JPH0964255A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0964255A
JPH0964255A JP7240623A JP24062395A JPH0964255A JP H0964255 A JPH0964255 A JP H0964255A JP 7240623 A JP7240623 A JP 7240623A JP 24062395 A JP24062395 A JP 24062395A JP H0964255 A JPH0964255 A JP H0964255A
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JP
Japan
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heat
semiconductor
semiconductor device
cooling
electrode
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JP7240623A
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English (en)
Inventor
Kazuhiro Yoshida
和広 吉田
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 FET3やインダクタ4、キャパシタ5
等からなるMMIC2を形成されたGaAs基板1の裏
面に、裏面電極10、n型半導体層11及び外側電極1
2からなるペルチェ素子9をモノリシックに形成する。
FET3で発生した熱はペルチェ素子9の裏面電極10
側で強制的に吸熱され、外側電極12側で放熱された熱
は放熱板13から外部へ自然放熱される。 【効果】 冷却素子は半導体基板にモノリシックに設け
ているので、半導体装置を小型化でき、冷却効率を向上
させることができ、さらにコストも安価にできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置に関す
る。特に、発熱が問題となる高出力デバイスや高密度集
積回路を含んだ半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】高出力デバイスや集積回路では、その能
動素子で発生した熱により特性の劣化や素子の破壊が生
じることがある。その対策としては、半導体チップやパ
ッケージにヒートシンクを設けたり、半導体チップをフ
リップチップ実装したり、半導体装置そのものを放熱板
(放熱フィン)に取り付けたり、半導体装置に別体部品
のペルチェ素子を取り付けたりしている。
【0003】図3に示すものは、ヒートシンクを用いた
従来のMMIC(モノリシックマイクロ波集積回路)型
の半導体装置である。この従来例では、MMIC41
(GaAs基板)の裏面にヒートシンク用メッキ層(P
HS)42を設け、MMIC41で発生した熱をヒート
シンク用メッキ層42を通して放熱させるようにしてい
る。
【0004】図4に示すものは、フリップチップFET
(電界効果型トランジスタ)を用いた従来の半導体装置
である。この従来例では、表裏反転させたFETチップ
43を金属ブロック44の上に実装している。FETチ
ップ43の発熱側である表面側が金属ブロック44に接
触しているので、熱抵抗が低減され、FETチップ43
の温度上昇が低減される。
【0005】図5に示すものは、パッケージ内に半導体
チップを封止した半導体装置45を放熱フィン46に取
り付けたものである。この従来例では、素子で発生した
熱は放熱フィン46を介して放熱され、素子の温度上昇
が緩和される。
【0006】図6に示すものは、パッケージ内に半導体
チップを封止した半導体装置45をペルチェ素子47を
介して放熱フィン46に取り付けたものである。この従
来例では、ペルチェ素子47により半導体装置45が強
制的に冷却され、ペルチェ素子から放熱される熱は放熱
フィン46から自然放熱される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ヒート
シンクやフリップチップ実装、放熱フィンなど、自然放
熱を促進させるような手段だけでは、十分な放熱効果が
得られない場合がある。特に、素子の高集積化、高出力
化により、単位体積あたりの電流密度が増大しているの
で、発熱が素子に及ぼす影響は無視できないものとなり
つつあり、効果的な温度上昇抑制手段が求められてい
る。
【0008】一方、ペルチェ素子を用いれば強制的に能
動素子等を冷却することができるが、従来にあっては、
パッケージングされた半導体装置に別体部品のペルチェ
素子を組み合わせて用いていたので、大型のペルチェ素
子が必要となっていた。このため、デバイス形状が大き
くなり、コストも高価につき、ペルチェ素子自体の大型
化による発熱も問題となっていた。
【0009】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、デバイス形
状を大きくすることなく効率的に半導体装置の温度上昇
を抑制することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の半導体
装置は、半導体能動素子を形成された半導体基板に冷却
素子を形成したことを特徴としている。
【0011】請求項2に記載の実施態様は、請求項1記
載の半導体装置において、前記冷却素子は、ペルチェ効
果を利用した素子であることを特徴としている。
【0012】請求項3に記載の実施態様は、請求項1記
載の半導体装置において、前記冷却素子を前記半導体基
板の一部分に選択的に設けたことを特徴としている。
【0013】
【作用】本発明の半導体素子にあっては、半導体能動素
子によって発生した熱は、ペルチェ素子のような冷却素
子によって強制的に冷却され、温度上昇を抑制される。
従って、能動素子の動作を安定化させることができ、温
度上昇による劣化や破壊からも保護することができる。
【0014】しかも、この半導体装置にあっては、冷却
素子は半導体能動素子と同じ半導体基板にモノリシック
に直接設けられているので、別体部品となった半導体素
子と冷却素子とを組合せる場合と比較して、全体のデバ
イス形状を薄く、小型化することができる。また、冷却
素子が直接に設けられていてパッケージ等が能動素子と
冷却素子との間に介在していないので、冷却効率を向上
させることができる。さらに、それぞれの素子を個別に
パッケージングする必要がなくなるので、コストも安価
になる。
【0015】また、発熱部分が半導体基板の一部領域に
限定される場合には、冷却素子を半導体基板の一部、す
なわち発熱の大きな部分に選択的に設ければ、冷却素子
のサイズを小さくすることができ、冷却素子における電
力消費を小さくすることができると共に、冷却素子にお
ける発熱を小さく抑えることができ、冷却効率を向上さ
せることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
(第1の実施形態)図1(d)は本発明の一実施形態に
よる半導体装置を示す概略断面図であって、GaAs基
板1上に形成された高出力アンプ用のMMIC2に適用
した例を示している。また、図1(a)〜(d)は当該
半導体装置の製造手順を示す概略説明図である。以下、
当該実施形態を図1(a)〜(d)に従って説明する。
【0017】図1(a)は、GaAs基板1上に形成さ
れた、FET3、インダクタ4及びキャパシタ5等から
なるMMIC2を示している。なお、6はFET3のソ
ース電極、7はドレイン電極、8はゲート電極である。
【0018】このGaAs基板1には、つぎのようにし
て一部領域に選択的にペルチェ素子9が設けられる。こ
のGaAs基板1のうち、もっとも発熱量の多い部分は
能動素子であるFET3が形成されている領域であるの
で、まずGaAs基板1の裏面のFET3が形成されて
いる領域よりも広い領域に裏面電極10を設ける。つい
で、裏面電極10の上から、FET3の形成されている
領域にエピタキシャル成長法等によりn型半導体層(p
型半導体層でもよい)11を設ける(図1(b))。こ
の半導体層11は、冷却効率を高くするためには、熱伝
導度が小さくて電気伝導度の大きな材料であることが望
ましい。例えば、Bi2Te3、Sb2Se3等の半導体材
料を用いるのが好ましい。
【0019】さらに、半導体層11の上に外側電極12
を形成し、裏面電極10、半導体層11及び外側電極1
2によりペルチェ素子9をモノリシックに形成する(図
1(c))。また、外側電極12上に放熱板13を設
け、裏面電極10のうち半導体層11から露出した領域
にも放熱板14を設ける。この放熱板13,14は、金
属等の通電可能な材質のものが好ましい。こうして完成
された図1(d)のような構造の冷却機能を備えた半導
体装置は、例えば放熱板13,14を外部に露出させる
ようにしてパッケージングされる。
【0020】しかして、半導体層11と裏面電極10の
間の界面が吸熱層(冷却側)となり、半導体層11と外
側電極12の間の界面が放熱層(発熱側)となるように
して、電源15から放熱板13,14を介して(あるい
は、直接に)電極10,12間に電流を流すと、ペルチ
ェ素子9内にはGaAs基板1側から放熱板13側への
熱の流れが生じる。従って、FET3によって発生した
熱はペルチェ素子9に吸熱され、FET3が冷却されて
特定が安定し、温度上昇による特性劣化や破壊から保護
される。また、ペルチェ素子9から放出された熱は、放
熱板13から外部へ放散される。
【0021】しかも、この実施形態にあっては、ペルチ
ェ素子9は発熱の大きなFET3の領域にのみ選択的に
設けているので、ペルチェ素子9が大きくなるのを避け
ることができる。このため、ペルチェ素子9による電力
消費を小さくでき、半導体装置の消費電力を小さくでき
る。また、ペルチェ素子9の電力消費を小さくできるの
で、ペルチェ素子9における発熱量も少なくでき、冷却
効率を高くすることができる。さらに、ペルチェ素子9
はMMIC2の基板にモノリシックに形成しているの
で、全体形状も小さくでき、コストも安価にできる。
【0022】また、GaAs基板1に設けたバイアホー
ル(図示せず)により裏面電極10をGaAs基板1の
表面側の回路のグランドに接続すれば、裏面電極10を
グランド電極とすることができ、素子特性の安定化(た
とえば、寄生インピーダンスの低減)と工程の簡素化を
図ることができる。特に、裏面電極10をインダクタ4
やキャパシタ5の裏面まで延出させることにより、寄生
インピーダンスを低減することができる。
【0023】また、GaAs基板1にバイアホール(図
示せず)を設け、GaAs基板1の表面側に発生してい
る熱をバイアホールを通じて裏面電極10へ伝導させ、
放熱効率を向上させるようにしてもよい。
【0024】なお、放熱板を設けている箇所における裏
面電極10の温度が周囲温度よりも低い場合には、裏面
電極10上の放熱板14は省略してもよく、放熱板に替
えて断熱層を形成してもよい。
【0025】(第2の実施形態)図2(e)は本発明の
別な実施形態による半導体装置を示す概略断面図であっ
て、Si基板21上に形成された集積回路(LSI)2
2に適用した例を示している。また、図2(a)〜
(e)は当該半導体装置の製造手順を示す概略説明図で
ある。以下、当該実施形態を図2(a)〜(e)に従っ
て説明する。
【0026】図2(a)は、表面全体にわたって集積回
路22を形成されたSi基板21を示している。このS
i基板21の裏面全体には、つぎのようにしてペルチェ
素子23が設けられる。このSi基板21の裏面全面に
絶縁膜24を形成し(図2(b))、絶縁膜24の上か
らSi基板21の裏面全体に裏面電極25を設ける(図
2(c))。ついで、裏面電極25の上の適当な部分
に、p型半導体層26とn型半導体層27を設ける(図
2(d))。これらの半導体層26,27も、熱伝導度
が小さくて電気伝導度の大きな材料が望ましい。
【0027】さらに、p型半導体層26及びn型半導体
層27の上にそれぞれ外側電極28,29を形成し、裏
面電極25、p型半導体層26、n型半導体層27及び
外側電極28,29によりペルチェ素子23をモノリシ
ックに形成する(図2(e))。
【0028】しかして、p型及びn型半導体層26,2
7と裏面電極25の間の界面が吸熱層(冷却側)とな
り、p型及びn型半導体層26,27と外側電極28,
29の間の界面が放熱層(発熱側)となるようにして、
電源30により外側電極28,29間に電流を流すと、
集積回路22によって発生した熱はペルチェ素子23に
吸熱され、外側電極28,29側から放熱される。な
お、図2(e)には示していないが、外側電極28,2
9上に放熱板を設けてもよい。
【0029】この実施形態にあっては、Si基板21の
全体にわたって熱が発生しており、ペルチェ素子23も
Si基板21の全体に設けられていてSi基板21全体
を強制的に冷却している。
【0030】また、この実施形態でも、Si基板21に
設けたバイアホール(図示せず)により裏面電極25を
Si基板21の表面側の集積回路22のグランドに接続
すれば、素子特性の安定化(たとえば、寄生インピーダ
ンスの低減)と工程の簡素化を図ることができる。
【0031】
【発明の効果】本発明の半導体素子にあっては、冷却素
子を半導体能動素子とモノリシックに一体化することが
できるので、半導体装置のサイズを小型化できる。ま
た、冷却素子によって能動素子ないし半導体基板を直接
的に冷却することができるので、能動素子の冷却効率が
高くなる。さらに、能動素子と冷却素子を個別にパッケ
ージングして別部品とし、それぞれを実装する必要がな
くなるので、コストも安価になる。
【0032】また、発熱部分が半導体基板の一部領域に
限定される場合には、冷却素子を発熱の大きな部分に選
択的に設ければ、冷却素子のサイズを小さくすることが
できて冷却素子の消費電流を少なくできる。また、冷却
素子の発熱量を低減することができるので、冷却効率が
向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)(b)(c)(d)は本発明の一実施形
態による半導体装置の製造手順を説明するための概略図
である。
【図2】(a)(b)(c)(d)(e)は本発明の別
な実施形態による半導体装置の製造手順を説明するため
の概略図である。
【図3】ヒートシンクを用いた従来のMMICを示す概
略断面図である。
【図4】FETチップをフリップチップ実装した従来例
を示す概略断面図である。
【図5】放熱フィンを用いた従来例を示す概略図であ
る。
【図6】ペルチェ素子を用いた従来例を示す概略図であ
る。
【符号の説明】
1 GaAs基板 2 MMIC(モノリシックマイクロ波集積回路) 3 FET 9 ペルチェ素子 10 裏面電極 11 半導体層 12 外側電極 21 Si基板 22 集積回路 23 ペルチェ素子 25 裏面電極 26 p側半導体層 27 n側半導体層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体能動素子を形成された半導体基板
    に冷却素子を形成したことを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記冷却素子は、ペルチェ効果を利用し
    た素子であることを特徴とする、請求項1に記載の半導
    体素子。
  3. 【請求項3】 前記冷却素子を前記半導体基板の一部分
    に選択的に設けたことを特徴とする、請求項1に記載の
    半導体装置。
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