JP2003282961A

JP2003282961A - 熱電対

Info

Publication number: JP2003282961A
Application number: JP2002082861A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Morita; 信一森田; Jun Morimoto; 純守本; Yoichi Okamoto; 庸一岡本; Toshio Kawahara; 敏男河原; Sang-Min Lee; 相旻李; Tomonobu Hata; 朋延畑; Koyo Sasaki; 公洋佐々木
Original assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Current assignee: IHI Aerospace Co Ltd
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2003-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】通常の半導体材料を用いた従来の熱電対で
は、１ｍＶ／Ｋ以上のゼーベック係数を得ることは困難
であった。【解決手段】一対の部１００，１０１材の少なくとも
一方が、高濃度の不純物を添加したゲルマニウム・シリ
コン（ＧｅＳｉ）材料から成る熱電対８としたことによ
り、室温下での比抵抗が従来の熱電対に近い値でありな
がら、非常に高いゼーベック係数を得ることができ、感
度または出力信号に関する性能向上を実現することがで
きるほか、例えばサーモパイル型赤外線検出素子への適
用に好ましい熱電対を提供することができた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電対の改良に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来の熱電対を用いたサーモパ
イル型赤外線検出素子の一例を示す図である。図示のサ
ーモパイル型赤外線検出素子は、シリコン基板１上に熱
的絶縁材料から成るダイアフラム４を設けると共に、四
方に向けて配置した支持用梁３を含むダイアフラム４の
下側に空洞５を設けた熱的分離構造になっている。空洞
５は、例えば、ダイアフラム４に形成したエッチング穴
２からシリコン基板１側にエッチング液を供給して、シ
リコン基板１に異方性エッチングを施すことにより形成
することができる。

【０００３】ダイアフラム４上には、ｐ型ポリシリコン
６とｎ型ポリシリコン７を並列に備えた熱電対８が四方
に向けて配置してあり、これらの熱電対８をアルミニウ
ム配線９で電気的に直列接続することでサーモパイルが
形成してある。このとき、各熱電対８は、当該素子の中
心側の端部が温接点２０となり、外側の端部が冷接点２
１となる。そして、サーモパイルの上には、層間絶縁層
１１Ａ，１１Ｂを介して絶縁層１２が設けてあり、この
絶縁層１２の上部中央に、サーモパイルの温接点２０を
含む範囲で赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収層
１０が形成してある。なお、赤外線吸収層１０の下に下
層との密着性を高めるための層を設ける場合もある。

【０００４】上記のサーモパイル型赤外線検出素子は、
赤外線吸収層１０で赤外線エネルギを吸収して熱にエネ
ルギ変換されると、各熱電対８における温接点２０と冷
接点２１の間に温度差が生じることとなり、その温度差
により熱電対８のゼーベック係数に比例して発生する熱
起電圧の総和を出力信号として出力する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したよ
うなサーモパイル型赤外線検出素子において、サーモパ
イルを形成する熱電対８では、その材料として、ｐ型お
よびｎ型のポリシリコンを用いた場合、他のｐ型および
ｎ型の半導体を用いた場合、あるいは金属と各種半導体
の組み合わせを用いた場合には、いずれも不純物のドー
ズ量にもよるが、一対分のゼーベック係数は最大でも１
ｍＶ／Ｋ前後である。また、熱電対８の材料として、単
結晶シリコンを用いた場合には、約０．４５〜１．６ｍ
Ｖ／Ｋであり、ポリシリコンを用いるとともに不純物の
ドーズ量が約１×１０^１６ｃｍ^−２である場合には、１
ｍＶ／Ｋよりも小さい値であった。

【０００６】そこで、従来のサーモパイル型赤外線検出
素子では、性能を向上させるために、ダイアフラム４に
おける梁３の熱抵抗を高くする手段を用いていたが、高
熱抵抗の梁構造を達成するには、梁３の機械的強度の維
持、熱電対の対数の確保、および電気抵抗の抑制などの
点から限界があった。このため、従来のサーモパイル型
赤外線検出素子は、検出信号処理が簡便である熱起電圧
を利用するという長所があるにもかかわらず、感度の点
において、抵抗変化を利用するボロメータ型の赤外線検
出素子や、容量変化を利用する焦電型の赤外線検出素子
よりも劣っているのが現状であった。

【０００７】また、サーモパイル型赤外線検出素子の感
度または出力信号を大きくするためには、サーモパイル
を形成する熱電対８の材料として、ゼーベック係数が高
い材料を使用すれば良いのであるが、通常の半導体材料
では１ｍＶ／Ｋ以上のゼーベック係数を得ることは困難
であった。

【０００８】

【発明の目的】本発明は、上記従来の状況に鑑みて成さ
れたもので、室温付近での比抵抗が従来のｐ型およびｎ
型のポリシリコンを用いた熱電対に近い値でありなが
ら、高いゼーベック係数を得ることができ、感度または
出力信号に関する性能向上を実現することができるほ
か、例えば赤外線検出素子などの光波検出素子やマイク
ロ波検出素子などの電波検出素子への適用に好ましい熱
電対を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる熱電対
は、請求項１として、熱電対を形成する一対の部材の少
なくとも一方が、高濃度の不純物を添加したゲルマニウ
ム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料から成る構成とし、請求
項２として、一方の部材の材料において、添加した不純
物が３族系元素である構成とし、請求項３として、一方
の部材の材料において、添加した不純物がボロン（Ｂ）
である構成とし、請求項４として、一方の部材の材料に
おいて、添加した不純物が５族系元素である構成とし、
請求項５として、一方の部材の材料において、添加した
不純物がリン（Ｐ）である構成とし、請求項６として、
他方の部材が金属である構成とし、請求項７として、他
方の部材がｎ型ポリシリコンである構成とし、請求項８
として、他方の部材がｐ型ポリシリコンである構成と
し、請求項９として、熱電対を形成する一対の部材にお
いて、一方の部材が、高濃度の３族系元素の不純物を添
加したゲルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料から成
り、他方の部材が、高濃度の５族系元素の不純物を添加
したゲルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料から成る
構成とし、請求項１０として、熱電対を形成する一対の
部材において、一方の部材が、高濃度の不純物のボロン
（Ｂ）を添加したゲルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）
材料から成り、他方の部材が、高濃度の不純物のリン
（Ｐ）を添加したゲルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）
材料から成る構成としており、上記構成をもって従来の
課題を解決するための手段としている。

【００１０】また、本発明に係わる電磁波検出素子は、
請求項１１に記載しているように、半導体基板から空洞
を介して、熱的絶縁材料から成る熱分離構造のダイアフ
ラムを設けると共に、ダイアフラム上に、電磁波を吸収
して熱にエネルギ変換できる機能を有する材料と、この
機能を有する材料を温接点側として請求項１〜１０のい
ずれかに記載の複数の熱電対を電気的に直列接続して成
るサーモパイルを備えたことを特徴とし、請求項１２と
しては、電磁波を吸収して熱にエネルギ変換できる機能
を有する材料が、紫外線、可視光および赤外線などの光
波を吸収して熱にエネルギ変換できる機能の材料である
ことを特徴とし、請求項１３としては、電磁波を吸収し
て熱にエネルギ変換できる機能を有する材料が、高周
波、マイクロ波およびミリ波などの電波を吸収して熱に
エネルギ変換できる機能の材料であることを特徴として
いる

【００１１】

【発明の作用】本発明に係わる熱電対では、熱電対を形
成する一対の部材の少なくとも一方の材料として、室温
付近で非常に大きいゼーベック係数を示す高濃度の不純
物を添加したゲルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料
を用いており、より望ましい高濃度の不純物としてｐ型
の場合には第３族系元素、例えば代表的なものとしてボ
ロン（Ｂ）を用い、ｎ型の場合には第５族系元素、例え
ば代表的なものとしてリン（Ｐ）を用いているので、ゼ
ーベック係数の大きさに比例して感度が飛躍的に高めら
れる。

【００１２】

【発明の効果】本発明に係わる熱電対によれば、熱電対
を形成する一対の部材の少なくとも一方の材料に、室温
付近で非常に大きいゼーベック係数を示す高濃度の不純
物を添加したゲルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料
を用い、より望ましい高濃度の不純物として、ｐ型の場
合には第３族系元素、例えば代表的なものとしてボロン
（Ｂ）を用い、ｎ型の場合には第５族系元素、例えば代
表的なものとしてリン（Ｐ））を用い、さらに、他の実
施形態として、一方の部材の材料がｐ型の場合には他方
の部材の材料にｎ型ポリシリコンや金属を用い、また、
一方の部材の材料がｎ型の場合には他方の部材の材料に
ｐ型ポリシリコンや金属を用いることにより、室温下に
おいて、従来のｐ型およびｎ型のポリシリコンを用いた
熱電対に比べて比抵抗を近い値としながら、非常に高い
ゼーベック係数に比例して感度を一桁以上に飛躍的に高
めることができ、感度または出力信号に関する性能を著
しく向上させることができる。さらに、当該熱電対は、
高感度化に伴って応答速度の向上や小型化も実現するこ
とができるほか、例えば電磁波検出素子におけるサーモ
パイル、より具体的には、赤外線検出素子などの光波検
出素子やマイクロ波検出素子などの電波検出素子におけ
るサーモパイルへの適用などに非常に好適なものとな
る。

【００１３】本発明に係わる電磁波検出素子によれば、
請求項１〜１０のいずれかに記載の熱電対により形成し
たサーモパイルを採用したことにより、感度または出力
信号に関する性能を大幅に向上させることができ、ま
た、応答速度の向上、素子サイズの縮小およびダイアフ
ラムの機械的強度の向上等とのトレードオフが可能にな
ると共に、サーモパイル型の電磁波検出素子の利便性や
応用性を拡大することができる。

【００１４】さらに、当該電磁波検出素子を赤外線検出
に利用すれば、従来の熱電対の材料のみの変更によって
赤外線検出感度を向上させることができるため、従来の
サーモパイル型赤外線検出素子の構造をほとんど変更す
ることなく作製することができ、従来のシリコンＣＭＯ
Ｓと両立できる工程を利用することが可能であるから、
量産化が容易であると共に、低コスト化も可能となる。

【００１５】さらにまた、一般的に、サーモパイル型赤
外線検出素子は、熱起電圧に依存する出力信号が得ら
れ、他のボロメータ型や焦電型の赤外線検出素子と比較
して出力信号処理が簡便であることから、非常に高感度
である当該電磁波検出素子を赤外線検出素子として用い
れば、例えば、赤外線カメラの画素として用いるのに非
常に好適であり、この際、温度を室温に固定するための
精密な温度制御が不要となることや、ボロメータ型赤外
線検出素子のように画素に電圧を印加することで発生す
る自己発熱の影響が無いため、信号処理技術が容易にな
ると共に、赤外線カメラの信号処理回路の低コスト化が
達成できる。

【００１６】さらにまた、シリコンＣＭＯＳプロセスで
作製されているサーモパイル型赤外線検出素子において
熱電対の少なくとも一方の部材を高濃度の不純物が添加
されているゲルマニウム・シリコン材料に置き換えるこ
とや、ゲルマニウム・シリコンの形成技術がシリコンＣ
ＭＯＳプロセスでは低温プロセスになることなどによ
り、当該電磁波検出素子の製造プロセスはシリコンＣＭ
ＯＳプロセスとの相性が良いという利点がある。

【００１７】さらにまた、当該電磁波検出素子は、感度
または出力信号に関する性能が非常に高いことから、赤
外線カメラの画素のほか、例えば、腕時計において体温
を熱源とする電源や、その他の小電力で駆動される各種
機器の電源として広く用いることができる。また、当該
電磁波検出素子は、他の紫外線や可視光などのサーモパ
イル型光波検出素子として用いることができ、この際、
各波長の光波を吸収しやすい材料を用いることにより、
赤外線検出と同じように光波のパワーを計測できる。サ
ーモパイル型赤外線検出素子で用いられているような、
金黒膜などの赤外線吸収膜は、可視光への吸収効率も高
いため、広い波長域での光波検出が可能である。また、
電磁波が高周波、マイクロ波およびミリ波などの電波に
なる場合には、当該電磁波検出素子を各波長に対応した
サーモパイル型電波検出素子として構造を設計し、各波
長の電波を吸収し、熱エネルギに変換できる材料と組み
合わせることによって、電波の検出等への応用も可能で
ある。

【００１８】

【実施例】図１は、本発明に係わる熱電対および電磁波
検出素子の第１実施例を説明する図である。

【００１９】図示の電磁波検出素子はサーモパイル型赤
外線検出素子であって、基本的な構造は図７に示す従来
のものとほぼ同様である。すなわち、シリコン基板１上
に熱的絶縁材料から成るダイアフラム４を設けると共
に、四方に向けて配置した支持用梁３を含むダイアフラ
ム４の下側に空洞５を設けた熱的分離構造である。空洞
５は、例えば、ダイアフラム４に形成したエッチング穴
２からシリコン基板１側にエッチング液を供給して、シ
リコン基板１に異方性エッチングを施すシリコンマイク
ロマシニング技術によって形成してある。

【００２０】ダイアフラム４上には、一対の線状の部材
１００，１０１を並列に備えた熱電対８が四方に向けて
配置してあり、これらの熱電対８をアルミニウム配線９
で電気的に直列接続することによりサーモパイルを形成
している。このとき、各熱電対８は、当該素子の中心側
の端部が温接点２０となり、外側の端部が冷接点２１と
なる。

【００２１】また、この実施例では、熱電対８を形成す
る一方の部材１００が、高濃度の不純物として３族系元
素例えば代表的なものとしてボロン（Ｂ）を添加したゲ
ルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料から成ると共
に、他方の部材１０１が、ｎ型ポリシリコンである。な
お、熱電対８を形成する一方の部材１００が、高濃度の
不純物として５族系元素例えば代表的なものとしてリン
（Ｐ）を添加したゲルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）
材料から成ると共に、他方の部材１０１が、ｐ型ポリシ
リコンである場合、あるいは、熱電対８を形成する一方
の部材１００が、高濃度の不純物として３族系元素例え
ば代表的なものとしてボロン（Ｂ）を添加したゲルマニ
ウム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料から成ると共に、他方
の部材１０１が、高濃度の不純物として５族系元素例え
ば代表的なものとしてリン（Ｐ）を添加したゲルマニウ
ム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料から成る場合もある。

【００２２】そして、サーモパイルの上には、層間絶縁
層３０Ａ〜３０Ｃを介して絶縁層１２が設けてあり、こ
の絶縁層１２の上部中央に、サーモパイルの温接点２０
を含む範囲で熱吸収体である熱吸収層１０が形成してあ
る。なお、熱吸収層１０の下に下層との密着性を高める
ための層を設けることもできる。

【００２３】ここで、一方の部材１００における材料、
すなわち高濃度の不純物（ボロン）が添加してあるゲル
マニウム・シリコン材料について、物性、成膜方法およ
び条件などの一例を説明する。

【００２４】高濃度のボロンを添加したゲルマニウム・
シリコン材料は、イオンスパッタ法によって作製した薄
膜である。成膜時の基板温度は約６２０Ｋであり、薄膜
はゼーベック係数の測定時に約１０００Ｋ以下の温度に
晒されているか、または熱処理されている（以下「約１
０００Ｋ以下で熱処理」という）。

【００２５】約６２０Ｋ、６７０Ｋおよび７２０Ｋの基
板温度で成膜された薄膜は、厚さ１ｎｍのゲルマニウム
層と厚さ３ｎｍのシリコン層が交互に複数層積み重なっ
た超格子構造、またはレイヤー・バイ・レイヤー構造の
膜になるように作製されている。成膜直後の低角度（２
θが４度）以内でのＸ線回折パターン（ＸＲＤ）を見る
と、各試料は明らかに超格子構造をもっていることが確
認されているが、約１０００Ｋ以下で熱処理すると、図
２のサンプルＡ（約６２０Ｋの基板温度試料）に示すＸ
線回折パターン（ＸＲＤ）で見る限りにおいては、膜全
体にわたり超格子構造が消失していることがわかる。と
ころが、他のサンプルＢ（約６７０Ｋの基板温度）、お
よびサンプルＣ（約７２０Ｋの基板温度）の試料では、
超格子構造が維持されている。

【００２６】サンプルＡ（約６２０Ｋの基板温度試料）
の約１０００Ｋ以下で熱処理され且つ高濃度のボロンを
添加したゲルマニウム・シリコン材料については、アモ
ルファスの状態であるかどうかはＸＲＤ分析では断言で
きない結果が出ているが、通常の多結晶のゲルマニウム
・シリコン材料のゼーベック係数（約数百μＶ/Ｋ）よ
り非常に高い値を示している。高濃度のボロンを添加し
たゲルマニウム・シリコン材料の多結晶が通常のゲルマ
ニウム・シリコン材料のゼーベック係数しか示さないこ
とから、今回の非常に高いゼーベック係数の値から推測
すると、約１０００Ｋ以下で熱処理されたサンプルＡ
（約６２０Ｋの基板温度試料）は、多結晶ではなく、ア
モルファスまたはアモルファスに近い結晶状態かまたは
アモルファスと多結晶の混晶（以下「アモルファスもど
き」という。）の薄膜と予想される。

【００２７】ところが、薄膜を約１０００Ｋ以下で熱処
理した、約６７０Ｋの基板温度で成膜した薄膜のサンプ
ルＢ、および約７２０Ｋの基板温度で成膜した薄膜のサ
ンプルＣでは、レイヤー・バイ・レイヤー構造が確認さ
れている。しかし、これらの約６２０Ｋ以下の基板温度
で成膜され且つ約１０００Ｋ以下で熱処理された高濃度
のボロンが添加されているゲルマニウム・シリコン材料
（以下「本ＧｅＳｉ材料」という）と異なり、従来のゲ
ルマニウム・シリコンのバルク材料と同程度のゼーベッ
ク係数しか示さない。

【００２８】これに対して、本ＧｅＳｉ材料の一例とし
て、ＥＰＭＡ（Electron Probe Microanalyzer ）分析
により、約６ａｔ％のボロンが不純物として入っている
サンプルについて、ゼーベック係数を測定した結果を図
３に示す。同図からわかるように、本ＧｅＳｉ材料で
は、ｐ型で且つ室温近辺において１０ｍＶ／Ｋ以上のゼ
ーベック係数が確認されている。なお、図３の測定結果
は、測定装置の関係で低温度側が５０℃までしか表して
いないが、同図の傾向から、室温におけるゼーベック係
数の値は５０℃の場合と同等以上と予想される。この値
は、室温近辺において今までに発見されている半導体の
ゼーベック係数としては、一桁以上高い値を示してい
る。

【００２９】図４は、本ＧｅＳｉ材料について、図３と
同じ温度範囲での比抵抗を示す。同図から、本ＧｅＳｉ
材料の比抵抗は、比較的ボロンのドーズ量が多いｐ型ポ
リシリコン膜の比抵抗に近い値であることがわかる。そ
して、本ＧｅＳｉ材料では、比抵抗がｐ型ポリシリコン
とほぼ同じであること、およびゼーベック係数が異常に
大きいことから、本ＧｅＳｉ材料を用いるサーモパイル
型赤外線検出素子のＳ／Ｎは、ｐ型ポリシリコンとｎ型
ポリシリコンの熱電対を用いる場合よりも、ゼーベック
係数が高い割合の分向上したものとなり、１０倍以上に
なることがわかる。

【００３０】また、本ＧｅＳｉ材料は、これと同じ濃度
のボロンが添加さているゲルマニウム・シリコンの多結
晶材料のゼーベック係数がバルクのゲルマニウム・シリ
コン材料に近い値であることから推測すると、異常に高
いゼーベック係数を示すことから、完全な多結晶では無
く、アモルファスもどきの薄膜になっていると考えられ
る。さらに、約６２０Ｋの基板温度で成膜されている薄
膜は、レイヤー・バイ・レイヤー構造を狙って形成した
にもかかわらず、約１０００Ｋ以下の熱処理でレイヤー
・バイ・レイヤー構造が消失していることから、成膜時
のレイヤー・バイ・レイヤー構造が本質的ではないと考
えられる。

【００３１】このことから、本ＧｅＳｉ材料の成膜方法
としては、イオンスパッタ法のみではなく、ＭＢＥ（mo
licular Beam Epitaxy）法、スパッタ法、およびＣＶＤ
法などでも実施可能である。したがって、本ＧｅＳｉ材
料の成膜方法がとくに限定されることは無く、また、本
実施例では不純物としてのボロンを６ａｔ％含むものを
例示しているが、その量が限定されることも無く、異常
に大きいゼーベック係数を示すような不純物の添加量で
あれば、濃度を限定するものでもない。ちなみに、不純
物がボロンの場合には、０．１ａｔ％以上の高濃度の場
合に、通常より高いゼーベック係数を示すことを実験で
確認している。

【００３２】さらに、本ＧｅＳｉ材料のアモルファスも
どきの状態と不純物濃度の組み合わせによっては、異常
ゼーベック効果（多結晶のゼーベック係数よりも異常に
高いゼーベック係数を示すゼーベック効果）の生起の仕
方が異なることも考えられることから、アモルファスも
どきの状態と不純物濃度の関係を限定するものではな
い。

【００３３】図５は、本発明に係わる熱電対および電磁
波検出素子としてのサーモパイル型赤外線検出素子の第
２実施例を示すものである。なお、先の実施例と同一の
構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

【００３４】図示のサーモパイル型赤外線検出素子にお
いて、熱電対８は、一方の部材１００が、高濃度の不純
物として３系元素例えば代表的なものとしてボロン
（Ｂ）したゲルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料か
ら成るもの、または高濃度の不純物として５族系元素例
えば代表的なものとしてリン（Ｐ）を添加したゲルマニ
ウム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料から成るものであると
共に、他方の部材１０２が、例えばアルミニウムから成
るものであり、複数個を電気的に直列接合してサーモパ
イルを形成している。なお、他方の部材１０２として
は、アルミニウムの代わりに、シリコンプロセス工程で
利用されている他の金属でもかまわない。

【００３５】上記の構成においても先の実施例と同様の
作用効果を得ることができる。ただし、上記構成の場合
には、アルミニウムのゼーベック係数が本ＧｅＳｉ材料
よりも非常に小さいので、アルミニウムの熱伝導度や電
気伝導度を考慮して、熱電対用アルミニウムの断面積の
最適化を図ることがより望ましい。

【００３６】図６は、本ＧｅＳｉ材料を用いた熱電対８
を構成要素とするサーモパイル型赤外線検出素子の製造
工程を示す図である。ここでは、一例として第１実施例
で説明したサーモパイル型赤外線検出素子について、ｎ
型ポリシリコンの場合のｎ型ポリシリコン以降について
説明するが、この工程に限定されるものではない。

【００３７】図６（ａ）に示すように、シリコン基板１
上に、ダイアフラム（４）として利用するＬＰ−ＳｉＮ
膜４４を形成したのち、このＬＰ−ＳｉＮ膜４４上に、
ＣＶＤ法によってポリシリコンを成膜する。その後、Ｐ
＋を一例として１×１０^１６ｃｍ^−２位、加速して打ち
込み、層間絶縁膜（層）３０Ａを形成する。さらに、熱
処理として、例えば１０００℃前後の温度で処理して不
純物の活性化を行い、熱電対部材となるｎ型ポリシリコ
ン（先の各実施例における他方の部材）１０１を形成す
る。

【００３８】次に、図６（ｂ）に示すように、ｎ型ポリ
シリコン１０１上にＳｉＯ_２系の層間絶縁膜（層）３０
Ｂを形成し、この上に、例えばスパッタ法により、不純
物としてボロンが高濃度に添加されているゲルマニウム
・シリコン製の薄膜、すなわち熱処理するとアモルファ
スもどきになる薄膜を形成する。ここでのゲルマニウム
とシリコンの組成比については、厚さ換算で３：１にな
る組成比を用いているが、この組成比に限定されること
はない。この時の基板温度は約６２０Ｋ以下とする。そ
の後、上記の薄膜、すなわち熱処理するとアモルファス
もどきになる薄膜の熱処理を実施する。ここでの温度
は、ボロンが添加されているゲルマニウム・シリコン材
料が多結晶にならない温度にする必要があり、約１００
０Ｋ以下と考えている。この温度は、基板温度が低い場
合、例えば室温や液体窒素温度などによっては、約１０
００Ｋより少し高くなることが考えられるが、厳密な温
度を規定するものではない。高濃度の不純物がドープさ
れているゲルマニウム・シリコン材料（先の各実施例に
おける一方の部材）１００のパターン化は、熱処理温度
の前後どちらでもかまわない。

【００３９】そして、図６（ｃ）に示すように、層間絶
縁膜（層）３０Ｃの形成、コンタクト５０の形成、およ
び配線９の形成を行い、さらに、保護膜としてのパッシ
ベーション膜（絶縁層１２に相当）５２を形成する。こ
ののち、マイクロマシニング技術により空洞５を形成
し、赤外線検出の場合には赤外線吸収体である赤外線吸
収膜（層）１０を形成して、サーモパイル型赤外線検出
素子が完成する。

【００４０】なお、本発明に係わる熱電対および電磁波
検出素子は、詳細な構成が上記各実施例のみに限定され
ることはなく、例えば、赤外線検出素子として用いる場
合にあっては、４方に向けて熱電対を配置した構成を示
したが、熱電対の数をより多数にすることも当然あり得
る。４方だけでなく、１方または他の複数方でもかまわ
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる熱電対および電磁波検出素子と
してのサーモパイル型赤外線検出素子の第１実施例を示
す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。

【図２】本発明に係わる熱電対材料のＸ線回折パターン
を示すグラフである。

【図３】本発明に係わる熱電対材料のゼーベック係数と
温度との関係を示すグラフである。

【図４】本発明に係わる熱電対材料の比抵抗と温度との
関係を示すグラフである。

【図５】本発明に係わる熱電対および電磁波検出素子で
あるサーモパイル型赤外線検出素子の第２実施例を示す
平面図である。

【図６】第１実施例で説明したサーモパイル型赤外線検
出素子の製造工程を順に説明する各々断面図（ａ）〜
（ｃ）である。

【図７】従来におけるサーモパイル型赤外線検出素子を
示す平面図（ａ）および断面図（ｂ）である。

【符号の説明】

１シリコン基板（半導体基板）４ダイアフラム５空洞８熱電対１０赤外線吸収層（熱吸収体）２０温接点２１冷接点４４ＬＰ−ＳｉＮ膜（ダイアフラム）１００一方の部材１０１１０２他方の部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｇ０１Ｊ 5/02 Ｇ０１Ｊ 5/02 Ｂ (72)発明者岡本庸一神奈川県横須賀市根岸町四丁目８番12号 (72)発明者河原敏男神奈川県横須賀市走水二丁目21番地防衛大学校走水宿舎Ｇ棟502号 (72)発明者李相旻神奈川県横須賀市西浦賀町五丁目36番地川間アパート３−110号 (72)発明者畑朋延石川県金沢市つつじが丘295 (72)発明者佐々木公洋石川県金沢市長坂一丁目４番16号−301 Ｆターム(参考） 2F056 KA03 KA05 KA12 KA14 KA18 2G065 AB02 BA11 CA13 DA20 2G066 BA08 BA55 BB09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱電対を形成する一対の部材の少なくと
も一方が、高濃度の不純物を添加したゲルマニウム・シ
リコン（ＧｅＳｉ）材料から成ることを特徴とする熱電
対。
【請求項２】一方の部材の材料において、添加した不
純物が３族系元素であることを特徴とする請求項１に記
載の熱電対。
【請求項３】一方の部材の材料において、添加した不
純物がボロン（Ｂ）であることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の熱電対。
【請求項４】一方の部材の材料において、添加した不
純物が５族系元素であることを特徴とする請求項１に記
載の熱電対。
【請求項５】一方の部材の材料において、添加した不
純物がリン（Ｐ）であることを特徴とする請求項１また
は４に記載の熱電対。
【請求項６】他方の部材が金属であることを特徴とす
る請求項１〜５のいずれかに記載の熱電対。
【請求項７】他方の部材がｎ型ポリシリコンであるこ
とを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電
対。
【請求項８】他方の部材がｐ型ポリシリコンであるこ
とを特徴とする請求項１，４および５のいずれかに記載
の熱電対。
【請求項９】熱電対を形成する一対の部材において、
一方の部材が、高濃度の３族系元素の不純物を添加した
ゲルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料から成り、他
方の部材が、高濃度の５族系元素の不純物を添加したゲ
ルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料から成ることを
特徴とする熱電対。
【請求項１０】熱電対を形成する一対の部材におい
て、一方の部材が、高濃度の不純物のボロン（Ｂ）を添
加したゲルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料から成
り、他方の部材が、高濃度の不純物のリン（Ｐ）を添加
したゲルマニウム・シリコン（ＧｅＳｉ）材料から成る
ことを特徴とする熱電対。
【請求項１１】半導体基板から空洞を介して、熱的絶
縁材料から成る熱分離構造のダイアフラムを設けると共
に、ダイアフラム上に、電磁波を吸収して熱にエネルギ
変換できる機能を有する材料と、この機能を有する材料
を温接点側として請求項１〜１０のいずれかに記載の複
数の熱電対を電気的に直列接続して成るサーモパイルを
備えたことを特徴とする電磁波検出素子。
【請求項１２】電磁波を吸収して熱にエネルギ変換で
きる機能を有する材料が、紫外線、可視光および赤外線
などの光波を吸収する材料であることを特徴とする請求
項１１に記載の電磁波検出素子。
【請求項１３】電磁波を吸収して熱にエネルギ変換で
きる機能を有する材料が、高周波、マイクロ波およびミ
リ波などの電波を吸収する材料であることを特徴とする
請求項１１に記載の電磁波検出素子。