JP2022102827A - 赤外線センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】赤外線センサの感度を高める観点から有利な技術を提供する。【解決手段】本開示の赤外線センサ１ａは、ベース基板１０、赤外線受光部２０、及び梁３０を具備する。梁３０は、離隔部３１において赤外線受光部２０に接続されている。梁３０は、ｐ型半導体を含むｐ型部位３０ｐと、ｎ型半導体を含むｎ型部位３０ｎとを有する。ｐ型部位３０ｐは、複数の第一凹部３２ａと、第一凹部３２ａ同士の間に形成された第一固体部３４ａとを有し、平面視において第一固体部３４ａの最小寸法が１００ナノメートル以下である、第１の三次元構造３５ａを備える。ｎ型部位３０ｎは、複数の第二凹部３２ｂと、第二凹部３２ｂ同士の間に形成された第二固体部３４ｂとを有し、平面視において第二固体部３４ｂの最小寸法が１００ナノメートル以下である、第３の三次元構造３５ｂを備える。【選択図】図１Ａ

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り １．刊行物にて公開 発行日：令和２年２月６日、刊行物：Ｎａｎｏ Ｅｎｅｒｇｙ，２０２０，Ｖｏｌ．７１，１０４５８１
本開示は、赤外線センサに関する。
熱型赤外線センサの分野において、梁を用いてベース基板から赤外線受光部を離間させる構造が提案されている。この構造は、ベース基板からの赤外線受光部の熱的な絶縁を目的としている。この構造を有する熱型赤外線センサでは、梁の断熱性能が高いほど赤外線の受光感度が向上する。
特許文献１、特許文献２、及び非特許文献１は、薄膜の熱伝導率を減少させる、複数の貫通孔により構成される周期構造を開示している。この周期構造では、薄膜を平面視して、１ナノメートル（ｎｍ）から１０００ｎｍの領域のナノメートルオーダーの周期で規則的に貫通孔が配列している。この周期構造は、フォノニック結晶構造の一種である。このタイプのフォノニック結晶構造は、貫通孔の配列を構成する最小単位を単位格子とする周期構造である。薄膜の熱伝導率は、例えば、多孔質化により低減できる。多孔質化により薄膜に導入された空隙が、薄膜の熱伝導率を減少させるためである。一方、フォノニック結晶構造によれば、薄膜を構成する母材自身の熱伝導率が低減可能である。このため、単なる多孔質化に比べて、熱伝導率のさらなる低減が期待される。
特許文献３は、フォノニック結晶構造を有する梁を使用した赤外線センサを開示している。
米国特許出願公開第２０１７／００４７４９９号明細書 米国特許出願公開第２０１７／００６９８１８号明細書 特開２０１７－２２３６４４号公報
Nomura et al., "Impeded thermal transport is Si multiscale hierarchical architectures with phononic crystal nanostructures", Physical ReviewB 91, 205422 (2015)
上記の技術は、赤外線センサの感度を高めるために再検討の余地を有する。
そこで、本開示は、赤外線センサの感度を高める観点から有利な技術を提供する。
本開示は、以下の赤外線センサを提供する。
赤外線センサであって、
ベース基板、
赤外線受光部、及び
梁、を具備し、ここで、
前記梁は、前記ベース基板の上部で懸架されるように前記ベース基板から離隔した離隔部を有し、かつ、前記離隔部において前記赤外線受光部に接続されており、
前記梁は、ｐ形半導体を含むｐ形部位と、ｎ形半導体を含むｎ形部位とを有し、
前記ｐ形部位は、複数の第一凹部と、前記第一凹部同士の間に形成された第一固体部とを有し、平面視において隣り合う前記第一凹部同士の間における前記第一固体部の平面視での最小寸法が１００ナノメートル以下である、第１の三次元構造を備え、
前記ｎ形部位は、複数の第二凹部と、前記第二凹部同士の間に形成された第二固体部とを有し、平面視において隣り合う前記第二凹部同士の間における前記第二固体部の平面視での最小寸法が１００ナノメートル以下である、第２の三次元構造を備える。
本開示の赤外線センサは、高い感度の観点から有利である。
図１Ａは、実施形態１の赤外線センサを模式的に示す平面図である。 図１Ｂは、図１Ａの赤外線センサのIB-IB線を切断線とする断面図である。 図２Ａは、図１Ａの赤外線センサの一部を示す平面図である。 図２Ｂは、図１Ａの赤外線センサの別の一部を示す平面図である。 図３Ａは、実施形態１の赤外線センサの変形例の一部を示す平面図である。 図３Ｂは、実施形態１の赤外線センサの変形例の一部を示す平面図である。 図４Ａは、実施形態１の赤外線センサの製造方法の一例を示す断面図である。 図４Ｂは、実施形態１の赤外線センサの製造方法の一例を示す断面図である。 図４Ｃは、実施形態１の赤外線センサの製造方法の一例を示す断面図である。 図４Ｄは、実施形態１の赤外線センサの製造方法の一例を示す断面図である。 図４Ｅは、実施形態１の赤外線センサの製造方法の一例を示す断面図である。 図５Ａは、実施形態２の赤外線センサを模式的に示す平面図である。 図５Ｂは、図５Ａの赤外線センサのVB-VB線を切断線とする断面図である。 図６Ａは、実施形態３の赤外線センサを模式的に示す平面図である。 図６Ｂは、図６Ａの赤外線センサのVIB-VIB線を切断線とする断面図である。 図７は、図６Ａの赤外線センサの一部を示す平面図である。 図８Ａは、実施形態４の赤外線センサを模式的に示す平面図である。 図８Ｂは、図８Ａの赤外線センサのVIIIB-VIIIB線を切断線とする断面図である。 図９は、サンプルの固体部における弾性率及びそのサンプルの熱伝導率と、サンプルにおける固体部の最小寸法との関係を示すグラフである。 図１０は、サンプル１－Ａ及び参考サンプルに対するナノインデンテーション試験により得られた荷重－変位曲線である。 図１１Ａは、弾性率の測定前のサンプルの走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）像である。 図１１Ｂは、サンプルにおける弾性率の測定箇所を示すＳＰＭ像である。 図１１Ｃは、サンプルにおける弾性率の測定箇所を示すＳＰＭ像である。 図１１Ｄは、サンプルにおける弾性率の測定箇所を示すＳＰＭ像である。 図１２Ａは、サンプルの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。 図１２Ｂは、サンプルにおける弾性率の測定箇所の測定前の状態を示すＳＰＭ像である。 図１２Ｃは、サンプルにおける弾性率の測定箇所の測定後の状態を示すＳＰＭ像である。 図１３Ａは、サンプルのＳＥＭ像である。 図１３Ｂは、サンプルにおける弾性率の測定箇所の測定前の状態を示すＳＰＭ像である。 図１３Ｃは、サンプルにおける弾性率の測定箇所の測定後の状態を示すＳＰＭ像である。
（本開示の基礎となった知見）
絶縁体及び半導体等の固体材料において、熱は、主として、フォノンと呼ばれる格子振動によって運ばれる。絶縁体及び半導体等の固体材料の熱伝導率は、その固体材料におけるフォノンの分散関係により決まる。フォノンの分散関係には、周波数と波数との関係又はバンド構造が含まれる。絶縁体及び半導体等の固体材料において、熱を運ぶフォノンの周波数帯域は、１００ＧＨｚから１０ＴＨｚの幅広い範囲に及ぶ。この周波数帯域は、熱の帯域である。固体材料の熱伝導率は、熱の帯域にあるフォノンの分散関係により決まる。
例えば、フォノニック結晶構造において、貫通孔の周期構造によって材料が有するフォノンの分散関係を調節できる。換言すると、フォノニック結晶構造によれば、薄膜の母材等の材料の熱伝導率そのものを調節できる。特に、フォノニック結晶構造によってフォノニックバンドギャップ（ＰＢＧ）を形成することにより、材料の熱伝導率を大きく低減させうる。ＰＢＧの内部ではフォノンは存在できない。このため、熱の帯域に合わせて形成されたＰＢＧは、熱伝導の障壁となりうる。また、ＰＢＧに対応する帯域以外の周波数帯域においても、フォノンの分散曲線の傾きがＰＢＧによって小さくなる。これにより、フォノンの群速度が低下し、材料における熱伝導速度が低下する。これらの事項は、材料の熱伝導率の低減に大きく寄与する。
本発明者らの検討によれば、フォノンの群速度を低下させるためには、材料固有の物性値と考えられている弾性率を低減させることが効果的である。例えば、同一種類の物質からなる固体材料の弾性率を低減できる技術を開発できれば、固体材料に高い断熱性能を付与できると考えられる。しかし、そのような技術は、本発明者らが知る限り開発されていない。
G.L.W. Cross, "Isolation leads to change", Nature Nanotech 6, 467-468 (2011)及びD. Chrobak et al, "Deconfinement leads to changes in the nanoscale plasticity of silicon", Nature Nanotech 6, 480-484 (2011)によれば、Ｓｉ（シリコン）の機械的特性がナノメートルサイズの構造においてバルクの状態と異なることが示されている。例えば、１３４ｎｍから３３８ｎｍの直径を有するＳｉナノ粒子又は１１４ｎｍ以下の直径を有するＳｉナノ粒子は、バルクの状態のＳｉ材料と比較して、塑性変形又は相変態に関する機械的挙動が変わることが報告されている。
本発明者らは、上記の報告例を踏まえ、固体材料が所定の構造を有することにより塑性変形に至る前の段階である弾性変形領域において弾性率が低減され、弾性率の低減の影響が固体材料の熱伝導率にも及ぶのではないかという着想を得た。加えて、本発明者らは、赤外線センサの梁がそのような構造を備えることにより、赤外線センサの感度が高めることができるのではないかと考えた。本発明者らは、このような着想のもとで試行錯誤を重ね、本開示の赤外線センサを遂に案出した。
（本開示に係る一態様の概要）
本開示は、以下の赤外線センサを提供する。
赤外線センサであって、
ベース基板、
赤外線受光部、及び
梁、を具備し、ここで、
前記梁は、前記ベース基板の上部で懸架されるように前記ベース基板から離隔した離隔部を有し、かつ、前記離隔部において前記赤外線受光部に接続されており、
前記梁は、ｐ形半導体を含むｐ形部位と、ｎ形半導体を含むｎ形部位とを有し、
前記ｐ形部位は、複数の第一凹部と、前記第一凹部同士の間に形成された第一固体部とを有し、平面視において隣り合う前記第一凹部同士の間における前記第一固体部の平面視での最小寸法が１００ナノメートル以下である、第１の三次元構造を備え、
前記ｎ形部位は、複数の第二凹部と、前記第二凹部同士の間に形成された第二固体部とを有し、平面視において隣り合う前記第二凹部同士の間における前記第二固体部の平面視での最小寸法が１００ナノメートル以下である、第２の三次元構造を備える。
上記の赤外線センサは、梁が上記の様に構成されていることにより、高い感度を有しやすい。
（本開示の実施形態）
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的、又は具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置、及び接続形態、プロセス条件、ステップ、ステップの順序等は一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。
（実施形態１）
図１Ａ及び図１Ｂは、実施形態１の赤外線センサ１ａを示す。赤外線センサ１ａは、ベース基板１０、赤外線受光部２０、及び梁３０を具備する。梁３０は、ベース基板１０の上部で懸架されるようにベース基板１０から離隔した離隔部３１を有する。加えて、梁３０は、離隔部３１において赤外線受光部２０に接続されている。梁３０は、ｐ形半導体を含むｐ形部位３０ｐと、ｎ形半導体を含むｎ形部位３０ｎとを有する。図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ、ｐ形部位３０ｐ及びｎ形部位３０ｎを示す平面図である。図２Ａに示す通り、ｐ形部位３０ｐは、第１の三次元構造３５ａを備える。第１の三次元構造３５ａは、複数の第一凹部３２ａと、第一凹部３２ａ同士の間に形成された第一固体部３４ａとを有する。平面視において隣り合う第一凹部３２ａ同士の間における第一固体部３４ａの平面視での最小寸法Ｎ１は、１００ｎｍ以下である。例えば、平面視において、特定の第一凹部３２ａと、その第一凹部３２ａの最も近くに位置する別の第一凹部３２ａとの間の最短距離が最小寸法Ｎ１に相当する。図２Ｂに示す通り、ｎ形部位３０ｎは、第２の三次元構造３５ｂを備える。第２の三次元構造３５ｂは、複数の第二凹部３２ｂと、第二凹部３２ｂ同士の間に形成された第二固体部３４ｂとを有する。平面視において隣り合う第二凹部３２ｂ同士の間における第二固体部３４ｂの平面視での最小寸法Ｎ２は、１００ｎｍ以下である。例えば、平面視において、特定の第二凹部３２ｂと、その第二凹部３２ｂの最も近くに位置する別の第二凹部３２ａとの間の最短距離が最小寸法Ｎ２に相当する。本明細書において、「平面視」とは、対象物の主面に垂直な方向から対象物を視ることを意味する。「主面」とは、対象物において最も広い面積を有する面を意味する。
第一固体部３４ａの平面視での最小寸法Ｎ１が１００ｎｍ以下であることにより、ｐ形部位３０ｐが高い断熱性を有しやすい。なぜなら、第１の三次元構造３５ａの第一固体部３４ａの所定の部位の弾性率が低くなりやすく、ｐ形部位３０ｐの熱伝導率も低くなりやすいからである。加えて、第二固体部３４ｂの平面視での最小寸法Ｎ２が１００ｎｍ以下であることにより、ｎ形部位３０ｎが高い断熱性を有しやすい。なぜなら、第２の三次元構造３５ｂの第二固体部３４ｂの所定の部位の弾性率が低くなりやすく、ｎ形部位３０ｎの熱伝導率も低くなりやすいからである。このため、ｐ形部位３０ｐ及びｎ形部位３０ｎが高い断熱性を有しやすい。その結果、赤外線センサ１ａの感度が高くなりやすい。本明細書において、弾性率は、ヤング率を意味する。
第一固体部３４ａの平面視での最小寸法Ｎ１は、９０ｎｍ以下であってもよく、８５ｎｍ以下であってもよく、８０ｎｍ以下であってもよい。最小寸法Ｎ１は、７０ｎｍ以下であってもよく、６０ｎｍ以下であってもよく、５０ｎｍ以下であってもよく、４０ｎｍ以下であってもよい。最小寸法Ｎ１は、例えば１ｎｍ以上である。
第二固体部３４ｂの平面視での最小寸法Ｎ２は、９０ｎｍ以下であってもよく、８５ｎｍ以下であってもよく、８０ｎｍ以下であってもよい。最小寸法Ｎ２は、７０ｎｍ以下であってもよく、６０ｎｍ以下であってもよく、５０ｎｍ以下であってもよく、４０ｎｍ以下であってもよい。最小寸法Ｎ２は、例えば１ｎｍ以上である。
梁３０は、例えば、下記（Ｉa）及び（IIa）の条件の少なくとも１つ満たす。これにより、ｐ形部位３０ｐ及びｎ形部位３０ｎの熱伝導率がより確実に低くなりやすく、これらの部位の断熱性が高くなりやすい。梁３０は、（Ｉa）及び（IIa）の条件の両方を満たしていてもよい。
（Ｉa）第一固体部３４ａは、第一固体部３４ａをなす材料と同一種類の材料によって複数の凹部を形成せずに作製された第一参考サンプルの弾性率Ｅｒ１の８０％以下の弾性率Ｅｐを有する第一部位３４ｐを含む。
（IIa）第二固体部３４ｂは、第二固体部３４ｂをなす材料と同一種類の材料によって複数の凹部を形成せずに作製された第二参考サンプルの弾性率Ｅｒ２の８０％以下の弾性率Ｅｑを有する第二部位３４ｑを含む。
第一部位３４ｐは、例えば、第一凹部３２ａ同士の間に位置している。第二部位３４ｑは、例えば、第二凹部３２ｂ同士の間に位置している。
弾性率Ｅｒ１、弾性率Ｅｐ、弾性率Ｅｒ２、及び弾性率Ｅｑは、例えば、ナノインデンテーション法に従って決定される。ナノインデンテーション法の試験条件として、例えば、実施例に記載の条件を採用できる。第一参考サンプルは、例えば、複数の凹部を有しないこと以外はｐ形部位３０ｐと同様にして作製される。第二参考サンプルは、例えば、複数の凹部を有しないこと以外はｎ形部位３０ｎと同様にして作製される。
第一部位３４ｐの弾性率Ｅｐは、弾性率Ｅｒ１に対し、７５％以下であってもよく、７０％以下であってもよく、６５％以下であってもよく、６０％以下であってもよく、５０％以下であってもよく、４０％以下であってもよい。第一部位３４ｐの弾性率Ｅｐは、弾性率Ｅｒ１に対し、例えば１０％以上であり、１５％以上であってもよく、２０％以上であってもよく、２５％以上であってもよく、３０％以上であってもよい。
第二部位３４ｑの弾性率Ｅｑは、弾性率Ｅｒ２に対し、７５％以下であってもよく、７０％以下であってもよく、６５％以下であってもよく、６０％以下であってもよく、５０％以下であってもよく、４０％以下であってもよい。第二部位３４ｑの弾性率Ｅｑは、弾性率Ｅｒ２に対し、例えば１０％以上であり、１５％以上であってもよく、２０％以上であってもよく、２５％以上であってもよく、３０％以上であってもよい。
第一部位３４ｐ及び第二部位３４ｑに含まれる物質は、特定種類の物質に限定されない。第一固体部３４ａ及び第二固体部３４ｂは、単結晶で形成されていてもよいし、多結晶で形成されていてもよいし、アモルファスで形成されていてもよい。梁３０は、例えば、下記（Ｉb）及び（IIb）の条件の少なくとも１つ満たす。シリコンは、単結晶であってもよく、多結晶であってもよく、アモルファスであってもよい。梁３０は、下記（Ｉb）及び（IIb）の条件の両方を満たしていてもよい。
（Ｉb）第一固体部３４ａの第一部位３４ｐは、シリコンを含み、かつ、１００ＧＰａ以下の弾性率を有する。
（IIb）第二固体部３４ｂの第二部位３４ｑは、シリコンを含み、かつ、１００ＧＰａ以下の弾性率を有する。
梁３０は、例えば、下記（Ｉf）及び（IIf）の条件の少なくとも１つ満たす。この場合、第一凹部３２ａ又は第二凹部３２ｂの周囲の複数箇所における弾性率のばらつきが大きくなりやすい。このような弾性率のばらつきは、ｐ形部位３０ｐ又はｎ形部位３０ｎにおける熱伝導率の低下に対して効果的に寄与しうる。このため、これらの部位がより確実に高い断熱性能を有しやすい。
（Ｉf）第一固体部３４ａは、第１の三次元構造３５ａの平面視における特定の第一凹部３２ａの周囲の複数箇所において、異なる複数の第一弾性率を有する。複数の第一弾性率は、複数の第一弾性率の最大値との差が第一弾性率の最大値の１０％以上である値を含む。
（IIf）第二固体部３４ｂは、第２の三次元構造３５ｂの平面視における特定の第二凹部３２ｂの周囲の複数箇所において、異なる複数の第二弾性率を有する。複数の第二弾性率は、複数の第二弾性率の最大値との差が第二弾性率の最大値の１０％以上である値を含む。
梁３０は、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚みを有する。梁３０は、例えば、平面視において長方形である。梁３０の厚みは、２０μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよく、４０μｍ以上であってもよく、５０μｍ以上であってもよい。６０μｍ以上であってもよい。梁３０の厚みは、４００ｎｍ以下であってもよく３００ｎｍ以下であってもよい。
第１の三次元構造３５ａ及び第２の三次元構造３５ｂのそれぞれは、例えば、フォノニック結晶である。図２Ａ及び図２Ｂに示す通り、第１の三次元構造３５ａにおける複数の第一凹部３２ａ及び第２の三次元構造３５ｂにおける複数の第二凹部３２ｂは、例えば、面内方向において規則的に配列されている。
図２Ａに示す通り、第１の三次元構造３５ａの平面視において、複数の第一凹部３２ａは、所定の周期Ｐ１で配列されている。周期Ｐ１は、例えば３００ｎｍ以下である。これにより、ｐ形部位３０ｐは、より確実に、高い断熱性能を有しやすい。図２Ｂに示す通り、第２の三次元構造３５ｂの平面視において、複数の第二凹部３２ｂは、所定の周期Ｐ２で配列されている。周期Ｐ２は、例えば３００ｎｍ以下である。これにより、ｎ形部位３０ｎは、より確実に、高い断熱性能を有しやすい。
周期Ｐ１及び周期Ｐ２のそれぞれは、２８０ｎｍ以下であってもよく、２６０ｎｍ以下であってもよく、２５０ｎｍ以下であってもよく、２００ｎｍ以下であってもよい。周期Ｐ１及び周期Ｐ２のそれぞれは、例えば１ｎｍ以上であり、５ｎｍ以上であってもよく、１０ｎｍ以上であってもよい。
第１の三次元構造３５ａの平面視における第一凹部３２ａの形状及び第２の三次元構造３５ｂの平面視における第二凹部３２ｂの形状は、特定の形状に限定されない。梁３０は、例えば、下記（Ｉc）及び（IIc）の条件の少なくとも１つ満たす。図２Ａ及び図２Ｂに示す通り、梁３０は、（Ｉc）及び（IIc）の条件の両方を満たしていてもよい。
（Ｉc）第一凹部３２ａは、第１の三次元構造３５ａの平面視において、円形である。
（IIc）第二凹部３２ｂは、第２の三次元構造３５ｂの平面視において、円形である。
梁３０は、例えば、下記（Ｉd）及び（IId）の条件の少なくとも１つ満たしてもよい。これにより、ｐ形部位３０ｐ又はｎ形部位３０ｎが平面視において矩形である場合に、複数の第一凹部３２ａ又は複数の第二凹部３２ｂを広い範囲に配置しやすい。図３Ａ及び図３Ｂは、赤外線センサ１ａの変形例におけるｐ形部位３０ｐ及びｎ形部位３０ｎを示す平面図である。この変形例は、特に説明する部分を除き、赤外線センサ１ａと同様に構成されている。赤外線センサ１ａの構成要素と同一又は対応するこの変形例の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図３Ａ及び図３Ｂに示す通り、梁３０は、（Ｉd）及び（IId）の条件の両方を満たしていてもよい。
（Ｉd）第一凹部３２ａは、第１の三次元構造３５ａの平面視において、矩形である。
（IId）第二凹部３２ｂは、第２の三次元構造３５ｂの平面視において、矩形である。
複数の第一凹部３２ａは、例えば、特定方向において周期Ｐ１で配列されている。第１の三次元構造３５ａの平面視において、特定方向に平行な方向における第一凹部３２ａの開口は、所定の寸法ｄ１を有する。寸法ｄ１及び周期Ｐ１は、例えば、ｄ１／Ｐ１≧０．５の関係を満たす。寸法ｄ１は、例えば、０．５ｎｍ以上２９５ｎｍ以下である。
複数の第二凹部３２ｂは、例えば、特定方向において周期Ｐ２で配列されている。第２の三次元構造３５ｂの平面視において、特定方向に平行な方向における第二凹部３２ｂの開口は、所定の寸法ｄ２を有する。寸法ｄ２及び周期Ｐ２は、例えば、ｄ２／Ｐ２≧０．５の関係を満たす。寸法ｄ２は、例えば、０．５ｎｍ以上２９５ｎｍ以下である。
図２Ａに示す通り、例えば、第１の三次元構造３５ａの平面視において、複数の第一凹部３２ａの規則的な配列により単位格子が構成される。この単位格子は、特定の格子に限定されない。第１の三次元構造３５ａの平面視において、複数の第一凹部３２ａの規則的な配列により構成される単位格子は、例えば、六方格子である。第１の三次元構造３５ａの平面視において、複数の第一凹部３２ａの規則的な配列により構成される単位格子は、正方格子であってもよく、長方格子であってもよく、面心長方格子であってもよい。
図２Ｂに示す通り、例えば、第２の三次元構造３５ｂの平面視において、複数の第二凹部３２ｂの規則的な配列により単位格子が構成される。この単位格子は、特定の格子に限定されない。第２の三次元構造３５ｂの平面視において、複数の第二凹部３２ｂの規則的な配列により構成される単位格子は、例えば、六方格子である。第２の三次元構造３５ｂの平面視において、複数の第二凹部３２ｂの規則的な配列により構成される単位格子は、正方格子であってもよく、長方格子であってもよく、面心長方格子であってもよい。
図２Ａ及び図２Ｂに示す通り、第１の三次元構造３５ａにおけるフォノニック結晶及び第２の三次元構造３５ｂにおけるフォノニック結晶のそれぞれは、例えば、単結晶である。第１の三次元構造３５ａにおけるフォノニック結晶及び第２の三次元構造３５ｂにおけるフォノニック結晶のそれぞれは、例えば、多結晶であってもよい。この場合、第１の三次元構造３５ａ又は第２の三次元構造３５ｂの平面視においてフォノニック結晶は複数のドメインを有し、各ドメインにおけるフォノニック結晶が単結晶である。換言すると、多結晶状態のフォノニック結晶は、複数のフォノニック単結晶の複合体である。複数のドメインにおいて、複数の第一凹部３２ａ又は複数の第二凹部３２ｂは、異なる方向に規則的に配列されている。各ドメインにおいて単位格子の方位は同一である。第１の三次元構造３５ａ又は第２の三次元構造３５ｂの平面視において各ドメインの形状は同一であってもよいし、異なっていてもよい。第１の三次元構造３５ａ又は第２の三次元構造３５ｂの平面視において各ドメインのサイズは同一であってもよいし、異なっていてもよい。
第１の三次元構造３５ａにおけるフォノニック結晶又は第２の三次元構造３５ｂにおけるフォノニック結晶が多結晶である場合、平面視による各ドメインの形状は、特定の形状に限定されない。平面視による各ドメインの形状は、例えば、三角形、正方形、及び長方形を含む多角形、円、楕円、及びこれらの複合形状である。平面視による各ドメインの形状は、不定形であってもよい。また、第１の三次元構造３５ａにおけるフォノニック結晶又は第２の三次元構造３５ｂにおけるフォノニック結晶に含まれるドメインの数は特定の値に限定されない。
第１の三次元構造３５ａにおけるフォノニック結晶又は第２の三次元構造３５ｂにおけるフォノニック結晶が多結晶である場合、平面視における各ドメインの面積は、特定の値に限定されない。第１の三次元構造３５ａにおけるフォノニック結晶又は第２の三次元構造３５ｂの平面視において、各ドメインは、例えば２５Ｐ2以上の面積を有する。フォノニック結晶によってフォノンの分散関係を制御する観点から、ドメインは、２５Ｐ2以上の面積を有していてもよい。例えば、平面視において正方形のドメインでは、その正方形の一辺の長さを５×Ｐ以上に調整することにより、ドメインが２５Ｐ2以上の面積を有する。
梁３０は、例えば、下記（Ｉe）及び（IIe）の条件の少なくとも１つ満たす。これにより、例えば、梁３０の厚み方向におけるｐ形部位３０ｐ又はｎ形部位３０ｎの物理的特性がばらつきにくい。梁３０は、（Ｉe）及び（IIe）の条件の両方を満たしていてもよい。
（Ｉe）複数の第一凹部３２ａは、第１の三次元構造３５ａにおいて、複数の貫通孔をなす。
（IIe）複数の第二凹部３２ｂは、第２の三次元構造３５ｂにおいて、複数の貫通孔をなす。
第１の三次元構造３５ａにおいて、複数の第一凹部３２ａの開口の反対側の端部は閉塞されていてもよい。この場合、ｐ形部位３０ｐの機械的強度が高くなりやすい。第２の三次元構造３５ｂにおいて、複数の第二凹部３２ｂの開口の反対側の端部は閉塞されていてもよい。この場合、ｎ形部位３０ｎの機械的強度が高くなりやすい。
第１の三次元構造３５ａにおいて、梁３０の厚み方向における第一凹部３２ａの寸法である第一凹部３２ａの深さは、特定の値に限定されない。第一凹部３２ａの開口の寸法ｄ１に対する第一凹部３２ａの深さの比は、例えば、１以上１０以下である。第２の三次元構造３５ｂにおいて、梁３０の厚み方向における第二凹部３２ｂの寸法である第二凹部３２ｂの深さは、特定の値に限定されない。第二凹部３２ｂの開口の寸法ｄ２に対する第二凹部３２ｂの深さの比は、例えば、１以上１０以下である。
図１Ａ及び図１Ｂに示す通り、梁３０は、例えば、接続部３９ａ及び接続部３９ｂを有する。接続部３９ａは、梁３０の長手方向における一端部に形成されており、接続部３９ｂは、梁３０の長手方向における他端部に形成されている。梁３０は、接続部３９ａ及び接続部３９ｂにおいてベース基板１０に接続されている。接続部３９ａは、ｐ形部位３０ｐをベース基板１０に接続している。接続部３９ｂは、ｎ形部位３０ｎをベース基板１０に接続している。
赤外線受光部２０は、例えば、梁３０の上面に接合されている。赤外線受光部２０が梁３０に接合される位置は、梁３０の長手方向における両端部の間である。その位置は、例えば、梁３０の長手方向における中央付近である。赤外線受光部２０は、梁３０の離隔部３１によって、ベース基板１０から離隔した状態で支持されている。梁３０は、例えば、両持ち梁である。
赤外線センサ１ａにおける梁３０の数は、１つであってもよいし、２つ以上であってもよい。例えば、梁３０は、赤外線受光部に接続された複数の片持ち梁を含んでいてもよい。
赤外線受光部２０は、例えば、サーモパイル赤外線受光部である。図１Ｂに示す通り、梁３０は、例えば、第一領域３３ａ、第二領域３３ｂ、及び接合領域３３ｃを有する。第一領域３３ａは、第１のゼーベック係数を有する。第二領域３３ｂは、第１のゼーベック係数とは異なる第２のゼーベック係数を有する。接合領域３３ｃは、第一領域３３ａと第二領域３３ｂとが接合された領域である。赤外線センサ１ａにおいて、赤外線受光部２０と接合領域３３ｃとが互いに接合されている。
梁３０は、例えば、単層である。第一領域３３ａの一方の端部と、第二領域３３ｂの一方の端部とが接合領域３３ｃに接合されており、熱電対素子が構成されている。接合領域３３ｃは、例えば、平面視において赤外線受光部２０と重なっている。接合領域３３ｃは、平面視において、例えば赤外線受光部２０の中心に位置する。第１のゼーベック係数に対する第２のゼーベック係数の差は、特定の値に限定されない。その差は、例えば１０μＶ／Ｋ以上である。なお、本明細書におけるゼーベック係数は、２５℃での値を意味する。
図１Ａ及び図１Ｂに示す通り、ベース基板１０には、凹部１２が形成されている。平面視において、凹部１２の面積は、赤外線受光部２０の面積よりも大きい。加えて、平面視において、赤外線受光部２０は、凹部１２の外縁に囲まれている。凹部１２は、ベース基板１０の厚み方向において、赤外線受光部２０及び梁３０と、ベース基板１０との間に形成されている。赤外線受光部２０及び梁３０は、例えば、凹部１２の上に懸架されている。梁３０の長手方向における両端部は、例えば、凹部１２の側面に接続されている。なお、ベース基板１０に凹部１２を形成せずに、赤外線受光部２０及び梁３０を懸架するための支柱を配置してもよい。
図１Ａに示す通り、赤外線センサ１ａは、例えば、第一配線４０ａ、第二配線４０ｂ、第一信号処理回路５０ａ、及び第二信号処理回路５０ｂをさらに具備する。第一配線４０ａは、第一領域３３ａに電気的に接続されている。第二配線４０ｂは、第二領域３３ｂに電気的に接続されている。第一信号処理回路５０ａは、第一配線４０ａに電気的に接続されている。第二信号処理回路５０ｂは、第二配線４０ｂに電気的に接続されている。
第一配線４０ａ、第二配線４０ｂ、第一信号処理回路５０ａ、及び第二信号処理回路５０ｂは、例えば、ベース基板１０上に配置されている。
第一配線４０ａは、例えば、第一領域３３ａの長手方向における端部に電気的に接続されている。この端部は、梁３０の接続部３９ａに位置する。第二配線４０ｂは、例えば、第二領域３３ｂの長手方向における端部に電気的に接続されている。この端部は、梁３０の接続部３９ｂに位置する。第一配線４０ａは、第一領域３３ａと第一信号処理回路５０ａとを電気的に接続する。第二配線４０ｂは、第二領域３３ｂと第二信号処理回路５０ｂとを電気的に接続する。第一信号処理回路５０ａ及び第二信号処理回路５０ｂは、例えば、互いに独立した２つの回路である。第一信号処理回路５０ａ及び第二信号処理回路５０ｂの両方は、統合された１つの回路であってもよい。
図１Ａ及び図１Ｂに示す通り、赤外線センサ１ａにおいて、梁３０の長手方向に沿って赤外線受光部２０と第一配線４０ａとを結ぶ電気的経路及び赤外線受光部２０と第二配線４０ｂとを結ぶ電気的経路が形成されている。このため、赤外線センサ１ａにおいて、マクロな熱移動が梁３０の長手方向に沿って生じる。
赤外線受光部２０に赤外線が入射すると、赤外線受光部２０の温度が上昇する。このとき、熱浴であるベース基板１０及びベース基板１０上の部材と、赤外線受光部２０との熱的な絶縁性が高いほど、赤外線受光部２０の温度が大きく上昇する。サーモパイル赤外線受光部２０と接合された熱電対素子では、温度上昇に伴い、ゼーベック効果による起電力が生じる。この起電力に伴う信号は、第一信号処理回路５０ａ及び第二信号処理回路５０ｂによって処理され、赤外線が検知される。赤外線センサ１ａにおける信号処理の仕方によっては、赤外線センサ１ａは、赤外線の強度測定及び／又は対象物の温度測定が可能である。
第一領域３３ａをなす材料及び第二領域３３ｂをなす材料のそれぞれは、特定の材料に限定されない。第一領域３３ａをなす材料及び第二領域３３ｂをなす材料のそれぞれは、半導体又は絶縁体であってもよい。半導体は、Ｓｉ及びＧｅ等の単一元素の半導体であってもよい。半導体は、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＮ、及びＡｌＮ等の化合物半導体であってもよい。半導体は、Ｆｅ2Ｏ3、ＶＯ2、ＴｉＯ2、及びＳｒＴｉＯ3等の酸化物半導体であってもよい。ただし、第一領域３３ａをなす材料及び第二領域３３ｂをなす材料としての半導体はこれらの例に限定されない。第一領域３３ａをなす材料及び第二領域３３ｂをなす材料は、例えば、互いに異なる組成を有する。一方、第一領域３３ａをなす材料及び第二領域３３ｂをなす材料が半導体である場合、これらの材料は、同一の基本組成を有していてもよい。この場合、これらの材料は、異なる極性の導電形を有する。半導体の導電形は、ドーピング等の公知の手法によって調整できる。例えば、第一領域３３ａをなす材料がｐ形半導体であり、第二領域３３ｂをなす材料がｎ形半導体である。この場合、第一領域３３ａがｐ形部位３０ｐに相当し、第二領域３３ｂがｎ形部位３０ｎに相当する。
第一領域３３ａをなす材料及び第二領域３３ｂをなす材料のそれぞれは、単結晶であってもよく、多結晶であってもよく、アモルファスであってもよい。
ベース基板１０は、特定の基板に限定されない。ベース基板１０は、例えば、半導体によって構成されている。半導体は、例えば、シリコンである。この場合、ベース基板１０の上面１６には、酸化膜が形成されていてもよい。酸化膜は、例えば、ＳｉＯ2膜である。
赤外線センサ１ａが赤外線を検知できる限り、赤外線受光部２０の構成は特定の構成に限定されない。赤外線受光部２０は、例えば、シリコン系半導体によって構成されている。シリコン系半導体は、例えば、Ｓｉ又はＳｉＧｅである。
第一配線４０ａをなす材料及び第二配線４０ｂをなす材料は、特定の材料に限定されない。それらの材料は、例えば、半導体、金属材料、又は金属酸化物である。半導体には、例えば、所定のドーパントがドーピングされている。金属材料は、例えば、Ｔｉ等の低熱伝導率の材料である。金属化合物は、ＴｉＮ等の低熱伝導率の材料である。
第一信号処理回路５０ａ及び第二信号処理回路５０ｂのそれぞれは、電気信号の処理が可能な公知の構成を有しうる。
実施形態１の赤外線センサ１ａを製造する方法の一例を、図４Ａから図４Ｅを参照して以下に説明する。赤外線センサ１ａを製造する方法は、以下の例に限定されない。
図４Ａに示す通り、最初に、シリコン基板１１が準備される。次に、シリコン基板１１の厚み方向における一方の主面側の熱酸化により、ＳｉＯ2を含む絶縁膜１３が形成される。このようにして、ベース基板１０が得られる。次に、絶縁膜１３の上面に梁層３０ａが形成される。梁層３０ａは、例えば、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の公知の薄膜形成法によって形成できる。梁層３０ａを構成する材料は、特定の材料に限定されない。梁層３０ａを構成する材料は、例えば、ドーピングによりｐ形部位３０ｐ及びｎ形部位３０ｎに変化する材料である。梁層３０ａの厚さは、特定の値に限定されない。梁層３０ａの厚さは、例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。ベース基板１０及び梁層３０ａを備えた部材としてＳＯＩウェハを用いてもよい。
次に、図４Ｂに示す通り、平面視において規則的に配列された複数の凹部３２が梁層３０ａに形成される。複数の凹部３２の配列における周期が１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下である場合、例えば、電子線リソグラフィーによって複数の凹部３２を形成してもよい。複数の凹部３２の配列における周期が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である場合、例えば、ブロック共重合体リソグラフィーによって複数の凹部３２を形成してもよい。ブロック共重合体リソグラフィーは、例えば、多結晶状態のフォノニック結晶を作製するのに有利な方法である。
次に、図４Ｃに示す通り、梁層３０ａ及び絶縁膜１３に対してフォトリソグラフィー及び選択的エッチングがなされる。これにより、梁３０の形状が得られるとともに、凹部１２が形成される。凹部１２の形成により、梁層３０ａの梁３０の形状に変化した部分がベース基板１０から離隔する。
次に、図４Ｄに示す通り、梁層３０ａの梁３０の形状に変化した部分にドーピングがなされ、第一領域３３ａ、第二領域３３ｂ、及び接合領域３３ｃが形成される。例えば、第一領域３３ａに変化する部分はｐ形にドーピングされ、第二領域３３ｂに変化する部分は、ｎ形にドーピングされる。なお、後続の、第一配線４０ａ及び第二配線４０ｂの形成のために平面視において梁層３０ａのベース基板１０と重なっている部分に対してドーピングがなされてもよい。
次に、図４Ｅに示すように、接合領域３３ｃと接するように、梁３０の上面に赤外線受光部２０が形成される。また、第一領域３３ａ及び第二領域３３ｂとそれぞれ電気的に接続された第一配線４０ａ及び第二配線４０ｂが形成される。第一配線４０ａ及び第二配線４０ｂは、例えば、フォトリソグラフィー及びスパッタリングによって形成できる。次に、第一信号処理回路５０ａ及び第二信号処理回路５０ｂがベース基板１０上に形成される。さらに、必要な電気的接続が確保されて、実施形態１の赤外線センサ１ａが得られる。赤外線受光部２０、第一信号処理回路５０ａ、及び第二信号処理回路５０ｂは公知の手法により形成できる。
赤外線センサ１ａは、原理上、単独で赤外線センサとして機能する。一方、各赤外線センサ１ａが１つの画素に対応するように複数の赤外線センサ１ａを基板１１上に配列させてアレイ構造を構成してもよい。このようなアレイ構造によれば、例えば、上限値以下の温度を有する物体のイメージング、赤外線放射の評価、及びレーザー光線の強度分布の評価からなる群より選ばれる少なくとも１つの処理が可能である。
梁３０の第一部位３４ｐ及び第二部位３４ｑの弾性率は、例えば、図４Ｂに示す状態で、第一部位３４ｐ及び第二部位３４ｑに相当する部位に対してナノインデンテーション試験を行うことによって決定できる。図４Ｂに示す状態において、梁層３０ａに複数の凹部３２が形成されており、梁層３０ａの全体がベース基板１０に接触している。なお、第一部位３４ｐ及び第二部位３４ｑに相当する部位には、ドーピングがなされうるが、ドーピングの前後においてその部位の弾性率はほぼ同じである。第一部位３４ｐ及び第二部位３４ｑの弾性率は、図４Ｄ又は図４Ｅに示す梁３０の一部を切り取って得られた試料をシリコン基板等の基板に固定した状態でナノインデンテーション試験を行うことによって決定されてもよい。
（実施形態２）
図５Ａ及び図５Ｂは、実施形態２の赤外線センサ１ｂを示す。赤外線センサ１ｂは、特に説明する部分を除き赤外線センサ１ａと同様に構成されている。赤外線センサ１ａの構成要素と同一又は対応する赤外線センサ１ｂの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。赤外線センサ１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、赤外線センサ１ｂにも当てはまる。
赤外線センサ１ｂにおいて、赤外線受光部２０は、例えばサーモパイル赤外線受光部である。図５Ｂに示す通り、赤外線センサ１ｂにおいて、梁３０は、基層３０ｓと、熱電対層３０ｔとを備えている。熱電対層３０ｔは、基層３０ｓ上に配置されている。換言すると、梁３０は、基層３０ｓと熱電対層３０ｔとの積層構造を有する。熱電対層３０ｔは、第一領域３３ａ、第二領域３３、及び接合領域３３ｃを有する。赤外線センサ１ｂにおいて、基層３０ｓをなす材料は、例えばアモルファスＳｉである。アモルファスＳｉの熱伝導率は低い。このため、赤外線センサ１ｂは、赤外線の受光感度の更なる向上の観点から有利である。
赤外線センサ１ｂにおけるその他の構成は、好ましい態様を含め、赤外線センサ１ａにおける対応する構成と同様である。また、赤外線センサ１ｂの作動原理は、赤外線センサ１ａの作動原理と同じである。
赤外線センサ１ｂは、例えば、赤外線センサ１ａの製造方法を応用して製造できる。
（実施形態３）
図６Ａ及び図６Ｂは、実施形態３の赤外線センサ１ｃを示す。赤外線センサ１ｃは、特に説明する部分を除き赤外線センサ１ａと同様に構成されている。赤外線センサ１ａの構成要素と同一又は対応する赤外線センサ１ｃの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。赤外線センサ１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、赤外線センサ１ｃにも当てはまる。
図６Ａ及び図６Ｂに示す通り、赤外線センサ１ｃは、ベース基板１０、赤外線受光部２２、及び梁３０を備えている。梁３０は、ベース基板１０の上部で懸架されるようにベース基板１０から離隔した離隔部３１を有する。梁３０は、離隔部３１において赤外線受光部２２に接続されている。梁３０は、導電部３０ｃを含む。図７は、導電部３０ｃの一部を示す平面図である。図７に示す通り、導電部３０ｃは、三次元構造３５ｊを備える。三次元構造３５ｊは、複数の凹部３２ｊと、凹部３２ｊ同士の間に形成された固体部３４ｊとを有する。平面視において隣り合う凹部３２ｊ同士の間における固体部３４ｊの平面視での最小寸法Ｎ３は、１００ｎｍ以下である。例えば、平面視において、特定の凹部３２ｊと、その凹部３２ｊの最も近くに位置する別の凹部３２ｊとの間の最短距離が最小寸法Ｎ３に相当する。
固体部３４ｊの平面視での最小寸法Ｎ３が１００ｎｍ以下であることにより、導電部３０ｃが高い断熱性を有しやすい。なぜなら、固体部３４ｊの所定の部位の弾性率が低くなりやすく、導電部３０ｃの熱伝導率も低くなりやすいからである。このため、導電部３０ｃが高い断熱性を有しやすい。その結果、赤外線センサ１ｃの感度が高くなりやすい。
赤外線センサ１ｃにおいて、固体部３４ｊは、例えば、固体部３４ｊをなす材料と同一種類の材料によって複数の凹部を形成せずに作製された参考サンプルの弾性率Ｅｒの８０％以下の弾性率Ｅｓを有する部位３４ｓを含む。これにより、導電部３０ｃの熱伝導率がより確実に低くなりやすく、導電部３０ｃの断熱性が高くなりやすい。
弾性率Ｅｒ及び弾性率Ｅｓは、例えば、ナノインデンテーション法に従って決定される。ナノインデンテーション法の試験条件として、例えば、実施例に記載の条件を採用できる。参考サンプルは、例えば、複数の凹部を有しないこと以外は導電部３０ｃと同様にして作製される。第二参考サンプルは、例えば、複数の凹部を有しないこと以外はｎ形部位３０ｎと同様にして作製される。
部位３４ｓの弾性率Ｅｓは、弾性率Ｅｒに対し、７５％以下であってもよく、７０％以下であってもよく、６５％以下であってもよく、６０％以下であってもよく、５０％以下であってもよく、４０％以下であってもよい。部位３４ｓの弾性率Ｅｓは、弾性率Ｅｒに対し、例えば１０％以上であり、１５％以上であってもよく、２０％以上であってもよく、２５％以上であってもよく、３０％以上であってもよい。
部位３４ｓに含まれる物質は、特定種類の物質に限定されない。固体部３４ｊは、単結晶で形成されていてもよいし、多結晶で形成されていてもよいし、アモルファスで形成されていてもよい。固体部３４ｊの部位３４ｓは、例えば、シリコンを含み、かつ、１００ＧＰａ以下の弾性率を有する。
赤外線センサ１ｃにおいて、固体部３４ｊは、三次元構造３５ｊの平面視における特定の凹部３２ｊの周囲の複数箇所において、異なる複数の弾性率を有する。複数の弾性率は、複数の弾性率の最大値との差がその最大値の１０％以上である値を含む。この場合、凹部３２ｊの周囲の複数箇所における弾性率のばらつきが大きくなりやすい。このような弾性率のばらつきは、導電部３０ｃにおける熱伝導率の低下に対して効果的に寄与しうる。このため、導電部３０ｃがより確実に高い断熱性能を有しやすい。
三次元構造３５ｊは、例えばフォノニック結晶である。図７に示す通り、三次元構造３５ｊにおける複数の凹部３２ｊは、例えば、面内方向において規則的に配列されている。
図７に示す通り、三次元構造３５ｊの平面視において、複数の凹部３２ｊは、所定の周期Ｐ３で配列されている。周期Ｐ３は、例えば３００ｎｍ以下である。これにより、導電部３０ｃは、より確実に、高い断熱性能を有しやすい。
周期Ｐ３は、２８０ｎｍ以下であってもよく、２６０ｎｍ以下であってもよく、２５０ｎｍ以下であってもよく、２００ｎｍ以下であってもよい。周期Ｐ３は、例えば１ｎｍ以上であり、５ｎｍ以上であってもよく、１０ｎｍ以上であってもよい。
三次元構造３５ｊの平面視における凹部３２ｊの形状は、特定の形状に限定されない。図７に示す通り、凹部３２ｊは、三次元構造３５ｊの平面視において、円形である。
凹部３２ｊは、三次元構造３５ｊの平面視において、矩形であってもよい。この場合、導電部３０ｃが平面視において矩形である場合に、複数の凹部３２ｊを広い範囲に配置しやすい。
複数の凹部３２ｊは、例えば、特定方向において周期Ｐ３で配列されている。三次元構造３５ｊの平面視において、特定方向に平行な方向における凹部３２ｊの開口は、所定の寸法ｄ３を有する。寸法ｄ３及び周期Ｐ３は、例えば、ｄ３／Ｐ３≧０．５の関係を満たす。寸法ｄ３は、例えば、０．５ｎｍ以上２９５ｎｍ以下である。
図７に示す通り、例えば、三次元構造３５ｊの平面視において、複数の凹部３２ｊの規則的な配列により単位格子が構成される。この単位格子は、特定の格子に限定されない。三次元構造３５ｊの平面視において、複数の凹部３２ｊの規則的な配列により構成される単位格子は、例えば、六方格子である。三次元構造３５ｊの平面視において、複数の凹部３２ｊの規則的な配列により構成される単位格子は、正方格子であってもよく、長方格子であってもよく、面心長方格子であってもよい。
図７に示す通り、三次元構造３５ｊにおけるフォノニック結晶は、例えば、単結晶である。三次元構造３５ｊにおけるフォノニック結晶は、例えば、多結晶であってもよい。この場合、三次元構造３５ｊの平面視において、フォノニック結晶は複数のドメインを有し、各ドメインにおけるフォノニック結晶が単結晶である。複数のドメインにおいて、複数の凹部３２ｊは、異なる方向に規則的に配列されている。各ドメインにおいて単位格子の方位は同一である。三次元構造３５ｊの平面視において各ドメインの形状は同一であってもよいし、異なっていてもよい。三次元構造３５ｊの平面視において各ドメインのサイズは同一であってもよいし、異なっていてもよい。
三次元構造３５ｊにおけるフォノニック結晶が多結晶である場合、平面視による各ドメインの形状は、特定の形状に限定されない。平面視による各ドメインの形状は、例えば、三角形、正方形、及び長方形を含む多角形、円、楕円、及びこれらの複合形状である。平面視による各ドメインの形状は、不定形であってもよい。また、三次元構造３５ｊにおけるフォノニック結晶に含まれるドメインの数は特定の値に限定されない。
三次元構造３５ｊにおけるフォノニック結晶が多結晶である場合、平面視における各ドメインの面積は、特定の値に限定されない。三次元構造３５ｊの平面視において、各ドメインは、例えば２５Ｐ2以上の面積を有する。フォノニック結晶によってフォノンの分散関係を制御する観点から、ドメインは、２５Ｐ2以上の面積を有していてもよい。例えば、平面視において正方形のドメインでは、その正方形の一辺の長さを５×Ｐ以上に調整することにより、ドメインが２５Ｐ2以上の面積を有する。
複数の凹部３２ｊは、例えば、三次元構造３５ｊにおいて、複数の貫通孔をなす。これにより、例えば、梁３０の厚み方向における導電部３０ｃの物理的特性がばらつきにくい。
三次元構造３５ｊにおいて、複数の凹部３２ｊの開口の反対側の端部は閉塞されていてもよい。この場合、導電部３０ｃの機械的強度が高くなりやすい。
三次元構造３５ｊにおいて、梁３０の厚み方向における凹部３２ｊの寸法である凹部３２ｊの深さは、特定の値に限定されない。凹部３２ｊの開口の寸法ｄ３に対する凹部３２ｊの深さの比は、例えば、１以上１０以下である。
図１Ａ及び図１Ｂに示す通り、梁３０は、例えば、接続部３９ａ及び接続部３９ｂを有する。接続部３９ａは、梁３０の長手方向における一端部に形成されており、接続部３９ａは、梁３０の長手方向における他端部に形成されている。梁３０は、接続部３９ａ及び接続部３９ｂにおいてベース基板１０に接続されている。
赤外線受光部２２は、例えば、梁３０の上面に接合されている。赤外線受光部２２が梁３０に接合される位置は、梁３０の長手方向における両端部の間である。その位置は、例えば、梁３０の長手方向における中央付近である。赤外線受光部２２は、梁３０の離隔部３１によって、ベース基板１０から離隔した状態で支持されている。梁３０は、例えば、両持ち梁である。
図６Ａ及び図６Ｂに示す通り、ベース基板１０には、凹部１２が形成されている。平面視において、凹部１２の面積は、赤外線受光部２２の面積よりも大きい。加えて、平面視において、赤外線受光部２２は、凹部１２の外縁に囲まれている。凹部１２は、ベース基板１０の厚み方向において、赤外線受光部２２及び梁３０と、ベース基板１０との間に形成されている。赤外線受光部２２及び梁３０は、例えば、凹部１２の上に懸架されている。梁３０の長手方向における両端部は、例えば、凹部１２の側面に接続されている。
赤外線センサ１ｃにおいて、赤外線受光部２２は、例えば、ボロメータ赤外線受光部である。赤外線センサ１ｃは、例えば、第一配線４０ａ、第二配線４０ｂ、第一信号処理回路５０ａ、及び第二信号処理回路５０ｂをさらに備えている。第一配線４０ａ及び第二配線４０ｂのそれぞれは、赤外線受光部２２に電気的に接続されている。第一信号処理回路５０ａは、第一配線４０ａに電気的に接続されている。第二信号処理回路５０ｂは、第二配線４０ｂに電気的に接続されている。
赤外線受光部２２に赤外線が入射すると、赤外線受光部２２の温度が上昇する。このとき、熱浴であるベース基板１０及びベース基板１０上の部材と、赤外線受光部２２との熱的な絶縁性が高いほど、赤外線受光部２２の温度が大きく上昇する。ボロメータ赤外線受光部２２では、温度上昇に伴って、電気抵抗の変化が生じる。生じた電気抵抗の変化を示す信号が第一信号処理回路５０ａ及び第二信号処理回路５０ｂによって処理され、赤外線が検知される。赤外線センサ１ｃにおける信号処理の仕方によっては、赤外線センサ１ｃは、赤外線の強度測定及び／又は対象物の温度測定が可能である。
第一配線４０ａは、例えば、赤外線受光部２２との接続部４５ａと第一信号処理回路５０ａとの間に第一区間４２ａを有する。第一区間４２ａは、ベース基板１０から離隔している。第二配線４０ｂは、例えば、赤外線受光部２２との接続部４５ｂと第二信号処理回路５０ｂとの間に第二区間４２ｂを有する。第二区間４２ｂは、ベース基板１０から離隔している。梁３０は、例えば、第一区間４２ａ及び第二区間４２ｂにおいて三次元構造３５ｊを備える。
図６Ｂに示す通り、第一配線４０ａの第一区間４２ａ及び第二配線４０ｂの第二区間４２ｂは、例えば、梁３０の表面に接している。第一配線４０ａの第一区間４２ａ及び第一配線４０ａの第二区間４２ｂのそれぞれは、梁３０の一部であってもよい。例えば、ドープされた半導体によって梁３０における一部を形成することにより、第一配線４０ａの第一区間４２ａ及び第二配線４０ｂの第二区間４２ｂが得られる。
図６Ｂに示す通り、三次元構造３５ｊにおいて、複数の凹部３２ｊは、例えば、複数の第一貫通孔３２ｆをなしている。第一区間４２ａ及び第二区間４２ｂの少なくとも１つは、例えば、複数の第二貫通孔４４を有するフォノニック結晶構造を有する。これにより、第一配線４０ａ及び第二配線４０ｂにおける熱伝導を抑制でき、赤外線センサ１ｃは、より確実に高い感度を有しやすい。
赤外線センサ１ｃにおいて、複数の第一貫通孔３２ｆ及び複数の第二貫通孔４４は、例えば、同一直線に沿って延びる複数の連続貫通孔４６を形成する。このような構成によれば、赤外線センサ１ｃがより確実に高い感度を有しやすい。また、梁３０の導電部３０ｃの三次元構造３５ｊと、第一区間４２ａ及び第二区間４２ｂにおけるフォノニック結晶構造を同時に形成することも可能であり、製造性に優れる。
赤外線受光部２２は、例えば、抵抗変化層２２ａと、赤外線吸収層２２ｂとを備える。赤外線吸収層２２ｂは、抵抗変化層２２ａ上に配置されている。換言すると、赤外線受光部２２は、抵抗変化層２２ａと赤外線吸収層２２ｂとの積層構造を有する。赤外線吸収層２２ｂは、例えば、赤外線受光部２２の最外層に位置する。
抵抗変化層２２ａをなす材料は、特定の材料に限定されない。抵抗変化層２２ａは、例えば、温度による電気抵抗の変化が大きい材料を含む。抵抗変化層２２ａに含まれる材料の例は、Ｐｔ、アモルファスＳｉ、及び酸化バナジウムである。これらの材料の抵抗温度係数は大きい。
赤外線吸収層２２ｂをなす材料は、特定の材料に限定されない。赤外線吸収層２２ｂに含まれる材料の例は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｌ、及びＣｕ等の金属、ＳｉＯ2等の酸化物、並びにＴｉＮ及びＳｉＮ等の窒化物である。赤外線吸収層２２ｂが導電性を有する場合、赤外線受光部２２は、抵抗変化層２２ａと抵抗変化層２２ａとの間に絶縁層を有していてもよい。
赤外線センサ１ｃにおけるその他の構成は、好ましい態様を含め、赤外線センサ１ａにおける対応する構成と同様である。
赤外線センサ１ｃは、例えば、スパッタリング法及び蒸着法等の薄膜形成手法、及びフォトリソグラフィー法及び選択的エッチング法等の微細加工手法を含む公知の手法により製造できる。また、赤外線センサ１ｃは、上述した、赤外線センサ１ａの製造方法を応用して製造できる。
（実施形態４）
図８Ａ及び図８Ｂは、実施形態３の赤外線センサ１ｄを示す。赤外線センサ１ｄは、特に説明する部分を除き赤外線センサ１ｃと同様に構成されている。赤外線センサ１ｃの構成要素と同一又は対応する赤外線センサ１ｄの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。赤外線センサ１ｃに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、赤外線センサ１ｄにも当てはまる。
赤外線センサ１ｄにおいて、赤外線受光部２２は、例えば、ボロメータ赤外線受光部である。梁３０は、ベース基板１０に接続された接続部３９と、ベース基板１０から離隔している離隔部３１とを有する。梁３０は、一方の端部に接続部３９を有する。離隔部３１において、梁３０と赤外線受光部２２とは互いに接合されている。例えば、離隔部３１に位置する梁３０の他方の端部において、赤外線受光部２２と梁３０とは互いに接続されている。赤外線受光部２２は、離隔部３１を有する梁３０によって、ベース基板１０と離隔した状態で支持されている。梁３０は、片持ち梁である。
ベース基板１０は、赤外線受光部２２が配置された上面１６に凹部１２を有する。凹部１２は、ベース基板１０の厚み方向において、赤外線受光部２２及び梁３０とベース基板１０との間に形成されている。赤外線受光部２２及び梁３０は、ベース基板１０の凹部１２上に懸架されている。
第一配線４０ａ及び第二配線４０ｂは、それぞれ、赤外線受光部２２との接続部４５から第一信号処理回路５０ａ及び第二信号処理回路５０ｂとの間にベース基板１０から離隔した区間４２を有する。この区間において、梁３０は、例えば、三次元構造３５ｊを備える。
赤外線センサ１ｄにおけるその他の構成は、好ましい態様を含め、赤外線センサ１ｃにおける対応する構成と同様である。また、赤外線センサ１ｄの作動原理は、赤外線センサ１ｃの作動原理と同じである。
赤外線センサ１ｄは、例えば、スパッタリング法及び蒸着法等の薄膜形成手法、及びフォトリソグラフィー法及び選択的エッチング法等の微細加工手法を含む公知の手法により製造できる。また、赤外線センサ１ｄは、上述した、赤外線センサ１ａの製造方法を応用して製造できる。
以下、実施例を参照しながら、本実施形態がより詳細に説明される。ただし、本実施形態の赤外線センサは、以下の実施例に示される各態様に限定されない。
（弾性率測定用サンプルの作製）
シリコン基板、絶縁膜、及び梁層を備えた基板を準備した。この基板は、Separation by Implanted Oxygen(SIMOX)法により作製された。絶縁膜は、シリコン基板の一方の主面側を熱酸化することにより形成されており、ＳｉＯ2を含んでいた。梁層は単結晶シリコンの薄膜であり、梁層の厚みは、１００ｎｍであった。次に、電子線リソグラフィー又はブロック共重合体リソグラフィーによって、梁層の面内方向において規則的に配列された複数の貫通孔を形成した。このようにして、弾性率測定用サンプル１－Ａ、２－Ａ、３－Ａ、４－Ａ、５－Ａ、６－Ａ、及び７－Ａを得た。これらのサンプルにおいて、梁層は、図４Ｂに示すように、絶縁膜に密着した状態であった。これらのサンプルにおける複数の貫通孔の配列の周期Ｐ、梁層の平面視において隣り合う貫通孔同士の間における梁層の固体部の平面視での最小寸法Ｎ、及び複数の貫通孔の配列方向における貫通孔の開口の寸法ｄを表１に示す。また、複数の貫通孔を形成しなかったこと以外は、上記のサンプルと同様にして、平坦な単結晶シリコンからなる梁層を有する、弾性率測定用参考サンプルを作製した。
Figure 2022102827000002
（弾性率測定）
上記の弾性率測定用サンプル１－Ａ、２－Ａ、３－Ａ、４－Ａ、５－Ａ、６－Ａ、及び７－Ａと、弾性率測定用参考サンプルとの梁層の表面の特定箇所において、ナノインデンテーション試験を行った。この試験結果に基づき、各サンプルの梁層の表面の特定箇所の弾性率を決定した。ナノインデンテーション試験には、ダイヤモンド圧子を用いた。このダイヤモンド圧子の先端部は、４０ｎｍの曲率半径を有するように加工されていた。ナノインデンテーション試験において、荷重制御モードで５秒間かけて荷重が最大値２０μＮに達するようにダイヤモンド圧子を梁層の表面に押し込んだ。その後、荷重を最大値２０μＮで５秒間保ち、その後５秒間かけて荷重を０μＮまで減少させて除荷した。ナノインデンテーション試験における環境温度は２７℃に調節した。各サンプルの弾性率測定の結果を図９に示す。図９において、各サンプルの梁層の表面の特定の位置における弾性率は、弾性率測定用参考サンプルの梁層をなす単結晶シリコンの弾性率に対する相対値として示している。また、図１０に、弾性率測定用サンプル１－Ａ及び弾性率測定用参考サンプルに対するナノインデンテーション試験から得られた荷重－変位曲線を示す。図１０において、弾性率測定用サンプル１－Ａの５箇所におけるナノインデンテーション試験から得られた荷重－変位曲線が示されている。また、図１０において、弾性率測定用参考サンプルの１箇所におけるナノインデンテーション試験から得られた荷重－変位曲線が示されている。
（熱伝導率測定用サンプルの作製）
弾性率測定用サンプル１－Ａ、２－Ａ、３－Ａ、４－Ａ、５－Ａ、６－Ａ、及び７－Ａに対して、選択的エッチングを行い、それぞれ、熱伝導率測定用サンプル１－Ｂ、２－Ｂ、３－Ｂ、４－Ｂ、５－Ｂ、６－Ｂ、及び７－Ｂを作製した。選択的エッチングにより、梁層から梁を形成し、絶縁膜の一部を除去して凹部を形成した。これらのサンプルにおいて、梁は、図４Ｃに示すように、シリコン基板に懸架されていた。また、弾性率測定用参考サンプルに対しても同様に選択的エッチングを行って梁及び凹部を形成し、熱伝導率測定用参考サンプルを作製した。
（熱伝導率測定）
時間領域サーモリフレクタンス（TDTR）法に従って、熱伝導率測定用サンプル１－Ｂ、２－Ｂ、３－Ｂ、４－Ｂ、５－Ｂ、６－Ｂ、及び７－Ｂにおける梁の長手方向の熱伝導率を測定した。この測定は、２７℃の環境温度及び０．５Ｐａの圧力の条件にて行った。熱伝導率測定用参考サンプルにおける梁の長手方向の熱伝導率を同様に測定した。各サンプルの熱伝導率測定の結果を図９に示す。図９において、各サンプルの梁の長手方向の熱伝導率は、熱伝導率測定用参考サンプルの梁の長手方向の熱伝導率に対する相対値として示している。
（弾性率測定用サンプル１－Ｃ）
周期Ｐ、梁層の固体部の平面視での最小寸法Ｎ、及び貫通孔の開口の寸法ｄを、それぞれ、１５０ｎｍ、６０ｎｍ、及び９０ｎｍに調整した以外は、弾性率測定用サンプル１－Ａと同様にして、弾性率測定用サンプル１－Ｃを作製した。
弾性率測定用サンプル１－Ｃの梁層の固体部の複数箇所において、ナノインデンテーション試験を順次行い、それら複数箇所における弾性率を決定した。図１１Ａは、ナノインデンテーション試験前の弾性率測定用サンプル１－Ｃの表面を示すＳＰＭ像である。ナノインデンテーション試験には、ダイヤモンド圧子を用いた。このダイヤモンド圧子の先端部は、４０ｎｍの曲率半径を有するように加工されていた。荷重制御モードで５秒間かけて荷重が最大値２０μＮに達するようにダイヤモンド圧子を梁層の表面に押し込んだ。その後、荷重を最大値２０μＮで５秒間保ち、その後５秒間かけて荷重を０μＮまで減少させて除荷した。
図１１Ｂは、梁層の固体部における最初のナノインデンテーション試験の測定箇所を示すＳＰＭ像である。破線の円で囲まれた「１」の符号の近くの箇所が測定箇所に相当する。図１１Ｃは、梁層の固体部における２番目のナノインデンテーション試験の測定箇所を示すＳＰＭ像である。破線の円で囲まれた「２」の符号の近くの箇所が測定箇所に相当する。図１１Ｄは、梁層の固体部における３番目のナノインデンテーション試験の測定箇所を示すＳＰＭ像である。破線の円で囲まれた「３」の符号の近くの箇所が測定箇所に相当する。これらの測定箇所は、複数の貫通孔のうち特定の貫通孔の開口の周囲に位置している。符号「１」、「２」、及び「３」の近くの測定箇所における梁層の固体部の弾性率は、それぞれ、６４．４ＧＰａ、５２．３ＧＰａ、及び５３．８ＧＰａであった。このように、複数の貫通孔のうち特定の貫通孔の周囲の複数個所における複数の弾性率は、同一の値を示すのではなく、場所によって１０％以上異なることが理解される。このような、連続体である梁層の弾性率の不均一さは、梁層の熱伝導率の低減に寄与していると理解される。
（弾性率測定用サンプル１－Ｄ）
周期Ｐ、梁層の固体部の平面視での最小寸法Ｎ、及び貫通孔の開口の寸法ｄを、それぞれ、１２９７ｎｍ、１０４ｎｍ、及び１１９３ｎｍに調整した以外は、弾性率測定用サンプル１－Ａと同様にして、格子状の弾性率測定用サンプル１－Ｄを作製した。図１２Ａは、弾性率測定用サンプル１－Ｄの表面を示すＳＥＭ像である。
（弾性率測定用サンプル１－Ｅ）
周期Ｐ、梁層の固体部の平面視での最小寸法Ｎ、及び貫通孔の開口の寸法ｄを、それぞれ、１２５９ｎｍ、６７ｎｍ、及び１１９２ｎｍに調整した以外は、弾性率測定用サンプル１－Ａと同様にして、格子状の弾性率測定用サンプル１－Ｅを作製した。図１３Ａは、弾性率測定用サンプル１－Ｅの表面を示すＳＥＭ像である。
弾性率測定用サンプル１－Ｄ及び１－Ｅの固体部の特定箇所において、ナノインデンテーション試験を行い、その特定箇所における弾性率を決定した。図１２Ｂは、ナノインデンテーション試験前の弾性率測定用サンプル１－Ｄの特定箇所付近を示すＳＰＭ像である。図１２Ｃは、ナノインデンテーション試験後の弾性率測定用サンプル１－Ｄの特定箇所付近を示すＳＰＭ像である。図１２Ｃにおいて、特定箇所が破線の円で囲まれている。図１３Ｂは、ナノインデンテーション試験前の弾性率測定用サンプル１－Ｅの特定箇所付近を示すＳＰＭ像である。図１３Ｃは、ナノインデンテーション試験後の弾性率測定用サンプル１－Ｅの特定箇所付近を示すＳＰＭ像である。図１３Ｃにおいて、特定箇所が破線の円で囲まれている。ＳＰＭを用いた表面観察手法は、ナノインデンテーション試験において圧子の押し込みにより形成された圧痕の位置を正確に可視化できる点で有利である。
図９に示す通り、梁層の固体部の平面視での最小寸法Ｎが１５０ｎｍ以上のサンプルの固体部の弾性率と、弾性率測定用参考サンプルの梁層をなす単結晶シリコンの弾性率との差はそれほど大きくない。加えて、梁の固体部の平面視での最小寸法Ｎが１５０ｎｍ以上のサンプルの梁の長手方向における熱伝導率は、熱伝導率測定用参考サンプルの梁の長手方向における熱伝導率との差はそれほど大きくない。一方、梁層の固体部の平面視での最小寸法Ｎが１００ｎｍ以下のサンプルの固体部の弾性率は、弾性率測定用参考サンプルの梁層をなす単結晶シリコンの弾性率に対して低い。例えば、サンプルの梁層の固体部の平面視での最小寸法Ｎが４０ｎｍである場合、そのサンプルの固体部の弾性率は、弾性率測定用参考サンプルの梁層をなす単結晶シリコンの弾性率の３５％に過ぎない。また、梁の固体部の平面視での最小寸法Ｎが１００ｎｍ以下のサンプルの梁の長手方向における熱伝導率は、熱伝導率測定用参考サンプルの梁の長手方向における熱伝導率に対して低い。例えば、サンプルの梁の固体部の平面視での最小寸法Ｎが４０ｎｍである場合、そのサンプルの梁の長手方向における熱伝導率は、熱伝導率測定用参考サンプルの梁の長手方向における熱伝導率の４１％に過ぎない。このような結果から、材料固有の物性値と理解されている弾性率が固体部の平面視での最小寸法Ｎを調節することにより調整できることが示唆された。また、固体部の弾性率の固体部の平面視での最小寸法Ｎへの依存性及び梁の長手方向の熱伝導率の固体部の平面視での最小寸法Ｎへの依存性は、同様の傾向を示している。このため、固体部の弾性率を調節することにより、梁の長手方向の熱伝導率を調整できると理解される。
図１０に示す通り、弾性率測定用参考サンプルに対するナノインデンテーション試験から得られた荷重－変位曲線において最大変位量は僅か７．２ｎｍであった。このため、弾性率測定用参考サンプルの梁層をなす単結晶シリコンの弾性率は、１５０ＧＰａであった。この値は、単結晶シリコンのバルクの弾性率の値に近い。一方、弾性率測定用サンプル１－Ａに対するナノインデンテーション試験から得られた荷重－変位曲線において最大変位量は１２．７ｎｍであり、このサンプルの梁層の表面の特定箇所の弾性率は５０ＧＰａであった。このように、弾性率測定用サンプル１－Ａの梁層の表面の特定箇所の弾性率は、単結晶シリコンのバルクの弾性率に近い値の約３分の１に低下していること理解される。
弾性率測定用サンプル１－Ｄ及び１－Ｅに対するナノインデンテーション試験の結果によれば、図１２Ｃ及び図１３Ｃの特定箇所における固体部の弾性率は、それぞれ、６３．８ＧＰａ及び３４．０ＧＰａであった。微細加工によって材料の弾性率を調節できることが理解される。
上記の評価結果によれば、材料をナノメートルサイズに加工することによって、物質固有の物性値と思われていた弾性率を調節でき、このような弾性率の調節によって材料の熱伝導率を調節できることが示された。１００ｎｍ以下のサイズでの材料加工技術、材料に対する精密な弾性率評価技術、及び熱伝導率評価技術を適用することによって初めて上記サンプルを作製できた。このようなサンプルは、従来技術では作製が困難であった。これらの技術は、赤外線センサの断熱性能をさらに高める技術として有用である。
例えば、熱伝導率測定用サンプルの梁に対し、例えば、ドーピングを行うことにより、ｐ形部位及びｎ形部位を形成できる。梁層に対するドーピングの有無に関わらず、梁層の固体部の弾性率はほとんど変わらないことが確認された。例えば、ドーピングにより梁層をｎ型に調整した以外は弾性率測定用サンプル１－Ａと同様にして作製したサンプルにおける梁層の固体部の弾性率は、５６．３ＧＰａであった。この弾性率は、弾性率測定用サンプル１－Ａの梁層の固体部の弾性率とほぼ同じである。
本開示の赤外線センサは、赤外線センサの用途を含む種々の用途に使用できる。
１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 赤外線センサ
１０ ベース基板
２０ 赤外線受光部
２２ 赤外線受光部
３０ 梁
３０ｃ 導電部
３０ｎ ｎ形部位
３０ｐ ｐ形部位
３０ｓ 基層
３０ｔ 熱電対層
３１ 離隔部
３２ａ 第一凹部
３２ｂ 第二凹部
３２ｆ 第一貫通孔
３２ｊ 凹部
３３ａ 第一領域
３３ｂ 第二領域
３３ｃ 接合領域
３４ａ 第一固体部
３４ｂ 第二固体部
３４ｊ 固体部
３４ｐ 第一部位
３４ｑ 第二部位
３４ｓ 部位
３５ａ 第１の三次元構造
３５ｂ 第２の三次元構造
３５ｊ 三次元構造
４０ａ 第一配線
４０ｂ 第二配線
４２ａ 第一区間
４２ｂ 第二区間
４４ 第二貫通孔
４６ 連続貫通孔
５０ａ 第一信号処理回路
５０ｂ 第二信号処理回路
Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３ 最小寸法

Claims (22)

  1. ベース基板、
    赤外線受光部、及び
    梁、を具備し、ここで、
    前記梁は、前記ベース基板の上部で懸架されるように前記ベース基板から離隔した離隔部を有し、かつ、前記離隔部において前記赤外線受光部に接続されており、
    前記梁は、ｐ形半導体を含むｐ形部位と、ｎ形半導体を含むｎ形部位とを有し、
    前記ｐ形部位は、複数の第一凹部と、前記第一凹部同士の間に形成された第一固体部とを有し、平面視において隣り合う前記第一凹部同士の間における前記第一固体部の平面視での最小寸法が１００ナノメートル以下である、第１の三次元構造を備え、
    前記ｎ形部位は、複数の第二凹部と、前記第二凹部同士の間に形成された第二固体部とを有し、平面視において隣り合う前記第二凹部同士の間における前記第二固体部の平面視での最小寸法が１００ナノメートル以下である、第２の三次元構造を備える、
    赤外線センサ。
  2. 前記梁は、下記（Ｉa）及び（IIa）の条件の少なくとも１つ満たす、請求項１に記載の赤外線センサ。
    （Ｉa）前記第一固体部は、前記第一固体部をなす材料と同一種類の材料によって複数の凹部を形成せずに作製された第一参考サンプルの弾性率の８０％以下の弾性率を有する第一部位を含む。
    （IIa）前記第二固体部は、前記第二固体部をなす材料と同一種類の材料によって複数の凹部を形成せずに作製された第二参考サンプルの弾性率の８０％以下の弾性率を有する第二部位を含む。
  3. 前記梁は、下記（Ｉb）及び（IIb）の条件の少なくとも１つ満たす、請求項２に記載の赤外線センサ。
    （Ｉb）前記第一固体部の前記第一部位は、シリコンを含み、かつ、１００ＧＰａ以下の弾性率を有する。
    （IIb）前記第二固体部の前記第二部位は、シリコンを含み、かつ、１００ＧＰａ以下の弾性率を有する。
  4. 前記梁は、下記（Ｉc）及び（IIc）の条件の少なくとも１つ満たす、請求項１から３のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
    （Ｉc）前記第一凹部は、前記第１の三次元構造の平面視において、円形である。
    （IIc）前記第二凹部は、前記第２の三次元構造の平面視において、円形である。
  5. 前記梁は、下記（Ｉd）及び（IId）の条件の少なくとも１つ満たす、請求項１から３のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
    （Ｉd）前記第一凹部は、前記第１の三次元構造の平面視において、矩形である。
    （IId）前記第二凹部は、前記第２の三次元構造の平面視において、矩形である。
  6. 前記梁は、下記（Ｉe）及び（IIe）の条件の少なくとも１つ満たす、請求項１から５のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
    （Ｉe）前記複数の第一凹部は、前記第１の三次元構造において、複数の貫通孔をなす。
    （IIe）前記複数の第二凹部は、前記第２の三次元構造において、複数の貫通孔をなす。
  7. 前記梁は、下記（Ｉf）及び（IIf）の条件の少なくとも１つ満たす、請求項１から６のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
    （Ｉf）前記第一固体部は、前記第１の三次元構造の平面視における特定の前記第一凹部の周囲の複数箇所において、異なる複数の第一弾性率を有し、かつ、前記複数の第一弾性率は、前記複数の第一弾性率の最大値との差が前記第一弾性率の前記最大値の１０％以上である値を含む。
    （IIf）前記第二固体部は、前記第２の三次元構造の平面視における特定の前記第二凹部の周囲の複数箇所において、異なる複数の第二弾性率を有し、かつ、前記複数の第二弾性率は、前記複数の第二弾性率の最大値との差が前記第二弾性率の前記最大値の１０％以上である値を含む。
  8. 前記赤外線受光部は、サーモパイル赤外線受光部であり、
    前記梁は、第１のゼーベック係数を有する第一領域と、前記第１のゼーベック係数とは異なる第２のゼーベック係数を有する第二領域と、前記第一領域と前記第二領域とが接合された接合領域と、を有し、
    前記赤外線受光部と前記接合領域とが互いに接合されている、
    請求項１から７のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
  9. 前記梁は、単層である、請求項８に記載の赤外線センサ。
  10. 前記梁は、基層と、前記基層上に配置された熱電対層とを備え、
    前記熱電対層は、前記第一領域、前記第二領域、及び前記接合領域を有する、
    請求項８に記載の赤外線センサ。
  11. 前記第一領域に電気的に接続された第一配線、
    前記第二領域に電気的に接続された第二配線、
    前記第一配線に電気的に接続された第一信号処理回路、及び
    前記第二配線に電気的に接続された第二信号処理回路、をさらに具備する、
    請求項８から１０のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
  12. ベース基板、
    赤外線受光部、及び
    梁、を具備し、ここで、
    前記梁は、前記ベース基板の上部で懸架されるように前記ベース基板から離隔した離隔部を有し、かつ、前記離隔部において前記赤外線受光部に接続されており、
    前記梁は、導電部を含み、
    前記導電部は、複数の凹部と、前記凹部同士の間に形成された固体部とを有し、平面視において隣り合う前記凹部同士の間における前記固体部の平面視での最小寸法が１００ナノメートル以下である、三次元構造を備える、
    赤外線センサ。
  13. 前記固体部は、前記固体部をなす材料と同一種類の材料によって複数の凹部を形成せずに作製された参考サンプルの弾性率の８０％以下の弾性率を有する部位を含む、請求項１２に記載の赤外線センサ。
  14. 前記固体部の前記部位は、シリコンを含み、かつ、１００ＧＰａ以下の弾性率を有する、請求項１３に記載の赤外線センサ。
  15. 前記凹部は、前記三次元構造の平面視において、円形である、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
  16. 前記凹部は、前記三次元構造の平面視において、矩形である、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
  17. 前記複数の凹部は、前記三次元構造において、複数の貫通孔をなす、請求項１２から１６のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
  18. 前記固体部は、前記三次元構造の平面視における特定の前記凹部の周囲の複数箇所において、異なる複数の弾性率を有し、
    前記複数の弾性率は、前記複数の弾性率の最大値との差が前記最大値の１０％以上である値を含む、
    請求項１２から１７のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
  19. 前記赤外線受光部は、ボロメータ赤外線受光部であり、
    前記赤外線受光部に電気的に接続された第一配線及び第二配線、
    前記第一配線に電気的に接続された第一信号処理回路、及び
    前記第二配線に電気的に接続された第二信号処理回路をさらに具備する、
    請求項１２から１８のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
  20. 前記第一配線は、前記赤外線受光部との接続部と前記第一信号処理回路との間に前記ベース基板から離隔した第一区間を有し、
    前記第二配線は、前記赤外線受光部との接続部と前記第二信号処理回路との間に前記ベース基板から離隔した第二区間を有し、
    前記梁は、前記第一区間及び前記第二区間において前記三次元構造を備える、
    請求項１９に記載の赤外線センサ。
  21. 前記第一配線は、前記赤外線受光部との接続部と前記第一信号処理回路との間に前記ベース基板から離隔した第一区間を有し、
    前記第二配線は、前記赤外線受光部との接続部と前記第二信号処理回路との間に前記ベース基板から離隔した第二区間を有し、
    前記第一区間及び前記第二区間は、前記梁の表面に接している、
    請求項１９に記載の赤外線センサ。
  22. 前記複数の凹部は、前記三次元構造において、複数の第一貫通孔をなしており、
    前記第一配線は、前記赤外線受光部との接続部と前記第一信号処理回路との間に前記ベース基板から離隔した第一区間を有し、
    前記第二配線は、前記赤外線受光部との接続部と前記第二信号処理回路との間に前記ベース基板から離隔した第二区間を有し、
    前記第一区間及び前記第二区間の少なくとも１つは、複数の第二貫通孔を有するフォノニック結晶構造を有し、
    前記複数の第一貫通孔及び前記複数の第二貫通孔は、同一直線に沿って延びる複数の連続貫通孔を形成する、
    請求項１９に記載の赤外線センサ。
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