JP2011013205A - 温度センサ及び温度センサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】量子井戸構造体を含む温度センサにおいて、感度を向上させることができる温度センサ及び温度センサの製造方法を提供すること。
【解決手段】基板に形成された検出部５０の温度の変化による電流変化を検出する温度センサ１００であって、検出部５０は、基板に形成されるものであり、複数の障壁層５３ａ、５３ｃと複数の障壁層５３ａ、５３ｃに挟まれた井戸層５３ｂとを含むＱＷ構造部５３と、ＱＷ構造部５３の両面に形成されるものであり、複数の井戸層５１ａと複数の第２井戸層５１ａに挟まれた第２障壁層５１ｂとを有するＭＱＢ構造部５１，５２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度センサ及び温度センサの製造方法に関するものである。

従来、温度によって物理量を検出するセンサの一例として特許文献１に示される温度センサ構造体がある。

特許文献１に示される温度センサ構造体は、基体と、基体によって担持され且つ温度に依存している抵抗を有するサーミスタ層と、そのサーミスタ層の第一の面にある第一の電気接触層及びサーミスタ層の第二の面にある第二の電気接触層とを有するものである。また、サーミスタ層は、交互に設けられた井戸層と障壁層（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）からなる量子井戸構造体を含むものである。

特許３５７３７５４号公報

ところで、量子井戸構造体を用いた温度センサの感度を向上させるには、量子井戸構造体の抵抗温度係数（ＴＣＲ：Temperature Coefficient of Resistance）の値を大きくさせることが必要である。

この量子井戸構造体のＴＣＲは次式で表される。
ＴＣＲ＝−１／ｋ_ＢＴ^２×（３ｋ_ＢＴ／２＋Ｖ−Ｅ_ｆ）
ｋ_Ｂ：ボルツマン定数、Ｔ［Ｋ］:絶対温度、Ｖ（＝Ｅ_Ｂ−Ｅ_Ｗ）:障壁エネルギー、Ｅ_Ｂ:障壁層の価電子帯の底（または伝導帯の底）のエネルギー、Ｅ_Ｗ:井戸層の価電子帯の底（または伝導帯の底）のエネルギー、Ｅ_ｆ:フェルミエネルギー
ここで井戸層がｐ型にドープされているときは、Ｅ_Ｂ、Ｅ_Ｗはそれぞれ価電子帯の底を意味し、井戸層がｎ型にドープされているときは、Ｅ_Ｂ、Ｅ_Ｗはそれぞれ伝導帯の底を意味する。

この式に示されるように、｜ＴＣＲ｜の値を大きくするためには、障壁高さ（Ｖ）を大きくするか、フェルミエネルギー（Ｅ_ｆ）を小さくするしかない。ところが、障壁高さ（Ｖ）は、井戸層と障壁層の材料の組み合わせによって決まるため自由に制御できない。一方、フェルミエネルギー（Ｅ_ｆ）を小さくするには、井戸層を薄くするか、キャリア密度を下げるしか方法がない。従って、｜ＴＣＲ｜は、材料によって決まる限界値があった。

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、量子井戸構造体を含む温度センサにおいて、感度を向上させることができる温度センサ及び温度センサの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の温度センサは、基板に形成された検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサであって、
検出部は、
基板に形成されるものであり、複数の第１障壁層と複数の第１障壁層に挟まれた第１井戸層とを含む量子井戸構造部と、
量子井戸構造部の基板と対向する対向面側、及び、対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、複数の第２井戸層と複数の第２井戸層に挟まれた第２障壁層とを有する量子障壁構造部と、を備えることを特徴とするものである。

このように、量子井戸構造部の少なくとも一方の面側に量子障壁構造部を設けることによって、第１障壁層の障壁高さを仮想的に増加(ΔＶ)させることができる。障壁高さが仮想的に増加すると、ＴＣＲ＝−１／ｋ_ＢＴ^２×（×３ｋ_ＢＴ／２＋Ｖ−Ｅ_ｆ＋ΔＶ）にて示されるように、量子障壁構造部がない場合に対して｜ＴＣＲ｜の値を大きくすることができる。従って、温度センサの感度を向上させることができる。

なお、ｋ_Ｂ：ボルツマン定数、Ｔ［Ｋ］:絶対温度、Ｖ（＝Ｅ_Ｂ−Ｅ_Ｗ）:障壁エネルギー、Ｅ_Ｂ:障壁層の価電子帯の底（または伝導帯の底）のエネルギー、Ｅ_Ｗ:井戸層の価電子帯の底（または伝導帯の底）のエネルギー、Ｅ_ｆ:フェルミエネルギー、ΔＶ：仮想障壁高さである。井戸層がｐ型にドープされているときは、Ｅ_Ｂ、Ｅ_Ｗはそれぞれ価電子帯の底を意味し、井戸層がｎ型にドープされているときは、Ｅ_Ｂ、Ｅ_Ｗはそれぞれ伝導帯の底を意味する。

上記目的を達成するために請求項２に記載の温度センサは、基板に形成された検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサであって、
検出部は、
基板に形成されるものであり、複数の第１障壁層と複数の第１障壁層に挟まれた第１井戸層とを含む量子井戸構造部と、
量子井戸構造部の基板と対向する対向面側、及び、対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、第１障壁層上に設けられる第２井戸層と第２井戸層上に設けられる第２障壁層とを有する量子障壁構造部と、
を備えることを特徴とするものである。

このようにすることによっても、上述の請求項１と同様に温度センサの感度を向上させることができる。

また、請求項３に示すように、量子障壁構造部は、複数の第２井戸層と複数の第２障壁層とが複数層重なった構造を有するようにしてもよい。

このようにすることによって、複数の第２井戸層に第２障壁層が挟まれた、または、第２井戸層と第２井戸層上に設けられる第２障壁層とからなる一重の量子障壁構造部に比べて、仮想障壁高さを高くすることができる。従って、｜ＴＣＲ｜の値も大きくすることができるので好ましい。

また、請求項４に示すように、量子障壁構造部は、第２井戸層と第２障壁層との組が、３組以上設けられるようにしてもよい。

このようにすることによって、仮想的に増加する障壁高さを飽和状態とすることができるので好ましい。換言すると、１層の第２井戸層と１層の第２障壁層とを繰り返し積層する際の繰り返し回数を３回以上とすると、仮想的に増加する障壁高さを飽和状態とすることができるので好ましい。このことは、本願発明の発明者によって確認されている。

また、請求項５に示すように、第１井戸層と量子障壁構造部との間に配置される第１障壁層の膜厚は、第１井戸層、第２井戸層、及び第２障壁層の膜厚よりも厚く形成されるようにしてもよい。

このようにすることによって、第１井戸層から量子障壁構造部への電子のトンネリングを防ぐことができる。

また、請求項６に示すように、量子井戸構造部及び量子障壁構造部は、基板に形成されたメンブレン上に形成されるようにしてもよい。

このようにすることによって、熱コンダクタンスを小さくすることができるため、感度を向上させることができる。

また、請求項７に示すように、メンブレンと基板との間には、エピタキシャル層によって封止された真空の空洞部を備えるようにしてもよい。

このようにすることによって、メンブレン下部が真空になるため熱コンダクタンスを下げることができ、感度を向上させることができる。

また、請求項８に示すように、第１井戸層及び第２井戸層はＳｉＧｅで構成され、第１障壁層及び第２障壁層はＳｉで構成されるようにしてもよい。

Ｓｉ、ＳｉＧｅは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）と互換性がある材料である。従って、ＣＭＯＳを製造している場合などは、製造コストを低く抑えることができる。

また、請求項９に示すように、第１井戸層及び第２井戸層はＧａＡｓで構成され、第１障壁層及び第２障壁層はＡｌＧａＡｓで構成されるようにしてもよい。

このように、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓを用いることによって、｜ＴＣＲ｜の値をより一層大きくすることができるので好ましい。

また、請求項１０に示すように、赤外線の検出に適用されるようにしてもよい。

｜ＴＣＲ｜が大きいため、赤外線の検出に適用することによって、非常に高感度に赤外線を検出することができるので好ましい。

上述のように、複数の第２障壁層と複数の第２障壁層に挟まれた第２井戸層、もしくは、第２井戸層と第２井戸層上に設けられる第２障壁層を含む量子障壁構造部を設けることによって、障壁高さを仮想的に増加させることができる。一方、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さ（量子井戸構造部によって仮想的に増加した障壁高さ）が増加する割合は、第２障壁層の膜厚を１００Å以上としても、第２障壁層の膜厚を１００Åとした場合よりも高くなりにくいことがわかった。よって、第２障壁層の膜厚は、請求項１１に示すように、０Åよりも厚く、１００Å以下とすると好ましい。

また、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが増加する割合は、特に、第２障壁層の膜厚が６０Å以下の場合に高くなる傾向にある。よって、第２障壁層の膜厚は、より好ましくは、請求項１２に示すように、０Åよりも厚く、６０Å以下とするとよい。

さらに、第２障壁層の膜厚が２５Å以下の場合、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが５０％増し以上になりやすくなる。よって、第２障壁層の膜厚は、より好ましくは、請求項１３に示すように、０Åよりも厚く、２５Å以下とするとよい。

また、第２障壁層の膜厚が９Å以上であり、２５Å以下の場合、第２障壁層を構成する材料の組成比によらず仮想的な障壁高さが５０％増し以上になりやすくなる。よって、第２障壁層の膜厚は、より好ましくは、請求項１４に示すように、９Åよりも厚く、２５Å以下とするとよい。

また、請求項１５に示すように、第２障壁層の膜厚は、仮想的に増加した第１障壁層の障壁高さが１次ピークになるときの膜厚とすることによって、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが５０％増し以上になりやすくなるので好ましい。

また、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さ（量子井戸構造部によって仮想的に増加した障壁高さ）が増加する割合は、第２井戸層の膜厚を２００Å以上としても、第２井戸層の膜厚を２００Å以上とした場合よりも高くなりにくいことがわかった。よって、第２井戸層の膜厚は、請求項１６に示すように、０Åよりも厚く、２００Å以下とすると好ましい。

また、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが増加する割合は、特に、第２井戸層の膜厚が１００Å以下の場合に高くなる傾向にある。よって、第２井戸層の膜厚は、より好ましくは、請求項１７に示すように、０Åよりも厚く、１００Å以下とするとよい。

さらに、第２井戸層の膜厚が３６Å以下の場合、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが５０％増し以上になりやすくなる。よって、第２井戸層の膜厚は、より好ましくは、請求項１８に示すように、０Åよりも厚く、３６Å以下とするとよい。

また、第２井戸層の膜厚が６Å以上であり、３６Å以下の場合、第２井戸層を構成する材料の組成比よらず仮想的な障壁高さが５０％増し以上になりやすくなる。よって、第２井戸層の膜厚は、より好ましくは、請求項１９に示すように、６Åよりも厚く、３６Å以下とするとよい。

また、請求項２０に示すように、第２井戸層の膜厚は、仮想的に増加した第１障壁層の障壁高さが１次ピークになるときの膜厚とすることによって、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが５０％増し以上になりやすくなるので好ましい。

また、請求項２１に示すように、第２井戸層の膜厚は、仮想的に増加した第１障壁層の障壁高さが２次ピークになるときの膜厚とすることによっても、量子障壁構造部を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが５０％増し以上になりやすくなるので好ましい。

また、請求項２２に示すように、第１障壁層の膜厚は、３００Å以上とすると好ましい。このようにすることによって、広いエネルギー範囲（例えば、３４０ｍｅＶ程度まで）で第１井戸層と第１障壁層との界面における反射率（ホールの反射率）を９５％以上とでき、量子井戸構造部における第１井戸層から量子障壁構造部へのトンネリングをほぼ完全にストップすることができる。このようにトンネリングをほぼ完全にストップすることができると、ＴＣＲの低下を抑制できるので好ましい。

上記目的を達成するために請求項２３に記載の温度センサの製造方法は、
支持基板上に絶縁膜を介してＳｉからなる活性層を有するＳＯＩ基板と、
ＳＯＩ基板に形成されるものであり、複数の第１障壁層と複数の第１障壁層に挟まれた第１井戸層とを含む量子井戸構造部と、量子井戸構造部のＳＯＩ基板と対向する対向面側、及び、対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、複数の第２井戸層と複数の第２井戸層に挟まれた第２障壁層とを有する量子障壁構造部とを有する検出部とを備え、検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサの製造方法であって、
検出部に対応する活性層に達する開口部を有するマスクを形成するマスク形成工程と、
開口部に対して、検出部を構成する各層を選択的に成膜する成膜工程と、
を備えることを特徴とするものである。

このようにすることによって、量子障壁構造部がない場合に対して｜ＴＣＲ｜の値が大きく、感度を向上させることができる温度センサを簡易なプロセスで製造することができる。

上記目的を達成するために請求項２４に記載の温度センサの製造方法は、
支持基板上に絶縁膜を介してＳｉからなる活性層を有するＳＯＩ基板と、
ＳＯＩ基板に形成されるものであり、複数の第１障壁層と複数の第１障壁層に挟まれた第１井戸層とを含む量子井戸構造部と、量子井戸構造部のＳＯＩ基板と対向する対向面側、及び、対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、複数の第２井戸層と複数の第２井戸層に挟まれた第２障壁層とを有する量子障壁構造部とを有する検出部とを備え、検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサの製造方法であって、
活性層に前記絶縁膜に達する開口部を形成する開口部形成工程と、
絶縁膜における検出部に対応する領域を開口部からエッチングするエッチング工程と、
エッチング工程終了後に、活性層上にエピタキシャル層を成膜して開口部を塞ぐことによって、エッチングされた領域を封止する封止工程と、
エピタキシャル層上に検出部を構成する各層を成膜する成膜工程と、
を備えることを特徴とするものである。

このようにすることによって、検出部をエピタキシャル層上に形成できると共に、検出部の下部に真空となる空間（空洞部）を構成することができるため、熱コンダクタンスを下げることができ、温度センサの感度を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態における温度センサ１００の概略構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態における温度センサ１００の検出部５０の概略構成を示す断面図である。 ＭＱＢ構造部、ＱＷ構造部にＳｉＧｅ／Ｓｉ（Ｇｅ＝３５％）を用いた場合の量子井戸のＴＣＲの温度依存性を示すグラフである。 ＭＱＢ構造部、ＱＷ構造部にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝４３％）を用いた場合の量子井戸のＴＣＲの温度依存性を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態における温度センサ１００の検出部（ＭＱＢ構造部、ＱＷ構造部）５０のエネルギーバンドを示す図面である。 比較例における温度センサの検出部（ＱＷ構造部）のエネルギーバンドを示す図面である。 ＭＱＢ構造部、ＱＷ構造部にＳｉＧｅ／Ｓｉ（Ｇｅ＝３０％）を用いた場合の各ＳｉＧｅ膜厚における障壁高さとＳｉ膜厚との関係を示すグラフである。 ＭＱＢ構造部、ＱＷ構造部にＳｉＧｅ／Ｓｉ（Ｇｅ＝５０％）を用いた場合の各ＳｉＧｅ膜厚における障壁高さとＳｉ膜厚との関係を示すグラフである。 ＭＱＢ構造部、ＱＷ構造部にＳｉＧｅ／Ｓｉ（Ｇｅ＝１００％）を用いた場合の各ＳｉＧｅ膜厚における障壁高さとＳｉ膜厚との関係を示すグラフである。 図７〜図９の各グラフにおける包絡線を示すものであり、あり、ＭＱＢ構造部を設けない場合の障壁高さに対する仮想障壁高さの増加率とＳｉ膜厚との関係を示すグラフである。 ＭＱＢ構造部、ＱＷ構造部にＳｉＧｅ／Ｓｉ（Ｇｅ＝３０％）を用いた場合の各Ｓｉ膜厚における障壁高さとＳｉＧｅ膜厚との関係を示すグラフである。 ＭＱＢ構造部、ＱＷ構造部にＳｉＧｅ／Ｓｉ（Ｇｅ＝５０％）を用いた場合の各Ｓｉ膜厚における障壁高さとＳｉＧｅ膜厚との関係を示すグラフである。 ＭＱＢ構造部、ＱＷ構造部にＳｉＧｅ／Ｓｉ（Ｇｅ＝１００％）を用いた場合の各Ｓｉ膜厚における障壁高さとＳｉＧｅ膜厚との関係を示すグラフである。 図１１〜図１３の各グラフにおける包絡線を示すものであり、あり、ＭＱＢ構造部を設けない場合の障壁高さに対する仮想障壁高さの増加率とＳｉＧｅ膜厚との関係を示すグラフである。 ＭＱＢ構造部における繰り返し数毎の反射率とエネルギーとの関係を示すグラフである。 ＭＱＢ構造部における繰り返し数と障壁高さとの関係を示すグラフである。 ＱＷ構造部の障壁層の膜厚毎の反射率とエネルギーとの関係を示すグラフである。 図１７を部分的に拡大したグラフである。 本発明の第１の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、ＳＯＩ基板の準備工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、熱酸化膜のパターンニング工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、検出部の製造工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、シリコン層形成工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、酸化膜形成工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態における温度センサ１００の製造工程を示すものであり、電極形成工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態における温度センサ２００の概略構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態における温度センサ２００の製造工程を示すものであり、ＳＯＩ基板の準備工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態における温度センサ２００の製造工程を示すものであり、犠牲層エッチング工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態における温度センサ２００の製造工程を示すものであり、封止工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態における温度センサ２００の製造工程を示すものであり、熱酸化膜形成工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態における温度センサ２００の製造工程を示すものであり、検出部形成工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態における温度センサ２００の製造工程を示すものであり、電極形成工程を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。

（第１の実施の形態）
まず、第１の実施の形態について説明する。本実施の形態における温度センサ１００は、検出部５０の温度の変化による電流変化を検出するものであり、特に赤外線センサに適用して好適なものである。換言すると、温度の変化によって抵抗値が変化する検出部５０を備えた温度センサである。つまり、本実施の形態における温度センサ１００は、｜ＴＣＲ｜が大きいため、赤外線の検出に適用することによって、非常に高感度に赤外線を検出することができるので好ましい。

図１に示されるように、本実施の形態における温度センサ１００は、基板（例えば、シリコン基板であり、以下、シリコン基板とも称する）１０をベースに形成されている。このシリコン基板１０には、開口部１１が形成されており、この開口部１１が形成された部位においてメンブレンが構成される。

開口部１１は、シリコン基板１０の表面と裏面を貫通するように形成されている。具体的には、開口部１１は、シリコン基板１０の裏面側から表面に向かって開口面積が狭くなるように構成されている。

また、シリコン基板１０の表面上には、絶縁膜（例えば、ＳｉＯ_２などの酸化膜、以下、酸化膜とも称する）２０が形成されている。この酸化膜２０の表面には、例えば、シリコン層に不純物を熱拡散させたことによって形成されたシリコン層３１（例えば、Ｓｉ（Ｐ^＋））がパターニングされて形成されている。つまり、上述のメンブレンは、開口部１１上に形成される絶縁膜２０の部分である。

このように構成されたシリコン基板１０と酸化膜２０およびシリコン層３１は、シリコン基板１０を支持基板、酸化膜２０を埋め込み層、シリコン層３１をＳＯＩ（silicon on insulator）層（活性層）とするＳＯＩ基板を用いて形成されたものである。なお、高濃度ＳＯＩ基板を購入して用いても良いし、上述のように活性層が低濃度のシリコン基板を購入し、その活性層に不純物(ボロン等)をドープして高濃度化しても良い。ドープの方法は、例えば、イオン注入後に活性化アニールするなどがある。

さらに、シリコン層３１は、熱酸化膜４０によって覆われ、この熱酸化膜４０の所定部位に形成された開口部（コンタクト用の開口部）を通じて、例えば、アルミニウムなどで構成された電極７２に電気的に接続されている。また、シリコン層３１は、熱酸化膜４０の所定部位に形成された開口部（検出部用の開口部）４１を通じて、検出部５０が形成されている。また、検出部５０の表面（シリコン層３１と接する面の反対面）には、上述のシリコン層３１と同様のシリコン層３２（例えば、Ｓｉ（Ｐ^＋））が形成されている。そして、シリコン層３２は、例えば、アルミニウムなどで構成された電極７１に電気的に接続されている。なお、この検出部５０に関しては、後ほど詳しく説明する。

また、酸化膜２０、シリコン層３２、熱酸化膜４０、検出部５０を覆うように酸化膜（例えば、ＳｉＯ_２）６０が形成され、検出部５０が保護されている。この酸化膜６０は、シリコン層３１、検出部５０、シリコン層３２を積層した厚みよりも厚く形成されており、熱酸化膜４０に形成された開口部に対応する部位に、電極７１、７２が配置される開口部６１、６２が形成されている（図２３参照）。なお、電極７１、７２は、シリコン層３２、３１から熱酸化膜４０の開口部（電極７２の場合）、酸化膜６０の開口部、及び酸化膜６０の表面（酸化膜２０と接する面の反対面）に形成される。

この酸化膜６０に形成された電極７１、７２の表面には、窒化膜（ＳｉＮ）８１が形成されている。この窒化膜８１は、電極７１、７２におけるパッド部を構成するための開口部８１ａ、８１ｂが形成されている。温度センサ１００は、この開口部８１ａ、８１ｂを通じてパッド部に対してワイヤボンディングなどがなされることで、外部に備えられる処理回路（図示省略）に電気的に接続されるようになっている。また、窒化膜８１における検出部５０に対応する位置には、カーボンペーストなどからなる赤外線吸収膜９０が形成されている。

そして、シリコン基板１０における裏面側には、窒化膜（ＰＥ−ＳｉＮ）８２が形成されている。この窒化膜８２には開口部８２ａが形成されており、この開口部を通じてシリコン基板１０の開口部１１が形成されている。

次に、本発明の特徴部分である検出部５０の構造に関して説明する。図２に示すように、本実施の形態における温度センサ１００の検出部５０は、ＱＷ構造部（Quantum well構造部、量子井戸構造部）５３と、ＱＷ構造部５３を挟むように設けられたＭＱＢ構造部（Multi Quantum Barrier構造部、量子障壁構造部）５１、５２とを備える。この検出部５０は、シリコン基板１０に開口部１１を設けることによって、ＳＯＩ基板に形成されたメンブレン上に形成される。このように、検出部５０をメンブレン上に設けることによって、熱コンダクタンスを小さくすることができるため感度を向上させることができる。

ＱＷ構造部５３は、複数（本実施の形態では二つ）の障壁層（第１障壁層）５３ａと障壁層（第１障壁層）５３ｃ、複数の障壁層５３ａと障壁層５３ｃとに挟まれた井戸層５３ｂ（第１井戸層）とを備える。換言すると、障壁層５３ａ、５３ｃ、井戸層５３ｂは、シリコン基板１０の表面に垂直な方向に、障壁層５３ａ、井戸層５３ｂ、障壁層５３ｃの順番で積層されている。

また、障壁層５３ａ、５３ｃは、井戸層５３ｂを構成する材料のバンドギャップよりもバンドギャップが大きな材料によって構成される。よって、井戸層５３ｂは、障壁層５３ａ、５３ｃを構成する材料のバンドギャップよりもバンドギャップが小さな材料によって構成される。例えば、障壁層５３ａ、５３ｃはＳｉで構成され、井戸層５３ｂはＳｉＧｅで構成することができる。

シリコン層３１上に形成されるＭＱＢ構造部５２は、複数の井戸層（第２井戸層）５２ａと複数の井戸層５２ａに挟まれた障壁層（第２障壁層）５２ｂを複数備える。換言すると、井戸層５２ａと障壁層５２ｂは、シリコン基板１０の表面に垂直な方向に、井戸層５２ａ、障壁層５２ｂの順番で繰り返し積層されている。つまり、複数の井戸層５２ａと複数の障壁層５２ｂとが複数層重なった構造を有する。換言すると、井戸層５２ａと障壁層５２ｂとが交互の複数回繰り返し積層された構造を有する。さらに言い換えると、一つの井戸層５２ａと一つの井戸層５２ａに挟まれた一層の障壁層５２ｂからなる単層のＱＢ構造（Quantum Barrier構造）が複数回繰り返し積層された構造である。このとき、二つの障壁層間に挟まれた井戸層は、二つの単層のＱＢ構造部で兼用されることになる。例えば、本実施の形態においては、シリコン基板１０側から井戸層５２ａ、障壁層５２ｂ、井戸層５２ａ、障壁層５２ｂ、井戸層５２ａ、障壁層５２ｂ、井戸層５２ａの順番で多重に積層されている。従って、ＭＱＢ構造部５２における井戸層５２ａ、障壁層５２ｂ、ＱＷ構造部５３における障壁層５３ａ、井戸層５３ｂ、障壁層５３ｃは同一の積層方向に積層される。このようにすることによって、複数の井戸層５２ａに障壁層５２ｂが挟まれた一重のＱＢ構造（Quantum Barrier構造）に比べて、仮想障壁高さを高くすることができる。従って、｜ＴＣＲ｜の値も大きくすることができるので好ましい。

また、障壁層５２ｂは、井戸層５２ａを構成する材料のバンドギャップよりもバンドギャップが大きな材料によって構成される。よって、井戸層５２ａは、障壁層５２ｂを構成する材料のバンドギャップよりもバンドギャップが小さな材料によって構成される。例えば、障壁層５２ｂはＳｉで構成され、井戸層５２ａはＳｉＧｅで構成することができる。

なお、ＭＱＢ構造部５１は、ＭＱＢ構造部５２と同様の構成を有するため説明を省略する。つまり、ＭＱＢ構造部５１における障壁層５１ｂは、ＭＱＢ構造部５２の障壁層５２ｂに対応し、ＭＱＢ構造部５１における井戸層５１ａは、ＭＱＢ構造部５２の井戸層５２ａに対応する。また、ＭＱＢ構造部５１における障壁層５１ｂ、井戸層５１ａは、ＭＱＢ構造部５２における井戸層５２ａ、障壁層５２ｂ、ＱＷ構造部５３における障壁層５３ａ、井戸層５３ｂ、障壁層５３ｃと同一の積層方向に積層される。

このように、ＱＷ構造部５３の少なくとも一方の面側にＭＱＢ構造部５１、５２を設ける（つまり、ＱＷ構造部５３にＭＱＢ構造部５１のみを設けるか、ＱＷ構造部５３にＭＱＢ構造部５２のみを設けるか、ＱＷ構造部５３にＭＱＢ構造部５１とＭＱＢ構造部５２の両方を設ける）ことによって、ＭＱＢ構造部５１、５２がない場合（図６参照）に対して、図５に示すようにＱＷ構造部５３の障壁層５３ａ、５３ｃの障壁高さを仮想的に増加(ΔＶ)させることができる。障壁高さが仮想的に増加すると、ＴＣＲ＝−１／ｋ_ＢＴ^２×（３ｋ_ＢＴ／２＋Ｖ−Ｅ_ｆ＋ΔＶ）にて示されるように、ＭＱＢ構造部５１、５２がない場合に対して｜ＴＣＲ｜の値を大きくすることができる。従って、温度センサ１００の感度を向上させることができる。なお、ｋ_Ｂ：ボルツマン定数、Ｔ［Ｋ］:絶対温度、Ｖ（＝Ｅ_Ｂ−Ｅ_Ｗ）:障壁エネルギー、Ｅ_Ｂ:障壁層の価電子帯の底（または伝導帯の底）のエネルギー、Ｅ_Ｗ:井戸層の価電子帯の底（または伝導帯の底）のエネルギー、Ｅ_ｆ:フェルミエネルギー、ΔＶ：仮想障壁高さである。

ここで、図７〜図１０を用いて、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２における障壁層５１ｂ及び障壁層５２ｂの膜厚に関して説明する。なお、ここでは、一例として、ＭＱＢ構造部５１、ＭＱＢ構造部５２及びＱＷ構造部５３における障壁層５１ｂ、障壁層５２ｂ、障壁層５３ａ、障壁層５３ｃにＳｉ、井戸層５１ａ、井戸層５２ａ、井戸層５３ｂにＳｉＧｅを採用した。図７〜図９は、ＳｉＧｅの組成比を変えた場合の井戸層５１ａ、５２ａの膜厚（ＳｉＧｅ膜厚）における、障壁高さと障壁層５１ｂ、５２ｂの膜厚（Ｓｉ膜厚（Ｓｉ層厚））との関係を示すグラフである。図７はＧｅ＝３０％の場合、図８はＧｅ＝５０％の場合、図９はＧｅ＝１００％の場合のグラフである。また、図１１〜図１３は、井戸層５１ａ、５２ａの膜厚を５Å、１０Å、２０Å、３０Å、４０Å、５０Åとした場合のグラフである。また、図１０は、図７〜図９の各グラフにおける包絡線を示すものであり、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さに対する仮想障壁高さの増加率と障壁層５２ｂ、５２ｂの膜厚（Ｓｉ膜厚（Ｓｉ層厚））との関係を示すグラフである。なお、図１０に記載している古典障壁高さとは、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さ（ＱＷ構造部５３の障壁層５３ａ、５３ｃの障壁高さ）を示すものである。また、図１０は、この古典障壁高さで規格化したものである。

上述のように、ＱＷ構造部５３にＭＱＢ構造部５１やＭＱＢ構造部５２を設けることによって、障壁高さを仮想的に増加させることができる。一方、図１０に示すように、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さ（ＭＱＢ構造部５１やＭＱＢ構造部５２によって仮想的に増加した障壁高さ）が増加する割合は、ＭＱＢ構造部５１やＭＱＢ構造部５２における障壁層５１ｂ、５２ｂの膜厚を１００Å以上としても、障壁層５１ｂ、５２ｂの膜厚を１００Åとした場合よりも高くなりにくいことがわかった。よって、障壁層５１ｂ、５２ｂの膜厚は、０Åよりも厚く、１００Å以下とすると|ＴＣＲ|の値が大きくなり温度センサとしての感度が高くなるので好ましい。また、このようにすることによって、必要以上に障壁層５２ｂを厚く形成することを抑制でき、コストアップを抑制することもできる。

また、図１０のグラフからわかるように、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが増加する割合は、特に、障壁層５１ｂ、５２ｂの膜厚が６０Å以下の場合に高くなる傾向にある。よって、障壁層５１ｂ、５２ｂの膜厚は、より好ましくは、０Åよりも厚く、６０Å以下とするとよい。

さらに、図１０のグラフからわかるように、障壁層５１ｂ、５２ｂの膜厚が２５Å以下の場合、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが５０％増し（つまり、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さの１．５倍）以上になりやすくなる（つまり、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さの１．５倍）。よって、障壁層５１ｂ、５２ｂの膜厚は、より好ましくは、０Åよりも厚く、２５Å以下とするとよい。

また、図１０のグラフからわかるように、障壁層５１ｂ、５２ｂの膜厚が９Å以上であり、２５Å以下の場合、障壁層５１ｂ、５２ｂを構成する材料の組成比よらず仮想的な障壁高さが５０％増し以上になりやすくなる。よって、第２障壁層の膜厚は、より好ましくは、９Åよりも厚く、２５Å以下とするとよい。

また、図７〜図９のグラフのピークは仮想的な障壁高さが最も高くなりやすい１次ピークである。

次に、図１１〜図１４を用いて、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２における井戸層５１ａ及び井戸層５２ａの膜厚に関して説明する。なお、ここでは、一例として、ＭＱＢ構造部５１、ＭＱＢ構造部５２及びＱＷ構造部５３における障壁層５１ｂ、障壁層５２ｂ、障壁層５３ａ、障壁層５３ｃにＳｉ、井戸層５１ａ、井戸層５２ａ、井戸層５３ｂにＳｉＧｅを採用した。図１１〜図１３は、ＳｉＧｅの組成比を変えた場合の障壁層５１ｂ、５２ｂの膜厚（Ｓｉ膜厚）における、障壁高さと井戸層５１ａ、５２ａの膜厚（ＳｉＧｅ膜厚（ＳｉＧｅ層厚））との関係を示すグラフである。図１１はＧｅ＝３０％の場合、図１２はＧｅ＝５０％の場合、図１３はＧｅ＝１００％の場合のグラフである。また、図１１〜図１３は、障壁層５１ｂ、５２ｂの膜厚を５Å、１０Å、２０Å、３０Å、４０Å、５０Åとした場合のグラフである。また、図１４は、図１１〜図１３の各グラフにおける包絡線を示すものであり、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さに対する仮想障壁高さの増加率と井戸層５１ａ、５２ａの膜厚（ＳｉＧｅ膜厚（ＳｉＧｅ層厚））との関係を示すグラフである。なお、図１４に記載している古典障壁高さとは、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さ（ＱＷ構造部５３の障壁層５３ａ、５３ｃの障壁高さ）を示すものである。また、図１４は、この古典障壁高さで規格化したものである。

井戸層５１ａ及び井戸層５２ａに関しては、図１４に示すように、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さ（ＭＱＢ構造部５１やＭＱＢ構造部５２によって仮想的に増加した障壁高さ）が増加する割合は、ＭＱＢ構造部５１やＭＱＢ構造部５２における井戸層５１ａ、５２ａの膜厚を２００Å以上としても、井戸層５１ａ、５２ａの膜厚を２００Åとした場合よりも高くなりにくいことがわかった。よって、井戸層５１ａ、５２ａの膜厚は、０Åよりも厚く、２００Å以下とすると|ＴＣＲ|の値が大きくなり温度センサとしての感度が高くなるので好ましい。また、このようにすることによって、必要以上に障壁層５２ｂを厚く形成することを抑制でき、コストアップを抑制することもできる。

また、図１４のグラフからわかるように、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが増加する割合は、特に、井戸層５１ａ、５２ａの膜厚が１００Å以下の場合に高くなる傾向にある。よって、井戸層５１ａ、５２ａの膜厚は、より好ましくは、０Åよりも厚く、１００Å以下とするとよい。

さらに、図１４のグラフからわかるように、井戸層５１ａ、５２ａの膜厚が３６Å以下の場合、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが５０％増し以上になりやすくなる。よって、井戸層５１ａ、５２ａの膜厚は、より好ましくは、０Åよりも厚く、３６Å以下とするとよい。

また、図１４のグラフからわかるように、井戸層５１ａ、５２ａの膜厚が６Å以上であり、３６Å以下の場合、井戸層５１ａ、５２ａを構成する材料の組成比よらず仮想的な障壁高さが５０％増し以上になりやすくなる。よって、井戸層５１ａ、５２ａの膜厚は、より好ましくは、６Åよりも厚く、３６Å以下とするとよい。

また、図１１〜図１４のグラフからわかるように、井戸層５１ａ、５２ａの膜厚は、仮想的に増加した障壁高さが１次ピークになるときの膜厚とすることによって、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが５０％増し以上になりやすくなるので好ましい。さらに、井戸層５１ａ、５２ａの膜厚は、仮想的に増加した障壁高さが２次ピークになるときの膜厚とすることによっても、ＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を設けない場合の障壁高さに対して、仮想的な障壁高さが５０％増し以上になりやすくなるので好ましい。

次に、図１５、１６を用いて、ＭＱＢ構造部５１、ＭＱＢ構造部５２における井戸層５１ａと障壁層５１ｂ、井戸層５２ａと障壁層５２ｂの繰り返し数に関して説明する。図１５は、図２に示すような構造を有し（つまり、ＱＷ構造部５３の両方にＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を備える）、ＭＱＢ構造部５１、ＭＱＢ構造部５２及びＱＷ構造部５３における障壁層５１ｂ、障壁層５２ｂ、障壁層５３ａ、障壁層５３ｃにＳｉ、井戸層５１ａ、井戸層５２ａ、井戸層５３ｂにＳｉＧｅを採用したものをモデルとしてシミュレーションした場合の、繰り返し数（ｎ）毎の反射率（井戸層５３ｂと障壁層５３ａ、及び井戸層５３ｂと障壁層５３ｃとの界面における反射率）とエネルギーとの関係をすグラフである。なお、このモデルの構造パラメータ、物性値などは、Ｇｅ組成は３０％、障壁層５１ｂ及び障壁層５２ｂの膜厚は３０Å、井戸層５１ａ及び井戸層５２ａの膜厚は３０Å、障壁層５１ｂ及び障壁層５２ｂの層数は各５、障壁層５３ａ及び障壁層５３ｃの膜厚は３００Å、ホール有効質量は０．２５７ｍ０（ＳｉＧｅ），０．２９１ｍ０（Ｓｉ）である。ただし、ｍ０は電子質量。なお、障壁高さの定義は、反射率が始めて５０％未満となるエネルギーとする。また、図１６は、このシミュレーション結果に基づく、障壁高さと繰り返し数との関係を示すグラフである。

なお、この繰り返し数は、井戸層５１ａと障壁層５１ｂ、又は、井戸層５２ａと障壁層５２ｂを一組とした場合、何組積層したかを示すものである。なお、ここでは、ＭＱＢ構造部５１とＭＱＢ構造部５２における繰り返し数は同数とする。つまり、１組の場合（井戸層５１ａと障壁層５１ｂ、及び井戸層５２ａと障壁層５２ｂだけ積層されている場合）は、繰り返し数は１となる。また、３組の場合（井戸層５１ａと障壁層５１ｂが３層ずつ交互に積層され、井戸層５２ａと障壁層５２ｂが３層ずつ交互に積層されている場合）は、繰り返し数は３となる。

図１５、図１６のグラフから分かるように、繰り返し数が３以上の場合は、反射率が初めて５０％未満となるエネルギーが３５０ｍｅＶとなる。よって、繰り返し数を３以上にすると、仮想的に増加する障壁高さを飽和状態とすることができるので好ましい。換言すると、ＭＱＢ構造部５１では、井戸層５１ａと障壁層５１ｂの組が３組以上、ＭＱＢ構造部５２では、井戸層５２ａと障壁層５２ｂの組が３組以上にすると仮想的に増加する障壁高さを飽和状態とすることができるので好ましい。

次に、図１７、１８を用いて、ＱＷ構造部５３における障壁層５３ａ、障壁層５３ｃの膜厚に関して説明する。図１７は、図２に示すような構造を有し（つまり、ＱＷ構造部５３の両方にＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２を備える）、ＭＱＢ構造部５１、ＭＱＢ構造部５２及びＱＷ構造部５３における障壁層５１ｂ、障壁層５２ｂ、障壁層５３ａ、障壁層５３ｃにＳｉ、井戸層５１ａ、井戸層５２ａ、井戸層５３ｂにＳｉＧｅを採用したものをモデルとしてシミュレーションした場合の、繰り返し数（ｎ）毎の反射率（井戸層５３ｂと障壁層５３ａ、及び井戸層５３ｂと障壁層５３ｃとの界面における反射率）とエネルギーとの関係を示すグラフである。なお、このモデルの構造パラメータ、物性値などは、Ｇｅ組成は３０％、障壁層５１ｂ及び障壁層５２ｂの膜厚は１０Å、井戸層５１ａ及び井戸層５２ａの膜厚は１３Å、障壁層５１ｂ及び障壁層５２ｂの層数は各５、障壁層５３ａ及び障壁層５３ｃの膜厚は０〜４００Å（０Å、５０Å、１００Å、２００Å、３００Å、４００Å）、ホール有効質量は０．２５７ｍ０（ＳｉＧｅ），０．２９１ｍ０（Ｓｉ）である。また、図１８は、図１７のグラフの囲った部分の拡大図である。

図１７、１８から明らかなように、障壁層５３ａ及び障壁層５３ｃの膜厚が０Å、５０Å、１００Å、２００Åなどの場合は、例えば２６０ｍｅＶ以下においても反射率が９５％より小さくなることがある。一方、障壁層５３ａ及び障壁層５３ｃの膜厚が３００Å、４００Åの場合は、３４０ｍｅＶ程度までは反射率が９５％以上である。このように、障壁層５３ａ、障壁層５３ｃの膜厚は、３００Å以上とすることによって、広いエネルギー範囲（例えば、３４０ｍｅＶ程度まで）で井戸層５３ｂと障壁層５３ａ、及び井戸層５３ｂと障壁層５３ｃとの界面における反射率（ホールの反射率）を９５％以上とでき、ＱＷ構造部５３における井戸層５３ｂからＭＱＢ構造部５１及びＭＱＢ構造部５２へのトンネリングをほぼ完全にストップすることができる。このようにトンネリングをほぼ完全にストップすることができると、トンネリングによる障壁高さの低減を抑制することができ、その結果|ＴＣＲ|の低下を抑制できるので好ましい。

なお、本実施の形態におけるＱＷ構造部５３は、障壁層５３ａ、５３ｃに挟まれた一層の井戸層５３ｂからなる単層のＱＷ構造を例として採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、障壁層と井戸層とがそれぞれ複数層重なったＭＱＷ構造（Multi Quantum well構造）を採用するようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、複数の井戸層５２ａと複数の障壁層５２ｂとが複数層重なったＭＱＢ構造部５１、５２を例として採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。複数の障壁層５２ｂと複数の障壁層５２ｂに挟まれた一層の井戸層５２ａからなる単層のＱＢ構造（Quantum Barrier構造）を採用するようにしてもよい。

また、本実施の形態においては、ＱＷ構造部５３を挟むように二つのＭＱＢ構造部５１、５２を設ける例を採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。二つのＭＱＢ構造部５１、５２のうち少なくとも一方を設ければ本発明の目的は達成できるものである。つまり、ＭＱＢ構造部は、ＱＷ構造部５３のＳＯＩ基板と対向する対向面側、及び、対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されていれば、本発明の目的は達成できるものである。

また、ＱＢ構造は、ＱＷ構造部５３における障壁層（第１障壁層）５３ａ上に設けられる一層の井戸層５２ａと、この井戸層５２ａ上に設けられる一層の障壁層５２ｂからなるもの、もしくは、ＱＷ構造部５３における障壁層（第１障壁層）５３ｃ上に設けられる一層の井戸層５１ａと、この井戸層５１ａ上に設けられる一層の障壁層５１ｂからなるものであってもよい。つまり、ＭＱＢ構造部５１は、井戸層５１ａと障壁層５１ｂからなる単層のＱＢ構造が複数回繰り返し積層された構造であり、ＭＱＢ構造部５２は、井戸層５２ａと障壁層５２ｂからなる単層のＱＢ構造が複数回繰り返し積層された構造であっても、本発明の目的は達成できるものである。よって、ＱＷ構造部５３のＳＯＩ基板と対向する対向面側、及び、対向面の反対面側の少なくとも一方に、一層の井戸層５２ａ（井戸層５１ａ）と、この井戸層５２ａ（井戸層５１ａ）上に設けられる一層の障壁層５２ｂ（障壁層５１ｂ）とが形成されていれば、本発明の目的は達成できるものである。

また、上述のように、井戸層５２ａ、５３ｂを構成する材料として採用したＳｉＧｅ、障壁層５２ｂ、５３ａ、５３ｃを構成する材料として採用したＳｉは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）と互換性がある材料である。従って、ＣＭＯＳを製造している場合などは、製造コストを低く抑えることができる。

ただし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、井戸層５２ａ、５３ｂを構成する材料としてＧａＡｓ、障壁層５２ｂ、５３ａ、５３ｃを構成する材料としてＡｌＧａＡｓを採用するようにしてもよい。図３は、ＭＱＢ構造部５１、５２、ＱＷ構造部５３にＳｉＧｅ／Ｓｉ（Ｇｅ＝３５％）を用いた場合の量子井戸の温度依存性を示すグラフである。図４は、ＭＱＢ構造部５１、５２、ＱＷ構造部５３にＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝４３％）を用いた場合の量子井戸の温度依存性を示すグラフである。この図３、図４からわかるように、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓを用いることによって、｜ＴＣＲ｜の値をより一層大きくすることができるので好ましい。

また、ＱＷ構造部５３の井戸層５３ｂとＭＱＢ構造部５１、５２との間に配置される障壁層５３ａ、５３ｃの膜厚は、井戸層５３ｂ、井戸層５１ａ、５２ａ、及び障壁層５１ｂ、５２ｂの各層の膜厚よりも厚く形成されるようにしてもよい。このようにすることによって、井戸層５３ｂからＭＱＢ５１、５２への電子のトンネリングを防ぐことができる。

このような構成の温度センサ１００においては、上部から入射した赤外線を赤外線吸収膜９０で吸収する。この赤外線の吸収によって、メンブレンの温度が上昇する。２つの電極７１、７２に直流電圧を与え、検出部５０を流れる電流変化で上昇した温度を検出する。

ここで、図１９から図２４を用いて、温度センサ１００の製造方法に関して説明する。

まず、図１９に示すように、シリコン基板（支持基板）１０、酸化膜（絶縁膜）２０、シリコン層（活性層）３１からなるＳＯＩ基板を準備する。このＳＯＩ基板は、高濃度ＳＯＩ基板を購入しても良いし、活性層が低濃度のシリコン基板を購入しその活性層に不純物(ボロン等)をドープして高濃度化しても良い。ドープの方法は、例えば、イオン注入→活性化アニールがある。

次に、図２０に示すように、検出部５０に対応するシリコン層３１に達する開口部４１を有する熱酸化膜（マスク）４０を形成する（マスク形成工程）。換言すると、シリコン層３１の表面に形成されるものであり、検出部５０及び電極７２を形成する位置に、シリコン層３１まで達する開口部４１を有するマスク４０を形成する。具体的には、少なくとも検出部５０及び電極７２が電気的に接続される部位を残してシリコン層３１をパターンニングする。その後、シリコン層３１を熱酸化して熱酸化膜４０を形成する。そして、その熱酸化膜４０をパターンニングして、検出部５０を形成する領域に開口部４１を形成する。

次に、図２１に示すように、開口部４１に対して、検出部５０（ＱＷ構造部５３、ＭＱＢ構造部５１、５２）を構成する各層を選択的に成膜（選択エピ成長）する（成膜工程）。つまり、開口部４１によって露出したシリコン層３１の表面に、検出部５０を構成する各層を選択的に成膜する。具体的には、開口部４１にて露出したシリコン層３１上に、ＭＱＢ構造部５２を構成する井戸層５２ａ、障壁層５２ｂを、この順番でそれぞれ複数層成長させる。つまり、井戸層５２ａを構成するＳｉＧｅやＧａＡｓ、障壁層５２ｂを構成するＳｉやＡｌＧａＡｓ、井戸層５２ａを構成するＳｉＧｅやＧａＡｓ、障壁層５２ｂを構成するＳｉやＡｌＧａＡｓ、井戸層５２ａを構成するＳｉＧｅやＧａＡｓ、障壁層５２ｂを構成するＳｉやＡｌＧａＡｓ、井戸層５２ａを構成するＳｉＧｅやＧａＡｓを、この順番で成長させる。

次に、ＭＱＢ構造部５２上に、ＱＷ構造部５３を構成する障壁層５３ａ、井戸層５３ｂ、障壁層５３ｃを、ＭＱＢ構造部５２側からこの順番で成長させる。つまり、障壁層５３ａを構成するＳｉやＡｌＧａＡｓ、井戸層５３ｂを構成するＳｉＧｅやＧａＡｓ、障壁層５３ｃを構成するＳｉやＡｌＧａＡｓを、この順番で成長させる。

そして、ＱＷ構造部５３上に、ＭＱＢ構造部５１を構成する井戸層５１ａ、障壁層５１ｂを、この順番でそれぞれ複数層成長させる。つまり、井戸層５１ａを構成するＳｉＧｅやＧａＡｓ、障壁層５１ｂを構成するＳｉやＡｌＧａＡｓ、井戸層５１ａを構成するＳｉＧｅやＧａＡｓ、障壁層５１ｂを構成するＳｉやＡｌＧａＡｓ、井戸層５１ａを構成するＳｉＧｅやＧａＡｓ、障壁層５１ｂを構成するＳｉやＡｌＧａＡｓ、井戸層５１ａを構成するＳｉＧｅやＧａＡｓを、この順番で成長させる。

このようにすることによって、ＭＱＢ構造部５１、５２がない場合に対して｜ＴＣＲ｜の値が大きく、感度を向上させることができる温度センサ１００を簡易なプロセスで製造することができる。

次に、図２２に示すように、検出部５０の表面（上面、シリコン層３１と対向する面の反対面）に例えばＳｉ（Ｐ^＋）のシリコン層３２を形成する。そして、図２３に示すように、酸化膜６０を成膜する。そして、その酸化膜６０と熱酸化膜４０をパターンニングして、電極７１、７２を形成するための開口部６１、６２を形成することによってシリコン層３１、シリコン層３２を部分的に露出させる。

次に、図２４に示すように、上述の工程で形成した開口部６１、６２が形成された酸化膜６０上に電極７１、７２を構成する例えばアルミニウムを成膜する。そして、成膜した電極７１、７２を構成する材料をパターンニングして、電極７１、７２を形成する。これによって、電極７１、７２は、開口部６１、６２、及び酸化膜６０の表面（上面）に形成され、シリコン層３１、３２に電気的に接続する。その後、酸化膜６０の表面（上面）に形成された電極７１、７２上に窒化膜（ＳｉＮ）８１を成膜して、窒化膜８１をパターンニングして電極７１、７２におけるパッド部を構成するための開口部８１ａ、８１ｂを形成する。さらに、シリコン基板１０の裏面を研削・研磨して、窒化膜（ＰＥ−ＳｉＮ）８２を成膜する。

その後、検出部５０がメンブレン上に配置されるようにするために、シリコン基板１０及び窒化膜８２に開口部１１を形成する。具体的には、シリコン基板１０の裏面に形成された窒化膜８２をパターンニングして、シリコン基板１０をウェットエッチングして開口部１１を形成する。そして、窒化膜８１における検出部５０に対応する位置に、カーボンペーストなどからなる赤外線吸収膜９０を形成する。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態における温度センサ２００は、上述の実施の形態における温度センサ１００と同等な箇所が多いため、本実施の形態においては、上述の実施の形態との相違点を中心的に説明する。また、上述の実施の形態と同等な箇所に関しては、図面において同じ符号を付与して詳しい説明を省略する。

図２５に示されるように、本実施の形態における温度センサ１００は、基板（例えば、シリコン基板であり、以下、シリコン基板とも称する）１０ａをベースに形成されている。このシリコン基板１０ａの表面には、真空の空洞部６０ａ１が形成されている。また、シリコン基板１０ａ上には、メンブレンを構成するものであり、空洞部６０ａ１を形成するためのエッチング用の開口部３３ａ、３３ｂを有するシリコン層３３が酸化膜６０ａを介して形成されている。

また、シリコン層３３上には、空洞部６０ａ１を封止するための例えばＳｉＧｅからなるエピタキシャル層が形成されている。つまり、空洞部６０ａ１は、エピシール技術によって形成される。ここで用いているエピシールとはエピタキシャル反応容器を使用したシールすなわち封止のことである。なお、エピタキシャル層は、ＳｉＧｅ（Ｎ）層３４ａ、ＳｉＧｅ（Ｐ^＋）層３４ｂ、ＳｉＧｅ（Ｎ）層３４ｃからなるものである。ＳｉＧｅ（Ｐ^＋）層３４ｂは、検出部５０、電極７２が接続される部分であり、ＳｉＧｅ（Ｎ）層に部分的にボロンをイオン注入するなどして形成されている。そして、空洞部６０ａ１上には、シリコン層３３、ＳｉＧｅ（Ｐ^＋）層３４ｂを介して検出部５０が形成されている。

このように、検出部５０が形成されるシリコン層３３（メンブレン）とシリコン基板３３との間に、エピタキシャル層（ＳｉＧｅ（Ｎ）層３４ａ、ＳｉＧｅ（Ｐ^＋）層３４ｂ、ＳｉＧｅ（Ｎ）層３４ｃ）によって封止された真空の空洞部６０ａ１を備えることによって、シリコン層３３下部が真空になるため熱コンダクタンスを下げることができ、感度を向上させることができる。

ここで、図２６から図３１を用いて、温度センサ２００の製造方法に関して説明する。

まず、図２６に示すように、シリコン基板（支持基板）１０ａ、酸化膜（絶縁膜）６０ａ、例えばＳｉ（Ｐ^＋）からなるシリコン層（活性層）３３からなるＳＯＩ基板を準備する。このＳＯＩ基板は、高濃度ＳＯＩ基板を購入しても良いし、活性層が低濃度のシリコン基板を購入しその活性層に不純物(ボロン等)をドープして高濃度化しても良い。ドープの方法は、例えば、イオン注入→活性化アニールがある。そして、シリコン層３３をパターンニングして、空洞部６０ａ１をエッチングで形成するための酸化膜６０ａに達する開口部３３ａ、３３ｂを形成する（開口部形成工程）。

次に、図２７に示すように、酸化膜６０を部分的（検出部５０に対応する領域）に、フッ酸を用いて、開口部３３ａ、３３ｂから犠牲層エッチングを行ない、空洞部６０ａ１となる空間を形成する（エッチング工程）。つまり、検出部５０が真空の空洞部６０ａ１上に配置されるように、検出部５０を形成する位置に対応する領域に空間を形成する。

次に、図２８に示すように、エッチング工程終了後に、シリコン層３３上にエピタキシャル層（ここでは、ＳｉＧｅ（Ｎ）層）３４を成膜して開口部３３ａ、３３ｂを塞ぐことによって、エッチングされた領域（空間）を真空封止する（封止工程）。このようにして、真空の空洞部６０ａ１を形成する。

次に、図２９に示すように、エピタキシャル層であるＳｉＧｅ（Ｎ）層における検出部５０、電極７２が接続される部分に、ボロンをイオン注入するなどしてＳｉＧｅ（Ｐ^＋）層３４ｂを形成する。これによって、エピタキシャル層は、ＳｉＧｅ（Ｎ）層３４ａ、ＳｉＧｅ（Ｐ^＋）層３４ｂ、ＳｉＧｅ（Ｎ）層３４ｃとなる。そして、ＳｉＧｅ（Ｎ）層３４ａ、ＳｉＧｅ（Ｎ）層３４ｃをパターンニングする。例えば、空洞部６０ａ１上にのみに、ＳｉＧｅ（Ｎ）層３４ａ、ＳｉＧｅ（Ｐ^＋）層３４ｂ、ＳｉＧｅ（Ｎ）層３４ｃが配置され、少なくとも検出部５０及び電極７２が電気的に接続される部位を残してパターンニングする。

その後、シリコン層３３とＳｉＧｅ（Ｎ）層３４ａ、ＳｉＧｅ（Ｐ^＋）層３４ｂ、ＳｉＧｅ（Ｎ）層３４ｃとを熱酸化して熱酸化膜（マスク）４０を形成し、検出部５０を形成する領域にＳｉＧｅ（Ｐ^＋）層３４ｂに達する開口部４１を形成する（マスク形成工程）。

次に、図３０に示すように、開口部４１に対して、検出部５０（ＱＷ構造部５３、ＭＱＢ構造部５１、５２）を構成する各層を選択的に成膜（選択エピ成長）する（成膜工程）。そして、検出部５０の表面（上面、シリコン層３１と対向する面の反対面）に例えばＳｉ（Ｐ^＋）のシリコン層３２を形成する。なお、この成膜工程に関しては、上述の実施の形態と同等であるため詳しい説明は省略する。

次に、図３１に示すように、酸化膜６０ｂを成膜する。そして、その酸化膜６０と熱酸化膜４０をパターンニングして、電極７１、７２を形成するための開口部６１、６２を形成することによってＳｉＧｅ（Ｐ^＋）層３４ｂ、シリコン層３２を部分的に露出させる。次に、上述の工程で形成した開口部６１、６２が形成された酸化膜６０上に電極７１、７２を構成する例えばアルミニウムを成膜する。そして、成膜した電極７１、７２を構成する材料をパターンニングして、電極７１、７２を形成する。これによって、電極７１、７２は、開口部６１、６２、及び酸化膜６０の表面（上面）に形成され、ＳｉＧｅ（Ｐ^＋）層３４ｂ、シリコン層３２に電気的に接続する。その後、酸化膜６０の表面（上面）に形成された電極７１、７２上に窒化膜（ＳｉＮ）８１を成膜して、窒化膜８１をパターンニングして電極７１、７２におけるパッド部を構成するための開口部８１ａ、８１ｂを形成する。その後、窒化膜８１における検出部５０に対応する位置に、カーボンペーストなどからなる赤外線吸収膜９０を形成する。

このようにすることによって、検出部５０をエピタキシャル層上に形成できると共に、検出部の下部に真空となる空間（空洞部）を構成することができるため、熱コンダクタンスを下げることができ、温度センサの感度を向上させることができる。

１０，１０ａ シリコン基板、１１ 開口部、２０ 酸化膜、３１，３２，３３ シリコン層、３３ａ，３３ｂ 開口部、３４ ＳｉＧｅ層、４０ 熱酸化膜、４１ 開口部、５０ 検出部、５１，５２ ＭＱＢ構造部、５３ ＱＷ構造部、５３ａ 障壁層、５３ｂ 井戸層、５３ｃ 障壁層、６０，６０ａ，６０ 酸化膜、６０ａ１ 空洞部、６１，６２，６１ａ，６２ａ 開口部、７１，７２ 電極、８１ 窒化膜、８１ａ，８１ｂ 開口部、８２ 窒化膜、９０ 赤外線吸収膜、１００，２００ 温度センサ

Claims (24)

1. 基板に形成された検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサであって、
   前記検出部は、
   前記基板に形成されるものであり、複数の第１障壁層と複数の前記第１障壁層に挟まれた第１井戸層とを含む量子井戸構造部と、
   前記量子井戸構造部の前記基板と対向する対向面側、及び、当該対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、複数の第２井戸層と複数の前記第２井戸層に挟まれた第２障壁層とを有する量子障壁構造部と、
   を備えることを特徴とする温度センサ。
2. 基板に形成された検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサであって、
   前記検出部は、
   前記基板に形成されるものであり、複数の第１障壁層と複数の前記第１障壁層に挟まれた第１井戸層とを含む量子井戸構造部と、
   前記量子井戸構造部の前記基板と対向する対向面側、及び、当該対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、前記第１障壁層上に設けられる第２井戸層と当該第２井戸層上に設けられる第２障壁層とを有する量子障壁構造部と、
   を備えることを特徴とする温度センサ。
3. 前記量子障壁構造部は、複数の前記第２井戸層と複数の前記第２障壁層とが複数層重なった構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の温度センサ。
4. 前記量子障壁構造部は、前記第２井戸層と前記第２障壁層との組が、３組以上設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の温度センサ。
5. 前記第１井戸層と前記量子障壁構造部との間に配置される前記第１障壁層の膜厚は、前記第１井戸層、前記第２井戸層、及び第２障壁層の膜厚よりも厚く形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の温度センサ。
6. 前記量子井戸構造部及び前記量子障壁構造部は、前記基板に形成されたメンブレン上に形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の温度センサ。
7. 前記メンブレンと前記基板との間には、エピタキシャル層によって封止された真空の空洞部を備えることを特徴とする請求項６に記載の温度センサ。
8. 前記第１井戸層及び前記第２井戸層はＳｉＧｅで構成され、前記第１障壁層及び前記第２障壁層はＳｉで構成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の温度センサ。
9. 前記第１井戸層及び前記第２井戸層はＧａＡｓで構成され、前記第１障壁層及び前記第２障壁層はＡｌＧａＡｓで構成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の温度センサ。
10. 赤外線の検出に適用されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の温度センサ。
11. 前記第２障壁層の膜厚は、０Åよりも厚く、１００Å以下であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の温度センサ。
12. 前記第２障壁層の膜厚は、６０Å以下であることを特徴とする請求項１１に記載の温度センサ。
13. 前記第２障壁層の膜厚は、２５Å以下であることを特徴とする請求項１２に記載の温度センサ。
14. 前記第２障壁層の膜厚は、９Å以上であり、２５Å以下であることを特徴とする請求項１３に記載の温度センサ。
15. 前記第２障壁層の膜厚は仮想的に増加した第１障壁層の障壁高さが１次ピークになるときの膜厚であることを特徴とする請求項１１に記載の温度センサ。
16. 前記第２井戸層の膜厚は、０Åよりも厚く、２００Å以下であることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の温度センサ。
17. 前記第２井戸層の膜厚は、１００Å以下であることを特徴とする請求項１４に記載の温度センサ。
18. 前記第２井戸層の膜厚は、３６Å以下であることを特徴とする請求項１５に記載の温度センサ。
19. 前記第２井戸層の膜厚は、６Å以上であり、３６Å以下であることを特徴とする請求項１８に記載の温度センサ。
20. 前記第２井戸層の膜厚は、仮想的に増加した第１障壁層の障壁高さが１次ピークになるときの膜厚であることを特徴とする請求項１７に記載の温度センサ。
21. 前記第２井戸層の膜厚は、仮想的に増加した第１障壁層の障壁高さが２次ピークになるときの膜厚とすることを特徴とする請求項１７に記載の温度センサ。
22. 前記第１障壁層の膜厚は、３００Å以上とすることを特徴とする請求項１乃至２１のいずれか一項に記載の温度センサ。
23. 支持基板上に絶縁膜を介してＳｉからなる活性層を有するＳＯＩ基板と、前記ＳＯＩ基板に形成されるものであり、複数の第１障壁層と複数の前記第１障壁層に挟まれた第１井戸層とを含む量子井戸構造部と、前記量子井戸構造部の前記ＳＯＩ基板と対向する対向面側、及び、当該対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、複数の第２井戸層と複数の前記第２井戸層に挟まれた第２障壁層とを有する量子障壁構造部とを有する検出部とを備え、前記検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサの製造方法であって、
    前記検出部に対応する前記活性層に達する開口部を有するマスクを形成するマスク形成工程と、
    前記開口部に対して、前記検出部を構成する各層を選択的に成膜する成膜工程と、
    を備えることを特徴とする温度センサの製造方法。
24. 支持基板上に絶縁膜を介してＳｉからなる活性層を有するＳＯＩ基板と、前記ＳＯＩ基板に形成されるものであり、複数の第１障壁層と複数の前記第１障壁層に挟まれた第１井戸層とを含む量子井戸構造部と、前記量子井戸構造部の前記ＳＯＩ基板と対向する対向面側、及び、当該対向面の反対面側の少なくとも一方に形成されるものであり、複数の第２井戸層と複数の前記第２井戸層に挟まれた第２障壁層とを有する量子障壁構造部とを有する検出部とを備え、前記検出部の温度の変化による電流変化を検出する温度センサの製造方法であって、
    前記活性層に前記絶縁膜に達する開口部を形成する開口部形成工程と、
    前記絶縁膜における前記検出部に対応する領域を前記開口部からエッチングするエッチング工程と、
    前記エッチング工程終了後に、前記活性層上にエピタキシャル層を成膜して前記開口部を塞ぐことによって、エッチングされた領域を封止する封止工程と、
    前記エピタキシャル層上に前記検出部を構成する各層を成膜する成膜工程と、
    を備えることを特徴とする温度センサの製造方法。

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