JP5243817B2 - 赤外線放射素子 - Google Patents
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Description
本実施形態の赤外線放射素子は、図1(a),(b)に示すように、単結晶のシリコン基板からなる半導体基板1の一表面側(図1(b)における上面側)にヒータ層(発熱体層)3が形成されるとともに、ヒータ層3と半導体基板1との間に多孔質シリコン層からなる多孔質部2が形成されており、半導体基板1の上記一表面側にヒータ層3の両端部それぞれと電気的に接続される一対のパッド4,4が形成されている。したがって、本実施形態の赤外線放射素子では、一対のパッド4,4を介してヒータ層3へ電力を与えることによりヒータ層3から赤外線が放射される。
λ=2898/T
となり、ヒータ層3の絶対温度Tとヒータ層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、ヒータ層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、ヒータ層3に発生するジュール熱を変化させる(つまり、ヒータ層3の温度を変化させる)ことができる。したがって、ヒータ層3への最大入力電力に応じてヒータ層3の温度を変化させることができ、また、ヒータ層3の温度を変化させることでヒータ層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、ヒータ層3が上述のように黒体を構成し、ヒータ層3の単位面積が単位時間に放射する全エネルギEがT4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、ヒータ層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(赤外線放射源)として用いることが可能となる。
Si+2HF+(2−n)h+→SiF2+2H++ne−
SiF2+2HF→SiF4+H2
SiF4+2HF→SiH2F6
すなわち、p形のシリコン基板からなる半導体基板1の陽極酸化では、Fイオンの供給量とホールh+の供給量との兼ね合いで多孔質化あるいは電解研磨が起こることが知られており、Fイオンの供給量の方がホールの供給量よりも多い場合には多孔質化が起こり、ホールh+の供給量がFイオンの供給量よりも多い場合には電解研磨が起こる。したがって、本実施形態のように半導体基板1としてp形のシリコン基板を用いている場合には、陽極酸化による多孔質化の速度はホールh+の供給量で決まるから、半導体基板1中を流れる電流の電流密度で多孔質化の速度が決まり、多孔質部2の厚みが決まることになる。ここにおいて、半導体基板1の上記一表面側では、半導体基板1の厚み方向に沿った陽極12の中心線から離れるほど電流密度が徐々に小さくなるような電流密度の面内分布を有することとなり、半導体基板1の上記一表面側に形成される多孔質部2は、陽極12の中心線から離れるほど徐々に薄くなっている。なお、上述の電流密度の面内分布は、陽極12と陰極との間に通電しているときに陽極12と半導体基板1との接触パターンなどにより決まる半導体基板1内の電界強度の分布に応じて発生し、電界強度が強いほど電流密度が大きくなり、電界強度が弱いほど電流密度が小さくなる。
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態1と略同じであって、図3(a),(b)に示すように、多孔質部2におけるヒータ層3側の表面が凹曲面状に形成されており、ヒータ層3が当該多孔質部2の凹曲面状の表面の一部に沿った断面形状に形成されている点が相違するだけである。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態1と略同じであって、図4(a),(b)に示すように、多孔質部2におけるヒータ層3側の表面が凸曲面状に形成されており、ヒータ3が当該多孔質部2の凸曲面状の表面の一部に沿った断面形状に形成されている点が相違するだけである。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態1と略同じであって、図5(a),(b)に示すように、多孔質部2が、半導体基板1側に屈折率の異なる複数(本実施形態では、2つであるが、3つ以上でもよい)の多孔質層2b,2cにより構成され所望の波長域の赤外線を選択的に反射する多層反射部7を有している点が相違する。ここで、多孔質層2b,2cの屈折率と厚さとを適宜設定することにより、波長選択性を持たせることができる。なお、実施形態1と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
本実施形態の赤外線放射素子の基本構成は実施形態2と略同じであって、図6(a),(b)に示すように、多孔質部2におけるヒータ層3側に封孔処理を施すことにより封孔層2dが形成されている点、多孔質部2に実施形態4にて説明した多層反射部7が設けられている点、ヒータ層3における多孔質部2側と反対側の表面に当該表面側へ放射される赤外線をカットする(阻止する)ための絶縁膜(例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜など)8により覆われている点が相違する。なお、実施形態2,4と同様の構成要素には同一の符合を付して説明を省略する。
2 多孔質部
2a 断熱部
2b 多孔質層
2c 多孔質層
2d 封孔層
3 ヒータ層
4 パッド
5 絶縁膜
6 赤外線反射ミラー
7 多層反射部
8 絶縁膜
Claims (4)
- 半導体基板の一表面側に形成されたヒータ層と、前記半導体基板の前記一表面側で前記半導体基板と前記ヒータ層との間に形成された多孔質部とを備え、前記ヒータ層へ電力を与えることにより前記ヒータ層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、前記半導体基板と前記多孔質部との界面が前記ヒータ層から前記多孔質部側へ放射された赤外線を反射する凹曲面状の赤外線反射ミラーを構成しており、前記多孔質部は、前記半導体基板側に屈折率の異なる複数の多孔質層により構成され所望の波長域の赤外線を選択的に反射する多層反射部を有することを特徴とする赤外線放射素子。
- 前記多孔質部における前記ヒータ層側の表面が凹曲面状に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。
- 前記多孔質部における前記ヒータ層側の表面が凸曲面状に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。
- 前記多孔質部は、前記ヒータ層側に封孔層が形成されてなることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の赤外線放射素子。
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