電子デバイス冷却と熱電効果— 自己冷却素子を中心にして Cooling for Electric Device and Thermoelectric effect, Self-cooling device 中部大・超伝導1，横浜国大2, 防衛大3　 ○山口作太郎1, 中津川博2, 岡本庸一3 Chubu Univ.1, Yokohama National Univ.2, National Defense Univ.3　○Satarou Yamaguchi1，Hiroshi Nakatsugawa2, Yoichi Okamoto3 yamax@isc.chubu.ac.jp

Special Thank to 中部大： 河原敏男、福田真治、藤井友宏 島根大学： 北川博之 ソニー： 佐飛裕一 デンソー： 田口隆司 住友大阪セメント： 田中正道 慶応大学： 坂田亮 AIST: 荒井和雄 （敬略）

Peltier Effect inside Semiconductor Device １）半導体デバイスでは熱輸送が極めて重要であり、設計ではペルチェ効果は当然含まれていると思われていたが、現状のシュミレータでは含まれていない ２）半導体内部から自己電流のペルチェ効果で熱を素子内部から取り出す方式（自己冷却素子）の研究

Part 1 Heat transport inside semiconductor device Diode 日立　H14（一般電源整流用ダイオード） Bipolar deviceでは ON電圧が電流の増大によって急激に大きくなる Peltier Heatが原因！？

光通信用GaAs diode GaAs-based LED1) P-type N-type 温度の正確な見積もりが必要 多重通信のために温度を0.01K以下の精度で制御 GaAs-based LED1) Electrical current hn Scaling up P-type N-type n-contact n-GaAs n+-GaAs 温度の正確な見積もりが必要 （デバイスシミュレータの利用） p-GaAs p-AlGaAs p-contact p+-GaAs 1) M.C.Amann and W.Proebster, Electron. Lett. 15, 599 (1979)

光通信用GaAs diode デバイスシミュレータ（数値計算ソフト） 1) Taurus Medici (Synopsys Inc.) http://www.synopsys.com/Tools/TCAD/DeviceSimulation/Pages/TaurusMedici.aspx 2) ATLAS (SILVACO Data Systems Inc.) http://newwww.silvaco.com/products/device_simulation/atlas.html 3) DeviceMeister-WV (Mizuho Information & Research Institute Inc.) http://www.mizuho-ir.co.jp/solution/research /semiconductor/devicemeister/wv/index.html これらは抵抗による発熱と熱伝導は物理プロセスとして含まれているが、熱電効果は含まれていない

データ計測用GaAsサンプル N-type GaAs Dopant : Si Career density : 1.3×1018 /cm3 Size : 20×4×1 mm3 測定条件 温度範囲: 300 ～ 400 K 熱電対: copper-constantan 0.1φ 真空度: <0.1 Pa 抵抗率測定: Four probe method 熱伝導率測定: 定常法/ photopyroelectric method1) 1) J.Morimoto et al., Jpn.J.Appl.Phys.Supplement 31, 38 (1992).

電気抵抗率の測定 ●r increase with T ●same order of the other reported data1) 1) S.M.Sze and J.C.Irvin, Solid State Electron. 11, 599 (1968)

ゼーベック係数の測定 ●similar to the other data1) 1) G.Homm et al., Appl. Phys. Lett. 93, 042107 (2008).

熱伝導率の測定 ●k decreases with T. The dependence is different form the report1,2) 1) M.G.Holland, Phys. Rev. 134(2A), A471 (1964). 2) R.Fletcher et al., Phys. Rev. B 50(20), 14991 (1994).

一次元数値計算モデル - 1 Cross section：100×100 mm n-contact Modeling to simple GaAs diode N-GaAs P-GaAs Cu Cu n-GaAs (1018) n+-GaAs (5×1018) p-GaAs (3×1018) p-AlGaAs (5×1016) 1 1 1 p-contact 100 240 10 100 p+-GaAs Heater : 模擬体 Joule heating in the depletion layer with high resistance

一次元数値計算モデル - 2 properties Cross section：100×100 mm nc r 1) k a [/cm3] － 1018 1019 r 1) [Wm] 2.0×10-8 2.1×10-5 3.5×10-6 7.8×10-5 2.3×10-4 S.M.5) k [W/Km] 402 25.4 1000 a [mV/K] － -165 -502) +503) +1653) N-GaAs P-GaAs Cu Cu 300K 固定 1 1 1 100 240 10 100 4) 1) S.M.Sze and J.C.Irvin, Solid State Electron. 11, 599 (1968). 2) 推測 from ref: G.Homm et al., Appl. Phys. Lett. 93, 042107 (2008). 3) 仮定。No data. 4) Heater : Depletion layerでの発熱を模擬 5) Simulator Model Electrical current

一次元数値計算モデル - 3 Simulator : ANSYS Multiphysics Cross section：100×100 mm http://www.cybernet.co.jp/ansys/product/lineup/multiphysics/ Solved equations1) : N-GaAs P-GaAs Cu q = a T J – K T Cu J = s (E – a T ) 300K 固定 where q : Heat flux a : Seebeck coefficient J : Current density K : Thermal conductivity s : Electrical conductivity E : Electric voltage 1 1 1 100 240 10 100 Electrical current ヒーター温度～ジャンクション温度 Tj をestimate 1) L.D.Landau and E.M.Lifshitz, “Electrodynamics of Continuous Media”, vol.8, Butterworth-Heinemann, 2nd Edition, Oxford (1984).

一次元数値計算結果 結果 １）ペルチェ効果を入れると温度が1度以上異なる ２）電流が大きいと温度差が大きくなる

Conclusion 1) b 2) 3) 必要 to include Peltier effect to estimate the temperature at depletion layer precisely 今後の課題 　　P-type GaAs 等の物性測定 　　Thomson effectの考慮 　　より精密なモデルの構築

Part 2 Self-Cooling Device Basic Idea Requirement for Materials High Thermal conductivity High Seebeck Coefficient Low Electrical Resistivity S. Yamaguchi, ULVAC, No. 52, pp. 14-17(2007) 山口　「自己冷却パワー半導体デバイス」 熱電変換技術ハンドブック, PP. 484-489, （株）NTS (2008) SiC 系材料 or 金属系 この2年間は銅よりも高い実効熱コンダクタンスになる 材料探査と構造を検討していた

Selection of Peltier Material - 2 Peltier Material for Self-cooling device High  Low  High  For High performance 熱拡散をうまく行うためには材料特性を生かした構造がある

Comparison with Copper and New Material New Pelteir material Seebeck coefficient (mV/K) ~ 0.0 -750 (N-type) Electrical resistivity (Wm) 2.0×10-8 ~1.8×10-4 Thermal conductivity (W/mk) 400 ~150 1）電気抵抗率が大きいので薄く作る 2）熱伝導率が低いので薄く作る 3）最適電流値があるので、デバイスの電流特性と揃える必要がある 現在、体系的にデータを取る作業を進めている

Comparison with Copper and New Material - 2 1D Calculation new material 熱量(W) Copper 電流(A) この条件では電流= 40A – 310Aまでは新材料が良い

Comparison with Copper and New Material - 3 1D Calculation Copper 熱量(W) new material 温度差(K) 温度差が小さくても大きな熱量が運べるので 高い熱コンダクタンス

現時点での結論など Pending and therefore it will have large market.