CN113015619A - 层叠体和晶体 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种前所未有的层叠体。本公开的层叠体具备第1声子晶体层、以及设在所述第1声子晶体层上或者其上方的第2声子晶体层。其中，第1声子晶体层具有第1声子晶体结构，所述第1声子晶体结构具备规则排列的多个第1贯穿孔。第2声子晶体层具有第2声子晶体结构，所述第2声子晶体结构具备规则排列的多个第2贯穿孔。多个第1贯穿孔在第1声子晶体层中的贯穿方向和多个第2贯穿孔在第2声子晶体层中的贯穿方向大致平行。

Description

层叠体和晶体
技术领域
本公开涉及具备多个层的层叠体，所述多个层具有声子晶体结构。另外，本公开涉及具有声子晶体结构的晶体。
背景技术
专利文献1、专利文献2和非专利文献1公开了由多个贯穿孔构成的周期结构。该周期结构中，俯视薄膜时，以纳米级(1nm～1000nm的区域)内的周期规则地排列有贯穿孔。该周期结构是声子晶体结构的一种。该类型的声子晶体结构是以构成贯穿孔排列的最小单元为晶胞的周期结构。根据该声子晶体结构，例如能够减少薄膜的热导率。薄膜的热导率例如可以通过多孔质化而降低。因为通过多孔质化而导入到薄膜中的空隙使薄膜的热导率减少。但是，根据声子晶体结构能够降低构成薄膜的母材本身的热导率。因此，与单纯的多孔质化相比，可期待热导率进一步降低。
声子晶体结构例如可以应用于以低热导率为优点的各种用途。专利文献3公开了一种使用具有声子晶体结构的梁的热型红外线传感器。
现有技术文献
专利文献1：美国专利申请公开第2017/0047499号说明书
专利文献2：美国专利申请公开第2017/0069818号说明书
专利文献3：日本特开2017-223644号公报
非专利文献1：Nomura等、“Impeded thermal transport is Si multiscalehierarchical architectures with phononic crystal nanostructures”,物理评论(Physical Review)B 91,205422(2015)
发明内容
本公开提供一种前所未有的层叠体。
本公开提供以下层叠体。
一种层叠体，具备第1声子晶体层、以及设在所述第1声子晶体层上或者其上方的第2声子晶体层，
其中，
所述第1声子晶体层具有第1声子晶体结构，所述第1声子晶体结构具备规则排列的多个第1贯穿孔，
所述第2声子晶体层具有第2声子晶体结构，所述第2声子晶体结构具备规则排列的多个第2贯穿孔，
所述多个第1贯穿孔在所述第1声子晶体层中的贯穿方向和所述多个第2贯穿孔在所述第2声子晶体层中的贯穿方向大致平行。
根据本公开，能够实现前所未有的层叠体。
附图说明
图1是示意地表示本公开的层叠体一例的截面图。
图2A是从第1声子晶体层一侧观察图1的层叠体的俯视图。
图2B是从第2声子晶体层一侧观察图1的层叠体的俯视图。
图3A是表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的晶胞一例的示意图。
图3B是表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的晶胞的另一例的示意图。
图3C是表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的晶胞的又一例的示意图。
图3D是表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的晶胞的与上述不同的一例的示意图。
图4是示意地表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构一例的俯视图。
图5A是表示图4的声子晶体结构包含的第1畴中的晶胞及其取向的示意图。
图5B是表示图4的声子晶体结构包含的第2畴中的晶胞及其取向的示意图。
图6是图4的声子晶体结构的区域R1的放大图。
图7是示意地表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的另一例的俯视图。
图8是图7的声子晶体结构的区域R2的放大图。
图9是示意地表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的又一例的俯视图。
图10是图9的声子晶体结构的区域R3的放大图。
图11是示意地表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的再一例的俯视图。
图12是示意地表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的与上述不同的一例的俯视图。
图13是示意地表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的与上述不同的一例的俯视图。
图14A是表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的晶胞一例的示意图。
图14B是表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的晶胞的另一例的示意图。
图15是示意地表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的与上述不同的一例的俯视图。
图16是示意地表示本公开的层叠体可具有的声子晶体结构的与上述不同的一例的俯视图。
图17A是示意地表示本公开的层叠体可具有的声子晶体层一例的俯视图。
图17B是表示图17A的声子晶体层的截面17B-17B的截面图。
图18是示意地表示本公开的层叠体一例的截面图。
图19A是示意地表示本公开的层叠体可具有的声子晶体层的另一例的俯视图。
图19B是表示图19A的声子晶体层的截面19B-19B的截面图。
图20是示意地表示本公开的层叠体的另一例的截面图。
图21A是用于说明制造本公开的层叠体的方法一例的示意截面图。
图21B是用于说明制造本公开的层叠体的方法一例的示意截面图。
图21C是用于说明制造本公开的层叠体的方法一例的示意截面图。
图21D是用于说明制造本公开的层叠体的方法一例的示意截面图。
图21E是用于说明制造本公开的层叠体的方法一例的示意截面图。
图21F是用于说明制造本公开的层叠体的方法一例的示意截面图。
图21G是用于说明制造本公开的层叠体的方法一例的示意截面图。
图21H是用于说明制造本公开的层叠体的方法一例的示意截面图。
图21I是用于说明制造本公开的层叠体的方法一例的示意截面图。
图21J是用于说明制造本公开的层叠体的方法一例的示意截面图。
具体实施方式
(本公开的实施方式)
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。再者，以下说明的实施方式均表示概略例或具体例。以下实施方式所示的数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置、以及连接方式、工艺条件、步骤、步骤的顺序等只是一例，并没有限定本公开的意思。另外，对于以下实施方式中的构成要素之中表示最上位概念的独立权利要求中未记载的构成要素，作为任选的构成要素加以说明。再者，各图是示意图，未必严格地图示。
本公开的层叠体一例被示于图1、图2A和图2B。图2A是从第1声子晶体层11一侧观察图1的层叠体1的俯视图。图2B是从第2声子晶体层21一侧观察图1的层叠体1的俯视图。层叠体1具备第1声子晶体层11和第2声子晶体层21。第1声子晶体层11具有第1声子晶体结构，所述第1声子晶体结构具备规则排列的多个第1贯穿孔12。第2声子晶体层21具有第2声子晶体结构，所述第2声子晶体结构具备规则排列的多个第2贯穿孔22。多个第1贯穿孔12在第1声子晶体层11中的贯穿方向和多个第2贯穿孔22在第2声子晶体层21中的贯穿方向大致平行。在此，所谓大致平行，是指第1贯穿孔12的贯穿方向与第2贯穿孔22的贯穿方向所成的角度以劣角表示，为0度以上且10度以下。再者，贯穿孔的贯穿方向也被称为贯穿孔延伸的方向。第1声子晶体层11和第2声子晶体层21彼此接触。
在绝缘体和半导体中，热主要通过被称为声子(phonon)的晶格振动来传送。由绝缘体或半导体构成的材料的热导率由材料具有的声子的分散关系来确定。所谓声子的分散关系，是指频率和波数的关系或者带结构。在绝缘体和半导体中，传送热的声子涉及100GHz～10THz的宽频带域。该频带域是热的带域。材料的热导率由热带域中的声子的分散关系来确定。
根据上述声子晶体结构，能够通过贯穿孔的周期结构来控制材料具有的声子的分散关系。即，根据声子晶体结构，能够控制材料、例如薄膜母材的热导率本身。特别是由声子晶体结构引起的声子带隙(PBG)的形成能够大大降低材料的热导率。在PBG内无法存在声子。因此，位于热频带域中的PBG可以成为热传导的间隙。另外，即使在PBG以外的频带域中，声子的分散曲线的斜率也因PBG而变小。斜率的降低会降低声子的群速度，降低热传导速度。这些点对材料本身的热导率降低贡献很大。
PBG的分布是立体的，声子晶体层中，不仅可期待面内方向、还可期待厚度方向的热流控制。但是，具有声子晶体结构的以往的单层声子晶体层中，始终仅谋求面内方向的热流控制。推测这是由于单层的声子晶体层中，得不到能够控制厚度方向的热流的足够厚度。另外，采用通常的半导体加工工艺可实现的贯穿孔的直径和长度的纵横比最大为10左右。这意味着难以稳定地获得例如厚度超过100nm的单层声子晶体层。另一方面，本公开的层叠体中，至少2层声子晶体层在厚度方向上层叠。通过层叠引起的厚度增大，可期待厚度方向的热流控制。根据本公开的层叠体，例如可以应用于在声子晶体层的厚度方向上控制热流的用途。
第1声子晶体层11和第2声子晶体层21的厚度例如为10nm以上且500nm以下。第1声子晶体层11的厚度和第2声子晶体层21的厚度可以相同也可以不同。
第1声子晶体层11具有的第1声子晶体结构的结构和第2声子晶体层21具有的第2声子晶体结构的结构可以相同也可以不同。在第1声子晶体结构的结构和第2声子晶体结构的结构不同的情况下，通常，第2贯穿孔22的至少一部分不与第1贯穿孔12连通。图1、图2A和图2B所示层叠体1中，第1声子晶体结构的结构和第2声子晶体结构的结构不同。具体而言，第1贯穿孔12的排列周期P与第2贯穿孔22的排列周期P不同。
作为第1声子晶体结构的结构和第2声子晶体结构的结构不同的情况，可例示以下的各情况。也可以组合多种情况。
·第1贯穿孔12的排列周期P与第2贯穿孔22的排列周期P不同。
·第1贯穿孔12的直径D与第2贯穿孔22的直径D不同。
·具有第1贯穿孔12的晶胞91的种类与具备第2贯穿孔22的晶胞91的种类不同。
在第1声子晶体结构的结构和第2声子晶体结构的结构不同的情况下，在第1声子晶体层11和第2声子晶体层21之间的边界面，第2声子晶体结构的除第2贯穿孔22之外的部分的一部分与第1贯穿孔12接触。该部分无助于导电。这样的部分的面积越大，层叠体的电阻就越高。例如，当第2声子晶体结构的除第2贯穿孔22之外的部分与第1贯穿孔12接触的部分的总面积相对于第2声子晶体结构的除第2贯穿孔22之外的部分的总面积的比例为20％的情况下，与该比例为0％的情况相比，电阻上升25％。当该比例为15％的情况下，电阻上升18％。该比例优选为16.7％以下。由此，电阻的上升率被抑制在20％以下。该比例更优选为9.1％以下。由此，电阻的上升率被抑制在10％以下。
如后述的声子晶体结构A所示，第1声子晶体结构中的第1贯穿孔12的排列和第2声子晶体结构中的第2贯穿孔22的排列在整个声子晶体层上未必恒定。考虑到这一点，当第1声子晶体结构的结构和第2声子晶体结构的结构不同的情况下，本公开的层叠体可具有以下各形态。本公开的层叠体可以具有以下各形态任意组合后的形态。
形态A：第1声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第1畴。第2声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第2畴。沿第1贯穿孔12和第2贯穿孔22的贯穿方向观察，第1畴和第2畴重叠。第1畴中的第1贯穿孔12的排列周期P和第2畴中的第2贯穿孔22的排列周期不同。
形态B：第1声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第1畴。第2声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第2畴。沿第1贯穿孔12和第2贯穿孔22的贯穿方向观察，第1畴和第2畴重叠。第1畴中的第1贯穿孔12的直径与第2畴中的第2贯穿孔22的直径不同。
形态C：第1声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第1畴。第2声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第2畴。沿第1贯穿孔12和第2贯穿孔22的贯穿方向观察，第1畴和第2畴重叠。第1畴中的具备第1贯穿孔12的晶胞种类和第2畴中的具备第2贯穿孔22的晶胞种类不同。
作为声子晶体区域的畴，以贯穿孔12、22的排列周期为P，俯视时，例如是具有25P2以上的面积的区域。为了通过声子晶体结构来控制声子的分散关系，畴的面积可以至少为25P2以上。俯视时，在正方形的畴中，通过设为5×P以上的周期，能够确保25P2以上的面积。
俯视时的各畴的形状没有限定。俯视时各畴的形状例如是包括三角形、正方形和长方形在内的多边形、圆、椭圆以及它们的复合形状。俯视时各畴的形状可以是不规则的。另外，声子晶体结构具有的畴的数量没有限定。声子晶体结构具有的各畴的尺寸没有限定。1个畴可以向整个声子晶体层扩展。
再者，在本说明书中，“俯视”是指沿构成声子晶体结构的贯穿孔的贯穿方向观察对象物。在对象物为薄膜状的情况下，贯穿孔的贯穿方向典型的是与对象物的主面大致垂直的方向。“主面”是指面积最大的面。
贯穿孔12、22的排列周期P例如为1nm以上且300nm以下。这是因为传送热的声子的波长主要涉及1nm～300nm的范围。周期P由俯视时相邻的贯穿孔12、22间的中心间距离来确定。
贯穿孔12、22的直径D由其相对于周期P的比D/P表示，例如D/P≥0.5。在比D/P<0.5的情况下，声子晶体结构中的空隙率过度降低，热流无法充分控制，例如热导率不充分降低。由于相邻的贯穿孔12、22彼此不接触，所以比D/P的上限例如小于0.9。直径D是贯穿孔12、22的开口直径。在贯穿孔12、22的开口形状在俯视时为圆的情况下，直径D为该圆的直径。贯穿孔12、22的开口形状在俯视时也可以不是圆。该情况下，直径D由面积与开口面积相同的假想圆的直径来确定。
具备规则排列的多个贯穿孔12、22的晶胞91的种类例如是正方格子(图3A)、六方格子(图3B)、长方格子(图3C)以及面心长方格子(图3D)。但是，晶胞91的种类并不限定于这些例。
第1声子晶体层11和第2声子晶体层21典型地由半导体材料构成。半导体材料例如是硅(Si)、Ge、SiGe、SiC、ZnSe、CdSn、ZnO、GaAs、InP、GaN。构成第1声子晶体层11和第2声子晶体层21的材料可以是半导体材料以外的材料，该材料例如是TiN、SiN、VO2。但是，构成第1声子晶体层11和第2声子晶体层21的材料不限定于上述例。
本公开的层叠体可以具有以下形态：第1声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第3畴和第4畴。在观察与第1贯穿孔12的贯穿方向垂直的截面时，第3畴包含在第1方向上规则排列的多个第1贯穿孔12。在观察与第1贯穿孔12的贯穿方向垂直的截面时，第4畴包含在与第1方向不同的第2方向上规则排列的多个第1贯穿孔12。第2声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第5畴和第6畴。在观察与第2贯穿孔22的贯穿方向垂直的截面时，第5畴具备在第3方向上规则排列的多个第2贯穿孔22。在观察与第2贯穿孔22的贯穿方向垂直的截面时，第6畴具备在与第3方向不同的第4方向上规则排列的多个第2贯穿孔22。这样，以下将包含具备取向不同的贯穿孔12、22的多个畴的声子晶体结构记载为声子晶体结构A。
根据本发明人的研究，由声子晶体结构带来的热导率的降低程度，依赖于热的传递方向和声子晶体结构的晶胞的取向(orientation)所成的角度。认为这是由于PBG的带域宽度、PBG的数量和声子的平均群速度这些与热传导有关的要素依赖于该角度。另外，关于热的传递，宏观上声子从高温向低温的方向流动。另一方面，如果着眼于处于纳米级的微观区域，则在声子的流动方向上看不到指向性。即，声子的流动方向在微观上是不一样的。
在上述各专利文献和非专利文献中，公开了具有晶胞的取向均匀一致的多个声子结晶区域的构件。但是，在这些构件中，从微观上看，尽管对于在某一特定方向上流动的声子相互作用最大，但对于在除此以外的方向上流动的声子相互作用减弱。另一方面，声子晶体结构A具有晶胞取向彼此不同的2个以上声子晶体区域。因此，从微观上看能够提高对于在多个方向上流动的各声子的相互作用。该特点带来热流控制自由度的进一步提高。
以下说明涉及第1声子晶体层11和/或第2声子晶体层21可具有的声子晶体结构A。第1声子晶体层11具有的声子晶体结构A的结构与第2声子晶体层21具有的声子晶体结构A的结构可以相同也可以不同。
声子晶体结构A的一例被示于图4。图4示出俯视第1声子晶体层11或第2声子晶体层21的一部分的状态。声子晶体层11、21是例如厚度为10nm以上且500nm以下的薄膜。声子晶体层11、21在俯视时为长方形。在声子晶体层11、21中，设有在声子晶体层11、21的厚度方向上延伸的多个贯穿孔50。声子晶体层11、21具有的声子晶体结构A是多个贯穿孔50在面内方向上规则排列的二维声子晶体结构。再者，在以下关于声子晶体结构A的说明中，当具有声子晶体结构A的晶体层是第2声子晶体层21的情况下，“第3畴”被替换为“第5畴”，“第4畴”被替换为“第6畴”。
声子晶体结构A具有作为声子晶体区域的第3畴51A和作为声子晶体区域的第4畴51B。俯视时，第3畴51A具有声子单晶结构，该声子单晶结构具备在第1方向上规则排列的多个贯穿孔50。俯视时，第4畴51B具有声子单晶结构，该声子单晶结构具备在与第1方向不同的第2方向上规则排列的多个贯穿孔50。在各个单晶结构内，多个贯穿孔50的直径和排列周期相同。另外，在各个单晶结构内，具备规则排列的多个贯穿孔50的晶胞91A或91B的取向相同。第3畴51A和第4畴51B的形状在俯视时为长方形。第3畴51A的形状和第4畴51B的形状在俯视时相同。声子晶体结构A也是作为多个声子单晶结构的复合体的声子多晶结构52。
如图5A和图5B所示，声子晶体结构A中，在第3畴51A的晶胞91A的取向53A和在第4畴51B的晶胞91B的取向53B在俯视时彼此不同。取向53A与取向53B所成的角度，在俯视时例如为10度以上。但是，在晶胞91A和晶胞91B相同且具有n次旋转对称性的情况下，取向53A和取向53B所成的角度的上限小于360/n度。再者，晶胞对于多个n具有n次旋转对称性时，对于确定上述角度的上限的n使用最大的n。例如，六方格子具有2次旋转对称性、3次旋转对称性和6次旋转对称性。此时，对于确定角度上限的n使用“6”。即，对于六方格子即晶胞91A、91B，取向53A与取向53B所成的角度小于60度。声子晶体结构A至少具有晶胞取向彼此不同的2个以上的声子晶体区域。只要满足该条件，声子晶体结构A可以进一步包含任意的声子晶体区域和/或不具有声子晶体结构的区域。
晶胞的取向可以基于任意规则来确定。但是，在不同的畴之间，需要应用相同规则来确定晶胞的取向。晶胞的取向例如是将构成晶胞的不平行的两边所成的角进行二等分的直线的伸长方向。但是，在不同的畴之间，需要以相同规则确定两边。
图4的声子晶体结构A的区域R1的放大图被示于图6。在相邻的第3畴51A和第4畴51B的界面55，晶胞91A、91B的取向53A、53B变化。晶胞的取向变化的界面55，对于在声子晶体结构A宏观流动的热带来大的界面阻力。该界面阻力基于在第3畴51A和第4畴51B之间发生的声子群速度的失配。该界面阻力有助于降低具有声子晶体结构A的声子晶体层11、21中的热导率。再者，在图6中，界面55在俯视时以直线状延伸。另外，俯视时，界面55在长方形声子晶体层11、21的宽度方向上延伸。宽度方向可以是与由宏观热传递方向确定的声子晶体层11、21的中心线的延伸方向垂直的方向。界面55在俯视时与宏观热传递方向大致垂直地将声子晶体结构A分割。
在图4的声子晶体结构A中，第3畴51A中的多个贯穿孔50的排列周期P与第4畴51B中的多个贯穿孔50的排列周期P相等。
在图4的声子晶体结构A中，在第3畴51A中规则排列的多个贯穿孔50的直径与在第4畴51B中规则排列的多个贯穿孔50的直径相等。
在图4的声子晶体结构A中，第3畴51A中的晶胞91A的种类与第4畴51B中的晶胞91B的种类相同。图4的晶胞91A和晶胞91B都是六方格子。
声子晶体结构A具有的畴的数量没有限定。声子晶体结构A所具有的畴的数量越多，由畴间的界面引起的界面阻力的作用就越大。
以下，示出声子晶体结构A的一例。
图7和图8的作为声子晶体结构A的多晶结构52中，相邻的第3畴51A和第4畴51B的界面55在俯视时在长方形的声子晶体结构11、21的长边方向上延伸。长边的方向可以是宏观热的传递方向。除了这点以外，图7和图8的声子晶体结构A具有与图4的声子晶体结构A相同的结构。界面55在俯视时与宏观热的传递方向大致平行地将声子晶体结构A分割。再者，图8是图7的区域R2的放大图。
图4和图7的声子晶体结构A中，俯视时，第3畴51A的尺寸和第4畴51B的尺寸相同。但是，俯视时，声子结构A具有的第3畴51A和第4畴51B的尺寸也可以相互不同。
图9和图10的作为声子晶体结构A的多晶结构52中，俯视时，第3畴51B被第4畴51A包围。第3畴51A和第4畴51B的形状在俯视时为长方形。但是，第1畴51A的尺寸和第2畴51B的尺寸在俯视时不同。第4畴51B和围绕第4畴51B的第1畴51A的界面55在俯视时构成第4畴51B的外缘。除了这些点以外，图9和图10的声子晶体结构A具有与图4的声子晶体结构A相同的结构。再者，图10是图9的区域R3的放大图。
另外，图9和图10的声子晶体结构A中，界面55具有弯曲部。
此外，图9和图10中的声子晶体结构A具有不与声子晶体层11、21的边接触的第4畴51B。
图11的作为声子晶体结构A的多晶结构52中，俯视时，第3畴51A和第4畴51B分开配置。更具体而言，俯视时，不具有贯穿孔50的区域201设在声子晶体层11、21的长边方向上的第3畴51A和第4畴51B之间。除了这点以外，图11的声子晶体结构A具有与图4的声子晶体结构A相同的结构。
图12的作为声子晶体结构A的多晶结构52中，俯视时，第3畴51A和第4畴51B分开设置。更具体而言，俯视时，具有随机设置的贯穿孔50的区域202设在声子晶体层11、21的长边方向上的第3畴51A和第4畴51B之间。区域202中，俯视时，贯穿孔50没有规则地排列。或者区域202中，俯视时规则排列的区域的面积例如小于25P2。在此，P是贯穿孔50的排列周期。除了这点以外，图12的声子晶体结构A具有与图4的声子晶体结构A相同的结构。
图13的作为声子晶体结构A的多晶结构52在俯视时包含具有彼此不同形状的多个畴51A～51G。在各个畴内，多个贯穿孔50的排列周期和晶胞的取向相同。但是，在畴51A～51G间，晶胞的取向彼此不同。另外，俯视时，畴51A～51G的尺寸和形状彼此不同。该方式中，与到此为止例示的方式相比，从声子晶体结构A的整体观察时，存在更多的晶胞的取向。因此，基于晶胞取向在畴间不同使热导率降低的效果变得更加显著。另外，该方式中，畴间的界面55在俯视时在多个随机方向上延伸。因此，基于界面阻力使热导率降低的效果变得更加显著。
另外，图13的声子晶体结构A中，相邻的第3畴51A和第4畴51B的界面55在俯视时沿着从声子晶体层11、21的宽度方向倾斜的方向延伸。界面55在俯视时也具有弯曲部。
作为声子晶体结构A的多晶结构52可以包含贯穿孔50的排列周期P和/或贯穿孔50的直径D彼此不同的第3畴51A和第4畴51B。图14A所示第3畴51A中的贯穿孔50的直径D和图14B所示第4畴51B中的贯穿孔50的直径D彼此不同。再者，图14A所示第3畴51A中的贯穿孔50的排列周期P与图14B所示第4畴51B中的贯穿孔50的排列周期P相同。
图15所示声子晶体结构A具有第3畴51A和第4畴51B，第3畴51A中规则排列有周期P和直径D相对小的多个贯穿孔50，第4畴51B规则排列有周期P和直径D相对大的多个贯穿孔50。另外，图15所示声子晶体结构A具有区域92和区域93，区域92具备周期P和直径D相对小的多个贯穿孔50，区域93具备周期P和直径D相对大的多个贯穿孔50。区域92和区域93相邻。区域92和区域93分别与图13所示例同样地包含俯视时具有彼此不同的形状，并且晶胞的取向各不相同的多个畴。另外，区域92和区域93与宏观热传递方向大致平行地将声子晶体结构A分割。该方式中，由于由第3畴51A形成的声子带隙的频带域和由第4区域51B形成的声子带隙的频带域不同，所以热导率的降低效果变得特别显著。
图16所示声子晶体结构A中，包含第3畴51A和第4畴51B，第3畴51A中规则排列有周期P和直径D相对小的多个贯穿孔50，第4畴51B中规则排列有周期P和直径D相对大的多个贯穿孔50。图16的声子晶体结构A包含在俯视时具有彼此不同的形状，并且晶胞的取向各不相同的多个畴。该方式中，由于由第3畴51A形成的声子带隙的频带域和由第4畴51B形成的声子带隙的频带域不同，所以热导率的降低效果变得特别显著。
俯视时，第1声子晶体层11和第2声子晶体层21的形状是例如包含三角形、正方形和长方形的多边形、圆、椭圆以及它们的复合形状。但是，第1声子晶体层11和第2声子晶体层21的形状并不限定于上述例。
俯视时，层叠体1的形状例如是包含三角形、正方形和长方形的多边形、圆、椭圆以及它们的复合形状。但是，层叠体1的形状并不限定于上述例。由于能够增大相对于构成声子晶体结构的贯穿孔的贯穿方向的厚度，层叠体1也可以是长方体或立方体的形状。
层叠体1可以具备2个以上第1声子晶体层11和/或2个以上第2声子晶体层21。另外，层叠体1可以还具备下述第3声子晶体层，该第3声子晶体层具有具体结构不同于第1声子晶体结构和第2声子晶体结构的第3声子晶体结构。
图1所示层叠体1中，第1声子晶体层11和第2声子晶体层21直接接触。但是，本公开的层叠体中，也可以在第1声子晶体层11和第2声子晶体层21之间配置其他层和/或构件。其他层的一例是SiO2膜等氧化膜。
本公开的层叠体可以具备上述以外的任意的层和/或构件。构件的一例是基底基板。本公开的层叠体可具有第1声子晶体层11和第2声子晶体层21设在基底基板上的形态。
基底基板典型地由半导体材料构成。半导体材料例如是Si。在由Si构成的基底基板的上表面可以形成氧化膜。氧化膜例如是SiO2膜。但是，基底基板的结构不限定于上述例。
第1声子晶体层11和第2声子晶体层21的与上述不同的另一例被示于图17A和图17B。图17B示出图17A的声子晶体层11、21的截面17B-17B。图17A和图17B所示声子晶体层11、21还具备多个支柱31。支柱31是以直线状延伸的柱状体。支柱31分别被填充到声子晶体层11、21的贯穿孔12、22中。支柱31的外周面被氧化膜32覆盖。该方式中，作为空孔的贯穿孔12、22由支柱31填充。因此，例如，能够提高对层叠体1中的贯穿孔12、22的贯穿方向的特性控制的自由度。更具体而言，例如，在由具有导电性的半导体材料构成第1声子晶体层11和第2声子晶体层21的情况下，能够提高双方的层之间的电子传导性。
选自第1声子晶体层11和第2声子晶体层21中的至少一个声子晶体层可以具备支柱31。换句话说，本公开的层叠体可以进一步具备多个支柱31，支柱31分别被填充到第1声子晶体层11的第1贯穿孔12和/或第2声子晶体层21的第2贯穿孔22中。
再者，当填充有支柱31的第1声子晶体层11和/或第2声子晶体层21与支柱31由相同材料构成的情况下，支柱31的外周面被氧化膜32覆盖。当填充有支柱31的第1声子晶体层11和/或第2声子晶体层21与支柱31由不同材料构成的情况下，氧化膜32不一定是必需的。
支柱31典型地由半导体材料构成。构成支柱31的材料例如是Si、SiGe、SiC、TiN、SiN、VO2。但是，构成支柱31的材料不限定于上述例。
氧化膜32例如是SiO2膜。但是，氧化膜32不限定于上述例。
具备填充有支柱31的第1声子晶体层11和填充有支柱31的第2声子晶体层21的层叠体1的一例被示于图18。图18的层叠体1具备图17A和图17B所示的第1声子晶体层11和第2声子晶体层21。图18的层叠体1是具备2层声子晶体层的2层结构体。缓冲层15配置在第1声子晶体层11和第2声子晶体层21之间。构成第1声子晶体层11中的支柱31(除了氧化膜32以外)的材料与构成缓冲层15的材料相同。另外，构成缓冲层15的材料与构成第2声子晶体层21的材料(除了支柱31以外)相同。
第1声子晶体层11和第2声子晶体层21的与上述不同的一例被示于图19A和图19B。图19B示出图19A的声子晶体层11、21的截面19B-19B。图19A和图19B所示声子晶体层11、21还具备多个支柱31。支柱31分别被填充到声子晶体层11、21的贯穿孔12、22中。构成支柱31的材料与构成声子晶体层11、21的材料不同。
具备填充有支柱31的第1声子晶体层11和填充有支柱31的第2声子晶体层21的层叠体1的一例被示于图20。图20的层叠体1是具有依次配置有第1声子晶体层11、第2声子晶体层21和第1声子晶体层11的3个声子晶体层的3层结构体。第1缓冲层15A配置在作为最下层的第1声子晶体层11和第2声子晶体层21之间。第2缓冲层15B配置在第2声子晶体层21和作为最上层的第1声子晶体层11之间。构成第1声子晶体层11中的支柱31的材料与构成第1缓冲层15A的材料相同。构成第1缓冲层15A的材料与构成第2声子晶体层21的材料(除了支柱31以外)相同。构成第2声子晶体层21中的支柱31的材料与构成第2缓冲层15B的材料相同。构成第2缓冲层15B的材料与构成第1声子晶体层11的材料(除了支柱31以外)相同。图20所示层叠体1由2种材料构成。这2种材料都可以是半导体材料。
本公开的层叠体可以采用化学气相生长(CVD)、溅镀及蒸镀等各种薄膜形成方法；以及电子束光刻、光刻、嵌段共聚物光刻、选择性蚀刻和化学机械抛光(CMP)等各种微细加工方法和图案形成方法的组合来制造。嵌段共聚物光刻适合于形成声子晶体结构。
以下参照图21A～图21J说明制造本公开的层叠体的方法一例。制造本公开的层叠体的方法不限定于以下例。
图21A：准备基底基板41。在基底基板41的上表面设有氧化膜42。氧化膜42例如是SiO2膜。
图21B：在氧化膜42上形成半导体层43。半导体层43例如是多晶Si层。半导体层43例如采用CVD形成。半导体层43的厚度例如为200nm。
图21C：在半导体层43上形成硬掩模44。硬掩模44例如是SiO2层。硬掩模44例如采用CVD形成。
硬掩模44的厚度例如为30nm。硬掩模44用于对半导体层43形成声子晶体结构。
图21D：在硬掩模44上形成嵌段共聚物的自组织化膜45。自组织化膜45用于形成声子晶体结构的嵌段共聚物光刻。
图21E：采用嵌段共聚物光刻在硬掩模44上形成规则排列的多个贯穿孔46。
图21F：通过将硬掩模44作为抗蚀剂的选择性蚀刻，对于半导体层43，俯视时在与多个贯穿孔46对应的位置上形成规则排列的多个贯穿孔12。形成的多个贯穿孔12构成声子晶体结构。半导体层43成为第1声子晶体层11。
图21G：除去硬掩模44和自组织化膜45。
图21H：在第1声子晶体层11中的贯穿孔12的内周面形成氧化膜32。氧化膜32例如是SiO2膜。氧化膜32例如采用热氧化来形成。氧化膜32的厚度例如为1nm。
图21I：在第1声子晶体层11的贯穿孔12的内部填充半导体，形成在外周面具有氧化膜32的支柱31。支柱31例如由多晶Si构成。支柱31例如采用CVD形成。另外，此时，在第1声子晶体层11上形成由构成支柱31的半导体材料构成的层47。
图21J：采用CMP等方法除去层47。这样形成进一步具备支柱31的第1声子晶体层11。然后，通过在第1声子晶体层11上进一步形成半导体层43，再次实施图21C～图21J所示工序，可以形成第2声子晶体层21。这样可得到具备第1声子晶体层11和第2声子晶体层21的层叠体1。在图21J所示工序中，通过控制CMP使层47的一部分残留在第1声子晶体层11上，可以得到具备缓冲层15的层叠体1。
缓冲层15的厚度例如为100nm以下。通过这样薄的缓冲层15，第1声子晶体层11与第2声子晶体层21连接。由此，在可得到界面55处的热的散射效果以外，由于声子晶体层11、22与缓冲层15的音速失配，能够抑制声子在两者界面的传播。其结果，能够期待进一步降低热导率的效果。
[晶体]
图17A和图17B、以及图19A和图19B所示声子晶体层11、21是前所未有的晶体。本公开包括具有声子晶体结构的以下晶体。该晶体具备声子晶体层和多个支柱。在此，声子晶体层具有声子晶体结构，所述声子晶体结构具备规则排列的多个贯穿孔。支柱是以直线状延伸的柱状体。支柱分别被填充到贯穿孔中。但是，当声子晶体层和支柱由相同材料构成的情况下，支柱的外周面被氧化膜覆盖。该晶体可以是由1个声子晶体层构成的单层结构体。
产业上的可利用性
本公开的层叠体可以应用于例如以声子晶体结构的特性、典型的是以低导热率为优点的各种用途。
附图标记说明
1 层叠体
11 第1声子晶体层
12 第1贯穿孔
15 缓冲层
15A 第1缓冲层
15B 第2缓冲层
21 第2声子晶体层
22 第2贯穿孔
31 支柱
32 氧化膜
41 基底基板
42 氧化膜
50 贯穿孔
51A 第1畴
51B 第2畴
52 声子多晶结构
53A、53B 取向
55 界面
91、91A、91B 晶胞
92 区域
93 区域
201 区域
202 区域

Claims (13)

1.一种层叠体，具备第1声子晶体层、以及设在所述第1声子晶体层上或者其上方的第2声子晶体层，其中，
所述第1声子晶体层具有第1声子晶体结构，所述第1声子晶体结构具备规则排列的多个第1贯穿孔，
所述第2声子晶体层具有第2声子晶体结构，所述第2声子晶体结构具备规则排列的多个第2贯穿孔，
所述多个第1贯穿孔在所述第1声子晶体层中的贯穿方向和所述多个第2贯穿孔在所述第2声子晶体层中的贯穿方向大致平行。
2.根据权利要求1所述的层叠体，
所述第1声子晶体层和所述第2声子晶体层彼此接触。
3.根据权利要求1或2所述的层叠体，
所述第2贯穿孔的至少一部分不与所述第1贯穿孔连通。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的层叠体，
所述第1声子晶体层和所述第2声子晶体层由半导体材料构成。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的层叠体，
所述第1声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第1畴，
所述第2声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第2畴，
沿所述第1贯穿孔和所述第2贯穿孔的贯穿方向观察，所述第1畴和所述第2畴重叠，
所述第1贯穿孔在所述第1畴中的排列周期和所述第2贯穿孔在所述第2畴中的排列周期不同。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的层叠体，
所述第1声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第1畴，
所述第2声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第2畴，
沿所述第1贯穿孔和所述第2贯穿孔的贯穿方向观察，所述第1畴和所述第2畴重叠，
所述第1贯穿孔在所述第1畴中的直径和所述第2贯穿孔在所述第2畴中的直径不同。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的层叠体，
所述第1声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第1畴，
所述第2声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第2畴，
沿所述第1贯穿孔和所述第2贯穿孔的贯穿方向观察，所述第1畴和所述第2畴重叠，
所述第1畴中的具备所述第1贯穿孔的晶胞的种类和所述第2畴中的具备所述第2贯穿孔的晶胞的种类不同。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的层叠体，
所述第1声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第3畴和第4畴，
在观察与所述第1贯穿孔的贯穿方向垂直的截面时，所述第3畴具备在第1方向上规则排列的所述多个第1贯穿孔，
在观察与所述第1贯穿孔的贯穿方向垂直的截面时，所述第4畴具备在与所述第1方向不同的第2方向上规则排列的所述多个第1贯穿孔，
所述第2声子晶体结构包含作为声子晶体区域的第5畴和第6畴，
在观察与所述第2贯穿孔的贯穿方向垂直的截面时，所述第5畴具备在第3方向上规则排列的所述多个第2贯穿孔，
在观察与所述第2贯穿孔的贯穿方向垂直的截面时，所述第6畴具备在与所述第3方向不同的第4方向上规则排列的所述多个第2贯穿孔。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的层叠体，
还具备多个支柱，其中，
所述支柱是以直线状延伸的柱状体，
所述支柱分别被填充到所述第1声子晶体层的所述第1贯穿孔和/或所述第2声子晶体层的所述第2贯穿孔中，
其中，当填充有所述支柱的所述第1声子晶体层和/或所述第2声子晶体层与所述支柱由相同材料构成的情况下，所述支柱的外周面由氧化膜被覆。
10.根据权利要求9所述的层叠体，
所述支柱分别被填充到所述第1贯穿孔和所述第2贯穿孔中。
11.根据权利要求9或10所述的层叠体，
所述支柱由半导体材料构成。
12.根据权利要求1、3～11中任一项所述的层叠体，
还具备设在所述第1声子晶体层和所述第2声子晶体层之间的缓冲层，
所述缓冲层由与所述第1声子晶体层和所述第2声子晶体层相同的材料构成。
13.一种晶体，其具有声子晶体结构，且具备声子晶体层和多个支柱，其中，
所述声子晶体层具有声子晶体结构，所述声子晶体结构具备规则排列的多个贯穿孔，
所述支柱是以直线状延伸的柱状体，
所述支柱分别被填充到所述贯穿孔中，
其中，当所述声子晶体层和所述支柱由相同材料构成的情况下，所述支柱的外周面由氧化膜被覆。
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