JP2022165185A - センサ素子及びセンサ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱電変換素子を用いて電磁波を検出するセンサ素子及びセンサ装置を簡易な構成且つ大面積で実現させる。【解決手段】センサ素子１０は、基板１０２と、基板１０２上に設けられた直方体状の熱電変換素子１０８と、熱電変換素子１０８の幅方向（ｘ方向）の両側に左右対称に設けられた２つの低熱伝導絶縁膜１１０と、熱電変換素子１０８の長手方向（ｙ方向）の両端部に設けられた電極１１２ａ及び１１２ｂと、熱電変換素子１０８及び低熱伝導絶縁膜１１０を覆うように設けられた高熱伝導絶縁膜１０６と、高熱伝導絶縁膜１０６上の吸収体１０４とを備える。吸収体１０４は電磁波を吸収して熱を発生し、発生した熱の一部は、高熱伝導絶縁膜１０６を介して熱電変換素子１０８に流れ、異常ネルンスト効果等の横熱電効果によって、温度勾配（ｚ方向）と磁化（ｘ方向）の双方に直交する方向（ｙ方向）に起電力が発生する。【選択図】図１
Description
本発明は、電磁波を検出するセンサ素子及びセンサ装置に関する。
近年、近赤外光、テラヘルツ波、マイクロ波などの電磁波を吸収体で吸収し、発生した熱を熱電変換素子を用いてゼーベック効果（Seebeck effect）によって電気信号に変換することで電磁波を検出する電磁波センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ゼーベック効果では、温度差が生じる方向と同一方向に起電力が発生することから、熱源表面から垂直方向にｐ型モジュールとｎ型モジュールとを交互に設けた構造に作製する必要がある。よって、ゼーベック効果を用いた電磁波センサは、立体的で複雑になり、製造コストが高い上に、大面積化、薄膜化が困難である。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、熱電変換素子を用いて電磁波を検出するセンサ素子及びセンサ装置を、簡易な構成且つ大面積で実現させることを目的とする。
本発明の一実施形態に係るセンサ素子は、電磁波を検出するセンサ素子であって、基板と、電磁波を吸収して熱を発生する吸収体と、基板と吸収体との間に設けられて吸収体の一部を支持し、吸収体で発生した熱から横熱電効果によって起電力を発生する少なくとも１つの熱電変換素子と、を備える。
本発明の一実施形態に係るセンサ装置は、基板と、基板上にマトリクス状に配置された複数のセンサ構造体と、を備え、複数のセンサ構造体の各々は、電磁波を吸収して熱を発生する吸収体と、基板と吸収体との間に設けられて吸収体の一部を支持し、吸収体で発生した熱から横熱電効果によって起電力を発生する少なくとも１つの熱電変換素子と、を備える。
本発明によれば、電磁波を検出するセンサ素子が横熱電効果を示す熱電変換素子を備えることで、センサ素子及びセンサ装置を簡易な構成及び大面積で実現させることができる。
以下、添付の図面を参照して、本発明の例示の実施形態について説明する。以下の実施形態では、図面全体を通して、同一又は同様の構成要素には同一の符号を付している。図面は模式的なものであり、平面寸法と厚さとの関係、及び各部材の厚さの比率は現実のものとは異なる。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
＜第１実施形態＞
まず、図１～図６を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。
まず、図１～図６を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。
図１に、第１実施形態のセンサ素子１０の斜視図を示す。センサ素子１０は、電磁波を検出する素子であり、図１に示すように、基板１０２と、基板１０２上に設けられたセンサ構造体１００４とを備える。図２に、センサ構造体１００４の平面図を示し、図３に、図１のIII－III線矢視断面図を示す。
センサ構造体１００４は、直方体状の熱電変換素子１０８と、熱電変換素子１０８の幅方向（ｘ方向）の両側に左右対称に設けられた２つの低熱伝導絶縁膜１１０と、熱電変換素子１０８の長手方向（ｙ方向）の両端部に設けられた電極１１２ａ及び１１２ｂと、熱電変換素子１０８及び低熱伝導絶縁膜１１０を覆うように設けられた高熱伝導絶縁膜１０６と、高熱伝導絶縁膜１０６上に設けられた吸収体１０４とを備える。
基板１０２は、ＡｌＮ、ＭｇＯ、又はＡｌ２Ｏ３などの材料からなる。
吸収体１０４は、電磁波を吸収して熱を発生する受光素子である。吸収体１０４は公知の吸収体であり、例えば、ＮｉＣｒ、フェライト材料（特開２０１７－０３７９９９号公報参照）、カーボンナノチューブ薄膜（ACS Appl. Nano Mater. 2018, 1, 6, 2469-2475参照）、又はメタマテリアル系材料（Phys. Rev. B 78, 241103(R) (2008)；Phys. Rev. B 82, 205117 (2010)参照）からなる。吸収体１０４が吸収する電磁波は、近赤外光、テラヘルツ波、又はマイクロ波など、目的の波長帯域の電磁波であり、且つ熱が発生するものであれば、特に限定されない。
高熱伝導絶縁膜１０６は、熱伝導率が熱電変換素子１０８の材料よりも高い絶縁体からなる。高熱伝導絶縁膜１０６の材料として、例えば、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、又はＢＮ等が挙げられる。
図１及び図３に示すように、熱電変換素子１０８は、吸収体１０４及び高熱伝導絶縁膜１０６の一部を支持している。吸収体１０４で発生した熱の一部は、高熱伝導絶縁膜１０６を介して熱電変換素子１０８に流れ、異常ネルンスト効果に代表される横熱電効果によって、温度勾配（ｚ方向）と磁化（ｘ方向）の双方に直交する方向（ｙ方向）に起電力が発生する。熱電変換素子１０８を構成する異常ネルンスト効果を示す材料として、例えば、Ｆｅ３Ｇａ等のＦｅ－Ｇａ合金、Ｆｅ３Ａｌ等のＦｅ－Ａｌ合金、Ｃｏ２ＭｎＧａ、Ｆｅ－Ｎｉ合金、Ｍｎ３Ｓｎ、Ｍｎ３Ｇｅ等が挙げられる。
２つの低熱伝導絶縁膜１１０は、熱電変換素子１０８の幅方向の両側、及び基板１０２と高熱伝導絶縁膜１０６との間に設けられた、同一形状（直方体）、同一寸法の層間絶縁膜である。低熱伝導絶縁膜１１０は、熱伝導率が熱電変換素子１０８の材料よりも低い絶縁体からなる。低熱伝導絶縁膜１１０の材料として、例えば、ＳｉＯ２が挙げられる。
電極１１２ａ及び１１２ｂは、Ｃｕ等の金属からなり、横熱電効果により熱電変換素子１０８で発生した起電力を取り出す。起電力の信号は周辺回路（図示せず）で増幅され、電磁波の検出及び強度の測定が行われる。
図１及び図２に示すように、電極１１２ａ及び１１２ｂは、熱電変換素子１０８の両端部を覆っており、電極１１２ａ及び１１２ｂと熱電変換素子１０８との接触面積を大きくすることで、接触抵抗が小さくなっている。また、図２に示すように、電極１１２ａ及び１１２ｂは、吸収体１０４、高熱伝導絶縁膜１０６及び低熱伝導絶縁膜１１０から離間して設けられている。
図１及び図２では、熱流に垂直な面（ｘ－ｙ平面）において、吸収体１０４及び高熱伝導絶縁膜１０６が正方形をなし、熱電変換素子１０８の両側の２つの低熱伝導絶縁膜１１０が長方形である場合を示しているが、これらの形状は特に限定されない。
図２に示すように、ｙ方向において、吸収体１０４の長さｌａ、高熱伝導絶縁膜１０６の長さｌｈｉ、低熱伝導絶縁膜１１０の長さｌｉｄは等しい。熱電変換素子１０８の長手方向（ｙ方向）の実際の長さは、ｌａ、ｌｈｉ、ｌｉｄより長いが、熱電変換素子１０８のうち、高熱伝導絶縁膜１０６及び吸収体１０４により覆われている部分が起電力の発生に寄与するため、以下では当該部分の長さを熱電変換素子１０８の長さｌと定義する（ｌａ＝ｌｈｉ＝ｌｉｄ＝ｌ）。
図２に示すように、ｘ方向において、吸収体１０４の幅ｗａは、高熱伝導絶縁膜１０６の幅ｗｈｉと等しい。図３に示すように、熱電変換素子１０８の幅をｗ、１つの低熱伝導絶縁膜１１０の幅をｗｉｄと表記すると、ｗａ＝ｗｈｉ＝ｗ＋２ｗｉｄを満たす。
図３に示すように、ｚ方向において、吸収体１０４、高熱伝導絶縁膜１０６、熱電変換素子１０８、低熱伝導絶縁膜１１０、及び基板１０２の厚さを、それぞれ、ｔａ、ｔｈｉ、ｔ、ｔｉｄ、及びｔｓと表記する。熱電変換素子１０８の厚さｔは、各低熱伝導絶縁膜１１０の厚さｔｉｄと等しい。
次に、第１実施形態及び後述の各実施形態のセンサ素子の性能を表す指標として、感度及び雑音等価電力（noise equivalent power）（以下、「ＮＥＰ」と呼ぶ。）について説明する。センサ素子に発生する電圧（Ｖ）をＶ、熱流密度（Ｗ／ｍ２）をｑとすると、Ｖ／ｑは、式（１）のように定義される。
ここで、ＳＡＮＥは熱電変換素子のネルンスト係数（μＶ／Ｋ）、κＡＮＥは熱電変換素子の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）、ｐｔｈｅｒｍは熱収集率、ｐａｒｅａは、センサ素子の熱伝導断面積のうち熱電変換素子が占める割合、ＡＡＮＥは熱電変換素子の面積（ｍ２）、Ａｒｅｃは吸収体の面積（ｍ２）である。また、ｌは、上述のように、熱電変換素子の長手方向の長さ（ｍ）である。κｉ（ｉ＝１、２）は、熱電変換素子（ｉ＝１）及び低熱伝導絶縁膜（ｉ＝２）の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）であり、Ａi（ｉ＝１、２）は、それぞれ、熱電変換素子（ｉ＝１）及び低熱伝導絶縁膜（ｉ＝２）の面積（ｍ２）である。なお、本明細書において「熱伝導断面積」及び「面積」は、熱流に垂直な面（図１及び図２のｘ－ｙ平面）での面積を指している。
吸収体に発生する熱量（Ｗ）をＱとすると、式（１）より、１つのセンサ素子の感度Ｖ／Ｑは、式（２）のように与えられる。
なお、式（２）で表される感度Ｖ／Ｑに対し、吸収体の光から熱への変換効率ｐｒを乗算することで、センサ素子全体の感度を求めることができる。式（２）より、センサ素子全体の熱抵抗が高いほど、感度が高くなる。
素子抵抗に起因する熱雑音（Ｖ）をＶｎｏｉｓｅとすると、ＮＥＰは、Ｖｎｏｉｓｅ／（Ｖ／Ｑ）と定義される。熱雑音Ｖｎｏｉｓｅは式（３）のように定義される。
ここで、ｋＢ＝１．３８×１０－２３（Ｊ／Ｋ）はボルツマン定数、Ｔは熱電変換素子の温度（Ｋ）、Ｒは熱電変換素子の電気抵抗（Ω）、ρは熱電変換素子の電気抵抗率（μΩｃｍ）、ｔ及びｗは、それぞれ、熱電変換素子の厚さ（ｍ）及び幅（ｍ）（図３参照）である。
よって、式（２）及び式（３）より、１つのセンサ素子のＮＥＰは、式（４）のように与えられる。
なお、式（４）で表されるＮＥＰを吸収体の変換効率ｐｒで除算することで、センサ素子全体のＮＥＰを求めることができる。
式（２）及び式（４）より、センサ素子全体の熱抵抗が高く、熱電変換素子の体積ｔｗｌが大きい方が、センサ素子の感度が良く、ＮＥＰが低くなる。
次に、図４Ａ～図４Ｈを参照して、第１実施形態のセンサ素子１０の製造方法（以下、「第１製造方法」と呼ぶ。）を説明する。
まず、任意の基板１０２上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィープロセスにより、熱電変換素子１０８の領域が開口したレジストパターン１２７を形成する。そして、図４Ａに示すように、例えば、スパッタリング法により、横熱電効果を示す材料からなる金属膜１２８を形成する。次いで、図４Ｂに示すように、レジストパターン１２７とともにレジストパターン１２７上の金属膜１２８をリフトオフすることにより、熱電変換素子１０８を得る。
例えば、ＤＣマグネトロンスパッタリングにより、任意の基板１０２上にＦｅ３Ｇａ薄膜を室温で成膜することができる。ここで、チャンバーのベース真空度は１０－４Ｐａ以下、成膜時の圧力は０．１Ｐａ～１．５Ｐａの範囲で成膜可能であり、例えば、ベース真空度を５×１０－７Ｐａ、成膜時の圧力を０．５Ｐａとすることができる。
熱電変換素子１０８の形成後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィープロセスにより、電極１１２ａ及び１１２ｂの領域が開口したレジストパターン１３１を形成する。そして、図４Ｃに示すように、例えば、電子ビーム（ＥＢ）蒸着により、電極１１２ａ及び１１２ｂの材料からなる金属膜１３２を形成する。次いで、図４Ｄに示すように、レジストパターン１３１とともにレジストパターン１３１上の金属膜１３２をリフトオフすることにより、電極１１２ａ及び１１２ｂを得る。
電極１１２ａ及び１１２ｂの形成後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィープロセスにより、低熱伝導絶縁膜１１０の領域が開口したレジストパターン１２９を形成する。そして、図４Ｅに示すように、例えば、スパッタリング法により、低熱伝導絶縁膜１１０の材料からなる絶縁膜１３０を熱電変換素子１０８と同じ厚さで形成する。次いで、図４Ｆに示すように、レジストパターン１２９とともにレジストパターン１２９上の絶縁膜１３０をリフトオフすることにより、低熱伝導絶縁膜１１０を得る。なお、スパッタリング法の代わりに、スピンオングラス法によって低熱伝導絶縁膜１１０を形成してもよい。
低熱伝導絶縁膜１１０の形成後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィープロセスにより、吸収体１０４及び高熱伝導絶縁膜１０６の領域が開口したレジストパターン１２５を形成する。そして、図４Ｇに示すように、例えば、スパッタリング法により、高熱伝導絶縁膜１０６の材料からなる絶縁膜１２６を形成し、吸収体１０４の材料からなる金属膜１２４を絶縁膜１２６上に形成する。次いで、図４Ｈに示すように、レジストパターン１２５とともにレジストパターン１２５上の絶縁膜１２６及び金属膜１２４をリフトオフすることにより、高熱伝導絶縁膜１０６及び吸収体１０４を得る。これにより、第１実施形態のセンサ素子１０が得られる。
吸収体１０４の幅ｗａ及び長さｌａ、高熱伝導絶縁膜１０６の幅ｗｈｉ及び長さｌｈｉ、並びに熱電変換素子１０８の長さｌは、１０μｍ～１０００μｍが好ましいが、特に限定されるものではない。吸収体１０４の厚さｔａは２ｎｍ～１０００ｎｍ、高熱伝導絶縁膜１０６の厚さｔｈｉは５ｎｍ～１００ｎｍが好ましいが、特に限定されるものではない。また、熱電変換素子１０８の幅ｗは０．１μｍ～２００μｍ、厚さｔは１０ｎｍ～１０μｍが好ましいが、特に限定されるものではない。これらの寸法は、用途などに応じて任意に設定可能である。
次に、第１製造方法により、表１に規定する寸法及び材料を有するセンサ素子１０が製造された場合のセンサ素子１０の性能を検討する。
表２に、熱電変換素子１０８としてのＦｅ３Ｇａ薄膜の熱伝導率κＡＮＥ、面積ＡＡＮＥ、ネルンスト係数ＳＡＮＥ、及び電気抵抗率ρを示す。
この場合、式（２）及び式（４）より、１つのセンサ素子１０のＶ／Ｑ及びＮＥＰは、以下のようになり、センサ素子１０の用途によっては、実用可能な数値であると言える。
Ｖ／Ｑ＝１６ｍＶ／Ｗ、
ＮＥＰ＝１１２ｎＷ
Ｖ／Ｑ＝１６ｍＶ／Ｗ、
ＮＥＰ＝１１２ｎＷ
センサ素子１０の製造方法は上述の第１製造方法に限定されない。例えば、アニーリングやエッチングプロセスを含む製造方法（以下、「第２製造方法」と呼ぶ。）を採用してもよい。
図５Ａ～図５Ｃを参照して、センサ素子１０の第２製造方法について説明する。
まず、高真空のチャンバー内で、基板１０２をアニールする。そして、図５Ａに示すように、例えば、スパッタリング法により、横熱電効果を示す材料からなる金属膜１３８を形成する。その後、同じチャンバー内でポストアニールを行う。
まず、高真空のチャンバー内で、基板１０２をアニールする。そして、図５Ａに示すように、例えば、スパッタリング法により、横熱電効果を示す材料からなる金属膜１３８を形成する。その後、同じチャンバー内でポストアニールを行う。
次いで、図５Ａに示すように、金属膜１３８上にレジスト１３９を塗布し、フォトリソグラフィープロセスにより、熱電変換素子１０８の領域にレジストパターン１４１を形成する。そして、図５Ｂに示すように、レジストパターン１４１をマスクに、金属膜１３８をドライエッチングする。その後、図５Ｃに示すように、レジストパターン１４１をアッシングによって除去し、熱電変換素子１０８を得る。
熱電変換素子１０８を形成した後のプロセスは、図４Ｃ～図４Ｈに示したものと同じであるため、その説明を省略する。
例えば、第２製造方法において、Ｆｅ３Ｇａ薄膜を成膜するとき、まず、高真空（＜１０－５Ｐａ）のチャンバー内で、ＭｇＯ（００１）からなる基板１０２を８００℃で１０分間アニールする。次に、ＤＣマグネトロンスパッタリングによりＦｅ３Ｇａ薄膜を室温で形成する。ここで、チャンバーのベース真空度は１０－４Ｐａ以下で、成膜時は０．１Ｐａ～１．５Ｐａの範囲で成膜可能であり、例えば、ベース真空度を５×１０－７Ｐａ、成膜時の圧力を０．５Ｐａとすることができる。次いで、同じチャンバー内において５００℃で３０分間ポストアニールを行う。これにより、Ｄ０３構造を有するＦｅ３Ｇａ薄膜を得ることができる。
次に、Ｄ０３構造のＦｅ３Ｇａ薄膜を熱電変換素子１０８として備えるセンサ素子１０の性能を検討する。
表３に、Ｄ０３構造のＦｅ３Ｇａ薄膜の熱伝導率κＡＮＥ、面積ＡＡＮＥ、ネルンスト係数ＳＡＮＥ、及び電気抵抗率ρを示す。ここで、基板１０２の材料（ＭｇＯ）を除き、センサ素子１０の材料及び寸法は、表１に規定されたものと同じである。
表３に示すように、Ｄ０３構造のＦｅ３Ｇａ薄膜は、表２に示すＦｅ３Ｇａ薄膜より、ネルンスト係数ＳＡＮＥは高く、電気抵抗率ρは低い。この場合、式（２）及び式（４）より、１つのセンサ素子１０のＶ／Ｑ及びＮＥＰは、以下のようになり、アニーリングプロセスを含まない第１製造方法で製造されたセンサ素子１０よりも感度が高く、ノイズ耐性が向上していることがわかる。
Ｖ／Ｑ＝３０ｍＶ／Ｗ、
ＮＥＰ＝４７ｎＷ
Ｖ／Ｑ＝３０ｍＶ／Ｗ、
ＮＥＰ＝４７ｎＷ
第２製造方法においてＣｏ２ＭｎＧａ薄膜を成膜するときは、例えば、高真空（＜１０－５Ｐａ）のチャンバー内で、ＭｇＯ（００１）からなる基板１０２を８００℃で１０分間アニールする。次に、ＤＣマグネトロンスパッタリングによりＣｏ２ＭｎＧａ薄膜を室温で形成する。ここでも、チャンバーのベース真空度は１０－４Ｐａ以下で、成膜時は０．１Ｐａ～１．５Ｐａの範囲で成膜可能であり、例えば、ベース真空度を１×１０－６Ｐａ、成膜時の圧力を１．２Ｐａとすることができる。次いで、同じチャンバー内において５５０℃で６０分間ポストアニールを行う。これにより、Ｌ２１構造を有するＣｏ２ＭｎＧａ薄膜を得ることができる。
次に、Ｌ２１構造のＣｏ２ＭｎＧａ薄膜を熱電変換素子１０８として備えるセンサ素子１０の性能を検討する。
表４に、Ｌ２１構造のＣｏ２ＭｎＧａ薄膜の熱伝導率κＡＮＥ、面積ＡＡＮＥ、ネルンスト係数ＳＡＮＥ、及び電気抵抗率ρを示す。ここで、基板１０２の材料（ＭｇＯ）と熱電変換素子１０８の材料を除き、センサ素子１０の材料及び寸法は、表１に規定されたものと同じである。
この場合、式（２）及び式（４）より、１つのセンサ素子１０のＶ／Ｑ及びＮＥＰは、以下のようになり、上述のＤ０３構造のＦｅ３Ｇａ薄膜を備えるセンサ素子１０とほぼ同等の感度、ノイズ耐性を示していることがわかる。
Ｖ／Ｑ＝３０ｍＶ／Ｗ、
ＮＥＰ＝４６ｎＷ
Ｖ／Ｑ＝３０ｍＶ／Ｗ、
ＮＥＰ＝４６ｎＷ
このように、ポストアニーリングプロセスを含む第２製造方法を採用し、熱電変換素子１０８の結晶性を高めることで、センサ素子１０の感度を高め、ノイズ耐性を向上させることができる。
図１に示すセンサ構造体１００４を備える様々なセンサ装置を提供することができる。例えば、図６に示すセンサ装置１０００は、基板１００２上に、複数のセンサ構造体１００４がマトリクス状に配置されたセンサアレイであり、各センサ構造体１００４をピクセルとしたイメージング装置として機能させることができる。
＜第２実施形態＞
次に、図７～図１１を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
次に、図７～図１１を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
図７に、第２実施形態のセンサ素子２０の斜視図を示す。センサ素子２０は、電磁波を検出する素子であり、図７に示すように、基板２０２と、基板２０２上に設けられたセンサ構造体２００４とを備える。図８に、センサ構造体２００４の平面図を示し、図９に、図７のIＸ－IＸ線矢視断面図を示す。
センサ構造体２００４は、基板２０２上に互いに離間して配置された直方体状の第１熱電変換素子２０８及び第２熱電変換素子２０９と、層間絶縁膜としての低熱伝導絶縁膜２１０と、第１熱電変換素子２０８の長手方向（ｙ方向）の両端部に設けられた電極２１２ａ及び２１２ｂと、第２熱電変換素子２０９の長手方向（ｙ方向）の両端部に設けられた電極２１３ａ及び２１３ｂと、第１熱電変換素子２０８、第２熱電変換素子２０９及び低熱伝導絶縁膜２１０を覆うように設けられた高熱伝導絶縁膜２０６と、高熱伝導絶縁膜２０６上に設けられた吸収体２０４とを備える。
図８及び図９に示すように、第１熱電変換素子２０８及び第２熱電変換素子２０９は、同一形状、同一寸法であり、その長手方向（ｙ方向）に垂直な方向（ｘ方向）に離間して平行に配置されている。
低熱伝導絶縁膜２１０は、基板２０２と高熱伝導絶縁膜２０６との間の、第１熱電変換素子２０８及び第２熱電変換素子２０９以外の領域に設けられている。図７～図９では、第１熱電変換素子２０８及び第２熱電変換素子２０９が、吸収体２０４及び高熱伝導絶縁膜２０６の幅方向（ｘ方向）の両端部を支持するように設けられているが、この配置に限定されない。第１熱電変換素子２０８及び第２熱電変換素子２０９は、吸収体２０４及び高熱伝導絶縁膜２０６の幅方向の中心に対して対称に離間して配置されていれば、どの位置でもよい。よって、第１熱電変換素子２０８及び第２熱電変換素子２０９は、中心寄りに配置してもよい。この場合、低熱伝導絶縁膜２１０は、第１熱電変換素子２０８と第２熱電変換素子２０９との間だけでなく、第１熱電変換素子２０８の外側（－ｘ側）、第２熱電変換素子２０９の外側（＋ｘ側）にも配置され得る。
図７及び図８に示すように、電極２１２ａ及び２１２ｂは、第１熱電変換素子２０８の両端部を覆っており、電極２１３ａ及び２１３ｂは、第２熱電変換素子２０９の両端部を覆っている。また、図８に示すように、電極２１２ａ、２１２ｂ、２１３ａ及び２１３ｂは、吸収体２０４、高熱伝導絶縁膜２０６及び低熱伝導絶縁膜２１０から離間して設けられている。
センサ素子２０の各構成要素の材料及び機能は、第１実施形態のセンサ素子１０の対応する構成要素と同一であり、吸収体２０４、高熱伝導絶縁膜２０６、第１熱電変換素子２０８及び第２熱電変換素子２０９の形状及び寸法も、第１実施形態のセンサ素子１０の対応する構成要素と同一であるため、その説明を省略する。
次に、図１０Ａ～図１０Ｉを参照して、第２実施形態のセンサ素子２０の製造方法（以下、「第３製造方法」と呼ぶ。）を説明する。
まず、高真空のチャンバー内で、基板２０２をアニールする。そして、図１０Ａに示すように、例えば、スパッタリング法により、横熱電効果を示す材料からなる金属膜２２８を形成する。その後、同じチャンバー内でポストアニールを行う。例えば、ＭｇＯ（００１）からなる基板２０２に、Ｆｅ３Ｇａ薄膜又はＣｏ２ＭｎＧａ薄膜を成膜するとき、上述の第１実施形態の第２製造方法で述べた成膜条件（真空度、圧力、温度、アニール時間など）を採用することができる。
次いで、図１０Ａに示すように、金属膜２２８上にレジスト２２９を塗布し、フォトリソグラフィープロセスにより、第１熱電変換素子２０８及び第２熱電変換素子２０９の領域にレジストパターン２３１及び２３３を形成する。そして、図１０Ｂに示すように、レジストパターン２３１及び２３３をマスクに、金属膜２２８をドライエッチングする。その後、図１０Ｃに示すように、レジストパターン２３１及び２３３をアッシングによって除去し、第１熱電変換素子２０８及び第２熱電変換素子２０９を得る。
第１熱電変換素子２０８及び第２熱電変換素子２０９の形成後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィープロセスにより、電極２１２ａ、２１２ｂ、２１３ａ及び２１３ｂの領域が開口したレジストパターン２４１を形成する。そして、図１０Ｄに示すように、例えば、ＥＢ蒸着により、電極の材料からなる金属膜２４２を形成する。
次いで、図１０Ｅに示すように、レジストパターン２４１とともにレジストパターン２４１上の金属膜２４２をリフトオフすることにより、電極２１２ａ、２１２ｂ、２１３ａ及び２１３ｂを得る。
電極２１２ａ、２１２ｂ、２１３ａ及び２１３ｂの形成後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィープロセスにより、低熱伝導絶縁膜２１０の領域が開口したレジストパターン２３９を形成する。そして、図１０Ｆに示すように、例えば、スパッタリング法により、低熱伝導絶縁膜２１０の材料からなる絶縁膜２４０を第１熱電変換素子２０８及び第２熱電変換素子２０９と同じ厚さで形成する。
次いで、図１０Ｇに示すように、レジストパターン２３９とともにレジストパターン２３９上の絶縁膜２４０をリフトオフすることにより、低熱伝導絶縁膜２１０を得る。なお、スパッタリング法の代わりに、スピンオングラス法によって低熱伝導絶縁膜２１０を形成してもよい。
低熱伝導絶縁膜２１０の形成後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィープロセスにより、吸収体２０４及び高熱伝導絶縁膜２０６の領域が開口したレジストパターン２３５を形成する。そして、図１０Ｈに示すように、例えば、スパッタリング法により、高熱伝導絶縁膜２０６の材料からなる絶縁膜２３６を形成し、吸収体２０４の材料からなる金属膜２３４を絶縁膜２３６上に形成する。
最後に、図１０Ｉに示すように、レジストパターン２３５とともにレジストパターン２３５上の絶縁膜２３６及び金属膜２３４をリフトオフすることにより、高熱伝導絶縁膜２０６及び吸収体２０４を得る。これにより、第２実施形態のセンサ素子２０が得られる。
次に、第３製造方法によって、表５に規定する寸法及び材料を有するセンサ素子２０を製造した場合のセンサ素子２０の性能を検討する。
第１熱電変換素子２０８及び第２熱電変換素子２０９の各々の熱伝導率κＡＮＥ、面積ＡＡＮＥ、ネルンスト係数ＳＡＮＥ、及び電気抵抗率ρは、表４に規定されたものと同じである。
この場合、式（２）及び式（４）より、１つのセンサ素子２０のＶ／Ｑ及びＮＥＰは、以下のようになり、Ｃｏ２ＭｎＧａ薄膜を備える第１実施形態のセンサ素子１０よりも、感度が向上していることがわかる。ここで、式（２）及び式（４）では、２つの熱電変換素子からの寄与が含まれている。
Ｖ／Ｑ＝４１ｍＶ／Ｗ、
ＮＥＰ＝４８ｎＷ
Ｖ／Ｑ＝４１ｍＶ／Ｗ、
ＮＥＰ＝４８ｎＷ
第２実施形態においても、図７に示すセンサ構造体２００４を備える様々なセンサ装置を提供することができる。例えば、図１１に示すセンサ装置２０００は、基板２００２上に、複数のセンサ構造体２００４がマトリクス状に配置されたセンサアレイであり、各センサ構造体２００４をピクセルとしたイメージング装置として機能させることができる。
＜第３実施形態＞
次に、図１２～図１６を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。
次に、図１２～図１６を参照して、本発明の第３実施形態について説明する。
図１２に、第３実施形態のセンサ素子３０の斜視図を示す。センサ素子３０は、電磁波を検出する素子であり、図１２に示すように、基板３０２と、基板３０２上に設けられたセンサ構造体３００４とを備える。図１３に、センサ構造体３００４の平面図を示し、図１４に、図１２のＸＩＶ－ＸＩＶ線矢視断面図を示す。
センサ素子３０は、第２実施形態のセンサ素子２０から低熱伝導絶縁膜２１０を除いた構成と実質的に同じである。具体的には、センサ素子３０のセンサ構造体３００４は、高熱伝導絶縁膜３０６と、高熱伝導絶縁膜３０６上に設けられた吸収体３０４と、吸収体３０４及び高熱伝導絶縁膜３０６を両持ち支持する直方体状の第１熱電変換素子３０８及び第２熱電変換素子３０９と、第１熱電変換素子３０８の長手方向（ｙ方向）の両端部に設けられた電極３１２ａ及び３１２ｂと、第２熱電変換素子３０９の長手方向（ｙ方向）の両端部に設けられた電極３１３ａ及び３１３ｂとを備える。第１熱電変換素子３０８と第２熱電変換素子３０９との間、及び高熱伝導絶縁膜３０６と基板３０２との間は中空領域３１０となっている。
図１４に示すように、吸収体３０４及び高熱伝導絶縁膜３０６が、第１熱電変換素子３０８及び第２熱電変換素子３０９によって両持ち支持されることでブリッジ構造をなしている。センサ素子３０が真空中で密封されると、中空領域３１０は真空となる。
センサ素子３０の各構成要素の形状、寸法、材料及び機能は、第２実施形態のセンサ素子２０の対応する構成要素と同一であるため、その説明を省略する。
次に、図１５Ａ～図１５Ｅを参照して、第３実施形態のセンサ素子３０の製造方法（以下、「第４製造方法」と呼ぶ。）を説明する。
基板３０２上に第１熱電変換素子３０８、第２熱電変換素子３０９、電極３１２ａ、３１２ｂ、３１３ａ及び３１３ｂを形成する工程は、第２実施形態の図１０Ａ～図１０Ｅと同じであるため、その説明を省略する。
第１熱電変換素子３０８、第２熱電変換素子３０９、電極３１２ａ、３１２ｂ、３１３ａ及び３１３ｂの形成後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィープロセスにより、中空領域３１０が開口したレジストパターン３３９を形成する。そして、図１５Ａに示すように、例えば、真空蒸着法やスパッタリング法により、第１熱電変換素子３０８及び第２熱電変換素子３０９と同じ厚さの潮解性物質層３４０を形成する。潮解性物質層３４０は、例えば、塩化ナトリウムやＭｇＯ、又は有機材料からなる。
次いで、図１５Ｂに示すように、レジストパターン３３９とともにレジストパターン３３９上の潮解性物質層３４０をリフトオフすることにより、補間層３２０を得る。
補間層３２０の形成後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィープロセスにより、吸収体３０４及び高熱伝導絶縁膜３０６の領域が開口したレジストパターン３３５を形成する。そして、図１５Ｃに示すように、例えば、スパッタリング法により、高熱伝導絶縁膜３０６の材料からなる絶縁膜３３６を形成し、吸収体３０４の材料からなる金属膜３３４を絶縁膜３３６上に形成する。
次いで、図１５Ｄに示すように、レジストパターン３３５とともにレジストパターン３３５上の絶縁膜３３６及び金属膜３３４をリフトオフすることにより、高熱伝導絶縁膜３０６及び吸収体３０４を得る。
最後に、図１５Ｅに示すように、補間層３２０を水で溶解することにより、補間層３２０が除去され、中空領域３１０が形成される。これにより、第３実施形態のセンサ素子３０が得られる。
次に、第４製造方法によって、表６に規定する寸法及び材料を有するセンサ素子３０を製造した場合のセンサ素子３０の性能を検討する。
第１熱電変換素子３０８及び第２熱電変換素子３０９の各々の熱伝導率κＡＮＥ、面積ＡＡＮＥ、ネルンスト係数ＳＡＮＥ、及び電気抵抗率ρは、表４に規定されたものと同じである。
この場合、式（２）及び式（４）より、１つのセンサ素子３０のＶ／Ｑ及びＮＥＰは、以下のようになる。ここで、式（２）及び式（４）では、２つの熱電変換素子からの寄与が含まれている。
Ｖ／Ｑ＝６０ｍＶ／Ｗ、
ＮＥＰ＝３３ｎＷ
Ｖ／Ｑ＝６０ｍＶ／Ｗ、
ＮＥＰ＝３３ｎＷ
このように、第３実施形態のセンサ素子３０は、第１実施形態のセンサ素子１０、第２実施形態のセンサ素子２０よりも、感度及びノイズ耐性が著しく向上している。これは、第１熱電変換素子３０８と第２熱電変換素子３０９との間に真空の中空領域３１０を設けることで、吸収体３０４からの熱流が、第１熱電変換素子３０８及び第２熱電変換素子３０９に集中していることを示している。
第３実施形態においても、図１２に示すセンサ構造体３００４を備える様々なセンサ装置を実現することができる。例えば、図１６に示すセンサ装置３０００は、基板３００２上に、複数のセンサ構造体３００４がマトリクス状に配置されたセンサアレイであり、各センサ構造体３００４をピクセルとしたイメージング装置として機能させることができる。
第１～第３実施形態のセンサ素子及びセンサ装置によれば、簡易な構成で大面積のデバイスを実現することができる。また、微細加工装置を用いることなく、非常に安価なデバイスを製造することができる。さらに、熱電変換素子の薄型化により、熱容量を抑えた設計が可能となり、応答速度を向上させることができる。このような優れた特性により、例えば、センサ素子を手荷物検査装置等に組み込み、高速で手荷物の内容物をチェックすることが可能となる。また、バックグラウンドノイズを抑制し、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。さらに、センサ素子の構造及び配置により、１００Ｋ以上の温度幅でμＷ程度の分解能を実現することができる。
＜第４実施形態＞
次に、図１７を参照して、本発明の第４実施形態について説明する。
次に、図１７を参照して、本発明の第４実施形態について説明する。
第１～第３実施形態の熱電変換素子は薄膜であるのに対し、第４実施形態の熱電変換素子はバルク構造を有する。
図１７に、第４実施形態のセンサ素子４０の斜視図を示す。センサ素子４０は、電磁波を検出する素子であり、図１７に示すように、基板４０２と、板状の高熱伝導絶縁膜４０６と、高熱伝導絶縁膜４０６上に設けられた吸収体４０４と、基板４０２上で吸収体４０４及び高熱伝導絶縁膜４０６を両持ち支持する直方体状の第１熱電変換素子４０８及び第２熱電変換素子４０９と、第１熱電変換素子４０８の長手方向の両端部に設けられた電極４１２ａ及び４１２ｂ（４１２ｂは図示せず）と、第２熱電変換素子４０９の長手方向の両端部に設けられた電極４１３ａ及び４１３ｂとを備える。第１熱電変換素子４０８と第２熱電変換素子４０９との間、及び高熱伝導絶縁膜４０６と基板４０２との間は中空領域４１０となっている。
図１７に示すように、吸収体４０４及び高熱伝導絶縁膜４０６が、第１熱電変換素子４０８及び第２熱電変換素子４０９によって両持ち支持されることでブリッジ構造をなしている。センサ素子４０が真空中で密封されると、中空領域４１０は真空となる。また、センサ素子４０の使用時には、第１熱電変換素子４０８及び第２熱電変換素子４０９の幅方向に外部磁場Ｂが印加される。
基板４０２上に、直方体状に加工した第１熱電変換素子４０８及び第２熱電変換素子４０９を、幅方向に離間して平行に配置し、第１熱電変換素子４０８及び第２熱電変換素子４０９を支持台として、薄膜の吸収体４０４と薄膜の高熱伝導絶縁膜４０６からなる構造体を載せることで、センサ素子４０が得られる。
次に、第４実施形態のセンサ素子４０の性能を検討する。以下では、センサ素子４０が、表７に規定する寸法及び材料を有するものとする。
表８に、第１熱電変換素子４０８及び第２熱電変換素子４０９の各々の熱伝導率κＡＮＥ、面積ＡＡＮＥ、ネルンスト係数ＳＡＮＥ、及び電気抵抗率ρを示す。
この場合、式（２）及び式（４）より、１つのセンサ素子４０のＶ／Ｑ及びＮＥＰは、以下のようになる。ここで、式（２）及び式（４）では、２つの熱電変換素子からの寄与が含まれている。
Ｖ／Ｑ＝０．６ｍＶ／Ｗ、
ＮＥＰ＝４７ｎＷ
Ｖ／Ｑ＝０．６ｍＶ／Ｗ、
ＮＥＰ＝４７ｎＷ
このように、バルク構造のセンサ素子４０は、第１～第３実施形態に示した薄膜の熱電変換素子を備えるセンサ素子より、感度及びノイズ耐性は低下するが、ゼーベック効果を用いた電磁波センサと遜色ない信号を得ることができる。また、第１熱電変換素子４０８及び第２熱電変換素子４０９の厚さが、第１～第３実施形態の熱電変換素子よりも厚いため、電気抵抗値が小さいという利点がある。
図１８に示すように、上述の各実施形態のセンサ素子又はセンサ装置は、筐体１６０内で真空密封される。筐体１６０は、目的の波長帯域の電磁波を透過する材料からなる。効率を高めるため、筐体１６０をハーフミラーで作製してもよい。センサ素子又はセンサ装置の下部は、例えばＣｕからなる熱浴１５０に接しているか、又は冷却装置により温度が一定に保たれている。
各実施形態のセンサ素子及びセンサ装置は、従来のボロメータのように相転移しないため、信号の線形性が高く、幅広いレンジの電磁波を検出することができる。また、ゼーベック効果を用いた電磁波センサとは異なり、吸収体の面積を大きく設定することができるため、効率的に電磁波を熱に変換することができる。
１０、２０、３０、４０ センサ素子
１０２、２０２、３０２、１００２、２００２、３００２ 基板
１０４、２０４、３０４ 吸収体
１０６、２０６、３０６ 高熱伝導絶縁膜
１０８ 熱電変換素子
１１０、２１０ 低熱伝導絶縁膜
１１２ａ、１１２ｂ、２１２ａ、２１２ｂ、２１３ａ、２１３ｂ、３１２ａ、３１２ｂ、３１３ａ、３１３ｂ 電極
２０８、３０８ 第１熱電変換素子
２０９、３０９ 第２熱電変換素子
３１０ 中空領域
１０００、２０００、３０００ センサ装置
１００４、２００４、３００４ センサ構造体
１０２、２０２、３０２、１００２、２００２、３００２ 基板
１０４、２０４、３０４ 吸収体
１０６、２０６、３０６ 高熱伝導絶縁膜
１０８ 熱電変換素子
１１０、２１０ 低熱伝導絶縁膜
１１２ａ、１１２ｂ、２１２ａ、２１２ｂ、２１３ａ、２１３ｂ、３１２ａ、３１２ｂ、３１３ａ、３１３ｂ 電極
２０８、３０８ 第１熱電変換素子
２０９、３０９ 第２熱電変換素子
３１０ 中空領域
１０００、２０００、３０００ センサ装置
１００４、２００４、３００４ センサ構造体
Claims (7)
- 電磁波を検出するセンサ素子であって、
基板と、
前記電磁波を吸収して熱を発生する吸収体と、
前記基板と前記吸収体との間に設けられて前記吸収体の一部を支持し、前記吸収体で発生した熱から横熱電効果によって起電力を発生する少なくとも１つの熱電変換素子と、
を備えるセンサ素子。 - 前記横熱電効果は異常ネルンスト効果である、請求項１に記載のセンサ素子。
- 前記吸収体と前記少なくとも１つの熱電変換素子との間に、熱伝導率が前記少なくとも１つの熱電変換素子の材料よりも高い絶縁体からなる高熱伝導絶縁膜を更に備える、請求項１又は２に記載のセンサ素子。
- 前記基板と前記高熱伝導絶縁膜との間の前記少なくとも１つの熱電変換素子以外の領域に、層間絶縁膜として、熱伝導率が前記少なくとも１つの熱電変換素子の材料よりも低い絶縁体からなる低熱伝導絶縁膜を更に備える、請求項３に記載のセンサ素子。
- 前記少なくとも１つの熱電変換素子は、長手方向に垂直な方向に互いに離間して配置された直方体状の第１熱電変換素子及び第２熱電変換素子を含み、
前記基板と前記高熱伝導絶縁膜との間の、前記第１熱電変換素子及び前記第２熱電変換素子以外の領域に、層間絶縁膜として、熱伝導率が前記第１熱電変換素子及び前記第２熱電変換素子の材料よりも低い絶縁体からなる低熱伝導絶縁膜を更に備える、請求項３に記載のセンサ素子。 - 前記少なくとも１つの熱電変換素子は、長手方向に垂直な方向に互いに離間して配置された直方体状の第１熱電変換素子及び第２熱電変換素子を含み、
前記吸収体及び前記高熱伝導絶縁膜が、前記第１熱電変換素子及び前記第２熱電変換素子によって両持ち支持されることでブリッジ構造をなし、
前記第１熱電変換素子と前記第２熱電変換素子との間、及び前記基板と前記高熱伝導絶縁膜との間に真空の中空領域を備える、請求項３に記載のセンサ素子。 - 基板と、
前記基板上にマトリクス状に配置された複数のセンサ構造体と、を備え、
前記複数のセンサ構造体の各々は、
電磁波を吸収して熱を発生する吸収体と、
前記基板と前記吸収体との間に設けられて前記吸収体の一部を支持し、前記吸収体で発生した熱から横熱電効果によって起電力を発生する少なくとも１つの熱電変換素子と、
を備える、センサ装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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