JPWO2020174731A1 - 赤外線センサ、赤外線センサアレイ、及び赤外線センサの製造方法 - Google Patents

赤外線センサ、赤外線センサアレイ、及び赤外線センサの製造方法 Download PDF

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Abstract

本開示は、赤外線センサの感度をさらに高める技術を提供する。本開示の赤外線センサは、ベース基板；ボロメータ赤外線受光部；第１梁；及び第２梁；を具備し、ここで、第１梁及び第２梁の各々は、ベース基板及び／又はベース基板上の部材と接続された接続部と、ベース基板から離間した離間部とを有し、かつ、離間部において赤外線受光部と物理的に接合され、赤外線受光部は、第１梁及び第２梁によってベース基板とは離間した状態で支持されており、赤外線受光部は、温度によって電気抵抗が変化する抵抗変化材料から構成される抵抗変化部を含み、抵抗変化部は非晶質の半導体からなり、第１梁及び第２梁の各々は、抵抗変化材料の母材と同じ母材からなる結晶質の半導体から構成され、かつ、離間部において抵抗変化部と電気的に接続されている。

Description

本開示は、赤外線センサ、赤外線センサアレイ、及び赤外線センサの製造方法に関する。
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は、フォノニック結晶構造の導入によって梁の断熱性能を高める技術を開示している。
赤外線センサの一種に、ボロメータ型センサがある。ボロメータ型センサは、サーミスタ型センサとも称される。ボロメータ型センサの赤外線受光部は、温度によって電気抵抗が変化する抵抗変化材料を含む。特許文献１の開示する赤外線センサには、ボロメータ型センサが含まれる。
特開２０１７−２２３６４４号公報
本開示は、ボロメータ型赤外線センサにおける赤外線の受光感度を高める技術を提供する。
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；
ボロメータ赤外線受光部；
第１梁；及び
第２梁；
を具備し、
ここで、
前記第１梁及び前記第２梁の各々は、前記ベース基板、及び／又は前記ベース基板上の部材と接続された接続部と、前記ベース基板から離間した離間部と、を有し、かつ、前記離間部において前記赤外線受光部と物理的に接合され、
前記赤外線受光部は、前記第１梁及び前記第２梁によって、前記ベース基板とは離間した状態で支持されており、
前記赤外線受光部は、温度によって電気抵抗が変化する抵抗変化材料から構成される抵抗変化部を含み、
前記抵抗変化部は、非晶質の半導体からなり、
前記第１梁及び前記第２梁の各々は、前記抵抗変化材料の母材と同じ母材からなる結晶質の半導体から構成され、かつ、前記離間部において前記抵抗変化部と電気的に接続されている。
本開示の赤外線センサは、赤外線の高い受光感度を有しうるボロメータ型センサである。
図１Ａは、実施形態１の赤外線センサを模式的に示す断面図である。 図１Ｂ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２Ａは、本開示の赤外線センサの梁（第１梁）が有しうるフォノニック結晶構造の一例を模式的に示す平面図である。 図２Ｂは、本開示の赤外線センサの梁（第２梁）が有しうるフォノニック結晶構造の一例を模式的に示す平面図である。 図３Ａは、図２Ａのフォノニック結晶構造が含む第１ドメインにおける単位格子とその方位とを示す模式図である。 図３Ｂは、図２Ａのフォノニック結晶構造が含む第２ドメインにおける単位格子とその方位とを示す模式図である。 図４は、図２Ａのフォノニック結晶構造の領域Ｒ１の拡大図である。 図５は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の別の一例を模式的に示す平面図である。 図６は、図５のフォノニック結晶構造の領域Ｒ２の拡大図である。 図７は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造のまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図８は、図７のフォノニック結晶構造の領域Ｒ３の拡大図である。 図９は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造のさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図１０は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１１は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１２Ａは、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の一例を示す模式図である。 図１２Ｂは、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の別の一例を示す模式図である。 図１３は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１４は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１５Ａは、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の一例を示す模式図である。 図１５Ｂは、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の別の一例を示す模式図である。 図１５Ｃは、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子のまた別の一例を示す模式図である。 図１５Ｄは、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の上記とは別の一例を示す模式図である。 図１６Ａは、実施形態２の赤外線センサを模式的に示す断面図である。 図１６Ｂ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１７Ａは、実施形態２の赤外線センサの変形例を模式的に示す断面図である。 図１７Ｂは、実施形態２の赤外線センサの変形例を模式的に示す平面図である。 図１８Ａは、実施形態３の赤外線センサを模式的に示す断面図である。 図１８Ｂ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１９Ａは、実施形態３の赤外線センサの変形例を模式的に示す断面図である。 図１９Ｂは、実施形態３の赤外線センサの変形例を模式的に示す平面図である。 図２０Ａは、実施形態３の赤外線センサの変形例を模式的に示す断面図である。 図２０Ｂは、実施形態３の赤外線センサの変形例を模式的に示す平面図である。 図２１は、実施形態４の赤外線センサを模式的に示す断面図である。 図２２Ａは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｂは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｃは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｄは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｅは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｆは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｇは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｈは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｉは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｊは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｋは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｌは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｍは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｎは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｏは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｐは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。 図２２Ｑは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。
（本開示の基礎となった知見）
本発明者らの検討によれば、ボロメータ型赤外線センサにおける赤外線の受光感度は、梁の断熱性能の向上だけではなく、熱雑音Ｎthermの低減によっても向上する。熱雑音Ｎthermは、赤外線センサの全電気抵抗Ｒallの１／２乗に比例するパラメータである。赤外線センサの全電気抵抗Ｒallは、典型的には、赤外線センサにおける読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）との接続端子間の全電気抵抗である。全電気抵抗Ｒallは、典型的には、接続端子部の電気抵抗Ｒstud、接続端子と抵抗変化部とを電気的に接続する配線の電気抵抗Ｒwiring、抵抗変化部の電気抵抗Ｒthermister、及び抵抗変化部と配線との界面における界面電気抵抗Ｒinterfaceの各電気抵抗の和により表される。本開示の赤外線センサでは、第１梁及び第２梁の各々が配線として機能する。抵抗変化部の母材と、第１梁及び第２梁の母材とは同じである。このため、両者の界面におけるエネルギーバンドの傾斜を緩和でき、それ故、界面電気抵抗Ｒinterfaceが低減可能となる。界面電気抵抗Ｒinterfaceの低減は、熱雑音Ｎthermを低減させる。したがって、本開示の赤外線センサは高い受光感度を有しうる。
（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。
［赤外線センサ］
（実施形態１）
実施形態１の赤外線センサが図１Ａ及び図１Ｂに示される。図１Ａには、図１Ｂの赤外線センサ１Ａの断面１Ａ−１Ａが示される。赤外線センサ１Ａは、熱型赤外線センサの１種であるボロメータ型赤外線センサである。赤外線センサ１Ａは、ベース基板１１、ボロメータ赤外線受光部１２、第１梁１３Ａ、及び第２梁１３Ｂを備える。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々は、ベース基板１１上の部材と接続された接続部１６Ａ，１６Ｂと、ベース基板１１から離間した離間部１７とを有する。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、それぞれ、一方の端部に接続部１６Ａ，１６Ｂを有している。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々は、離間部１７において赤外線受光部１２と物理的に接合されている。赤外線受光部１２と物理的に接合されている位置は、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々における他方の端部である。赤外線受光部１２は、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂによって、ベース基板１１とは離間した状態で支持されている。この離間は、ベース基板１１と赤外線受光部１２との熱的な絶縁を高めている。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、導電性を有する。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、赤外線受光部１２を物理的に支持する機能と、赤外線受光部１２における抵抗変化部の抵抗を検出する電流の経路、即ち配線、としての機能とを有している。
赤外線センサ１Ａは、ベース基板１１上に配置された部材であって、ベース基板１１の上面１４から離れる方向に延びる第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂをさらに備える。第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂは、ベース基板１１上の部材である。第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂは、導電性を有する。第１梁１３Ａは、接続部１６Ａにおいて第１支柱１５Ａと接続されている。第２梁１３Ｂは、接続部１６Ｂにおいて第２支柱１５Ｂと接続されている。接続部１６Ａにおいて第１梁１３Ａと第１支柱１５Ａとは、物理的かつ電気的に接続されている。接続部１６Ｂにおいて第２梁１３Ｂと第２支柱１５Ｂとは、物理的かつ電気的に接続されている。断面視において、赤外線受光部１２、第１梁１３Ａ、及び第２梁１３Ｂは、第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂによってベース基板１１の上部で懸架されている。図１Ａ及び図１Ｂに示される赤外線センサ１Ａでは、第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂによる上記懸架によって、ベース基板１１と赤外線受光部１２との離間が達成されている。第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂは、赤外線受光部１２、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂを物理的に支持する機能と、赤外線受光部１２における抵抗変化部の抵抗を検出する電流の経路としての機能とを有している。
赤外線受光部１２は、温度によって電気抵抗が変化する抵抗変化材料から構成される抵抗変化部１８を含む。抵抗変化部１８を構成する抵抗変化材料は、１種であっても２種以上であってもよいが、典型的には１種である。抵抗変化部１８は、非晶質の半導体からなる。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々は、抵抗変化材料の母材と同じ母材からなる結晶質の半導体から構成される。また、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々は、離間部１７において、赤外線受光部１２の抵抗変化部１８と電気的に接続されている。抵抗変化部１８、並びに第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、それぞれ、上記母材から構成される半導体層２１の非晶質領域１９及び結晶質領域２０Ａ，２０Ｂである。半導体層２１は、単層である。この形態の赤外線センサ１Ａは、後述する製造方法の例から明らかであるように、半導体製造技術との親和性が高い。半導体層２１の厚さは、例えば、５０〜５００ｎｍである。
抵抗変化部１８は、非晶質の半導体から構成される。一方、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、結晶質の半導体から構成される。ただし、抵抗変化部１８を構成する半導体の母材と、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂを構成する半導体の母材とは、同一である。母材は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）である。母材は、Ｓｉ又はＳｉＧｅであってもよい。なお、本明細書において「結晶質の半導体」とは、結晶化された母材の含有率が、例えば５０質量％以上、７０質量％以上、８０質量％以上、９０質量％以上、さらには９５質量％以上の半導体を意味する。「結晶質の半導体」では、結晶化された母材の含有率が１００質量％であってもよい。「非晶質の半導体」とは、結晶化された母材の含有率が、例えば５０質量%未満、３０質量％未満、２０質量％未満、１０質量％未満、さらには５質量％未満の半導体を意味する。「非晶質の半導体」では、結晶化された母材の含有率が０質量％であってもよい。結晶化された母材の含有率は、例えば、Ｘ線回折により評価できる。
第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、導電性を有する。このために、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂを構成する半導体では、典型的には、不純物が高濃度にドープされている。当該半導体における不純物のドープ濃度は、例えば１０17〜１０23ｃｍ-3であり、１０19〜１０21ｃｍ-3であってもよい。不純物は、母材を構成する元素とは異なる元素である。母材がＳｉ又はＳｉＧｅである場合、不純物は、例えば、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）である。
第１梁１３Ａ及び／又は第２梁１３Ｂと、抵抗変化部１８との境界、すなわち境界面において、当該境界面の法線方向に沿って、母材にドープされた不純物の濃度が連続的に変化していることが好ましい。この形態では、界面電気抵抗Ｒinterfaceがより確実に低減可能となる。一例として、当該境界面の近傍において、当該境界面の法線方向に沿った、ドープされた不純物の濃度の勾配が１０１８ｃｍ−３／ｎｍ以下である形態が用いられうる。ここで、境界面の近傍とは、境界面から、境界面の法線方向に所定距離（例えば、１００ｎｍ）離間した領域までの範囲を意味する。なお、上記濃度の変化は、例えば、第１梁１３Ａ及び／又は第２梁１３Ｂを構成する半導体の母材にドープされた不純物の一部が拡散することにより達成される。
赤外線センサ１Ａでは、赤外線受光部１２に含まれる抵抗変化部１８の抵抗の読み取りが実施される。読み取りのために、図１Ａ及び図１Ｂに示される赤外線センサ１Ａは、ベース基板１１の内部に読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）；（図示せず）をさらに備えている。赤外線センサ１Ａは、ベース基板１１の上面１４に第１信号読み出し端子２２Ａ及び第２信号読み出し端子２２Ｂをさらに備えている。第１支柱１５ＡとＲＯＩＣとは、第１信号読み出し端子２２Ａを介して電気的に接続されている。第２支柱１５ＢとＲＯＩＣとは、第２信号読み出し端子２２Ｂを介して電気的に接続されている。抵抗変化部１８の抵抗は、第１梁１３Ａ、第２梁１３Ｂ、第１支柱１５Ａ、第２支柱１５Ｂ、第１信号読み出し端子２２Ａ、及び第２信号読み出し端子２２Ｂを介して読み取り可能である。なお、抵抗変化部１８を挟んだ第１信号読み出し端子２２Ａと第２信号読み出し端子２２Ｂとの間の電気抵抗が、上述した全電気抵抗Ｒallである。赤外線センサ１Ａは、抵抗変化部１８の抵抗を読み取るためのさらなる部材を備えていてもよい。
赤外線受光部１２に赤外線が入射すると、赤外線受光部１２の温度が上昇する。このとき、赤外線受光部１２の温度は、熱浴であるベース基板１１及びベース基板１１上の部材から熱的に絶縁されているほど、大きく上昇する。ボロメータ赤外線受光部１２を備える赤外線センサ１Ａでは、温度上昇に伴って、赤外線受光部１２に含まれる抵抗変化部１８の抵抗が変化する。変化した抵抗に対応する電気的な信号をＲＯＩＣで処理して赤外線が検知される。処理によっては、赤外線センサ１Ａによる赤外線の強度測定、及び／又は対象物の温度測定が可能である。ただし、本開示の赤外線センサにおいて、赤外線受光部１２に含まれる抵抗変化部１８の抵抗の読み取りは、ベース基板１１の内部に設けられたＲＯＩＣによる態様に限定されない。
図１Ａ及び図１Ｂに示される赤外線センサ１Ａでは、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂと赤外線受光部１２との物理的な接合部、及び第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂと抵抗変化部１８との電気的な接続部とは同じである。具体的には、抵抗変化部１８と第１梁１３Ａとの境界、及び抵抗変化部１８と第２梁１３Ｂとの境界が、上記物理的な接合部であるとともに上記電気的な接続部である。ただし、本開示の赤外線センサでは、上記物理的な接合部と、上記電気的な接続部とが異なっていてもよい。
図１Ａ及び図１Ｂに示される赤外線センサ１Ａは、ベース基板１１の表面における赤外線受光部１２に対面する位置に赤外線反射膜２３をさらに備えている。この形態では、赤外線反射膜２３で反射した赤外線の利用も可能となり、赤外線センサ１Ａの受光感度のさらなる向上が可能となる。図１Ａ及び図１Ｂに示される赤外線センサ１Ａでは、赤外線反射膜２３はベース基板１１の上面１４に配置されている。平面視において、赤外線受光部１２の面積に比べて赤外線反射膜２３の面積は大きい。また、平面視において、赤外線反射膜２３は、赤外線受光部１２を囲むように配置されている。ただし、赤外線反射膜２３の具体的な形態は、図１Ａ及び図１Ｂに示される例に限定されない。赤外線反射膜２３の厚さは、例えば、５０〜５００ｎｍである。本開示の赤外線センサは、赤外線反射膜２３を備えていなくてもよい。なお、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。また、「主面」とは、最も広い面積を有する面を意味する。
ベース基板１１は、典型的には、半導体から構成される。半導体は、例えばＳｉである。Ｓｉから構成されるベース基板１１の上面１４には、酸化膜が形成されていてもよい。酸化膜は、例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ2）膜である。ただし、ベース基板１１の構成は、上記例に限定されない。
第１の支柱１５Ａ、第２の支柱１５Ｂ、第１信号読み出し端子２２Ａ、及び第２信号読み出し端子２２Ｂは、例えば、不純物がドープされた半導体、又は金属から構成される。金属は、例えば、チタン（Ｔｉ）又は窒化チタン（ＴｉＮ）といった低熱伝導率の種である。ただし、第１の支柱１５Ａ、第２の支柱１５Ｂ、及び信号読み出し端子２２Ａ，２２Ｂを構成する材料は、上記例に限定されない。
ＲＯＩＣは、公知の構成を有しうる。ＲＯＩＣは、ベース基板１１の内部とは異なる場所に設けられていてもよい。ＲＯＩＣは、例えば、ベース基板１１の上面１４に設けられてもよい。
赤外線反射膜２３は、典型的には、金属から構成される。金属は、例えば、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）である。ただし、赤外線反射膜２３を構成する材料は、上記例に限定されない。
第１梁１３Ａにおける、赤外線受光部１２との接合部と接続部１６Ａとの間に位置する区間、及び／又は第２梁１３Ｂにおける、赤外線受光部１２との接合部と接続部１６Ｂとの間に位置する区間は、規則的に配列した複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶構造を有していてもよい。実施形態１の赤外線センサ１Ａの一例では、第１梁１３Ａにおける、赤外線受光部１２との接合部と接続部１６Ａとの間に位置する区間は、規則的に配列した複数の貫通孔を具備する第１フォノニック結晶構造を有し、第２梁１３Ｂにおける、赤外線受光部１２との接合部と接続部１６Ｂとの間に位置する区間は、規則的に配列した複数の貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有する。上記区間は、通常、第１梁１３Ａ及び／又は第２梁１３Ｂの離間部１７に位置する。
絶縁体及び半導体において、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。絶縁体又は半導体から構成される材料の熱伝導率は、材料が有するフォノンの分散関係により決定される。フォノンの分散関係とは、周波数と波数との関係、又はバンド構造を意味している。絶縁体及び半導体において、熱を運ぶフォノンは、１００ＧＨｚから１０ＴＨｚの幅広い周波数帯域に及ぶ。この周波数帯域は、熱の帯域である。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定められる。
フォノニック結晶構造によれば、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が制御可能である。即ち、フォノニック結晶構造によれば、材料の熱伝導率そのものが制御可能である。とりわけ、フォノニック結晶構造によるフォノニックバンドギャップ（ＰＢＧ）の形成は、材料の熱伝導率を大きく低減させうる。ＰＢＧ内にフォノンは存在できない。このため、熱の帯域に位置するＰＢＧは、熱伝導のギャップとなりうる。また、ＰＢＧ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。傾きの低減はフォノンの群速度を低下させ、熱伝導速度を低下させる。これらの点は、材料の熱伝導率の低減に大きく寄与する。材料の熱伝導率は、例えば、多孔質化により低減できる。多孔質化により導入された空隙が材料の熱伝導率を減少させるためである。しかし、フォノニック結晶構造によれば、材料自身の熱伝導率が低減可能となる。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。
上記説明から理解されるように、フォノニック結晶構造を有する区間を有する第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂでは、熱伝導率のさらなる低減が可能である。したがって、第１梁１３Ａ及び／又は第２梁１３Ｂ、特に第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの双方、が上記区間にフォノニック結晶構造を有する場合に、赤外線センサ１Ａにおけるベース基板１１と赤外線受光部１２との熱的な絶縁はさらに向上可能となる。また、熱的な絶縁のさらなる向上により、赤外線センサ１Ａの受光感度のさらなる向上が可能となる。
以下の説明は、第１梁１３Ａ及び／又は第２梁１３Ｂが有しうるフォノニック結晶構造に関する。これ以降、第１梁１３Ａ及び／又は第２梁１３Ｂが有しうるフォノニック結晶構造は、フォノニック結晶構造Ａと記載される。
フォノニック結晶構造Ａの一例が図２Ａ及び図２Ｂに示される。図２Ａには、梁１３（１３Ａ）の一部を平面視した状態が示されている。図２Ｂには、梁１３（１３Ｂ）の一部を平面視した状態が示されている。梁１３（１３Ａ，１３Ｂ）は、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有する。梁１３は、平面視において、長方形である。梁１３の長辺は、赤外線受光部１２と接続部１６Ａ，１６Ｂとを結ぶ方向、即ち、赤外線センサ１Ａにおけるマクロな熱の伝達方向、と一致している。梁１３には、梁１３の厚さ方向に延びる複数の貫通孔５０が設けられている。梁１３が有するフォノニック結晶構造Ａは、複数の貫通孔５０が面内方向に規則的に配列した二次元フォノニック結晶構造である。
第１の梁１３Ａのフォノニック結晶構造Ａは、フォノニック結晶領域である第１ドメイン５１Ａ、及びフォノニック結晶領域である第２ドメイン５１Ｂを有する。第１ドメイン５１Ａは、平面視において、第１方向に規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備するフォノニック単結晶構造を有する。第２ドメイン５１Ｂは、平面視において、第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備するフォノニック単結晶構造を有する。各々の単結晶構造内において、複数の貫通孔５０の径及び配列周期は同一である。また、各々の単結晶構造内において、規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備する単位格子９１Ａ又は９１Ｂの方位は同一である。第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂの形状は、平面視において、長方形である。第１ドメイン５１Ａの形状と、第２ドメイン５１Ｂの形状とは、平面視において、同一である。
第２の梁１３Ｂのフォノニック結晶構造Ａは、フォノニック結晶領域である第３ドメイン５１Ｃ、及びフォノニック結晶領域である第４ドメイン５１Ｄを有する。第３ドメイン５１Ｃは、平面視において、第３方向に規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備するフォノニック単結晶構造を有する。第４ドメイン５１Ｄは、平面視において、第３方向とは異なる第４方向に規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備するフォノニック単結晶構造を有する。各々の単結晶構造内において、複数の貫通孔５０の径及び配列周期は同一である。また、各々の単結晶構造内において、規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備する単位格子９１Ａ又は９１Ｂの方位は同一である。第３ドメイン５１Ｃ及び第４ドメイン５１Ｄの形状は、平面視において、長方形である。第３ドメイン５１Ｃの形状と、第４ドメイン５１Ｄの形状とは、平面視において、同一である。
図２Ａ及び図２Ｂに示されるフォノニック結晶構造Ａは、複数のフォノニック単結晶構造の複合体であるフォノニック多結晶構造５２でもある。
図２Ａに示されるフォノニック結晶構造Ａと、図２Ｂに示されるフォノニック結晶構造Ａとは同一である。ただし、両者は互いに異なっていてもよい。
第１梁１３Ａが有しうるフォノニック結晶構造Ａと、第２梁１３Ｂが有しうるフォノニック結晶構造Ａとは、同一であっても、互いに異なっていてもよい。
以下、フォノニック結晶構造Ａがとりうる形態の詳細について、第１梁１３Ａが有しうるフォノニック結晶構造Ａ、換言すれば、第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂを有するフォノニック結晶構造Ａ、を例に説明する。第２梁１３Ｂが有しうるフォノニック結晶構造Ａも、同様の形態をとりうる。第１梁１３Ａが有しうるフォノニック結晶構造Ａと第２梁１３Ｂが有しうるフォノニック結晶構造Ａとは、説明する形態の範囲内で互いに異なっていてもよい。
フォノニック結晶領域であるドメインは、貫通孔５０の配列の周期をＰとして、平面視において、例えば、２５Ｐ2以上の面積を有する領域である。フォノニック結晶構造によってフォノンの分散関係を制御するには、ドメインは、少なくとも２５Ｐ2以上の面積を有していてもよい。平面視において正方形のドメインでは、５×Ｐ以上の周期とすることで、２５Ｐ2以上の面積が確保可能である。
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、フォノニック結晶構造Ａでは、第１ドメイン５１Ａにおける単位格子９１Ａの方位５３Ａと、第２ドメイン５１Ｂにおける単位格子９１Ｂの方位５３Ｂとが、平面視において、互いに異なっている。方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度は、平面視において、例えば１０度以上である。ただし、単位格子９１Ａ及び単位格子９１Ｂが同一であって、ｎ回回転対称性を有する場合、方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度の上限は３６０／ｎ度未満である。なお、単位格子が複数のｎに対してｎ回回転対称性を有するとき、上記角度の上限を定めるｎには最大のｎが使用される。例えば、六方格子は、２回回転対称性、３回回転対称性、及び６回回転対称性を有する。このとき、角度の上限を定めるｎには「６」が使用される。即ち、六方格子である単位格子９１Ａ，９１Ｂについて、方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度は６０度未満である。フォノニック結晶構造Ａは、単位格子の方位が互いに異なる２以上のフォノニック結晶領域を少なくとも有している。この条件が満たされる限り、フォノニック結晶構造Ａは、任意のフォノニック結晶領域、及び／又はフォノニック結晶構造を有さない領域をさらに含んでいてもよい。
単位格子の方位は、任意の規則に基づいて決定できる。ただし、異なるドメイン間において、同じ規則を適用して単位格子の方位を定める必要がある。単位格子の方位は、例えば、単位格子を構成する平行でない二辺の成す角を二等分する直線の伸長方向である。ただし、異なるドメイン間において、同じ規則で二辺を定める必要がある。
図２Ａのフォノニック結晶構造Ａの領域Ｒ１の拡大図が、図４に示される。隣接する第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの界面５５において、単位格子９１Ａ，９１Ｂの方位５３Ａ，５３Ｂが変化している。単位格子の方位が変化する界面５５は、フォノニック結晶構造Ａをマクロに流れる熱に対する大きな界面抵抗をもたらす。この界面抵抗は、第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの間で生じる、フォノン群速度のミスマッチに基づく。この界面抵抗は、フォノニック結晶構造Ａを有する梁１３（１３Ａ）における熱伝導率の低減に寄与する。なお、図４において、界面５５は、平面視において、直線状に延びている。また、界面５５は、平面視において、長方形の梁１３の幅方向に延びている。幅方向は、マクロな熱の伝達方向により定められた梁１３の中心線の伸張方向に垂直な方向でありうる。界面５５は、平面視において、マクロな熱の伝達方向に垂直にフォノニック結晶構造Ａを分割している。
図２Ａのフォノニック結晶構造Ａにおいて、第１ドメイン５１Ａにおける複数の貫通孔５０の配列の周期Ｐと、第２ドメイン５１Ｂにおける複数の貫通孔５０の配列の周期Ｐとは等しい。
図２Ａのフォノニック結晶構造Ａにおいて、第１ドメイン５１Ａにおいて規則的に配列した複数の貫通孔５０の径と、第２ドメイン５１Ｂにおいて規則的に配列した複数の貫通孔５０の径とは等しい。
図２Ａのフォノニック結晶構造Ａにおいて、第１ドメイン５１Ａにおける単位格子９１Ａの種類と、第２ドメイン５１Ｂにおける単位格子９１Ｂの種類とは、同一である。図２Ａの単位格子９１Ａ及び単位格子９１Ｂは、いずれも六方格子である。
平面視による各ドメインの形状は限定されない。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、フォノニック結晶構造Ａが有するドメインの数は限定されない。フォノニック結晶構造Ａが有するドメインの数が多くなるほど、ドメイン間の界面による界面抵抗の作用が大きくなる。さらに、フォノニック結晶構造Ａが有する各ドメインのサイズは限定されない。
図５及び図６に示されるフォノニック結晶構造Ａは多結晶構造５２である。多結晶構造５２では、隣接する第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂの界面５５が、平面視において、長方形の梁１３（１３Ａ）の長辺の方向に延びている。長辺の方向は、マクロな熱の伝達方向でありうる。この点以外、図５及び図６のフォノニック結晶構造Ａは、図２Ａのフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。界面５５は、平面視において、マクロな熱の伝達方向に平行にフォノニック結晶構造Ａを分割している。なお、図６は、図５の領域Ｒ２の拡大図である。
図２Ａ及び図５のフォノニック結晶構造Ａでは、平面視において、第１ドメイン５１Ａのサイズ及び第２ドメイン５１Ｂのサイズが同一である。ただし、平面視において、フォノニック構造Ａが有する第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂのサイズは互いに異なっていてもよい。
図７及び図８に示されるフォノニック結晶構造Ａは多結晶構造５２である。多結晶構造５２では、平面視において、第２ドメイン５１Ｂが第１ドメイン５１Ａにより囲まれている。第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂの形状は、平面視において、長方形である。ただし、第１ドメイン５１Ａのサイズと第２ドメイン５１Ｂのサイズとは、平面視において、異なっている。第２ドメイン５１Ｂと、第２ドメイン５１Ｂを囲む第１ドメイン５１Ａとの界面５５は、平面視において、第２ドメイン５１Ｂの外縁を構成している。これらの点以外、図７及び図８のフォノニック結晶構造Ａは、図２Ａのフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。なお、図８は、図７の領域Ｒ３の拡大図である。
また、図７及び図８のフォノニック結晶構造Ａでは、界面５５が屈曲部を有している。
さらに、図７及び図８のフォノニック結晶構造Ａは、梁１３（１３Ａ）の辺に接していない第２ドメイン５１Ｂを有する。
図９に示されるフォノニック結晶構造Ａは、多結晶構造５２である。多結晶構造５２では、平面視において、第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとが離間して配置されている。より具体的には、平面視において、貫通孔５０を有さない領域２０１が、梁１３（１３Ａ）の長辺方向における第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの間に設けられている。この点以外、図９のフォノニック結晶構造Ａは、図２Ａのフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。
図１０に示されるフォノニック結晶構造Ａは、多結晶構造５２である。多結晶構造５２では、平面視において、第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとが離間して配置されている。より具体的には、平面視において、ランダムに設けられた貫通孔５０を有する領域２０２が、梁１３（１３Ａ）の長辺方向における第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの間に設けられている。領域２０２では、平面視において、貫通孔５０は規則的に配列していない。又は、領域２０２では、平面視において、規則的に配列した領域の面積が、例えば、２５Ｐ2未満である。ここで、Ｐは、貫通孔５０の配列の周期である。この点以外、図１０のフォノニック結晶構造Ａは、図２Ａのフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。
図１１に示されるフォノニック結晶構造Ａは、多結晶構造５２である。多結晶構造５２は、平面視において、互いに異なった形状を有する複数のドメイン５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ及び５１Ｇを含んでいる。各々のドメイン内において、複数の貫通孔５０の配列の周期、及び単位格子の方位は同一である。しかし、ドメイン５１Ａから５１Ｇ間では、単位格子の方位が各々互いに異なっている。また、平面視において、ドメイン５１Ａから５１Ｇのサイズ及び形状は互いに異なっている。この形態では、これまで例示した形態に比べて、フォノニック結晶構造Ａの全体で見たときに、より多くの単位格子の方位が存在する。このため、ドメイン間で単位格子の方位が異なることに基づいて熱伝導率を低下させる効果がより顕著となる。また、この形態では、ドメイン間の界面５５が、平面視において、複数のランダムな方向に延びている。このため、界面抵抗に基づいて熱伝導率を低下させる効果がより顕著となる。
また、図１１のフォノニック結晶構造Ａでは、隣接する第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの界面５５が、平面視において、梁１３（１３Ａ）の幅方向から傾いた方向に延びている。界面５５は、平面視において、屈曲部も有している。
フォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２は、貫通孔５０の配列の周期Ｐ及び／又は貫通孔５０の径Ｄが互いに異なる第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂを含んでいてもよい。図１２Ａに示される第１ドメイン５１Ａにおける貫通孔５０の径Ｄと、図１２Ｂに示される第２ドメイン５１Ｂにおける貫通孔５０の径Ｄとは互いに異なっている。なお、図１２Ａに示される第１ドメイン５１Ａにおける貫通孔５０の配列の周期Ｐと、図１２Ｂに示される第２ドメイン５１Ｂにおける貫通孔５０の配列の周期Ｐとは同一である。
図１３に示されるフォノニック結晶構造Ａは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第１ドメイン５１Ａと、相対的に大きな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第２ドメイン５１Ｂとを有する。また、図１３のフォノニック結晶構造Ａは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０を具備する領域９２と、相対的に大きな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０を具備する領域９３とを有する。領域９２と領域９３とは隣接している。領域９２及び領域９３は、それぞれ、図１１の例と同様に、平面視において、互いに異なった形状を有し、かつ、単位格子の方位が各々互いに異なる複数のドメインを含んでいる。また、領域９２及び領域９３は、マクロな熱の伝達方向に垂直にフォノニック結晶構造Ａを分割している。この形態では、第１ドメイン５１Ａで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域と第２ドメイン５１Ｂで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域とが異なるため、熱伝導率の低減の効果が特に顕著となる。
図１４に示されるフォノニック結晶構造Ａでは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第１ドメイン５１Ａと、相対的に大きな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第２ドメイン５１Ｂとを含む。図１４のフォノニック結晶構造Ａは、平面視において、互いに異なった形状を有し、かつ、単位格子の方位が各々互いに異なる複数のドメインを含んでいる。この形態では、第１ドメイン５１Ａで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域と第２ドメイン５１Ｂで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域とが異なるため、熱伝導率の低減の効果が特に顕著となる。
貫通孔５０の配列の周期Ｐは、例えば、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。これは、熱を運ぶフォノンの波長が、主として、１ｎｍから３００ｎｍの範囲に及ぶためである。周期Ｐは、平面視において隣接する貫通孔５０間の中心間距離により定められる（図１２Ａ，１２Ｂ参照）。
貫通孔５０の径Ｄは、周期Ｐに対する比Ｄ／Ｐにより表して、例えば、Ｄ／Ｐ≧０．５である。比Ｄ／Ｐ＜０．５である場合、梁１３（１３Ａ，１３Ｂ）における空隙率が過度に低下して、熱伝導率が十分に低下しないことがある。比Ｄ／Ｐの上限は、隣接する貫通孔５０同士が接しないために、例えば、０．９未満である。径Ｄは、貫通孔５０の開口の径である。貫通孔５０の開口の形状が平面視において円である場合、径Ｄは当該円の直径である。貫通孔５０の開口の形状は平面視において円でなくてもよい。この場合、径Ｄは、開口の面積と同じ面積を有する仮想の円の直径により定められる（図１２Ａ，１２Ｂ参照）。
規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備する単位格子９１の種類は、例えば、正方格子（図１５Ａ）、六方格子（図１５Ｂ）、長方格子（図１５Ｃ）、及び面心長方格子（図１５Ｄ）である。ただし、単位格子９１の種類は、これらの例に限定されない。
第１梁１３Ａ及び／又は第２梁１３Ｂが有しうるフォノニック結晶構造Ａは、上述した構造に限定されない。フォノニック結晶構造Ａは、例えば、特開２０１７−２２３６４４号公報に開示の構造であってもよい。ただし、図２Ａ及び図２Ｂをはじめとして上述した各図に示される、単位格子の方位が互いに異なる２以上のフォノニック結晶領域を有するフォノニック結晶構造Ａでは、梁１３の熱伝導率のさらなる低減、即ち、断熱性のさらなる向上、が可能となる。これは、以下の理由による。
本発明者らの検討によれば、フォノニック結晶構造によってもたらされる熱伝導率の低減の程度は、熱の伝達方向と、フォノニック結晶構造の単位格子の方位（orientation）とが成す角度に依存する。これは、ＰＢＧの帯域広さ、ＰＢＧの数、及びフォノンの平均群速度といった熱伝導に関わる要素が、当該角度に依存するためと考えられる。また、熱の伝達に関して、マクロ的には高温から低温の方向にフォノンは流れる。一方、ナノメートルのオーダーにあるミクロ領域に着目すると、フォノンの流れる方向には指向性がみられない。即ち、ミクロ的にはフォノンの流れる方向は一様ではない。単位格子の方位が一様に揃った複数のフォノニック結晶領域を有するフォノニック結晶構造Ａでは、ミクロで見て、ある特定の方向に流れるフォノンに対しては相互作用が最大となるものの、それ以外の方向に流れるフォノンに対しては相互作用が弱まる。一方、単位格子の方位が互いに異なる２以上のフォノニック結晶領域を有するフォノニック結晶構造Ａでは、ミクロで見て、複数の方向に流れる各フォノンに対する相互作用を高めることができる。これにより、梁１３の熱伝導率のさらなる低減が可能となる。
（実施形態２）
実施形態２の赤外線センサが図１６Ａ及び図１６Ｂに示される。図１６Ａには、図１６Ｂの赤外線センサ１Ｂの断面１６Ａ−１６Ａが示される。赤外線センサ１Ｂは、熱型赤外線センサの１種であるボロメータ型赤外線センサである。
赤外線センサ１Ｂでは、赤外線受光部１２が赤外線吸収層２４をさらに有する。赤外線吸収層２４は、抵抗変化部１８の上に配置されている。この形態では、赤外線センサ１Ｂの受光感度のさらなる向上が可能となる。なお、実施形態２の赤外線センサ１Ｂが備える赤外線吸収層２４は、抵抗変化部１８に直接的に接している。また、平面視したときに、抵抗変化部１８の面積に比べて赤外線吸収層２４の面積は小さい。また、平面視したときに、赤外線吸収層２４は、抵抗変化部１８に囲まれるように配置されている。ただし、赤外線吸収層２４の具体的な形態は、図１６Ａ及び図１６Ｂに示される例に限定されない。
赤外線吸収層２４を構成する材料は、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｌ、銅（Ｃｕ）等の金属、ＳｉＯ2等の酸化物、ＴｉＮ、窒化ケイ素（ＳｉＮ）等の窒化物である。ただし、赤外線吸収層２４を構成する材料は、上記例に限定されない。赤外線吸収層２４が導電性を有する場合、図１７Ａ及び図１７Ｂに示されるように、抵抗変化部１８と赤外線吸収層２４との間に絶縁層２５を配置することが望ましい。絶縁層２５を構成する材料は、例えば、ＳｉＯ2等の酸化物である。ただし、絶縁層２５を構成する材料は、上記例に限定されない。絶縁層２５が配置される場合、赤外線受光部１２は、抵抗変化部１８と絶縁層２５と赤外線吸収層２４とを有する。絶縁層２５及び赤外線吸収層２４は、抵抗変化部１８上に、この順に積層されている。なお、図１７Ａには、図１７Ｂの赤外線センサ１Ｂの断面１７Ａ−１７Ａが示される。
赤外線吸収層２４の厚さは、赤外線吸収層２４が導電性を有する場合は、例えば、５〜１００ｎｍであり、赤外線吸収層２４が絶縁性を有する場合は、例えば、１００〜１０００ｎｍである。絶縁層２５の厚さは、例えば、１０〜３００ｎｍである。
実施形態２の赤外線センサ１Ｂにおけるその他の構成は、好ましい形態を含め、実施形態１の赤外線センサ１Ａにおける対応する構成と同様である。また、実施形態２の赤外線センサ１Ｂの作動原理は、実施形態１の赤外線センサ１Ａの作動原理と同じである。
（実施形態３）
実施形態３の赤外線センサが図１８Ａ及び図１８Ｂに示される。図１８Ａには、図１８Ｂの赤外線センサ１Ｃの断面１８Ａ−１８Ａが示される。赤外線センサ１Ｃは、熱型赤外線センサの１種であるボロメータ型赤外線センサである。
赤外線センサ１Ｃは、ベース基板１１の上に絶縁層２６をさらに備える。断面視において、絶縁層２６は、ベース基板１１の上面１４と、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂ（半導体層２１）との間に配置されている。平面視において、絶縁層２６は、赤外線受光部１２及び赤外線反射膜２３を囲むように配置されている。また、第１支柱１５Ａにおける信号読み出し端子２２Ａと第１梁１３Ａとの間の区間は、絶縁層２６により囲まれている。第２支柱１５Ｂにおける信号読み出し端子２２Ｂと第２梁１３Ｂとの間の区間は、絶縁層２６により囲まれている。
絶縁層２６を構成する材料は、例えば、ＳｉＯ2等の酸化物である。ただし、絶縁層２６を構成する材料は、上記例に限定されない。
また、赤外線センサ１Ｃでは、半導体層２１の双方の端部が非晶質領域１９である。
実施形態３の赤外線センサ１Ｃにおけるその他の構成は、好ましい形態を含め、実施形態１の赤外線センサ１Ａ、又は実施形態２の赤外線センサ１Ｂにおける対応する構成と同様である。また、実施形態３の赤外線センサ１Ｃの作動原理は、実施形態１の赤外線センサ１Ａの作動原理と同じである。
実施形態３の赤外線センサ１Ｃの別の具体的な一例が、図１９Ａ及び図１９Ｂに示される。図１９Ａには、図１９Ｂの赤外線センサ１Ｃの断面１９Ａ−１９Ａが示される。図１９Ａ及び図１９Ｂに示される赤外線センサ１Ｃでは、赤外線受光部１２が赤外線吸収層２４をさらに有する。赤外線吸収層２４は、抵抗変化部１８の上に配置されている。この形態では、赤外線センサ１Ｃの受光感度のさらなる向上が可能となる。赤外線吸収層２４は、好ましい形態を含め、実施形態２の説明において上述した形態をとりうる。
実施形態３の赤外線センサ１Ｃのまた別の具体的な一例が、図２０Ａ及び図２０Ｂに示される。図２０Ａには、図２０Ｂの赤外線センサ１Ｃの断面２０Ａ−２０Ａが示される。図２０Ａ及び図２０Ｂに示される赤外線センサ１Ｃでは、赤外線受光部１２が絶縁層２５と赤外線吸収層２４とをさらに有する。絶縁層２５及び赤外線吸収層２４は、抵抗変化部１８上に、この順に積層されている。赤外線吸収層２４及び絶縁層２５は、好ましい形態を含め、実施形態２の説明において上述した形態をとりうる。
（実施形態４）
実施形態４の赤外線センサが図２１に示される。図２１に示される赤外線センサ１Ｄは、熱型赤外線センサの１種であるボロメータ型赤外線センサである。赤外線センサ１Ｄは、ベース基板１１、ボロメータ赤外線受光部１２、第１梁１３Ａ、及び第２梁１３Ｂを備える。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々は、ベース基板１１と接続された接続部１６Ａ，１６Ｂと、ベース基板１１から離間した離間部１７とを有する。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、それぞれ、一方の端部に接続部１６Ａ，１６Ｂを有している。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々は、離間部１７において赤外線受光部１２と物理的に接合されている。赤外線受光部１２と物理的に接合されている位置は、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々における他方の端部である。赤外線受光部１２は、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂによって、ベース基板１１とは離間した状態で支持されている。この離間は、ベース基板１１と赤外線受光部１２との熱的な絶縁を高めている。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、導電性を有する。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、赤外線受光部１２を物理的に支持する機能と、赤外線受光部１２における抵抗変化部１８の抵抗を検出する電流の経路、即ち配線、としての機能とを有している。
ベース基板１１は、赤外線受光部１２が設けられた上面１４に凹部２７を有する。平面視において、赤外線受光部１２の面積に比べて凹部２７の面積は大きい。また、平面視において、赤外線受光部１２は、凹部２７の外縁に囲まれている。凹部２７は、赤外線受光部１２、並びに第１梁１３Ａの離間部１７及び第２梁１３Ｂの離間部１７と、ベース基板１１との間に位置している。第１梁１３Ａは、接続部１６Ａにおいてベース基板１１と物理的に接続されている。第２梁１３Ｂは、接続部１６Ｂにおいてベース基板１１と物理的に接続されている。断面視において、赤外線受光部１２、並びに第１梁１３Ａの離間部１７及び第２梁１３Ｂの離間部１７は、ベース基板１１の凹部２７上に懸架されている。この懸架により、ベース基板１１と赤外線受光部１２との熱的な絶縁が高められる。
赤外線センサ１Ｄでは、赤外線受光部１２に含まれる抵抗変化部１８の抵抗の読み取りが実施される。読み取りのために、図２１に示される赤外線センサ１Ｄは、ベース基板１１の内部にＲＯＩＣ（図示せず）をさらに備えている。第１梁１３Ａの接続部１６ＡとＲＯＩＣとは電気的に接続されている。第２梁１３Ｂの接続部１６ＢとＲＯＩＣとは電気的に接続されている。抵抗変化部１８の抵抗は、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂを介して読み取り可能である。赤外線センサ１Ｄは、抵抗変化部１８の抵抗を読み取るためのさらなる部材を備えていてもよい。
赤外線受光部１２に赤外線が入射すると、赤外線受光部１２の温度が上昇する。このとき、赤外線受光部１２の温度は、熱浴であるベース基板１１から熱的に絶縁されているほど、大きく上昇する。ボロメータ赤外線受光部１２を備える赤外線センサ１Ｄでは、温度上昇に伴って、抵抗変化部１８の抵抗が変化する。変化した抵抗に対応する電気的な信号をＲＯＩＣで処理して赤外線が検知される。処理によっては、赤外線センサ１Ｄによる赤外線の強度測定、及び／又は対象物の温度測定が可能である。ただし、上述のように、本開示の赤外線センサにおいて、抵抗変化部１８の抵抗の読み取りは、ベース基板１１の内部に設けられたＲＯＩＣによる態様に限定されない。
実施形態１の赤外線センサ１Ａと実施形態４の赤外線センサ１Ｄとは、ベース基板１１の上面１４に対する赤外線受光部１２、第１梁１３Ａ、及び第２梁１３Ｂの懸架の方式が異なる。また、実施形態４の赤外線センサ１Ｄでは、赤外線反射膜２３が凹部２７の底面に配置されている。ただし、ベース基板１１の表面における赤外線受光部１２に対面する位置に赤外線反射膜２３が配置されている点において、赤外線センサ１Ｄの構成は赤外線センサ１Ａの構成と同じである。実施形態４の赤外線センサ１Ｄにおけるその他の構成は、好ましい形態を含め、実施形態１の赤外線センサ１Ａにおける対応する構成と同様である。また、実施形態４の赤外線センサ１Ｄは、実施形態２及び実施形態３の赤外線センサ１Ｂ，１Ｃが備える赤外線吸収層２４をさらに備えていてもよく、赤外線吸収層２４及び絶縁層２５をさらに備えていてもよい。
本開示の赤外線センサは、本発明の効果が得られる限り、上述した以外の任意の部材を有していてもよい。
［赤外線センサアレイ］
実施形態１〜４の赤外線センサ１Ａ〜１Ｄは、原理上、単独で赤外線センサとして機能する。個々の赤外線センサを一画素として、複数の赤外線センサをベース基板１１上にアレイ状に配列させてもよい。配列は、典型的には、二次元アレイ状である。複数の赤外線センサが配列したアレイ構造により、例えば、有限の温度を有する物体のイメージング、及び／又は赤外線放射、若しくはレーザー光線の強度分布の評価が可能となる。なお、アレイ状に配列される複数の赤外線センサの少なくとも一部が、本開示の赤外線センサであればよい。アレイ状に配列される複数の赤外線センサの全部が、本開示の赤外線センサであってもよい。本開示には、赤外線センサアレイであって、二次元アレイ状に配置された複数の赤外線センサを具備し、当該複数の赤外線センサが本開示の赤外線センサを含むセンサアレイが含まれる。
［赤外線センサの製造方法］
本開示の赤外線センサは、化学気相成長（ＣＶＤ）、スパッタリング、及び蒸着等の各種の薄膜形成手法；電子線リソグラフィー、フォトリソグラフィー、ブロック共重合体リソグラフィー、及び選択的エッチング等の各種の微細加工手法及びパターン形成手法；並びにドーピング及びイオン注入等による非晶質化、結晶質化、導電性の付与等の各種の改質手法；の組み合わせによる製造が可能である。ブロック共重合体リソグラフィーは、フォノニック結晶構造Ａの形成に適している。不純物のドーピングにより、半導体に対する導電性の付与が可能である。結晶質の半導体に対して、当該半導体の母材を構成する元素のイオンを注入することにより、非晶質化が可能である。
本開示の赤外線センサを製造する方法の一例が、図２２Ａ〜図２２Ｑの参照により、以下に説明される。ただし、以下の方法により製造する赤外線センサ１Ｅは、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂがフォノニック結晶構造Ａを有している。本開示の赤外線センサを製造する方法は、以下の例に限定されない。
図２２Ａ：ベース基板１１が準備される。次に、ベース基板１１の上面１４に金属層が形成される。金属層は、例えば、Ｃｒ層である。金属層は、例えば、スパッタリングにより形成される。金属層の厚さは、例えば２００ｎｍである。形成された金属層の上にフォトレジスト１０１が形成される。フォトレジスト１０１を用いたフォトリソグラフィー及び選択的エッチングによって金属層が微細加工されて、赤外線反射膜２３、第１読み出し端子２２Ａ、及び第２読み出し端子２２Ｂを形成する。
図２２Ｂ：フォトレジスト１０１が除去される。赤外線反射膜２３、第１読み出し端子２２Ａ、及び第２読み出し端子２２Ｂを覆うように犠牲層１０２が形成される。犠牲層１０２は、例えば、ＳｉＯ2層である。犠牲層１０２は、例えば、ＣＶＤにより形成される。犠牲層１０２の厚さは、例えば、１〜４μｍである。犠牲層１０２の厚さは、この方法により製造する赤外線センサ１Ｅにおける赤外線受光部２とベース基板１１との離間距離に相当する。
図２２Ｃ：犠牲層１０２の上に、結晶質の半導体層１０３が形成される。半導体層１０３は、例えば、Ｓｉ層又はＳｉＧｅ層である。半導体層１０３は、例えば、ＣＶＤにより形成される。半導体層１０３の厚さは、例えば、１００ｎｍである。
図２２Ｄ：半導体層１０３の上にフォトレジスト１０４が形成される。フォトリソグラフィーにより、半導体層１０３における第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂとすべき領域１０３Ａ及び領域１０３Ｂが露出される。次に、露出された領域１０３Ａ及び領域１０３Ｂに対して、イオン注入により不純物をドーピングする。不純物は、例えば、Ｂ又はＰである。イオン注入量は、例えば、１０17〜１０23ｃｍ-3であり、１０19〜１０21ｃｍ-3であってもよい。
図２２Ｅ：フォトレジスト１０４が除去される。加熱により全体を活性化処理する。加熱温度は、例えば、１０００℃である。活性化処理により、イオン注入された領域１０３Ａ及び領域１０３Ｂに対して導電性が付与される。導電性が付与された領域は、後の微細加工及びパターン形成によって、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂとなる。
図２２Ｆ：半導体層１０３の上にフォトレジスト１０５が形成される。フォトリソグラフィーにより、半導体層１０３における抵抗変化部１８とすべき領域１０３Ｃが露出される。次に、露出された領域１０３Ｃに対して、半導体層１０３の母材を構成する元素と同一の元素のイオンがイオン注入されて領域１０３Ｃが非晶質化される。非晶質化された領域１０３Ｃは、後の微細加工及びパターン形成によって、抵抗変化部１８となる。半導体層１０３の双方の端部は、結晶質ではあるが、導電性を有さない領域１０７として残される（図２２Ｇ参照）。
図２２Ｇ：半導体層１０３の上にハードマスク１０６が形成される。ハードマスク１０６は、例えば、ＳｉＯ2層である。ハードマスク１０６は、例えば、ＣＶＤにより形成される。ハードマスク１０６の厚さは、例えば、２５ｎｍである。ハードマスク１０６は、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂが有するフォノニック結晶構造Ａの形成に使用される。
図２２Ｈ：ハードマスク１０６の上にフォトレジスト１０８が形成される。フォトリソグラフィーにより、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂにおけるフォノニック結晶構造Ａを形成すべき領域と平面視において一致するハードマスク１０６の領域が露出される。次に、ハードマスク１０６における露出された領域に対して、ブロック共重合体の自己組織化膜１０９が形成される。自己組織化膜１０９は、フォノニック結晶構造Ａを形成するためのブロック共重合体リソグラフィーに使用される。
図２２Ｉ：ブロック共重合体リソグラフィーにより、規則的に配列した複数の貫通孔１１０がハードマスク１０６に形成される。フォトレジスト１０８及び自己組織化膜１０９が除去される。
図２２Ｊ：ハードマスク１０６の上に、フォトレジストが形成される。フォトリソグラフィーにより半導体層１０３を微細加工及びパターン形成して、第１梁１３Ａ、第２梁１３Ｂ、及び抵抗変化部１８が形成される。第１梁１３Ａ、第２梁１３Ｂ、及び抵抗変化部１８は、単層の半導体層２１を構成する。
図２２Ｋ：ハードマスク１０６上のフォトレジストが除去される。ハードマスク１０６をレジストとする選択的エッチングによって、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂに対して、平面視したときに、複数の貫通孔１１０に対応する位置に規則的に配列した複数の貫通孔５０が形成される。形成された複数の貫通孔５０は、フォノニック結晶構造Ａを構成する。
図２２Ｌ：ハードマスク１０６が除去される。
図２２Ｍ：半導体層２１の上にフォトレジスト１１２が形成される。フォトリソグラフィーにより、半導体層２１及び犠牲層１０２にコンタクトホール１１３が形成され、第１読み出し端子２２Ａ及び第２読み出し端子２２Ｂを露出させる。
図２２Ｎ：形成されたコンタクトホール１１３に金属が堆積されて、第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂを形成する。堆積される金属は、例えば、Ａｌである。第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂは、例えば、スパッタリングにより形成される。
図２２Ｏ：半導体層２１の上に、絶縁層２５が形成される。形成された絶縁層２５は、平面視において、抵抗変化部１８により囲まれている。絶縁層２５は、例えば、ＳｉＮ層である。絶縁層２５は、例えば、ＣＶＤにより形成される。絶縁層２５の厚さは、例えば、２０ｎｍである。絶縁層２５の形成には、フォトリソグラフィーを利用できる。
図２２Ｐ：絶縁層２５の上に、赤外線吸収層２４が形成される。形成された赤外線吸収層２４は、平面視において、絶縁層２５により囲まれている。赤外線吸収層２４は、例えば、ＴｉＮ層である。赤外線吸収層２４は、例えば、スパッタリングにより形成される。赤外線吸収層２４の厚さは、例えば、８ｎｍである。
図２２Ｑ：犠牲層１０２が、例えば、気相フッ化水素（ＨＦ）エッチングにより除去される。このようにして、本開示の赤外線センサの１形態である赤外線センサ１Ｅが製造される。なお、犠牲層１０２をパターンエッチングすることにより、絶縁層２６が形成可能である。
上記製造方法では、抵抗変化材料及び抵抗変化材料を含む抵抗変化部１８を、結晶質の半導体の母材に対して当該母材を構成する元素のイオンを注入することにより形成している。換言すれば、本開示は、本開示の赤外線センサの製造方法であって、抵抗変化部１８を、結晶質の母材に対して当該母材を構成する元素のイオンを注入することにより形成する方法を含む。
上記製造方法により製造される赤外線センサ１Ｅでは、赤外線受光部１２は、抵抗変化材料から構成される抵抗変化部１８を含み、抵抗変化部１８、並びに第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、それぞれ、同じ母材から構成される半導体層２１の非晶質領域及び結晶質領域である。また、上記製造方法では、結晶質の母材から構成される結晶性層である半導体層１０３をベース基板１１から離間した位置に形成し（図２２Ｃ）、形成した半導体層１０３の一部の領域１０３Ｃに対して母材を構成する元素のイオンを注入することで半導体層１０３の一部に非晶質領域を形成して、前記形成した非晶質領域に対応する抵抗変化部１８と、母材の結晶質が維持された結晶質領域に対応する第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂとを有する半導体層２１を形成している。換言すれば、本開示は、本開示の赤外線センサの製造方法であって、以下の方法を含む：抵抗変化部、並びに第１梁及び第２梁は、それぞれ、上記母材から構成される半導体層の非晶質領域及び結晶質領域である。結晶質の母材から構成される結晶性層をベース基板から離間した位置に形成し、形成した結晶性層の一部の領域に対して母材を構成する元素のイオンを注入することで当該結晶性層の一部に非晶質領域を形成して、形成した非晶質領域に対応する抵抗変化部と、母材の結晶質が維持された結晶質領域に対応する第１梁及び第２梁とを有する半導体層を形成する。
本開示の赤外線センサは、従来の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，１Ｅ 赤外線センサ
１１ ベース基板
１２ （ボロメータ）赤外線受光部
１３ 梁
１３Ａ 第１梁
１３Ｂ 第２梁
１４ 上面
１５Ａ 第１支柱
１５Ｂ 第２支柱
１６Ａ （第１梁の）接続部
１６Ｂ （第２梁の）接続部
１７ 離間部
１８ 抵抗変化部
１９ 非晶質領域
２０Ａ，２０Ｂ 結晶質領域
２１ 半導体層
２２Ａ 第１読み出し端子
２２Ｂ 第２読み出し端子
２３ 赤外線反射膜
２４ 赤外線吸収層
２５ 絶縁層
２６ 絶縁層
２７ 凹部
５０ 貫通孔
５１Ａ 第１ドメイン
５１Ｂ 第２ドメイン
５２ フォノニック多結晶構造
５３Ａ，５３Ｂ 方位
５５ 界面
３１Ａ 第１の支柱
３１Ｂ 第２の支柱
９１，９１Ａ，９１Ｂ 単位格子
９２ 領域
９３ 領域
１０１ フォトレジスト
１０２ 犠牲層
１０３ 半導体層
１０３Ａ，１０３Ｂ，１０３Ｃ 領域
１０４ フォトレジスト
１０５ フォトレジスト
１０６ ハードマスク
１０７ 領域
１０８ フォトレジスト
１０９ 自己組織化膜
１１０ 貫通孔
１１２ フォトレジスト
１１３ コンタクトホール
２０１ 領域
２０２ 領域

Claims (15)

  1. 赤外線センサであって、
    ベース基板；
    ボロメータ赤外線受光部；
    第１梁；及び
    第２梁；
    を具備し、
    ここで、
    前記第１梁及び前記第２梁の各々は、前記ベース基板、及び／又は前記ベース基板上の部材と接続された接続部と、前記ベース基板から離間した離間部と、を有し、かつ、前記離間部において前記赤外線受光部と物理的に接合され、
    前記赤外線受光部は、前記第１梁及び前記第２梁によって、前記ベース基板とは離間した状態で支持されており、
    前記赤外線受光部は、温度によって電気抵抗が変化する抵抗変化材料から構成される抵抗変化部を含み、
    前記抵抗変化部は、非晶質の半導体からなり、
    前記第１梁及び前記第２梁の各々は、前記抵抗変化材料の母材と同じ母材からなる結晶質の半導体から構成され、かつ、前記離間部において前記抵抗変化部と電気的に接続されている、
    赤外線センサ。
  2. 請求項１に記載の赤外線センサであって、
    前記母材が、シリコン又はシリコンゲルマニウムである、
    赤外線センサ。
  3. 請求項１又は２に記載の赤外線センサであって、
    前記赤外線受光部は、絶縁層と、赤外線吸収層と、をさらに含み、
    前記絶縁層及び前記赤外線吸収層は、前記抵抗変化部上に、この順に積層されている、
    赤外線センサ。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線センサであって、
    前記抵抗変化部、並びに前記第１梁及び前記第２梁は、それぞれ、前記母材から構成される半導体層の非晶質領域及び結晶質領域である、
    赤外線センサ。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の赤外線センサであって、
    前記赤外線センサは、前記ベース基板上に配置された、前記ベース基板の上面から離れる方向に延びる第１支柱及び第２支柱をさらに具備し、
    ここで、
    前記第１支柱及び前記第２支柱は導電性を有し、
    前記第１梁は、前記接続部において前記第１支柱に接続されており、
    前記第２梁は、前記接続部において前記第２支柱に接続されており、
    断面視において、前記赤外線受光部、前記第１梁、及び前記第２梁が、前記第１支柱及び前記第２支柱によって前記ベース基板の上部で懸架されている、
    赤外線センサ。
  6. 請求項１〜４のいずれかに記載の赤外線センサであって、
    前記ベース基板が凹部を有し、
    前記凹部は、前記赤外線受光部、並びに前記第１梁の前記離間部及び前記第２梁の前記離間部と、前記ベース基板との間に位置しており、
    前記第１梁及び前記第２梁の各々は、前記接続部において前記ベース基板に接続されており、
    断面視において、前記赤外線受光部、並びに前記第１梁の前記離間部及び前記第２梁の前記離間部は、前記ベース基板の前記凹部上に懸架されている、
    赤外線センサ。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の赤外線センサであって、
    前記赤外線センサは、前記ベース基板の表面における前記赤外線受光部に対面する位置に赤外線反射膜をさらに具備する、
    赤外線センサ。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載の赤外線センサであって、
    前記赤外線センサは、前記ベース基板の内部に読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）をさらに具備する、
    赤外線センサ。
  9. 請求項１〜８のいずれかに記載の赤外線センサであって、
    前記第１梁における、前記赤外線受光部との接合部と、前記接続部との間に位置する区間は、規則的に配列した複数の貫通孔を具備する第１フォノニック結晶構造を有し、
    前記第２梁における、前記赤外線受光部との接合部と、前記接続部との間に位置する区間は、規則的に配列した複数の貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有する、
    赤外線センサ。
  10. 請求項９に記載の赤外線センサであって、
    前記第１フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第１ドメイン及び第２ドメインを含み、
    前記第１ドメインは、平面視において、第１方向に規則的に配列した前記複数の貫通孔を具備し、
    前記第２ドメインは、平面視において、前記第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した前記複数の貫通孔を具備し、
    前記第２フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第３ドメイン及び第４ドメインを含み、
    前記第３ドメインは、平面視において、第３方向に規則的に配列した前記複数の貫通孔を具備し、
    前記第４ドメインは、平面視において、前記第３方向とは異なる第４方向に規則的に配列した前記複数の貫通孔を具備する、
    赤外線センサ。
  11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の赤外線センサであって、
    前記第１梁及び前記第２梁は不純物がドープされており、前記第１梁及び前記第２梁と抵抗変化部との境界面では、前記境界面の法線方向に沿って、前記ドープされた不純物の濃度が連続的に変化している、
    赤外線センサ。
  12. 請求項１１に記載の赤外線センサであって、
    前記境界面の近傍において、前記境界面の法線方向に沿った、ドープされた前記不純物の濃度の勾配は１０１８ｃｍ−３／ｎｍ以下であり、
    ここで、前記境界面の近傍は、前記境界面から、前記境界面の法線方向に所定距離離間した領域までの範囲である、
    赤外線センサ。
  13. 赤外線センサアレイであって、
    二次元アレイ状に配置された複数の赤外線センサを具備し、
    ここで、
    前記複数の赤外線センサは、請求項１〜１２のいずれかに記載の赤外線センサを含む、
    赤外線センサアレイ。
  14. 請求項１〜１２のいずれかに記載の赤外線センサの製造方法であって、
    ここで、
    前記抵抗変化部を、結晶質の前記母材に対して前記母材を構成する元素のイオンを注入することにより形成する、
    赤外線センサの製造方法。
  15. 請求項１４に記載の赤外線センサの製造方法であって、
    前記抵抗変化部、並びに前記第１梁及び前記第２梁は、それぞれ、前記母材から構成される半導体層の非晶質領域及び結晶質領域であり、
    ここで、
    前記結晶質の母材から構成される結晶性層を前記ベース基板から離間した位置に形成し、
    前記形成した結晶性層の一部の領域に対して前記母材を構成する元素のイオンを注入することで当該結晶性層の一部に非晶質領域を形成して、前記形成した非晶質領域に対応する前記抵抗変化部と、前記母材の結晶質が維持された結晶質領域に対応する前記第１梁及び前記第２梁とを有する前記半導体層を形成する、
    赤外線センサの製造方法。
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