KR20210100503A - 열류 스위칭 소자 - Google Patents
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Abstract
(과제) 열전도율의 변화가 보다 크고, 우수한 열응답성을 갖는 열류 스위칭 소자를 제공하는 것.
(해결 수단) N 형 반도체층 (3) 과, N 형 반도체층 상에 적층된 절연체층 (4) 과, 절연체층 상에 적층된 P 형 반도체층 (5) 과, N 형 반도체층에 접속된 N 측 전극 (6) 과, P 형 반도체층에 접속된 P 측 전극 (7) 을 구비하고 있다. 특히, 절연체층이, 유전체로 형성되어 있다. 또, N 형 반도체층과 P 형 반도체층이 절연체층을 사이에 두고 교대로 복수 적층되어 있는 것이 바람직하다.
(해결 수단) N 형 반도체층 (3) 과, N 형 반도체층 상에 적층된 절연체층 (4) 과, 절연체층 상에 적층된 P 형 반도체층 (5) 과, N 형 반도체층에 접속된 N 측 전극 (6) 과, P 형 반도체층에 접속된 P 측 전극 (7) 을 구비하고 있다. 특히, 절연체층이, 유전체로 형성되어 있다. 또, N 형 반도체층과 P 형 반도체층이 절연체층을 사이에 두고 교대로 복수 적층되어 있는 것이 바람직하다.
Description
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.
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, N 형 반도체층과, 상기 N 형 반도체층 상에 적층된 절연체층과, 상기 절연체층 상에 적층된 P 형 반도체층을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
이 열류 스위칭 소자에서는, N 형 반도체층과, N 형 반도체층 상에 적층된 절연체층과, 절연체층 상에 적층된 P 형 반도체층을 구비하고 있으므로, N 측 전극과 P 측 전극에 외부 전압을 인가하면, P 형 반도체층 및 N 형 반도체층과 절연체층의 주로 계면에 전하가 야기되고, 이 전하가 열을 운반함으로써 열전도율이 변화한다. 특히, N 형 반도체층과 절연체층의 계면 및 그 근방과, P 형 반도체층과 절연체층의 계면 및 그 근방의 양방에서 전하가 생성되기 때문에, 생성되는 전하량이 많아, 열전도율의 큰 변화와 높은 열응답성을 얻을 수 있다. 또, 화학 반응 기구를 사용하지 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 가능해지므로, 본 소자를 개재하여, 열류를 능동적으로 제어 가능해진다.
또한, 절연체층이 절연체이며, 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 N 형 반도체층에 접속된 N 측 전극과, 상기 P 형 반도체층에 접속된 P 측 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
제 3 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 또는 제 2 발명에 있어서, 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.
제 4 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 내지 제 3 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 N 형 반도체층과 상기 P 형 반도체층이 상기 절연체층을 사이에 두고 교대로 복수 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, N 형 반도체층과 P 형 반도체층이 절연체층을 사이에 두고 교대로 복수 적층되어 있으므로, 적층되어 증가한 상기 계면에 따라 생성되는 전하량도 증가하여, 보다 열전도율의 큰 변화와 높은 열응답성이 얻어진다.
제 5 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 내지 제 4 발명 중 어느 하나에 있어서, 최상면에 형성된 상부 고열 전도부와, 최하면에 형성된 하부 고열 전도부와, 상기 N 형 반도체층, 상기 절연체층 및 상기 P 형 반도체층의 외주 가장자리를 덮어 형성된 외주 단열부를 구비하고, 상기 상부 고열 전도부 및 상기 하부 고열 전도부가, 상기 외주 단열부보다 열전도성이 높은 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, 상부 고열 전도부 및 하부 고열 전도부가, 외주 단열부보다 열전도성이 높은 재료로 형성되어 있으므로, 면내 방향으로의 열류를 억제할 수 있어, 적층 방향으로 열 스위치성을 얻을 수 있다. 특히, 각 층의 외주에 N 측 전극 및 P 측 전극이 배치되어 있는 경우, 이들 전극에의 열의 유입을 열전도성이 낮은 외주 단열부에 의해 최대한 억제할 수 있다.
제 6 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 내지 제 4 발명 중 어느 하나에 있어서, 최상면에 형성된 상부 단열부와, 최하면에 형성된 하부 단열부와, 상기 N 형 반도체층, 상기 절연체층 및 상기 P 형 반도체층의 외주 가장자리에 있어서 서로 이간된 2 지점에 부분적으로 형성된 1 쌍의 외주 고열 전도부를 구비하고, 상기 외주 고열 전도부가, 상기 상부 단열부 및 상기 하부 단열부보다 열전도성이 높은 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, 외주 고열 전도부가, 상부 단열부 및 하부 단열부보다 열전도성이 높은 재료로 형성되어 있으므로, 적층 방향으로의 열류를 억제할 수 있어, 면내 방향으로 열 스위치성을 얻을 수 있다. 특히, 각 층의 외주에 N 측 전극 및 P 측 전극이 배치되어 있는 경우, 열전도성이 높은 외주 고열 전도부에 의해 N 측 전극이나 P 측 전극을 커버함으로써, 고온측 및 저온측의 접촉 열저항을 저감할 수 있다.
제 7 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 내지 제 6 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 N 형 반도체층 및 상기 P 형 반도체층이, 두께 1 ㎛ 미만의 박막으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, N 형 반도체층 및 P 형 반도체층이, 두께 1 ㎛ 미만의 박막으로 형성되어 있으므로, 두께 1 ㎛ 이상이어도 기능적으로 전하 생성의 효과는 변하지 않기 때문에, 열 스위칭에 기여하지 않는 쓸모없는 부분이 저감되어, 제조 비용의 저감 및 박형화를 도모할 수 있다.
본 발명에 의하면, 이하의 효과를 발휘한다.
즉, 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자에 의하면, N 형 반도체층과, N 형 반도체층 상에 적층된 절연체층과, 절연체층 상에 적층된 P 형 반도체층을 구비하고 있으므로, 외부 전압 인가에 의해 생성되는 전하량이 많아, 열전도율의 큰 변화와 높은 열응답성을 얻을 수 있다.
도 1 은 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 1 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 2 는 제 1 실시형태에 있어서, 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3 은 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 2 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 4 는 제 2 실시형태에 있어서, 열류 스위칭 소자를 나타내는 단면도이다.
도 5 는 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 3 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 6 은 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 4 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 7 은 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 5 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 8 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.
도 9 는 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 실시예 2 에 있어서, 펄스광 가열 서모리플렉턴스법 (FF 법) 에 의한 측정 시의, 표면 온도 (ΔT/ΔTMAX) 의 시간 의존성을 나타내는 그래프이다.
도 2 는 제 1 실시형태에 있어서, 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3 은 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 2 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 4 는 제 2 실시형태에 있어서, 열류 스위칭 소자를 나타내는 단면도이다.
도 5 는 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 3 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 6 은 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 4 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 7 은 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 5 실시형태를 나타내는 단면도이다.
도 8 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.
도 9 는 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 실시예 2 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 및 도 2 를 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 및 도 2 에 나타내는 바와 같이, N 형 반도체층 (3) 과, N 형 반도체층 (3) 상에 적층된 절연체층 (4) 과, 절연체층 (4) 상에 적층된 P 형 반도체층 (5) 을 구비하고 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 구비하고 있다.
성막 방법은, 스퍼터링법, 분자선 에피택시법 (MBE 법) 등, 각종 성막 수법이 채용된다.
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.
또, 본 실시형태의 열류 스위칭 소자 (1) 는, 절연성의 기재 (2) 를 구비하고, 기재 (2) 상에 N 측 전극 (6) 이 형성되어 있다. 즉, 기재 (2) 상에, N 측 전극 (6), N 형 반도체층 (3), 절연체층 (4), P 형 반도체층 (5) 및 P 측 전극 (7) 이, 이 순서로 적층되어 있다. 또한, 기재 (2) 상에, 상기와 반대의 순서로 적층해도 상관없다. 또, 기재 (2) 자체를, P 측 전극 (7) 또는 N 측 전극 (6) 으로 해도 상관없다.
상기 N 측 전극 (6) 및 P 측 전극 (7) 에는, 외부 전원 (V) 이 접속되고, 전압이 인가된다. 또한, 도 1 에 있어서의 화살표는, 전압 (전기장) 의 인가 방향을 나타내고 있다.
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.
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.
도 2 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.)
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, SiO2 등의 절연체, HfO2, BiFeO3 등의 유전체, 폴리이미드 (PI) 등의 유기 재료 등이 채용 가능하다. 특히, 유전율이 높은 유전체 재료가 바람직하다.
상기 기재 (2) 는, 예를 들어 유리 기판 등이 채용 가능하다.
상기 N 측 전극 (6) 및 상기 P 측 전극 (7) 은, 예를 들어 Mo, Al 등의 금속으로 형성된다.
본 실시형태의 열류 스위칭 소자 (1) 는, 도 2 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 막두께 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, N 형 반도체층 (3) 과, N 형 반도체층 (3) 상에 적층된 절연체층 (4) 과, 절연체층 (4) 상에 적층된 P 형 반도체층 (5) 을 구비하고 있으므로, N 측 전극 (6) 과 P 측 전극 (7) 에 전압을 인가하면, P 형 반도체층 (5) 및 N 형 반도체층 (3) 과 절연체층 (4) 의 주로 계면에 전하 (e) 가 야기되고, 이 전하 (e) 가 열을 운반함으로써 열전도율이 변화한다.
특히, 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, 생성되는 전하량이 많아, 열전도율의 큰 변화와 높은 열응답성을 얻을 수 있다. 또, 화학 반응 기구를 사용하지 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 절연체이며, 전압 인가에 수반하는 전류가 발생하지 않기 때문에, 전압 인가에 수반하는 줄열은 생기지 않는다. 그 때문에, 자기 발열하는 일 없이, 열류를 능동적으로 제어 가능해진다.
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 전하가 생성되어, 보다 열전도율의 큰 변화와 높은 열응답성을 얻을 수 있다.
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, 열 스위칭에 기여하지 않는 쓸모없는 부분이 저감되어, 제조 비용의 저감 및 박형화를 도모할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 2 ∼ 제 5 실시형태에 대해, 도 3 내지 도 7 을 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, N 형 반도체층 (3), 절연체층 (4) 및 P 형 반도체층 (5) 이 각 1 층씩 적층되어 있는데 대해, 제 2 실시형태의 열류 스위칭 소자 (21) 에서는, 도 3 및 도 4 에 나타내는 바와 같이, N 형 반도체층 (23) 과 P 형 반도체층 (25) 이 절연체층 (24) 을 사이에 두고 교대로 복수 적층되어 있는 점이다.
즉, 제 2 실시형태에서는, 기재 (2) 상에 절연체층 (24) 을 먼저 성막하고, 그 위에 N 형 반도체층 (23) 과 P 형 반도체층 (25) 을, 사이에 절연체층 (24) 을 개재시키면서 이 순서로 반복 적층하여, 3 층의 N 형 반도체층 (23) 과 3 층의 P 형 반도체층 (25) 과 7 층의 절연체층 (24) 의 적층체를 구성하고 있다.
각 N 형 반도체층 (23) 은, 각각 기단부에 형성된 N 측 연결부 (23a) 에 접속되고, 또한 N 측 연결부 (23a) 의 일부에 N 측 전극 (26) 이 형성되어 있다. 또, 각 P 형 반도체층 (25) 은, 각각 기단부에 형성된 P 측 연결부 (25a) 에 접속되고, 또한 P 측 연결부 (25a) 의 일부에 P 측 전극 (27) 이 형성되어 있다.
상기 각 층은, 메탈 마스크를 사용하여 패턴 형성되어 있다. 또한, 메탈 마스크의 위치를 어긋나게 하여 성막함으로써, N 형 반도체층 (23) 과 P 형 반도체층 (25) 과 절연체층 (24) 을 복수 적층하고 있다.
또, N 측 전극 (26) 및 P 측 전극 (27) 에는, 각각 리드선 (26a, 27a) 이 접속되어 있다.
이와 같이 제 2 실시형태의 열류 스위칭 소자 (21) 에서는, N 형 반도체층 (23) 과 P 형 반도체층 (25) 이 절연체층 (24) 을 사이에 두고 교대로 복수 적층되어 있으므로, 외부 전압에 의해, 적층되어 증가한 상기 계면에 따라 생성되는 전하 (e) 도 증가하여, 보다 열전도율의 큰 변화와 높은 열응답성이 얻어진다.
다음으로, 제 3 실시형태와 제 2 실시형태의 상이한 점은, 제 2 실시형태에서는, 최상면에 절연체층 (24) 이 노출되고, 최하면의 기재 (2) 가 유리 기판인데 대해, 제 3 실시형태의 열류 스위칭 소자 (31) 에서는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 최상면에 형성된 상부 고열 전도부 (38) 와, 최하면에 형성된 기재의 하부 고열 전도부 (32) 와, N 형 반도체층 (23), 절연체층 (24) 및 P 형 반도체층 (25) 의 외주 가장자리를 덮어 형성된 외주 단열부 (39) 를 구비하고, 상부 고열 전도부 (38) 및 하부 고열 전도부 (32) 가, 외주 단열부 (39) 보다 열전도성이 높은 재료로 형성되어 있는 점이다.
예를 들어, 상부 고열 전도부 (38) 는, 실리콘계 수지 (실리콘) 등의 고열 전도 재료로 형성되어 있음과 함께, 하부 고열 전도부 (32) 는 알루미나 등으로 형성된 고열 전도 기판이 채용된다.
또, 상기 외주 단열부 (39) 는, 에폭시 수지 등의 저열전도 재료로 형성되어 있다.
외주 단열부 (39) 는, 최상부의 절연체층 (24) 의 부분을 노출시킨 상태에서 그 주위를 덮고 있고, 상부 고열 전도부 (38) 는, 노출된 최상부의 절연체층 (24) 에 접촉하도록 상부에 형성되어 있다.
또한, 외주 단열부 (39) 는, 각 층의 외주에 배치되고 리드선 (26a, 27a) 에 접속된 N 측 전극 (26) 및 P 측 전극 (27) 도 덮어 형성되어 있다.
제 3 실시형태의 경우, 열류 방향이 적층 방향 (도 5 중의 화살표 방향) 이 되고, 예를 들어, 상부 고열 전도부 (38) 측이 고온측이 됨과 함께, 하부 고열 전도부 (32) 측이 저온측이 된다. 열류 방향은 적층 방향이면, 상부 고열 전도부 (38) 측이 저온측이 됨과 함께, 하부 고열 전도부 (32) 측이 고온측이어도 된다.
이와 같이 제 3 실시형태의 열류 스위칭 소자 (31) 에서는, 최상면의 상부 고열 전도부 (38) 및 최하면의 하부 고열 전도부 (32) 가, 외주 단열부 (39) 보다 열전도성이 높은 재료로 형성되어 있으므로, N 형 반도체층 (23), 절연체층 (24) 및 P 형 반도체층 (25) 의 전체를 열류의 경로로 하면서, 열전도율이 변화하지 않는 외주 단열부 (39) 를 경유하여 열이 흐르는 것을 억제할 수 있으므로, 적층 방향으로 열 스위치성을 얻을 수 있다. 또, 상부 고열 전도부 (38) 측, 하부 고열 전도부 (32) 측, 모두, 평탄성을 얻기 쉬운 소자 구조로 되어 있기 때문에, 고온측 및 저온측과 용이하게 열접촉시키기 쉽고, 고온측 및 저온측과의 접촉 열저항을 저감할 수 있다.
다음으로, 제 4 실시형태와 제 3 실시형태의 상이한 점은, 제 3 실시형태에서는, 상부 고열 전도부 (38) 및 하부 고열 전도부 (32) 가, 외주 단열부 (39) 보다 열전도성이 높은 재료로 형성되어 있는 것에 대해, 제 4 실시형태의 열류 스위칭 소자 (41) 에서는, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 최상면에 형성된 상부 단열부 (48) 와, 최하면에 형성된 하부 단열부 (42) 와, N 형 반도체층 (23), 절연체층 (24) 및 P 형 반도체층 (25) 의 외주 가장자리에 있어서 서로 이간된 2 지점에 부분적으로 형성된 1 쌍의 외주 고열 전도부 (49) 를 구비하고, 외주 고열 전도부 (49) 는, 상부 단열부 (48) 및 하부 단열부 (42) 보다 열전도성이 높은 재료로 형성되어 있는 점이다.
예를 들어, 상부 단열부 (48) 는, 에폭시 수지 등의 저열전도 재료로 형성되어 있음과 함께, 하부 단열부 (42) 는 유리 등의 저열전도 기판이 채용된다.
또, 1 쌍의 상기 외주 고열 전도부 (49) 는, 실리콘계 수지 (실리콘) 등의 고열 전도 재료로 형성되어 있다.
1 쌍의 외주 고열 전도부 (49) 는, 최상부의 절연체층 (24) 의 부분을 노출시킨 상태에서 그 주위를 덮고 있지만, 서로 외주 방향으로 이간하여 형성되어 있다.
상부 단열부 (48) 는, 노출된 최상부의 절연체층 (4) 에 접촉하도록 상부에 형성되어 있다.
또한, 1 쌍의 외주 고열 전도부 (49) 는, 각 층의 외주에 배치되고 리드선 (26a, 27a) 에 접속된 N 측 전극 (26) 및 P 측 전극 (27) 도 덮어 형성되어 있다.
제 4 실시형태의 경우, 열류 방향이 면내 방향 (도 6 중의 화살표 방향) 이 되고, 1 쌍의 외주 고열 전도부 (49) 중 일방측이 고온측이 됨과 함께, 타방측이 저온측이 된다. 즉, 1 쌍의 외주 고열 전도부 (49) 는, 서로 열류 방향의 고온측과 저온측으로 나누어져 배치되어 있다.
이와 같이 제 4 실시형태의 열류 스위칭 소자 (41) 에서는, 외주 고열 전도부 (49) 가, 상부 단열부 (48) 및 하부 단열부 (42) 보다 열전도성이 높은 재료로 형성되어 있으므로, N 형 반도체층 (23), 절연체층 (24) 및 P 형 반도체층 (25) 의 전체를 열류의 경로로 하면서, 열전도율이 변화하지 않는 상부 단열부 (48) 및 하부 단열부 (42) 를 경유하여 열이 흐르는 것을 억제할 수 있으므로, 면내 방향으로 열 스위치성을 얻을 수 있다. 각 층의 외주에 N 측 전극 (26) 및 P 측 전극 (27) 이 배치되어 있는 경우, 열전도성이 높은 외주 고열 전도부 (49) 에 의해 N 측 전극 (26) 이나 P 측 전극 (27) 을 커버함으로써, 이 외주 고열 전도부 (49) 를 개재하여 고온측 및 저온측과 용이하게 열접촉시키는 것이 가능해져, 고온측 및 저온측의 접촉 열저항을 저감할 수 있다.
다음으로, 제 5 실시형태와 제 2 실시형태의 상이한 점은, 제 2 실시형태에서는, 각 N 형 반도체층 (23) 이 N 측 연결부 (23a) 에 접속되고, N 측 연결부 (23a) 의 일부에 N 측 전극 (26) 이 형성되어 있음과 함께, 각 P 형 반도체층 (25) 이 P 측 연결부 (25a) 에 접속되고, P 측 연결부 (25a) 의 일부에 P 측 전극 (27) 이 형성되어 있는 것에 대해, 제 5 실시형태의 열류 스위칭 소자 (51) 에서는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 각 N 형 반도체층 (23) 의 기단부가 측부에 형성된 N 측 전극 (56) 에 접속되어 있음과 함께, 각 P 형 반도체층 (25) 의 기단부가 측부에 형성된 P 측 전극 (57) 에 접속되어 있는 점이다.
제 5 실시형태에서는, N 측 전극 (56) 의 일부 및 P 측 전극 (57) 의 일부에 리드선 (26a, 27a) 이 접속되어 있다.
이와 같이 제 5 실시형태의 열류 스위칭 소자 (51) 에서는, 각 N 형 반도체층 (23) 의 기단부에 N 측 전극 (56) 이 형성되고, 각 P 형 반도체층 (25) 의 기단부에 P 측 전극 (57) 이 형성되어 있으므로, 예를 들어 금속 등의 높은 열전도성의 재료로 N 측 전극 (56) 및 P 측 전극 (57) 을 형성한 경우, 측부에 배치된 전극 간의 방향으로 열 스위치성을 얻을 수 있다.
또, 전극이 측부에 배치되어 있으므로, N 측 전극 (56) 및 P 측 전극 (57) 으로서 열전도율이 높은 금속 재료 등을 사용한 경우에는, 제 4 실시형태와 같이, 외주 고열 전도부 (49) 를, 상부 단열부 (48) 및 하부 단열부 (42) 보다 열전도성이 높은 재료로 구성함으로써, 내측 방향으로 열 스위치성을 얻을 수 있다.
실시예
＜실시예 1＞
이하의 재료를 사용하여 N 형 반도체층 상에, 절연체층, P 형 반도체층 및 P 측 전극을 적층하여 본 발명의 실시예 1 로 하고, 그 열전도도의 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 8 에 나타낸다.
＜실시예 2＞
이하의 재료를 사용하여 기재 상에 N 형 반도체층, 절연체층, P 형 반도체층 및 P 측 전극을 적층하여 본 발명의 실시예 2 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 9 에 나타낸다.
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 내부에의 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 8 및 도 9 는, 표면 온도의 시간 의존성을 나타내는 것이며, 세로축의 표면 온도는, 펄스 레이저로 가열했을 때의 최대 온도에서 규격화 (최대 1) 되고 있다.
이들 측정의 결과, 상기 실시예 1 및 2 의 양방 모두, 인가하는 전압을 올릴수록, 열침투율이 높아짐과 함께 전압 인가 후의 열전도율의 상승률도 높아지는 것이 확인되었다.
즉, 도 8 및 도 9 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, 31, 41, 51 : 열류 스위칭 소자
3, 23 : N 형 반도체층
4, 24 : 절연체층
5, 25 : P 형 반도체층
6, 26, 56 : N 측 전극
7, 27, 57 : P 측 전극
32 : 하부 고열 전도부
42 : 하부 단열부
38 : 상부 고열 전도부
48 : 상부 단열부
39 : 외주 단열부
49 : 외주 고열 전도부
3, 23 : N 형 반도체층
4, 24 : 절연체층
5, 25 : P 형 반도체층
6, 26, 56 : N 측 전극
7, 27, 57 : P 측 전극
32 : 하부 고열 전도부
42 : 하부 단열부
38 : 상부 고열 전도부
48 : 상부 단열부
39 : 외주 단열부
49 : 외주 고열 전도부
Claims (7)
- N 형 반도체층과,
상기 N 형 반도체층 상에 적층된 절연체층과,
상기 절연체층 상에 적층된 P 형 반도체층을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 N 형 반도체층에 접속된 N 측 전극과,
상기 P 형 반도체층에 접속된 P 측 전극을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 절연체층이, 유전체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 N 형 반도체층과 상기 P 형 반도체층이 상기 절연체층을 사이에 두고 교대로 복수 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
최상면에 형성된 상부 고열 전도부와,
최하면에 형성된 하부 고열 전도부와,
상기 N 형 반도체층, 상기 절연체층 및 상기 P 형 반도체층의 외주 가장자리를 덮어 형성된 외주 단열부를 구비하고,
상기 상부 고열 전도부 및 상기 하부 고열 전도부가, 상기 외주 단열부보다 열전도성이 높은 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
최상면에 형성된 상부 단열부와,
최하면에 형성된 하부 단열부와,
상기 N 형 반도체층, 상기 절연체층 및 상기 P 형 반도체층의 외주 가장자리에 있어서 서로 이간된 2 지점에 부분적으로 형성된 1 쌍의 외주 고열 전도부를 구비하고,
상기 외주 고열 전도부가, 상기 상부 단열부 및 상기 하부 단열부보다 열전도성이 높은 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 N 형 반도체층 및 상기 P 형 반도체층이, 두께 1 ㎛ 미만의 박막으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
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