JP2001102644A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ｐ型半導体を備えてなるｐ型熱電変換層３と
ｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変換層２を熱吸収導電
体４を介して電気的に直列接続し、その両端に熱起電力
を取り出す電極５を設けてなる熱電変換装置であって、
高検出能化と高速応答性の両立、更には、熱電変換層の
高集積化が可能なものを提供する。 【解決手段】 赤外線を透過可能な基板１上に赤外線を
透過可能なｎ型及びｐ型の熱電変換層２，３を形成し、
基板１の裏面１ａ側から入射する赤外線を熱吸収導電体
４に対して集光可能なレンズ面７を基板裏面１ａに形成
してなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ｐ型またはｎ型半
導体を備えてなる熱電変換層の両端に熱起電力を取り出
す電極を設けてなる熱電変換装置、或いは、ｐ型半導体
を備えてなるｐ型熱電変換層とｎ型半導体を備えてなる
ｎ型熱電変換層を熱吸収導電体を介して電気的に直列接
続し、その両端に熱起電力を取り出す電極を設けてなる
熱電変換装置に関し、より具体的には、かかる熱電変換
装置の高速化技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の熱電変換装置は、半導体の熱電
効果であるゼーベック効果によって熱吸収体と電極間の
温度差によってｐ型及びｎ型各半導体内で発生する熱起
電力を両電極から取り出す構成となっている。

【発明が解決しようとする課題】上記した熱電変換装置
を赤外線センサ等として利用する場合において、高感度
・高検出能化とともに、高速応答性や高出力電圧も装置
の高性能化には重要な要件となる。一般に、感度Ｒ（単
位：Ｖ／Ｗ）は数１、検出能Ｄ（単位：ｃｍ（Ｈｚ）
^1/2／Ｗ）は数２で夫々表される。

【０００３】

【数１】Ｒ＝αＳＲ_th

【数２】Ｄ＝Ｒ（ＡΔｆ／（４ｋ_B ＴＲ_el））^1/2

【０００４】ここで、αは熱吸収係数、Ｓはゼーベック
係数、Ｒ_thは熱抵抗、Ａは熱吸収体の面積、Δｆは帯域
幅、ｋ_B はボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｒ_elは電気
抵抗を示す。数２より、熱吸収体の面積Ａを大きくする
と、その平方根に比例して検出能Ｄが改善される。しか
しながら、熱吸収体の面積Ａを大きくすると、検出能Ｄ
は向上するものの、熱電変換層全体の熱容量Ｃ_thが大き
くなり、τ＝Ｒ_th×Ｃ_thで定義される熱時定数も増大
し、高速応答性が低下するという問題が生じる。特に、
検出能Ｄを大きくするために通常熱吸収体の面積Ａがｐ
型及びｎ型各熱電変換層の面積に比べ大きく設計されて
いるため、熱電変換層全体の熱容量が熱吸収体の面積Ａ
によって専ら決定されている。また、ｐ型及びｎ型各半
導体を直列してなる熱電変換ユニットを複数個直列して
高出力電圧化を図った熱電変換装置では、熱吸収体の面
積Ａを大きくすることは、チップ面積が増大し、熱電変
換ユニットの集積度が低下するという問題が発生する。

【０００５】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、ｐ型またはｎ型半導体を備え
てなる熱電変換層の両端に熱起電力を取り出す電極を設
けてなる熱電変換装置、或いは、ｐ型半導体を備えてな
るｐ型熱電変換層とｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変
換層を熱吸収導電体を介して電気的に直列接続し、その
両端に熱起電力を取り出す電極を設けてなる熱電変換装
置であって、高検出能化と高速応答性の両立、更には、
熱電変換層の高集積化が可能なものを提供する点にあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明に係る熱電変換装置の第一の特徴構成は、特許
請求の範囲の欄の請求項１に記載した如く、赤外線を透
過可能な基板上にｐ型半導体を備えてなる赤外線を透過
可能なｐ型熱電変換層とｎ型半導体を備えてなる赤外線
を透過可能なｎ型熱電変換層の内の少なくとも何れか一
方の熱電変換層を有し、その熱電変換層の両端に熱起電
力を取り出す高温側電極と低温側電極を夫々設けてなる
熱電変換装置であって、前記高温側電極に対して前記基
板の裏面側から入射する赤外線を集光可能なレンズ面を
前記基板の裏面に形成してなる点にある。

【０００７】同第二の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項２に記載した如く、赤外線を透過可能な基板上
にｐ型半導体を備えてなる赤外線を透過可能なｐ型熱電
変換層とｎ型半導体を備えてなる赤外線を透過可能なｎ
型熱電変換層を熱吸収導電体を介して電気的に直列接続
し、その両端に熱起電力を取り出す低温側電極を設けて
なる熱電変換装置であって、前記基板の裏面側から入射
する赤外線を前記熱吸収導電体に対して集光可能なレン
ズ面を前記基板の裏面に形成してなる点にある。

【０００８】尚、熱吸収導電体は、ｐ型及びｎ型各半導
体を電気的に接続して両熱電変換層で発生した熱起電力
を直列して両電極間から取り出せるようにするための電
気接続媒体として機能するとともに、雰囲気中の熱エネ
ルギを吸収して各熱電変換層の熱吸収導電体に接する部
分に熱を伝導して電極に接する部分と熱吸収導電体に接
する部分との間に温度差を形成するための熱吸収体とし
て機能する。また、熱吸収導電体は、電気接続媒体及び
熱吸収体としての両機能を具備している限りにおいて、
両機能を夫々個別の材料で形成した複合体であっても、
単一材料で形成した単一体であっても構わない。

【０００９】同第三の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項３に記載した如く、上記第二の特徴構成に加え
て、前記ｎ型熱電変換層と前記ｐ型熱電変換層と前記熱
吸収導電体と一対の前記低温側電極とからなる熱電変換
ユニットを前記基板上に複数形成してなる点にある。
尚、この場合、前記レンズ面は各熱電変換ユニット毎に
形成されても、或いは、２以上の熱電変換ユニットに対
して一つのレンズ面を形成するようにしても構わない。

【００１０】同第四の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項４に記載した如く、上記第三の特徴構成に加え
て、前記レンズ面が１または２以上の前記熱電変換ユニ
ットに対して一つかまぼこ型形状に形成され、前記レン
ズ面の軸芯方向とそのレンズ面に対応する前記熱吸収導
電体が他の熱電変換ユニットと対向する方向とが互いに
直交している点にある。

【００１１】ここで、かまぼこ型形状とは円柱面または
略円柱面を意味し、レンズ面が所謂シリンドリカルレン
ズを形成することを意味する。但し、レンズ面の加工精
度上、レンズ面の周縁部等で完全な円柱面とならない場
合を含むものである。また、そのかまぼこ型形状の軸芯
方向とは、その円柱面を形成する円柱の軸芯方向を意味
する。従って、当該レンズ面の集光効果はその軸芯方向
と直交する方向に専ら発揮される。

【００１２】同第五の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項５に記載した如く、上記第三の特徴構成に加え
て、前記熱電変換ユニットがマトリクス状に複数配列さ
れ、前記レンズ面が前記熱電変換ユニット毎に各別に形
成され、且つ、前記熱電変換ユニット毎に発生した熱起
電力を各別に出力可能に構成されている点にある。

【００１３】同第六の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項６に記載した如く、上記第一、第二、第三、第
四または第五の特徴構成に加えて、前記基板の裏面から
入射して前記低温側電極に達する赤外線を遮光するため
の赤外線遮光膜を前記基板の裏面側に形成してなる点に
ある。尚、この赤外線遮光膜は、上記遮光機能を発揮す
る限りにおいて、前記レンズ面の一部を覆うようにして
形成されても構わない。但し、前記レンズ面の全部を覆
うと前記レンズ面の本来の集光効果が発揮できないた
め、赤外線遮光膜は前記レンズ面の全面には形成しな
い。

【００１４】同第七の特徴構成は、特許請求の範囲の欄
の請求項７に記載した如く、上記第一、第二、第三、第
四、第五または第六の特徴構成に加えて、少なくとも前
記レンズ面上に反射防止膜を形成してなる点にある。

【００１５】以下に上記特徴構成の作用並びに効果を説
明する。本発明に係る熱電変換装置の第一または第二の
特徴構成によれば、前記基板の裏面側に形成した前記レ
ンズ面の集光効果により、第一の特徴構成における高温
側電極或いは第二の特徴構成の熱吸収導電体の面積を、
前記レンズ面の像倍率に応じて小さくしても、前記レン
ズ面によって形成される熱吸収導電体等の虚像が前記像
倍率倍されるため、熱吸収導電体等の赤外線吸収効果は
低減しない。この結果、実際の熱吸収体の面積Ａを小さ
くしても、実効的な面積を維持することができるため、
上述の数２で定義される熱電変換装置の検出能Ｄが低下
することなく、高速応答性を改善できるのである。一
方、熱吸収導電体等の面積をそのままで前記レンズ面を
設けた場合は、高速応答性を低下させることなく、高検
出能化を図ることができるのである。また、検出能を犠
牲にせず熱吸収導電体等の面積を小さくできるというこ
とは、熱電変換装置の小型化及び歩留りの向上にも貢献
する。更に、前記レンズ面が前記基板裏面側に形成され
るため、前記レンズ面の作成が半導体製造工程の所謂前
半工程で処理でき、後工程において別途赤外線集光用の
レンズを熱電変換装置に取り付ける作業手間及び部品コ
ストが省け、製造コストの大幅な低減が図れるのであ
る。

【００１６】同第三の特徴構成によれば、例えば、複数
の前記熱電変換ユニットを直列接続して高電圧を取り出
すことができ、また、並列接続することで大電流を取り
出せ、高性能化を図ることができるのである。また、前
記基板を複数チップにダイシングすることで、同一特性
の複数の熱電変換装置を、或いは、出力電圧や出力電流
の仕様値の異なる複数の熱電変換装置を同一基板から作
製することができるのである。

【００１７】同第四の特徴構成によれば、前記レンズ面
の集光効果が前記熱吸収導電体が他の熱電変換ユニット
と対向する方向に働くため、前記熱吸収導電体の寸法を
同方向に短縮することができ、この結果、その熱電変換
ユニットと隣接する熱電変換ユニットとの隣接距離を短
くでき、高密度に複数の熱電変換ユニットを配列するこ
とができる。

【００１８】「発明が解決しようとする課題」の項で説
明したように、一つの熱電変換ユニット内で熱吸収導電
体が占める面積が大きいため、複数の熱電変換ユニット
を一定方向に配列して集積化する場合、同方向に対して
熱吸収導電体同士、或いは、熱吸収導電体とｐ型または
ｎ型各熱電変換層との間を一定距離だけ離間させ電気的
に分離する必要があり、熱吸収導電体の同方向の寸法に
より配列ピッチが決定されることになる。従って、その
配列方向、つまり、前記熱吸収導電体が他の熱電変換ユ
ニットと対向する方向と集光効果の働く方向が一致する
ことにより、配列ピッチが短くなり高集積化が図れるの
である。

【００１９】また、前記レンズ面をかまぼこ型形状にす
ることにより、平面視形状が矩形であるため、矩形領域
内に配列した複数の熱電変換ユニットに対して、レンズ
面の面積を大きくとれ、集光効果を大きくすることがで
きる。

【００２０】同第五の特徴構成によれば、本特徴構成の
熱電変換装置を赤外線イメージセンサとして使用するこ
とができる。つまり、マトリクス状に配列された各熱電
変換ユニットを単位画素として、各熱電変換ユニット毎
に個々のレンズ面に入射した赤外線の熱エネルギが熱電
変換されて熱起電力を発生することから、マトリクス状
に配列された複数のレンズ面に入射する赤外線強度の２
次元的な強度分布が、電圧値或いは電流値の２次元分布
として各熱電変換ユニットから所定の読出回路を介して
読み出すことができる。

【００２１】同第六の特徴構成によれば、前記基板の裏
面から入射して前記低温側電極に達する赤外線を遮光で
きるため、前記低温側電極の温度上昇を回避でき、実質
的な感度の低下を防止できる。

【００２２】同第七の特徴構成によれば、前記レンズ面
での反射が低減され、前記レンズ面でのエネルギ透過率
が改善され、前記レンズ面の集光効果がより効果的に発
揮されることになり、更に高検出能化を図ることができ
る。また、検出能を犠牲にせず熱吸収導電体等の面積を
更に小さくでき、熱電変換装置の小型化及び歩留りの向
上が図れる。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明に係る熱電変換装置の一実
施の形態を図面に基づいて説明する。図１に示すよう
に、本発明に係る熱電変換装置の基本構造は、基板１上
に、ｎ型半導体を備えてなるｎ型熱電変換層２とｐ型半
導体を備えてなるｐ型熱電変換層３とを熱吸収導電体４
を介して電気的に直列接続し、その両端に熱起電力を取
り出す低温側電極５を設けてなる熱電変換ユニット６を
形成し、前記基板１の裏面１ａ側から入射する赤外線を
前記熱吸収導電体４に対して集光可能なレンズ面７を前
記基板１の裏面１ａに形成した構造となっている。

【００２４】前記熱電変換ユニット６の詳細な構造につ
いて説明する。図１に示すように、基板１上に、ラテラ
ルエッチングストッパ層８、第１分離層９、前記ｎ型熱
電変換層２、第１オーミック接触層１０、第２分離層１
１、前記ｐ型熱電変換層３、第２オーミック接触層１２
を順番に積層し、前記ｎ型熱電変換層２と前記第１オー
ミック接触層１０、及び、前記第２分離層１１から前記
第２オーミック接触層１２までを各別に選択的にフォト
エッチングして前記ｎ型熱電変換層２と前記ｐ型熱電変
換層３を階段状にパターニングし、その上に絶縁保護膜
１３を成膜し、その絶縁保護膜１３の所定箇所にフォト
エッチングによりオーミック接触用の窓１４を開口して
前記ｎ型熱電変換層２と前記ｐ型熱電変換層３の境界部
の前記第１オーミック接触層１０と前記第２オーミック
接触層１２を露出させ熱吸収導電体４で接続し、前記ｎ
型熱電変換層２の端部の前記第１オーミック接触層１０
及び前記ｐ型熱電変換層２の端部の前記第２オーミック
接触層１２も同様にフォトエッチングにより露出させ、
夫々の上に前記低温側電極５となる電極５ａ，５ｂを形
成した構造となっている。尚、この基本構造は従来のサ
ーモパイルと略同様の構造となっている。また、前記基
板１から前記絶縁保護膜１３に至る各層は後述する赤外
線を透過可能な材料で構成されている。

【００２５】ここで、前記熱吸収導電体４は、前記ｎ型
熱電変換層２と前記ｐ型熱電変換層３の夫々に対して、
各電極５ａ，５ｂとの間で温度差を形成し、かかる温度
差により発生した熱起電力を直列して高電圧として前記
電極５ａ，５ｂから取り出せるように設けられている。

【００２６】また、本実施形態では、特に下層側の前記
ｎ型熱電変換層２の熱抵抗を高くして感度を改善し、更
に、熱電変換装置の応答時間を短縮すべく前記各熱電変
換層２，３の熱容量を低減するために、前記各熱電変換
層２，３を中空支持するためのブリッジ構造を採用して
いる。前記ラテラルエッチングストッパ層８は、前記基
板１の前記各熱電変換層２，３の下方に位置する部分を
エッチングしてブリッジ構造を形成する際のエッチング
ストッパである。前記ｎ型熱電変換層２は前記第１分離
層９により前記基板１側から電気的に絶縁分離され、前
記ｎ型熱電変換層２と前記ｐ型熱電変換層３が前記第２
分離層１１により相互に電気的に絶縁分離されている。

【００２７】本実施形態では、前記ｎ型熱電変換層２と
前記ｐ型熱電変換層３は、不純物を添加したキャリア供
給層と、バンドギャップが前記キャリア供給層のバンド
ギャップより小さい高純度層とからなるヘテロ構造を有
する。図１に示すように、前記ｎ型熱電変換層２は高純
度層２ａとｎ型キャリア供給層２ｂからなる前記ヘテロ
構造を有し、前記ｐ型熱電変換層３は高純度層３ａとｐ
型キャリア供給層３ｂからなる前記ヘテロ構造を有す
る。

【００２８】次に、本実施形態における各構成要素の材
料構成について説明する。前記基板１に半絶縁性のＩｎ
Ｐ基板１ｃを使用し、前記ラテラルエッチングストッパ
層８として膜厚１００ｎｍのｉ−Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ
を、前記高純度層２ａ，３ａとして膜厚９００ｎｍのｉ
−Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓを、前記ｎ型キャリア供給層２ｂ
として膜厚１００ｎｍのｎ−ＩｎＰを、前記ｐ型キャリ
ア供給層３ｂとして膜厚１００ｎｍのｐ−ＩｎＰを、前
記第１及び第２分離層９，１１として膜厚２００ｎｍの
ｉ−ＩｎＰを、前記第１オーミック接触層１０として膜
厚１００ｎｍのｎ ⁺ −Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓを、前記第２
オーミック接触層１２として膜厚１００ｎｍのｐ⁺ −Ｉ
ｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓを、夫々、ＭＢＥ法やＭＯＣＶＤ法等
の半導体薄膜積層技術を利用して形成する。

【００２９】前記各熱電変換層２，３において、ＩｎＰ
のバンドギャップＥ_g2がＩｎ_x Ｇａ _1-x Ａｓのバンドギ
ャップＥ_g1に対してＥ_g2＞Ｅ_g1となる関係が満足されて
いる。また、前記ｎ型キャリア供給層２ｂであるｎ−Ｉ
ｎＰはＳｉ、Ｓｅ、Ｓ等の不純物を変調ドープにより添
加して形成し、前記ｐ型キャリア供給層３ｂであるｐ−
ＩｎＰはＭｇ等の不純物を変調ドープにより添加して形
成し、前記ｎ型及びｐ型キャリア供給層２ｂ，３ｂの不
純物濃度は夫々１０¹⁷〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度であり、
前記高純度層２ａ，３ａのキャリア濃度は１０¹⁴ｃｍ^-3
程度である。 また、Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓの組成比ｘはＩ
ｎＰと格子整合を取る場合、ｘ＝０．５３となり、前記
組成比ｘは０．５３近傍であるのが好ましい。従って、
上記のような材料構成の前記ヘテロ構造と変調ドープ構
造とを採用することにより、前記ｎ型熱電変換層２の前
記高純度層２ａのヘテロ接合界面近傍に２次元電子ガス
１５及びｐ型各熱電変換層３の前記高純度層３ａのヘテ
ロ接合界面近傍に２次元正孔ガス１６が形成される。ま
た、Ｉｎ_x Ｇａ_1-x ＡｓはＧａＡｓよりも高い電子移動
度を持つ材料として知られており、前記２次元電子ガス
１５や前記２次元正孔ガス１６の形成と相まって前記各
熱電変換層２，３の高導電性に寄与する。

【００３０】前記２次元電子ガス１５の作用効果につい
て補足説明をする。前記ｎ型熱電変換層２に前記ヘテロ
構造を採用すると、ｎ型の前記キャリア供給層２ｂにお
いて前記電極５ａに接する部分と前記熱吸収導電体４に
接する部分の温度差により高温側から低温側にかけてド
ナー不純物から発生した電子の濃度傾斜が発生し、それ
に伴う電子の拡散を抑制する方向に電界が形成される。
また、高温側の高濃度の電子は、高抵抗の前記キャリア
供給層２ｂを拡散せずに、バンドギャップが前記キャリ
ア供給層２ｂのバンドギャップより小さい前記高純度層
２ａ側へ移動する。また、前記キャリア供給層のバンド
ギャップが前記高純度層２ａより大きいため、前記高純
度層２ａ側の界面近傍にポテンシャルの低い領域が形成
されることにより、前記キャリア供給層２ｂ側から供給
された当該電子はこの界面近傍に集中し、また、その界
面が前記高純度層２ａ側から見て電子に対してエネルギ
障壁となるため、前記２次元電子ガス１５が形成され、
界面に沿って極めて高い移動度、つまり高導電性を示す
のである。この結果、熱電変換機能と導電機能を前記ヘ
テロ接合界面を挟んで分離し、独立して制御できるた
め、ゼーベック係数値を低下させることなく、高導電性
を確保でき、従来困難とされていた熱電変換層の高感度
・高検出能化が図れる。また、前記２次元正孔ガス１６
については、前記ｎ型熱電変換層２についての上記説明
において、電子を正孔と、ドナーをアクセプタと読み替
えて、正負極性を反転すれば、前記ヘテロ構造を前記ｐ
型熱電変換層３に採用した場合についても、同様の作用
効果を奏することが説明される。

【００３１】ところで、前記ｎ型及びｐ型キャリア供給
層２ｂ，３ｂの膜厚は２次元電子ガス１５及び２次元正
孔ガス１６が確実に形成される膜厚として１００ｎｍと
しているが、当該膜厚は５０ｎｍから８０ｎｍ程度の範
囲で前記２次元電子ガス１５及び２次元正孔ガス１６が
形成されなくなる臨界値程度まで薄くすることも可能で
ある。

【００３２】前記第１オーミック接触層１０であるｎ⁺
−Ｉｎ_x Ｇａ_1-x ＡｓもＳｉ、Ｓｅ、Ｓ等の不純物を添
加して形成され、その不純物濃度は前記ｎ型キャリア供
給層２ｂより高濃度で５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。ま
た、前記第２オーミック接触層１２であるｐ⁺ −Ｉｎ_x
Ｇａ_1-x ＡｓもＭｇ等の不純物を添加して形成され、そ
の不純物濃度は前記ｐ型キャリア供給層３ｂより高濃度
で５×１０¹⁸ｃｍ^-3程度である。前記第１オーミック接
触層１０の不純物濃度を前記ｎ型キャリア供給層２ｂよ
り高濃度とすることにより、前記第１オーミック接触層
１０のバンドギャップが前記ｎ型キャリア供給層２ｂよ
り小さいことによる自由電子の流入を防止でき、更に
は、前記第１オーミック接触層１０内の電子も前記高純
度層２ａに移動して前記２次元電子ガス１５の形成に供
せられるものと考えられる。これにより前記第１オーミ
ック接触層１０内が空乏化して横方向の電気抵抗が高抵
抗となり、更に膜厚も薄いため、前記第１オーミック接
触層１０を介しての横方向の電気伝導が抑制される。ま
た、本実施形態の場合、電極金属としてＡｕ合金を使用
する場合、前記第２オーミック接触層１２を設けなくて
もオーミック接触が可能と考えられるが、前記第２オー
ミック接触層１２を設けることにより電極金属としてＡ
ｌ等のＡｕ合金以外の金属の使用が可能となる。この結
果、材料コストの低減が図れ量産適応性が増すのであ
る。

【００３３】また、前記第１及び第２分離層９，１１と
して高純度のｉ−ＩｎＰを使用することで、高抵抗の絶
縁層として機能するとともに、ＩｎＰのバンドギャップ
がＩｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓより大きいことからキャリアの閉
じ込め効果も期待できるのである。尚、前記第１分離層
９は、前記基板１が絶縁性の高い高抵抗材料である場合
は必ずしも設ける必要はない。

【００３４】前記絶縁保護膜１３は、階段状に形成され
た前記ｎ型及びｐ型熱電変換層２，３の各オーミック接
触層１０，１２上に膜厚１００ｎｍのＳｉＯＮ膜、Ｓｉ
Ｎ膜、ＳｉＯ₂ 膜等をＣＶＤ法やスパッタリング法等で
成膜して形成される。前記オーミック接触用の窓１４は
前記ｎ型及びｐ型熱電変換層２，３の境界部と端部のｎ
及びｐ領域の各２カ所にフォトエッチングにより設けら
れている。先ず、ｐ領域の窓１４にｐ型オーミック接触
金属１７であるＴｉＰｔＡｕを蒸着し、次に、ｎ領域の
窓１４にｎ型オーミック接触金属１８であるＡｕＧｅＮ
ｉを蒸着し、両オーミック接触金属１７，１８をアニー
ルしてｎ型及びｐ型オーミック接触を形成する。引き続
き、前記ｎ型及びｐ型熱電変換層２，３の両端部の両オ
ーミック接触金属１７，１８と電気的に接続すべくＣｒ
／Ａｕ金属配線１９を前記両端部の両オーミック接触金
属１７，１８上と前記絶縁保護膜１３上に蒸着形成す
る。従って、前記両端部の両オーミック接触金属１７，
１８と前記Ｃｒ／Ａｕ金属配線１９により前記電極５
ａ，５ｂが構成される。また、前記Ｃｒ／Ａｕ金属配線
１９は、後述する複数の前記熱電変換ユニット６を直列
接続する場合の配線やパッケージングする際のボンディ
ング用パッドとしてパターニングされる。

【００３５】前記ｎ型及びｐ型熱電変換層２，３の境界
部の窓１４に形成された両オーミック接触金属１７，１
８は一方の一部が他方の一部または全部に重なって形成
されており、前記ｎ型及びｐ型熱電変換層２，３が電気
的に直列接続されている。次に、当該境界部の前記両オ
ーミック接触金属１７，１８上にＡｕクラスタ等の熱吸
収体２０が蒸着され、リフトオフ法等により所定の平面
形状にパターニングされる。前記ｎ型及びｐ型熱電変換
層２，３の境界部の両オーミック接触金属１７，１８と
前記熱吸収体２０により前記熱吸収導電体４が構成され
る。

【００３６】以上の要領で、前記熱電変換ユニット６を
前記ＩｎＰ基板１ｃ上に作製した後に、マイクロマシー
ニング技術を用いて前記ＩｎＰ基板１ｃを横方向に異方
性エッチングして前記熱電変換ユニット６をブリッジ構
造とする。先ず、前記ラテラルエッチングストッパ層
８、前記第１分離層９、前記絶縁保護膜１３に異方性エ
ッチング用の開口（図示せず）を形成し、この開口部よ
り所定のエッチャントで前記基板１をエッチングして熱
電変換装置の下部に深さ２０〜３０μｍ程度の空隙部２
１を形成する。このとき、前記ラテラルエッチングスト
ッパ層８であるＩｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓのエッチング速度が
前記ＩｎＰ基板１ｃより遅いためエッチングストッパと
して機能する。尚、前記ＩｎＰ基板１ｃは、前記空隙部
２１を逆ピラミッド形状に異方性エッチングすべく、
（１００）結晶面のものを使用する。尚、上記した異方
性エッチングは前記ブリッジ構造を形成するマイクロマ
シーニング技術の一例であって、前記空隙部２１は、前
記異方性エッチング以外のエッチング技術を使用して形
成しても構わない。更に、本実施形態においては、熱電
変換装置は中空支持されるブリッジ構造を備えた形態の
ものを例示したが、必ずしも中空支持されるブリッジ構
造でなくても構わない。例えば、前記ｎ型熱電変換層２
より幅の狭い支柱を前記基板１に形成して、前記ｎ型熱
電変換層２を下方から支持する構造であってもよい。か
かる構造でも、前記ｎ型熱電変換層２に対して熱抵抗値
を高くでき、熱容量を低減することができる。

【００３７】上記した製造工程で作製された前記熱電変
換ユニット６、即ち単体の熱電変換装置の平面形状は、
図２に示すように、検出能を高めるために、熱吸収面積
を大きくすべく前記熱吸収導電体４の面積を大きくし、
前記ｎ型及びｐ型熱電変換層２，３の熱抵抗を高くすべ
く夫々細長くなるように、前記ｎ型及びｐ型熱電変換層
２，３を階段状に形成する過程でパターニングされる。
前記ｎ型及びｐ型熱電変換層２，３の参考的な寸法は両
者結合した状態で長さ約５００μｍ〜１ｍｍ、幅約２０
μｍである。しかし、前記レンズ面７の集光効果によ
り、実効的に熱吸収面積を大きくできるため、実際に作
製する前記熱吸収導電体４の面積は前記レンズ面７の像
倍率に応じて縮小でき、前記熱電変換ユニット６全体の
専有面積を縮小できる。また、当然ながら前記ｎ型及び
ｐ型熱電変換層２，３は熱的に前記熱吸収導電体４と接
触しているため、前記ｎ型及びｐ型熱電変換層２，３の
熱容量は、前記熱吸収導電体４の面積を縮小することに
より低減でき、その結果高速応答性を向上することがで
きる。

【００３８】次に、前記レンズ面７の作製工程を図３に
基づいて説明する。前記空隙部２１を前記基板１に形成
した後、図３（イ）に示すように、前記基板１の裏面１
ａの前記レンズ面７が形成される部分に標準的なフォト
リソグラフィ技術を用いてフォトレジスト膜２２を形成
する。

【００３９】引き続き、前記フォトレジスト膜２２をガ
ラス転移温度より高い温度でベーク処理する。この結
果、図３（ロ）に示すように、前記フォトレジスト膜２
２は、その膜厚が周辺部程薄くなるように変形してレン
ズ形状を呈する。

【００４０】その後、図３（ハ）に示すように、前記変
形したフォトレジスト膜２２をエッチングマスクとして
用いて、前記基板裏面１ａをＡｒイオンビームエッチン
グする。イオンビームの入射角は５０〜６０°で、均等
なエッチングを行うため、前記基板１は前記基板裏面１
ａに垂直な軸回りに回転させる。前記フォトレジスト膜
２２が完全にエッチングされた時点で前記Ａｒイオンビ
ームエッチングを終了する。前記変形したフォトレジス
ト膜２２のレンズ形状が、前記基板裏面１ａに転写され
前記レンズ面７が形成される。

【００４１】引き続き、図３（ニ）に示すように、前記
基板裏面１ａを軽くＢｒメタノール溶液で化学エッチン
グして前記レンズ面７を鏡面化して、前記レンズ面７の
作製工程を終了する。

【００４２】更に、前記レンズ面７の作製工程を終了
後、前記レンズ面７の周辺部に赤外線を遮光する赤外線
遮光膜２３を作製する。前記赤外線遮光膜２３は前記基
板１の裏面１ａから入射して前記低温側電極５に達する
赤外線を遮光するために設けるものである。前記赤外線
遮光膜２３としては赤外線を反射吸収する材質であれば
よい。例えば、所定の金属膜を前記レンズ面７の周辺部
に選択的に蒸着して形成することができる。

【００４３】前記フォトレジスト膜２２の平面視形状が
円形の場合は、前記レンズ面７は球面となる。また、前
記平面視形状が長方形の場合は、かまぼこ型形状とな
る。前記レンズ面７がかまぼこ型形状の場合、前記レン
ズ面７はその長手方向の両端部を除き円柱面となり、長
手方向中央部では長手方向に直交する方向に沿って集光
効果を発揮する。

【００４４】前記レンズ面７の像倍率は、前記レンズ面
７が球面の場合、数３で与えられることが知られてい
る。ここで、βは像倍率、ｒは前記レンズ面７の曲率半
径、Ｌは前記レンズ面７の頂点から前記熱吸収導電体４
までの距離、ｎは前記基板１から前記絶縁保護膜１３に
至る媒質中の赤外線の屈折率である。

【００４５】

【数３】１／β＝１−（１−１／ｎ）Ｌ／ｒ

【００４６】仮に、Ｌ＝２００μｍ、ｒ＝２００μｍ、
ｎ＝３．５と想定すると、数３より、像倍率βは３．５
となる。但し、前記空隙部２１の深さは２０μｍ程度と
浅い場合は、前記空隙部２１の影響を無視できるものと
する。尚、前記空隙部２１を考慮した設計は当然に可能
である。また、前記レンズ面７の開口が直径２００μｍ
とした場合、前記レンズ面７の高さは、２０〜３０μｍ
程度となる。従って、前記レンズ面７が球面の場合、前
記熱吸収導電体４の面積を約１０分の１に縮小でき、検
出能を低下させることなく高速化を図ることができる。

【００４７】更に、図４に示すように、上記した製造工
程で前記基板１上に前記熱電変換ユニット６を複数個を
同時に形成する場合、前記熱電変換ユニット６の隣接す
るもの同士が一方の前記ｎ型熱電変換層２の前記電極５
ａと他方の前記ｐ型熱電変換層３の前記電極５ｂとを接
続して、前記複数の熱電変換ユニット６を蛇行させなが
ら直列に接続している。かかる構成により、取り出せる
熱起電力の電圧値が高くなり、感度が直列個数分改善さ
れる。また、前記複数の熱電変換ユニット６を蛇行させ
る際に、前記熱吸収導電体４を隣接する他の熱電変換ユ
ニット６の前記ｎ型またはｐ型熱電変換層２，３の細長
い形状部分に隣接するように配置することで、前記複数
の熱電変換ユニット６を高密度に集積することができ
る。

【００４８】ここで、前記熱吸収導電体４の幅を前記各
熱電変換ユニット６が隣接する方向の寸法と定義する
と、前記熱吸収導電体４の幅を縮小することにより、前
記複数の熱電変換ユニット６の高集積化が可能なことが
分かる。従って、前記レンズ面７としてかまぼこ型形状
のものを、その長手方向を前記熱吸収導電体４の幅方向
と直交するように形成すれば、前記熱吸収導電体４の幅
を前記レンズ面７の像倍率分の１に縮小でき、高速応答
性の実現とともに、前記複数の熱電変換ユニット６の高
集積化も図れることになる。

【００４９】尚、かまぼこ型形状の前記レンズ面７は、
前記各熱電変換ユニット６毎に設けてもよいが、所定数
の熱電変換ユニット６に対して一つのかまぼこ型形状の
前記レンズ面７を形成しても構わない。前記レンズ面７
が前記基板１の裏面１ａから前記熱吸収導電体４ととも
に前記低温側電極５を覆い、前記低温側電極５に対して
も赤外線集光効果を発揮する場合もあり得るため、図５
に示すように、前記赤外線遮光膜２３を前記熱吸収導電
体４の領域を開口させて前記低温側電極５を覆うように
形成する。図４に示す前記複数の熱電変換ユニット６の
配列方法によれば、前記低温側電極５を前記熱吸収導電
体４を三つの区分に分離して配置できるため、前記赤外
線遮光膜２３のパターン設計が容易である。

【００５０】次に、本発明に係る熱電変換装置の別実施
形態について説明する。

【００５１】〈１〉上記実施の形態では、前記基板１と
して、前記ｎ型及びｐ型熱電変換層２，３との関係で、
前記ＩｎＰ基板１ｃを使用したが、赤外線に対して透明
な材質であれば、他の基板材料、例えば、Ｓｉ、ＧａＡ
ｓ、サファイア等を熱電変換層の材料との組み合わせに
おいて適宜選択して使用可能である。但し、サファイア
等のＩｎＰ、Ｓｉ、ＧａＡｓに比べて屈折率が低い基板
材料では、数３に示すように像倍率が低下する。

【００５２】〈２〉上記実施の形態において、図６に示
すように、前記レンズ面７の表面に反射防止膜２４を形
成することで、前記レンズ面７に入射した赤外線の透過
率を高めることができる。この反射防止膜２４は、例え
ば、レーザＣＶＤ法により作製することができる。具体
的には、エキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）でＮＨ₃ ＋
ＳｉＨ₄ を励起して作製されたＳｉＮ−ＣＶＤ膜が前記
反射防止膜２４となり得る。ＳｉＮの屈折率が約２で、
基板１の屈折率がＩｎＰの場合は３．５であり、屈折率
に関する単層膜の無反射条件に近く、前記反射防止膜２
４の光学膜厚を対象とする赤外線波長の四分の一とする
ことで、前記レンズ面７での反射率を低減することがで
きる。尚、ＳｉＮ膜を前記反射防止膜２４として使用す
る場合、サファイア等の屈折率の低い基板材料は適切で
ない。

【００５３】ここで、前記反射防止膜２４は、前記赤外
線遮光膜２３を形成後に、前記基板裏面１ａ側全面に形
成しても、前記レンズ面７上に選択的に形成しても構わ
ない。また、前記ＳｉＮ膜の光学膜厚を前記赤外線遮光
膜２３上だけ二分の一波長とすることで、当該部分を高
反射膜２５として形成することができる。この場合、前
記赤外線遮光膜２３は設けずに、前記高反射膜だけの構
成としても構わない。更に、前記反射防止膜２４は、前
記赤外線遮光膜２３を形成前に作製しても構わない。

【００５４】〈３〉上記実施の形態において、上記した
製造工程で前記基板１上に前記熱電変換ユニット６を複
数個を同時に形成する場合、前記熱電変換ユニット６を
図４や図５に示すように直列接続するのではなく、個々
独立にマトリクス状に２次元的に配置してもよい。この
場合、前記レンズ面７は球面状のものを前記熱電変換ユ
ニット６毎に形成することで、前記熱電変換ユニット６
を単位画素として、前記レンズ面７に入射した赤外線強
度を各別に熱電変化して、電気信号として取り出すこと
ができる。このマトリクスの大きさを１００×１００程
度とすることで、本熱電変換装置を赤外線エリアセンサ
として使用することができる。尚、各熱電変換ユニット
６毎の発生した熱起電力を電圧値或いは電流値として読
み出すためには、同じ列或いは行に属する複数の熱電変
換ユニット６の熱起電力を並列に読み出したり、或い
は、循環的に読み出すための回路的工夫を前記熱電変換
ユニット６に設ける必要がある。かかる回路的工夫は、
半導体メモリ等の回路技術を応用して形成することがで
きる。

【００５５】〈４〉上記実施の形態において、前記高純
度層２ａ，３ａとして膜厚９００ｎｍのｉ−Ｉｎ_x Ｇａ
_1-x Ａｓを、前記ｎ型及びｐ型キャリア供給層２ｂ，３
ｂとして膜厚１００ｎｍのｎ−ＩｎＰとｐ−ＩｎＰを使
用したが、前記高純度層２ａ，３ａ及び前記ｎ型及びｐ
型キャリア供給層２ｂ，３ｂの材料構成は上記以外のも
のであっても構わない。他の材料構成としては、表１に
示すものが、前記高純度層２ａ，３ａ内に夫々前記２次
元電子ガス１５と前記２次元正孔ガス１６を形成するヘ
テロ構造を取り得る。また、前記高純度層２ａ，３ａ及
び前記ｎ型及びｐ型キャリア供給層２ｂ，３ｂを含む各
層の膜厚も必ずしも上記実施の形態の値に限定されるも
のではなく、適宜変更可能である。

【００５６】

【表１】

【００５７】〈５〉上記実施の形態では、前記ｎ型熱電
変換層２の上に前記ｐ型熱電変換層３を積層させた構造
としたが、両者の積層順序は逆であっても構わない。ま
た、前記ヘテロ構造は前記ｎ型及びｐ型熱電変換層２，
３の両方に適用したが、何れか一方にのみ適用しても構
わない。更には、前記ｎ型及びｐ型熱電変換層２，３の
両方が通常の単層構造の熱電変換層であっても構わな
い。

【００５８】〈６〉上記実施の形態においては、各半導
体層は単結晶がエピタキシャル成長される場合を想定し
ていたが、必ずしも単結晶でなくても構わない。

【００５９】〈７〉前記ｎ型及びｐ型熱電変換層２，３
の材料の選択によっては、前記オーミック接触金属１
７，１８と直接オーミック接触が可能な場合は、前記第
１及び第２オーミック接触層１０，１２は必ずしも設け
る必要はない。

【００６０】〈８〉上記実施の形態においては、前記ｎ
型及びｐ型熱電変換層２，３の両熱電変換層を使用した
相補型構成であったが、何れか一方の熱電変換層２，３
を使用するものであっても構わない。

【００６１】〈９〉上記実施の形態における前記空隙部
２１及び前記レンズ面７の作製方法は、一例であり、必
ずしも当該方法に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱電変換装置の構造を模式的に示
す断面図

【図２】本発明に係る単体の熱電変換装置を示す平面図

【図３】レンズ面の作製工程を示す説明図

【図４】本発明に係る直列接続された複数の熱電変換装
置を示す平面図

【図５】図４に示す複数の熱電変換装置を基板裏面側か
ら見た平面図

【図６】本発明に係る熱電変換装置の反射防止膜を備え
た構造を模式的に示す断面図

【符号の説明】

１ 基板 １ａ 基板の裏面 １ｂ 基板の表面 １ｃ ＩｎＰ基板 ２ ｎ型熱電変換層 ２ａ，３ａ 高純度層 ２ｂ ｎ型キャリア供給層 ３ ｐ型熱電変換層 ３ｂ ｐ型キャリア供給層 ４ 熱吸収導電体 ５ 低温側電極 ５ａ，５ｂ 電極（低温側電極） ６ 熱電変換ユニット ７ レンズ面 ８ ラテラルエッチングストッパ層 ９ 第１分離層 １０ 第１オーミック接触層 １１ 第２分離層 １２ 第２オーミック接触層 １３ 絶縁保護膜 １４ オーミック接触用の窓 １５ ２次元電子ガス １６ ２次元正孔ガス １７ ｐ型オーミック接触金属 １８ ｎ型オーミック接触金属 １９ Ｃｒ／Ａｕ金属配線 ２０ 熱吸収体 ２１ 空隙部 ２２ フォトレジスト膜 ２３ 赤外線遮光膜 ２４ 反射防止膜 ２５ 高反射膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB02 BA11 BA34 BB06 BE07 BE08 CA05

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外線を透過可能な基板上にｐ型半導体
   を備えてなる赤外線を透過可能なｐ型熱電変換層とｎ型
   半導体を備えてなる赤外線を透過可能なｎ型熱電変換層
   の内の少なくとも何れか一方の熱電変換層を有し、その
   熱電変換層の両端に熱起電力を取り出す高温側電極と低
   温側電極を夫々設けてなる熱電変換装置であって、 前記高温側電極に対して前記基板の裏面側から入射する
   赤外線を集光可能なレンズ面を前記基板の裏面に形成し
   てなる熱電変換装置。
2. 【請求項２】 赤外線を透過可能な基板上にｐ型半導体
   を備えてなる赤外線を透過可能なｐ型熱電変換層とｎ型
   半導体を備えてなる赤外線を透過可能なｎ型熱電変換層
   を熱吸収導電体を介して電気的に直列接続し、その両端
   に熱起電力を取り出す低温側電極を設けてなる熱電変換
   装置であって、 前記基板の裏面側から入射する赤外線を前記熱吸収導電
   体に対して集光可能なレンズ面を前記基板の裏面に形成
   してなる熱電変換装置。
3. 【請求項３】 前記ｎ型熱電変換層と前記ｐ型熱電変換
   層と前記熱吸収導電体と一対の前記低温側電極とからな
   る熱電変換ユニットを前記基板上に複数形成してなる請
   求項２記載の熱電変換装置。
4. 【請求項４】 前記レンズ面が１または２以上の前記熱
   電変換ユニットに対して一つかまぼこ型形状に形成さ
   れ、前記レンズ面の軸芯方向とそのレンズ面に対応する
   前記熱吸収導電体が他の熱電変換ユニットと対向する方
   向とが互いに直交していることを特徴とする請求項３記
   載の熱電変換装置。
5. 【請求項５】 前記熱電変換ユニットがマトリクス状に
   複数配列され、前記レンズ面が前記熱電変換ユニット毎
   に各別に形成され、且つ、前記熱電変換ユニット毎に発
   生した熱起電力を各別に出力可能に構成されていること
   を特徴とする請求項３記載の熱電変換装置。
6. 【請求項６】 前記基板の裏面から入射して前記低温側
   電極に達する赤外線を遮光するための赤外線遮光膜を前
   記基板の裏面側に形成してなる請求項１、２、３、４ま
   たは５記載の熱電変換装置。
7. 【請求項７】 少なくとも前記レンズ面上に反射防止膜
   を形成してなる請求項１、２、３、４、５または６記載
   の熱電変換装置。