JPH0634402B2 - ホウ素系化合物半導体を有する放熱基板とその製法 - Google Patents
ホウ素系化合物半導体を有する放熱基板とその製法Info
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- JPH0634402B2 JPH0634402B2 JP63069706A JP6970688A JPH0634402B2 JP H0634402 B2 JPH0634402 B2 JP H0634402B2 JP 63069706 A JP63069706 A JP 63069706A JP 6970688 A JP6970688 A JP 6970688A JP H0634402 B2 JPH0634402 B2 JP H0634402B2
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はリン化ホウ素（BP），ヒ化ホウ素（BAs）な
どホウ素系化合物の高熱伝導性を利用した新規な放熱基
板とその製法およびホウ素系化合物半導体素子に関する
ものである。
どホウ素系化合物の高熱伝導性を利用した新規な放熱基
板とその製法およびホウ素系化合物半導体素子に関する
ものである。
［従来の技術］ 半導体素子の高集積化，高出力化の進展に伴って、素子
の動作中に発生する熱をいかに放散させるかが重要な課
題となっている。
の動作中に発生する熱をいかに放散させるかが重要な課
題となっている。
これまで半導体素子用の放熱基板として、 Al2O3,SiC,
AlN などが用いられているが、これらの熱伝導性は必ず
しも十分ではない。より高い熱伝導性を有するものとし
て、BeO やダイヤモンドがある。しかし、BeO は毒性が
あるため国内では製造されていない。ダイヤモンドは価
格が高い上に広い面積にわたって作成することができ
ず、実用化に大きな障壁となっている。そこで電子機器
の高速度化，小型，軽量化，高出力化，高信頼性化への
強い要求から、素子の発熱を効率よく系外に逃がす高性
能の高熱伝導基板の開発が望まれている。
AlN などが用いられているが、これらの熱伝導性は必ず
しも十分ではない。より高い熱伝導性を有するものとし
て、BeO やダイヤモンドがある。しかし、BeO は毒性が
あるため国内では製造されていない。ダイヤモンドは価
格が高い上に広い面積にわたって作成することができ
ず、実用化に大きな障壁となっている。そこで電子機器
の高速度化，小型，軽量化，高出力化，高信頼性化への
強い要求から、素子の発熱を効率よく系外に逃がす高性
能の高熱伝導基板の開発が望まれている。
一方、半導体素子の使用環境の拡大に伴って、耐熱性お
よび耐放射線性にすぐれた半導体素子が求められている
が、いまだ実用の域に達していない。
よび耐放射線性にすぐれた半導体素子が求められている
が、いまだ実用の域に達していない。
［発明が解決しようとする課題］ 本発明はこのような事実に鑑みてなされたもので、熱伝
導性が高く、放熱効率の高い放熱基板およびそのような
放熱基板を容易に製造し得る方法を提供すること、さら
に耐熱性，耐放射線性にすぐれた半導体素子を提供する
ことを目的とする。
導性が高く、放熱効率の高い放熱基板およびそのような
放熱基板を容易に製造し得る方法を提供すること、さら
に耐熱性，耐放射線性にすぐれた半導体素子を提供する
ことを目的とする。
［課題を解決するための手段］ このような目的を達成するために、本発明放熱基板は基
板と該基板上に形成されたリン化ホウ素およびヒ化ホウ
素の一方またはそれらの混晶を主成分とするホウ素系化
合物半導体からなる放熱基板であって、前記ホウ素系化
合物半導体が基板上の１次成長層と該１次成長層上の２
次成長層からなる二層構造を有することを特徴とする。
板と該基板上に形成されたリン化ホウ素およびヒ化ホウ
素の一方またはそれらの混晶を主成分とするホウ素系化
合物半導体からなる放熱基板であって、前記ホウ素系化
合物半導体が基板上の１次成長層と該１次成長層上の２
次成長層からなる二層構造を有することを特徴とする。
本発明製造方法は基板上に上述したホウ素系化合物半導
体を成長させるに際して、成長の途中で基板温度を急激
に上昇させた後、成長を続行することを特徴とする。
体を成長させるに際して、成長の途中で基板温度を急激
に上昇させた後、成長を続行することを特徴とする。
［作 用］ リン化ホウ素（BP）をSi基板上に成長させることはすで
に行われている。しかしリン化ホウ素の物性値、特に熱
伝導率などの熱的性質はこれまで実験的に明らかにされ
ていない。HP,BAsなどのホウ素系化合物半導体が高い熱
伝導率を有し、さらに高い電気絶縁性をも有することが
本発明者らによって明らかにされた。
に行われている。しかしリン化ホウ素の物性値、特に熱
伝導率などの熱的性質はこれまで実験的に明らかにされ
ていない。HP,BAsなどのホウ素系化合物半導体が高い熱
伝導率を有し、さらに高い電気絶縁性をも有することが
本発明者らによって明らかにされた。
本発明の放熱基板はホウ素系化合物半導体の高熱伝導率
を利用しているので、放熱効率が高く、さらにSiなどの
ICやLSI 基板に直接積層した膜を放熱板として利用でき
るので、半導体装置の構造が簡単となり、組立て工数を
低減することができる。さらに、本発明によるホウ素系
化合物半導体は熱膨張係数が小さいので、高い信頼性を
有している。
を利用しているので、放熱効率が高く、さらにSiなどの
ICやLSI 基板に直接積層した膜を放熱板として利用でき
るので、半導体装置の構造が簡単となり、組立て工数を
低減することができる。さらに、本発明によるホウ素系
化合物半導体は熱膨張係数が小さいので、高い信頼性を
有している。
本発明製造方法によれば、ホウ素系化合物半導体の電気
抵抗を極めて高くすることができるので、半導体素子用
に好適な放熱基板を作製することができる。
抵抗を極めて高くすることができるので、半導体素子用
に好適な放熱基板を作製することができる。
本発明によるホウ素系化合物半導体を用いた半導体素子
は、耐熱性および耐放射線性および放熱特性がすぐれて
いる。
は、耐熱性および耐放射線性および放熱特性がすぐれて
いる。
［実施例］ 以下に実施例によって本発明を詳細に説明する。
第１図は本発明に係る放熱基板を用いた半導体装置の模
式図である。図において、１はSi基板、２は基板１上に
構成された素子構造である。３はBP放熱基板であり、絶
縁板を兼ねている。放熱基板３はSi基板１上に直接成長
させた層であり、そのSi基板側と反対の面は銅などによ
ってメタライズされている。メタライズ層４をはんだ５
によってフィン６にはんだ付けして半導体装置の冷却構
造が完成する。
式図である。図において、１はSi基板、２は基板１上に
構成された素子構造である。３はBP放熱基板であり、絶
縁板を兼ねている。放熱基板３はSi基板１上に直接成長
させた層であり、そのSi基板側と反対の面は銅などによ
ってメタライズされている。メタライズ層４をはんだ５
によってフィン６にはんだ付けして半導体装置の冷却構
造が完成する。
第２図は比較のために示した従来の半導体装置の冷却構
造の一例の模式図である。Si基板１に、両面にメタライ
ズ層７および８を有するSIC 放熱基板９がはんだ付けさ
れ、さらにSIC 放熱基板９はフィン６にはんだ付けされ
ている。10,11 ははんだ層である。第１図と第２図との
比較から明らかなように、本発明の放熱板を用いた冷却
構造は従来例に比してその構成が簡単である。従って製
造工程も簡略化することができる。
造の一例の模式図である。Si基板１に、両面にメタライ
ズ層７および８を有するSIC 放熱基板９がはんだ付けさ
れ、さらにSIC 放熱基板９はフィン６にはんだ付けされ
ている。10,11 ははんだ層である。第１図と第２図との
比較から明らかなように、本発明の放熱板を用いた冷却
構造は従来例に比してその構成が簡単である。従って製
造工程も簡略化することができる。
次にSi基板上へのBP膜の成長法について説明する。
リン化ホウ素（BP）を含めたホウ素系III−Ｖ族化合物
半導体は、反応ガスを高周波加熱したSi単結晶上に流
し、基板上での熱分解法で得る方法が一般的である。し
かし従来の方法ではSi基板からのSiのオートドーピング
のために高純度のBPを得ることができなかった。
半導体は、反応ガスを高周波加熱したSi単結晶上に流
し、基板上での熱分解法で得る方法が一般的である。し
かし従来の方法ではSi基板からのSiのオートドーピング
のために高純度のBPを得ることができなかった。
第３図に、本発明のBP膜を形成するためのCVD 装置を示
す。図において、12は反応管、13は冷却水を通す冷却
管、14は高周波コイルである。反応管12内にグラファイ
ト製のサセプタ15が設置され、その上にSi基板16が支持
されている。
す。図において、12は反応管、13は冷却水を通す冷却
管、14は高周波コイルである。反応管12内にグラファイ
ト製のサセプタ15が設置され、その上にSi基板16が支持
されている。
サセプタ15は、石英棒などからなる傾斜したフレーム17
上に載せられ、さらに前後を石英からなる２個の傾斜体
18,19 によって挟まれている。反応管のガス入口12A か
らB2H6,PH3およびH2の混合ガスを流し、加熱されたSi基
板16上にBPを形成する。反応管内部の構成を第３図のよ
うにすることによって、反応ガスの流れを整流し、さら
に傾斜体19に適度の質量を持たせることによって、Si基
板上の温度の均一性を向上させることができた。
上に載せられ、さらに前後を石英からなる２個の傾斜体
18,19 によって挟まれている。反応管のガス入口12A か
らB2H6,PH3およびH2の混合ガスを流し、加熱されたSi基
板16上にBPを形成する。反応管内部の構成を第３図のよ
うにすることによって、反応ガスの流れを整流し、さら
に傾斜体19に適度の質量を持たせることによって、Si基
板上の温度の均一性を向上させることができた。
原料ガスとしてB2H6およびPH３を用い、Si（111）基板
上にBP膜を成長させた。成長条件はB2H6（５％水素希
釈）50〜60cc/min，PH3（５％水素希釈） 300〜500cc/m
in ，水素ガス（キャリア）3000〜5000cc/min，基板温
度900 〜1200℃である。
上にBP膜を成長させた。成長条件はB2H6（５％水素希
釈）50〜60cc/min，PH3（５％水素希釈） 300〜500cc/m
in ，水素ガス（キャリア）3000〜5000cc/min，基板温
度900 〜1200℃である。
以上の条件で高熱伝導率のBP膜をSi基板上に成長させる
ことができた。
ことができた。
次に本発明によるBP膜の熱的性質の測定例について述べ
る。
る。
本発明のBP膜の熱膨張係数は４×10-6／℃と極めて小さ
い。
い。
BP膜の熱拡散率をレーザフラッシュ法によって求めた。
従来のレーザフラッシュ法では不可能な薄膜・薄板に対
してレーザ光を試料の中心軸上に合せてリング状に照射
し、試料の裏面の中心の温度変化を測定し、熱拡散率を
求めた。その結果室温で1.8cm2/secの値が得られた。
してレーザ光を試料の中心軸上に合せてリング状に照射
し、試料の裏面の中心の温度変化を測定し、熱拡散率を
求めた。その結果室温で1.8cm2/secの値が得られた。
BP膜の比熱をパーキンソンのDSC によって測定した結
果、0.9（J/g℃)の値が得られた。BP膜の密度は2.97/cm
3であり、以上の結果よりBPの熱伝導率を求めると、室
温で4.8（J/cm℃・S）となる。
果、0.9（J/g℃)の値が得られた。BP膜の密度は2.97/cm
3であり、以上の結果よりBPの熱伝導率を求めると、室
温で4.8（J/cm℃・S）となる。
次にBPの熱伝導率を高温まで測定した。その結果を他の
材料と比較して第４図に示す。図示のように、本発明の
BP膜は全温度領域にわたって、他の材料より高い熱伝導
率をもっている。このBP膜の高い熱伝導率は本発明者ら
によって、はじめて明らかにされたものである。
材料と比較して第４図に示す。図示のように、本発明の
BP膜は全温度領域にわたって、他の材料より高い熱伝導
率をもっている。このBP膜の高い熱伝導率は本発明者ら
によって、はじめて明らかにされたものである。
このような高い熱伝導率に加え、BP膜に高い電気抵抗を
付与する方法が見出された。
付与する方法が見出された。
第５図はBP膜を成長させるためのSi基板の加熱条件の一
例を示すダイアグラムである。はじめ基板温度を1050℃
としてBP膜をSi基板上に成長させた後、図示するように
温度を1080℃まで急激に上昇させて成長をつづけ、所定
膜厚の成長が完了した後、温度を再び1050℃に下げて一
定時間保持した後に徐冷する。このようにして成長させ
たBP膜の断面構造を第６図に示す。
例を示すダイアグラムである。はじめ基板温度を1050℃
としてBP膜をSi基板上に成長させた後、図示するように
温度を1080℃まで急激に上昇させて成長をつづけ、所定
膜厚の成長が完了した後、温度を再び1050℃に下げて一
定時間保持した後に徐冷する。このようにして成長させ
たBP膜の断面構造を第６図に示す。
最初にSiを含んだ１次成長層22がSi基板21上に成長し、
さらに温度を上げることにより２次成長層23として、う
ろこ状の成長が始まり、２層からなるBP膜が得られた。
さらに温度を上げることにより２次成長層23として、う
ろこ状の成長が始まり、２層からなるBP膜が得られた。
この２次成長したBP膜について、４端子法によるホール
測定を行った。得られたBP膜の抵抗率は10６〜10８Ωcm
であり、従来の１次成長だけのBPの抵抗率10１〜10２Ω
cmに比べて絶縁性を大きくすることが出来た。なお２次
成長したBP膜の熱伝導率には変化はなかった。
測定を行った。得られたBP膜の抵抗率は10６〜10８Ωcm
であり、従来の１次成長だけのBPの抵抗率10１〜10２Ω
cmに比べて絶縁性を大きくすることが出来た。なお２次
成長したBP膜の熱伝導率には変化はなかった。
１次成長のための基板温度は1050℃に限られず、成長さ
せるべき膜の種類，性質に応じ選定することができる。
２次成長は、１次成長温度に対して10〜60℃程度急激に
昇温して反応を行わせればよい。１次成長層としての必
要な厚さは厳密ではなく、数10μｍ以上であればよく、
２次成長層の厚さは必要に応じて定められる。２次成長
終了後、１次成長温度と同じ温度に保持することは省略
することもできる。
せるべき膜の種類，性質に応じ選定することができる。
２次成長は、１次成長温度に対して10〜60℃程度急激に
昇温して反応を行わせればよい。１次成長層としての必
要な厚さは厳密ではなく、数10μｍ以上であればよく、
２次成長層の厚さは必要に応じて定められる。２次成長
終了後、１次成長温度と同じ温度に保持することは省略
することもできる。
このように本発明のBP膜は高熱伝導性と高絶縁性とをあ
わせもっているので、半導体素子の放熱基板として極め
て有用である。
わせもっているので、半導体素子の放熱基板として極め
て有用である。
最後に本発明のBP膜を有する半導体素子の実施例につい
て述べる。第７図は本発明によるp-n 接合ダイオードの
実施例を示す。図において、24はSi基板、25はn-BP層、
26はp-BP層、27および28は Al電極層である。この素子
はSi基板上にｎ型BP層とｐ型BP層を積層することによっ
て作られる。ｎ型層は反応ガス中のPH３の比率を高く
し、また反応温度を低く制御することによって、ｐ型層
はPH３の比率を低くし、または反応温度を高く制御する
ことによって形成することができる。ｎ型層とｐ型層の
積層順序は逆であってもよい。
て述べる。第７図は本発明によるp-n 接合ダイオードの
実施例を示す。図において、24はSi基板、25はn-BP層、
26はp-BP層、27および28は Al電極層である。この素子
はSi基板上にｎ型BP層とｐ型BP層を積層することによっ
て作られる。ｎ型層は反応ガス中のPH３の比率を高く
し、また反応温度を低く制御することによって、ｐ型層
はPH３の比率を低くし、または反応温度を高く制御する
ことによって形成することができる。ｎ型層とｐ型層の
積層順序は逆であってもよい。
本実施例のダイオードは従来のダイオードに比べて耐熱
性にすぐれ、さらに放射線（α線，中性子線，Ｘ線等）
に対して強い特徴をもち、さらに放熱特性が良好であ
る。
性にすぐれ、さらに放射線（α線，中性子線，Ｘ線等）
に対して強い特徴をもち、さらに放熱特性が良好であ
る。
このほか表面障壁型ダイオードでも同様のことは可能で
ある。
ある。
上の実施例はBPについて示したが、BAs やこれらの液晶
の場合についても同等の効果が得られる。すなわちBAs
も結晶構造がせん亜鉛鉱型で、電子構造，化学結合なら
びに電気的，光学的特性などがBPのものと極めて近く、
半導体物性が極めて類似しているので、BPと同等の効果
が得られる。
の場合についても同等の効果が得られる。すなわちBAs
も結晶構造がせん亜鉛鉱型で、電子構造，化学結合なら
びに電気的，光学的特性などがBPのものと極めて近く、
半導体物性が極めて類似しているので、BPと同等の効果
が得られる。
また、他の元素を添加した多成分系においても同様の効
果が得られている。なお本発明は単結晶膜に限定される
ものでなく、多結晶，非結晶，焼結体などからなるホウ
素系化合物半導体に適用できる。
果が得られている。なお本発明は単結晶膜に限定される
ものでなく、多結晶，非結晶，焼結体などからなるホウ
素系化合物半導体に適用できる。
［発明の効果］ 以上説明したように、この発明は高い熱伝導率を利用し
てＩＣ，レーザダイオード等の放熱板に用いるものであ
る。この発明によって得られる効果を列挙すると、 (1) ＩＣ，レーザ等に用いられるSiやGaAs等の上に成長
させた膜を放熱板にすれば、材料構造が単純になり、部
品点数や組立て工数が低減でき、デバイスの小型軽量
化，信頼性向上などの効果が大きい。
てＩＣ，レーザダイオード等の放熱板に用いるものであ
る。この発明によって得られる効果を列挙すると、 (1) ＩＣ，レーザ等に用いられるSiやGaAs等の上に成長
させた膜を放熱板にすれば、材料構造が単純になり、部
品点数や組立て工数が低減でき、デバイスの小型軽量
化，信頼性向上などの効果が大きい。
(2) 絶縁性が大きく、熱膨張係数が小さいので、信頼性
が高い。
が高い。
(3) 宇宙通信や自動車電話などに用いるマイクロ波発振
用トランジスタ，光通信用レーザダイオードのように、
高電流密度で作動させるために、発熱が特に激しいもの
に効果が大きい。
用トランジスタ，光通信用レーザダイオードのように、
高電流密度で作動させるために、発熱が特に激しいもの
に効果が大きい。
さらに、本発明によるホウ素系化合物半導体を用いた半
導体素子は、放熱特性，耐熱性，耐放射線性にすぐれて
いるので、広い適用範囲をもっている。
導体素子は、放熱特性，耐熱性，耐放射線性にすぐれて
いるので、広い適用範囲をもっている。
本発明は電子計算機，光通信等の情報産業の広い分野に
わたって適用可能である。
わたって適用可能である。
第１図は本発明の放熱基板を用いた半導体装置の模式
図、 第２図は従来の放熱基板を用いた半導体装置の模式図、 第３図は本発明BP膜を形成するCVD 装置の断面図、 第４図はBPの熱伝導率を他の材料と比較して示した特性
図、 第５図は本発明BP膜の成長方法の一例を示すダイアグラ
ム、 第６図はBP膜の２次成長を説明する断面図、 第７図は本発明によるp-n 接合ダイオードの実施例の構
造を示す図である。 １……Si基板、 ２……素子構造、 ３……BP放熱基板、 ４……メタライズ層、 ５……はんだ、 ６……フィン、 ７，８……メタライズ層、 ９……放熱基板（SiC）、 10，11……はんだ、 12……反応管、 14……高周波コイル、 15……サセプタ、 16……Si基板、 18，19……傾斜体、 21……Si基板。 22……１次成長層、 23……２次成長層、 24……Si基板、 25……n-BP層、 26……p-BP層、 27，28…… Al電極層。
図、 第２図は従来の放熱基板を用いた半導体装置の模式図、 第３図は本発明BP膜を形成するCVD 装置の断面図、 第４図はBPの熱伝導率を他の材料と比較して示した特性
図、 第５図は本発明BP膜の成長方法の一例を示すダイアグラ
ム、 第６図はBP膜の２次成長を説明する断面図、 第７図は本発明によるp-n 接合ダイオードの実施例の構
造を示す図である。 １……Si基板、 ２……素子構造、 ３……BP放熱基板、 ４……メタライズ層、 ５……はんだ、 ６……フィン、 ７，８……メタライズ層、 ９……放熱基板（SiC）、 10，11……はんだ、 12……反応管、 14……高周波コイル、 15……サセプタ、 16……Si基板、 18，19……傾斜体、 21……Si基板。 22……１次成長層、 23……２次成長層、 24……Si基板、 25……n-BP層、 26……p-BP層、 27，28…… Al電極層。
フロントページの続き (72)発明者 三橋 武文 茨城県つくば市並木１丁目１番地 科学技 術庁無機材質研究所内 (72)発明者 岡谷 伸一 東京都昭島市松原町３丁目９番12号 理学 計測株式会社内 (72)発明者 牟田 史仁 東京都昭島市松原町３丁目９番12号 理学 計測株式会社内 (72)発明者 小代 毅 東京都昭島市松原町３丁目９番12号 理学 計測株式会社内 審査官 川真田 秀男 (56)参考文献 特開 昭49−53787（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−8600（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】基板と該基板上に形成されたリン化ホウ素
およびヒ化ホウ素の一方またはそれらの混晶を主成分と
するホウ素系化合物半導体からなる放熱基板であって、 前記ホウ素系化合物半導体が基板上の１次成長層と該１
次成長層上の２次成長層からなる二層構造を有すること
を特徴とする放熱基板。 - 【請求項２】前記ホウ素系化合物半導体を半導体装置の
基板上に成長させたことを特徴とする請求項１記載の放
熱基板。 - 【請求項３】基板上にリン化ホウ素およびヒ化ホウ素の
一方またはそれらの混晶を主成分とするホウ素系化合物
半導体を成長させるに際して、成長の途中で基板温度を
急激に上昇させた後、成長を続行することを特徴とする
ホウ素系化合物半導体層を有する放熱基板の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63069706A JPH0634402B2 (ja) | 1988-03-25 | 1988-03-25 | ホウ素系化合物半導体を有する放熱基板とその製法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63069706A JPH0634402B2 (ja) | 1988-03-25 | 1988-03-25 | ホウ素系化合物半導体を有する放熱基板とその製法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01243563A JPH01243563A (ja) | 1989-09-28 |
| JPH0634402B2 true JPH0634402B2 (ja) | 1994-05-02 |
Family
ID=13410551
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63069706A Expired - Lifetime JPH0634402B2 (ja) | 1988-03-25 | 1988-03-25 | ホウ素系化合物半導体を有する放熱基板とその製法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0634402B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7919855B2 (en) * | 2006-02-21 | 2011-04-05 | Lockheed Martin | Topside thermal management of semiconductor devices using boron phosphide contacting a gate terminal |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5241036B2 (ja) * | 1972-09-28 | 1977-10-15 | ||
| JPH0680909B2 (ja) * | 1985-07-04 | 1994-10-12 | ティーディーケイ株式会社 | 半導体装置用放熱板 |
-
1988
- 1988-03-25 JP JP63069706A patent/JPH0634402B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01243563A (ja) | 1989-09-28 |
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