WO2013145052A1 - サーミスタ素子 - Google Patents

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WO2013145052A1
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barrier
barrier layer
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亮介 栗林
省治 関野
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日本電気株式会社
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    • H01C7/022—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient mainly consisting of non-metallic substances
    • H01C7/023—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient mainly consisting of non-metallic substances containing oxides or oxidic compounds, e.g. ferrites
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    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
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    • H01C7/047—Vanadium oxides or oxidic compounds, e.g. VOx
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    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/14—Terminals or tapping points or electrodes specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points or electrodes on resistors
    • H01C1/142—Terminals or tapping points or electrodes specially adapted for resistors; Arrangements of terminals or tapping points or electrodes on resistors the terminals or tapping points being coated on the resistive element

Definitions

  • the present invention relates to a thermistor element.
  • the current mainstream of high-end uncooled infrared camera sensors is a bolometer element based on a thermistor element.
  • the thermistor element detects a change in electrical resistance value due to temperature.
  • a bolometer element using a thermistor element is generally characterized in that it can easily improve the performance of camera image temperature resolution, spatial resolution, response speed, etc., compared to other thermopile elements and pyroelectric elements for infrared cameras.
  • a general bolometer element for an infrared camera is shown in FIG. 9. As shown in FIG. 1, a VO x thin film having a large temperature coefficient of resistance (TCR) of resistance has a highly adiabatic bridge structure, and this thin film serves as a thermistor element portion.
  • TCR temperature coefficient of resistance
  • the main characteristics required for the thermistor element for an infrared camera are, from the viewpoint of improving response sensitivity, a large absolute value of TCR (Temperature Coefficient of Resistance), and from the viewpoint of noise reduction, etc.
  • TCR Temporal Coefficient of Resistance
  • the steady resistance value when there is no temperature change is small.
  • the reference resistance value increases when the absolute value of TCR is increased.
  • the trade-off relationship also exists in new thermistor elements using low-cost materials and processes. For this reason, it is not easy to give the thermistor element the desired performance after applying low-cost materials and processes to the thermistor element for the infrared camera.
  • An object of the present invention is to provide a thermistor element capable of increasing the absolute value of TCR while suppressing an increase in a reference resistance value.
  • a conductive layer A barrier layer in contact with the conductive layer; Two electrodes in contact with the conductive layer and not in contact with the barrier layer and spaced apart from each other; With A thermistor element having an energy barrier in a direction in which the barrier layer has a higher potential energy than the conductive layer is provided at the interface between the conductive layer and the barrier layer.
  • the absolute value of the TCR can be increased while suppressing an increase in the reference resistance value.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the thermistor element 100 according to the first embodiment.
  • the thermistor element 100 includes a conductive layer 110, a barrier layer 120, and two electrodes 130.
  • the barrier layer 120 is in contact with the conductive layer 110.
  • the electrode 130 is in contact with the conductive layer 110 and is not in contact with the barrier layer 120.
  • the electrodes 130 are separated from each other.
  • the interface between the conductive layer 110 and the barrier layer 120 has an energy barrier. This energy barrier is a direction in which the barrier layer 120 has higher potential energy than the conductive layer 110.
  • the thermistor element 100 increases the absolute value of the TCR while suppressing an increase in the reference resistance value. Details will be described below.
  • the barrier layer 120 is in contact with the first surface of the conductive layer 110.
  • the electrode 130 is in contact with the second surface of the conductive layer 110 that extends parallel to the first surface.
  • the conductive layer 110 and the barrier layer 120 are stacked on each other.
  • the electrode 130 is phased on the surface of the conductive layer 110 opposite to the barrier layer 120.
  • the carrier energy barrier changes stepwise (that is, discontinuously).
  • the conductive layer 110 is a metal layer and the barrier layer 120 is a semiconductor layer. There is also an opposite configuration.
  • the interface between the conductive layer 110 and the barrier layer 120 has a Schottky barrier.
  • a Schottky barrier is formed when the work function of a metal is larger than the work function of an n-type semiconductor or when the work function of a metal is smaller than the work function of a p-type semiconductor. Is done.
  • Specific examples of the combination of the conductive layer 110 and the barrier layer 120 include n-type semiconductors made of inorganic materials such as Si and Ge, carbon nanotubes (CNT), fullerenes and other conductive organic materials, and larger than those.
  • a combination of metals such as Al, Co, Ni, Cu, W, Pt, and Au, which can have a work function, can be used.
  • p-type semiconductors made of inorganic materials such as Si and Ge, carbon nanotubes (CNT), fullerenes and other conductive organic materials, and Al, Ti, Mn, Cu, and Zn, which can have a work function smaller than those.
  • a combination of metals such as Ag, In, Sn, Hf, Ta, and W can also be used. Note that possible combinations of materials used for the conductive layer 110 and the barrier layer 120 are determined solely by the relative relationship of the work function magnitudes. Therefore, combinations of materials other than those described above are applied as long as the Schottky barrier formation conditions are satisfied. It doesn't matter. Note that a thin insulating film layer such as an oxide film may be formed between the conductive layer 110 and the barrier layer 120.
  • both the conductive layer 110 and the barrier layer 120 may be semiconductor layers.
  • the semiconductor material forming the barrier layer 120 needs to have a larger potential energy for carriers, such as a band gap larger than that of the semiconductor material forming the conductive layer 110.
  • a Si (1-x) Ge (x) layer can be applied as the barrier layer 120.
  • a Si layer can be applied as the barrier layer 120.
  • the combination of the conductive layer 110 and the barrier layer 120 is not limited to these.
  • the conductive layer 110 may be formed of a carbon material or a conductive organic polymer.
  • the barrier layer 120 may also be formed of a carbon material or a conductive organic polymer.
  • the conductive layer 110 and the barrier layer 120 may be formed of, for example, carbon nanotubes having semiconductor characteristics.
  • the carbon nanotube has a larger band gap as the diameter becomes smaller.
  • the barrier layer 120 may be formed of carbon nanotubes having a diameter smaller than that of the conductive layer 110.
  • the conductive layer 110 may be a metal layer or a carbon nanotube layer having metal characteristics, and the barrier layer 120 may be formed of carbon nanotubes having semiconductor characteristics. Furthermore, the conductive layer 110 may be a carbon nanotube layer having metal characteristics, and the barrier layer 120 may be a general semiconductor layer.
  • barrier layer 120 may be formed of an insulating layer.
  • the electrode 130 is made of, for example, Au, Al, Cu, or the like.
  • the cross-sectional area of the region where current is allowed increases, and the resistance value between the two electrodes 130 decreases, and the effect of TCR ⁇ 0 is exhibited. become.
  • a semiconductor alone has TCR ⁇ 0. Therefore, when a semiconductor is employed as the conductive layer 110, the absolute value of TCR is further increased by adding the effect of TCR ⁇ 0 due to an increase in D eff . Since the reference resistance value does not increase even when the barrier layer 120 is bonded to the conductive layer 110, the absolute value of the TCR of the thermistor element 100 can be increased without increasing the reference resistance value between the electrodes 130. It becomes possible.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the thermistor element 100 according to the second embodiment.
  • the energy barrier changes in a slope shape (that is, continuously) at the interface between the conductive layer 110 and the barrier layer 120.
  • impurity ions are implanted from above one semiconductor layer 102 so that the impurity concentration of the semiconductor layer 102 changes in the depth direction. Specifically, the impurity concentration of the semiconductor layer 102 is continuously increased as the depth increases. In this case, the upper part of the semiconductor layer 102 becomes the conductive layer 110 and the lower part of the semiconductor layer 102 becomes the barrier layer 120.
  • the conductive layer 110 and the barrier layer 120 may be a single carbon nanotube layer.
  • the diameter of the carbon nanotube is continuously reduced as the carbon nanotube layer becomes deeper.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained. That is, as the temperature rises, the cross-sectional area of the region where the current is allowed to increase increases, and the resistance value between the two electrodes 130 decreases, indicating the effect of TCR ⁇ 0.
  • a semiconductor alone has TCR ⁇ 0, and therefore the absolute value of TCR is further increased by adding the effect of TCR ⁇ 0 by increasing D eff .
  • the reference resistance value hardly increases. For this reason, the absolute value of the TCR of the thermistor element 100 can be increased without increasing the reference resistance value between the electrodes 130.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the thermistor element 100 according to the third embodiment.
  • the thermistor element 100 according to the present embodiment has the same configuration as the thermistor element 100 according to the first embodiment, except that the conductive layers 110 and the barrier layers 120 are alternately stacked a plurality of times.
  • the current distribution spreads to the next lower conductive layer 110 with a probability of T d 2 .
  • the current distribution also expands to the lower conductive layer 110 with the probability of T d 4 , T d 6 ,.
  • a in the formula represents the thickness of the barrier layer.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained. That is, as the temperature rises, the cross-sectional area of the region where current is allowed to increase increases, and the resistance value between the two electrodes 130 decreases, which shows the effect of TCR ⁇ 0.
  • a semiconductor alone has TCR ⁇ 0. Therefore, when a semiconductor is employed as the conductive layer 110, the absolute value of TCR is further increased due to the addition of the effect of TCR ⁇ 0 due to an increase in Diff.
  • the reference resistance value does not increase even when the barrier layer 120 and the laminated structure of the lower conductive layer 110 and the barrier layer 120 are joined to the uppermost conductive layer 110. For this reason, the absolute value of the TCR of the thermistor element 100 can be increased without increasing the reference resistance value between the electrodes 130.
  • FIG. 5A is a plan view showing the configuration of the thermistor element 100 according to the fourth embodiment.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
  • the thermistor element 100 according to the present embodiment has the same configuration as the thermistor element 100 according to the first or second embodiment except for the following points.
  • Each drawing of FIG. 5 shows a case similar to that of the first embodiment.
  • the conductive layer 110 is embedded in the surface layer of the barrier layer 120. Specifically, a part of the surface layer of the barrier layer 120 is the conductive layer 110. For this reason, the interface between the conductive layer 110 and the barrier layer 120 spreads three-dimensionally.
  • the planar shape of the barrier layer 120 is a rectangle.
  • the conductive layer 110 has a rectangular parallelepiped shape, but the width and thickness are both smaller than the barrier layer 120.
  • the conductive layer 110 extends in the longitudinal direction of the barrier layer 120.
  • the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
  • the absolute value of the TCR can be further increased.
  • FIG. 6A is a plan view of the thermistor element 100 according to the fifth embodiment.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
  • the thermistor element 100 according to the present embodiment has the same configuration as the thermistor element 100 according to the third embodiment except for the following points.
  • the conductive layer 110 and the barrier layer 120 are repeatedly stacked three-dimensionally. Specifically, as shown in FIG. 6B, the cross-sectional shape of the conductive layer 110 located on the outermost surface is a rectangle. The barrier layer 120 and the conductive layer 110 located below the conductive layer 110 are repeatedly formed along the three sides of the conductive layer 110.
  • the cross-sectional shape of the conductive layer 110 located on the outermost surface may be a semicircular shape.
  • the barrier layer 120 and the conductive layer 110 located below the conductive layer 110 are repeatedly formed along the outer periphery of the conductive layer 110.
  • the same effect as that of the third embodiment can be obtained.
  • the absolute value of the TCR can be further increased.

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Abstract

　サーミスタ素子（１００）は、導電層（１１０）、障壁層（１２０）、及び２つの電極（１３０）を備えている。障壁層（１２０）は導電層（１１０）に接している。電極（１３０）は、導電層（１１０）に接しており、障壁層（１２０）には接していない。電極（１３０）は、互いに離間している。そして導電層（１１０）と障壁層（１２０）の界面は、エネルギー障壁を有する。このエネルギー障壁は、障壁層（１２０）が導電層（１１０）よりもポテンシャルエネルギーが高くなる方向である。

Description

サーミスタ素子
　本発明はサーミスタ素子に関する。
　ハイエンドな非冷却型赤外線カメラ用センサの現在主流なものとして、サーミスタ素子がベースとなっているボロメータ素子がある。サーミスタ素子は、温度による電気抵抗値変化を検知する。サーミスタ素子を用いるボロメータ素子は、他の赤外線カメラ用素子であるサーモパイル素子や焦電素子と比べて、一般に、カメラ画像の温度分解能、空間分解能、応答速度、等の性能を向上させ易いという特徴を持つ。一般的な赤外線カメラ用ボロメータ素子は、非特許文献１のＦｉｇ．９．に示されているように、抵抗の温度変化係数ＴＣＲ（Temperature Coefficient of Resistance）が大きいＶＯｘ薄膜を高断熱性のブリッジ構造としたものであり、この薄膜がサーミスタ素子部となっている。
　最近では、この非冷却型赤外線カメラ用センサの市場領域拡大を図るため、ボロメータ素子の低コスト化が進められている。具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ、ａ－Ｓｉ、導電性有機ポリマーなどの材料を用いた積層膜をサーミスタ素子として用いることが検討されており、一部は既に商用化されている。このような積層膜型の赤外線センサの例としては、特許文献１～４、及び非特許文献２～３に示すものが公開されている。
特開平１０－１９００２１号公報 特開２００８－０７０３５３号公報 特許第３５７３７５４号 特公平８－３１６１９号公報
A. Rogalski, et.al., Opto-Electron. Rev., 9, 173-187 (2001). P. Ericsson, et.al., Proceedings of SPIE, the International Society for Optical Engineering, Vol. 7834 (2010). M. Kolahdouz, et.al., Solid-State Electronics, 62, 72-76 (2011).
　赤外線カメラ用サーミスタ素子に求められる主な特性として、応答感度向上の観点から、ＴＣＲ（Temperature Coefficient of Resistance）の絶対値が大きいこと、及び、雑音低減等の観点から、基準となる抵抗値、つまり、温度変化が無い時の定常的な抵抗値が小さいこと、等が挙げられる。しかし、一般のサーミスタ材料では、ＴＣＲの絶対値を増大させると基準抵抗値が大きくなってしまうというトレードオフの関係が存在している。低コストな材料やプロセスを用いた新しいサーミスタ素子でも、そのトレードオフ関係が存在している。このため、低コストな材料やプロセスを赤外線カメラ向けのサーミスタ素子へ適用した上で、サーミスタ素子に所望の性能を持たせることは容易ではなかった。
　本発明の目的は、基準抵抗値の増加を抑えつつ、ＴＣＲの絶対値を増加させることができるサーミスタ素子を提供することにある。
　本発明によれば、導電層と、
　前記導電層に接している障壁層と、
　前記導電層に接しており、かつ前記障壁層とは接しておらず、互いに離間している２つの電極と、
を備え、
　前記導電層と前記障壁層の界面は、前記障壁層が前記導電層よりもポテンシャルエネルギーが高くなる方向にエネルギー障壁を有するサーミスタ素子が提供される。
　本発明によれば、サーミスタ素子において、基準抵抗値の増加を抑えつつ、ＴＣＲの絶対値を増加させることができる。
　上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。
第１の実施形態に係るサーミスタ素子の構成を示す断面図である。 実施形態の効果を説明するための断面図である。 第２の実施形態に係るサーミスタ素子の構成を示す図である。 第３の実施形態に係るサーミスタ素子の構成を示す断面図である。 （ａ）は第４の実施形態に係るサーミスタ素子の平面図である。（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ´断面図である。 （ａ）は第５の実施形態に係るサーミスタ素子の平面図である。（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ´断面図である。 図６（ｂ）の変形例を示す断面図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係るサーミスタ素子１００の構成を示す断面図である。サーミスタ素子１００は、導電層１１０、障壁層１２０、及び２つの電極１３０を備えている。障壁層１２０は導電層１１０に接している。電極１３０は、導電層１１０に接しており、障壁層１２０には接していない。電極１３０は、互いに離間している。そして導電層１１０と障壁層１２０の界面は、エネルギー障壁を有する。このエネルギー障壁は、障壁層１２０が導電層１１０よりもポテンシャルエネルギーが高くなる方向である。
　サーミスタ素子１００は、基準抵抗値の増加を抑えつつ、ＴＣＲの絶対値を増加する。以下、詳細に説明する。
　本実施形態において、障壁層１２０は、導電層１１０の第１面に接している。そして電極１３０は、導電層１１０のうち第１面と平行に延伸する第２面に接している。具体的には、導電層１１０と障壁層１２０は互いに積層されている。電極１３０は、導電層１１０のうち障壁層１２０とは反対側の面に関相されている。そして導電層１１０と障壁層１２０の界面において、キャリアのエネルギー障壁は階段状に（すなわち不連続に）変化している。
　一つのケースとして、導電層１１０が金属層であり、障壁層１２０が半導体層である構成がある。また、その逆の構成もある。これらの場合、導電層１１０と障壁層１２０の界面はショットキー障壁を有する。一般に知られているように、ショットキー障壁は、金属の仕事関数がｎ型半導体の持つ仕事関数よりも大きい場合、もしくは、金属の仕事関数がｐ型半導体の持つ仕事関数よりも小さい場合に形成される。具体的な導電層１１０と障壁層１２０の組み合わせとしては、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、等の無機物、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、フラーレン、その他の導電性有機物、等によるｎ型半導体と、それらよりも大きな仕事関数を持ち得る、Ａｌ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、等の金属を組み合わせを用いることが出来る。また、Ｓｉ、Ｇｅ、等の無機物、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、フラーレン、その他の導電性有機物、等によるｐ型半導体と、それらよりも小さな仕事関数を持ち得る、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、等の金属の組み合わせを用いることも出来る。尚、導電層１１０と障壁層１２０に採用する材料の可能な組み合わせは、あくまでも仕事関数の大きさの相対関係で決まるため、そのショットキー障壁形成条件を満たせば、上記以外の材料の組み合わせを適用しても構わない。尚、導電層１１０と障壁層１２０の間に、酸化膜の様な薄い絶縁膜層が形成されていても良い。
　また、導電層１１０及び障壁層１２０は、いずれも半導体層であっても良い。ただし障壁層１２０を構成する半導体材料は、導電層１１０を構成する半導体材料よりもバンドギャップが大きいなど、キャリアに対するポテンシャルエネルギーが大きい必要がある。例えば導電層１１０がＧｅ層である場合、障壁層１２０としてはＳｉ（１－ｘ）Ｇｅ（ｘ）層が適用出来る。また導電層１１０がＳｉ（１－ｘ）Ｇｅ（ｘ）層である場合、障壁層１２０としてはＳｉ層が適用出来る。ただし導電層１１０及び障壁層１２０の組み合わせはこれらに限定されない。
　また導電層１１０は、カーボン材料又は導電性有機ポリマーにより形成されていてもよい。この場合、障壁層１２０も、カーボン材料又は導電性有機ポリマーにより形成されていてもよい。
　具体的には、導電層１１０及び障壁層１２０は、例えば半導体特性を有するカーボンナノチューブにより形成されても良い。カーボンナノチューブは、直径が小さくなるほどバンドギャップが大きくなる。このため、障壁層１２０を、導電層１１０よりも直径が小さいカーボンナノチューブにより形成すればよい。
　また、導電層１１０を金属層又は金属特性を有するカーボンナノチューブ層として、障壁層１２０を半導体特性を持つカーボンナノチューブにより形成しても良い。さらに、導電層１１０を金属特性を有するカーボンナノチューブ層として、障壁層１２０を一般の半導体層としても良い。
　また障壁層１２０は、絶縁層により形成されていても良い。
　電極１３０は、例えばＡｕ、Ａｌ、Ｃｕ、等により形成される。
　次に、図２を用いて本実施形態の作用及び効果について説明する。図２に示すように、２つの電極１３０に電圧を印加すると、導電層１１０に電流が流れる。ここで、この電流のキャリアのエネルギーＥを熱エネルギーｋＢＴで表わすこととする。
　０＜Ｅ（＝ｋＢＴ）＜Ｖｏの場合は、導電層１１０から障壁層１２０に、（ｈ／２π）／（２ｍ（Ｖｏ－ｋＢＴ））１／２の距離だけキャリアが染み出す。このため、実効的な導電層深さＤｅｆｆが温度に依存して増加する。ここで、Ｔは絶対温度、ｋＢはボルツマン定数、ｈはプランク定数、ｍはキャリアの有効質量を表す。
　一方、Ｖｏ＜Ｅ（＝ｋＢＴ）の場合には、以下の式（１）で示す確率Ｔｄで障壁層１２０の導電が許容される。このため、この場合においても、実効的な導電層深さＤｅｆｆが温度に依存して増加する。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
・・・（１）
　従って、いずれの場合も、温度上昇に伴って、電流が許容される領域の断面積が増加して、２つの電極１３０の間の抵抗値は減少することとなり、ＴＣＲ＜０の効果を示すことになる。一般に半導体は単独でもＴＣＲ＜０となるため、導電層１１０として半導体を採用した場合、Ｄｅｆｆの増加によるＴＣＲ＜０の効果の上乗せにより、ＴＣＲの絶対値はさらに大きくなる。導電層１１０に障壁層１２０を接合させても基準抵抗値が大きくなることはないため、電極１３０の間の基準抵抗値を大きくすることなく、サーミスタ素子１００のＴＣＲの絶対値を大きくすることが可能となる。
（第２の実施形態）
　図３は、第２の実施形態に係るサーミスタ素子１００の構成を示す図である。本実施形態において、導電層１１０及び障壁層１２０の界面において、エネルギー障壁は、スロープ状（すなわち連続的）に変化している。
　このようにするためには、例えば一つの半導体層１０２の上方から不純物イオンを注入して、半導体層１０２の不純物濃度が深さ方向に変化するようにする。具体的には、半導体層１０２の不純物濃度は、深くなるに連れて連続的に高くなるようにする。この場合、半導体層１０２の上部が導電層１１０となり、半導体層１０２の下部が障壁層１２０となる。
　また、導電層１１０及び障壁層１２０を、一つのカーボンナノチューブ層としても良い。この場合、カーボンナノチューブ層は、深くなるにつれて、カーボンナノチューブの直径が連続的に細くなる様にする。
　本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。すなわち、温度上昇に伴って、電流が許容される領域の断面積が増加して、２つの電極１３０の間の抵抗値は減少することとなり、ＴＣＲ＜０の効果を示すことになる。一般に半導体は単独でもＴＣＲ＜０となるため、Ｄｅｆｆの増加によるＴＣＲ＜０の効果の上乗せにより、ＴＣＲの絶対値はさらに大きくなる。導電層１１０が単独で存在している場合と比べて、基準抵抗値が大きくなることはほとんどない。このため、電極１３０の間の基準抵抗値を大きくすることなく、サーミスタ素子１００のＴＣＲの絶対値を大きくすることが可能となる。
（第３の実施形態）
　図４は、第３の実施形態に係るサーミスタ素子１００の構成を示す断面図である。本実施形態に係るサーミスタ素子１００は、導電層１１０及び障壁層１２０が交互に複数回積層されている点を除いて、第１の実施形態に係るサーミスタ素子１００と同様の構成である。
　本実施形態の作用及び効果は、以下のようにして説明される。
　２つの電極１３０に電圧を印加すると、導電層１１０に電流が流れる。この電流のキャリアのエネルギーＥを熱エネルギーｋＢＴで表わすこととする。
　０＜Ｅ（＝ｋＢＴ）＜Ｖｏの場合は、導電層１１０から障壁層１２０に、（ｈ／２π）／（２ｍ（Ｖｏ－ｋＢＴ））（１／２）の距離だけキャリアが染み出す。これと同時に、以下の（２）式に示す確率Ｔｄで障壁層１２０を乗り越えて、次の導電層１１０へ移動する。そして、再度確率Ｔｄで元の導電層１１０に戻ってくる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
・・・（２）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
・・・（３）
　このような電流パスが形成されるため、Ｔｄ ２の確率で、ひとつ下の導電層１１０へ電流分布が広がる。同様に、さらに下層の導電層１１０にも、Ｔｄ ４、Ｔｄ ６、・・・の確率で電流分布が拡大する。ここで、数式におけるａは障壁層の厚さを表す。
　Ｖｏ＜Ｅ（＝ｋＢＴ）の場合、式（２）及び（３）が、以下の式（４）及び（５）に置き換えられるほかは、０＜Ｅ（＝ｋＢＴ）＜Ｖｏの場合と同様の説明が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
・・・（４）
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
・・・（５）
　従って、本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。つまり、温度上昇に伴って、電流が許容される領域の断面積が増加して、２つの電極１３０の間の抵抗値は減少することとなり、ＴＣＲ＜０の効果を示すことになる。一般に半導体は単独でもＴＣＲ＜０となるため、導電層１１０として半導体を採用した場合、Ｄｅｆｆの増加によるＴＣＲ＜０の効果の上乗せにより、ＴＣＲの絶対値はさらに大きくなる。最上層の導電層１１０に、障壁層１２０およびさらに下層の導電層１１０と障壁層１２０の積層構造を接合させても基準抵抗値が大きくなることはない。このため、電極１３０の間の基準抵抗値を大きくすることなく、サーミスタ素子１００のＴＣＲの絶対値を大きくすることが可能となる。
（第４の実施形態）
　図５（ａ）は、第４の実施形態に係るサーミスタ素子１００の構成を示す平面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ－Ａ´断面図である。本実施形態に係るサーミスタ素子１００は、以下の点を除いて第１又は第２の実施形態に係るサーミスタ素子１００と同様の構成である。図５の各図は、第１の実施形態と同様の場合を示している。
　本実施形態において、導電層１１０は障壁層１２０の表層に埋めこまれた状態になっている。詳細には、障壁層１２０の表層の一部が導電層１１０となっている。このため、導電層１１０と障壁層１２０の界面が３次元的に広がっている。
　本図に示す例では、障壁層１２０の平面形状は長方形である。そして導電層１１０は直方体の形状を有しているが、幅及び厚さは、いずれも障壁層１２０よりも小さい。そして導電層１１０は、障壁層１２０の長手方向に延伸している。
　本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、導電層１１０と障壁層１２０の界面が３次元的に広がっているため、ＴＣＲの絶対値をさらに大きくすることができる。
（第５の実施形態）
　図６（ａ）は、第５の実施形態に係るサーミスタ素子１００の平面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ－Ａ´断面図である。本実施形態に係るサーミスタ素子１００は、以下の点を除いて第３の実施形態に係るサーミスタ素子１００と同様の構成である。
　本実施形態において、導電層１１０及び障壁層１２０は、３次元的に繰り返し積層されている。具体的には、図６（ｂ）に示すように、最表面に位置する導電層１１０の断面形状は、矩形である。そしてその導電層１１０より下に位置する障壁層１２０及び導電層１１０は、導電層１１０の３辺に沿う形に繰り返し形成されている。
　なお図７に示すように、最表面に位置する導電層１１０の断面形状は、半円状であってもよい。そしてその導電層１１０より下に位置する障壁層１２０及び導電層１１０は、導電層１１０の外周に沿って繰り返し形成されている。
　本実施形態によっても、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、導電層１１０と障壁層１２０の界面が３次元的に広がっているため、ＴＣＲの絶対値をさらに大きくすることができる。
　以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
　この出願は、２０１２年３月２８日に出願された日本出願特願２０１２－７４１６４号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (10)

  1. 　導電層と、
    　前記導電層に接している障壁層と、
    　前記導電層に接しており、かつ前記障壁層とは接しておらず、互いに離間している２つの電極と、
    を備え、
    　前記導電層と前記障壁層の界面は、前記障壁層が前記導電層よりもポテンシャルエネルギーが高くなる方向にエネルギー障壁を有するサーミスタ素子。
  2. 　請求項１に記載のサーミスタ素子において、
    　前記障壁層は前記導電層の第１面に接しており、
    　前記２つの電極は、前記導電層のうち前記第１面と平行に延伸する第２面に接しているサーミスタ素子。
  3. 　請求項２に記載のサーミスタ素子において、
    　前記障壁層と前記導電層が積層されているサーミスタ素子。
  4. 　請求項２に記載のサーミスタ素子において、
    　前記導電層は、前記障壁層に埋め込まれているサーミスタ素子。
  5. 　請求項２～４のいずれか一項に記載のサーミスタ素子において、
    　前記第１面と垂直な方向で見た場合、前記障壁層及び前記導電層が交互に複数積層されているサーミスタ素子。
  6. 　請求項１～５のいずれか一項に記載のサーミスタ素子において、
    　前記障壁層と前記導電層の界面において、前記エネルギー障壁は階段状に変化しているサーミスタ素子。
  7. 　請求項１～５のいずれか一項に記載のサーミスタ素子において、
    　前記障壁層と前記導電層の界面において、前記エネルギー障壁はスロープ状に変化しているサーミスタ素子。
  8. 　請求項１～７のいずれか一項に記載のサーミスタ素子において、
    　前記導電層は第１半導体層であり、
    　前記障壁層は、前記第１半導体層よりもバンドギャップが大きい第２半導体層であるサーミスタ素子。
  9. 　請求項１～７のいずれか一項に記載のサーミスタ素子において、
    　前記導電層は金属層であり、
    　前記障壁層は半導体層であるサーミスタ素子。
  10. 　請求項１～７のいずれか一項に記載のサーミスタ素子において、
    　前記導電層及び前記障壁層はいずれも半導体層であり、
    　前記導電層は、前記障壁層よりも不純物濃度が高いサーミスタ素子。
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