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特開2022-132080窒化物半導体材料及びこれを備えた熱流スイッチング素子
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022132080
(43)【公開日】2022-09-07
(54)【発明の名称】窒化物半導体材料及びこれを備えた熱流スイッチング素子
(51)【国際特許分類】
C01B 33/06 20060101AFI20220831BHJP
H01L 29/16 20060101ALN20220831BHJP
C30B 29/38 20060101ALN20220831BHJP
【ＦＩ】
C01B33/06
H01L29/16
C30B29/38 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021206433
(22)【出願日】2021-12-20
(31)【優先権主張番号】P 2021030790
(32)【優先日】2021-02-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】000006264
【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100120396
【弁理士】
【氏名又は名称】杉浦 秀幸
(72)【発明者】
【氏名】藤田 利晃
(72)【発明者】
【氏名】安達 真樹
【テーマコード（参考）】
4G072
4G077
【Ｆターム（参考）】
4G072AA20
4G072BB05
4G072BB09
4G072DD07
4G072FF01
4G072GG02
4G072GG03
4G072HH02
4G072LL02
4G072MM01
4G072NN11
4G072RR07
4G072RR11
4G072TT17
4G072TT30
4G072UU30
4G077AA03
4G077AB03
4G077AB06
4G077BE11
4G077DA11
4G077EB01
4G077GA05
4G077GA06
4G077GA07
4G077HA05
4G077SB01
(57)【要約】
【課題】 格子熱伝導率が低い窒化物半導体材料及びこれを備えた熱流スイッチング素子を提供すること。
【解決手段】窒化物半導体材料は、Ｍ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ（但し、Ｍは遷移金属元素の少なくとも１種を示し、Ｔｅは任意元素である。）で示される金属窒化物であり、熱浸透率２０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満である。特に、前記Ｍが、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗの少なくとも１種である。また、熱流スイッチング素子は、Ｎ型半導体層３と、Ｎ型半導体層上に積層された絶縁体層４と、絶縁体層上に積層されたＰ型半導体層５とを備え、Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層の少なくとも一方が、上記窒化物半導体材料で形成されている。
【選択図】図１
【解決手段】窒化物半導体材料は、Ｍ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ（但し、Ｍは遷移金属元素の少なくとも１種を示し、Ｔｅは任意元素である。）で示される金属窒化物であり、熱浸透率２０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満である。特に、前記Ｍが、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗの少なくとも１種である。また、熱流スイッチング素子は、Ｎ型半導体層３と、Ｎ型半導体層上に積層された絶縁体層４と、絶縁体層上に積層されたＰ型半導体層５とを備え、Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層の少なくとも一方が、上記窒化物半導体材料で形成されている。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
Ｍ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ（但し、Ｍ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、熱浸透率２０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満であることを特徴とする窒化物半導体材料。
【請求項2】
請求項１に記載の窒化物半導体材料において、
前記金属窒化物が、Ｍ－Ｓｉ－Ｎ（但し、Ｍは遷移金属元素の少なくとも１種を示す。）で示されることを特徴とする窒化物半導体材料。
前記金属窒化物が、Ｍ－Ｓｉ－Ｎ（但し、Ｍは遷移金属元素の少なくとも１種を示す。）で示されることを特徴とする窒化物半導体材料。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の窒化物半導体材料において、
電気抵抗率１０Ωｃｍ未満であることを特徴とする窒化物半導体材料。
電気抵抗率１０Ωｃｍ未満であることを特徴とする窒化物半導体材料。
【請求項4】
請求項１から３のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料において、
前記Ｍが、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗの少なくとも１種であることを特徴とする窒化物半導体材料。
前記Ｍが、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗの少なくとも１種であることを特徴とする窒化物半導体材料。
【請求項5】
請求項１から４のいずれか一項に記載の窒化物半導体材料において、
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半導体材料。
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半導体材料。
【請求項6】
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Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の少なくとも一方が、請求項１から５のいずれか一項に記載の窒化物半導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。
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Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の少なくとも一方が、請求項１から５のいずれか一項に記載の窒化物半導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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、低い格子熱伝導率を有する窒化物半導体材料及びこれを備えた熱流スイッチング素子に関する。
【背景技術】
【0002】
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：Ａｇ２Ｓ０．６Ｓｅ０．４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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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が変化させ、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（外部電圧が印加されていない状態）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
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が変化させ、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（外部電圧が印加されていない状態）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
【0005】
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ング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、熱流スイッチング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。
【0006】
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半導体材料及びこれを備えた熱流スイッチング素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
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半導体材料は、Ｍ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ（但し、Ｍは遷移金属元素の少なくとも１種を示し、Ｔｅは任意元素である。）で示される金属窒化物であり、熱浸透率２０００Ｗｓ０．５／ｍ２ＫＫ未満であることを特徴とする。
この窒化物半導体材料では、Ｍ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ（但し、Ｍは遷移金属元素の少なくとも１種を示し、Ｔｅは任意元素である。）で示される金属窒化物であり、熱浸透率２０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満であるので、Ｐ型又はＮ型の半導体特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。なお、構成元素のうちＭが遷移金属元素の少なくとも１種であることで導電性を向上させ、またＳｉは、結晶組織をナノクリスタル化（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るので、熱浸透率を低下させることが可能となる。
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。
この窒化物半導体材料では、Ｍ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ（但し、Ｍは遷移金属元素の少なくとも１種を示し、Ｔｅは任意元素である。）で示される金属窒化物であり、熱浸透率２０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満であるので、Ｐ型又はＮ型の半導体特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。なお、構成元素のうちＭが遷移金属元素の少なくとも１種であることで導電性を向上させ、またＳｉは、結晶組織をナノクリスタル化（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るので、熱浸透率を低下させることが可能となる。
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。
【0008】
第２の発明に係る窒化物半導体材料は、第１の発明において、前記金属窒化物が、Ｍ－Ｓｉ－Ｎ（但し、Ｍは遷移金属元素の少なくとも１種を示す。）で示されることを特徴とする。
【0009】
第３の発明に係る窒化物半導体材料は、第１又は第２の発明において、電気抵抗率１０Ωｃｍ未満であることを特徴とする。
すなわち、この窒化物半導体材料では、遷移金属元素を含む窒化物であり、導電性を有しやすい遷移金属－窒素間結合を有する化合物であるので、１０Ωｃｍ未満の電気抵抗率が得られ、導電性に優れた半導体材料として好適である。
すなわち、この窒化物半導体材料では、遷移金属元素を含む窒化物であり、導電性を有しやすい遷移金属－窒素間結合を有する化合物であるので、１０Ωｃｍ未満の電気抵抗率が得られ、導電性に優れた半導体材料として好適である。
【0010】
第４の発明に係る窒化物半導体材料は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記Ｍが、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗの少なくとも１種であることを特徴とする。
すなわち、この窒化物半導体材料では、前記Ｍが、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗの少なくとも１種であるので、低い熱浸透率が得られるとともに、低い電気抵抗率の金属窒化物材料が得られる。
すなわち、この窒化物半導体材料では、前記Ｍが、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗの少なくとも１種であるので、低い熱浸透率が得られるとともに、低い電気抵抗率の金属窒化物材料が得られる。
【0011】
第５の発明に係る窒化物半導体材料は、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、この窒化物半導体材料では、低い熱浸透率が得られるため、熱流スイッチング素子等に用いる低熱伝導性半導体材料用に好適である。
すなわち、この窒化物半導体材料では、低い熱浸透率が得られるため、熱流スイッチング素子等に用いる低熱伝導性半導体材料用に好適である。
【0012】
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Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の少なくとも一方が、第１から第５の発明のいずれかの窒化物半導体材料で形成されていることを特徴とする。
【0013】
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、Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層の少なくとも一方が、第１から第３の発明のいずれかの窒化物半導体材料で形成されているので、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、絶縁体層が窒化物である場合、Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層の少なくとも一方が窒化物であるため、半導体層と絶縁体層との界面の接合性が高くなる。
特に、Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層の少なくとも一方が、第１から第３の発明のいずれかの窒化物半導体材料で形成されているので、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、絶縁体層が窒化物である場合、Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層の少なくとも一方が窒化物であるため、半導体層と絶縁体層との界面の接合性が高くなる。
【0014】
熱流スイッチング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）２／ｂ（０）２－１
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／ｍ２Ｋ）
ｂ（０）：電圧印加なしの熱浸透率（Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ）
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。
Δｋ＝ｋ（Ｖ）／ｋ（０）－１
Δｋ＝ｂ（Ｖ）２／ｂ（０）２－１
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／ｍ２Ｋ）
ｂ（０）：電圧印加なしの熱浸透率（Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ）
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。
【0015】
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、熱流スイッチング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第３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ング性能が向上する。
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、熱流スイッチング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第３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ング性能が向上する。
【0016】
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。
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。
【発明の効果】
【0017】
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半導体材料によれば、Ｍ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ（但し、Ｍ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、熱浸透率２０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満であるので、Ｐ型又はＮ型の半導体特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。
このように本発明の窒化物半導体材料は、低い熱浸透率が得られるため、熱流スイッチング素子等に用いる低熱伝導性半導体材料用に好適である。
したがって、本発明の熱流スイッチング素子では、Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層の少なくとも一方が、上記本発明の窒化物半導体材料で形成されているので、格子熱伝導率が低いＮ型半導体層，Ｐ型半導体層により、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ング性能が向上する。
すなわち、本発明に係る窒化物半導体材料によれば、Ｍ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ（但し、Ｍ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、熱浸透率２０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満であるので、Ｐ型又はＮ型の半導体特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。
このように本発明の窒化物半導体材料は、低い熱浸透率が得られるため、熱流スイッチング素子等に用いる低熱伝導性半導体材料用に好適である。
したがって、本発明の熱流スイッチング素子では、Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層の少なくとも一方が、上記本発明の窒化物半導体材料で形成されているので、格子熱伝導率が低いＮ型半導体層，Ｐ型半導体層により、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ング性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明に係る窒化物半導体材料及びこれを備えた熱流スイッチング素子の一実施形態を示す斜視図である。
【図2】本実施形態において、原理を説明するための概念図である。
【図3】本発明に係る窒化物半導体材料及びこれを備えた熱流スイッチング素子の比較例を示す断面ＳＥＭ画像である。
【図4】本発明に係る窒化物半導体材料及びこれを備えた熱流スイッチング素子の実施例を示す断面ＳＥＭ画像である。
【図5】本発明に係る窒化物半導体材料及びこれを備えた熱流スイッチング素子の実施例を示す断面ＴＥＭ画像である。
【図6】本発明に係る窒化物半導体材料及びこれを備えた熱流スイッチング素子の実施例を示す断面ＴＥＭ画像である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明に係る窒化物半導体材料及びこれを備えた熱流スイッチング素子における一実施形態を、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。
【0020】
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。
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。
【0021】
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、Ｍ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ（但し、Ｍ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、熱浸透率２０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満かつ電気抵抗率１０Ωｃｍ未満である。
また、上記窒化物半導体材料は、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。
また、上記窒化物半導体材料は、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。
【0022】
上記Ｍは、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗの少なくとも１種である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
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。
【0025】
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、Ｍ元素の選択、組成比Ｓｉ／（Ｍ＋Ｓｉ）比、Ｎ（窒素）の含有量で設定している。なお、上記窒化物半導体材料に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。
Ｎ型半導体層３及びＰ型半導体層５のＮ型，Ｐ型は、Ｍ元素の選択、組成比Ｓｉ／（Ｍ＋Ｓｉ）比、Ｎ（窒素）の含有量で設定している。なお、上記窒化物半導体材料に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。
【0026】
絶縁体層４は、熱伝導率が小さい絶縁性材料であることが好ましく、ＳｉＯ２等の絶縁体、ＨｆＯ２，ＢｉＦｅＯ３等の誘電体、ポリイミド（ＰＩ）等の有機材料などが採用可能である。特に、誘電率の高い誘電体材料が好ましい。
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。
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。
【0027】
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。
【0028】
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半導体材料は、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。
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。
【0029】
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。
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。
【0030】
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。
【0031】
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、絶縁体層が窒化物である場合、Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層の少なくとも一方が窒化物であるため、半導体層と絶縁体層との界面の接合性が高くなる。
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、絶縁体層が窒化物である場合、Ｎ型半導体層及びＰ型半導体層の少なくとも一方が窒化物であるため、半導体層と絶縁体層との界面の接合性が高くなる。
【0032】
このように本実施形態の窒化物半導体材料（Ｎ型半導体層３とＰ型半導体層５）では、Ｍ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ（但し、Ｍは遷移金属元素の少なくとも１種を示し、Ｔｅは任意元素である。）で示される金属窒化物であり、熱浸透率２０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満であるので、Ｐ型又はＮ型の半導体特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。なお、構成元素のうちＭが遷移金属元素の少なくとも１種であることで導電性を向上させ、またＳｉは、結晶組織をナノクリスタル化（結晶サイズが５ｎｍ以下であり、非晶質を含む）させていると共に熱浸透率を低下させている。
【0033】
また、本実施形態の窒化物半導体材料では、遷移金属元素を含む窒化物であり、導電性を有しやすい遷移金属－窒素間結合を有する化合物であるので、１０Ωｃｍ未満の電気抵抗率が得られ、導電性に優れた半導体材料として好適である。
さらに、上記Ｍが、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗの少なくとも１種であるので、低い熱浸透率が得られると共に、低い電気抵抗率の金属窒化物材料が得られる。
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。
さらに、上記Ｍが、Ｃｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗの少なくとも１種であるので、低い熱浸透率が得られると共に、低い電気抵抗率の金属窒化物材料が得られる。
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。
【0034】
特に、Ｎ型半導体層３及びＰ型半導体層５が、上記窒化物半導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ング性能が向上する。
【実施例0035】
上記実施形態に基づいて以下の表１に記載の材料（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）をＳｉＯ２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。その結果を表１に示す。
なお、各実施例の組成は、窒素分率（Ｎ２／（Ａｒ＋Ｎ２））を変えると共に、Ｓｉ／（Ｍ＋Ｓｉ）比を変えて設定した。
なお、各実施例の組成は、窒素分率（Ｎ２／（Ａｒ＋Ｎ２））を変えると共に、Ｓｉ／（Ｍ＋Ｓｉ）比を変えて設定した。
【0036】
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。
電気抵抗率（比抵抗）は、４端子法（van der pauw法）にて２５℃で測定した。半導体のＮ型，Ｐ型の判定は、ホール効果測定により判定した。ホール効果測定時の印加磁場の大きさは０．５テスラとした。
また、比較例として、結晶組織が柱状結晶のもの（Ｃｒ－Ｎ，Ｃｒ－Ｓｉ－Ｎ，Ｍｎ－Ｎ，Ｍｏ－Ｎ，Ｗ－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結果も表１に示す。
電気抵抗率（比抵抗）は、４端子法（van der pauw法）にて２５℃で測定した。半導体のＮ型，Ｐ型の判定は、ホール効果測定により判定した。ホール効果測定時の印加磁場の大きさは０．５テスラとした。
また、比較例として、結晶組織が柱状結晶のもの（Ｃｒ－Ｎ，Ｃｒ－Ｓｉ－Ｎ，Ｍｎ－Ｎ，Ｍｏ－Ｎ，Ｗ－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結果も表１に示す。
【0037】
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（測定装置：ピコサーム社PicoTR）。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）２／体積熱容量
＝（熱浸透率ｂ）２／（比熱×密度）
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）２／体積熱容量
＝（熱浸透率ｂ）２／（比熱×密度）
【0038】
【表1】
【表2】
【0039】
これらの結果から、各比較例では、いずれも結晶組織が柱状結晶であると共に熱浸透率が２５００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ以上であるのに対し、本発明の各実施例は、いずれも結晶組織がナノクリスタルであると共に熱浸透率が２０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満の低熱伝導材料であった。また、本発明の各実施例の電気抵抗率は、いずれも１０Ωｃｍ未満であった。
特に、実施例１～１３では、電気抵抗率が１Ωｃｍ未満であった。
また、Ｔｅを９ａｔ％以上含む実施例２１，２４～２６では、熱浸透率が１０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満の低熱伝導材料であった。
また、Ｔｅを含む実施例２１～２６は、Ｐ型半導体であった。
また、本発明の実施例２７として、上記実施例６のＮｉ－Ｓｉ－ＮのＮ型半導体に、Ｔｅが添加された材料（Ｎｉ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ）も作製した。
なお、Ｔｅ量を９ａｔ％未満とする実施例２７（Ｎｉ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ）の熱浸透率は、１１６３Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋとなり、実施例６のＮｉ－Ｓｉ－Ｎに比べ、熱浸透率が非常に小さくなった。また、この実施例２７（Ｎｉ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ）の電気抵抗率は、９．４６×１０－３Ωｃｍであり、Ｎ型半導体であった。
なお、実施例１～２７におけるＭ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅの各元素の組成範囲としては、Ｍは２７．５～６３．１ａｔ％、Ｓｉは１０．８～３３．７ａｔ％、Ｎは７．８～４６．８ａｔ％、Ｔｅは０～２９．６ａｔ％、各元素の合計は１００ａｔ％であった。また、Ｓｉ／（Ｍ＋Ｓｉ）は１４．６～４９．４ａｔ％であった。
特に、実施例１～１３では、電気抵抗率が１Ωｃｍ未満であった。
また、Ｔｅを９ａｔ％以上含む実施例２１，２４～２６では、熱浸透率が１０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満の低熱伝導材料であった。
また、Ｔｅを含む実施例２１～２６は、Ｐ型半導体であった。
また、本発明の実施例２７として、上記実施例６のＮｉ－Ｓｉ－ＮのＮ型半導体に、Ｔｅが添加された材料（Ｎｉ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ）も作製した。
なお、Ｔｅ量を９ａｔ％未満とする実施例２７（Ｎｉ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ）の熱浸透率は、１１６３Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋとなり、実施例６のＮｉ－Ｓｉ－Ｎに比べ、熱浸透率が非常に小さくなった。また、この実施例２７（Ｎｉ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ）の電気抵抗率は、９．４６×１０－３Ωｃｍであり、Ｎ型半導体であった。
なお、実施例１～２７におけるＭ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅの各元素の組成範囲としては、Ｍは２７．５～６３．１ａｔ％、Ｓｉは１０．８～３３．７ａｔ％、Ｎは７．８～４６．８ａｔ％、Ｔｅは０～２９．６ａｔ％、各元素の合計は１００ａｔ％であった。また、Ｓｉ／（Ｍ＋Ｓｉ）は１４．６～４９．４ａｔ％であった。
【0040】
次に、上記比較例及び実施例のうちいくつかについて、断面ＳＥＭ画像（斜め４５度視野）を図３及び図４に示す。図３中には、比較例３のＣｒ－Ｓｉ－Ｎ膜、及び、比較例８のＷ－Ｎ膜の断面組織、表面組織が共に示されている。図４中には、実施例２のＣｒ－Ｓｉ－Ｎ膜、実施例４のＭｎ－Ｓｉ－Ｎ膜、実施例８のＭｏ－Ｓｉ－Ｎ膜、実施例１１のＷ－Ｓｉ－Ｎ膜の断面組織、表面組織が共に示されている。基板をへき開破断したものを用いており、例えば、柱状結晶の破断等は、基板をへき開破断した際に生じたものである。
さらに、上記比較例及び実施例のうちいくつかについて、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５及び図６に示す。図５中には、実施例８のＭｏ－Ｓｉ－Ｎ膜、実施例１１のＷ－Ｓｉ－Ｎ膜の断面組織が示されている。図６中には、実施例２５のＷ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ膜の断面組織が示されている。
これらの画像からわかるように、比較例の結晶組織が１０～２０ｎｍφの柱状結晶であるのに対し、本発明の実施例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。さらに、断面ＴＥＭ観察を実施した実施例について、膜断面の電子線回折を実施し、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ナノクリスタルであることを確認している。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。
さらに、上記比較例及び実施例のうちいくつかについて、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５及び図６に示す。図５中には、実施例８のＭｏ－Ｓｉ－Ｎ膜、実施例１１のＷ－Ｓｉ－Ｎ膜の断面組織が示されている。図６中には、実施例２５のＷ－Ｓｉ－Ｎ－Ｔｅ膜の断面組織が示されている。
これらの画像からわかるように、比較例の結晶組織が１０～２０ｎｍφの柱状結晶であるのに対し、本発明の実施例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。さらに、断面ＴＥＭ観察を実施した実施例について、膜断面の電子線回折を実施し、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ナノクリスタルであることを確認している。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。
【0041】
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ピークは検出されておらず、結晶サイズが非常に小さいナノクリスタルであることを示している。（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。）
【0042】
さらに、実施例のナノクリスタル膜は、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。すなわち、低熱伝導は、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、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／ｍ２Ｋ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。
【0043】
次に、本発明の上記実施例の窒化物半導体材料をＰ型半導体層として用いた熱流スイッチング素子を作製し、電圧に対する熱浸透率と電圧印加後の熱伝導率の上昇率とを測定した結果を、表３に示す。
なお、以下の材料を用いてＮ型半導体層上に、絶縁体層、Ｐ型半導体層及びＰ側電極を積層して本発明の実施例とし、その熱伝導度の変化について測定した。
Ｎ型半導体層：Ｎ型半導体のＳｉ基板（厚さ０．３８ｍｍ）
絶縁体層：ＳｉＯ２（厚さ１００ｎｍ）
Ｐ型半導体層：ＣｒＳｉＮ（実施例３）
ＷＳｉＮ（実施例１１）
ＷＳｉＮＴｅ（実施例２５）
（各厚さ４０ｎｍ）
Ｐ側電極：Ｍｏ（厚さ１００ｎｍ）
なお、以下の材料を用いてＮ型半導体層上に、絶縁体層、Ｐ型半導体層及びＰ側電極を積層して本発明の実施例とし、その熱伝導度の変化について測定した。
Ｎ型半導体層：Ｎ型半導体のＳｉ基板（厚さ０．３８ｍｍ）
絶縁体層：ＳｉＯ２（厚さ１００ｎｍ）
Ｐ型半導体層：ＣｒＳｉＮ（実施例３）
ＷＳｉＮ（実施例１１）
ＷＳｉＮＴｅ（実施例２５）
（各厚さ４０ｎｍ）
Ｐ側電極：Ｍｏ（厚さ１００ｎｍ）
【0044】
なお、ＳｉＯ２（厚さ１００ｎｍ）及びＰ型半導体層（厚さ４０ｎｍ）は、それぞれ単膜にて熱伝導率が２Ｗ／ｍＫ未満であることは確認済みである。
上記Ｎ型半導体のＳｉ基板とＰ側電極のＭｏとにＡｕ線を接続し、電圧を印加した。また、測定は、室温で行った。
上記Ｎ型半導体のＳｉ基板とＰ側電極のＭｏとにＡｕ線を接続し、電圧を印加した。また、測定は、室温で行った。
【0045】
【表3】
【0046】
なお、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（測定装置：ピコサーム社PicoTR）。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）２／体積熱容量
＝（熱浸透率ｂ）２／（比熱×密度）
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）２／体積熱容量
＝（熱浸透率ｂ）２／（比熱×密度）
【0047】
したがって、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）２／ｂ（０）２－１
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／ｍ２Ｋ）
ｂ（０）：電圧印加なしの熱浸透率（Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ）
Δｋ＝ｋ（Ｖ）／ｋ（０）－１
Δｋ＝ｂ（Ｖ）２／ｂ（０）２－１
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／ｍ２Ｋ）
ｂ（０）：電圧印加なしの熱浸透率（Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ）
【0048】
上記パルス光加熱サーモリフレクタンス法（ＦＦ法）による測定は、Ｐ側電極のＭｏ膜側から、パルスレーザーで瞬間的に素子を加熱し、薄膜内部への熱拡散による表面温度の低下速度を測定することで、薄膜の熱浸透率が計測される。
この熱浸透率が大きい、すなわち熱伝導率が大きいと熱の伝わり方が大きくなり、温度の低下する時間が速くなる。
この熱浸透率が大きい、すなわち熱伝導率が大きいと熱の伝わり方が大きくなり、温度の低下する時間が速くなる。
【0049】
これらの結果からわかるように、本発明の各実施例ともゼロバイアス（外部電圧が印加されていない状態）での熱浸透率が２０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満であると共に、電圧印加後の熱伝導率の上昇率が電圧上昇に伴って大きくなっている。
特に、Ｔｅを含む実施例２５の窒化物半導体材料をＰ型半導体層として用いた熱流スイッチング素子では、ゼロバイアスでの熱浸透率がより小さくなっていると共に、電圧印加後の熱伝導率の上昇率が電圧上昇に伴ってさらに大きくなっている。
Ｔｅを９ａｔ％以上含む窒化物半導体材料の単体の熱浸透率は、１０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満の低い熱浸透性を示しており、実施例２５では、きわめて低い熱伝導材料を用いたことで、ゼロバイアスでの熱流スイッチング素子の熱浸透率ｂ（０）を小さくすることができたため、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することができ、電圧印加後の熱伝導率の上昇率Δｋが増加し、熱流スイッチング性能を向上させることができたと考えられる。
特に、Ｔｅを含む実施例２５の窒化物半導体材料をＰ型半導体層として用いた熱流スイッチング素子では、ゼロバイアスでの熱浸透率がより小さくなっていると共に、電圧印加後の熱伝導率の上昇率が電圧上昇に伴ってさらに大きくなっている。
Ｔｅを９ａｔ％以上含む窒化物半導体材料の単体の熱浸透率は、１０００Ｗｓ０．５／ｍ２Ｋ未満の低い熱浸透性を示しており、実施例２５では、きわめて低い熱伝導材料を用いたことで、ゼロバイアスでの熱流スイッチング素子の熱浸透率ｂ（０）を小さくすることができたため、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することができ、電圧印加後の熱伝導率の上昇率Δｋが増加し、熱流スイッチング性能を向上させることができたと考えられる。
【0050】
なお、本発明の技術範囲は上記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。
【0051】
例えば、本発明の上記窒化物半導体材料では、上記Ｍが遷移金属元素の少なくとも１種であるが、Ｔａ，Ｈｆを多く含有させると絶縁性が高くなり半導体特性が得られなくなるため、Ｍを構成する主成分の元素としてＴａ，Ｈｆは好ましくない。なお、Ｍとして上述したＣｒ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗの少なくとも１種等の遷移金属元素を主成分の元素とした場合、Ｔａ，Ｈｆの少なくとも一種を、半導体特性が得られる範囲で微量に含有させても構わない。
【符号の説明】
【0052】
１…熱流スイッチング素子、３…Ｎ型半導体層、４…絶縁体層、５…Ｐ型半導体層
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
