KR20220140743A - 열류 스위칭 소자 - Google Patents

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KR20220140743A
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semiconductor layer
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도시아키 후지타
고야 아라이
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

열전도율의 변화가 보다 크고, 우수한 열응답성을 가짐과 함께, 온도 변화를 직접 검출 가능한 열류 스위칭 소자를 제공한다. 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, N 형 반도체층 (3) 과, N 형 반도체층 상에 적층된 절연체층 (4) 과, 절연체층 상에 적층된 P 형 반도체층 (5) 을 구비한 열류 제어 소자부 (10) 와, 열류 제어 소자부에 접합된 감온 소자부 (11A, 11B) 를 구비하고 있다. 또, 감온 소자부가, 서미스터 재료로 형성된 박막 서미스터부와, 박막 서미스터부 상 및 하의 적어도 일방에 대향하여 형성된 1 쌍의 대향 전극을 구비하고, 박막 서미스터부가, 열류 제어 소자부 상 및 하의 적어도 일방에 적층되어 있다.

Description

열류 스위칭 소자
본 발명은, 바이어스 전압으로 열전도를 능동적으로 제어 가능함과 함께, 온도 변화를 직접 검출 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 열이 흐르는 방식이 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 사이에 두고 전기장을 인가함으로써 열전도도를 변화시키는 열류 스위칭 소자가 제안되어 있다.
일본 특허 제 2781892호 일본 제 5402346호 일본 공개특허공보 2016-216688호
마츠나가 타쿠야 외 4 명, 「바이어스 전압으로 동작하는 열류 스위칭 소자의 제작」, 제 15회 일본 열전학회 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 대류 열전달의 영향이 지나치게 큰 문제가 있었다.
또, 특허문헌 3 에 기재된 기술에서는, 화학 반응인 산화 환원 반응을 이용하고 있어, 열응답성이 열등하여, 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 더 큰 열류 스위칭 소자가 요망되고 있다.
또한, 열전도율의 변화에 수반하여 온도가 어떻게 변화했는지를 직접 검출하는 것이 가능한 열류 스위칭 소자가 요망되고 있다. 즉, 감온 기능이 부여된 열류 스위칭 소자가 요망되고 있다.
본 발명은, 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 열전도율의 변화가 보다 크고, 우수한 열응답성을 가짐과 함께, 온도 변화를 직접 검출 가능한 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 구비한 열류 제어 소자부와, 상기 열류 제어 소자부에 접합된 감온 소자부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
이 열류 스위칭 소자에서는, N 형 반도체층과, N 형 반도체층 상에 적층된 절연체층과, 절연체층 상에 적층된 P 형 반도체층을 구비한 열류 제어 소자부와, 열류 제어 소자부에 접합된 감온 소자부를 구비하고 있으므로, P 형 반도체층과 N 형 반도체층에 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, 외부 전압에 의해 야기된 전하가 생성되기 때문에, 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 가능해지므로, 본 소자를 개재하여, 열류를 능동적으로 제어 가능해진다.
또한, 절연체층이 절연체이며, 전압 인가에 수반하는 전류가 발생하지 않기 때문에, 줄열은 발생하지 않는다. 그 때문에, 자기 발열하지 않고, 열류를 능동적으로 제어 가능해진다.
또한, 이 열류 스위칭 소자에서는, 열류 제어 소자부에 접합된 감온 소자부를 구비하여 복합화하고 있으므로, 열류 제어 소자부에 의해 열전도율이 변화했을 때의 온도 변화를 감온 소자부에 의해 직접, 검출할 수 있다. 즉, 감온 소자부에 의해 온도를 직접 모니터링하면서, 고속 열응답이 가능한 전압 인가형의 열류 제어 소자부에 의해 열류를 높은 응답성으로 조정할 수 있다.
제 2 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 발명에 있어서, 상기 감온 소자부가, 서미스터 재료로 형성된 박막 서미스터부와, 상기 박막 서미스터부 상 및 하의 적어도 일방에 대향하여 형성된 1 쌍의 대향 전극을 구비하고, 상기 박막 서미스터부가, 상기 열류 제어 소자부 상 및 하의 적어도 일방에 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, 박막 서미스터부가, 열류 제어 소자부 상 및 하의 적어도 일방에 적층되어 있으므로, 박막 서미스터부가 열류 제어 소자부에 면접촉함으로써, 열저항이 내려가, 고정밀도로 온도 검출이 가능하게 됨과 함께 박형화를 도모할 수 있다.
제 3 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 또는 제 2 발명에 있어서, 상기 감온 소자부가, 상기 열류 제어 소자부의 고온측과 저온측의 양방에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, 감온 소자부가, 열류 제어 소자부의 고온측과 저온측의 양방에 각각 형성되어 있으므로, 열류 제어 소자부의 고온측과 저온측의 양방에서 온도를 검출할 수 있어, 열류 방향에 대응하여, 시시각각으로 변화하는 열전도의 상태를 보다 고정밀도로 검출할 수 있다. 또, 고온측과 저온측의 양방에서 검출된 온도에 따라, 열류 제어 소자부에서 외부 전압에 의해 열류를 조정하는 것이 가능하므로, 열류 스위칭 소자와 열접촉하고 있는 물체의 온도가 시간 변화해도, 그때그때의 열전도의 상태에 따라, 매우 높은 열응답성을 가진 열류 스위칭이 가능해진다.
제 4 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 내지 제 3 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 열류 제어 소자부가, 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, P 형 반도체층 및 N 형 반도체층과 절연체층의 계면이 복수 형성됨으로써 많은 전하가 야기되어, 열전도율을 크게 변화시킬 수 있다.
제 5 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 내지 제 4 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 열류 제어 소자부의 최상부에 형성된 상부 고열 전도부와, 상기 열류 제어 소자부의 최하부에 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 형성되고, 상기 감온 소자부가, 상기 상부 고열 전도부 및 상기 하부 고열 전도부의 적어도 일방에 접합되어 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 전극으로의 열의 유입을 열전도성이 낮은 외주 단열부에 의해 최대한 억제할 수 있다.
또한, 이 열류 스위칭 소자에서는, 감온 소자부가, 상부 고열 전도부 및 하부 고열 전도부의 적어도 일방에 접합되어 있으므로, 열류의 경로 상에 있고 열전도성이 높은 고열 전도부에 접합된 감온 소자부에 의해 온도 변화를 보다 고정밀도 또한 높은 응답성으로 검출할 수 있다.
제 6 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 1 내지 제 5 발명 중 어느 하나에 있어서, 상기 열류 제어 소자부에 접합되어 열류의 방향을 검출 가능한 열류 센서부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, 열류 제어 소자부에 접합되어 열류의 방향을 검출 가능한 열류 센서부를 구비하고 있으므로, 열류 센서부에 의해 열류의 방향을 확인하면서 열전도율을 제어할 수 있다. 따라서, 열류 스위칭 소자와 열접촉하고 있는 물체로부터 입출력되는 열류속이 시간 변화해도, 그때그때의 열전도의 상태에 따라, 매우 높은 열응답성을 가진 열류 스위칭이 가능해진다.
제 7 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 6 발명에 있어서, 상기 열류 센서부가, 동일 방향으로 연장되어 있음과 함께 상기 열류 제어 소자부의 평면 방향으로 서로 평행하게 배열되어 있는 이상 (異常) 네른스트 효과가 얻어지는 복수의 이상 네른스트 재료막과, 복수의 상기 이상 네른스트 재료막을 전기적으로 직렬로 접속하는 접속 배선을 구비하고, 상기 이상 네른스트 재료막이, 상기 열류 제어 소자부 상에 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, 이상 네른스트 재료막이, 열류 제어 소자부 상에 적층되어 있으므로, 이상 네른스트 재료막이 열류 제어 소자부에 면접촉함으로써, 열저항이 내려가, 고정밀도로 열류의 방향을 검출 가능하게 됨과 함께 박형화를 도모할 수 있다.
특히, 열류의 방향에 대해 직교하는 방향으로 전압이 발생하는 복수의 이상 네른스트 재료막을 평면 방향으로 배열하여 전기적으로 직렬로 접속하고 있음으로써, 많은 배선수로 이상 네른스트 재료막을 배열함으로써, 두께를 증가시키지 않고 전압을 증폭시킬 수 있다.
제 8 발명에 관련된 열류 스위칭 소자는, 제 7 발명에 있어서, 상기 감온 소자부가, 서미스터 재료로 형성된 박막 서미스터부와, 상기 박막 서미스터부 상 및 하의 적어도 일방에 대향하여 형성된 1 쌍의 대향 전극을 구비하고, 상기 박막 서미스터부와 상기 이상 네른스트 재료막이 서로 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.
즉, 이 열류 스위칭 소자에서는, 박막 서미스터부와 이상 네른스트 재료막이 서로 적층되어 있으므로, 박막 서미스터부와 이상 네른스트 재료막이 서로 면접촉함으로써, 열저항이 내려가, 온도 검출과 열류 방향의 검출이 고정밀도로 가능하게 됨과 함께 박형화를 도모할 수 있다. 또, 박막 서미스터부는, 이상 네른스트 재료막보다 높은 전기 저항을 가지고 있고, 높은 절연성을 가지고 있기 때문에, 적층되는 이상 네른스트 재료막의 열류 검지를 위한 전압 검출은, 박막 서미스터부의 도전성의 영향을 받기 어렵다.
본 발명에 의하면, 이하의 효과를 발휘한다.
즉, 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자에 의하면, 열류 제어 소자부에 접합된 감온 소자부를 구비하여 복합화하고 있으므로, 감온 소자부에 의해 온도를 직접 모니터링하면서, 고속 열응답이 가능한 전압 인가형의 열류 제어 소자부에 의해 열류를 높은 응답성으로 조정할 수 있다.
또, 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, 열류 스위칭 소자를 나타내는 개념적인 단면도이다.
도 3 은, 제 1 실시형태에 있어서, 열류 스위칭 소자를 나타내는 상면의 보호막을 제거한 상태의 평면도이다.
도 4 는, 제 1 실시형태에 있어서, 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5 는, 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 2 실시형태를 나타내는 사시도이다.
도 6 은, 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 3 실시형태를 나타내는 개념적인 단면도이다.
도 7 은, 제 3 실시형태에 있어서, 열류 스위칭 소자를 나타내는 상면의 보호막을 제거한 상태의 평면도이다.
도 8 은, 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 4 실시형태를 나타내는 개념적인 단면도이다.
도 9 는, 제 4 실시형태에 있어서, 열류 스위칭 소자를 나타내는 평면도이다.
이하, 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자에 있어서의 제 1 실시형태를, 도 1 내지 도 4 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 구비한 열류 제어 소자부 (10) 와, 열류 제어 소자부 (10) 에 접합된 감온 소자부 (11A, 11B) 를 구비하고 있다.
상기 감온 소자부 (11A, 11B) 는, 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 서미스터 재료로 형성된 박막 서미스터부 (11a) 와, 박막 서미스터부 (11a) 상 및 하의 적어도 일방에 대향하여 형성된 1 쌍의 대향 전극 (11b) 을 구비하고 있다. 또한, 박막 서미스터부 (11a) 및 대향 전극 (11b) 상에는, 절연성의 보호막 (11c) 이 적층되어 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 1 쌍의 대향 전극 (11b) 이, 박막 서미스터부 (11a) 상에 대향 배치되어 있다. 또한, 1 쌍의 대향 전극 (11b) 에는, 1 쌍의 리드선 (8a) 이 접속되어 있다.
상기 박막 서미스터부 (11a) 는, 열류 제어 소자부 (10) 상 및 하의 적어도 일방에 적층되어 있다.
본 실시형태에서는, 감온 소자부 (11A, 11B) 가, 열류 제어 소자부 (10) 의 고온측과 저온측의 양방에 각각 형성되어 있다.
즉, 본 실시형태에서는, 열류 방향이 적층 방향으로 설정되어 있고, 감온 소자부 (11A, 11B) 가, 열류 제어 소자부 (10) 의 상부와 하부의 양방에 각각 형성되어 있다.
또, 본 실시형태의 열류 스위칭 소자 (1) 에서는, 열류 제어 소자부 (10) 의 최상부에 형성된 상부 고열 전도부 (18) 와, 열류 제어 소자부 (10) 의 최하부에 형성된 하부 고열 전도부 (2) (기재) 와, N 형 반도체층 (3), 절연체층 (4) 및 P 형 반도체층 (5) 의 외주 가장자리를 덮어 형성된 외주 단열부 (19) 를 구비하고 있다.
상기 상부 고열 전도부 (18) 및 하부 고열 전도부 (2) 는, 외주 단열부 (19) 보다 열전도성이 높은 재료로 형성되어 있다.
또, 감온 소자부 (11A, 11B) 는, 상부 고열 전도부 (18) 및 하부 고열 전도부 (2) 의 적어도 일방에 접합되어 있다.
본 실시형태에서는, 감온 소자부 (11B) 가 상부 고열 전도부 (18) 상에 접합되어 있다. 또, 감온 소자부 (11A) 는, 하부 고열 전도부 (2) 상에 형성되어 있음과 함께 보호막 (11c) 을 사이에 두고 감온 소자부 (11A) 상에 열류 제어 소자부 (10) 가 형성됨으로써, 보호막 (11c) 을 개재하여 열류 제어 소자부 (10) 에 접합되어 있다.
또한, 본 실시형태의 열류 스위칭 소자 (1) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 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, N 측 전극 (6) 및 P 측 전극 (7) 에는, 각각 리드선 (6a, 7a) 이 접속되어 있다.
상기 N 측 전극 (6) 및 P 측 전극 (7) 에는, 외부 전원 (V) 이 접속되어, 전압이 인가된다.
상기 하부 고열 전도부 (2) 는, 절연성의 기재이고, 이 기재 (하부 고열 전도부 (2)) 상에, 하부의 감온 소자부 (11A), 열류 제어 소자부 (10), 상부의 감온 소자부 (11B) 가, 이 순서로 적층되어 있다.
예를 들어, 상부 고열 전도부 (18) 는, 실리콘계 수지 (실리콘) 등의 고열 전도 재료로 형성되어 있음과 함께, 기재인 하부 고열 전도부 (2) 는 알루미나 등으로 형성된 고열 전도 기판이 채용된다.
또, 상기 외주 단열부 (19) 는, 에폭시 수지 등의 저열전도 재료로 형성되어 있다.
외주 단열부 (19) 는, 최상부의 절연체층 (4) 의 부분을 노출시킨 상태에서 그 주위를 덮고 있고, 상부 고열 전도부 (18) 는, 노출된 최상부의 절연체층 (4) 에 접촉하도록 상부에 형성되어 있다.
또한, 외주 단열부 (19) 는, 각 층의 외주에 배치되고 리드선 (26a, 27a) 에 접속된 N 측 전극 (6) 및 P 측 전극 (7) 도 덮어 형성되어 있다.
열류 제어 소자부 (10) 는, N 형 반도체층 (3) 과 P 형 반도체층 (5) 이 절연체층 (4) 을 사이에 두고 교대로 복수 적층되어 있다.
즉, 하부의 감온 소자부 (11A) 상에 절연체층 (4) 을 먼저 성막하고, 그 위에 N 형 반도체층 (3) 과 P 형 반도체층 (5) 을, 사이에 절연체층 (4) 을 개재시키면서 이 순서로 반복 적층하여, 3 층의 N 형 반도체층 (3) 과 3 층의 P 형 반도체층 (5) 과 7 층의 절연체층 (4) 의 적층체를 구성하고 있다.
각 N 형 반도체층 (3) 은, 각각 기단부에 형성된 N 측 연결부 (3a) 에 접속되고, 또한 N 측 연결부 (3a) 의 일부에 N 측 전극 (6) 이 형성되어 있다. 또, 각 P 형 반도체층 (5) 은, 각각 기단부에 형성된 P 측 연결부 (5a) 에 접속되고, 또한 P 측 연결부 (5a) 의 일부에 P 측 전극 (7) 이 형성되어 있다.
상기 각 층은, 메탈 마스크를 사용하여 패턴 형성되어 있다. 또한, 메탈 마스크의 위치를 어긋나게 하여 성막함으로써, N 형 반도체층 (3) 과 P 형 반도체층 (5) 과 절연체층 (4) 을 복수 적층하고 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) 는, 5 ∼ 10 ㎚ 의 두께 범위에서 주로 모이기 때문에, N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 은, 100 ㎚ 이하의 막두께로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 또한, N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 은, 5 ㎚ 이상의 막두께가 바람직하다.
또, 절연체층 (4) 은, 40 ㎚ 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. 또한, 도 4 중의, N 형 반도체층 (3) 과 절연체층 (4) 의 계면 및 그 근방에 생성되는 전하 (e) 의 종류는, 전자이며, 백색 동그라미로 표기되어 있다. 또, P 형 반도체층 (5) 과 절연체층 (4) 의 계면 및 그 근방에 생성되는 전하 (e) 의 종류는, 정공이며, 흑색 동그라미로 표기되어 있다. (정공은, 반도체의 가전자대의 전자의 부족에 의해 생긴 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 형의 도전성은, 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 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 4 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 증가시킴으로써, 생성하는 전하 (e) 의 양도 증가시킬 수 있다.
상기 열전도율의 측정 방법은, 예를 들어 기판 상에 형성된 박막 시료를 펄스 레이저로 순간적으로 가열하고, 박막 내부에의 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.
상기 감온 소자부 (11A, 11B) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 1 쌍의 대향 전극 (11b) 이, 서로 대향 방향으로 돌출된 복수의 빗살부 (11d) 를 가진 빗살형이 되고, 일방의 대향 전극 (11b) 의 빗살부 (11d) 와 타방의 대향 전극 (11b) 의 빗살부 (11d) 가, 교대로 배열되어 배치되어 있다.
대향 전극 (11b) 은, 예를 들어 Cr 막의 단층이나, Cr 막과 Au 막의 적층 금속막 등의 다양한 금속막이 채용 가능하다.
또한, 박막 서미스터부 (11a) 로는, 일반적으로, NTC 서미스터 (부 (負) 의 온도 특성을 나타내고, 온도의 상승에 의해 전기 저항값이 지수함수적으로 감소하는 소자) 가 채용되지만, 이상 온도 검지를 빠르게 검출하기 위해, PTC 서미스터 (정의 온도 특성을 나타내고, 온도의 상승에 의해 전기 저항값이 증가하는 소자. 또는, 정의 온도 특성을 나타내고, 어느 온도를 초과하면, 온도의 상승에 수반하여 전기 저항값이 급격하게 커지는 소자), CTR 서미스터 (부의 온도 계수를 가지는 점은 NTC 와 동일하지만, 어느 온도 범위를 초과하면 급격하게 전기 저항값이 감소하는 소자) 를 채용해도 상관없다.
상기 NTC 서미스터 재료로는, 일반적으로는 산화물 재료가 알려지고, 예를 들어, 스피넬형 결정 구조를 가지는 (Mn, Co, Ni)3O4 나, 페로브스카이트형 결정 구조를 가지는 (La, Ca)(Cr, Mn)O3 과 같은 산화물이 사용되지만, 본 실시형태에 있어서의 박막 서미스터부 (11a) 로는, 일반식 : MxAyNz (단, M 은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu 중 적어도 1 종을 나타냄과 함께, A 는 Al 또는 (Al 및 Si) 를 나타낸다. 0.70 ≤ y/(x ＋ y) ≤ 0.98, 0.4 ≤ z ≤ 0.5, x ＋ y ＋ z = 1 ) 로 나타내고, 육방정계의 우르츠광형의 단상인 금속 질화물로 이루어지는 재료가 바람직하다. 본 실시형태에서는, 박막 서미스터부 (11a) 로서, 일반식 : TixAlyNz (단, 0.70 ≤ y/(x ＋ y) ≤ 0.98, 0.4 ≤ z ≤ 0.5, x ＋ y ＋ z = 1) 로 나타내고, 육방정계의 우르츠광형의 단상인 금속 질화물을 채용하고 있다.
상기 박막 서미스터부 (11a) 는, 예를 들어 Ti-Al-N 의 경우, Ti-Al 합금 스퍼터링 타깃을 사용하여 질소 함유 분위기 중에서 반응성 스퍼터를 실시하여 성막한다.
우르츠광형의 결정 구조는, 육방정계의 공간군 P63mc (No.186) 이며, M 과 A 는 동일한 원자 사이트에 속하고 (M 은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu 중 적어도 1 종을 나타냄과 함께, A 는 Al 또는 (Al 및 Si) 를 나타낸다.), 이른바 고용 상태에 있다. 우르츠광형은, (M, A)N4 사면체의 정점 연결 구조를 취하고, (M, A) 사이트의 최근접 사이트가 N (질소) 이며, (M, A) 는 질소 4 배위를 취한다.
또한, Ti 이외에, V (바나듐), Cr (크롬), Mn (망간), Fe (철), Co (코발트), Ni (니켈), Cu (구리) 가 동일하게 상기 결정 구조에 있어서 Ti 와 동일한 원자 사이트에 존재할 수 있고, M 의 원소가 될 수 있다. 유효 이온 반경은, 원자 간의 거리를 파악하는 것에 자주 사용되는 물성값이며, 특히 잘 알려져 있는 Shannon 의 이온 반경의 문헌값을 사용하면, 논리적으로도 우르츠광형의 MxAyNz (단, M 은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu 중 적어도 1 종을 나타냄과 함께, A 는 Al 또는 (Al 및 Si) 를 나타낸다.) 가 얻어진다고 추측할 수 있다.
이하의 표 1 에 Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Si 의 각 이온종에 있어서의 유효 이온 반경을 나타낸다 (참조 논문 R. D. Shannon, Acta Crystallogr., Sect.A, 32, 751(1976)).
또한, Ti-Al-N 은, 우르츠광형의 결정 구조를 가지는 질화물 절연체인 Al-N 의 Al 사이트를 Ti 로 부분 치환함으로써, 캐리어 도핑하여, 전기 전도가 증가함으로써, 서미스터 특성이 얻어지는 것이지만, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu 는, Ti 와 동일한 3d 천이 금속 원소에 속하는 점에서, 우르츠광형의 MxAyNz (단, M 은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni 및 Cu 중 적어도 1 종을 나타냄 함께, A 는 Al 또는 (Al 및 Si) 를 나타낸다.) 에 있어서, 서미스터 특성을 얻는 것이 가능하다.
Figure pct00001
상기 박막 서미스터부 (11a) 에는, 상기 서술한 바와 같이, NTC 서미스터, PTC 서미스터, CTR 서미스터, 다양한 서미스터 재료가 적용되고, 일반적으로는, 부의 온도 특성을 나타내고, 온도의 상승에 의해 전기 저항값이 연속적으로 감소하는 NTC 서미스터가 채용된다. 또한, 박막 서미스터부 (11a) 로서, 어느 온도를 초과하면, 온도의 상승에 수반하여 전기 저항값이 급격하게 커지는 PTC 서미스터, 또는 어느 온도를 초과하면, 온도의 상승에 수반하여 전기 저항값이 급격하게 작아지는 CTR 서미스터를 사용하면, 이상 온도를 보다 빠르게 검지할 수 있어, 열류 제어 소자부의 열류를 높은 응답성으로 조정하는 것이 가능해진다.
상기 PTC 서미스터 재료로는, 정의 온도 특성을 나타내고, 어느 온도를 초과하면, 온도의 상승에 수반하여 전기 저항값이 급격하게 커지는 재료가 채용되고, 예를 들어, BaTiO3, SrTiO3, 및, 그들 재료계에 Pb 등의 금속 원소를 미량 부분 치환한 계나, 도전성 폴리머 (폴리머 중에 도전성 입자를 분산시킨 것으로, 폴리머가 용융됨으로써 도전성 분말의 접촉이 끊겨 전기 저항이 증대한다) 등이 채용된다.
상기 CTR 서미스터 재료로는, 어느 온도를 초과하면, 온도의 상승에 수반하여 전기 저항값이 급격하게 감소하는 금속 절연체 전이 재료가 채용되고, 예를 들어, VO2, 및, 그 재료계에 금속 원소를 미량 부분 치환한 계 등이 채용된다.
상기 PTC 서미스터 재료, CTR 서미스터 재료로 이루어지는 박막 제작은, 스퍼터링법, 졸 겔법, 인쇄법 등, 다양한 성막 수법이 적용된다.
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 구비한 열류 제어 소자부 (10) 와, 열류 제어 소자부 (10) 에 접합된 감온 소자부 (11A, 11B) 를 구비하고 있으므로, P 형 반도체층 (5) 와 N 형 반도체층 (3) 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, 외부 전압에 의해 야기된 전하 (e) 가 생성되기 때문에, 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 가능해지므로, 본 소자를 개재하여, 열류를 능동적으로 제어 가능해진다.
또한, 기재인 하부 고열 전도부 (2) 가 절연체이며, 전압 인가에 수반하는 전류가 발생하지 않기 때문에, 줄열은 발생하지 않는다. 그 때문에, 자기 발열하지 않고, 열류를 능동적으로 제어 가능해진다.
또한, 이 열류 스위칭 소자 (1) 에서는, 열류 제어 소자부 (10) 에 접합된 감온 소자부 (11A, 11B) 를 구비하여 복합화하고 있으므로, 열류 제어 소자부 (10) 에 의해 열전도율이 변화했을 때의 온도 변화를 감온 소자부 (11A, 11B) 에 의해 직접, 검출할 수 있다. 즉, 감온 소자부 (11A, 11B) 에 의해 온도를 직접 모니터링하면서, 고속 열응답이 가능한 전압 인가형의 열류 제어 소자부 (10) 에 의해 열류를 높은 응답성으로 조정할 수 있다.
특히, 박막 서미스터부 (11a) 가, 열류 제어 소자부 (10) 상 및 하의 적어도 일방에 적층되어 있으므로, 박막 서미스터부 (11a) 가 열류 제어 소자부 (10) 에 면접촉함으로써, 열저항이 내려가, 고정밀도로 온도 검출이 가능하게 됨과 함께 박형화를 도모할 수 있다.
또, 감온 소자부 (11A, 11B) 가, 열류 제어 소자부 (10) 의 고온측과 저온측의 양방에 각각 형성되어 있으므로, 열류 제어 소자부 (10) 의 고온측과 저온측의 양방에서 온도를 검출할 수 있어, 열류 방향에 대응하여, 시시각각 변화하는 열전도의 상태를 보다 고정밀도로 검출할 수 있다. 또, 고온측과 저온측의 양방에서 검출된 온도에 따라, 열류 제어 소자부에서 외부 전압에 의해 열류를 조정하는 것이 가능하므로, 열류 스위칭 소자와 열접촉하고 있는 물체의 온도가 시간 변화해도, 그때그때의 열전도의 상태에 따라, 매우 높은 열응답성을 가진 열류 스위칭이 가능해진다.
또한, N 형 반도체층 (3) 과 P 형 반도체층 (5) 이 절연체층 (4) 을 사이에 두고 교대로 복수 적층되어 있으므로, N 형 반도체층 (3) 및 P 형 반도체층 (5) 과 절연체층 (4) 의 계면이 복수 형성됨으로써 많은 전하 (e) 가 야기되어, 열전도율을 크게 변화시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명에 관련된 열류 스위칭 소자의 제 2 ∼ 제 4 실시형태에 대해, 도 5 내지 도 8 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, 감온 소자부 (11A, 11B) 가 열류 제어 소자부 (10) 의 상하에 형성되어 있는데 대해, 제 2 실시형태의 열류 스위칭 소자 (21) 에서는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 1 쌍의 감온 소자부 (21A, 21B) 가 열류 제어 소자부 (20) 의 상면에 서로 이간되어 형성되어 있는 점이다.
즉, 제 2 실시형태에서는, 열류 방향이 열류 제어 소자부 (20) 의 면내 방향 (평면 방향) 이고, 고온측의 단부 (端部) 상에 감온 소자부 (21A) 가 설치되어 있음과 함께 저온측의 단부 상에 감온 소자부 (21B) 가 설치되어 있다.
또한, 제 2 실시형태의 열류 제어 소자부 (20) 는, 제 1 실시형태의 것보다 열류 방향을 따라 긴 띠상으로 형성되어 있다.
이와 같이 본 실시형태의 열류 스위칭 소자 (21) 여도, 감온 소자부 (21A, 21B) 가, 열류 제어 소자부 (20) 의 고온측과 저온측의 양방에 각각 형성되어 있으므로, 열류 제어 소자부 (20) 의 고온측과 저온측의 양방에서 온도를 검출할 수 있어, 열류 방향에 대응하여 열전도의 상태를 보다 고정밀도로 검출할 수 있다.
다음으로, 제 3 실시형태와 제 1 실시형태의 상이한 점은, 제 1 실시형태에서는, 열류 제어 소자부 (10) 의 상하에 각각 감온 소자부 (11A, 11B) 가 형성되어 있는데 대해, 제 3 실시형태의 열류 스위칭 소자 (31) 에서는, 도 6 및 도 7 에 나타내는 바와 같이, 열류 제어 소자부 (10) 하에만 감온 소자부 (11A) 가 형성되어 있음과 함께 열류 제어 소자부 (10) 상에 열류의 방향을 검출 가능한 열류 센서부 (32) 가 형성되어 있는 점이다.
즉, 제 3 실시형태의 열류 스위칭 소자 (31) 는, 열류 제어 소자부 (10) 에 접합되어 열류의 방향 또는/및 열류속을 검출 가능한 열류 센서부 (32) 를 구비하고 있다.
상기 열류 센서부 (32) 는, 동일 방향으로 연장되어 있음과 함께 열류 제어 소자부 (10) 의 평면 방향으로 서로 평행하게 배열되어 있는 이상 네른스트 효과가 얻어지는 복수의 이상 네른스트 재료막 (32a) 과, 복수의 이상 네른스트 재료막 (32a) 을 전기적으로 직렬로 접속하는 접속 배선 (32b) 을 구비하고 있다.
직렬 접속된 이상 네른스트 재료막 (32a) 의 양단에는, 각각 전극 배선 (32c) 이 접속되어 있다.
상기 접속 배선 (32b) 및 전극 배선 (32c) 은, 기전력이 작은 Au 막이 바람직하지만, Cr 막과 Au 막의 적층 금속막 등도 채용 가능하다.
상기 이상 네른스트 재료막 (32a) 은, 열류 제어 소자부 (10) 상에 적층되어 있다.
즉, 열류 제어 소자부 (10) 의 상부에 형성된 상부 고열 전도부 (18) 상에 이상 네른스트 재료막 (32a) 과 접속 배선 (32b) 과 전극 배선 (32c) 이 성막되어 있다.
복수의 이상 네른스트 재료막 (32a) 은, 두께 방향의 열류에 대해 발생하는 전압 방향에 대해 서로 평행하게 배열된 띠상 또는 선상으로 형성되어 있다.
또한, 직렬 접속되는 이상 네른스트 재료막 (32a) 의 수나 길이를 증가시킴으로써, 얻어지는 전압도 크게 할 수 있다.
상기 이상 네른스트 재료막 (32a) 은, Fe-Al, Fe-Pt, Co-Pt 등의 재료나, Co2MnGa, Co2MnAl, Co2MnSi 등의 호이슬러계 합금 재료 등의 자발자화가 큰 강자성체 재료나, Mn2Sn 등의 반강자성 재료 등이 채용 가능하다.
상기 이상 네른스트 재료막 형성 공정에서는, 예를 들어 Fe-Al 합금 스퍼터링 타깃을 사용하여 스퍼터를 실시해 이상 네른스트 재료막 (32a) 을 성막한다.
이와 같이 제 3 실시형태의 열류 스위칭 소자 (31) 에서는, 이상 네른스트 재료막 (32a) 이, 열류 제어 소자부 (10) 상에 적층되어 있으므로, 이상 네른스트 재료막 (32a) 이 열류 제어 소자부 (10) 에 면접촉함으로써, 열저항이 내려가, 고정밀도로 열류의 방향을 검출 가능하게 됨과 함께 박형화를 도모할 수 있다.
특히, 열류의 방향에 대해 직교하는 방향으로 전압이 발생하는 복수의 이상 네른스트 재료막 (32a) 을 평면 방향으로 배열하여 전기적으로 직렬로 접속하고 있음으로써, 많은 배선수로 이상 네른스트 재료막 (32a) 을 배열함으로써, 두께를 증가시키지 않고 전압을 증폭할 수 있다.
다음으로, 제 4 실시형태와 제 3 실시형태의 상이한 점은, 제 1 실시형태에서는, 열류 제어 소자부 (10) 상에 열류 센서부 (32) 만이 형성되어 있는데 대해, 제 4 실시형태의 열류 스위칭 소자 (41) 에서는, 도 8 및 도 9 에 나타내는 바와 같이, 열류 제어 소자부 (10) 상에 감온 기능과 열류 측정 기능을 갖는 복합 소자부 (42) 가 형성되어 있는 점이다.
즉, 제 4 실시형태에서는, 열류 제어 소자부 (10) 의 상부에 형성된 상부 고열 전도부 (18) 상에 박막 서미스터부 (11a) 와 이상 네른스트 재료막 (32a) 이 이 순서로 적층되어 복합 소자부 (42) 를 구성하고 있다.
이와 같이 제 4 실시형태의 열류 스위칭 소자 (41) 에서는, 박막 서미스터부 (11a) 와 이상 네른스트 재료막 (32a) 이 서로 적층되어 있으므로, 박막 서미스터부 (11a) 와 이상 네른스트 재료막 (32a) 이 서로 면접촉함으로써, 열저항이 내려가, 온도 검출과 열류 방향의 검출이 고정밀도로 가능하게 됨과 함께 박형화를 도모할 수 있다.
또한, 박막 서미스터부 (11a) 는, 이상 네른스트 재료막 (32a) 보다 높은 전기 저항을 가지고 있다. 특히, 박막 서미스터부가, 일반식 : TixAlyNz (단, 0.70 ≤ y/(x ＋ y) ≤ 0.98, 0.4 ≤ z ≤ 0.5, x ＋ y ＋ z = 1) 로 나타내는 금속 질화물 박막으로 이루어지는 경우, 높은 B 정수 및 고열 전도도가 얻어질 뿐만 아니라, 비교적 높은 절연성을 가지고 있기 때문에, 적층되는 이상 네른스트 재료막 (32a) 의 열류 검지를 위한 전압 검출은, 박막 서미스터부 (11a) 의 도전성의 영향을 받기 어렵다.
또한, 본 발명의 기술 범위는 상기 각 실시형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러 가지의 변경을 가하는 것이 가능하다.
예를 들어, 열저항을 내리기 위해서 박막 서미스터부를 구비한 감온 소자부를 채용하는 것이 바람직하지만, 열전쌍, 측온 저항체, 칩 서미스터 등을 구비한 감온 소자부를 채용해도 상관없다. 또, 박막 서미스터부로는, 각종 금속 산화물 재료나 각종 금속 질화물 재료가 채용 가능하다.
1, 21, 31, 41 : 열류 스위칭 소자
2 : 하부 고열 전도부 (기재)
3 : N 형 반도체층
4 : 절연체층
5 : P 형 반도체층
6 : N 측 전극
7 : P 측 전극
10 : 열류 제어 소자부
11A, 11B : 감온 소자부
11a : 박막 서미스터부
11b : 대향 전극
18 : 상부 고열 전도부
19 : 외주 단열부
32 : 열류 센서부
32a : 이상 네른스트 재료막
32b : 접속 배선

Claims (8)

  1. N 형 반도체층과,
    상기 N 형 반도체층 상에 적층된 절연체층과,
    상기 절연체층 상에 적층된 P 형 반도체층을 구비한 열류 제어 소자부와,
    상기 열류 제어 소자부에 접합된 감온 소자부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 감온 소자부가, 서미스터 재료로 형성된 박막 서미스터부와,
    상기 박막 서미스터부 상 및 하의 적어도 일방에 대향하여 형성된 1 쌍의 대향 전극을 구비하고,
    상기 박막 서미스터부가, 상기 열류 제어 소자부 상 및 하의 적어도 일방에 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 감온 소자부가, 상기 열류 제어 소자부의 고온측과 저온측의 양방에 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열류 제어 소자부가, 상기 N 형 반도체층과 상기 P 형 반도체층이 상기 절연체층을 사이에 두고 교대로 복수 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열류 제어 소자부의 최상부에 형성된 상부 고열 전도부와,
    상기 열류 제어 소자부의 최하부에 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 형성되고,
    상기 감온 소자부가, 상기 상부 고열 전도부 및 상기 하부 고열 전도부의 적어도 일방에 접합되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열류 제어 소자부에 접합되어 열류의 방향을 검출 가능한 열류 센서부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열류 센서부가, 동일 방향으로 연장되어 있음과 함께 상기 열류 제어 소자부의 평면 방향으로 서로 평행하게 배열되어 있는 이상 네른스트 효과가 얻어지는 복수의 이상 네른스트 재료막과,
    복수의 상기 이상 네른스트 재료막을 전기적으로 직렬로 접속하는 접속 배선을 구비하고,
    상기 이상 네른스트 재료막이, 상기 열류 제어 소자부 상에 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 감온 소자부가, 서미스터 재료로 형성된 박막 서미스터부와,
    상기 박막 서미스터부 상 및 하의 적어도 일방에 대향하여 형성된 1 쌍의 대향 전극을 구비하고,
    상기 박막 서미스터부와 상기 이상 네른스트 재료막이 서로 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 열류 스위칭 소자.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7435972B2 (ja) * 2020-02-06 2024-02-21 三菱マテリアル株式会社 熱流スイッチング素子

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS542346B1 (ko) 1970-10-23 1979-02-06
JP2781892B2 (ja) 1989-07-06 1998-07-30 石川島播磨重工業株式会社 サーマルダイオード
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Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004068604A1 (ja) * 2003-01-30 2004-08-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 熱スイッチ素子およびその製造方法
JP5402346B2 (ja) 2009-07-17 2014-01-29 トヨタ自動車株式会社 放熱装置
JP5987699B2 (ja) * 2013-01-11 2016-09-07 藤倉化成株式会社 電気レオロジーゲル、および熱伝導率可変成形体
JP2016037913A (ja) * 2014-08-08 2016-03-22 トヨタ自動車株式会社 熱伝導率可変装置及び電圧制御装置
JP2019138798A (ja) * 2018-02-13 2019-08-22 三菱マテリアル株式会社 温度センサ

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS542346B1 (ko) 1970-10-23 1979-02-06
JP2781892B2 (ja) 1989-07-06 1998-07-30 石川島播磨重工業株式会社 サーマルダイオード
JP2016216688A (ja) 2015-05-26 2016-12-22 国立大学法人名古屋大学 熱伝導率可変デバイス

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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마츠나가 타쿠야 외 4 명, 「바이어스 전압으로 동작하는 열류 스위칭 소자의 제작」, 제 15회 일본 열전학회 학술 강연회, 2018년 9월 13일

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