(57)【要約】【課題】伝熱性能が向上した支持層を有する半導体装置を提供すること。【解決手段】半導体装置３は、支持層１０及び半導体層２０を備える。半導体層２０は、支持層１０上に設けられている。半導体層２０には、横型のＨＦＥＴを構成するチャネル層２２及びバリア層２４が形成されている。支持層１０は、作動液１４が封入される複数の直線流路１２を含む。複数の直線流路１２は、支持層１０の厚み方向に沿って伸びる。【選択図】図２
2016039370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導体であって、
発熱体を支持する支持層を備え、
前記支持層は、作動液が封入される流路を含んでおり、
前記流路は、前記支持層の厚み方向に沿って伸びる、熱伝導体。
【請求項２】
前記支持層の材料が、半導体である、請求項１に記載の熱伝導体。
【請求項３】
前記流路は、前記支持層の厚み方向に往復する往復流路を有する、請求項１又は２に記載の熱伝導体。
【請求項４】
前記流路は、前記支持層の厚み方向に沿って伸びる複数の直線流路を有する、請求項１又は２に記載の熱伝導体。
【請求項５】
前記直線流路は、前記発熱体側に向けて先細りに構成されている、請求項４に記載の熱伝導体。
【請求項６】
前記直線流路の内壁面にウィック構造が設けられている、請求項４又は５に記載の熱伝導体。
【請求項７】
半導体装置であって、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱伝導体と、
前記熱伝導体の前記支持層上に設けられており、半導体素子を構成する半導体領域が形成されている半導体層と、を備え、
前記半導体素子が、前記発熱体である、半導体装置。
【請求項８】
前記半導体層の上面に接触しており、一方向に沿って伸びるソース電極と、
前記半導体層の前記上面に接触しており、前記一方向に沿って伸びるドレイン電極と、
前記半導体層上に設けられており、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間に配置されており、前記一方向に沿って伸びるゲート電極と、をさらに備え、
前記流路は、前記半導体層の前記上面に直交する方向から観測したときに、前記ソース電極、前記ドレイン電極及び前記ゲート電極の存在範囲に対応して選択的に配置されている、請求項７に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記流路は、前記半導体層の前記上面に直交する方向から観測したときに、前記ゲート電極の存在範囲に対応して選択的に配置されている、請求項８に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記支持層の材料が、シリコンであり、
前記半導体層の材料が、窒化物半導体である、請求項７〜９のいずれか一項に記載の半導体装置。
【請求項１１】
モジュールであって、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱伝導体と、
前記熱伝導体の前記支持層下に設けられており、前記支持層の前記流路に連通する連通路を含む金属の放熱板と、を備えるモジュール。
【請求項１２】
半導体モジュールであって、
請求項７〜１０のいずれか一項に記載の半導体装置と、
前記熱伝導体の前記支持層下に設けられており、前記支持層の前記流路に連通する連通路を含む金属の放熱板と、を備える半導体モジュール。
【請求項１３】
半導体装置の製造方法であって、
支持層上に半導体層を結晶成長させる工程と、
前記半導体層に半導体素子を構成する半導体領域を形成する工程と、
前記支持層を加工して流路を形成する工程と、
前記流路内に作動液を封入する工程と、を備え、
前記流路は、前記支持層の厚み方向に沿って伸びる、製造方法。
【請求項１４】
前記支持層の材料が、半導体である、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記流路は、前記支持層の厚み方向に往復する往復流路を有する、請求項１３又は１４に記載の熱伝導体。
【請求項１６】
前記流路は、前記支持層の厚み方向に沿って伸びる複数の直線流路を有する、請求項１３又は１４に記載の熱伝導体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される技術は、支持層を備える熱伝導体に関する。本明細書で開示される技術はさらに、そのような熱伝導体を備える半導体装置とその製造方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
特定機能を発揮する発熱体を安定的に動作させるために、発熱体の温度を低く維持したい場面が多く存在する。例えば、半導体装置は、発熱体である半導体素子で発生する熱を効率的に放熱し、半導体素子を安定的に動作させる技術を必要とする。
【０００３】
特許文献１に開示されるように、半導体装置の一例として、窒化物半導体を材料とする横型のＨＦＥＴを有する装置が開発されている。この種の半導体装置は、支持層と半導体層を備える。半導体層は、支持層上に結晶成長して形成されており、窒化ガリウム（ＧａＮ）のチャネル層と窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）のバリア層を有する。チャネル層とバリア層はヘテロ接合しており、そのヘテロ接合面近傍に２次元電子ガス層が発生する。この種の半導体装置はさらに、半導体層の上面に配置されているソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を備える。ソース電極とドレイン電極の間を流れる電流は、半導体層内の２次元電子ガス層を介して横方向に流れ、ゲート電極に印加される電圧で制御される。
【０００４】
電流が半導体層内を流れるときに、ジュール熱が発生する。半導体装置を安定動作させるためには、半導体層で発生する熱を効率的に放熱し、半導体層の温度を低く維持する必要がある。このため、半導体装置は、特許文献２に開示されるように、水冷式の冷却器上に固定して用いられることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−６４９００号公報
【特許文献２】特開２００６−３１０３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
半導体装置では、半導体層で発生した熱は、支持層を介して冷却器に伝熱される。このため、半導体装置の温度を低く維持するためには、支持層の伝熱性能を向上させることが重要である。なお、上記では、発熱体が半導体素子の場合を例にして、支持層の伝熱性能に係る課題を説明してきた。しかしながら、このような課題は、発熱体が半導体素子の場合に限られない。特定機能を発揮する発熱体は、支持層に支持されて用いられることが多い。このため、このような発熱体で発生する熱を効率的に伝熱するために、支持層の伝熱性能を向上させる技術が広く望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示される熱伝導体は、発熱体を支持する支持層を備える。支持層は、作動液が封入される流路を含む。流路は、支持層の厚み方向に沿って伸びる。この熱伝導体では、支持層の流路がヒートパイプを構成する。これにより、支持層の伝熱性能が向上する。
【０００８】
本明細書で開示される半導体装置は、熱伝導体及び半導体層を備える。熱伝導体は、支持層を備える。半導体層は、熱伝導体の支持層上に設けられている。半導体層には、半導体素子を構成する半導体領域が形成されている。支持層は、作動液が封入される流路を含む。流路は、支持層の厚み方向に沿って伸びる。この半導体装置では、支持層の流路がヒートパイプを構成する。これにより、支持層の伝熱性能が向上する。
【０００９】
本明細書で開示される半導体装置の製造方法は、支持層上に半導体層を結晶成長させる工程、半導体層に半導体素子を構成する半導体領域を形成する工程、支持層を加工して流路を形成する工程及び流路内に作動液を封入する工程を備える。流路は、支持層の厚み方向に沿って伸びる。これらの工程を経て、伝熱性能が向上した支持層を有する半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】半導体モジュールの平面図を模式的に示す。
【図２】図１のII-II線に対応した要部断面図を模式的に示す。
【図３】図２のIII-III線に対応した要部断面図を模式的に示す。
【図４】変形例の半導体装置を有する半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。
【図５】変形例の半導体装置を有する半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。
【図６】変形例の半導体装置の支持層であり、図２のIII-III線に対応した要部断面図を模式的に示す。
【図７】変形例の半導体装置を有する半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。
【図８】変形例の半導体装置を有する半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。
【図９】変形例の半導体装置を有する半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。
【図１０】変形例の半導体装置を有する半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。
【図１１】変形例の半導体装置を有する半導体モジュールの要部断面図を模式的に示す。
【図１２Ａ】図２の半導体装置を製造する一工程の要部断面図を模式的に示す。
【図１２Ｂ】図２の半導体装置を製造する一工程の要部断面図を模式的に示す。
【図１２Ｃ】図２の半導体装置を製造する一工程の要部断面図を模式的に示す。
【図１２Ｄ】図２の半導体装置を製造する一工程の要部断面図を模式的に示す。
【図１２Ｅ】図２の半導体装置を製造する一工程の要部断面図を模式的に示す。
【図１２Ｆ】図２の半導体装置を製造する一工程の要部断面図を模式的に示す。
【図１２Ｇ】図２の半導体装置を製造する一工程の要部断面図を模式的に示す。
【図１３Ａ】図７の半導体装置を製造する一工程の要部断面図を模式的に示す。
【図１３Ｂ】図７の半導体装置を製造する一工程の要部断面図を模式的に示す。
【図１３Ｃ】図７の半導体装置を製造する一工程の要部断面図を模式的に示す。
【図１３Ｄ】図７の半導体装置を製造する一工程の要部断面図を模式的に示す。
【図１３Ｅ】図７の半導体装置を製造する一工程の要部断面図を模式的に示す。
【図１４】発熱体を有するモジュールの要部断面図を模式的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本明細書で開示される技術の特徴を整理する。なお、以下に記す事項は、各々単独で技術的な有用性を有している。
【００１２】
本明細書で開示される熱伝導体の一実施形態は、発熱体を支持する支持層を備えていてもよい。発熱体は、特定機能を発揮するものであり、一例では、半導体素子であってもよい。支持層は、作動液が封入される流路を含んでいてもよい。流路は、支持層の厚み方向に沿って伸びていてもよい。流路は、様々な種類のヒートパイプとして構成され得る。例えば、流路は、毛細管現象を利用する毛細管型のヒートパイプ、自励振動を利用する自励振動型のヒートパイプ、重力を利用する重力型のヒートパイプ、又は、これらの組合せのヒートパイプとして構成され得る。
【００１３】
支持層の材料は、特に限定されない。例えば、支持層の材料は、半導体であってもよい。支持層の材料が半導体の場合、支持層の流路は、半導体製造技術を利用して形成され得る。支持層の材料は、金属、樹脂又はガラスであってもよい。支持層の材料がこれらの場合、支持層の流路は、例えば光インプリント技術、熱インプリント技術又は３Ｄプリント技術を利用して形成され得る。
【００１４】
上記熱伝導体では、流路が、支持層の厚み方向に往復する往復流路を有していてもよい。この往復流路は、様々な種類のヒートパイプとして構成され得る。例えば、往復流路は、毛細管現象を利用する毛細管型のヒートパイプ、自励振動を利用する自励振動型のヒートパイプ、重力を利用する重力型のヒートパイプ、又は、これらの組合せのヒートパイプとして構成され得る。典型的には、往復流路は、発熱体側の端部を加熱部とし、反発熱体側の端部を冷却部とする自励振動型のヒートパイプとして構成され得る。
【００１５】
上記熱伝導体では、流路が、支持層の厚み方向に沿って伸びる複数の直線流路を有していてもよい。この直線流路は、様々な種類のヒートパイプとして構成され得る。例えば、直線流路は、毛細管現象を利用する毛細管型のヒートパイプ、自励振動を利用する自励振動型のヒートパイプ、重力を利用する重力型のヒートパイプ、又は、これらの組合せのヒートパイプとして構成され得る。典型的には、直線流路は、発熱体側の端部を加熱部とし、反発熱体側の端部を冷却部とする毛細管型のヒートパイプとして構成され得る。
【００１６】
直線流路が毛細管現象を生じさせる毛細管として構成されている場合、その直線流路は、発熱体側に向けて先細りに構成されていてもよい。換言すると、支持層の厚み方向に直交する方向における直線流路の断面が、発熱体側に向けて小さくなるように構成されていてもよい。この直線流路は、毛細管現象によって作動液を発熱体側に向けて短時間で移動させることができる。このため、直線流路は、高い熱輸送性能を有することができる。
【００１７】
直線流路の内壁面にウィック構造が設けられていてもよい。ウィック構造の形態は、毛細管現象が生じる限りにおいて、特に限定されない。例えば、ウィック構造は、支持層の厚み方向に沿って伸びる凹凸で構成されたひだ状の形態、多孔質状の形態、又は、これらの組合せの形態であってもよい。また、ウィック構造は、支持層を加工して構成されていてもよく、支持層とは別体のもので構成されていてもよい。
【００１８】
本明細書で開示されるモジュールの一実施形態は、上記実施形態の熱伝導体及び金属の放熱板を備えていてもよい。放熱板は、熱伝導体の支持層下に設けられており、支持層の流路に連通する連通路を含んでいてもよい。放熱板は、支持層の下面に接触していてもよく、他の層を介して支持層下に設けられていてもよい。この実施形態のモジュールでは、作動液から放熱板への熱移動が効率的に行われるので、熱伝導体の冷却性能がさらに向上する。
【００１９】
本明細書で開示される半導体装置の一実施形態は、熱伝導体及び半導体層を備えていてもよい。熱伝導体は、支持層を備えていてもよい。支持層と半導体層は、半導体ウェハからダイシングにより切り取られることで形成されるダイであってもよい。このため、半導体装置は、半導体チップとも称される。支持層の材料は、特に限定されないが、半導体であるのが望ましい。例えば、支持層の材料は、半導体層の結晶成長用の下地として利用可能な材料であってもよい。半導体層は、支持層上に設けられていてもよい。半導体層には、半導体素子を構成する半導体領域が形成されていてもよい。半導体層は、支持層の上面に接触して設けられていてもよく、他の層を介して支持層上に設けられていてもよい。例えば、半導体層は、絶縁層を介して支持層上に設けられていてもよい。半導体素子は、電流が半導体層内を流れるものであり、その種類は特に限定されない。例えば、半導体素子の種類は、ＨＦＥＴ，ＨＥＭＴ、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＴ又はダイオードであってもよい。支持層は、作動液が封入される流路を含んでいてもよい。流路は、支持層の厚み方向に沿って伸びていてもよい。流路は、様々な種類のヒートパイプとして構成され得る。例えば、流路は、毛細管現象を利用する毛細管型のヒートパイプ、自励振動を利用する自励振動型のヒートパイプ、重力を利用する重力型のヒートパイプ、又は、これらの組合せのヒートパイプとして構成され得る。
【００２０】
上記実施形態の半導体装置はさらに、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極を備えていてもよい。ソース電極は、半導体層の上面に接触しており、一方向に沿って伸びていてもよい。ドレイン電極は、半導体層の上面に接触しており、一方向に沿って伸びていてもよい。ゲート電極は、半導体層上に設けられており、ソース電極とドレイン電極の間に配置されており、一方向に沿って伸びていてもよい。ゲート電極は、半導体層の上面に接触していてもよく、ゲート絶縁膜を介して半導体層の上面に対向していてもよい。流路は、半導体層の上面に直交する方向から観測したときに、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極の存在範囲に対応して選択的に配置されていてもよい。ここで、ソース電極、ドレイン電極及びゲート電極の存在範囲とは、ソース電極とドレイン電極の間を流れる電流の電流経路が存在する範囲と換言してもよい。したがって、流路は、半導体層の上面に直交する方向から観測したときに、電流経路の存在範囲に対応して選択的に配置されていてもよい。このように、支持層に形成されている流路の位置を制限することにより、この実施形態の半導体装置は、高剛性と高冷却性能を両立することができる。
【００２１】
上記実施形態の半導体装置では、流路が、半導体層の上面に直交する方向から観測したときに、ゲート電極の存在範囲に対応して選択的に配置されていてもよい。換言すると、流路は、半導体層の上面に直交する方向から観測したときに、ゲート電極のレイアウトに沿って配置されていてもよい。この実施形態の半導体装置は、支持層に形成されている流路の位置がさらに制限されるので、高剛性と高冷却性能の両立をさらに改善することができる。
【００２２】
上記実施形態の半導体装置では、支持層の材料が、半導体層とは異なる半導体であってもよい。例えば、支持層の材料がシリコンであってもよく、半導体層の材料が窒化物半導体であってもよい。
【００２３】
本明細書で開示される半導体モジュールの一実施形態は、上記実施形態の半導体装置及び金属の放熱板を備えていてもよい。放熱板は、半導体装置の支持層下に設けられており、支持層の流路に連通する連通路を含んでいてもよい。放熱板は、支持層の下面に接触していてもよく、他の層を介して支持層下に設けられていてもよい。この実施形態の半導体モジュールでは、作動液から放熱板への熱移動が効率的に行われるので、半導体装置の冷却性能がさらに向上する。
【００２４】
本明細書で開示される半導体装置の製造方法は、支持層上に半導体層を結晶成長させる工程、半導体層に半導体素子を構成する半導体領域を形成する工程、支持層を加工して流路を形成する工程、及び、流路内に作動液を封入する工程、を備えていてもよい。流路は、支持層の厚み方向に沿って伸びていてもよい。支持層の材料は、特に限定されないが、半導体であるのが望ましい。
【実施例１】
【００２５】
図１及び図２に示されるように、半導体モジュール１は、放熱板２及び半導体装置３を備える。放熱板２の材料には、熱伝導度が高い銅又はアルミニウム等の金属が用いられている。放熱板２の下面には、水冷式又は空冷式の冷却器（図示省略）が設けられている。半導体装置３（半導体チップともいう）は、横型のＨＦＥＴを有しており、電力制御用のパワーデバイスとして用いられている。
【００２６】
図２に示されるように、半導体装置３は、支持層１０及び半導体層２０を備える。半導体層２０は、後述するように、支持層１０の上面から結晶成長して形成されており、ノンドープの窒化ガリウム（ＧａＮ）のチャネル層２２、ノンドープの窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）のバリア層２４及びｐ型の窒化ガリウム（ＧａＮ）のｐ−ＧａＮ層２６を有する。チャネル層２２とバリア層２４はヘテロ接合しており、そのヘテロ接合面近傍に２次元電子ガス層が発生する。ｐ−ＧａＮ層２６は、後述するように、ゲート電極３４の下方に選択的に配置されている。
【００２７】
図１に示されるように、半導体装置３はさらに、ソース端子３２Ａ、複数のソース電極３２、ゲート端子３４Ａ、複数のゲート電極３４、ドレイン端子３６Ａ及び複数のドレイン電極３６を備える。
【００２８】
ソース端子３２Ａは、バリア層２４の上面に絶縁膜（図示省略）を介して設けられている。複数のソース電極３２の各々は、ソース端子３２ＡからＹ方向に沿って伸びており、バリア層２４の上面にオーミック接触して設けられている。複数のソース電極３２は、Ｘ方向に並列して配置されている。
【００２９】
ドレイン端子３６Ａは、バリア層２４の上面に絶縁膜（図示省略）を介して設けられており、ソース端子３２ＡからＹ方向に離れて配置されている。複数のドレイン電極３６の各々は、ドレイン端子３６ＡからＹ方向に沿って伸びており、バリア層２４の上面にオーミック接触して設けられている。複数のドレイン電極３６は、Ｘ方向に並列して配置されている。ソース電極３２とドレイン電極３６は、Ｘ方向に沿って交互に配置されている。
【００３０】
ゲート端子３４Ａは、バリア層２４の上面に絶縁膜（図示省略）を介して設けられている。複数のゲート電極３４の各々は、ゲート端子３４Ａの一部がＸ方向に伸びているゲート配線からＹ方向に沿って伸びており、ｐ−ＧａＮ層２６の上面にショットキー接触して設けられている。複数のゲート電極３４は、Ｘ方向に並列して配置されている。複数のゲート電極３４の各々は、半導体層２０の上面に直交する方向（Ｚ方向）から観測したときに、ソース電極３２とドレイン電極３６の間に配置されている。これらソース電極３２、ゲート電極３４及びドレイン電極３６が配置されている範囲は、半導体層２０内を流れる電流の電流経路に対応しており、活性領域３０という。
【００３１】
図２に示されるように、支持層１０は、放熱板２の上面に直接接合されていてもよく、又は、金属接合層もしくは樹脂の接着剤を介して放熱板２の上面に接合されていてもよい。支持層１０には、毛細管型のヒートパイプとして動作する複数の直線流路１２が形成されている。複数の直線流路１２の各々は、支持層１０の厚み方向（Ｚ方向）に沿って伸びており、Ｘ方向に並列して配置されている。複数の直線流路１２は、半導体層２０の上面に直交する方向（Ｚ方向）から観測したときに、活性領域３０（図１参照）の範囲に対応して選択的に形成されている。換言すれば、複数の直線流路１２は、半導体層２０の上面に直交する方向（Ｚ方向）から観測したときに、ソース端子３２Ａ、ゲート端子３４Ａ及びドレイン端子３６Ａの存在範囲に形成されていない。複数の直線流路１２の各々の一部には、作動液１４としての水が封入されている。作動液１４の材料は、水に代えてアルコールを又はフロン等の液体を用いてもよい。
【００３２】
図３に示されるように、複数の直線流路１２は、ストライプ状のレイアウトを有する。複数の直線流路１２の各々については、並列方向（Ｘ方向）の幅１２Ｗが極めて薄く構成されており、約０．１〜１００μｍ、より好ましくは約５〜５０μｍである。このように、複数の直線流路１２の各々の幅１２Ｗが極めて薄いので、複数の直線流路１２の各々が毛細管現象を生じる毛細管として動作する。これにより、図２に示されるように、複数の直線流路１２の各々に封入される作動液１４は、毛細管現象により直線流路１２の下端部１２ａから上端部１２ｂに向けて移動する。
【００３３】
半導体装置３がオンすると、ソース電極３２とドレイン電極３６の間を流れる電流は、チャネル層２２とバリア層２４のヘテロ接合近傍に発生する２次元電子ガス層を介して横方向に流れ、ゲート電極３４に印加される電圧で制御される。電流が半導体層２０内を横方向に流れるときに、ジュール熱が発生する。半導体層２０内で発生した熱により、支持層１０の直線流路１２の上端部１２ｂに偏在していた作動液１４が蒸発して蒸気が発生し、その蒸気が直線流路１２の下端部１２ａに移動する。直線流路１２の下端部１２ａに移動した蒸気は、放熱板２に熱を奪われて冷却され、凝縮して液体に戻る。液体に戻った作動液１４は、毛細管現象により、直性流路１２の上端部１２ｂに移動する。このように蒸発と凝縮による潜熱移動により、支持層１０の上端部１２ｂから下端部１２ａに効率よく熱が伝熱される。支持層１０は、ヒートパイプとして動作する複数の直線流路１２を有しているので、高い熱輸送性能を有する。このため、半導体装置３は、動作中の温度が低く維持され、安定した動作を行うことができる。特に、半導体装置３は、窒化物半導体を材料とする横型のＨＦＥＴを有しており、２次元電子ガス層を介して大電流が流れるので、発熱量が大きい。このような半導体装置３にヒートパイプを有する支持層１０を適用することは、安定動作の点で極めて有用である。
【００３４】
この種の半導体装置３の支持層１０は、その上面に設けられている薄膜の半導体層２０を補強する役割を担っている。上記したように、支持層１０に形成されている複数の直線流路１２は、活性領域３０（図１参照）の下方に選択的に形成されている。このため、支持層１０の大部分には直線流路１２が形成されていないので、支持層１０の剛性は高く維持されている。このため、半導体装置３は、高剛性と高冷却性能を両立することができる。
【００３５】
また、上記したように、半導体装置３がオンしたときの電流は、チャネル層２２とバリア層２４のヘテロ接合近傍を横方向に流れる。このときの電気抵抗はゲート電極３４の下方が最も高いので、ジュール熱による温度上昇はゲート電極３４の下方に集中する。このため、図４に示される変形例の半導体装置１０１のように、複数の直線流路１２が、半導体層２０の上面に直交する方向（Ｚ方向）から観測したときに、ゲート電極３４の存在範囲に対応して選択的に形成されていてもよい。この変形例の半導体装置１０１でも、動作中の温度が低く維持され、安定した動作を行うことができる。したがって、この変形例の半導体装置１０１は、高剛性と高冷却性能の両立をより改善することができる。
【００３６】
図５に示される変形例の半導体装置１０２は、複数の直線流路１２の各々が、上端部１２ｂに向けて先細りの形態を有する。この変形例の半導体装置１０２では、直線流路１２の下端部１２ａで液体に戻った作動液１４が、毛細管現象によって短時間で直線流路１２の上端部１２ｂに移動する。このため、直線流路１２の熱輸送性能が大幅に向上する。
【００３７】
上記実施例及びその変形例では、幅１２Ｗが薄く構成された直線流路１２が毛細管現象を生じさせる形態を例示した。これは一例であり、作動液１４を直線流路１２内で移動させるには、ヒートパイプの技術分野で知られている様々な技術を適用することができる。例えば、図６に示される変形例の支持層１０のように、直線流路１２の内壁面に毛細管現象を生じさせるウィック構造１３が設けられていてもよい。この例のウィック構造１３は、直線流路１２の内壁面を加工することで形成されており、支持層１０の厚み方向（Ｚ方向）に伸びる凹凸で構成されたひだ状である。この変形例の半導体装置１０３では、凝縮して液体に戻った作動液１４は、直線流路１２の内壁面のウィック構造１３を介して直線流路１２の上端部１２ｂに移動することができる。この場合、直線流路１２の幅１２Ｗを薄くする必要がない。また、直線流路１２の内壁面に設けられたひだ状のウィック構造１３は、直線流路１２の内壁面の面積を大幅に増大させることができるので、毛細管現象を効果的に生じさせることができるという特徴を有する。支持層１０は、例えば数十ｍｍ角の微小なものである。このような支持層１２においては、限られた範囲内で毛細管現象を効果的に生じさせることが重要である。このため、支持層１０に形成される直線流路１２の毛細管現象を活発化させるために、直線流路１２にウィック構造１３を適用することは極めて有用である。さらに、直線流路１２の内壁面に設けられたひだ状のウィック構造１３は、直線流路１２の内壁面の面積を大幅に増大させることができるので、作動液１４の蒸気を効果的に冷却することができ、作動液１４の蒸気を液化しやすいという特徴を有する。微小な支持層１２においては、蒸発と凝縮による潜熱移動を活発化させるために、蒸発した作動液を効果的に液化することが重要である。この点においても、直線流路１２にウィック構造１３を適用することは極めて有用である。その他の例としては、直線流路１２の上端部１２ｂが鉛直方向の下向きとなるように配置すれば、凝縮して液体に戻った作動液１４は、重力により直線流路１２の下端部１２ａに移動することができる。この場合も、直線流路１２の幅１２Ｗを薄くする必要がないので、直線流路１２の加工が容易となる。
【００３８】
図７に示される変形例の半導体装置１０３では、支持層１０に自励振動型のヒートパイプとして動作する往復流路１１２が形成されている。往復流路１１２は、支持層１０の厚み方向（Ｚ方向）に往復するように構成されている。この変形例の半導体装置１０３では、往復流路１１２内の一部に封入された作動液１４は、自励的に縦振動することで、半導体層２０内で発生した熱を放熱板２に熱輸送することができる。自励振動型のヒートパイプは、毛細管型のヒートパイプよりも熱輸送性能が高いので、この変形例の半導体装置１０３の冷却性能は高い。なお、図８に示すように、往復流路１１２のうちの厚み方向に伸びる部分は、半導体層２０の上面に直交する方向（Ｚ方向）から観測したときに、ゲート電極３４の存在範囲に対応して選択的に形成されていてもよい。これにより、この変形例の半導体装置１０４は、高剛性と高冷却性能を両立することができる。
【００３９】
図９に示されるように、この変形例の半導体装置１０５では、往復流路１１２がループするように形成されている。往復流路１１２がループしていると、作動液１４の自励振動による熱輸送性能がさらに向上する。これにより、この変形例の半導体装置１０５は、高冷却性能を有することができる。なお、図１０に示すように、ループ型の往復流路１１２でも、往復流路１１２のうちの厚み方向に伸びる部分は、半導体層２０の上面に直交する方向（Ｚ方向）から観測したときに、ゲート電極３４の存在範囲に対応して選択的に形成されていてもよい。これにより、この変形例の半導体装置１０５は、高剛性と高冷却性能を両立することができる。
【００４０】
図１１に示されるように、この変形例の半導体装置１０７では、放熱板２に連通路２１２が形成されている。連通路２１２は、支持層１０の往復流路１１２に連通する。放熱板２の連通路２１２と支持層１０の往復流路１１２の組合せの流路は、ループするように構成されている。この例では、作動液１４から放熱板２への熱移動が効率的に行われるので、変形例の半導体装置１０７は、高冷却性能を有することができる。
【００４１】
（半導体装置３の製造方法）
以下、図面を参照し、図２に示される半導体装置３の製造方法を説明する。
【００４２】
まず、図１２Ａに示されるように、シリコン単結晶の下地層１０Ａを用意する。次に、エピタキシャル成長技術を利用して、下地層１０Ａの上面に半導体層２０（チャネル層２２、バリア層２４及びｐ−ＧａＮ層２６）を結晶成長させる。
【００４３】
次に、図１２Ｂに示されるように、エッチング技術を利用して、ｐ−ＧａＮ層２６をパターニングする。さらに、蒸着技術を利用して、ソース電極３２、ゲート電極３４及びドレイン電極３６（ソース端子３２Ａ、ゲート端子３４Ａ及びドレイン端子３６Ａも）を形成する。
【００４４】
次に、図１２Ｃに示されるように、フォトレジスト技術を利用して、下地層１０Ａの下面にレジストマスク４２をパターニングする。
【００４５】
次に、図１２Ｄに示されるように、ＲＩＥ技術を利用して、レジストマスク４２から露出する下地層１０Ａを除去する。このとき、シリコンを選択的にエッチングする反応条件を選択することで、下地層１０Ａと半導体層２０の界面でエッチングを良好に停止させることができる。
【００４６】
次に、図１２Ｅに示されるように、エッチング技術を利用して、レジストマスク４２を除去する。
【００４７】
次に、図１２Ｆに示されるように、シリコン単結晶のキャップ層１０Ｂを用意する。キャップ層１０Ｂは、ＲＩＥ技術を利用して、別に用意されたシリコン層を加工することで形成される。
【００４８】
次に、図１２Ｇに示されるように、下地層１０Ａとキャップ層１０Ｂは、常温固相接合技術を利用して接合される。具体的には、アルゴンイオンを用いて下地層１０Ａとキャップ層１０Ｂの接合面を活性化させた後に、超高真空中で下地層１０Ａとキャップ層１０Ｂを接触させ、両者を接合させる。接合した下地層１０Ａとキャップ層１０Ｂは、図２に示される支持層１０に対応する。次に、キャップ層１０Ｂに形成されている液体注入用の穴（図示省略）から作動液を注入し、その後、その穴を封止する。なお、液体注入用の穴は、下地層１０Ａに形成されていてもよい。これらの工程を経て、図２に示される半導体装置３が製造される。
【００４９】
（半導体装置１０３の製造方法）
以下、図面を参照し、図７に示される半導体装置１０３の製造方法を説明する。
【００５０】
電極等を製造するまでは、上記半導体装置３の製造方法と同一である。次に、図１３Ａに示されるように、フォトレジスト技術を利用して、下地層１００Ａの下面にレジストマスク４４をパターニングする。次に、ＲＩＥ技術を利用して、レジストマスク４４から露出する下地層１００Ａの一部を除去し、下地層１００Ａの下面に溝を形成する。
【００５１】
次に、図１３Ｂに示されるように、フォトレジスト技術を利用して、下地層１００Ａの下面の溝が残るようにレジストマスク４６をパターニングする。次に、ＲＩＥ技術を利用して、レジストマスク４６から露出する下地層１００Ａを除去する。
【００５２】
次に、図１３Ｃに示されるように、エッチング技術を利用して、レジストマスク４６を除去する。
【００５３】
次に、図１３Ｄに示されるように、シリコン単結晶のキャップ層１００Ｂを用意する。キャップ層１００Ｂは、ＲＩＥ技術を利用して、別に用意されたシリコン層を加工することで形成される。キャップ層１００Ｂの溝内には、作動液１４が溜められている。
【００５４】
次に、図１３Ｅに示されるように、下地層１００Ａとキャップ層１００Ｂは、接合技術を利用して接合される。接合した下地層１００Ａとキャップ層１００Ｂは、図７に示される支持層１０に対応する。これらの工程を経て、図７に示される半導体装置１０３が製造される。
【００５５】
上記実施例では、半導体モジュール１を例にして本明細書で開示される技術を説明してきた。例えば、本明細書で開示される技術は、図１４に示されるモジュール１Ａにおいても有用である。モジュール１Ａは、半導体装置に代えて、金属層５２と発熱体５４を備えることを特徴とする。金属層５２は、支持層１０に接合されている。なお、金属層５２は、絶縁層を介して支持層１０に接合されてもよい。発熱体５４は、金属層５２上に固定されており、特定機能を発揮するものである。このモジュール１Ａでは、発熱体５４で発生した熱は、金属層５２を介して支持層１０に伝熱される。支持層１０は、ヒートパイプとして動作する複数の直線流路１２を有しているので、高い熱輸送性能を有する。このため、発熱体５４は、動作中の温度が低く維持され、安定した動作を行うことができる。なお、上記実施例と同様に、支持層１０に設けられている流路は、直線流路１２に限られず、様々なタイプを採用することができる。
【００５６】
また、上記実施例では、支持層１０の材料が半導体の場合を説明してきた。支持層１０の材料は、例えば、金属であってもよい。支持層１０の材料が金属の場合、支持層１０は、金属粉末を用いた３Ｄプリンタ技術を利用して製造されてもよく、ナノプリンタ技術を利用して製造されてもよい。
【００５７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００５８】
１：半導体モジュール、  ２：放熱板、  ３：半導体装置、  １０：支持層、  １２：直線流路、  １４：作動液、  ２０：半導体層、  ２２：チャネル層、  ２４：バリア層、  ２６：ｐ−ＧａＮ層、  ３０：活性領域、  ３２：ソース電極、  ３４：ゲート電極、  ３６：ドレイン電極
【図１】
2016039370.tif 000003
【図２】
2016039370.tif 000004
【図３】
2016039370.tif 000005
【図４】
2016039370.tif 000006
【図５】
2016039370.tif 000007
【図６】
2016039370.tif 000008
【図７】
2016039370.tif 000009
【図８】
2016039370.tif 000010
【図９】
2016039370.tif 000011
【図１０】
2016039370.tif 000012
【図１１】
2016039370.tif 000013
【図１２Ａ】
2016039370.tif 000014
【図１２Ｂ】
2016039370.tif 000015
【図１２Ｃ】
2016039370.tif 000016
【図１２Ｄ】
2016039370.tif 000017
【図１２Ｅ】
2016039370.tif 000018
【図１２Ｆ】
2016039370.tif 000019
【図１２Ｇ】
2016039370.tif 000020
【図１３Ａ】
2016039370.tif 000021
【図１３Ｂ】
2016039370.tif 000022
【図１３Ｃ】
2016039370.tif 000023
【図１３Ｄ】
2016039370.tif 000024
【図１３Ｅ】
2016039370.tif 000025
【図１４】
2016039370.tif 000026