JPH03184364A - 電力用極低温半導体素子 - Google Patents

電力用極低温半導体素子

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JPH03184364A
JPH03184364A JP2284538A JP28453890A JPH03184364A JP H03184364 A JPH03184364 A JP H03184364A JP 2284538 A JP2284538 A JP 2284538A JP 28453890 A JP28453890 A JP 28453890A JP H03184364 A JPH03184364 A JP H03184364A
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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。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電力用半導体素子に関し、更に詳しくは、液
体窒素などの冷却剤の浴内におけるように極低温で動作
する金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦ
ＥＴ）　、静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）などのよう
な新規な電力用固体半導体素子に関する。
多くの電力発生用途においては、固体素子が真空管にと
って代わってきた。多くの電力用固体素子の（ＭＯＳＦ
ＥＴのチャンネルにおけるような）非常に小さな部分に
発生するきわめて高い電力密度のために、素子の信頼性
および寿命は短くなってきている。スイッチモードおよ
び他の高効率な方法を使用して素子の電力消費を最小に
することは周知であるが、電力用ＭＯＳＦＥＴのオン抵
抗におけるスイッチング電流の消費によるような素子内
部に発生する熱エネルギを迅速に除去することは困難な
場合が多い。良好な熱設計が必要であるが、半導体材料
の熱伝導率および素子チップを取り付ける基板の熱伝導
率を最大にすることが必要である。従って、効率をきわ
めて高くし且つ大きさを非常に小さくするために極低温
で動作するように取り付けられてパッケージに入れられ
る電力用素子が非常に要望されている。
発明の要約 本発明に−よれば、極低温用に最適化された電力用固体
半導体素子は極低温流体槽内に配置された非常に高い熱
伝導率の材料の基板上に取り付けられた実際の素子チッ
プを有している。基板はベリリア、ベリリウム、アルミ
ナ、窒化アルミニウム、ダイアモンドなどの材料で形成
される。素子はＭＯＳＦＥＴ、ＳＩＴ等である。
好適な態様では基板は垂直平面内に配設されて、チップ
取り付け面および基板の裏側面のいずれか一方または両
方が極低温冷却液内に入れられた場合に、極低温液体と
チップ支持放熱部材との間に熱伝導率の低い蒸気の障壁
が形成されないようにする。
従って、本発明の目的は、極低温に冷却される電子装置
組立体に使用される新規な電力用極低温固体半導体素子
を提供することにある。
本発明のこの目的および他の目的は添付図面を参照した
以下の説明から・明らかになるであろう。
発明の詳細な説明 最初に、第１図を参照すると、極低温に冷却可能な電力
用半導体素子１０は放熱部材１１を有し、この放熱部材
１１の第１の面１１ａには電力用固体半導体素子チップ
１２が取り付けられ、第２の面１１ｂは銅等の材料から
なる熱伝導性構造部材１４上に取り付けられ、半導体チ
ップ１２および支持用の熱伝導性の放熱部材１１を約７
７”Ｋの温度の液体窒素（ＬＮ２　）のような極低温液
体の槽１５内に保持している。室温で使用する素子の場
合では、放熱部材の厚さＴは、放熱部材（例えば、Ｂｅ
ｄ）の熱伝導率θが部材１４の材料（例えば、Ｃｕ）の
熱伝導率より小さいとき、可能な限り薄くされる。極低
温（例えば、７７’Ｋ）においては、ＴはＢｅＯのθが
偽のθよりも大きいので、かなり厚く選択される。素子
１０は垂直平面内に配設するのが都合がよく、すなわち
両方の面１１ａおよびｌｌｂを垂直に配置するのが好ま
しい。
これは、周囲の極低温液体１５から熱的に撹拌される蒸
気が素子１０の周りに集まらず、素子１０と周囲の液体
１５との間に熱伝導率の低い蒸気の障壁が形成されない
からである。
アルミナ、ダイアモンド、ベリリアなどのような基板材
料の熱伝導率は極低温において増大する傾向があり、実
際に液体窒素の温度（すなわち、７７　＠Ｋ）近くにお
いてピークになることが知られている。銅、アルミニウ
ム等のような導体および固体素子を形成する半導体材料
（シリコン、ゲルマニウムなどのような）の熱伝導率は
温度が極低温領域に低下するに従って増大する。ＭＯＳ
ＦＥＴおよび５ＩＴ（静電誘導トランジスタ）素子の試
験の結果、多くの重要な電子的特性が極低温領域におい
て劇的に改良されることがわかっている。例えば、高電
圧（２００−１０００Ｖ）ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗は室
温（例えば、２９０　＠Ｋ）に対して液体窒素の温度に
おいて約１０ないし３０分の１に低減する。スイッチン
グ時間、従ってスイッチングの電力損失は寄生容量の影
響が温度とともに減少するのに従って低減する。従って
、速度のみならず、相互コンダクタンス、利得および最
大電流が、電子の移動度の増大によって増大する。この
ような全ての変化の結果−層低価格の素子で同じ電力レ
ベルを処理することができる。
好適な他の素子１０′が第３図に示されている。
この第３図において、窒化アルミニウム、酸化ベリリウ
ム等のような高い熱伝導率を有する電気絶縁材料からな
るほぼＬ型の部材１１′の第１の面１１′ａが図示例で
は凹部１１′ｂの内部に設けられ、この凹部１１′ｂ上
には電力用素子チップ１２が取り付けられている。凹部
１１′ｂは基板の脚部分１１′　Ｃに形成されている。
また、基板は基部１１′　ｄを有し、この基部は脚部分
１１′Ｃに対して直角に延在し、面１１′　ｅに対して
絶縁部材１６が取り付けられる。絶縁されたねじ等のよ
うな固定手段１７を利用して、基板１１′を部材１６に
固定できる。部材１６は垂直に配置することが好ましく
、基部１１′　ｄは蒸気の障壁が冷却剤と基板との間に
形成されないようにチップ１２／脚部１１′　Ｃを位置
付ける手段である。代わりに、部材１１′はベリリウム
のような導電性および熱伝導性材料で形成し、部材１６
を電気絶縁材料で形成し、部材の一部（すなわち、脚部
１１′　Ｃ）を導電性材料（ア）で形成され、他の部分
（基部１１’ｃ）を絶縁材料（Ｂｅｄ）で形成すること
ができる。素子チップ１２から少なくとも１つの導電性
リード線２０の各々への電気的接続は接続ワイヤ２０ａ
等のような周知の方法で行うことができる。所望により
、カバ一部材２２を半導体素子チップ１２の上に配設し
て、チップを保護することができる。使用においては、
液体窒素（ＬＮ２　）等のような極低温剤が少なくとも
基板１１′に接触し、素子チップ１２から発生する熱エ
ネルギを高熱伝導率材料の基板を通して除去する。
第４図は真のＭＯＳＦＥＴ１２の実際の素子を示す図で
あり、この素子は入力容量Ｃ１ｎ’人力抵抗Ｒおよびゲ
ート・ドレイン間容量Ｃｇ、を有すｎ る理想的な素子１２′に加えて、寄生バイポーラトラン
ジスタＱＰを有し、この寄生バイポーラトランジスタは
それ自身のベース・エミッタ寄生抵抗Ｒ，および直列接
続されたドレイン容量ＣｄｌおよびＣｄ２を有している
。極低温冷却を行うことによって寄生素子の全ての好ま
しくない影響が低減されるとともに、素子１２′の速度
および最大電流処理能力が増大する。
本発明の好適ないくつかの実施例についてここに詳しく
説明したが、本技術分野に専門知識を有する者には多く
の変更および変形が明らかであろう。従って、本発明は
特許請求の範囲によって制限されるものであり、ここに
説明した特定の詳細および手段によって制限されるもの
ではない。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の原理による極低温冷却される基本的な
電力用半導体素子の側面図である。 第２図は極低温および室温領域における多数の材料の熱
伝導率を示すグラフである。 第３図は好適な電力用極低温半導体素子の取り付け装置
の側断面図である。 第４図は本発明を理解するのに有益なＭＯＳＦＥＴの等
価回路図である。 １０・・・電力用半導体素子、１１・・・放熱部材、１
２・・・電力用半導体素子チップ、１４・・・熱伝導性
構造部材、１５・・・極低温液体槽。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、電力用半導体素子チップと、 電気絶縁性で伝導性の材料からなり、前記素子チップが
    取り付けられる面を有する基板と、前記基板を極低温部
    内に取り付ける手段と、を含むことを特徴とする極低温
    環境で使用するための素子。 ２、前記取り付ける手段が更に前記基板のチップ取り付
    け面を所望の平面内に配置する手段を有する請求項１記
    載の素子。 ３、前記配置する手段が前記極低温部と前記基板との間
    に蒸気の障壁が形成されることを低減するように前記所
    望の平面を選択可能とする請求項２記載の素子。 ４、前記基板が一対の対向する面を有し、前記取り付け
    る手段が前記基板の対向する面をほぼ垂直平面内に配置
    することを容易にする請求項３記載の素子。 ５、前記基板はいずれの面部分に沿っても障壁となる蒸
    気の集まりが最小になるような向きに前記対向する面が
    形成されている請求項４記載の素子。 ６、前記半導体素子が静電誘導トランジスタ（ＳＩＴ）
    である請求項１記載の素子。 ７、前記ＳＩＴがゲルマニウムチップ中に形成されてい
    る請求項６記載の素子。 ８、前記半導体素子が電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）
    である請求項１記載の素子。 ９、前記ＦＥＴが金属酸化物半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥ
    Ｔ）である請求項８記載の素子。 １０、前記基板材料はベリリア、アルミナ、ダイアモン
    ドおよび窒化アルミニウムからなるグルームから選択さ
    れたものである請求項１記載の素子。 １１、前記半導体素子がシリコンおよびヒ化ガリウムの
    うちの一方のチップ中に形成されている請求項１記載の
    素子。 １２、前記基板が導電性のベリリウムである請求項１記
    載の素子。 １３、請求項１記載の素子と極低温流体とからなる組合
    せ。 １４、前記極低温流体が液体窒素（ＬＭ）である請求項
    １３記載の組合せ。
JP2284538A 1989-10-31 1990-10-24 電力用極低温半導体素子 Expired - Lifetime JPH0671056B2 (ja)

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