JP2006012459A

JP2006012459A - 赤外線放射素子

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Publication number: JP2006012459A
Application number: JP2004184008A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Honda; 由明本多; Yoshifumi Watabe; 祥文渡部
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-22
Also published as: JP4534620B2

Abstract

【課題】小型で入力電力に対する応答速度が速く且つ赤外線の放射特性の安定性に優れ、しかも、赤外線発光ダイオードに比べて赤外線の放射量を増大させることができる赤外線放射素子を提供する。
【解決手段】赤外線放射素子は、支持基板１の一表面側に発熱体層３が形成され、発熱体層３と支持基板１との間に断熱層２が形成され、支持基板１の上記一表面側に発熱体層３の両端部それぞれと接する形で一対のパッド４，４が形成されている。支持基板１として単結晶のシリコン基板を用いており、断熱層２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成している。また、発熱体層３は、シリコンよりも高融点の金属（例えば、タングステン）により形成してある。また、パッド４，４は、少なくとも発熱体層３と接する部位がシリコンよりも高融点の金属（例えば、クロム）により形成してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線放射素子に関するものである。

従来から、赤外線発光ダイオードに比べて赤外線の放射量を増大させることができる小型の赤外線放射素子として、図５に示すように、厚み方向に貫通する多数の通孔が形成された絶縁性の多孔質体（多孔質セラミックス）からなる支持基板１’と、支持基板１’の一表面上に形成された発熱体層３’と、発熱体層３’の両端部それぞれの上に形成されたパッド４’，４’とを備えた赤外線放射素子が提案されている（例えば、特許文献１）。ここにおいて、発熱体層３’は、炭素、タンタル、ニッケル−クロム合金、白金などにより形成され、パッド４’，４’は、金により形成されている。

図５に示す構成の赤外線放射素子は、発熱体層３’への通電に伴うジュール熱により発熱体層３’から赤外線を放射させるものであり、支持基板１’が断熱部を兼ねているので、発熱体層３’の温度を高速に上昇させることができ、発熱体層３’へ与えるパルス状の入力電力に対して高速に応答することができるので、各種分析装置（例えば、赤外線ガス分析計など）の赤外線パルス光源として用いることができる。なお、図５に示す構成の赤外線放射素子では、発熱体層３’の温度が高いほど、発熱体層３’から放射される赤外線のピークエネルギおよび全エネルギが多くなるとともに、赤外線のピーク波長が低波長側へシフトする。
特開２００４−１５３６４０号公報

しかしながら、図５に示した構成の赤外線放射素子では、支持基板１’が断熱部を兼ねているが、ヒートシンクが存在しないので、温度ドリフトが大きく、赤外線の放射特性が不安定となってしまうという不具合があった。特に、発熱体層３’から放射される全エネルギは発熱体層３’の絶対温度の４乗に比例し、絶対温度が高いほど半値幅が狭くなるので、赤外線の放射量を増加させるために発熱体層３’の温度を高くするほど、赤外線の放射量が不安定となってしまうという不具合があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、小型で入力電力に対する応答速度が速く且つ赤外線の放射特性の安定性に優れ、しかも、赤外線発光ダイオードに比べて赤外線の放射量を増大させることができる赤外線放射素子を提供することにある。

請求項１の発明は、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する断熱層とを備え、発熱体層へ電力を与えることにより発熱体層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、支持基板が単結晶シリコンにより形成されるとともに、断熱層が多孔質シリコンにより形成され、発熱体層がシリコンよりも高融点の金属により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、支持基板が単結晶シリコンにより形成されるとともに、断熱層が多孔質シリコンにより形成されており、支持基板の熱容量および熱伝導率それぞれが断熱層よりも大きく、支持基板がヒートシンクとしての機能を有するので、小型で入力電力に対する応答速度が速く且つ赤外線の放射特性の安定性を向上させることができ、しかも、発熱体層がシリコンよりも高融点の金属により形成されているので、発熱体層の温度をシリコンの最高使用温度まで上昇させることができ（シリコンの融点は１４１０℃）、赤外線発光ダイオードに比べて赤外線の放射量を大幅に増大させることができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記支持基板の前記一表面側で前記発熱体層と接する形で形成された一対のパッドを備え、各パッドは、少なくとも前記発熱体層に接する部位がシリコンよりも高融点の金属により形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記発熱体層の温度をパッドの材料に制約されることなく上昇させることができる。

請求項１の発明では、小型で入力電力に対する応答速度が速く且つ赤外線の放射特性の安定性を向上させることができ、しかも、赤外線発光ダイオードに比べて赤外線の放射量を大幅に増大させることができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の赤外線放射素子は、図１に示すように、単結晶のシリコン基板からなる支持基板１の厚み方向の一表面（図１における上面）側に発熱体層３が形成され、発熱体層３と支持基板１との間に断熱層２が形成され、支持基板１の上記一表面側に発熱体層３の両端部（図１における左右両端部）それぞれと接する形で一対のパッド４，４が形成されている。ここに、支持基板１の平面形状は矩形状であって、断熱層２および発熱体層３の平面形状も矩形状に形成してある。なお、発熱体層３は、断熱層２よりも平面サイズが小さく（発熱体層３は断熱層２の外周よりも内側に形成されている）、各パッド４，４はそれぞれ、発熱体層３の端部と断熱層２の端部と支持基板１の端部とに跨って形成されている。

ところで、本実施形態では、上述のように支持基板１として単結晶のシリコン基板を用いており、断熱層２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、支持基板１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液中で陽極酸化処理することにより断熱層２となる多孔質シリコン層を形成することができる。ここに、陽極酸化処理の条件（例えば、電流密度、通電時間など）を適宜設定することにより、断熱層２となる多孔質シリコン層の多孔度や厚みそれぞれを所望の値とすることができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなり、例えば、熱伝導率が１４８〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱容量が１．６３×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕の単結晶のシリコン基板を陽極酸化して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱容量が０．７×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕であることが知られている。なお、本実施形態では、上述のように断熱層２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、断熱層２の熱伝導率が０．１２〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱容量が０．５×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕となっている。

また、発熱体層３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあり、発熱体層３は、熱伝導率が１７４〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱容量が２．５×１０^６〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕となっている。発熱体層３の材料はタングステンに限らず、シリコンよりも高融点の金属であればよく、例えば、チタン（シリコンの融点が１４１０℃であるのに対してチタンの融点は１６６８℃である）や、トリウム、白金、ジルコニウム、クロム、バナジウム、ロジウム、ハフニウム、ルテニウム、ボロン、イリジウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、オスミウム、レニウムなどのチタンよりも高融点の金属、その他、ニッケル、ホルミウム、コバルト、エルビウム、イットリウム、鉄、スカンジウム、ツリウム、パラジウム、ルテチウムなどの金属（これらの金属の融点はシリコンの融点とチタンの融点との間にある）を採用してもよい。

ただし、シリコンの線膨張係数は４．６８×１０^−６〔Ｋ^−１〕であるに対して、上述の各金属それぞれの線膨張係数は下記表１に示すような値であり、発熱体層３の材料として採用する金属としては、熱応力に起因して発熱体層３や断熱層２が破壊されるのを防止するという観点から、シリコンの熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する金属を採用することが好ましく、例えば、線膨張係数が１０×１０^−６〔Ｋ^−１〕以下の金属を採用すればよい。

また、各パッド４，４は、３層構造を有しており、発熱体層３に接する第１層を高融点金属の他の一種であるクロムにより形成し、第１層に積層された第２層をニッケルにより形成し、第２層に積層された第３層を金により形成してあるが、少なくとも発熱体層３と接する部位をシリコンよりも高融点の金属により形成すればよく、３層構造以外の多層構造でもよいし、単層構造でもよい。ここに、パッド４，４に用いる高融点の金属は、発熱体層３と同じ金属でもよいし異なる金属でもよい。

なお、本実施形態の赤外線放射素子では、断熱層２の形成前のシリコン基板の厚さを５２５〔μｍ〕、断熱層２の厚さを２〔μｍ〕、発熱体層３の厚さを５０〔ｎｍ〕、各パッド４，４の厚さを０．５〔μｍ〕としてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。

以下、本実施形態の赤外線放射素子の製造方法について簡単に説明する。

まず、支持基板１として用いるシリコン基板の他表面（図１における下面）側に陽極酸化処理時に用いる通電用電極（図示せず）を形成した後、シリコン基板の一表面側における断熱層２の形成予定部位を陽極酸化処理にて多孔質化することで多孔質シリコンからなる断熱層２を形成する陽極酸化処理工程を行う。ここにおいて、陽極酸化処理工程では、電解液として５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した混合液を用い、シリコン基板を主構成とする被処理物を処理槽に入れられた電解液に浸漬し、通電用電極を陽極、シリコン基板の上記一表面側に対向配置された白金電極を陰極として、電源から陽極と陰極との間に所定の電流密度の電流を所定時間だけ流すことにより多孔質シリコンからなる断熱層２を形成している。

上述の陽極酸化処理工程の後、発熱体層３を形成する発熱体層形成工程、パッド４，４を形成するパッド形成工程を順次行うことによって、赤外線放射素子が完成する。なお、発熱体層形成工程およびパッド形成工程では、例えば、各種のスパッタ法、各種の蒸着法、各種のＣＶＤ法などによって膜形成を行えばよい。

ところで、本実施形態の赤外線放射素子において発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長λは、発熱体層３の温度に依存し、ピーク波長をλ〔μｍ〕、発熱体層３の絶対温度をＴ〔Ｋ〕とすれば、ピーク波長λは、
λ＝２８９８／Ｔ
となり、発熱体層３の絶対温度Ｔと発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長λとの関係がウィーンの変位則を満足している。要するに、本実施形態の赤外線放射素子では、発熱体層３が黒体を構成しており、図示しない外部電源からパッド４，４間に与える入力電力を調整することにより、発熱体層３に発生するジュール熱を変化させる（つまり、発熱体層３の温度を変化させる）ことができる。したがって、図２に示すように発熱体層３への最大入力電力に応じて発熱体層３の温度を変化させることができ、また、図３に示すように発熱体層３の温度を変化させることで発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長λを変化させることができる。ここにおいて、本実施形態では、発熱体層３が上述のように黒体を構成し、発熱体層３の単位面積が単位時間に放射する全エネルギＥがＴ^４に比例している（つまり、シュテファン−ボルツマンの法則を満足している）ので、発熱体層３の温度を高くするほど赤外線の放射量を増大させることができ、広範囲の赤外線波長域において高出力の赤外線光源として用いることが可能となる。

図４に、室温（３００〔Ｋ〕）下にある赤外線放射素子に対して発熱体層３の温度が１００３〔Ｋ〕になるような入力電力を単パルス的に与えた場合の発熱体層３の室温からの温度上昇値ΔＴ〔Ｋ〕を測定した結果を示す。ここに、図４の横軸は時間であって、縦軸は入力電力および温度上昇値ΔＴそれぞれのピークを１として正規化してあり、同図中の「イ」が入力電力の時間変化（つまり、入力波形）を示し、「ロ」が温度上昇値ΔＴの時間変化（つまり、入力波形に対する応答波形）を示している。この図４から、発熱体層３へ入力電力を単パルス的に与えることにより発熱体層３の温度が瞬時に上昇・下降していることが分かり（入力波形の半値幅は５．３μｓｅｃ、応答波形の半値幅は２０μｓｅｃである）、高速応答が可能であることが確認された。

以上説明した本実施形態の赤外線放射素子では、支持基板１が単結晶シリコンにより形成されるとともに、断熱層２が多孔質シリコンにより形成されており、支持基板１の熱容量および熱伝導率それぞれが断熱層２よりも大きく、支持基板１がヒートシンクとしての機能を有するので、小型で入力電力に対する応答速度が速く且つ赤外線の放射特性の安定性を向上させることができ、しかも、発熱体層３がシリコンよりも高融点の金属により形成されているので、発熱体層３の温度をシリコンの最高使用温度（シリコンの融点よりもやや低い温度）まで上昇させることができ、赤外線発光ダイオードに比べて赤外線の放射量を大幅に増大させることができる。また、各パッド４，４において少なくとも発熱体層３に接する部位がシリコンよりも高融点の金属により形成されているので、発熱体層３の温度をパッドの材料に制約されることなく上昇させることができる。

なお、本実施形態の赤外線放射素子では、入力電力に対する高速応答が可能なので、高速の赤外光通信用の赤外線光源としての利用することが可能となる。また、赤外分光装置に利用する場合、瞬間的に赤外線を放射させることができるので、測定対象物を加熱せずに測定することが可能となる。また、従来から中赤外光源として用いられているガスレーザは高出力化が可能であるものの大型であって小型化が難しいという課題があり、従来の半導体レーザは、素子自体は小型であるものの、室温でのレーザ発振が難しく、冷却装置が必要でコストが高くなるとともに冷却装置を含めた赤外線発光装置全体が大型化してしまうという課題があり、赤外線発光ダイオードやヒータを用いた赤外光源では、応答速度が比較的遅く出力が比較的小さいという課題があるのに対して、本実施形態の赤外線放射素子では、これらの課題を解決することができる。

実施形態を示す赤外線放射素子の概略断面図である。同上の赤外線放射素子の特性説明図である。同上の赤外線放射素子の特性説明図である。同上の赤外線放射素子の特性説明図である。従来例を示す赤外線放射素子の概略断面図である。

符号の説明

１支持基板
２断熱層
３発熱体層
４パッド

Claims

支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する断熱層とを備え、発熱体層へ電力を与えることにより発熱体層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、支持基板が単結晶シリコンにより形成されるとともに、断熱層が多孔質シリコンにより形成され、発熱体層がシリコンよりも高融点の金属により形成されてなることを特徴とする赤外線放射素子。
前記支持基板の前記一表面側で前記発熱体層と接する形で形成された一対のパッドを備え、各パッドは、少なくとも前記発熱体層に接する部位がシリコンよりも高融点の金属により形成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線放射素子。