質的に
同じ熱膨張率を有することを特徴とする構造体。 2、前記金属マトリックスは、銅、銀、金およびアルミ
ニウムから成る群から選ばれた少なくとも1つの金属か
ら成ることを特徴とする請求項1記載の構造体。 3、前記金属マトリックスは銅から成ることを特徴とす
る請求項1記載の構造体。 4、前記ダイヤモンド粒子は約3μmより小さな最大寸
法を有することを特徴とする請求項1記載の構造体。 5、前記熱伝導複合物の熱膨張率と前記半導体の熱膨張
率との間の差は約1×10^−^6/℃よりも少ないこ
とを特徴とする請求項1記載の構造体。 6、前記半導体は、シリコン、ゲルマニウム、元素周期
律表のIII族とV族との元素の組合せ、から成る群から
選ばれた少なくとも1つの材料から成ることを特徴とす
る請求項1記載の構造体。 7、放熱する半導体電子デバイスの半導体部品を取り付
けるためのヒートシンクであって、金属マトリックス中
に埋込まれたダイヤモンド粒子の複合物から成り、前記
半導体部品を取り付けるために適用されることを特徴と
するヒートシンク。 8、前記半導体電子デバイスは、レーザダイオードと発
光ダイオードとから成る群から選ばれたものであること
を特徴とする請求項7記載のヒートシンク。 9、前記金属マトリックスは、銅、銀、金およびアルミ
ニウムから成る群から選ばれた少なくとも1つの金属か
ら成ることを特徴とする請求項7記載のヒートシンク。 10、前記金属マトリックスは銅から成ることを特徴と
する請求項7記載のヒートシンク。 11、前記ダイヤモンド粒子は約3μmよりも小さな最
大寸法を有することを特徴とする請求項7記載のヒート
シンク。 12、前記半導体部品は、シリコン、ゲルマニウム、元
素周期律表のIII族とV族との元素の組合せ、から成る
群から選ばれた少なくとも1つの材料から成ることを特
徴とする請求項7記載のヒートシンク。 13、前記複合物は、前記半導体部品の熱膨張率と実質
的に同じ熱膨張率を有することを特徴とする請求項7記
載のヒートシンク。 14、前記複合物の熱膨張率と前記半導体の熱膨張率と
の間の差は約1×10^−^6/℃よりも少ないことを
特徴とする請求項13記載のヒートシンク。 15、金属マトリックス中に埋込まれたダイヤモンド粒
子から成る熱伝導複合物と、この熱伝導複合物に熱的に
接触する半導体とを備えたことを特徴とする電子デバイ
ス。 16、前記熱伝導複合物は、前記半導体の熱膨張率と実
質的に同じ熱膨張率を有することを特徴とする請求項1
5記載の電子デバイス。 17、前記金属マトリックスは、銅、銀、金およびアル
ミニウムから成る群から選ばれた少なくとも1つの金属
から成ることを特徴とする請求項16記載の電子デバイ
ス。 18、前記ダイヤモンド粒子は約3μmよりも小さな最
大寸法を有することを特徴とする請求項16記載の電子
デバイス。 19、前記複合物の熱膨張率と前記半導体の熱膨張率と
の間の差は約1×10^−^4/℃よりも少ないことを
特徴とする請求項16記載の電子デバイス。 20、前記半導体は、シリコン、ゲルマニウム、元素周
期律表のIII族とV族との元素の組合せ、から成る群か
ら選ばれた少なくとも1つの材料から成ることを特徴と
する請求項16記載の電子デバイス。
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