KR20210100502A - 열류 스위칭 소자 - Google Patents

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KR20210100502A
KR20210100502A KR1020200037638A KR20200037638A KR20210100502A KR 20210100502 A KR20210100502 A KR 20210100502A KR 1020200037638 A KR1020200037638 A KR 1020200037638A KR 20200037638 A KR20200037638 A KR 20200037638A KR 20210100502 A KR20210100502 A KR 20210100502A
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type semiconductor
thermal
flow switching
layer
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KR1020200037638A
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도시아키 후지타
고야 아라이
츠네히로 다케우치
다쿠야 마츠나가
Original Assignee
미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
각코호진 도요타가쿠엔
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Abstract

(과제) 열전도율의 변화가 보다 크고, 우수한 열응답성을 갖는 열류 스위칭 소자를 제공하는 것.
(해결 수단) 적어도 상면이 절연성 재료로 형성된 기재 (2) 와, N 형 반도체층 (3) 과, P 형 반도체층 (5) 과, 절연체층 (4) 을 구비하고, 기재 상에 N 형 반도체층 및 P 형 반도체층 중 일방의 반도체층이 형성되고, 일방의 반도체층 상에 절연체층이 형성되고, 절연체층 상에 N 형 반도체층 및 P 형 반도체층 중 타방의 반도체층이 형성되어 있다. 이로써, N 형 반도체층과 절연체층의 계면 및 그 근방과, P 형 반도체층과 절연체층의 계면 및 그 근방의 양방에서, 외부 전압에 의해 야기된 전하가 생성되기 때문에, 생성되는 전하량이 많아, 열전도율의 큰 변화와 높은 열응답성을 얻을 수 있다.

Description

열류 스위칭 소자{HEAT FLOW SWITCHING DEVICE}
본 발명은, 바이어스 전압으로 열전도를 능동적으로 제어 가능한 열류 스위칭 소자에 관한 것이다.
종래, 열전도율을 변화시키는 열 스위치로서, 예를 들어 특허문헌 1 에는, 열팽창률이 상이한 2 개의 열전도체를 가볍게 접촉시켜 온도 구배의 방향에 따라 열의 흐름 방향이 상이한 서멀 다이오드가 기재되어 있다. 또, 특허문헌 2 에도, 열팽창에 의한 물리적 열접촉을 사용한 열 스위치인 방열 장치가 기재되어 있다.
또, 특허문헌 3 에는, 화합물에 전압을 인가시킴으로써 일어나는 가역적인 산화 환원 반응에 의해 열전도율이 변화하는 열전도 가변 디바이스가 기재되어 있다.
또한, 비특허문헌 1 에는, 폴리이미드 테이프를 2 장의 Ag2S0 . 6Se0 . 4 로 끼워넣고 전기장을 인가함으로써 열전도도를 변화시키는 열류 스위칭 소자가 제안되어 있다.
일본 특허 제2781892호 일본 특허 제5402346호 일본 공개특허공보 2016-216688호
마츠나가 타쿠야 외 4 명, 「바이어스 전압으로 동작하는 열류 스위칭 소자의 제작」, 제15회 일본 열전 학회 학술 강연회, 2018년 9월 13일
상기 종래의 기술에는, 이하의 과제가 남아 있다.
즉, 특허문헌 1 및 2 에 기재된 기술에서는, 열팽창에 의한 물리적 열접촉을 사용하기 때문에, 재현성이 얻어지지 않고, 특히 미소 변화이기 때문에 사이즈 설계가 곤란함과 함께, 기계 접촉압에 의한 소성 변형을 회피할 수 없다. 또, 재료 간의 대류열 전달의 영향이 지나치게 크다는 문제가 있었다.
또, 특허문헌 3 에 기재된 기술에서는, 화학 반응인 산화 환원 반응을 사용하고 있어, 열응답성이 열등하고, 열전도가 안정되지 않는다는 문제가 있었다.
이들에 대해 비특허문헌 1 에 기재된 기술에서는, 전압을 인가함으로써, 재료 계면에 열전도 가능한 전하를 생성하고, 그 전하에 의해 열을 운반할 수 있기 때문에, 열전도가 변화한 상태로 즉시 이행할 수 있어, 비교적 양호한 열응답성을 얻을 수 있다. 그러나, 생성되는 전하의 양이 적기 때문에, 보다 생성되는 전하의 양을 증대시켜, 열전도율의 변화가 더욱 큰 열류 스위칭 소자가 요망되고 있다.
본 발명은, 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 열전도율의 변화가 보다 크고, 우수한 열응답성을 갖는 열류 스위칭 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이하의 구성을 채용하였다. 즉, 제 1 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 적어도 상면이 절연성 재료로 형성된 기재와, N 형 반도체층과, P 형 반도체층과, 절연체층을 구비하고, 상기 기재 상에 상기 N 형 반도체층 및 상기 P 형 반도체층 중 일방의 반도체층이 형성되고, 상기 일방의 반도체층 상에 절연체층이 형성되고, 상기 절연체층 상에 상기 N 형 반도체층 및 상기 P 형 반도체층 중 타방의 반도체층이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
이 열류 스위칭 소자에서는, 기재 상에 N 형 반도체층 및 P 형 반도체층 중 일방의 반도체층이 형성되고, 일방의 반도체층 상에 절연체층이 형성되고, 절연체층 상에 N 형 반도체층 및 P 형 반도체층 중 타방의 반도체층이 형성되어 있으므로, N 형 반도체층과 절연체층의 계면 및 그 근방과, P 형 반도체층과 절연체층의 계면 및 그 근방의 양방에서, 외부 전압에 의해 야기된 전하가 생성되기 때문에, 생성되는 전하량이 많아, 열전도율의 큰 변화와 높은 열응답성을 얻을 수 있다. 특히, N 형 반도체층, P 형 반도체층 및 절연체층의 각 층이 기재 상에 형성되어 있으므로, 소자 전체적으로 평탄성과 기계적 강도를 확보할 수 있다.
또, 외부 전압의 크기에 곱하여, 계면에 야기되는 전하량이 변화하므로, 외부 전압을 조정함으로써, 열전도율을 조정하는 것이 가능해지므로, 본 소자를 개재하여, 열류를 능동적으로 제어 가능해진다.
또한, 기재 상면이 절연체층이며, 전압 인가에 수반하는 전류가 발생하지 않기 때문에, 줄열은 생기지 않는다. 그 때문에, 자기 발열하는 일 없이, 열류를 능동적으로 제어 가능해진다.
제 2 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 발명에 있어서, 상기 기재와 상기 N 형 반도체층과 상기 P 형 반도체층을 구비한 단위 소자부를 복수 구비하고, 복수의 상기 단위 소자부가, 서로 상하로 적층되어 접합되고, 서로의 상기 N 형 반도체층이 전기적으로 접속되어 있음과 함께, 서로의 상기 P 형 반도체층이 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, 복수의 단위 소자부가, 서로 상하로 적층되어 접합되고, 서로의 N 형 반도체층이 전기적으로 접속되어 있음과 함께, 서로의 P 형 반도체층이 전기적으로 접속되어 있으므로, 적층되어 접합된 단위 소자부끼리의 병렬 회로가 구성되어, 단위 소자부의 접합수에 따라 더욱 전하의 생성을 증대시킬 수 있다.
제 3 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 2 발명에 있어서, 상기 단위 소자부가, 상기 N 형 반도체층에 접속된 N 측 전극과, 상기 P 형 반도체층에 접속된 P 측 전극을 상기 기재 상에 구비하고, 복수의 상기 단위 소자부의 상기 N 측 전극이, 서로 상기 기재에 형성된 N 측 스루홀을 통하여 접속되고, 복수의 상기 단위 소자부의 상기 P 측 전극이, 서로 상기 기재에 형성된 P 측 스루홀을 통하여 접속되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, 복수의 단위 소자부의 N 측 전극이, 서로 기재에 형성된 N 측 스루홀을 통하여 접속되고, 복수의 단위 소자부의 P 측 전극이, 서로 기재에 형성된 P 측 스루홀을 통하여 접속되어 있으므로, 적층되어 접합된 단위 소자부끼리가 N 측 스루홀 및 P 측 스루홀을 통하여 용이하게 병렬 회로를 구성할 수 있다.
제 4 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 내지 3 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 기재의 양 단부 (端部) 에, 상기 기재보다 열전도성이 높은 재료로 형성한 고열 전도부가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, 기재의 양 단부에, 기재보다 열전도성이 높은 재료로 형성한 고열 전도부가 형성되어 있으므로, 양 단부에 있어서의 접촉 열저항을 저감하고, 양 단부 간의 열류를 촉진할 수 있어, 단부로부터 단부로의 방향으로 높은 열 스위치성을 얻을 수 있다.
제 5 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 내지 4 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 절연체층이, 유전체로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, 절연체층이, 유전체로 형성되어 있으므로, N 형 반도체층 및 P 형 반도체층과 절연체층의 계면에 있어서 유전체인 절연체층측에도 전하가 생성되어, 보다 열전도율의 큰 변화와 높은 열응답성을 얻을 수 있다. 또, 화학 반응 기구를 이용하지 않는, 물리적으로 열전도율을 변화시키는 기구이므로, 열전도가 변화한 상태로 즉시 이행할 수 있어, 양호한 열응답성을 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면, 이하의 효과를 발휘한다.
즉, 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자에 의하면, 기재 상에 N 형 반도체층 및 P 형 반도체층 중 일방의 반도체층이 형성되고, 일방의 반도체층 상에 절연체층이 형성되고, 절연체층 상에 N 형 반도체층 및 P 형 반도체층 중 타방의 반도체층이 형성되어 있으므로, N 형 반도체층과 절연체층의 계면 및 그 근방과, P 형 반도체층과 절연체층의 계면 및 그 근방의 양방에서, 외부 전압 인가에 의해 전하가 생성되기 때문에, 생성되는 전하량이 많아, 열전도율의 큰 변화와 높은 열응답성을 얻을 수 있다. 특히, N 형 반도체층, P 형 반도체층 및 절연체층의 각 층이 기재 상에 형성되어 있으므로, 소자 전체적으로 평탄성과 기계적 강도를 확보할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 1 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 2 는 제 1 실시형태에 있어서, 열류 스위칭 소자를 나타내는 단면도이다.
도 3 은 제 1 실시형태에 있어서, 열류 스위칭 소자의 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4 는 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 2 실시형태를 나타내는 분해 사시도이다.
도 5 는 제 2 실시형태에 있어서, 열류 스위칭 소자를 나타내는 사시도이다.
도 6 은 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 참고예 1 에 있어서, 펄스광 가열 서모리플렉턴스법 (FF 법) 에 의한 측정 시의, 표면 온도 (ΔT/ΔTMAX) 의 시간 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 7 은 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 실시예 1 에 있어서, 펄스광 가열 서모리플렉턴스법 (FF 법) 에 의한 측정 시의, 표면 온도 (ΔT/ΔTMAX) 의 시간 의존성을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자에 있어서의 제 1 실시형태를, 도 1 내지 도 3 을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 설명에 사용하는 도면에서는, 각 부를 인식 가능 또는 인식 용이한 크기로 하기 위해서 필요에 따라 축척을 적절히 변경하고 있다.
본 실시형태의 열류 스위칭 소자 (1) 는, 도 1 내지 도 3 에 나타내는 바와 같이, 적어도 상면이 절연성 재료로 형성된 기재 (2) 와, N 형 반도체층 (3) 과, P 형 반도체층 (5) 과, 절연체층 (4) 을 구비하고 있다.
상기 기재 (2) 상에는, N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 중 일방의 반도체층이 형성되고, 일방의 반도체층 상에 절연체층 (4) 이 형성되고, 절연체층 (4) 상에 N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 중 타방의 반도체층이 형성되어 있다.
예를 들어, 본 실시형태에서는, 기재 (2) 상에 N 형 반도체층 (3) 이 형성되고, N 형 반도체층 (3) 상에 절연체층 (4) 이 형성되고, 절연체층 (4) 상에 P 형 반도체층 (5) 이 형성되어 있다.
성막 방법은, 스퍼터링법, 분자선 에피택시법 (MBE 법) 등, 각종 성막 수법이 채용된다. 또, 메탈 마스크, 에칭 프로세스 등을 사용하여, 기재 (2) 상에, N 형 반도체층 (3), 절연체층 (4) 및 P 형 반도체층 (5) 이 패턴 형성되어 있다.
또한, 본 실시형태의 열류 스위칭 소자 (1) 는, N 형 반도체층 (3) 에 접속된 N 측 전극 (6) 과, P 형 반도체층 (5) 에 접속된 P 측 전극 (7) 을 기재 (2) 상에 구비하고 있다.
또한, N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 에 직접 전압을 인가 가능한 경우에는, N 측 전극 (6) 및 P 측 전극 (7) 이 불필요하다. 즉, N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 에 직접 와이어 본딩하거나, 리드선을 접속해도 상관없다.
상기 절연체층 (4) 은, 유전체로 형성되어 있다.
상기 N 측 전극 (6) 및 P 측 전극 (7) 에는, 외부 전원 (V) 이 접속되고, 전압이 인가된다.
N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 은, 두께 1 ㎛ 미만의 박막으로 형성되어 있다. 특히, 절연체층 (4) 과의 계면 및 그 근방에 생성되는 전하 (e) (정전하, 부전하) 는, 5 ∼ 10 nm 의 두께 범위에서 주로 모이기 때문에, N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 은, 100 nm 이하의 막두께로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 또한, N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 은, 5 nm 이상의 막두께가 바람직하다.
도 3 에서, N 형 반도체층 (3) 과 절연체층 (4) 의 계면 및 그 근방에 생성되는 전하 (e) 의 종류는, N 형 반도체층 (3) 측에서 생성되는 전자 (부전하) 와 절연체층 (4) 측에서 생성되는 정공 (정전하) 이다. 또, P 형 반도체층 (5) 과 절연체층 (4) 의 계면 및 그 근방에 생성되는 전하 (e) 의 종류는, P 형 반도체층 (5) 측에서 생성되는 정공과 절연체층 (4) 측에서 생성되는 전자이다. 전자는 백색 원으로 표기되어 있다. 정공은 흑색 원으로 표기되어 있다. (정공은, 반도체의 가전자대의 전자의 부족에 의해 생성된 구멍이며, 상대적으로 정 (正) 의 전하를 가지고 있는 듯이 보인다.)
또한, 소자 전체적으로 평탄성과 기계적 강도를 확보하기 위해서, 기재 (2) 는 기판 단체 (單體) 로 핸들링할 수 있는 강도가 있는 것이 바람직하고, 구체적으로는 두께가 0.1 mm 이상인 것이 바람직하고, 0.5 mm 이상인 것이 더욱 바람직하다.
또한, N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 이, 두께 1 ㎛ 미만의 박막으로 형성되어 있으므로, 두께 1 ㎛ 이상이어도 기능적으로 전하 생성의 효과는 변하지 않기 때문에, 열류 스위칭에 기여하지 않는 쓸모없는 부분이 저감되어, 제조 비용의 저감 및 박형화를 도모할 수 있다.
또, 절연체층 (4) 은, 40 nm 이상의 막두께가 바람직하고, 절연 파괴가 생기지 않는 두께로 설정된다. 또한, 절연체층 (4) 은, 지나치게 두꺼우면 전하 (e) 를 운반하기 어려워지기 때문에, 1 ㎛ 미만의 막두께로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 절연체층 (4) 은 기판 (2) 보다 얇은 구성이 바람직하다.
N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 은, 낮은 격자 열전도를 가지는 축퇴 반도체 재료가 바람직하고, 예를 들어 SiGe 등의 열전 재료, CrN 등의 질화물 반도체, VO2 등의 산화물 반도체 등이 채용 가능하다. 또한, N 형, P 형은, 반도체 재료에 N 형, P 형의 도펀트를 첨가하는 것 등으로 설정하고 있다.
절연체층 (4) 은, 열전도율이 작은 절연성 재료인 것이 바람직하고, 상기 SiO2 등의 절연체, HfO2, BiFeO3 등의 유전체, 폴리이미드 (PI) 등의 유기 재료 등이 채용 가능하다. 특히, 유전율이 높은 유전체 재료가 바람직하다.
또한, 상기 기재 (2) 는, 예를 들어 절연체의 유리 기판 등이 채용 가능하다. 또한, 기재 (2) 로서, Si 기판 상에 절연체의 산화막의 SiO2 를 형성한 기재 등을 채용해도 상관없다.
상기 N 측 전극 (6) 및 P 측 전극 (7) 은, 예를 들어 Mo, Al 등의 금속으로 형성된다.
N 형 반도체층 (3) 과 P 형 반도체층 (5) 은, 각각 장방형 판상의 기재 (2) 의 일단부까지 연장하여 패턴 형성되어 있다. 그리고, N 측 전극 (6) 은, N 형 반도체층 (3) 의 단부 상에 접속되고, P 측 전극 (7) 은, P 형 반도체층 (5) 의 단부 상에 접속되어 있다.
본 실시형태의 열류 스위칭 소자 (1) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 전기장 (전압) 인가에 의해, N 형 반도체층 (3) 과 절연체층 (4) 의 계면 및 그 근방에 열전도 가능한 전하 (e) 를 생성함으로써, 생성한 전하 (e) 가 열을 운반하여 열전도율이 변화한다.
또한, 열전도율은 이하의 식으로 얻어진다.
열전도율 = 격자 열전도율 ＋ 전자 열전도율
이 2 종류의 열전도율 중, 전기장 (전압) 인가에 의해 생성한 전하량에 따라 변화하는 것은, 전자 열전도율이다. 따라서, 본 실시형태에 있어서, 보다 큰 열전도율 변화를 얻으려면, 격자 열전도율이 작은 재료가 적합하다. 따라서, N 형 반도체층 (3), 절연체층 (4) 및 P 형 반도체층 (5) 중 어느 것에 있어서도, 격자 열전도율이 작은, 즉, 열전도율이 작은 재료가 선택된다.
본 실시형태의 각 층을 구성하는 재료의 열전도율은, 5 W/mK 이하, 보다 바람직하게는 1 W/mK 이하의 낮은 것이 좋고, 상기 서술한 재료가 채용 가능하다.
또, 상기 전자 열전도율은, 인가하는 외부 전기장 (전압) 에 따라 생성되는 전하 (e) 의 양에 따라 증대한다.
또한, N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 과 절연체층 (4) 의 계면에서 전하 (e) 가 생성되는 점에서, 계면의 총면적을 늘림으로써, 생성되는 전하 (e) 의 양도 늘릴 수 있다.
상기 열전도율의 측정 방법은, 예를 들어 기판 상에 형성된 박막 시료를 펄스 레이저로 순간적으로 가열하고, 박막 내부로의 열확산에 의한 표면 온도의 저하 속도 혹은 표면 온도의 상승 속도를 측정함으로써, 박막의 막압 방향의 열확산율 또는 열침투율을 구하는 방법인 펄스광 가열 서모리플렉턴스법에 의해 실시한다. 또한, 상기 펄스광 가열 서모리플렉턴스법 중, 열확산을 직접 측정하는 방법 (이면 가열/표면 측온 (RF) 방식) 에서는, 펄스 레이저가 투과 가능한 투명 기판을 사용할 필요가 있기 때문에, 투명 기판이 아닌 경우에는, 열침투율을 측정하고, 열전도율로 환산하는 방식인 표면 가열/측온 (FF) 방식으로 열전도율을 측정한다. 또한, 이 측정에는, 금속막이 필요하고, Mo, Al 등이 채용된다.
이와 같이 본 실시형태의 열류 스위칭 소자 (1) 에서는, 기재 (2) 상에 N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 중 일방의 반도체층이 형성되고, 일방의 반도체층 상에 절연체층 (4) 이 형성되고, 절연체층 (4) 상에 N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 중 타방의 반도체층이 형성되어 있으므로, N 형 반도체층 (3) 과 절연체층 (4) 의 계면 및 그 근방과, P 형 반도체층 (5) 과 절연체층 (4) 의 계면 및 그 근방의 양방에서 전하 (e) 가 생성되기 때문에, 외부 전압에 의해 생성되는 전하량이 많아, 열전도율의 큰 변화와 높은 열응답성을 얻을 수 있다. 또, 화학 반응 기구를 이용하지 않는, 물리적으로 열전도율을 변화시키는 기구이므로, 열전도가 변화한 상태로 즉시 이행할 수 있어, 양호한 열응답성을 얻을 수 있다.
또, 외부 전압의 크기에 곱하여, 계면에 야기되는 전하량이 변화하므로, 외부 전압을 조정함으로써, 열전도율을 조정하는 것이 가능해지고, 본 소자를 개재하여, 열류를 능동적으로 제어 가능해진다. 또한, 절연체층 (4) 이 절연체이기 때문에, 전압 인가에 수반하는 전류가 발생하지 않기 때문에, 전압 인가에 수반하는 줄열은 생기지 않는다. 그 때문에, 자기 발열하는 일 없이, 열류를 능동적으로 제어 가능해진다.
특히, N 형 반도체층 (3), P 형 반도체층 (5) 및 절연체층 (4) 의 각 층이 기재 (2) 상에 형성되어 있으므로, 소자 전체적으로 평탄성과 기계적 강도를 확보할 수 있다.
또, 절연체층 (4) 이, 유전체로 형성되어 있으므로, N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 과 절연체층 (4) 의 계면에 있어서 유전체인 절연체층 (4) 측에도 전하 (e) 가 생성되어, 보다 열전도율의 큰 변화와 높은 열응답성을 얻을 수 있다.
다음으로, 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 2 및 제 3 실시형태에 대해, 도 4 내지 도 5 를 참조하여 이하에 설명한다. 또한, 이하의 각 실시형태의 설명에 있어서, 상기 실시형태에 있어서 설명한 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
제 2 실시형태와 제 1 실시형태의 상이한 점은, 제 1 실시형태에서는, 기재 (2), N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 이 각 1 개씩으로 구성되어 있는 것에 대해, 제 2 실시형태의 열류 스위칭 소자 (21) 에서는, 도 4 및 도 5 에 나타내는 바와 같이, 기재 (2) 와 N 형 반도체층 (3) 과 P 형 반도체층 (5) 과 N 측 전극 (6) 과 P 측 전극 (7) 을 구비한 단위 소자부 (20) 를 복수 구비하고, 복수의 단위 소자부 (20) 가, 서로 상하로 적층되어 접합되어 있는 점이다.
또, 제 2 실시형태에서는, 복수의 단위 소자부 (20) 의 N 측 전극 (6) 이, 서로 기재 (2) 에 형성된 N 측 스루홀 (H1) 을 통하여 접속되고, 복수의 단위 소자부 (20) 의 P 측 전극 (7) 이, 서로 기재에 형성된 P 측 스루홀 (H2) 을 통하여 접속되어 있다.
상기 단위 소자부 (20) 는, 접착제 등에 의해 서로 적층, 접합되어 있다.
상기 N 측 스루홀 (H1) 및 P 측 스루홀 (H2) 은, 기재 (2) 를 관통하고 있고, 내면에 금속 등의 도전체가 형성되어 상하의 단위 소자부 (20) 끼리에서 서로 도통되고 있다.
상기 기재 (2) 는, 절연성을 갖는 재료로 구성되어 있고, 장방형상의 유리 기판, 폴리이미드 등의 수지 기판, 열산화막이 형성된 Si 기판 등이며, 기재 (2) 의 양 단부에는, 기재 (2) 보다 열전도성이 높은 재료로 형성한 고열 전도부 (29) 가 형성되어 있다. 즉, 단위 소자부 (20) 를 적층, 접합시켰을 때의 열류 스위칭 소자 (21) 의 양 단면 (端面) 에는, 고열 전도부 (29) 가 형성되어 있다. 이 고열 전도부 (29) 는, 예를 들어 실리콘 수지 등의 재료로 형성되어 있다.
이와 같이 제 2 실시형태의 열류 스위칭 소자 (21) 에서는, 복수의 단위 소자부 (20) 가, 서로 상하로 적층되어 접합되고, 서로의 N 형 반도체층 (3) 이 전기적으로 접속되어 있음과 함께, 서로의 P 형 반도체층 (5) 이 전기적으로 접속되어 있으므로, 적층되어 접합된 단위 소자부 (20) 끼리의 병렬 회로가 구성되어, 단위 소자부 (20) 의 접합수에 따라 더욱 전하 (e) 의 생성을 증대시킬 수 있다.
특히, 복수의 단위 소자부 (20) 의 N 측 전극 (6) 이, 서로 기재 (2) 에 형성된 N 측 스루홀 (H1) 을 통하여 접속되고, 복수의 단위 소자부 (20) 의 P 측 전극 (7) 이, 서로 기재 (2) 에 형성된 P 측 스루홀 (H2) 을 통하여 접속되어 있으므로, 적층되어 접합된 단위 소자부 (20) 끼리가 N 측 스루홀 (H1) 및 P 측 스루홀 (H2) 을 통하여 용이하게 병렬 회로를 구성할 수 있다.
또, 기재 (2) 의 양 단부에, 기재 (2) 보다 열전도성이 높은 재료로 형성한 고열 전도부 (29) 가 형성되어 있으므로, 양 단부에 있어서의 접촉 열저항을 저감하고, 양 단부 간의 열류를 촉진할 수 있어, 단부로부터 단부로의 방향으로 열 스위치성을 얻을 수 있다.
또, 기재 (2) 를 얇게 함으로써, 절연체의 기재 (2) 를 통해, 적층 방향으로 P 형 반도체층 (5)/기재 (2) (절연체)/N 형 반도체층 (3) 의 적층 구조가 얻어지므로, 기재 (2) 와의 계면에도 전하 (e) 가 생성되어, 전하 (e) 를 더욱 증대시킬 수 있다.
또한, 적층 방향으로도 열전도를 변화시키는 것이 가능하게 되어, N 형 반도체층 (3), 절연체층 (4) 및 P 형 반도체층 (5) 의 외주 가장자리를 덮은 외주 단열부를 형성하고, 외주 단열부보다 열전도성이 높은 재료로 최상면 및 최하면에 고열 전도부를 형성함으로써, 면내 방향으로의 열류를 억제할 수 있어, 적층 방향으로 열 스위치성을 얻을 수 있다.
또한, 이 적층·접합 방향에 있어서의 전하 생성 효과는, 기재 (2) 를 얇게 설정할수록 얻을 수 있다.
실시예
＜참고예 1＞
이하의 재료를 사용하여 N 형 반도체층 상에, 절연체층, P 형 반도체층 및 P 측 전극을 적층하여 본 발명의 참고예 1 로 하고, 그 열전도성의 변화에 대해 측정하였다.
N 형 반도체층 : N 형 반도체의 Si 기판 (두께 0.5 mm)
절연체층 : SiO2 (두께 100 nm)
P 형 반도체층 : Si0.375Ge0.575Au0.05 (두께 40 nm)
P 측 전극 : Mo (두께 100 nm)
또한, SiO2 (두께 100 nm) 및 Si0.375Ge0.575Au0.05 (두께 40 nm) 는, 각각 단막에서 열전도율이 2 W/mK 미만인 것은 확인 완료하였다.
또, SiO2 (두께 100 nm) 는, RF 스퍼터법으로 성막하고, Si0.375Ge0.575Au0.05 (두께 40 nm) 는, MBE 법으로 성막하였다.
상기 N 형 반도체의 Si 기판과 P 측 전극의 Mo 에 Au 선을 접속하고, 전압을 인가하였다. 또, 측정은, 실온에서 실시하였다.
상기 측정에 대해, 전압에 대한 열침투율과 전압 인가 후의 열전도율의 상승률을 이하의 표 1 및 도 6 에 나타낸다.
Figure pat00001
＜실시예 1＞
이하의 재료를 사용하여 기재 상에 N 형 반도체층, 절연체층, P 형 반도체층 및 P 측 전극을 적층하여 본 발명의 실시예 1 로 하고, 그 열전도성의 변화에 대해 측정하였다.
기재 : 유리 기판 (두께 0.5 mm)
N 형 반도체층 : Si0.36Ge0.56P0.08 (두께 40 nm)
절연체층 : SiO2 (두께 30 nm)
P 형 반도체층 : Si0.375Ge0.575Au0.05 (두께 20 nm)
P 측 전극 : Mo (두께 100 nm)
또한, Si0.36Ge0.56P0.08 (두께 40 nm), SiO2 (두께 100 nm) 및 Si0.375Ge0.575Au0.05 (두께 40 nm) 는, 각각 단막에서 열전도율이 2 W/mK 미만인 것은 확인 완료하였다.
또, SiO2 (두께 100 nm) 는, RF 스퍼터법으로 성막하고, Si0.36Ge0.56P0.08 (두께 40 nm) 및 Si0.375Ge0.575Au0.05 (두께 40 nm) 는, MBE 법으로 성막하였다.
상기 N 형 반도체의 Si0.36Ge0.56P0.08 과 P 측 전극의 Mo 에 Au 선을 접속하고, 전압을 인가하였다. 또, 측정은, 실온에서 실시하였다.
상기 측정에 대해, 전압에 대한 열침투율과 전압 인가 후의 열전도율의 상승률을 이하의 표 2 및 도 7 에 나타낸다.
Figure pat00002
또한, 열침투율은, 펄스광 가열 서모리플렉턴스법의 FF 방식 (표면 가열/표면 측온) 으로 측정하였다 (측정 장치 : 피코섬사 PicoTR).
열전도율은, 이하의 식에 의해 열침투율로부터 계산된다.
열전도율 k = (열침투율 b)2/체적 열용량
= (열침투율 b)2/(비열 × 밀도)
따라서, 전압 인가 후의 열전도율의 상승률 Δk 는, 이하의 식으로 평가된다.
Δk = k(V)/k(0) - 1
Δk = b(V)2/b(0)2 - 1
k(V) : 전압 인가 시의 열전도율 (W/mK)
k(0) : 전압 인가 없음의 열전도율 (W/mK)
b(V) : 전압 인가 시의 열침투율 (W/s0.5m2K)
b(0) : 전압 인가 없음의 열침투율 (W/s0.5m2K)
상기 펄스광 가열 서모리플렉턴스법 (FF 법) 에 의한 측정은, P 측 전극의 Mo 막측으로부터, 펄스 레이저로 순간적으로 소자를 가열하고, 박막 내부로의 열확산에 의한 표면 온도의 저하 속도를 측정함으로써, 박막의 열침투율이 계측된다.
이 열침투율이 크면, 즉 열전도율이 크면 열의 전달이 커지고, 온도가 저하하는 시간이 빨라진다.
또한, 도 6 및 도 7 은, 표면 온도의 시간 의존성을 나타내는 것이며, 세로축의 표면 온도는, 펄스 레이저로 가열했을 때의 최대 온도에서 규격화 (최대 1) 되어 있다.
이들 측정의 결과, 상기 참고예 1 및 실시예 1 의 양방 모두, 인가하는 전압을 올릴수록, 열침투율이 높아짐과 함께 전압 인가 후의 열전도율의 상승률도 높아지는 것이 확인되었다.
즉, 도 6 및 도 7 의 결과로부터, 전압 인가 시쪽이, 표면 온도의 저하 스피드가 빠르고, 전압이 인가되고 있지 않을 때와 비교해, 열침투율이 크고, 즉 열전도율이 커져 있는 것을 알 수 있다. 절연체층을 가지고 있으므로, 전압 인가에 수반하는 줄열은 생기지 않아, 자기 발열하는 일 없이, 물리적, 또한, 능동적으로, 열전도도를 제어 가능한 것이 확인되었다.
또한, 본 발명의 기술 범위는 상기 각 실시형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지 변경을 가하는 것이 가능하다.
1, 21 : 열류 스위칭 소자
3 : N 형 반도체층
4 : 절연체층
5 : P 형 반도체층
6 : N 측 전극
7 : P 측 전극
29 : 고열 전도부
H1 : N 측 스루홀
H2 : P 측 스루홀

Claims (5)

  1. 적어도 상면이 절연성 재료로 형성된 기재와,
    N 형 반도체층과,
    P 형 반도체층과,
    절연체층을 구비하고,
    상기 기재 상에 상기 N 형 반도체층 및 상기 P 형 반도체층 중 일방의 반도체층이 형성되고,
    상기 일방의 반도체층 상에 절연체층이 형성되고,
    상기 절연체층 상에 상기 N 형 반도체층 및 상기 P 형 반도체층 중 타방의 반도체층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기재와 상기 N 형 반도체층과 상기 P 형 반도체층을 구비한 단위 소자부를 복수 구비하고,
    복수의 상기 단위 소자부가, 서로 상하로 적층되어 접합되고, 서로의 상기 N 형 반도체층이 전기적으로 접속되어 있음과 함께, 서로의 상기 P 형 반도체층이 전기적으로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단위 소자부가, 상기 N 형 반도체층에 접속된 N 측 전극과,
    상기 P 형 반도체층에 접속된 P 측 전극을 상기 기재 상에 구비하고,
    복수의 상기 단위 소자부의 상기 N 측 전극이, 서로 상기 기재에 형성된 N 측 스루홀을 통하여 접속되고,
    복수의 상기 단위 소자부의 상기 P 측 전극이, 서로 상기 기재에 형성된 P 측 스루홀을 통하여 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기재의 양 단부에, 상기 기재보다 열전도성이 높은 재료로 형성한 고열 전도부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연체층이, 유전체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
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