JPH03176623A - 半導体素子の温度制御装置と、それに用いた温度センサ - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電子デバイス、特にフォトダイオード、レ
ーザーダイオードのような半導体素子を一定、かつ高精
度に動作させるための半導体素子の温度制御装置と、そ
れに用いる温度センサに関する。例えば、温度を敏感に
、かつ正確に測定するためには速い熱応答速度が必要で
ある。

また、半導体素子を用いた寸法測定器、光フアイバ破断
点測定器等の光学的測定装置においては受光素子、発光
素子の温度による受光感度、発振周波数のゆらぎなどが
測定精度の劣化につながるので、半導体素子を温度的に
一定の状態で動作させる必要がある。この発明はこれら
の目的のために使用させるものである。

〔従来の技術〕

温度センサとしては白金測温体、サーミスタ、熱電対、
ＩＣ化温度センサ、ＳｉＣおよびダイヤモンドを用いた
温度センサ等が、従来から使われたりあるいは提案され
てきたが、それぞれ次のような欠点があった。

（１）白金測温体 ■　抵抗素子の構造が複雑であり、形状が大きく小型化
できない。例えば、薄膜白金温度センサでも、白金の導
電率が約９　Ｘ　１０’（Ｓ−ｃ川−１）と大きいため
に、平板タイプで縦１０×横３×高さ０．６（単位間）
、円柱タイプで直径１．６×長さ１３（単位ｎ＋ｍ　）
程度の小型化しかできない。

■　白金測温体から測定器までの間に補償導線が必要で
ある。これは、白金測温体がブリッジ回路の１つの抵抗
体で測温部にあるのに対し他の３つの基準用の抵抗体が
測定器内にあるためである。

■　応答速度が遅い。これは、白金を被覆しているテフ
ロンあるいはガラスの熱伝導率が小さく、しかも形状が
大きいことにより熱容量が大きいためである。

（２）サーミスタ ■　薄膜化できず、小型化できない。

■　応答速度が遅い。これは、サーミスタを被覆してい
るガラスあるいはエポキシの熱伝導率が小さく、しかも
形状が大きいことにより熱容量が大きいためである。

■　熱放散が小さく測定温度誤差を生じやすい。

（３）熱電対 ■　基準接点を同一温度センサ内に集積化することは困
難であった。

■　基準接点及び補償導線の誤差を考える必要があった
。

■　常温付近での測定が困難であった。

（４）ＩＣ化温度センサ ■　ベース・エミッタ間に流れる電流の温度特性を利用
しており、非線形性が大きく、これを補正するための回
路を必要とし、従って小型化が困難であった。

■　センサ部を小型化できないので、容量が大きく、従
って応答速度が遅かった。

（５）　Ｓ　ｉ　Ｃ及びダイヤモンドを用いた温度セン
サ■　良質なＳｉＣ及びダイヤモンドは、Ｓｉ単結晶基
板等の限られた基板上にしか堆積されず、しかもこれら
基板はウェーハプロセス上に薄膜化が困難であり、従っ
て熱応答速度を速くすることができなかった。

■　ＳｉＣ及びダイヤモンドは、堆積速度が遅く大面積
化ができず、面内均一性が悪いため、低コスト化が困難
であった。

以上、述べたように、熱応答速度が速く、小型化されて
おり、温度検出電圧が大きく、高精度でかつ、安価な温
度センサを得ることは、困難であった。一方、非晶質半
導体の抵抗温度特性を利用した温度センサについての技
術は特開昭第５２−５８５７９号公報（温度検知器）、
特開昭第５３−４４０７２号公報（感知素子）、特開昭
第５８−１７０００１号公報（感温装置）に開示されて
いる。

しかし、これらの公報には温度センサの熱応答速度を高
速化するための技術を具体的に開示しているところは発
受けられなかった。例えば、特開昭第５２−５８５７９
号公報では、熱容量の大きなサーミスタと小さなサーミ
スタの直列接続における、接続点での出力電圧温度依存
性を利用した温度センサについてのみの開示であり、温
度センサの熱応答速度の高速化による、温度の敏感かつ
、精密な測定についての開示はない。また、特開昭第５
３−４４０７２号公報においても、非晶質半導体電極間
電圧が温度に依存することを利用した温度センナについ
てのみの開示である。さらに、同一出願人による特開昭
第５８−１７０００１号公報（感温装置）においても、
非晶質半導体を用いた、橋絡接続の温度センサについて
のみの開示である。

以上、述べたように、いずれの発明も、温度センサの熱
応答速度を高速化するための技術については、開示して
いない、また、半導体素子の動作温度を安定にするため
の技術として従来からペルチェ素子のような電子冷却素
子を用いたものが使われできた、電子冷却素子は、素子
の表面温度を表わす信号で電子冷却素子の電流を制御し
、半導体素子の温度を制御するものである。表面温度を
測定するための温度センサとしては、熱応答速度が速く
、かつ小型化されており、温度検出電圧が大きく、高精
度で、かつ安価な温度センサが要求されていた。また、
温度測定部に抵抗値温度係数の大きい抵抗体を設置し、
測定器内に基準用の抵抗ｊａ　Ａ度係数の小さい抵抗体
を設置しているために測定器内の温度変化による温度測
定誤差や、温度測定部と測定器との間の配線間ノイズの
問題があった。この問題を解決するために、温度センサ
と基準用の抵抗体とを集積化することも要求されていた
。しかし、従来の発明では、温度センサの熱応答速度を
速くすること及び温度センサと基型用の抵抗体とを集積
化することにより得られる安定な温度制御から、半導体
素子の高精度な動作を得る、という具体的な技術の開示
はなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

熱抵抗と熱容量を共に小さくすることにより得られた速
い熱応答速度と、薄膜型でがっ小型化であることを兼ね
備えた、非晶質半導体薄膜および抵抗値温度係数の小さ
な薄膜抵抗体との橋絡接続による温度検出電圧が大きく
、かつ高精度で安価な温度センサを得ること、及びその
温度センサを用いた半導体素子の温度制御装置を構成す
ることが、この発明の課題である。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、高い熱伝導率を有する基板が極めて薄いに
もかかわらず、フォトエツチングに代表される３膜半導
体プロセスを可能にしたために、小さな熱抵抗と熱容量
を得ることができ、その結果、速い熱応答速度が得られ
ること、および温度制御装置の温度測定用温度センサと
しての性能を満足する、非晶質半導体薄膜および抵抗値
温度係数の小さな薄膜抵抗体との橋絡接続による温度セ
ンサが得られるという発明者の発見した事実に基づく。

この事実を利用して、「熱の良伝導体で作られた絶縁性
基板あるいは絶縁膜で覆われた金属基板上に、上記の非
晶質半導体薄膜と抵抗値温度係数の小さな薄膜抵抗体と
で作られた、小形で熱応答速度が従来に見られなかった
程速い、橋絡構造の温度センサを実現し、かつこの温度
センサを用いた半導体素子の温度制御装置」を実現する
。

〔作用〕

この発明において、非晶質半導体薄膜および抵抗温度係
数の小さな薄膜抵抗体との橋絡接続による温度センサを
形成する基板の熱伝導率は、少なくとも　２０　（Ｊ／
ＩＩＩ・５−Ｋ）以上であり、その熱抵抗は、少なくと
もＩ　ＸＩＯ”　＜Ｋ／Ｊ−ｓ　）以下である。

しかも、その熱容量は少なくともｌＸｌ０〜’（Ｊ＃）
以下である。その結果、温度センサの熱応答速度は、少
なくともＩ　Ｘ　１０−’　（ｓ）以下である。また、
橋絡接続を形成する、非晶質半導体薄膜の抵抗値温度依
存性は、少なくとも導電率３０　（Ｓ−ｃｍ−’　）以
上において０．４（Ｘ／Ｋ）以上あり、温度センサの検
出電圧は、少なくとも１　（ｍＶ／Ｋ）以上ある。橋絡
接続による抵抗値は、少なくとも約０．２５（ｋΩ）以
上で、消費電力は少なくともｌ　（ｍＷ）以下である。

また、その抵抗値は、少なくとも約１０（ｋΩ）以下で
あり、アンプでのノイズの影響を受は難い。

〔実施例〕

第１図は、本発明による温度センサの概念図である。こ
の発明は、熱応答速度の極めて速い絶縁性基板、あるい
は絶縁膜を被覆した金属基板１上に、抵抗値温度特性の
大きい、非晶質半導体３膜２の一対と、抵抗値温度依存
性の小さい薄＋１ｉ状の物質を用いた薄膜抵抗体３の一
対とが、４つのオーミック電極４ａ、　４ｂ、　４ｃ、
　４ｄを介して、橋絡接続され、熱応答速度が極めて速
いのが特徴である。

第１表は、温度センサの熱応答速度を示した表で、従来
のものと、本発明のものとを示した。なお、あわせて熱
応答速度の式も示しである。

第１表 熱応答速度−熱抵抗×熱容量 この第１表かられかるように、本発明による温度センサ
の熱応答速度は他のそれよりも大幅に速くなっている。

また、従来の温度センサは白金測温体に代表されるよう
に大きく、微小部分の温度を測定することはできなかっ
た。しかし、本発明では、フォトリソグラフィに代表さ
れる半導体薄膜プロセスを用いることにより、０．８５
Ｘ　Ｏ，８５（単位ｌｌｌ１１１）以下までに小型化し
、微小部分の温度測定を可能にした。

次に、温度センサの製造法を説明する。絶縁性基板ある
いは絶縁膜で表面を覆われた金属基板１（以下、両者を
まとめて絶縁性基板という、）の材料としては、熱伝導
率が２０　（Ｊ／＋＋−ｓ・に）以上と高く、厚さが５
０（μａ＋）程度と極めて薄いものが望ましい。金属基
板を用いる場合は表面を絶縁膜で覆う、基板の厚さを薄
くするのは、温度センサの熱応答速度を高めるためであ
る。

また、半導体薄膜プロセスに耐えられるようにするため
に、酸化還元雰囲気及び酸アルカリへの耐性と耐熱性が
なくてはならない。このため、アルミナ基板、　ＢＮ基
板、ＳｉＣ基板、５ｉＪ４基板、ＡＩＮ基板及びＢｅＯ
基板等が用いられる。この絶縁性基板１は、有機溶剤等
で十分に洗浄したあと、清浄な雰囲気で乾燥させる。

次に３１８４１　ＧｅＨ４等のガスを用い、プラズマＣ
ＶＤ法により、ａ−３ｉ　：　Ｈ５ａ−Ｇｅ　：　Ｈ、
ａ−３ｉ　：　Ｇｅ等の非晶質半導体薄膜を堆積する。

この際、堆積される薄膜の導電率を制御するために放電
パワー、基板温度を変化させたり、あるいはｎ型半導体
にはＰＨｓ、　ＡｓＨ３、またｐ型半導体にはＢｆｆｉ
Ｈ６等のドーピングガス供給量を変化させたりする方法
が一般的である。

この堆積された非晶質薄膜半導体を、フォトエツチング
技術を用いて不要部を除去し、所定の抵抗体（非晶質半
導体薄膜２）を形成する。この抵抗体が可変抵抗体であ
る。

続いて、スパッタ法、真空蒸着法あるいはＣＶＤ法によ
り堆積した、窒化タンタルあるいはニクロム、シリコン
・ゲルマニウム等の薄膜も同様に不要部を除去し、所定
の抵抗体（薄膜抵抗体３）を形成する。この抵抗体が抵
抗温度係数の小さな薄膜状の固定抵抗体である。さらに
、金等の電極用金属薄膜を堆積し、同様に不要部を除去
し、所定の電極４ａ、　４ｂ、　４ｃ、　４ｄ　　（オ
ーミック電極）を形成する。なお、表面保護膜としては
、Ｓｉ０ｇ薄膜、ｓ＋Ｊ４薄膜等を用いる。その結果、
第１図に示す非晶質半導体薄膜を用いて橋絡接続した回
路による温度センサが得られる。

本発明の温度センサを実現するためには、次に挙げる３
つの大きな技術課題の解決が必要であった。そこで、上
記説明した温度センサではそれらを解決した。すなわち
、第１は、温度を敏感にかつ正確に測定するために、温
度センサ自体の速い熱応答速度を得られたことである。

熱応答速度は第１表に示される式で求められる。この式
かられかる通り熱応答速度は、熱抵抗と熱容量の積で求
められる。これらの中で特に熱伝導率は、物質によって
大きく異なり、熱応答速度は「長さ」、つまり基板の膜
厚の２乗に比例していることから、この熱伝導率を大き
く、かっ膜厚を薄くすることが重要である。

このことから、基板に熱伝導率が２０　（Ｊ／ａ＋−ｓ
・Ｋ）と高く、密度が３〜４　Ｘ　１０”（ｇ／ｒｒｒ
）　、比熱が０．５〜ｌ　（Ｊ／ｇ−Ｋ）　　をもつア
ル果す基板、ＢＮ基板＋ＳｉＣ基板、５ｉ３Ｎｎ基板、
ＡＩＮ基板及びＢｅＯ基板等を用い、温度センサを形成
したところ、従来の白金測温体に比較し熱応答速度が速
いことが実験で確かめられ、熱応答速度の計算値では０
．１　（Ｓ）　（ｓ）以下であった。また、最も速い熱
応答速度としては３　Ｘ　１０−’　（ｓ）が得られた
。

このように基板材料、及び形状を計算式から選定するこ
とにより、従来より大幅に速い熱応答速度を得た。

第２は、橋絡接続バイアス電圧が０．５（Ｖ）と小さい
にもかかわらず、白金測温体の検出電圧０．８（ｍＶ／
Ｋ）を上回：６１　（ｍＶ／Ｋ）以上もの検出電圧カ得
られることである。

第３図に本発明に用いた橋絡接続の回路図と温度検出電
圧Ｖ２Ｏ丁の式を示す。バイアス電圧Ｖ。

０．５（Ｖ）時において、少なくとも温度検出電圧１　
（ｍＶ／Ｋ）以上を実現するためには、可変抵抗体であ
る非晶質半導体薄Ｈりの抵抗値温度係数が０．４（χ／
Ｋ）以上なくてはならないが、本発明ではプラズマＣＶ
Ｄ法により導電率が３０（Ｓ−ｃｍ　−’　）以上と高
いにもかかわらず、０．４（χ／Ｋ）以上の膜を得るこ
とができた。

第４図に抵抗値温度特性の一例を示す。横軸は絶対温度
の逆数を線形目盛で、縦軸は抵抗値Ｒを対数目盛で示し
た。第５図は、第４図で示される抵抗値／Ｉｑ度特度合
性する抵抗体を用いた温度センサの温度Ｔと検出電圧Ｖ
。ｕＬのグラフである。電極４ａ、４ｄに定電圧をバイ
アスし、電極４ｂ、４ｃ間の起電圧を温度検出電圧とし
ている。このグラフから示されるように、温度検出電圧
１　（ｍＶ　／Ｋ）以上で、かつほぼ直線の特性がある
こと、及び再現性があることが実験から確かめられた。

また、バイアス電圧が０．５ｍと小さいため、消費電力
は０．０８（１）と小さく、温度センナの加熱による測
定誤差が少ない。温度センサの消費電力０．０８（ｍＷ
）は、白金の消費電力０　、４　（ｍＷ）の１７５の値
である。

第３は、橋絡接続を形成する抵抗体の抵抗値を、温度セ
ンサとして使用するための適当な範囲番こ設定できるよ
うにしたことである。抵抗体の抵抗値が小さい場合、温
度センサの消費電力はバイアス電圧の２乗に比例し、抵
抗値に反比例する。バイアス電圧を０．５ｍとした場合
、例えば白金測温体の消費電力０．４　（ｍＷ）以下に
抑えるためには、抵（ＪＩ値は少なくとも０．６２５　
（ｋΩ）以上でなくては捨らない。また、例えば消費電
力１　（ｎ＋Ｗ）以下にＩＩ′１１えるためには、抵抗
値は少なくとも０．２５（ｋΩ）以上でなくてはならな
い。一方、温度検出電圧を電気回路で使用する場合の、
アンプ増幅時のノイズの影響を考慮すると、抵抗値は約
１０（ｋΩ）以下が望ましい。本発明で、これらの条件
を満たす温度センサができた。

以上の３点の技術的課題の解決により、熱応答速度の速
い温度センサが実現できた。

第２図に、本発明による半導体素子１１の温度制御装置
２ｏの一実施例を示す。

本発明による温度制御装置２０は、温度コントローラ１
３と、温度センサ１０とを含み、電子冷却素子（ペルチ
ェ素子）１２に制御された電流を流して、半導体素子１
１の温度を制御するものである。ここで、半導体素子１
１は、受光素子あるいは、発光素子等であり、よい温度
制御をすることにより、はしめて安定かつ高桔度な動作
を実現した。この温度センサ１０は、熱応答速度が速い
ので、所定の温度における、温度制御はより精密かつ、
より安定にｊ〒なえるようになった。また、少なくとも
±１０（ｍｋ）以下の温度安定度を得るためには、温度
センサの検出電圧は１　（ｍＶ　／Ｋ）以上が必要とさ
れ、従って本発明で得られた温度センサによる検出信号
を用いて、温度制御は十分に行なえることが確認できた
。さらに、温度センサの消費電力が小さいため、温度測
定誤差が少なくできた。そして、温度検出電圧のアンプ
増幅時のノイズの影響が少ないので、温度制御はより正
確に行なえるものとなった。

〔発明の効果〕

本発明は、熱の良伝導体で作られた絶縁性基板あるいは
絶縁膜で表面を覆われた金属基板上に、非晶質半導体の
抵抗と、低温度係数の抵抗体とで作られた、小形で熱応
答速度が従来に見られなかった程速い橋絡構造の温度セ
ンサとしたから、次に示すような固有の効果を有する。

（１）温度センサの熱応答速度を０．１　（ｓ）以下と
高速にできたので、より精密な、かつ敏感な温度測定が
できる。

（２）温度センサ橋絡接続の非晶質半導体薄膜が導電率
３０（Ｓ−ｃｍ　−’　）以上と高いにもかかわらず、
抵抗値温度係数が０．４（Ｘ／Ｋ）以上と大きいので、
温度検出電圧が１　（ｍＶ　／Ｋ）以上と大きく、正確
な温度測定ができる。

（３）温度センサの抵抗値が、０．２５（ｋΩ）〜１０
（ｋΩ）の範囲にあるので、消費電力が小さく、かつア
ンプのノイズによる影響を受けにくいので、正確な温度
の測定ができる。

（４）温度センサの形状が最小で０．８５Ｘ　Ｏ，８５
（単位はＭ）以下と、小型化されているため、−微小部
分の温度測定ができる。

（５）非晶質半導体薄膜は、簡易でかつ安価な装置で堆
積され、堆積速度が速く、大面積化でき、面内均一性に
優れているため、より安価な温度センサが作製できる。

（６）？５度センサプロセスは、半導体素子プロセスと
両立し得るので、半導体素子の一部に組み込んで、温度
測定できる。

（７）以上に述べた発明の効果により得られた、安定な
温度制御により、半導体素子の温度を安定化させるより
±１０（ｍｋ）という高精度な動作が可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は温度センサの概念図を、第２図は半導体素子の
温度制御装置の一実施例を、第３図は温度センサの検出
電圧の式と開回路゛図、第４図は非晶質半導体薄膜の抵
抗値温度依存性、第５図は温度センサの温度Ｔと検出電
圧のグラフである。 図において、ｌは絶縁性基板（あるいは表面が絶縁膜で
覆われた金属基板）、２は非晶質半導体薄膜で成る抵抗
体、３は抵抗抗係数を有する薄膜抵抗体、４ａ、４ｂ＋
４ｃ、４ｄは橋絡接続を形成するオーミック電極、１０
は温度センサ、１１は半導体素子、１２は電子冷却素子
をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）絶縁性基板（１）と、該基板上に橋絡接続の対向す
   る辺を構成するように形成された、抵抗温度係数の大き
   い一対の非晶質半導体薄膜（２）及び抵抗温度係数の小
   さい一対の薄膜抵抗体（３）と、該非晶質半導体薄膜と
   該薄膜抵抗体とを接続する一対のオーミック電極（４ａ
   、４ｂ、４ｃ、４ｄ）とからなる温度センサと；半導体
   素子（１１）と、熱伝導性素材を介して接触した電子冷
   却素子（１２）と；該温度センサの出力を受けて該電子
   冷却素子に制御された電流を流して該半導体素子の温度
   を制御する温度コントローラ（１３）とを備えた半導体
   素子の温度制御装置。 ２）絶縁性基板（１）と；該基板上に橋絡接続の対向す
   る辺を構成するように形成された、抵抗温度係数の大き
   い一対の非晶質半導体薄膜（２）及び抵抗温度係数の小
   さい一対の薄膜抵抗体（３）と；該非晶質半導体薄膜と
   該薄膜抵抗体とを接続する二対のオーミック電極（４ａ
   、４ｂ、４ｃ、４ｄ）とを備えた温度センサであって； 前記温度センサの熱応答速度が０．１（ｓ）以下である
   ことを特徴とする温度センサ。