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JP7786019B2 - Nitride insulating material, its manufacturing method, and heat flow switching element and thermoelectric conversion element - Google Patents
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JP7786019B2 - Nitride insulating material, its manufacturing method, and heat flow switching element and thermoelectric conversion element - Google Patents

Nitride insulating material, its manufacturing method, and heat flow switching element and thermoelectric conversion element

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JP7786019B2 JP2021206434A JP2021206434A JP7786019B2 JP 7786019 B2 JP7786019 B2 JP 7786019B2 JP 2021206434 A JP2021206434 A JP 2021206434A JP 2021206434 A JP2021206434 A JP 2021206434A JP 7786019 B2 JP7786019 B2 JP 7786019B2
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Description

本発明は、低い格子熱伝導率を有する窒化物絶縁体材料及びその製造方法並びに熱流スイッチング素子と熱電変換素子に関する。 The present invention relates to a nitride insulating material with low lattice thermal conductivity, a method for manufacturing the same, and a heat flow switching element and a thermoelectric conversion element.

従来、バイアス電圧によって熱伝導率を能動的に変化させる熱流スイッチとして、例えば非特許文献1には、電気的絶縁性を示すポリイミドテープを2枚の半導体材料:Ag0.6Se0.4で挟み込んで電場を印加することで熱伝導度を変化させる熱流スイッチング素子が提案されている。 Conventionally, as a heat flow switch that actively changes the thermal conductivity by a bias voltage, for example, Non-Patent Document 1 proposes a heat flow switching element in which an electrically insulating polyimide tape is sandwiched between two sheets of semiconductor material: Ag 2 S 0.6 Se 0.4 , and the thermal conductivity is changed by applying an electric field.

松永卓也、他4名、「バイアス電圧で動作する熱流スイッチング素子の作製」、第15回日本熱電学会学術講演会、2018年9月13日Takuya Matsunaga and four others, "Fabrication of a heat flow switching element operated by bias voltage," 15th Annual Meeting of the Thermoelectric Society of Japan, September 13, 2018

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
非特許文献1に記載の技術では、電圧を印加することで、半導体材料と絶縁体材料との界面に熱伝導可能な電荷を生成し、その電荷によって熱を運ぶことができるため、熱伝導が変化した状態に直ちに移行でき、比較的良好な熱応答性を得ることができる。しかしながら、この外部電場(外部電圧)に応じて材料界面起因の熱伝導を変化させ、素子全体の熱伝導の変化量を増大させるためには、ゼロバイアスで、素子を構成する材料固有の熱伝導率を小さくする必要がある。熱伝導率は、熱浸透率の2乗に比例する関数であり、ゼロバイアスで、素子を構成する材料固有の熱浸透率を小さくする必要がある。ゼロバイアス時の、材料固有の熱伝導率は、格子熱伝導率と電子熱伝導率との和(足し算)で表される。
熱伝導率=格子熱伝導率+電子熱伝導率
The above conventional techniques still have the following problems.
In the technology described in Non-Patent Document 1, applying a voltage generates thermally conductive charges at the interface between a semiconductor material and an insulating material, which can transport heat. This allows for an immediate transition to a changed thermal conductivity state, resulting in relatively good thermal response. However, in order to change the thermal conductivity at the material interface in response to this external electric field (external voltage) and increase the change in thermal conductivity of the entire device, it is necessary to reduce the inherent thermal conductivity of the material that constitutes the device at zero bias. Thermal conductivity is a function proportional to the square of the thermal effusivity, so it is necessary to reduce the inherent thermal effusivity of the material that constitutes the device at zero bias. The inherent thermal conductivity of a material at zero bias is expressed as the sum (addition) of the lattice thermal conductivity and the electronic thermal conductivity.
Thermal conductivity = lattice thermal conductivity + electronic thermal conductivity

格子熱伝導は、結晶格子間を伝わる振動(フォノン、格子振動)による熱伝導である。また、電子熱伝導は、伝導電子による熱伝導であり、一般的に電気伝導率が増加すると電子熱伝導率が増加する傾向がある。このうち、半導体の電子熱伝導率については、半導体の導電性を維持するため、ゼロバイアス時の材料固有の電子熱伝導率は、トータルの熱伝導を大きくしない程度に、適当な値に調整する必要がある。なお、絶縁体材料は電子熱伝導を有しない。一方、格子熱伝導率については、小さいほど好ましい。低い格子熱伝導率を有する材料であると、ゼロバイアスでの素子全体の熱伝導率を下げることができるため、外部電場に応じた界面起因の熱伝導率の変化率を大きく、素子全体としての熱流スイッチ性能を向上させることができる。そのため、格子熱伝導率が低いことに由来する低熱伝導性(低熱浸透性)半導体材料と絶縁体材料とを用いることが要望されている。また、熱流スイッチ素子の耐熱性向上のため、構成材料として窒化物材料を用いることが望まれている。
また、熱電変換素子において、熱電変換部の表面からの熱の放出が抑制され、高温側と低温側との温度差を十分に確保するため、格子熱伝導率が低く、高い断熱性能を有する絶縁体材料を用いることが望まれている。
Lattice thermal conduction is heat conduction due to vibrations (phonons, lattice vibrations) that travel between crystal lattices. Electronic thermal conduction is heat conduction due to conduction electrons, and generally, electronic thermal conductivity tends to increase as electrical conductivity increases. Regarding the electronic thermal conductivity of semiconductors, in order to maintain the semiconductor's electrical conductivity, the material's inherent electronic thermal conductivity at zero bias must be adjusted to an appropriate value without increasing the total thermal conduction. Note that insulator materials do not have electronic thermal conduction. On the other hand, a lower lattice thermal conductivity is preferable. Materials with low lattice thermal conductivity can reduce the overall thermal conductivity of the device at zero bias, thereby increasing the rate of change in interface-induced thermal conductivity in response to an external electric field and improving the overall heat flow switching performance of the device. Therefore, there is a demand for the use of low thermal conductivity (low thermal permeability) semiconductor and insulator materials due to their low lattice thermal conductivity. Furthermore, the use of nitride materials as constituent materials is desirable to improve the heat resistance of heat flow switching devices.
Furthermore, in a thermoelectric conversion element, it is desirable to use an insulating material with low lattice thermal conductivity and high thermal insulation performance in order to suppress heat release from the surface of the thermoelectric conversion part and ensure a sufficient temperature difference between the high-temperature side and the low-temperature side.

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、格子熱伝導率が低い窒化物絶縁体材料及びその製造方法並びに熱流スイッチング素子と熱電変換素子を提供することを目的とする。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned problems, and aims to provide a nitride insulator material with low lattice thermal conductivity, a method for manufacturing the same, and a heat flow switching element and a thermoelectric conversion element.

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第1の発明に係る窒化物絶縁体材料は、M-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)で示される金属窒化物であり、ナノクリスタルであることを特徴とする。
この窒化物絶縁体材料では、M-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)で示される金属窒化物であり、ナノクリスタルであるので、絶縁性を有すると共に低い格子熱伝導率を有することで、低い熱浸透率を示す低熱伝導性が得られる。したがって、本発明の窒化物絶縁体材料は、電気的かつ熱的なバリア材料として好適である。
なお、構成元素のうちM(Ta,Hfのうち少なくとも1種)及びSiは、ナノクリスタル化(結晶サイズが5nm以下であり、非晶質を含む)させていると共に格子熱伝導率を低下させることが可能となり、熱浸透率を低下させることが可能となる。また、構成元素のうちNの含有量によって絶縁性が得られる。さらに、構成元素のうちTeは、さらに熱浸透率を低下させる効果を有する。
なお、「Teは任意元素である」との表記は、Te(テルル)の含有が任意ということを示している。つまり、Teを含んでも、含まなくてもよい事を示している。言い換えると、M-Si-N、または、M-Si-N-Te(但し、Mは遷移金属元素の少なくとも1種を示す) となる。
The present invention employs the following configuration to solve the above problems: Namely, the nitride insulator material according to the first invention is a metal nitride represented by M-Si-N-Te (where M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element), and is characterized by being a nanocrystal.
This nitride insulator material is a metal nitride represented by the formula M-Si-N-Te (where M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element), and is a nanocrystal, so it has insulating properties and low lattice thermal conductivity, resulting in low thermal conductivity and low thermal effusivity. Therefore, the nitride insulator material of the present invention is suitable as an electrical and thermal barrier material.
Among the constituent elements, M (at least one of Ta and Hf) and Si are nanocrystallized (crystal size is 5 nm or less, including amorphous), which reduces the lattice thermal conductivity and makes it possible to reduce the thermal effusivity. Furthermore, the content of N among the constituent elements provides insulation. Furthermore, Te among the constituent elements has the effect of further reducing the thermal effusivity.
The expression "Te is an optional element" indicates that the inclusion of Te (tellurium) is optional. In other words, it indicates that Te may or may not be included. In other words, it is M-Si-N or M-Si-N-Te (wherein M represents at least one transition metal element).

第2の発明に係る窒化物絶縁体材料は、第1の発明において、熱浸透率2000Ws0.5/mK未満であることを特徴とする。
すなわち、この窒化物絶縁体材料では、熱浸透率2000Ws0.5/mK未満であるので、HfOよりも低い熱伝導率が得られる。
なお、熱浸透率が100Ws0.5/mK以上であることが好ましい。
A nitride insulating material according to a second invention is the nitride insulating material of the first invention, characterized in that it has a thermal effusivity of less than 2000 Ws 0.5 /m 2 K.
That is, this nitride insulating material has a thermal effusivity of less than 2000 Ws 0.5 /m 2 K, and therefore has a thermal conductivity lower than that of HfO 2 .
The thermal effusivity is preferably 100 Ws 0.5 /m 2 K or more.

第3の発明に係る窒化物絶縁体材料は、第2の発明において、熱浸透率1700Ws0.5/mK未満であることを特徴とする。
すなわち、この窒化物絶縁体材料では、熱浸透率1700Ws0.5/mK未満であるので、HfOやSiNよりも低い熱伝導率が得られる。この窒化物絶縁体材料では、より低い熱伝導性、すなわち、より高い断熱性を示すので、熱流スイッチング素子を構成する絶縁体層として、及び、熱電変換素子を構成する絶縁体層として、より好適である。
A nitride insulating material according to a third invention is the nitride insulating material of the second invention, characterized in that it has a thermal effusivity of less than 1700 Ws 0.5 /m 2 K.
That is, this nitride insulator material has a thermal effusivity of less than 1700 Ws 0.5 /m 2 K, and therefore has a thermal conductivity lower than that of HfO 2 or SiN. This nitride insulator material exhibits lower thermal conductivity, i.e., higher thermal insulation, and is therefore more suitable as an insulator layer that constitutes a heat flow switching element and an insulator layer that constitutes a thermoelectric conversion element.

第4の発明に係る窒化物絶縁体材料は、第1から第3の発明のいずれかにおいて、電気抵抗率10Ωcm以上であることを特徴とする。
すなわち、この窒化物絶縁体材料では、電気抵抗率10Ωcm以上であるので、膜厚100nmの窒化物絶縁体材料に対して、膜厚方向に10Vの電圧印加で100μA/mm未満の電流しか流れない絶縁性が得られる。
A nitride insulating material according to a fourth invention is the nitride insulating material according to any one of the first to third inventions, characterized in that it has an electrical resistivity of 10 8 Ωcm or more.
That is, since this nitride insulator material has an electrical resistivity of 10 8 Ωcm or more, an insulating property is obtained in which a current of less than 100 μA/mm 2 flows in the film thickness direction when a voltage of 10 V is applied in the film thickness direction for a nitride insulator material with a film thickness of 100 nm.

第5の発明に係る窒化物絶縁体材料は、第1から第4の発明のいずれかにおいて、低熱伝導材料として用いられることを特徴とする。
すなわち、この窒化物絶縁体材料では、低い熱浸透率が得られるため、熱流スイッチング素子や熱電変換素子等に用いる低熱伝導性絶縁材料用に好適である。
A nitride insulating material according to a fifth invention is characterized in that, in any one of the first to fourth inventions, it is used as a low thermal conductive material.
That is, this nitride insulating material has a low thermal effusivity and is therefore suitable as a low thermal conductive insulating material for use in heat flow switching elements, thermoelectric conversion elements, and the like.

第6の発明に係る熱流スイッチング素子は、N型半導体層と、前記N型半導体層上に積層された絶縁体層と、前記絶縁体層上に積層されたP型半導体層とを備え、前記絶縁体層が、第1から第5の発明のいずれかの窒化物絶縁体材料で形成されていることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、N型半導体層と、N型半導体層上に積層された絶縁体層と、絶縁体層上に積層されたP型半導体層とを備えているので、N型半導体層とP型半導体層とに外部電圧を印加すると、P型半導体層及びN型半導体層と絶縁体層との主に界面に電荷が誘起され、この電荷が熱を運ぶことで熱伝導率が変化する。
特に、絶縁体層が、第1から第3の発明のいずれかの窒化物絶縁体材料で形成されているので、格子熱伝導率が低い絶縁性層により、格子熱伝導率が低く熱浸透率が低くなり、熱伝導率の変化率を外部電場(外部電圧)により大きくすることができる。
また、N型半導体層とP型半導体層とが窒化物である場合、絶縁体層も窒化物であるため、P型半導体層及びN型半導体層と絶縁体層との界面の接合性が高くなる。
A heat flow switching element according to a sixth aspect of the present invention comprises an N-type semiconductor layer, an insulator layer stacked on the N-type semiconductor layer, and a P-type semiconductor layer stacked on the insulator layer, wherein the insulator layer is formed from any one of the nitride insulator materials according to the first to fifth aspects of the present invention.
That is, this heat flow switching element comprises an N-type semiconductor layer, an insulator layer stacked on the N-type semiconductor layer, and a P-type semiconductor layer stacked on the insulator layer, so when an external voltage is applied to the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer, electric charges are induced mainly at the interfaces between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer and the insulator layer, and these electric charges carry heat, causing a change in thermal conductivity.
In particular, since the insulator layer is formed from any of the nitride insulator materials of the first to third inventions, the insulating layer has low lattice thermal conductivity, resulting in low lattice thermal conductivity and low thermal effusivity, and the rate of change of thermal conductivity can be increased by an external electric field (external voltage).
Furthermore, when the N-type semiconductor layer and the P-type semiconductor layer are made of nitride, the insulator layer is also made of nitride, which improves the bonding strength at the interfaces between the P-type semiconductor layer and the insulator layer and between the N-type semiconductor layer and the insulator layer.

熱流スイッチ性能である電圧印加後の熱伝導率の上昇率Δkは、以下の式にて評価される。
Δk=k(V)/k(0)-1
Δk=b(V)/b(0)-1
k(V):電圧印加時の熱伝導率(W/mK)
k(0):電圧印加なしの熱伝導率(W/mK)
b(V):電圧印加時の熱浸透率(Ws0.5/mK)
b(0):電圧印加なしの熱浸透率(Ws0.5/mK)
上記の外部電圧で変化する界面起因の熱伝導率を、「第3熱伝導率」と定義し、外部電圧で変化しない材料固有の熱伝導率(格子熱伝導率と電子熱伝導率との足し算)と便宜上、区別する。
The rate of increase Δk of thermal conductivity after voltage application, which is the performance of the heat flow switch, is evaluated by the following formula.
Δk=k(V)/k(0)-1
Δk=b(V) 2 /b(0) 2 -1
k (V): Thermal conductivity when voltage is applied (W/mK)
k(0): Thermal conductivity without voltage application (W/mK)
b (V): Thermal effusivity when voltage is applied (Ws 0.5 /m 2 K)
b(0): Thermal effusivity without voltage application (Ws 0.5 /m 2 K)
The thermal conductivity due to the interface, which changes with the above-mentioned external voltage, is defined as the "third thermal conductivity" and is conveniently distinguished from the thermal conductivity inherent to the material (the sum of the lattice thermal conductivity and the electronic thermal conductivity), which does not change with the external voltage.

k(V)=半導体の電子熱伝導率+半導体の格子熱伝導率+絶縁体の格子熱伝導率+第3熱伝導率
k(0)=半導体の電子熱伝導率+半導体の格子熱伝導率+絶縁体の格子熱伝導率
となり、熱流スイッチ性能を向上するには、電子熱伝導率、格子熱伝導率が小さい材料を選択することが好ましい。このうち、半導体の電子熱伝導については、半導体の導電性を維持するため、ゼロバイアス時の材料固有の電子熱伝導率は、トータルの熱伝導を大きくしない程度に、適当な値に調整する必要がある。一方、格子熱伝導率については、低い格子熱伝導率を有する材料であると、k(0)を小さくし、ゼロバイアスでの素子全体の熱伝導率を下げることができるため、熱伝導率は格子熱伝導率が低いほど、ゼロバイアスからの外部電場に応答する電子熱伝導率の寄与が大きくなり、外部電場に応じた熱伝導率の変化率が大きくなって熱流スイッチ性能が向上する。
k(V) = electronic thermal conductivity of semiconductor + lattice thermal conductivity of semiconductor + lattice thermal conductivity of insulator + third thermal conductivity k(0) = electronic thermal conductivity of semiconductor + lattice thermal conductivity of semiconductor + lattice thermal conductivity of insulator. To improve heat flow switch performance, it is preferable to select a material with low electronic thermal conductivity and lattice thermal conductivity. Regarding the electronic thermal conductivity of the semiconductor, in order to maintain the conductivity of the semiconductor, the electronic thermal conductivity inherent to the material at zero bias must be adjusted to an appropriate value so as not to increase the total thermal conductivity. On the other hand, regarding lattice thermal conductivity, a material with low lattice thermal conductivity can reduce k(0) and reduce the thermal conductivity of the entire element at zero bias. Therefore, the lower the lattice thermal conductivity, the greater the contribution of electronic thermal conductivity in response to an external electric field from zero bias. This increases the rate of change of thermal conductivity in response to the external electric field, improving heat flow switch performance.

なお、N型半導体層と絶縁体層との界面及びその近傍と、P型半導体層と絶縁体層との界面及びその近傍との両方で電荷が生成されるため、生成される電荷量が多く、熱伝導率の大きな変化と高い熱応答性とを得ることができる。また、化学反応機構を用いない、物理的に熱伝導率を変化させる機構であるので、熱伝導が変化した状態に直ちに移行でき、良好な熱応答性を得ることができる。
また、外部電圧の大きさに乗じて、界面に誘起される電荷量が変化するので、外部電圧を調整することで、熱伝導率を調整することが可能となるので、本素子を介して、熱流を能動的に制御可能となる。
なお、絶縁体層が絶縁体であり、電圧印加に伴う電流が発生しないため、ジュール熱は生じない。そのため、自己発熱することなく、熱流を能動的に制御可能となる。
Furthermore, since charges are generated both at and near the interface between the N-type semiconductor layer and the insulator layer, and at and near the interface between the P-type semiconductor layer and the insulator layer, a large amount of charges is generated, resulting in a large change in thermal conductivity and high thermal responsiveness. Furthermore, since this is a mechanism that physically changes thermal conductivity without using a chemical reaction mechanism, it is possible to immediately transition to a state where thermal conductivity has changed, and good thermal responsiveness can be obtained.
Furthermore, since the amount of charge induced at the interface varies depending on the magnitude of the external voltage, it is possible to adjust the thermal conductivity by adjusting the external voltage, making it possible to actively control the heat flow through this element.
Furthermore, since the insulating layer is an insulator and no current is generated when a voltage is applied, no Joule heat is generated, making it possible to actively control the heat flow without self-heating.

第7の発明に係る熱流スイッチング素子は、第6の発明において、最上面に設けられた上部高熱伝導部と、最下面に設けられた下部高熱伝導部と、前記N型半導体層,前記絶縁体層及び前記P型半導体層の外周縁を覆って設けられた外周断熱部とを備え、前記外周断熱部が、前記上部高熱伝導部及び前記下部高熱伝導部よりも熱伝導性の低い前記窒化物絶縁体材料で形成されていることを特徴とする。
すなわち、この熱流スイッチング素子では、外周断熱部が、上部高熱伝導部及び下部高熱伝導部よりも熱伝導性の低い前記窒化物絶縁体材料で形成されているので、面内方向への熱流を抑制でき、積層方向に熱流スイッチ性を得ることができる。特に、各層の外周にN側電極及びP側電極が配されている場合、これら電極への熱の流入を熱伝導性の低い外周断熱部により極力抑えることができる。
The heat flow switching element according to a seventh invention is the sixth invention, characterized in that it comprises an upper high thermal conductivity portion provided on the top surface, a lower high thermal conductivity portion provided on the bottom surface, and a peripheral heat insulation portion provided to cover the outer edges of the N-type semiconductor layer, the insulator layer, and the P-type semiconductor layer, and the peripheral heat insulation portion is formed from the nitride insulator material having lower thermal conductivity than the upper high thermal conductivity portion and the lower high thermal conductivity portion.
In other words, in this heat flow switching element, the peripheral heat insulating portion is formed of the nitride insulator material, which has lower thermal conductivity than the upper high thermal conductivity portion and the lower high thermal conductivity portion, so that the heat flow in the in-plane direction can be suppressed and heat flow switching ability can be obtained in the stacking direction. In particular, when an N-side electrode and a P-side electrode are disposed on the periphery of each layer, the flow of heat into these electrodes can be suppressed as much as possible by the peripheral heat insulating portion, which has low thermal conductivity.

第8の発明に係る熱電変換素子は、絶縁性基材と、前記絶縁性基材上に形成されたP型の熱電変換部及びN型の熱電変換部と、前記P型の熱電変換部と前記N型の熱電変換部とを接続する接続電極部と、前記P型の熱電変換部と前記N型の熱電変換部との表面を覆う絶縁体とを備え、前記絶縁体が、請求項1から5のいずれか一項に記載の窒化物絶縁体材料で形成されていることを特徴とする。
すなわち、この熱電変換素子では、絶縁体が、第1から第5の発明のいずれかの窒化物絶縁体材料で形成されているので、熱伝導率が小さい窒化物絶縁体材料の絶縁体で、熱電変換部の表面が覆われていることで、熱電変換部の表面からの熱の放出が抑制され、高温側と低温側との温度差を十分に確保することができる。
また、P型の熱電変換部とN型の熱電変換部とが窒化物である場合、絶縁体も窒化物であるため、P型半導体層及びN型半導体層と絶縁体層との界面の接合性が高くなる。
A thermoelectric conversion element according to an eighth aspect of the present invention comprises an insulating base material, a P-type thermoelectric conversion unit and an N-type thermoelectric conversion unit formed on the insulating base material, a connection electrode unit connecting the P-type thermoelectric conversion unit and the N-type thermoelectric conversion unit, and an insulator covering surfaces of the P-type thermoelectric conversion unit and the N-type thermoelectric conversion unit, wherein the insulator is formed from a nitride insulator material according to any one of claims 1 to 5.
In other words, in this thermoelectric conversion element, the insulator is formed from any one of the nitride insulator materials of the first to fifth inventions, and since the surface of the thermoelectric conversion part is covered with an insulator made of a nitride insulator material with low thermal conductivity, heat release from the surface of the thermoelectric conversion part is suppressed, and a sufficient temperature difference between the high-temperature side and the low-temperature side can be ensured.
Furthermore, when the P-type thermoelectric conversion section and the N-type thermoelectric conversion section are nitrides, the insulator is also nitride, which improves the bonding strength at the interfaces between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer and the insulator layer.

第9の発明に係る熱電変換素子は、第8の発明において、前記P型の熱電変換部と前記N型の熱電変換部と前記絶縁体とが、膜状であることを特徴とする。
すなわち、この熱電変換素子では、P型の熱電変換部とN型の熱電変換部と絶縁体とが、膜状であるので、全体の薄型化を図ることができる。
A thermoelectric conversion element according to a ninth invention is the thermoelectric conversion element of the eighth invention, characterized in that the P-type thermoelectric conversion portion, the N-type thermoelectric conversion portion, and the insulator are in the form of films.
That is, in this thermoelectric conversion element, the P-type thermoelectric conversion portion, the N-type thermoelectric conversion portion, and the insulator are in the form of films, so that the entire element can be made thinner.

第10の発明に係る窒化物絶縁体材料の製造方法は、第1から第5の発明のいずれかの窒化物絶縁体材料の製造方法であって、M-Si-Teスパッタリングターゲット(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)を用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜することを特徴とする。
すなわち、この窒化物絶縁体材料の製造方法では、M-Si-Teスパッタリングターゲット(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)を用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜するので、M-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)で示される金属窒化物であり、ナノクリスタルであると共に、表面粗さが小さい窒化物絶縁体層又は窒化物絶縁体膜を得ることが可能になる。
A tenth aspect of the present invention is a method for producing a nitride insulator material according to any one of the first to fifth aspects of the present invention, characterized in that a film is formed by reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using an M-Si-Te sputtering target (wherein M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element).
That is, in this method for producing a nitride insulator material, a M-Si-Te sputtering target (where M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element) is used to perform reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere to form a film, and therefore it is possible to obtain a nitride insulator layer or nitride insulator film that is a metal nitride represented by the formula M-Si-N-Te (where M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element), is nanocrystalline, and has small surface roughness.

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る窒化物絶縁体材料によれば、M-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)で示される金属窒化物であり、ナノクリスタルであるので、絶縁性を有すると共に低い格子熱伝導率を有することで、低い熱浸透率を示す低熱伝導性が得られる。したがって、本発明の窒化物絶縁体材料は、電気的かつ熱的なバリア材料(絶縁材料かつ断熱材料)として好適である。
また、本発明の熱流スイッチング素子では、絶縁性層が、上記本発明の窒化物絶縁体材料で形成されているので、格子熱伝導率が低い絶縁性層により、外部電場に応じた熱伝導率の変化率が大きくなって熱流スイッチ性能が向上する。
また、本発明の熱電変換素子では、絶縁体が、上記本発明の窒化物絶縁体材料で形成されているので、格子熱伝導率が低い絶縁体により、熱電変換部の表面からの熱の放出が抑制され、高温側と低温側との温度差を十分に確保することができる。
According to the present invention, the following effects are achieved.
That is, the nitride insulator material of the present invention is a metal nitride represented by the formula M-Si-N-Te (where M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element), and is in the form of a nanocrystal, so that it has insulating properties and low lattice thermal conductivity, thereby achieving low thermal conductivity with a low thermal effusivity. Therefore, the nitride insulator material of the present invention is suitable as an electrical and thermal barrier material (an insulating material and a heat insulating material).
Furthermore, in the heat flow switching element of the present invention, the insulating layer is formed from the nitride insulator material of the present invention, and the insulating layer has low lattice thermal conductivity, which increases the rate of change of thermal conductivity in response to an external electric field, thereby improving heat flow switching performance.
Furthermore, in the thermoelectric conversion element of the present invention, the insulator is formed from the nitride insulator material of the present invention, and the insulator has low lattice thermal conductivity, which suppresses heat release from the surface of the thermoelectric conversion part, thereby ensuring a sufficient temperature difference between the high-temperature side and the low-temperature side.

本発明に係る窒化物絶縁体材料及びその製造方法並びに熱流スイッチング素子の第1実施形態において、熱流スイッチング素子を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a heat flow switching element in a first embodiment of a nitride insulating material, a manufacturing method thereof, and a heat flow switching element according to the present invention; 第1実施形態において、熱流スイッチング素子の原理を説明するための概念図である。FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining the principle of a heat flow switching element in the first embodiment. 本発明に係る窒化物絶縁体材料及びその製造方法並びに熱流スイッチング素子の第2実施形態において、熱流スイッチング素子を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a heat flow switching element in a second embodiment of the nitride insulator material, its manufacturing method, and heat flow switching element according to the present invention. 本発明に係る窒化物絶縁体材料及びその製造方法並びに熱電変換素子の第3実施形態において、熱電変換素子を示す斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing a thermoelectric conversion element in a third embodiment of the nitride insulator material, the manufacturing method thereof, and the thermoelectric conversion element according to the present invention. 本発明に係る窒化物絶縁体材料及びその製造方法並びに熱電変換素子の第4実施形態において、熱電変換素子を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a thermoelectric conversion element in a fourth embodiment of the nitride insulator material, the manufacturing method thereof, and the thermoelectric conversion element according to the present invention. 本発明に係る窒化物絶縁体材料及びその製造方法並びに熱流スイッチング素子と熱電変換素子の実施例において、絶縁性評価試験の配置を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing the layout of an insulation evaluation test in an embodiment of a nitride insulator material and a manufacturing method thereof, as well as a heat flow switching element and a thermoelectric conversion element according to the present invention. 本発明に係る実施例において、XRDパターンを示すグラフである。1 is a graph showing an XRD pattern in an example according to the present invention. 本発明に係る実施例において、断面SEM画像である。1 is a cross-sectional SEM image in an embodiment according to the present invention. 本発明に係る実施例において、実施例7(a)及び実施例25(b)を示す断面SEM画像である。1A and 1B are cross-sectional SEM images showing Example 7(a) and Example 25(b) in examples according to the present invention. 本発明に係る実施例において、実施例7(a)及び実施例25(b)を示すTEM画像である。1A and 1B are TEM images showing Example 7(a) and Example 25(b) in examples according to the present invention. 本発明に係る実施例において、実施例7(a)及び実施例25(b)を示す回折パターン画像である。10A and 10B are diffraction pattern images showing Example 7(a) and Example 25(b) in examples according to the present invention.

以下、本発明に係る窒化物絶縁体材料及びその製造方法並びに熱流スイッチング素子と熱電変換素子における第1実施形態を、図1及び図2を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部を認識可能又は認識容易な大きさとするために必要に応じて縮尺を適宜変更している。 A first embodiment of a nitride insulating material, a manufacturing method thereof, a heat flow switching element, and a thermoelectric conversion element according to the present invention will be described below with reference to Figures 1 and 2. Note that the scale of the drawings used in the following description has been changed as necessary to make each part recognizable or easily recognizable.

本実施形態の熱流スイッチング素子1は、図1及び図2に示すように、N型半導体層3と、N型半導体層3上に積層された絶縁体層4と、絶縁体層4上に積層されたP型半導体層5とを備えている。
さらに、本実施形態の熱流スイッチング素子1は、N型半導体層3に接続されたN側電極6と、P型半導体層5に接続されたP側電極7とを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2 , the heat flow switching element 1 of this embodiment includes an N-type semiconductor layer 3, an insulator layer 4 stacked on the N-type semiconductor layer 3, and a P-type semiconductor layer 5 stacked on the insulator layer 4.
Furthermore, the heat flow switching element 1 of this embodiment includes an N-side electrode 6 connected to the N-type semiconductor layer 3 and a P-side electrode 7 connected to the P-type semiconductor layer 5 .

上記絶縁体層4は、低熱伝導材料の窒化物絶縁体材料であって、M-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)で示される金属窒化物であり、ナノクリスタルである。
なお、本明細書では、結晶サイズが5nm以下であれば、非晶質の場合も含めてナノクリスタルと称している。
また、上記結晶サイズは、断面TEM画像で無作為に10点の結晶を選択し、それらの円相当径の平均値で求めている。
The insulator layer 4 is a nitride insulator material with low thermal conductivity, which is a metal nitride represented by M-Si-N-Te (wherein M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element), and is a nanocrystal.
In this specification, if the crystal size is 5 nm or less, it is called nanocrystal, including amorphous materials.
The crystal size was determined by randomly selecting 10 crystals in a cross-sectional TEM image and averaging their equivalent circle diameters.

上記絶縁体層4は、M-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)で示される金属窒化物であり、上記金属窒化物は、Ta-Si-N,Hf-Si-N又はTa-Hf-Si-N,Ta-Si-N-Teである。
また、上記N型半導体層3及びP型半導体層5は、低熱伝導材料の窒化物半導体材料であって、例えばA-Si-N-Te(但し、Aは遷移金属元素の少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)で示される金属窒化物であり、ナノクリスタルである。
すなわち、上記金属窒化物は、Cr-Si-N,Mn-Si-N,Ni-Si-N,Mo-Si-N,W-Si-N,Cr-W-Si-N,Cr-Si-N-Te,W-Si-N-Teなどである。
The insulator layer 4 is a metal nitride represented by M-Si-N-Te (wherein M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element), and the metal nitride is Ta-Si-N, Hf-Si-N, Ta-Hf-Si-N, or Ta-Si-N-Te.
Furthermore, the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 are made of a nitride semiconductor material with low thermal conductivity, for example, a metal nitride represented by A-Si-N-Te (where A represents at least one transition metal element, and Te is an optional element), and are nanocrystals.
That is, the metal nitrides include Cr—Si—N, Mn—Si—N, Ni—Si—N, Mo—Si—N, W—Si—N, Cr—W—Si—N, Cr—Si—N—Te, and W—Si—N—Te.

これらの成膜方法は、スパッタリング法、分子線エピタキシー法(MBE法)等、各種成膜手法が採用される。
スパッタリング法については、スパッタリング装置にて、様々な組成比のターゲットを用いて、Arガス+窒素ガスの混合ガス雰囲気下において、スパッタガス圧、窒素ガス分圧等を変量し、上記金属窒化物を成膜することができる。
本実施形態では、M-Si-Teスパッタリングターゲット(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)を用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って窒化物半導体材料である絶縁体層4を成膜している。
なお、成膜中の不可避不純物としてO(酸素)を微量に含有していても構わない。
また、N型半導体層3及びP型半導体層5に直接電圧を印加可能な場合は、N側電極6及びP側電極7が不要である。
These films are formed by various methods such as sputtering and molecular beam epitaxy (MBE).
In the sputtering method, the above metal nitride can be deposited in a sputtering apparatus using targets of various composition ratios in an atmosphere of a mixed gas of Ar gas and nitrogen gas, while varying the sputtering gas pressure, nitrogen gas partial pressure, etc.
In this embodiment, an M-Si-Te sputtering target (wherein M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element) is used to perform reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere to form the insulator layer 4, which is a nitride semiconductor material.
It is acceptable for the film to contain a small amount of O (oxygen) as an inevitable impurity during film formation.
Furthermore, if a voltage can be applied directly to the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5, the N-side electrode 6 and the P-side electrode 7 are not necessary.

また、本実施形態の熱流スイッチング素子1は、絶縁性の基材2を備え、基材2上にN側電極6が形成されている。すなわち、基材2上に、N側電極6,N型半導体層3,絶縁体層4,P型半導体層5及びP側電極7が、この順で積層されている。なお、基材2上に、上記と逆の順序で積層しても構わない。また、基材2自体を、P側電極7又はN側電極6としても構わない。 The heat flow switching element 1 of this embodiment also includes an insulating substrate 2, on which an N-side electrode 6 is formed. That is, the N-side electrode 6, N-type semiconductor layer 3, insulator layer 4, P-type semiconductor layer 5, and P-side electrode 7 are stacked in this order on the substrate 2. Note that the stacking order on the substrate 2 may be reversed. Furthermore, the substrate 2 itself may serve as the P-side electrode 7 or N-side electrode 6.

上記N側電極6及びP側電極7には、外部電源Vが接続され、電圧が印加される。なお、図1における矢印は、電圧(電場)の印加方向を示している。
N型半導体層3及びP型半導体層5は、厚さ1μm未満の薄膜で形成されている。特に、絶縁体層4との界面及びその近傍に生成される電荷e(正電荷,負電荷)は、5~10nmの厚さ範囲で主に溜まるため、N型半導体層3及びP型半導体層5は、100nm以下の膜厚で形成されることがより好ましい。なお、N型半導体層3及びP型半導体層5は、5nm以上の膜厚が好ましい。
また、絶縁体層4は、40nm以上の膜厚が好ましく、絶縁破壊が生じない厚さに設定される。なお、絶縁体層4は、厚すぎると電荷eを運び難くなるため、1μm未満の膜厚とすることが好ましい。
An external power source V is connected to apply a voltage to the N-side electrode 6 and the P-side electrode 7. The arrows in Fig. 1 indicate the direction in which the voltage (electric field) is applied.
The N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 are formed as thin films with a thickness of less than 1 μm. In particular, since the charges e (positive charges and negative charges) generated at the interface with the insulator layer 4 and in the vicinity thereof are mainly accumulated in a thickness range of 5 to 10 nm, it is more preferable that the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 be formed with a film thickness of 100 nm or less. It is preferable that the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 have a film thickness of 5 nm or more.
The insulator layer 4 preferably has a thickness of 40 nm or more, which is set to a thickness that does not cause dielectric breakdown. Note that if the insulator layer 4 is too thick, it becomes difficult to transport the charge e, so the thickness is preferably less than 1 μm.

なお、図2中の、N型半導体層3と絶縁体層4との界面及びその近傍に生成される電荷eの種類は、電子であり、白丸で表記されている。また、P型半導体層5と絶縁体層4との界面及びその近傍に生成される電荷eの種類は、正孔であり、黒丸で表記されている。(正孔は、半導体の価電子帯の電子の不足によってできた孔であり、相対的に正の電荷を持っているように見える。)
N型半導体層3及びP型半導体層5のN型,P型は、N(窒素)の含有量で設定している。なお、上記窒化物絶縁体材料にN型,P型を示す金属元素をドーパントとして添加することでもN型,P型を設定可能である。
上記基材2は、例えばガラス基板などが採用可能である。
上記N側電極6及び上記P側電極7は、例えばMo,Al等の金属で形成される。
2, the type of charge e generated at the interface between the N-type semiconductor layer 3 and the insulator layer 4 and in the vicinity thereof is an electron, represented by a white circle. Also, the type of charge e generated at the interface between the P-type semiconductor layer 5 and the insulator layer 4 and in the vicinity thereof is a hole, represented by a black circle. (A hole is a hole created by a lack of electrons in the valence band of the semiconductor, and appears to have a relatively positive charge.)
The N-type and P-type of the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 are determined by the content of N (nitrogen). Note that the N-type and P-type can also be set by adding a metal element indicating the N-type or P-type as a dopant to the nitride insulator material.
The base material 2 may be, for example, a glass substrate.
The N-side electrode 6 and the P-side electrode 7 are made of a metal such as Mo or Al.

本実施形態の熱流スイッチング素子1は、図2に示すように、電場(電圧)印加により、N型半導体層3と絶縁体層4との界面及びその近傍に熱伝導可能な電荷eを生成することで、生成した電荷eが熱を運んで熱伝導率が変化する。 As shown in Figure 2, the heat flow switching element 1 of this embodiment generates thermally conductive charges e at and near the interface between the N-type semiconductor layer 3 and the insulator layer 4 when an electric field (voltage) is applied. The generated charges e carry heat, causing a change in thermal conductivity.

電場(電圧)印加により界面及びその近傍に生成した電荷により、より大きな熱伝導率変化を得るには、格子熱伝導率が小さい材料が適しており、本実施形態の上記窒化物絶縁体材料は、格子熱伝導率が小さい、すなわち熱伝導率が小さい材料である。
また、上記定義した第3熱伝導率は、印加する外部電場(電圧)に応じて生成される電荷eの量に応じて増大する。
なお、N型半導体層3及びP型半導体層5と絶縁体層4との界面で電荷eが生成されることから、界面の総面積を増やすことで、生成する電荷eの量も増やすことができる。
In order to obtain a larger change in thermal conductivity due to the charges generated at the interface and its vicinity by the application of an electric field (voltage), a material with low lattice thermal conductivity is suitable, and the nitride insulator material of this embodiment is a material with low lattice thermal conductivity, i.e., low thermal conductivity.
Furthermore, the third thermal conductivity defined above increases in accordance with the amount of electric charge e generated in response to the applied external electric field (voltage).
Since electric charge e is generated at the interfaces between the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 and the insulator layer 4, the amount of electric charge e generated can be increased by increasing the total area of the interfaces.

上記熱伝導率の測定方法は、例えば基板上に形成された薄膜試料をパルスレーザーで瞬間的に加熱し、薄膜内部への熱拡散による表面温度の低下速度あるいは表面温度の上昇速度を測定することにより、薄膜の膜厚方向の熱拡散率又は熱浸透率を求める方法であるパルス光加熱サーモリフレクタンス法により行う。なお、上記パルス光加熱サーモリフレクタンス法のうち、熱拡散を直接測定する方法(裏面加熱/表面測温(RF)方式)では、パルスレーザーが透過可能な透明基板を用いる必要があるため、透明基板でない場合は、熱浸透率を測定し、熱伝導率に換算する方式である表面加熱/測温(FF)方式で熱伝導率を測定する。なお、この測定には、金属膜が必要であり、Mo,Al等が採用される。
本実施形態では、表面加熱/測温(FF)方式で熱浸透率を測定している。
The thermal conductivity is measured, for example, by the pulsed light heating thermoreflectance method, which involves instantaneously heating a thin film sample formed on a substrate with a pulsed laser and measuring the rate of surface temperature decrease or increase due to thermal diffusion into the thin film to determine the thermal diffusivity or thermal effusivity of the thin film in the film thickness direction. Among the pulsed light heating thermoreflectance methods, the method of directly measuring thermal diffusivity (rear heating/surface temperature measurement (RF) method) requires the use of a transparent substrate through which the pulsed laser can pass. Therefore, if the substrate is not transparent, the thermal conductivity is measured using the surface heating/temperature measurement (FF) method, which measures the thermal effusivity and converts it into thermal conductivity. This measurement requires a metal film, such as Mo or Al.
In this embodiment, the thermal effusivity is measured by the surface heating/temperature measurement (FF) method.

本実施形態の熱流スイッチング素子1では、N型半導体層3と絶縁体層4との界面及びその近傍と、P型半導体層5と絶縁体層4との界面及びその近傍との両方で電荷eが生成されるため、生成される電荷量が多く、熱伝導率の大きな変化と高い熱応答性とを得ることができる。また、化学反応機構を用いない、物理的に熱伝導率を変化させる機構であるので、熱伝導が変化した状態に直ちに移行でき、良好な熱応答性を得ることができる。 In the heat flow switching element 1 of this embodiment, charge e is generated both at and near the interface between the N-type semiconductor layer 3 and the insulator layer 4, and at and near the interface between the P-type semiconductor layer 5 and the insulator layer 4. This generates a large amount of charge, resulting in a large change in thermal conductivity and high thermal response. Furthermore, because the mechanism physically changes thermal conductivity without using a chemical reaction mechanism, the element can immediately transition to a changed state of thermal conductivity, resulting in good thermal response.

また、外部電圧の大きさに乗じて、界面に誘起される電荷量が変化するので、外部電圧を調整することで、熱伝導率を調整することが可能となるので、本素子を介して、熱流を能動的に制御可能となる。
なお、絶縁体層4が絶縁体であり、電圧印加に伴う電流が発生しないため、ジュール熱は生じない。そのため、自己発熱することなく、熱流を能動的に制御可能となる。
また、N型半導体層3とP型半導体層5とが窒化物である場合、絶縁体層4も窒化物であるため、P型半導体層及びN型半導体層と絶縁体層との界面の接合性が高くなる。
Furthermore, since the amount of charge induced at the interface varies depending on the magnitude of the external voltage, it is possible to adjust the thermal conductivity by adjusting the external voltage, making it possible to actively control the heat flow through this element.
Since the insulating layer 4 is an insulator and no current is generated when a voltage is applied, no Joule heat is generated, making it possible to actively control the heat flow without self-heating.
Furthermore, when the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5 are made of nitride, the insulator layer 4 is also made of nitride, which improves the bonding strength at the interfaces between the P-type semiconductor layer and the insulator layer and between the N-type semiconductor layer and the insulator layer.

このように本実施形態の窒化物絶縁体材料(絶縁体層4)では、M-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)で示される金属窒化物であり、ナノクリスタルであるので、絶縁性を有すると共に低い格子熱伝導率を有するので低い熱浸透率を示す低熱伝導性が得られる。したがって、本実施形態の絶縁体層4は、電気的かつ熱的なバリア層として機能する。
なお、構成元素のうちM(Ta,Hfのうち少なくとも1種)及びSiは、ナノクリスタル化(結晶サイズが5nmであり、非晶質を含む)させていると共に格子熱伝導率を低下させることが可能となり、熱浸透率を低下させることが可能となる。また、構成元素のうちNの含有量によって絶縁性が得られる。さらに、構成元素のうちTeは、さらに熱浸透率を低下させる効果を有する。
As described above, the nitride insulator material (insulator layer 4) of this embodiment is a metal nitride represented by M-Si-N-Te (where M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element), and is a nanocrystal, so it has insulating properties and low lattice thermal conductivity, resulting in low thermal conductivity with a low thermal effusivity. Therefore, the insulator layer 4 of this embodiment functions as both an electrical and thermal barrier layer.
Among the constituent elements, M (at least one of Ta and Hf) and Si are nanocrystallized (crystal size is 5 nm, including amorphous), which reduces the lattice thermal conductivity and makes it possible to reduce the thermal effusivity. Furthermore, the content of N among the constituent elements provides insulation. Furthermore, Te among the constituent elements has the effect of further reducing the thermal effusivity.

特に、本実施形態の窒化物絶縁体材料では、熱浸透率2000Ws0.5/mK未満かつ電気抵抗率10Ωcm以上が得られる。したがって、本実施形態の窒化物絶縁体材料は、HfOよりも低い熱伝導率が得られ、10Vの電圧印加で100μA/mm未満の電流しか流れない絶縁性が得られる。
さらに、本実施形態の窒化物絶縁体材料では、熱浸透率1700Ws0.5/mK未満かつ電気抵抗率10Ωcm以上が得られるものがある。したがって、このような窒化物絶縁体材料は、HfOやSiNよりも低い熱伝導率が得られ、10Vの電圧印加で100μA/mm未満の電流しか流れない絶縁性が得られる。本実施形態の窒化物絶縁体材料では、より低い熱伝導性、すなわち、より高い断熱性を示すので、熱流スイッチング素子を構成する絶縁体層として、及び、熱電変換素子を構成する絶縁体層として、より好適である。
In particular, the nitride insulator material of this embodiment has a thermal effusivity of less than 2000 Ws 0.5 /m 2 K and an electrical resistivity of 10 8 Ω cm or more. Therefore, the nitride insulator material of this embodiment has a thermal conductivity lower than that of HfO 2 and exhibits insulation properties such that only a current of less than 100 μA/mm 2 flows when a voltage of 10 V is applied.
Furthermore, some nitride insulator materials of this embodiment can achieve a thermal effusivity of less than 1700 Ws 0.5 /m 2 K and an electrical resistivity of 10 8 Ωcm or more. Therefore, such nitride insulator materials can achieve lower thermal conductivity than HfO 2 or SiN, and can achieve insulation such that only a current of less than 100 μA/mm 2 flows when a voltage of 10 V is applied. The nitride insulator material of this embodiment exhibits lower thermal conductivity, i.e., higher thermal insulation, and is therefore more suitable as an insulator layer that constitutes a heat flow switching element and as an insulator layer that constitutes a thermoelectric conversion element.

本実施形態の熱流スイッチング素子1では、N型半導体層3と、N型半導体層3上に積層された絶縁体層4と、絶縁体層4上に積層されたP型半導体層5とを備えているので、N型半導体層3とP型半導体層5とに外部電圧を印加すると、P型半導体層5及びN型半導体層3と絶縁体層4との主に界面に電荷eが誘起され、この電荷eが熱を運ぶことで熱伝導率が変化する。 The heat flow switching element 1 of this embodiment comprises an N-type semiconductor layer 3, an insulator layer 4 laminated on the N-type semiconductor layer 3, and a P-type semiconductor layer 5 laminated on the insulator layer 4. When an external voltage is applied to the N-type semiconductor layer 3 and the P-type semiconductor layer 5, electric charge e is induced mainly at the interfaces between the P-type semiconductor layer 5 and the N-type semiconductor layer 3 and the insulator layer 4, and this electric charge e carries heat, causing a change in thermal conductivity.

特に、絶縁体層4が、上記窒化物絶縁体材料で形成されているので、ゼロバイアス時に、低い格子熱伝導率を有して低い熱浸透率を示す低熱伝導性が得られ、熱伝導率の変化率を外部電場(外部電圧)により大きくすることができる。すなわち、格子熱伝導率が低いほど、ゼロバイアスからの外部電場に応答する界面起因の熱伝導率の寄与が大きくなり、外部電場に応じた熱伝導率の変化率が大きくなって熱流スイッチ性能が向上する。 In particular, because the insulator layer 4 is formed from the above-mentioned nitride insulator material, it has low thermal conductivity, exhibiting low lattice thermal conductivity and low thermal effusivity at zero bias, and the rate of change of thermal conductivity can be increased by an external electric field (external voltage). In other words, the lower the lattice thermal conductivity, the greater the contribution of interface-induced thermal conductivity in response to an external electric field from zero bias, and the greater the rate of change of thermal conductivity in response to an external electric field, improving heat flow switch performance.

本実施形態の窒化物絶縁体材料(絶縁体層4)の製造方法では、M-Si-Teスパッタリングターゲット(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)を用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜するので、M-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)で示される金属窒化物であり、ナノクリスタルであると共に、表面粗さが小さい窒化物絶縁体層又は窒化物絶縁体膜を得ることが可能になる。 In the manufacturing method for the nitride insulator material (insulator layer 4) of this embodiment, a M-Si-Te sputtering target (where M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element) is used to form the film by reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere. This makes it possible to obtain a metal nitride of the formula M-Si-N-Te (where M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element), a nanocrystalline nitride insulator layer or nitride insulator film with low surface roughness.

次に、本発明に係る窒化物絶縁体材料及びその製造方法並びに熱流スイッチング素子と熱電変換素子の第2及び第3実施形態について、図3及び図4を参照して以下に説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。 Next, second and third embodiments of the nitride insulating material and its manufacturing method, as well as the heat flow switching element and thermoelectric conversion element according to the present invention, will be described below with reference to Figures 3 and 4. In the following description of each embodiment, the same components as those described in the above embodiments will be designated by the same reference numerals, and their description will be omitted.

第2実施形態と第1実施形態との異なる点は、第1実施形態では、N型半導体層3,絶縁体層4及びP型半導体層5が各1層ずつ積層されているのに対し、第2実施形態の熱流スイッチング素子21では、図3に示すように、N型半導体層23とP型半導体層25とが絶縁体層24を挟んで交互に複数積層されている点である。
すなわち、第2実施形態では、基材22上に絶縁体層24をまず成膜し、その上にN型半導体層23とP型半導体層25とを、間に絶縁体層24を介在させながらこの順で繰り返し積層し、3層のN型半導体層23と3層のP型半導体層25と7層の絶縁体層24との積層体を構成している。
The second embodiment differs from the first embodiment in that, in the first embodiment, one N-type semiconductor layer 3, one insulator layer 4, and one P-type semiconductor layer 5 are laminated, whereas in the heat flow switching element 21 of the second embodiment, multiple N-type semiconductor layers 23 and multiple P-type semiconductor layers 25 are laminated alternately with an insulator layer 24 sandwiched therebetween, as shown in FIG. 3 .
That is, in the second embodiment, an insulator layer 24 is first formed on a substrate 22, and then N-type semiconductor layers 23 and P-type semiconductor layers 25 are repeatedly stacked on top of the insulator layer 24 in this order with the insulator layer 24 interposed therebetween, thereby forming a stack of three N-type semiconductor layers 23, three P-type semiconductor layers 25, and seven insulator layers 24.

各N型半導体層23は、それぞれ基端部に設けられたN側連結部23aに接続され、さらにN側連結部23aの一部にN側電極26が形成されている。また、各P型半導体層25は、それぞれ基端部に設けられたP側連結部25aに接続され、さらにP側連結部25aの一部にP側電極27が形成されている。
上記各層は、メタルマスクを用いてパターン形成されている。なお、メタルマスクの位置をずらして成膜することで、N型半導体層23とP型半導体層25と絶縁体層24を複数積層している。
また、N側電極26及びP側電極27には、それぞれリード線26a,27aが接続されている。
Each N-type semiconductor layer 23 is connected to an N-side connecting portion 23a provided at the base end, and an N-side electrode 26 is formed on a part of the N-side connecting portion 23a. Each P-type semiconductor layer 25 is connected to a P-side connecting portion 25a provided at the base end, and a P-side electrode 27 is formed on a part of the P-side connecting portion 25a.
Each of the above layers is patterned using a metal mask. By forming the layers while shifting the position of the metal mask, multiple N-type semiconductor layers 23, P-type semiconductor layers 25, and insulator layers 24 are stacked.
Further, lead wires 26a and 27a are connected to the N-side electrode 26 and the P-side electrode 27, respectively.

このように第2実施形態の熱流スイッチング素子21では、N型半導体層23とP型半導体層25とが絶縁体層24を挟んで交互に複数積層されているので、外部電圧により、積層されて増えた上記界面に応じて生成される電荷eも増え、より熱伝導率の大きな変化と高い熱応答性とが得られる。 In this way, in the heat flow switching element 21 of the second embodiment, N-type semiconductor layers 23 and P-type semiconductor layers 25 are stacked alternately with insulator layers 24 sandwiched between them. Therefore, when an external voltage is applied, the electric charge e generated in response to the increased number of interfaces increases, resulting in greater changes in thermal conductivity and faster thermal response.

また、第2実施形態の熱流スイッチング素子21では、最上面に設けられた上部高熱伝導部28と、最下面に設けられた下部高熱伝導部である基材22と、N型半導体層23,絶縁体層24及びP型半導体層25の外周縁を覆って設けられた外周断熱部29とを備え、外周断熱部29が、上部高熱伝導部28及び下部高熱伝導部である基材22よりも熱伝導性の低い上記窒化物絶縁体材料で形成されている点である。 The heat flow switching element 21 of the second embodiment also includes an upper high thermal conductivity portion 28 provided on the top surface, a lower high thermal conductivity portion (substrate 22) provided on the bottom surface, and a peripheral heat insulating portion 29 provided to cover the outer edges of the N-type semiconductor layer 23, insulator layer 24, and P-type semiconductor layer 25, and the peripheral heat insulating portion 29 is formed from the above-mentioned nitride insulator material, which has lower thermal conductivity than the upper high thermal conductivity portion 28 and the lower high thermal conductivity portion (substrate 22).

すなわち、上記外周断熱部29は、M-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)で示される金属窒化物であり、ナノクリスタルである。
なお、絶縁体層24も、外周断熱部29と同様に、M-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)で示される金属窒化物であり、ナノクリスタルであることが好ましい。
また、上部高熱伝導部28は、シリコン系樹脂(シリコーン)等の高熱伝導材料で形成されていると共に、下部高熱伝導部である基材22はアルミナ等で形成された高熱伝導基板が採用される。
That is, the peripheral heat insulating portion 29 is a metal nitride represented by M-Si-N-Te (wherein M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element), and is a nanocrystal.
Like the peripheral heat insulating portion 29, the insulator layer 24 is also a metal nitride represented by M-Si-N-Te (wherein M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element), and is preferably a nanocrystal.
In addition, the upper high thermal conductivity portion 28 is formed from a high thermal conductivity material such as silicon-based resin (silicone), and the base material 22, which is the lower high thermal conductivity portion, is a high thermal conductivity substrate formed from alumina or the like.

外周断熱部29は、最上部の絶縁体層24の部分を露出させた状態でその周りを覆っており、上部高熱伝導部28は、露出した最上部の絶縁体層24に接触するように上部に形成されている。
なお、外周断熱部29は、各層の外周に配されリード線26a,27aに接続されたN側電極26及びP側電極27も覆って形成されている。
The peripheral heat insulating portion 29 covers the periphery of the uppermost insulating layer 24 while leaving the uppermost insulating layer 24 exposed, and the upper high thermal conductivity portion 28 is formed on the upper portion so as to contact the exposed uppermost insulating layer 24.
The outer peripheral heat insulating portion 29 is also formed to cover the N-side electrode 26 and the P-side electrode 27 that are disposed on the outer periphery of each layer and connected to lead wires 26a and 27a.

第2実施形態の場合、熱流方向が積層方向(図3中の矢印方向)となり、例えば、上部高熱伝導部28側が高温側となると共に、下部高熱伝導部である基材22側が低温側となる。熱流方向は積層方向であれば、上部高熱伝導部28側が低温側となると共に、下部高熱伝導部である基材22側が高温側でもよい。
このように第2実施形態の熱流スイッチング素子21では、外周断熱部29が、最上面の上部高熱伝導部28及び最下面の下部高熱伝導部である基材22よりも熱伝導性の低い窒化物絶縁体材料で形成されているので、N型半導体層23,絶縁体層24及びP型半導体層25の全体を熱流の経路としながら、熱伝導率の変化しない外周断熱部29を経由して熱が流れることを抑制できるので、積層方向に熱流スイッチ性を得ることができる。
In the second embodiment, the heat flow direction is the stacking direction (the direction of the arrow in FIG. 3 ), and for example, the upper high thermal conductivity section 28 side is the high temperature side, and the lower high thermal conductivity section, the substrate 22 side, is the low temperature side. As long as the heat flow direction is the stacking direction, the upper high thermal conductivity section 28 side may be the low temperature side, and the lower high thermal conductivity section, the substrate 22 side, may be the high temperature side.
As described above, in the heat flow switching element 21 of the second embodiment, the peripheral insulation portion 29 is formed of a nitride insulator material having lower thermal conductivity than the upper high thermal conductivity portion 28 on the top surface and the lower high thermal conductivity portion on the bottom surface of the substrate 22. Therefore, while the entire N-type semiconductor layer 23, insulator layer 24, and P-type semiconductor layer 25 serve as a heat flow path, heat can be prevented from flowing via the peripheral insulation portion 29, whose thermal conductivity does not change, and heat flow switching ability can be obtained in the stacking direction.

次に、第3実施形態と第2実施形態との異なる点は、第2実施形態は、熱流スイッチング素子であるのに対し、第3実施形態は、図4に示すように、熱電変換素子31である。
すなわち、第3実施形態の熱電変換素子31は、絶縁性基材32と、絶縁性基材32上に形成されたP型の薄膜熱電変換部33p及びN型の薄膜熱電変換部33nと、P型の薄膜熱電変換部33pとN型の薄膜熱電変換部33nとを接続する接続電極部34と、接続されたP型の薄膜熱電変換部33pとN型の薄膜熱電変換部33nとの端部に形成された一対の電極端子部35と絶縁性基材32とP型の薄膜熱電変換部33pとN型の薄膜熱電変換部33nと接続電極部34との表面を覆う絶縁体膜39とを備えている。
Next, the third embodiment differs from the second embodiment in that the second embodiment uses a heat flow switching element, whereas the third embodiment uses a thermoelectric conversion element 31 as shown in FIG.
That is, the thermoelectric conversion element 31 of the third embodiment comprises an insulating substrate 32, a P-type thin-film thermoelectric conversion portion 33p and an N-type thin-film thermoelectric conversion portion 33n formed on the insulating substrate 32, a connection electrode portion 34 connecting the P-type thin-film thermoelectric conversion portion 33p and the N-type thin-film thermoelectric conversion portion 33n, a pair of electrode terminal portions 35 formed at the ends of the connected P-type thin-film thermoelectric conversion portion 33p and N-type thin-film thermoelectric conversion portion 33n, and an insulator film 39 covering the surfaces of the insulating substrate 32, the P-type thin-film thermoelectric conversion portion 33p, the N-type thin-film thermoelectric conversion portion 33n, and the connection electrode portion 34.

上記絶縁体膜39は、第1実施形態と同様の上記窒化物絶縁体材料で形成されている。すなわち、絶縁体膜39は、M-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)で示される金属窒化物であり、ナノクリスタルである膜である。 The insulator film 39 is formed from the same nitride insulator material as in the first embodiment. That is, the insulator film 39 is a metal nitride nanocrystal film represented by the formula M-Si-N-Te (where M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element).

上記P型の薄膜熱電変換部33p及びN型の薄膜熱電変換部33nの少なくとも一方は、窒化物熱電変換材料で形成されている。
例えば、上記窒化物熱電変換材料は、一般式:(Cr1-x1-y(但し、MはTi,V,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zr,Nb,Mo,Hf,Ta,W,Si,Al,B及びYのうち少なくとも1種を示す。0≦x<1.0、0.40≦y<0.54)で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、立方晶のNaCl型(空間群Fm-3m(No.225))であり、P型又はN型の熱電特性を有する。
At least one of the P-type thin-film thermoelectric conversion portion 33p and the N-type thin-film thermoelectric conversion portion 33n is formed of a nitride thermoelectric conversion material.
For example, the nitride thermoelectric conversion material is made of a metal nitride represented by the general formula: (Cr 1-x M x ) 1-y N y (where M represents at least one of Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W, Si, Al, B, and Y; 0≦x<1.0, 0.40≦y<0.54), has a cubic NaCl-type crystal structure (space group Fm-3m (No. 225)), and has P-type or N-type thermoelectric properties.

なお、本実施形態では、P型の薄膜熱電変換部33p及びN型の薄膜熱電変換部33nの両方を上記窒化物熱電変換材料で形成しているが、P型の薄膜熱電変換部を有機材料の熱電材料(プリンテッド材料)で形成し、N型の薄膜熱電変換部33nを上記窒化物熱電変換材料で形成しても構わない。 In this embodiment, both the P-type thin-film thermoelectric conversion unit 33p and the N-type thin-film thermoelectric conversion unit 33n are formed from the above-mentioned nitride thermoelectric conversion material, but the P-type thin-film thermoelectric conversion unit may be formed from an organic thermoelectric material (printed material), and the N-type thin-film thermoelectric conversion unit 33n may be formed from the above-mentioned nitride thermoelectric conversion material.

P型の薄膜熱電変換部33pとN型の薄膜熱電変換部33nとは、複数の線状又は帯状に形成され、互いに平行に延在すると共に交互に並んで配されている。また、隣接するP型の薄膜熱電変換部33pとN型の薄膜熱電変換部33nとの端部が、接続電極部34で接続され、全体が複数回折り返された一本の薄膜熱電変換部となっており、両端部に一対の電極端子部35が形成されている。 The P-type thin-film thermoelectric conversion units 33p and N-type thin-film thermoelectric conversion units 33n are formed in multiple lines or strips, extending parallel to each other and arranged alternately. The ends of adjacent P-type thin-film thermoelectric conversion units 33p and N-type thin-film thermoelectric conversion units 33n are connected by connection electrode units 34, forming a single thin-film thermoelectric conversion unit that is folded back multiple times, with a pair of electrode terminal units 35 formed at both ends.

上記接続電極部34と電極端子部35とは、AgやAg合金等でパターン形成されている。
一対の電極端子部35には、リード線36が接続され、リード線36が電源37に接続されている。
The connection electrode portion 34 and the electrode terminal portion 35 are patterned and made of Ag, Ag alloy, or the like.
Lead wires 36 are connected to the pair of electrode terminals 35 , and the lead wires 36 are connected to a power source 37 .

上記絶縁性基材32は、熱伝導率の小さい材料で形成されていることが好ましく、例えば絶縁性フィルム又はガラス等が採用可能である。上記絶縁性フィルムとして、例えばポリイミド樹脂シートで形成されたものが採用される。なお、絶縁性フィルムとしては、他にLCP:液晶ポリマー、PET:ポリエチレンテレフタレート,PEN:ポリエチレンナフタレート等でも構わない。また、上記ガラス基板は、例えば無アルカリガラス、アルカリガラス板、ガラスフィルム等が採用可能である。 The insulating substrate 32 is preferably made of a material with low thermal conductivity, and can be, for example, an insulating film or glass. The insulating film can be, for example, a polyimide resin sheet. Other insulating films may also be used, such as LCP (liquid crystal polymer), PET (polyethylene terephthalate), or PEN (polyethylene naphthalate). The glass substrate can be, for example, alkali-free glass, alkali glass, or glass film.

上記絶縁性基材32に絶縁性フィルムを採用した場合、シート型の熱電変換素子31となる。例えば、電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、熱輸送を行うシート型のペルチェ素子(冷却素子)、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、温度差発電を行うシート型のゼーベック素子(熱電発電素子)、熱電対の原理を応用した赤外線センサとなるシート型のサーモパイル等とすることができる。 When an insulating film is used for the insulating substrate 32, the resulting thermoelectric conversion element 31 is a sheet-type. For example, it can be a sheet-type Peltier element (cooling element) that converts electrical energy into thermal energy and transports heat, a sheet-type Seebeck element (thermoelectric power generation element) that converts thermal energy into electrical energy and generates electricity due to temperature differences, or a sheet-type thermopile that functions as an infrared sensor that applies the principles of a thermocouple.

このように第3実施形態の熱電変換素子31では、絶縁体膜39が、上記窒化物絶縁体材料で形成されているので、熱伝導率が小さい窒化物絶縁体材料の絶縁体膜39で表面が覆われていることで、P型の薄膜熱電変換部33pとN型の薄膜熱電変換部33nの表面からの熱の放出が抑制され、高温側と低温側との温度差を十分に確保することができる。
また、P型の薄膜熱電変換部33pとN型の薄膜熱電変換部33nとが窒化物である場合、絶縁体膜39も窒化物であるため、P型の薄膜熱電変換部33p及びN型の薄膜熱電変換部33nと絶縁体膜39との界面の接合性が高くなる。
In this way, in the thermoelectric conversion element 31 of the third embodiment, the insulator film 39 is formed from the above-mentioned nitride insulator material, and since the surface is covered with the insulator film 39 made of a nitride insulator material with low thermal conductivity, heat release from the surfaces of the P-type thin-film thermoelectric conversion section 33p and the N-type thin-film thermoelectric conversion section 33n is suppressed, and a sufficient temperature difference between the high-temperature side and the low-temperature side can be ensured.
Furthermore, when the P-type thin-film thermoelectric conversion unit 33p and the N-type thin-film thermoelectric conversion unit 33n are nitrides, the insulator film 39 is also a nitride, and therefore the bonding strength at the interfaces between the P-type thin-film thermoelectric conversion unit 33p and the N-type thin-film thermoelectric conversion unit 33n and the insulator film 39 is increased.

次に、第4実施形態と第3実施形態との異なる点は、P型の薄膜熱電変換部33pとN型の薄膜熱電変換部33nと絶縁体膜39とがいずれも膜状であるのに対し、第4実施形態の熱電変換素子41A,41Bでは、図5の(a)(b)に示すように、P型の熱電変換部43pとN型の熱電変換部43nと絶縁体49とが膜状ではなく、いずれもバルクである点である。 Next, the fourth embodiment differs from the third embodiment in that the P-type thin-film thermoelectric conversion portion 33p, the N-type thin-film thermoelectric conversion portion 33n, and the insulator film 39 are all film-like, whereas in the thermoelectric conversion elements 41A and 41B of the fourth embodiment, the P-type thermoelectric conversion portion 43p, the N-type thermoelectric conversion portion 43n, and the insulator 49 are all bulk rather than film-like, as shown in Figures 5(a) and 5(b).

また、第3実施形態では、隣接するP型の薄膜熱電変換部33pとN型の薄膜熱電変換部33nとの端部が、同一平面上で接続電極部34で接続され、全体が複数回折り返された一本の薄膜熱電変換部となっているのに対し、第4実施形態では、隣接するバルクのP型の熱電変換部43pとN型の熱電変換部43nとの端部が、上下の接続電極部44で接続され、全体が縦断面上で複数回折り返された連続した熱電変換部となっている。 Furthermore, in the third embodiment, the ends of adjacent P-type and N-type thin-film thermoelectric conversion units 33p and 33n are connected by connecting electrode units 34 on the same plane, forming a single thin-film thermoelectric conversion unit that is folded over multiple times as a whole, whereas in the fourth embodiment, the ends of adjacent bulk P-type and N-type thermoelectric conversion units 43p and 43n are connected by upper and lower connecting electrode units 44, forming a continuous thermoelectric conversion unit that is folded over multiple times as a whole in vertical cross section.

本実施形態では、P型の熱電変換部43pとN型の熱電変換部43nとの両側面に、上記窒化物絶縁体材料で形成されたバルクの絶縁体49が接合されて側面(表面)が覆われている。
上記P型の熱電変換部43pとN型の熱電変換部43nと絶縁体49と接続電極部44とは、絶縁性基板42A,42B間に挟まれた状態で設けられている。
In this embodiment, a bulk insulator 49 made of the above-mentioned nitride insulator material is bonded to both sides of the P-type thermoelectric conversion unit 43p and the N-type thermoelectric conversion unit 43n, covering the side surfaces (surfaces).
The P-type thermoelectric conversion portion 43p, the N-type thermoelectric conversion portion 43n, the insulator 49, and the connection electrode portion 44 are sandwiched between insulating substrates 42A and 42B.

なお、図5の(a)に図示されている熱電変換素子41Aでは、P型の熱電変換部43pの側面に接合されている絶縁体49と、N型の熱電変換部43nの側面に接合されている絶縁体49とが、互いに接触している。これに対して、図5の(b)に図示されている熱電変換素子41Bでは、P型の熱電変換部43pの側面に接合されている絶縁体49と、N型の熱電変換部43nの側面に接合されている絶縁体49とが、互いに離間して接触していない。 In the thermoelectric conversion element 41A shown in FIG. 5(a), the insulator 49 joined to the side surface of the P-type thermoelectric conversion unit 43p and the insulator 49 joined to the side surface of the N-type thermoelectric conversion unit 43n are in contact with each other. In contrast, in the thermoelectric conversion element 41B shown in FIG. 5(b), the insulator 49 joined to the side surface of the P-type thermoelectric conversion unit 43p and the insulator 49 joined to the side surface of the N-type thermoelectric conversion unit 43n are spaced apart and do not contact each other.

このように第4実施形態の熱電変換素子41,41Bでは、絶縁体49が、上記窒化物絶縁体材料で形成されているので、熱伝導率が小さい窒化物絶縁体材料の絶縁体49で表面(側面)が覆われていることで、バルクで構成されていても、表面からの熱の放出が抑制され、高温側と低温側との温度差を十分に確保することができる。 In this way, in the thermoelectric conversion elements 41 and 41B of the fourth embodiment, the insulator 49 is formed from the above-mentioned nitride insulator material. Therefore, because the surface (side surface) is covered with the insulator 49 made of a nitride insulator material with low thermal conductivity, heat release from the surface is suppressed even when the element is constructed in bulk, and a sufficient temperature difference between the high-temperature side and the low-temperature side can be ensured.

上記第1実施形態に基づいて以下の表2及び表3に記載の材料(Ta-Si-N,Hf-Si-N,Ta-Si-N-Te)をガラス基板上に窒素含有雰囲気中の反応性スパッタで成膜した本発明の実施例について、その結晶組織,熱浸透率及び電気抵抗率について測定した。その結晶組織及び熱浸透率の結果を表2及び表3に示す。
なお、各実施例の組成は、窒素分率(N/(Ar+N))を変えると共に、Si/(M+Si)比を変えて設定した。
組成分析は、X線光電子分光法(XPS)にて元素分析を行った。XPSでは、Arスパッタにより、最表面から深さ20nmのスパッタ面において、定量分析を実施した。なお、定量精度について、N/(M+Si+N)の定量精度は±2%、Si/(M+Si)の定量精度は±1%ある。
The crystal structure, thermal effusivity, and electrical resistivity of the examples of the present invention were measured in which the materials (Ta—Si—N, Hf—Si—N, Ta—Si—N—Te) listed in Tables 2 and 3 below were deposited on glass substrates by reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere based on the first embodiment. The results of the crystal structure and thermal effusivity are shown in Tables 2 and 3.
The composition of each example was set by changing the nitrogen fraction (N 2 /(Ar+N 2 )) and the Si/(M+Si) ratio.
The composition was analyzed by elemental analysis using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). XPS quantitative analysis was performed on the sputtered surface at a depth of 20 nm from the outermost surface using Ar sputtering. The quantitative accuracy of N/(M + Si + N) was ±2%, and that of Si/(M + Si) was ±1%.

また、比較例として、Al-N,HfO,Ta-Si,Hf-Si,Si-Nを成膜したものについても、その熱浸透率及び電気抵抗率について測定した。その結晶組織及び熱浸透率の結果も表1に示す。
スパッタには、マグネトロンスパッタ装置を用い、ガラス基板(20×20×0.5mm)上にRF法で窒化物絶縁体材料膜を200nm成膜し、得られた膜上にMoを100nmスパッタリングして素子とした。
なお、上記スパッタ後の窒化物絶縁体材料膜の表面粗さRaは、いずれも2nm未満と小さかった。表面粗さRaは、X線反射率測定を用いて評価した。
As comparative examples, the thermal effusivity and electrical resistivity of films made of Al—N, HfO 2 , Ta—Si, Hf—Si, and Si—N were also measured. The results of the crystal structure and thermal effusivity are also shown in Table 1.
A magnetron sputtering device was used for sputtering, and a nitride insulating material film was formed to a thickness of 200 nm on a glass substrate (20×20×0.5 mm) by RF method, and Mo was sputtered to a thickness of 100 nm on the resulting film to form a device.
The surface roughness Ra of each of the nitride insulating material films after sputtering was small, less than 2 nm. The surface roughness Ra was evaluated using X-ray reflectivity measurement.

上記熱浸透率は、パルス光加熱サーモリフレクタンス法のFF方式(表面加熱/表面測温)にて測定した(薄膜熱物性測定装置:ピコサーム社PicoTRを使用)。測定は室温で行った。
熱伝導率は、以下の式により熱浸透率から計算される。
熱伝導率k=(熱浸透率b)/体積熱容量
=(熱浸透率b)/(比熱×密度)
The thermal effusivity was measured by the FF method (surface heating/surface temperature measurement) of the pulsed light heating thermoreflectance method (using a thin film thermal property measuring device: PicoTherm PicoTR). The measurement was carried out at room temperature.
The thermal conductivity is calculated from the thermal effusivity using the following formula:
Thermal conductivity k = (thermal effusivity b) 2 /volume heat capacity
= (thermal effusivity b) 2 / (specific heat × density)

これらの結果から、本発明の各実施例は、いずれも熱浸透率が2000Ws0.5/mK未満の低熱伝導材料であった。また、比較例は、いずれも熱浸透率が2000Ws0.5/mK以上であるのに対し、本発明の実施例の中で、特にHf-Si-N,Ta-Si-N-Te及びTaを17.9at%以上含有しているTa-Si-Nでは、熱浸透率が1700Ws0.5/mK未満の低熱伝導材料であった。
Ta-Si-Nにおいて、Ta量を増加すると、熱浸透率が減少する傾向、かつ、体積熱容量が増加する傾向がある。Taを17.9at%以上含有すると、1Ws0.5/mK未満の低い熱伝導率を有する、高い断熱性をもつ材料が得られるようになる。
さらに、Teを含む実施例35(Ta-Si-N-Te)の熱浸透率は、250Ws0.5/mKとなった。実施例35は、実施例1~34に比べ、熱浸透率が非常に小さくなり、1000Ws0.5/mK未満の低熱伝導材料であった。実施例35は、非常に低い熱伝導性、すなわち、非常に高い断熱性を示すので、熱流スイッチング素子を構成する絶縁体層として、及び、熱電変換素子を構成する絶縁体層として、より好適である。
なお、本発明の各実施例の電気抵抗率は、10Ωcm以上であり、高い絶縁性を示した。なお、比較例3、4は、窒素を含有していない金属化合物であり、いずれも電気抵抗率が10Ωcm未満であった。比較例1、2、5は、電気抵抗率は、10Ωcm以上であり、高い絶縁性を示したが、いずれも熱浸透率が2000Ws0.5/mK以上の高い熱伝導材料であった。
実施例のM-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)と比較例5のSi-Nとは、ともに電気抵抗率は、10Ωcm以上であったが、実施例には、TaもしくはHfの重金属元素が含まれているため、Si-Nよりも格子熱伝導率が小さくなり、熱浸透率が小さい結果が得られている。
この電気抵抗率の測定(絶縁性評価試験)は、図6に示す配置で行った。測定は室温で行った。すなわち、Si基板11上に本発明の窒化物絶縁体材料であるM-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示し、Teは任意元素である。)薄膜(100mm)12を成膜し、さらにその上にMo電極13を50nm成膜した状態で、Si基板11とMo電極13との間に高電圧ソースメータを用いて電圧を印加し、その際の電流値に基づいて電気抵抗率を求めた。ここで、M-Si-N-Te薄膜(100mm)12は、Mo電極13に対して100倍以上の面積を有し、かつ、Mo電極13をM-Si-N-Te薄膜(100mm)12の略中心に配置することで、M-Si-N-Te薄膜12の外周部への表面電流が流れることを抑えることができ、膜自体の電気抵抗率を測定可能にした。
From these results, all of the examples of the present invention were low thermal conductive materials with a thermal effusivity of less than 2000 Ws 0.5 /m 2 K. Furthermore, all of the comparative examples had a thermal effusivity of 2000 Ws 0.5 /m 2 K or more, whereas among the examples of the present invention, Hf—Si—N, Ta—Si—N—Te, and Ta—Si—N containing 17.9 at% or more of Ta were particularly low thermal conductive materials with a thermal effusivity of less than 1700 Ws 0.5 /m 2 K.
In Ta-Si-N, increasing the amount of Ta tends to decrease the thermal effusivity and increase the volumetric heat capacity. When the Ta content is 17.9 at% or more, a material with low thermal conductivity of less than 1 Ws 0.5 /m 2 K and high thermal insulation properties can be obtained.
Furthermore, the thermal effusivity of Example 35 (Ta-Si-N-Te), which contained Te, was 250 Ws 0.5 /m 2 K. Example 35 had a thermal effusivity that was significantly smaller than Examples 1 to 34, and was a low thermal conductive material with a thermal effusivity of less than 1000 Ws 0.5 /m 2 K. Example 35 exhibits very low thermal conductivity, i.e., very high thermal insulation, and is therefore more suitable as an insulator layer that constitutes a heat flow switching element and an insulator layer that constitutes a thermoelectric conversion element.
The electrical resistivity of each example of the present invention was 10 8 Ωcm or more, indicating high insulating properties. Comparative Examples 3 and 4 were metal compounds containing no nitrogen, and all had electrical resistivities of less than 10 Ωcm. Comparative Examples 1, 2, and 5 had electrical resistivities of 10 8 Ωcm or more, indicating high insulating properties, but all were highly thermally conductive materials with thermal effusivities of 2000 Ws 0.5 /m 2 K or more.
The electrical resistivity of both the M-Si-N-Te of the example (where M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element) and the Si-N of comparative example 5 was 10 8 Ωcm or more, but because the example contains the heavy metal element Ta or Hf, the lattice thermal conductivity is smaller than that of Si-N, resulting in a smaller thermal effusivity.
This electrical resistivity measurement (insulation evaluation test) was performed using the arrangement shown in FIG. 6 . The measurement was performed at room temperature. Specifically, a 100 mm M-Si-N-Te (where M represents at least one of Ta and Hf, and Te is an optional element) thin film 12, which is the nitride insulator material of the present invention, was formed on a Si substrate 11. A 50 nm Mo electrode 13 was then formed thereon. A voltage was applied between the Si substrate 11 and the Mo electrode 13 using a high-voltage source meter, and the electrical resistivity was determined based on the current value. The M-Si-N-Te thin film (100 mm) 12 had an area 100 times or more larger than that of the Mo electrode 13, and the Mo electrode 13 was positioned approximately at the center of the M-Si-N-Te thin film (100 mm) 12, thereby preventing surface current from flowing to the periphery of the M-Si-N-Te thin film 12 and enabling measurement of the electrical resistivity of the film itself.

表2及び表3から分かるように、本発明の各実施例では、いずれも結晶組織がナノクリスタルであったのに対し、Al-Nの比較例1は柱状結晶であった。比較例1のAl-N柱状結晶の熱浸透率は2000Ws0.5/mKを大きく超えた値を示した。
HfOの比較例2,Ta-Siの比較例3,Hf-Siの比較例4及びSi-Nの比較例5は、いずれも結晶組織がナノクリスタルであったが、熱浸透率が2000Ws0.5/mK以上であった。特に、Ta-Siの比較例3,Hf-Siの比較例4は、窒素を含有していない金属化合物であり、2500Ws0.5/mK以上と高い熱浸透率であった。
As can be seen from Tables 2 and 3, the crystal structure of each of the examples of the present invention was nanocrystalline, whereas the Al—N comparative example 1 had columnar crystals. The thermal effusivity of the Al—N columnar crystals of comparative example 1 was significantly greater than 2000 Ws 0.5 /m 2 K.
HfO2 Comparative Example 2, Ta-Si Comparative Example 3, Hf-Si Comparative Example 4, and Si-N Comparative Example 5 all had nanocrystalline crystal structures, but had thermal effusivities of 2000 Ws 0.5 /m 2 K or higher. In particular, Ta-Si Comparative Example 3 and Hf-Si Comparative Example 4 were metal compounds that did not contain nitrogen, and had high thermal effusivities of 2500 Ws 0.5 /m 2 K or higher.

次に、表2の実施例5について、XRDパターン(全自動多目的X線回折装置(SmartLab:RIGAKU製)使用)を図7に示すと共に、断面SEM画像(斜め45度視野、倍率200000倍)を図8に示す。この断面SEM画像は、基板をへき開破断したものを用いている。図8中には、Ta-Si-N膜の断面組織、表面組織が共に示されている。本発明の実施例5は、表面平滑性が高く、かつ、緻密であり、高密度であることがわかる。
薄膜XRDは、視斜角入射X線回折(Grazing Incidence X-ray Diffraction、薄膜XRD)にて実施し、Cu管球,入射角1度の条件下で実施した。結晶サイズが比較的大きいことを示唆するような、長周期的な結晶性を示す鋭いピークは検出されていない。
Next, for Example 5 in Table 2, an XRD pattern (using a fully automatic multipurpose X-ray diffractometer (SmartLab: manufactured by RIGAKU)) is shown in FIG. 7, and a cross-sectional SEM image (45-degree oblique field of view, 200,000x magnification) is shown in FIG. 8. This cross-sectional SEM image was taken from a substrate that was cleaved. FIG. 8 shows both the cross-sectional structure and surface structure of the Ta-Si-N film. It can be seen that Example 5 of the present invention has high surface smoothness, is dense, and has high density.
Thin-film XRD was performed using grazing incidence X-ray diffraction (thin-film XRD) under conditions of a Cu tube and an incident angle of 1 degree. No sharp peaks indicating long-period crystallinity, which would suggest a relatively large crystal size, were detected.

また、本発明の実施例7,25について、断面SEM画像(斜め45度視野、倍率50000倍)を図9に示す。この断面SEM画像は、基板をへき開破断したものを用いている。図9中には、Ta-Si-N膜及びHf-Si-N膜の断面組織、表面組織が共に示されている。本発明の実施例7,25は、表面平滑性が高く、かつ、緻密であり、高密度であることがわかる。
さらに、上記実施例7,25について、断面TEM:HAADF-STEM(高角散乱環状暗視野走査透過顕微鏡法)像を図10に示す。なお、このTEM像の倍率は1050000倍である。
これらの画像からわかるように、本発明の実施例7,25の結晶組織は結晶サイズ5nm以下の緻密なナノクリスタルとなっている。なお、本明細書では、結晶サイズが5nm以下であれば、非晶質の場合も含めてナノクリスタルと称している。
Furthermore, Fig. 9 shows cross-sectional SEM images (45-degree oblique field of view, 50,000x magnification) of Examples 7 and 25 of the present invention. This cross-sectional SEM image was taken from a substrate that had been cleaved. Fig. 9 also shows the cross-sectional and surface structures of the Ta-Si-N film and the Hf-Si-N film. It can be seen that Examples 7 and 25 of the present invention have high surface smoothness, are dense, and have high density.
Furthermore, Fig. 10 shows cross-sectional TEM (HAADF-STEM) images (high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscope) of Examples 7 and 25. The magnification of this TEM image is 1,050,000 times.
As can be seen from these images, the crystalline structures of Examples 7 and 25 of the present invention are dense nanocrystals with a crystal size of 5 nm or less. Note that in this specification, the term "nanocrystal" refers to any material with a crystal size of 5 nm or less, including amorphous materials.

次に、TEM装置を用いてTa-Si-NとHf-Si-Nとの断面組織の詳細な解析を行った。上記実施例7,25の膜断面の電子線回折像を、図11に示す。いずれも、結晶サイズが比較的大きいことを示唆するような、長周期的な結晶性を示す電子線回折像は検出されておらず、結晶サイズが非常に小さい又は非晶質のナノクリスタルであることを示している。上記TEM像の観察結果より、実施例は結晶サイズ5nm以下の緻密なナノクリスタルとなっている。また、これらの画像から、実施例7よりも実施例25の方が回折環がはっきりとしており、Ta-Si-Nの実施例7の方がHf-Si-Nの実施例25よりも結晶サイズが小さなナノクリスタルが得られていることがわかる。
視斜角入射X線回折(Grazing Incidence X-ray Diffraction、薄膜XRD)も実施し、比較例の柱状結晶材料については、結晶化膜を示すピークが観測されているが、実施例については、結晶サイズが比較的大きいことを示唆するような、長周期的な結晶性を示す鋭いピークは検出されていない。XRD,SEM,TEMの結果より、本実施例は、結晶サイズが5nm以下の非常に小さい又は非晶質のナノクリスタルであることを示している。
Next, a detailed analysis of the cross-sectional structure of Ta—Si—N and Hf—Si—N was performed using a TEM device. Electron beam diffraction images of the film cross sections of Examples 7 and 25 are shown in FIG. 11. In neither case were electron beam diffraction images showing long-period crystallinity, which would suggest a relatively large crystal size, detected, indicating that the crystal size was very small or that the nanocrystals were amorphous. The TEM image observation results show that the Examples are dense nanocrystals with crystal sizes of 5 nm or less. Furthermore, these images show that the diffraction rings are clearer in Example 25 than in Example 7, indicating that nanocrystals with smaller crystal sizes were obtained in Example 7 (Ta—Si—N) than in Example 25 (Hf—Si—N).
Grazing incidence X-ray diffraction (thin film XRD) was also performed, and peaks indicating a crystallized film were observed for the columnar crystal material of the comparative example, but no sharp peaks indicating long-period crystallinity, which would suggest a relatively large crystal size, were detected for the example. The results of XRD, SEM, and TEM show that the example is made of very small or amorphous nanocrystals with a crystal size of 5 nm or less.

さらに、実施例のナノクリスタル膜は、表面平滑性が高く(表面粗さRaが2nm未満)、かつ、緻密であり、高密度であることがわかる。
すなわち、低熱伝導(高い断熱性)は、空隙等、密度が小さいことに由来するのではなく、本窒化物材料自体が低い熱伝導率を有することを示す。これらの結果は、結晶サイズをナノクリスタル化させたことで、結晶格子間を伝わる振動(フォノン、格子振動)による熱伝導を低減させ、格子熱伝導を低減し、熱浸透率が2000Ws0.5/mK未満の低熱伝導性半導体材料が得られたことを示している。さらに、本発明の実施例の中で、特にHf-Si-N,Ta-Si-N-Te及びTaを17.9at%以上含有しているTa-Si-Nでは、熱浸透率が1700Ws0.5/mK未満の低熱伝導性を示した。
また、Teを含む実施例35(Ta-Si-N-Te)の熱浸透率は、250Ws0.5/mKとなり、熱浸透率が1000Ws0.5/mK未満の非常に低い熱伝導材料であった。実施例35のXRD,SEM,TEMを実施し、結晶サイズが5nm以下のナノクリスタル膜であることを確認しており、さらに、実施例35は表面平滑性が高く(表面粗さRaが2nm未満)、かつ、緻密であり、高密度であることがわかっている。すなわち、Teを含む実施例35(Ta-Si-N-Te)においても、低熱伝導性(高い断熱性)は、空隙等、密度が小さいことに由来するのではなく、Teを含む窒化物材料自体が低い熱伝導率を有することを示している。非常に低い熱伝導性、すなわち、非常に高い断熱性を示すので、熱流スイッチング素子を構成する絶縁体層として、及び、熱電変換素子を構成する絶縁体層として、より好適である。
なお、実施例1~35におけるM-Si-N-Teの各元素の組成範囲としては、Mは5.9~37.9at%、Siは8.0~44.1at%、Nは42.6~59.0at%、Teは0~8.4%、各元素の合計は100at%であった。また、Si/(M+Si)は17.4~87.2at%であった。
Furthermore, it can be seen that the nanocrystal films of the examples have high surface smoothness (surface roughness Ra of less than 2 nm), and are dense and high density.
In other words, the low thermal conductivity (high thermal insulation) is not due to low density, such as voids, but rather indicates that the nitride material itself has low thermal conductivity. These results show that nanocrystalline crystal size reduces thermal conduction due to vibrations (phonons, lattice vibrations) transmitted between crystal lattices, reducing lattice thermal conduction and resulting in a low thermal conductivity semiconductor material with a thermal effusivity of less than 2000 Ws 0.5 /m 2 K. Furthermore, among the examples of the present invention, Hf-Si-N, Ta-Si-N-Te, and Ta-Si-N containing 17.9 at% or more of Ta in particular exhibited low thermal conductivity with a thermal effusivity of less than 1700 Ws 0.5 /m 2 K.
Furthermore, the thermal effusivity of Example 35 (Ta-Si-N-Te), which contains Te, was 250 Ws 0.5 /m 2 K, making it a very low thermal conductive material with a thermal effusivity of less than 1000 Ws 0.5 /m 2 K. XRD, SEM, and TEM of Example 35 were performed, confirming that it was a nanocrystalline film with a crystal size of 5 nm or less. Furthermore, it was found that Example 35 had high surface smoothness (surface roughness Ra less than 2 nm), and was dense and high-density. In other words, even in Example 35 (Ta-Si-N-Te), which contains Te, the low thermal conductivity (high thermal insulation) is not due to low density such as voids, but rather indicates that the nitride material containing Te itself has low thermal conductivity. Because it exhibits very low thermal conductivity, i.e., very high thermal insulation, it is more suitable as an insulator layer constituting a heat flow switching element and as an insulator layer constituting a thermoelectric conversion element.
The composition ranges of each element in M-Si-N-Te in Examples 1 to 35 were 5.9 to 37.9 at% for M, 8.0 to 44.1 at% for Si, 42.6 to 59.0 at% for N, and 0 to 8.4 at% for Te, with the total of each element being 100 at%. Also, Si/(M+Si) was 17.4 to 87.2 at%.

なお、本発明の技術範囲は上記各実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

1,21…熱流スイッチング素子、3,23…N型半導体層、4,24…絶縁体層、5,25…P型半導体層、22…基材(下部高熱伝導部)、28…上部高熱伝導部、29…外周断熱部、31,41A,41B…熱電変換素子、32…絶縁性基材、33p…P型の薄膜熱電変換部、43p…P型の熱電変換部、33n…N型の薄膜熱電変換部、43n…N型の熱電変換部、34,44…接続電極部、39…絶縁体膜、49…絶縁体 1, 21...heat flow switching element, 3, 23...N-type semiconductor layer, 4, 24...insulator layer, 5, 25...P-type semiconductor layer, 22...substrate (lower high thermal conductivity portion), 28...upper high thermal conductivity portion, 29...periphery heat insulating portion, 31, 41A, 41B...thermoelectric conversion element, 32...insulating substrate, 33p...P-type thin-film thermoelectric conversion portion, 43p...P-type thermoelectric conversion portion, 33n...N-type thin-film thermoelectric conversion portion, 43n...N-type thermoelectric conversion portion, 34, 44...connection electrode portion, 39...insulator film, 49...insulator

Claims (10)

M-Si-N-Te(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示。)で示される金属窒化物であり、ナノクリスタルであることを特徴とする窒化物絶縁体材料。 A nitride insulating material is a metal nitride represented by M-Si-N-Te (where M represents at least one of Ta and Hf), and is characterized by being a nanocrystal. 請求項1に記載の窒化物絶縁体材料において、
熱浸透率2000Ws0.5/mK未満であることを特徴とする窒化物絶縁体材料。
The nitride insulating material according to claim 1 ,
A nitride insulating material characterized by a thermal effusivity of less than 2000 Ws 0.5 /m 2 K.
請求項2に記載の窒化物絶縁体材料において、
熱浸透率1700Ws0.5/mK未満であることを特徴とする窒化物絶縁体材料。
The nitride insulating material according to claim 2,
A nitride insulating material characterized by a thermal effusivity of less than 1700 Ws 0.5 /m 2 K.
請求項1から3のいずれか一項に記載の窒化物絶縁体材料において、
電気抵抗率10Ωcm以上であることを特徴とする窒化物絶縁体材料。
The nitride insulating material according to any one of claims 1 to 3,
A nitride insulating material characterized by having an electrical resistivity of 10 8 Ωcm or more.
請求項1から4のいずれか一項に記載の窒化物絶縁体材料において、
低熱伝導材料として用いられることを特徴とする窒化物絶縁体材料。
The nitride insulating material according to any one of claims 1 to 4,
A nitride insulating material characterized by being used as a low thermal conductive material.
N型半導体層と、
前記N型半導体層上に積層された絶縁体層と、
前記絶縁体層上に積層されたP型半導体層とを備え、
前記絶縁体層が、請求項1から5のいずれか一項に記載の窒化物絶縁体材料で形成されていることを特徴とする熱流スイッチング素子。
an N-type semiconductor layer;
an insulator layer stacked on the N-type semiconductor layer;
a P-type semiconductor layer stacked on the insulator layer,
A thermal flow switching element, wherein the insulating layer is formed from the nitride insulating material according to claim 1 .
請求項6に記載の熱流スイッチング素子において、
最上面に設けられた上部高熱伝導部と、
最下面に設けられた下部高熱伝導部と、
前記N型半導体層,前記絶縁体層及び前記P型半導体層の外周縁を覆って設けられた外周断熱部とを備え、
前記外周断熱部が、前記上部高熱伝導部及び前記下部高熱伝導部よりも熱伝導性の低い前記窒化物絶縁体材料で形成されていることを特徴とする熱流スイッチング素子。
7. The thermal flow switching element according to claim 6,
an upper high thermal conductivity portion provided on the top surface;
a lower high thermal conductivity portion provided on the bottom surface;
a peripheral heat insulating portion provided to cover peripheral edges of the N-type semiconductor layer, the insulator layer, and the P-type semiconductor layer,
A heat flow switching element, wherein the outer peripheral heat insulating portion is formed of the nitride insulating material having lower thermal conductivity than the upper high thermal conductivity portion and the lower high thermal conductivity portion.
絶縁性基材と、
前記絶縁性基材上に形成されたP型の熱電変換部及びN型の熱電変換部と、
前記P型の熱電変換部と前記N型の熱電変換部とを接続する接続電極部と、
前記P型の熱電変換部と前記N型の熱電変換部との表面を覆う絶縁体とを備え、
前記絶縁体が、請求項1から5のいずれか一項に記載の窒化物絶縁体材料で形成されていることを特徴とする熱電変換素子。
an insulating substrate;
a P-type thermoelectric conversion section and an N-type thermoelectric conversion section formed on the insulating substrate;
a connection electrode portion that connects the P-type thermoelectric conversion portion and the N-type thermoelectric conversion portion;
an insulator covering surfaces of the P-type thermoelectric conversion unit and the N-type thermoelectric conversion unit;
A thermoelectric conversion element, characterized in that the insulator is formed from the nitride insulator material according to any one of claims 1 to 5.
請求項8に記載の熱電変換素子において、
前記P型の熱電変換部と前記N型の熱電変換部と前記絶縁体とが、膜状であることを特徴とする熱電変換素子。
The thermoelectric conversion element according to claim 8,
The thermoelectric conversion element is characterized in that the P-type thermoelectric conversion portion, the N-type thermoelectric conversion portion, and the insulator are in the form of a film.
請求項1から5のいずれか一項に記載の窒化物絶縁体材料の製造方法であって、
M-Si-Teスパッタリングターゲット(但し、MはTa,Hfのうち少なくとも1種を示。)を用いて窒素含有雰囲気中で反応性スパッタを行って成膜することを特徴とする窒化物絶縁体材料の製造方法。
A method for producing the nitride insulating material according to any one of claims 1 to 5, comprising the steps of:
A method for producing a nitride insulating material, characterized by forming a film by reactive sputtering in a nitrogen-containing atmosphere using an M-Si-Te sputtering target (where M represents at least one of Ta and Hf).
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