WO2005041246A1 - 赤外線放射素子およびそれを用いたガスセンサ - Google Patents

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WO2005041246A1
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heat generating
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Tsutomu Ichihara
Chousei Hamada
Koshi Akedo
Hiroaki Kitamura
Hiroshi Fukshima
Takuya Komoda
Takashi Hatai
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Matsushita Electric Works, Ltd.
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    • H05B2203/032—Heaters specially adapted for heating by radiation heating

Definitions

  • the present invention c BACKGROUND relates gas sensor using infrared radiation element and it
  • an infrared radiation source for example, an infrared gas analyzer, etc.
  • a typical example of an infrared radiation source used in these analyzers is a halogen lamp. Since a halogen lamp is large and has a relatively short life, a small lamp that detects gas using infrared light is used. Application to gas sensors is difficult.
  • infrared radiating elements formed using micromachine Jung technology as infrared radiating sources that can be miniaturized have been researched and developed in various places (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-153640 (paragraph [ 0027], [0028], see FIG. 2), JP-A-2000-236110 (see paragraph numbers [0017], [0018], [0019], FIG. 1 and FIG. 2), and JP-A-10-294165 ( Step numbers [0014], [0015], see Fig. 1)).
  • the above-mentioned patent document discloses a rectangular frame-shaped support substrate, such as a silicon substrate, which also uses a micromachine Jung technique, and a linear heating element bridging one side and the other side of the support substrate. And a so-called microbridge structure infrared radiation element.
  • This type of microbridge-structure infrared radiating element radiates infrared rays from the heating element by Joule heat accompanying energization of the linear heating element. Since the heating element is surrounded by air, the heating element and the heating element The heat capacity difference with the surrounding area can be increased, and it can respond at high speed to turning on and off the current flowing to the heating element.
  • the heating element is linear and both ends are supported by the support substrate. There was a risk of fusing.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to provide an infrared radiating element that can have a longer life than a conventional one, and a gas sensor using the same. Target.
  • An infrared radiating element is formed on a semiconductor substrate, a porous heat insulating layer formed on one surface of the semiconductor substrate and having a smaller thermal conductivity than the semiconductor substrate, and formed on the heat insulating layer; A heat-generating layer having thermal conductivity and electrical conductivity higher than that of the heat-insulating layer, and emitting infrared rays when energized.
  • the semiconductor substrate is a silicon substrate
  • the heat insulating layer and the heat generating layer are each formed of a porous silicon layer
  • the porosity of the heat generating layer is smaller than the porosity of the heat insulating layer.
  • the porosity of the heat generating layer is 2% to 45%
  • the porosity of the heat insulating layer is 40% or more and 80% and 10% or more than the porosity of the heat generating layer.
  • the heat generating layer is doped with impurities so as to have higher conductivity and a positive temperature coefficient of resistance than the silicon substrate.
  • the heating layer may be a carbon layer provided with conductivity or an amorphous silicon layer provided with conductivity by doping of impurities.
  • an amorphous silicon layer it is preferable that the doping concentration is higher on the surface side than on the heat insulating layer side.
  • a multilayer film for limiting the wavelength range of infrared radiation radiated to the outside is laminated on the surface of the heat generating layer.
  • a reflection film is formed on the other surface of the semiconductor substrate to reflect infrared rays emitted from the heat generation layer toward the semiconductor substrate toward the heat generation layer.
  • a thermal insulator member having a lower thermal conductivity than the semiconductor substrate is provided on the other surface side of the semiconductor substrate.
  • the heat generating layer is formed on the heat insulating layer via an insulating layer having a lower conductivity than the heat insulating layer.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of an infrared radiating element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining infrared radiation emitted by the infrared radiation element of the above.
  • FIG. 3 is a circuit diagram showing an example of a driving circuit for the infrared radiation element of the above.
  • FIG. 4A is an enlarged cross-sectional view of a preferable shape of the heat generating layer.
  • FIG. 4B is an enlarged cross-sectional view of a preferred shape of the heating layer.
  • FIG. 5A is a view for explaining a preferred shape of the heat generating layer.
  • FIG. 5B is a view for explaining a preferred shape of the heat generating layer.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of an infrared radiating element according to a preferred embodiment of the above.
  • FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the infrared radiating element according to the preferred embodiment of the above.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the infrared radiating element according to the preferred embodiment of the above.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the infrared radiating element according to the preferred embodiment of the above.
  • FIG. 10 is a basic configuration diagram of a gas sensor using the infrared radiation element of the present invention.
  • the infrared radiating element A of the present embodiment is an infrared radiating element that emits infrared rays from the heat generating layer 3 by causing the heat generating layer 3 to generate heat by energizing the heat generating layer 3.
  • a heat insulating layer 2 made of porous material having sufficiently lower thermal conductivity than the semiconductor substrate 1 is formed.
  • a heat generating layer 3 having a large layer shape is formed on the heat insulating layer 2, and a pair of pads (electrodes) 4 for energization are formed on the heat generating layer 3.
  • the planar shape of the semiconductor substrate 1 is rectangular, and the planar shapes of the heat insulating layer 2 and the heat generating layer 3 are also rectangular.
  • the nod 4 is formed of a metal material (for example, gold), and is formed on both ends of the heat generating layer 3 so as to be in contact with the heat generating layer 3.
  • the heat insulating layer 2 and the heat generating layer 3 are each formed of a porous silicon layer having a different porosity, and the heat generating layer 3 is formed of a porous silicon layer having a lower porosity than the heat insulating layer 2.
  • the heat generating layer 3 is a porous silicon layer having a porosity of 2% to 45% (hereinafter, referred to as a first porous silicon layer), and the heat insulating layer 2 has a porosity of 45% to 80% and This is a porous silicon layer (hereinafter, referred to as a second porous silicon layer) having a porosity 10% or more larger than the porosity of the heat generating layer 3.
  • the porosity of the heating layer 3 is about 40%
  • Layer 2 has a porosity of about 70%.
  • the thermal conductivity and heat capacity of a porous silicon layer decrease as the porosity increases.
  • a single-crystal silicon substrate with a thermal conductivity of 168 [WZ (m'K)] and a heat capacity of 1.67 ⁇ 106 ⁇ ( ⁇ 3 ⁇ ⁇ )] (that is, 0% porosity) is anodized.
  • the resulting porous silicon layer having a porosity of 60% has a thermal conductivity of 1 [W / (m'K)] and a heat capacity of 0.7 X 106 [J / (m3 ⁇ ⁇ )].
  • the porosity of the heat generating layer 3 is smaller than the porosity of the heat insulating layer 2, the heat conductivity and the heat capacity of the heat generating layer 3 are larger than those of the heat insulating layer 2.
  • the porous silicon layer functions as a heat generating layer or a heat insulating layer depends not on the absolute porosity of the porous silicon layer but on the difference in porosity between the heat generating layer and the heat insulating layer. Is important.
  • the heat insulating layer 2 and the heat generating layer 3 are formed by using a single crystal silicon substrate as the semiconductor substrate 1 and anodizing a part of the semiconductor substrate 1 in a hydrogen fluoride aqueous solution.
  • the heat insulating layer 2 and the heat generating layer 3 can be continuously formed by appropriately changing the conditions (for example, current density and processing time) of the anodic oxidation treatment.
  • the size of the infrared radiation element ⁇ is, for example, the thickness of the semiconductor substrate 1 before the formation of the heat insulating layer 2 and the heat generating layer 3: 625 ⁇ m, the thickness of the heat insulating layer 2: 50 m, the heat generating layer
  • the thickness of No. 3 is 1 m, and the thickness of Nod 4 is 0. It is desirable that the thickness of the heat insulating layer 2 be 50 m or more and the thickness of the heat generating layer 3 be 3 m or less.
  • the heat generation layer 3 as a heat generating element can increase the amount of infrared radiation because the heat generation layer 3 is not linear but planar (layered) as in the related art.
  • the life span can be extended by suppressing the amount of heat generated per unit area.
  • the heat generating layer 3 is supported by the heat insulating layer 2 over the entire surface, the heat generating layer 3 is more likely to be damaged compared to a conventional structure in which a linear heating element is supported at both ends. The life can be extended.
  • the heat generating layer 3 is supported by the heat insulating layer 2 having a high porosity, the heat generating layer 3 is supported in a state close to air, and as a result, the difference in heat capacity between the heat generating layer 3 and the surroundings increases, resulting in a thermal response. Good response.
  • the first porous silicon layer as the heat generating layer 3 forms a pseudo black body, and the absolute temperature of the heat generating layer 3 and the peak wavelength of the infrared radiation radiated from the heat generating layer 3 Satisfies Vienna's displacement law.
  • the heating element 3 emits infrared rays in the same manner as blackbody radiation. It can be considered a blackbody.
  • the peak wavelength of infrared light emitted from layer 3 can be changed. For example, when a voltage of about 300 V is applied between the pair of pads 4, infrared light having a peak wavelength ⁇ of about 3 ⁇ m to 4 ⁇ m can be emitted.
  • the temperature rise value ⁇ [ ⁇ ] of the heat generating layer 3 when input power is applied to the heat generating element 3 is expressed by the following equation (2).
  • the peak wavelength of the infrared ray radiated from the heat generating layer 3 is approximately 4 m according to Equation 1, and the absolute temperature T of the heat generating layer 3 is calculated from 700 [K].
  • the peak wavelength shifts to the lower wavelength side and the radiant energy of infrared light with a wavelength of 4 m increases as the height increases. So, for example,
  • the heat generating layer 3 is formed so as to satisfy the condition, infrared rays having a wavelength of 4 m can be emitted with relatively high radiation energy.
  • the thickness of the heat insulating layer 2 is t [m]
  • the thermal conductivity of the heat insulating layer 2 is oc [W / (mK)]
  • the heat capacity of the heating element 3 is Q [j / (m3 -K)].
  • the frequency f can be increased to 10 Hz or more.
  • FIG. 3 shows an example of a driving circuit for driving the infrared radiation element A.
  • a series circuit of a thyristor Th, an inductor L, a resistor R1 and a resistor R2 is connected between both ends of the power supply unit 21, and an infrared radiation element A is connected between both ends of the resistor R2.
  • the power supply section 21 includes a DC power supply and a capacitor connected between both ends of the DC power supply.
  • this drive circuit has a control unit 22, and the control unit 22 supplies a control signal to the gate of the thyristor Th when the voltage across the capacitor of the power supply unit 21 exceeds a predetermined threshold value.
  • the thyristor Th When a control signal is given from the control unit 22 to the thyristor Th, the thyristor Th is turned on, a voltage is applied between the pads 4 of the infrared radiating element A, and the heat generating layer 3 generates heat and emits infrared light.
  • the threshold value of the control unit 22 By appropriately changing the threshold value of the control unit 22, the magnitude of the voltage applied to the infrared radiating element A can be changed, and the peak wavelength ⁇ of the infrared radiation emitted from the infrared radiating element A can be controlled. it can.
  • the heating layer 3 is heavily doped with impurities so that the conductivity of the heating layer 3 is higher than that of the semiconductor substrate 1 and the temperature coefficient of resistance is positive.
  • the porous silicon layer has a high resistance and a negative temperature coefficient of resistance. Therefore, in order to generate heat in the porous silicon layer, it is necessary to apply a high voltage between the pair of nodes 4, and furthermore, the temperature is low. As the resistance value decreases as the temperature rises, the current flowing between the pair of pads 4 sharply increases, so that the temperature controllability deteriorates.
  • the heating layer 3 is heated as the temperature of the heating layer 3 rises.
  • the resistance value of 3 increases, the current value of the current flowing to the heating layer 3 decreases, and the temperature control of the heating layer 3 becomes easy.
  • annealing is performed by, for example, implanting impurity ions into the first porous silicon layer by ion implantation. Thereby, it is the same as a metal having higher conductivity and a positive temperature coefficient of resistance than the semiconductor substrate 1.
  • a low resistance (highly doped) heat generating layer 3 having similar properties can be formed.
  • annealing may be performed by ion-implanting impurity ions into a portion where the first porous silicon layer is to be formed.
  • a constant current source it is preferable to use a constant current source as a power source and to flow a constant current between the nods 4.
  • the resistance value of the heating layer 3 decreases as the temperature of the heating layer 3 increases, and the voltage value between the force pads 4 also decreases, so that the temperature controllability is improved.
  • the surface area of the heat generating layer 3 increases, and the amount of infrared radiation from the heat generating layer 3 can be increased.
  • the infrared radiating element such that the depth of each micropore obtained by anodizing a part of the semiconductor substrate 1 made of a silicon substrate is 1Z4 having a peak wavelength ⁇ .
  • the surface of the porous silicon layer 3 ′ where V has no porous structure immediately after anodizing and (porosity of the surface is low! /) Etching is performed with an alkaline solution containing ⁇ or the like so that the depth ⁇ of the fine holes becomes ⁇ / 4.
  • the amount of infrared radiation can be increased by the optical wave effect.
  • a multilayer film 5 for limiting the wavelength range of infrared radiation radiated to the outside is laminated on the surface of the heat generating layer 3.
  • the multilayer film 5 allows only infrared rays in a specific wavelength range to pass therethrough and suppresses emission of infrared rays having wavelengths other than the specific wavelength range to the outside.
  • a reflective film 6 composed of a multilayer film for reflecting infrared rays emitted from the heat generating layer 3 toward the semiconductor substrate 1 toward the heat generating layer 3 is laminated. It is also good to do it. More preferably, a cavity lb is formed in the semiconductor substrate 1. The medium in the cavity lb is air. In this case, as indicated by the arrow in FIG. 7, the infrared radiation radiated from the heat generating layer 3 toward the semiconductor substrate 1 can be reflected toward the heat generating layer 3 by the reflective film 6, so that the surface side of the heat generating layer 3 can be reflected. The amount of infrared radiation radiated to the substrate can be increased.
  • the reflection film 6 is not limited to a multilayer film, but may be, for example, a metal film that reflects infrared rays.
  • a thermal insulator 7 having a lower thermal conductivity than the semiconductor substrate 1 is provided on the lower surface of the semiconductor substrate 1, and the thermal insulator 7 is bonded to a die bonding adhesive.
  • base part It is also preferable to adhere to the material 8.
  • the infrared radiating element A is die-bonded to a base material such as a metal base of a can package or a lead frame, for example, depending on the thickness of the heat insulating layer 2, a part of the heat generated in the heat generating layer 3 is converted from the heat insulating layer 2 to the semiconductor. Heat may be dissipated along the path from the substrate 1 to the base member.
  • the thermal insulator member 7 is made of, for example, an insulating glass substrate or a porous silicon layer (porous semiconductor layer) formed by anodizing a part of the other surface side of the semiconductor substrate 1. Can be.
  • the heat generating layer 3 may be formed on the heat insulating layer 2 via the insulating layer 9 having a smaller conductivity than the heat insulating layer 2. Provision of the insulating layer 9 can further suppress the leakage current passing through the semiconductor substrate 1 when the heating layer 3 is energized, thereby increasing the response speed and reducing the power consumption.
  • a silicon substrate is used as the semiconductor substrate 1 as the material of the insulating layer 9, for example, Si02 or Si3N4 may be used.
  • FIG. 10 shows a gas sensor including the infrared radiation element A as an infrared radiation source.
  • the gas sensor includes a gas-filled case 13 containing a gas to be detected, an infrared radiation source 11 having an infrared radiating element A for emitting infrared light into the gas-filled case 13, and a light transmitted through the gas-filled case 13.
  • the light receiving element 12 receives the infrared rays emitted from the infrared light source 12 and the infrared light emitted from the infrared radiation source 11 into the gas filling case 13 is received by the light receiving element 12.
  • This gas sensor measures the concentration of the gas to be detected by measuring the absorbance of infrared light having an absorption wavelength determined from the molecular structure of the gas to be detected.
  • the gas sensor includes the infrared radiation element A as the infrared radiation source 11, the life of the entire sensor can be extended.
  • the infrared radiation element A has excellent responsiveness, the time required for the radiation amount to reach a predetermined amount to a predetermined space is short, and the light receiving element 12 An accurate signal corresponding to the density can be output. If the control circuit is provided with wavelength adjusting means for changing the voltage applied to the heat generating layer 3 and changing the wavelength of infrared rays emitted from the heat generating layer 3, it will be possible to measure the concentration of various types of gases. Become.
  • the heat generating layer 3 is formed based on porous silicon, but the heat generating layer 3 is not limited to this.
  • the heat generating layer 3 may be formed of a carbon layer to which conductivity is imparted by doping of impurities.
  • the carbon layer various types of carbon layers such as amorphous carbon, graphite, graphite-like carbon, diamond, diamond-like carbon, etc. can be used.In particular, if graphite or graphite-like carbon is used, amorphous carbon is used. The resistance of the carbon layer can be reduced as compared with the case where carbon, diamond, diamond-like carbon, or the like is employed.
  • the heating layer 3 may be formed of an amorphous silicon layer provided with conductivity by doping of impurities.
  • the doping concentration of impurities on the surface side is higher than that on the heat insulating layer 2 side.
  • the current flowing through the heat generating layer 3 is more likely to flow on the surface side of the heat generating layer 3, so that the effective thickness of the heat generating layer 3 is thinner than in the case where the amorphous silicon layer is uniformly doped throughout.
  • an amorphous semiconductor layer made of a semiconductor material other than Si may be used instead of the amorphous silicon layer.
  • the conductivity type of the silicon substrate used as the semiconductor substrate 1 may be either p-type or n-type. However, the p-type silicon substrate is more porous when anodized. Since the porosity tends to increase easily, it is preferable to use a p-type silicon substrate as the semiconductor substrate 1.
  • the current density when anodizing a part of the semiconductor substrate 1 may be appropriately set according to the conductivity type and the conductivity of the semiconductor substrate 1.
  • the material of the semiconductor substrate 1 is not limited to Si, but may be, for example, another semiconductor material such as Ge, SiC, GaP, GaAs, and InP, which can be made porous by anodizing.

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Description

明 細 書
赤外線放射素子およびそれを用いたガスセンサ
技術分野
[0001] 本発明は、赤外線放射素子およびそれを用いたガスセンサに関するものである c 背景技術
[0002] 従来、赤外放射源を利用した各種の分析装置 (例えば、赤外線ガス分析計など)が 提供されて 、る。これらの分析装置で用いられて ヽる赤外放射源として代表的なもの はハロゲンランプである力 ハロゲンランプは大型で且つ寿命が比較的短いため、赤 外線を利用してガスを検出する小型のガスセンサへの適用は難し 、。
[0003] そこで、小型化が可能な赤外放射源としてマイクロマシンユング技術を利用して形 成する赤外線放射素子が各所で研究開発されている（例えば、特開平 9— 153640 号公報 (段落番号 [0027]、 [0028]、図 2参照）、特開 2000— 236110号公報 (段落 番号 [0017]、 [0018]、 [0019]、図 1、図 2参照）、特開平 10— 294165号公報（段 落番号 [0014]、 [0015]、図 1参照)）。
[0004] 前記特許文献には、マイクロマシンユング技術を用いてシリコン基板など力も形成し た矩形枠状の支持基板と、前記支持基板の一方の辺と他方の辺とを橋渡しする線状 の発熱体とからなる所謂マイクロブリッジ構造の赤外線放射素子が記載されている。 この種のマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子は、線状の発熱体への通電に伴う ジュール熱により発熱体から赤外線を放射させるものであり、発熱体の周囲が空気の ため、発熱体と発熱体の周囲との熱容量差を大きくすることができ、発熱体へ流す電 流のオンオフに高速で応答できる。
[0005] し力しながら、上述のマイクロブリッジ構造の赤外線放射素子では、発熱体が線状 で両端部が支持基板に支持されているだけのため、発熱体が破損しやすぐまた、 熱によって溶断する恐れがあった。
発明の開示
[0006] 本発明は前記の問題点を解決するために為されたものであって、従来に比べて長 寿命化が可能な赤外線放射素子およびそれを用いたガスセンサを提供することを目 的とする。
[0007] 本発明にかかる赤外線放射素子は、半導体基板と、前記半導体基板の一表面上 に形成され前記半導体基板より小さい熱伝導率を有する多孔質断熱層と、前記断熱 層上に形成され、前記断熱層よりも大きい熱伝導率および導電率を有し、通電により 赤外線を放射する発熱層とを含む。
[0008] 従って、この赤外線放射素子は、通電により赤外線を放射する発熱層が面状に形 成されると共に多孔質断熱層上に支持されているので、赤外線の放射量を増加させ ることができ、長寿命化が可能である。
[0009] 好ましくは、前記半導体基板はシリコン基板であり、前記断熱層および前記発熱層 はそれぞれ多孔質シリコン層からなり、前記発熱層の多孔度は前記断熱層の多孔度 よりも小さい。前記発熱層の多孔度は 2%— 45%で、前記断熱層の多孔度は 40% 以上 80%で且つ前記発熱層の多孔度よりも 10%以上大きいのが好ましい。
[0010] さらに好ましくは、前記発熱層は、前記シリコン基板よりも導電率が高く且つ抵抗温 度係数が正となるように不純物がドーピングされて 、る。
[0011] 前記発熱層は、導電性が付与された炭素層や、不純物のドーピングにより導電性 が付与されたアモルファスシリコン層でもよい。アモルファスシリコン層の場合、前記 断熱層側よりも表面側の方がドーピング濃度が高いのが好ましい。
[0012] また、発熱層の表面に多数の凹凸が形成されているのも好ましい。
[0013] また、発熱層の表面に外部へ放射する赤外線の波長域を制限する多層膜が積層 されているのも好ましい。
[0014] また、前記半導体基板の他表面に、前記発熱層から前記半導体基板側へ放射さ れた赤外線を前記発熱層側へ反射する反射膜が積層されて!ヽるのも好ま ヽ。
[0015] 前記半導体基板の他表面側に、前記半導体基板よりも熱伝導率の小さな熱絶縁 体部材が設けられて 、るのも好ま 、。
[0016] また、前記発熱層は、前記断熱層よりも小さい導電率を有する絶縁層を介して、前 記断熱層上に形成されるのも好ましい。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1]本発明の実施形態に係る赤外線放射素子の概略断面図である。 [図 2]同上の赤外線放射素子が放射する赤外線を説明するための図である。
[図 3]同上の赤外線放射素子の駆動回路の一例を示す回路図である。
[図 4A]同上の発熱層の好ましい形状の拡大断面図である。
[図 4B]同上の発熱層の好ましい形状の拡大断面図である。
[図 5A]同上の発熱層の好ましい形状を説明するための図である。
[図 5B]同上の発熱層の好ましい形状を説明するための図である。
[図 6]同上の好ましい実施形態に力かる赤外線放射素子の概略断面図である。
[図 7]同上の好ましい実施形態に力かる赤外線放射素子の概略断面図である。
[図 8]同上の好ましい実施形態に力かる赤外線放射素子の概略断面図である。
[図 9]同上の好ましい実施形態に力かる赤外線放射素子の概略断面図である。
[図 10]本発明の赤外線放射素子を用いたガスセンサの基本構成図である。
発明を実施するための最良の形態
[0018] 以下、本実施形態の赤外線放射素子 Aについて図 1を参照しながら説明する。
[0019] 本実施形態の赤外線放射素子 Aは、発熱層 3への通電により発熱層 3を発熱させ ることで発熱層 3から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、半導体基板 1の 厚み方向の一表面（図 1における上面)側に半導体基板 1よりも熱伝導率が十分に小 さくて多孔質からなる断熱層 2が形成され、断熱層 2よりも熱伝導率および導電率そ れぞれが大きな層状の発熱層 3が断熱層 2上に形成され、発熱層 3上に通電用の一 対のパッド (電極) 4が形成されて ヽる。半導体基板 1の平面形状は矩形状であって、 断熱層 2および発熱層 3の平面形状も矩形状である。ノッド 4は、金属材料 (例えば、 金など）により形成され、発熱層 3の両端部それぞれの上に発熱層 3と接する形で形 成されている。
[0020] 断熱層 2および発熱層 3は、互いに多孔度の異なる多孔質シリコン層により構成さ れており、発熱層 3は断熱層 2よりも多孔度の小さな多孔質シリコン層によって構成さ れている。好ましくは、発熱層 3は多孔度が 2%— 45%の多孔質シリコン層（以下、第 1の多孔質シリコン層と称す)であり、断熱層 2は多孔度が 45%— 80%で且つ発熱 層 3の多孔度よりも多孔度が 10%以上大きい多孔質シリコン層（以下、第 2の多孔質 シリコン層と称す)である。特に好ましくは、発熱層 3の多孔度は約 40%であり、断熱 層 2の多孔度は約 70%である。一般に、多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつ れて熱伝導率および熱容量が小さくなる。例えば、熱伝導率が 168 [WZ (m'K) ]、 熱容量が 1. 67 Χ 106 ϋΖ (πι3 ·Κ) ]の単結晶のシリコン基板 (すなわち、多孔度 0 %)を陽極酸ィ匕して形成される多孔度が 60%の多孔質シリコン層は、熱伝導率が 1 [ W/ (m'K) ]、熱容量が 0. 7 X 106 [J/ (m3 ·Κ) ]である。従って、発熱層 3の多孔 度は断熱層 2の多孔度よりも小さいため、発熱層 3の熱伝導率および熱容量は、断熱 層 2よりも大きくなる。なお、多孔質シリコン層が発熱層として機能するか、断熱層とし て機能するかは、多孔質シリコン層の絶対的な多孔度によって決まるのではなぐ発 熱層と断熱層との多孔度の差が重要なのである。
[0021] 断熱層 2および発熱層 3は、半導体基板 1として単結晶のシリコン基板を用い、半導 体基板 1の一部をフッ化水素水溶液中で陽極酸化することにより形成される。断熱層 2および発熱層 3は、陽極酸化処理の条件 (例えば、電流密度および処理時間）を適 宜変化させることにより、連続的に形成することができる。
[0022] 赤外線放射素子 Αの大きさは、例えば、断熱層 2および発熱層 3の形成前の半導 体基板 1の厚さ： 625 μ m、断熱層 2の厚さ： 50 m、発熱層 3の厚さ： 1 m、ノッド 4 の厚さ： 0. である。断熱層 2の厚さは 50 m以上、発熱層 3の厚さは 3 m以 下とすることが望ましい。
[0023] 以上のように構成された赤外線放射素子 Aは、発熱体としての発熱層 3が従来のよ うに線状ではなく面状 (層状)のため、赤外線の放射量を増加させることができ、単位 面積当たりの発熱量を抑えることで長寿命化を図ることができる。また、発熱層 3が全 面にわたって断熱層 2に支持されているため、従来のように線状の発熱体が両端で 支持されている構造と比較して、発熱層 3が破損しに《長寿命化を図ることができる 。さらに、発熱層 3が多孔度の高い断熱層 2で支持されているので、発熱層 3が空気 に近い状態で支持され、その結果、発熱層 3と周囲との熱容量の差が大きくなり熱応 答性も良い。
[0024] ところで、赤外線放射素子 Aにお ヽて、発熱体 3から放射される赤外線のピーク波 長は、発熱層 3の温度に依存して決まり、ピーク波長をえ [ m]、発熱層 3の絶対温 度を T[K]とすれば、ピーク波長えは、以下の式 1で示される。 λ = 2898/T …（式 1)
すなわち、本実施形態においては、発熱層 3としての第 1の多孔質シリコン層が疑 似黒体を構成しており、発熱層 3の絶対温度と発熱層 3から放射される赤外線のピー ク波長は、ウィーンの変位則を満たす。例えば、第 1の多孔質シリコン層の各微細孔 の深さを各微細孔の内径の 3倍以上の値に設定することにより、発熱体 3を黒体放射 と同じように赤外線を放射する疑似黒体とみなすことができる。従って、外部電源から パッド 4間に印加する電圧を調整し発熱層 3の絶対温度 Τを変化させる（つまり、発熱 層 3が発生するジュール熱を変化させる）ことで、図 2に示すように発熱層 3から放射 される赤外線のピーク波長えを変化させることができる。例えば、一対のパッド 4間に 300V程度の電圧を印加すると、ピーク波長 λが 3 μ m— 4 μ m程度の赤外線を放射 することができる。
[0025] なお、発熱層 3への入力電力を φ [W]、発熱層 3の放射率を ε、発熱層 3の熱伝導 度を j8 [WZK]とすれば、室温（300 [K] )において発熱体 3へ入力電力を与えた場 合の発熱層 3の温度上昇値 Δ Τ[Κ]は、以下の式 2で表される。
Δ Τ= 2 ε / β …（式 2)
例えば、発熱層 3の絶対温度 Τが 700 [Κ]のとき発熱層 3から放射される赤外線の ピーク波長えは式 1より略 4 mとなり、発熱層 3の絶対温度 Tを 700 [K]よりも高くす るにつれてピーク波長えは、図 2から明らかなように、低波長側へシフトするとともに 波長 4 mの赤外線の放射エネルギが高くなる。従って、例えば、
Δ Τ= 2 ε / β≥400
.·. β≤ φ ε /200
となるように発熱層 3を形成すれば、波長 4 mの赤外線を比較的高い放射エネルギ で放射することができる。
[0026] また、断熱層 2の厚さを t[m]、断熱層 2の熱伝導率を oc [W/ (m-K) ]、発熱体 3 の熱容量を Q [j/ (m3 -K) ]とすれば、発熱体 3へ与える入力電圧に関して発熱体 3 が応答可能 (発熱体 3が追随して温度変化可能)な交流電圧の周波数を f [Hz]は、 以下の式 3で表される。
f= a Z ( Qt2) …（式 3) 従って、例えば、
f = α / ( π <¾2)≥10
.·. α≥10 7u Qt2
の関係を満たすように断熱層 2を形成すれば、周波数 fを 10Hz以上とすることができ る。
[0027] 図 3に赤外線放射素子 Aを駆動する駆動回路の一例を示す。この駆動回路は、電 源部 21の両端間にサイリスタ Thとインダクタ Lと抵抗 R1と抵抗 R2との直列回路が接 続され、抵抗 R2の両端間に赤外線放射素子 Aが接続されている。電源部 21は、直 流電源と直流電源の両端間に接続されたコンデンサとで構成される。さらにこの駆動 回路は制御部 22を有し、制御部 22は電源部 21のコンデンサの両端電圧が所定の しき 、値を超えるとサイリスタ Thのゲートへ制御信号を与える。前記制御部 22からサ イリスタ Thへ制御信号が与えられると、サイリスタ Thがターンオンし、赤外線放射素 子 Aのパッド 4間に電圧が印加されて発熱層 3が発熱し赤外線が放射される。制御部 22の前記しき ヽ値を適宜変更すれば、赤外線放射素子 Aへの投入電圧の大きさを 変動させることができ、赤外線放射素子 Aから放射させる赤外線のピーク波長 λを制 御することができる。
[0028] 好ましい実施形態としては、発熱層 3の導電率が半導体基板 1よりも高く且つ抵抗 温度係数が正となるように、発熱層 3に不純物を高濃度にドーピングする。一般に、 多孔質シリコン層は高抵抗で且つ抵抗温度係数が負となるので、多孔質シリコン層 を発熱させるためには一対のノ^ド 4間に高電圧を印加する必要があり、さらに、温 度上昇とともに抵抗値が低くなつて一対のパッド 4間を流れる電流が急激に増加する ので、温度制御性が悪化してしまう。そこで、発熱層 3が半導体基板 1よりも導電率が 高く且つ抵抗温度係数が正となるように発熱層 3に不純物を高濃度にドーピングする ことで、発熱層 3の温度が上昇するにつれて発熱層 3の抵抗値が高くなつて発熱層 3 へ流れる電流の電流値が減少し、発熱層 3の温度制御が容易になる。具体的には、 第 1の多孔質シリコン層および第 2の多孔質シリコン層を形成した後に、例えば、第 1 の多孔質シリコン層へイオン注入により不純物イオンを注入してァニールを行う。これ により、半導体基板 1よりも導電率が高く且つ抵抗温度係数が正となるような金属と同 様の性質を有する低抵抗 (高濃度ドープ)の発熱層 3が形成できる。第 1の多孔質シ リコン層および第 2の多孔質シリコン層を形成する前に第 1の多孔質シリコン層の形 成予定部位に不純物イオンをイオン注入してァニールを行ってもよい。或いは、発熱 層 3の抵抗温度係数が負の場合、電源として定電流源を用い、ノッド 4間に一定電 流を流すのも好ましい。この場合、発熱層 3の温度上昇とともに発熱層 3の抵抗値は 低くなる力 パッド 4間の電圧値も低下するので、温度制御性が向上する。
[0029] また、発熱層 3の表面に図 4Aや図 4Bに示すような多数の凹凸をエッチングなどで 形成するのも好ましい。この場合、発熱層 3の表面積が増大し、発熱層 3からの赤外 線の放射量を増大させることができる。
[0030] また、シリコン基板からなる半導体基板 1の一部を陽極酸化して得られる各微細孔 の深さがピーク波長 λの 1Z4となるように、赤外線放射素子を形成するのも好ましい 。例えば、図 5Α、図 5Βに示すように、陽極酸ィ匕直後で多孔質構造が露出していな V、（表面の多孔度が小さ!/、）多孔質シリコン層 3 'の表面を、各微細孔の深さ Ηが λ / 4となるように、 ΚΟΗなどを含むアルカリ系溶液によりエッチングする。この場合、光 学的波動効果により赤外線の放射量を増大させることができる。
[0031] また、図 6に示すように、発熱層 3の表面に、外部へ放射する赤外線の波長域を制 限する多層膜 5を積層するのも好ましい。この場合、多層膜 5は特定波長域の赤外線 のみを透過させ、特定波長域以外の波長の赤外線が外部へ放射されるのを抑制す ることがでさる。
[0032] また、図 7に示すように、半導体基板 1の下面に、発熱層 3から半導体基板 1側へ放 射された赤外線を発熱層 3側へ反射する多層膜からなる反射膜 6を積層するのも好 ましい。さらに好ましくは、半導体基板 1に空洞部 lbを形成する。空洞部 lb内の媒質 は空気となっている。この場合、図 7中の矢印で示すように、発熱層 3から半導体基 板 1側へ放射された赤外線を反射膜 6により発熱層 3側へ反射することができるので 、発熱層 3の表面側へ放射される赤外線の放射量を増大させることができる。なお、 反射膜 6は多層膜に限らず、例えば、赤外線を反射する金属膜でもよい。
[0033] また、図 8に示すように、半導体基板 1の下面に、半導体基板 1よりも熱伝導率の小 さな熱絶縁体部材 7を設け、熱絶縁体部材 7をダイボンド用の接着材によりベース部 材 8と固着するのも好ま 、。赤外線放射素子 Aを例えばキャンパッケージの金属製 ベースやリードフレームなどのベース部材にダイボンディングした場合、断熱層 2の厚 さによっては、発熱層 3で発生した熱の一部が断熱層 2→半導体基板 1→ベース部 材の経路で放熱されてしまうことがある。このような放熱は発熱層 3への通電時の応 答速度の低下につながる恐れがある。そこで、熱絶縁体部材 7を設けることで、半導 体基板 1の前記他表面からの放熱が抑制され、応答速度が向上する。熱絶縁体部 材 7は、例えば、絶縁性のガラス基板や、或いは半導体基板 1の他表面側の一部を 陽極酸化することにより形成した多孔質シリコン層（多孔質半導体層)で構成すること ができる。
[0034] また、図 9に示すように、発熱層 3を、断熱層 2よりも小さな導電率を有する絶縁層 9 を介して、断熱層 2上に形成してもよい。絶縁層 9を設けることで、発熱層 3への通電 時に半導体基板 1を通るリーク電流をより一層抑制することができ、応答速度が速くな るとともに、低消費電力化を図れる。絶縁層 9の材料としては、半導体基板 1としてシ リコン基板を用いている場合には、例えば、 Si02や Si3N4などを採用すればよい。
[0035] 図 10は、赤外線放射素子 Aを赤外放射源として備えたガスセンサを示す。このガス センサは、検知対象ガスが入れらたガス封入ケース 13と、ガス封入ケース 13内へ赤 外線を放射する赤外線放射素子 Aを備えた赤外放射源 11と、ガス封入ケース 13内 を透過した赤外線を受光する受光素子 12と、ガス封入ケース 13内にお ヽて対向す るように配置され赤外放射源 11からガス封入ケース 13内へ放射された赤外線が受 光素子 12にて受光されるように赤外線を反射する 2つの反射鏡 14, 15と、赤外放射 源 11の出力（放射量、放射時間など）を制御するとともに受光素子 12の出力に基づ いてガス濃度を演算する制御回路（図示せず)と、制御回路により求められたガス濃 度を表示する表示手段（図示せず）とからなる。このガスセンサは、検知対象ガスの分 子構造から決定する吸収波長の赤外線の吸光度を計測することにより、検知対象ガ スの濃度を計測する。
[0036] このガスセンサは、赤外放射源 11として赤外線放射素子 Aを備えるので、センサ全 体の長寿命化を図ることができる。また、赤外線放射素子 Aは応答性に優れているの で、所定空間への放射量が所定量に到達するまでの時間が短くなり、受光素子 12で 濃度に対応した正確な信号を出力できるようになる。制御回路に、発熱層 3へ印加す る電圧を変化させ発熱層 3から放射される赤外線の波長を変化させる波長調整手段 を設けておけば、多種類のガスの濃度を計測することが可能となる。
[0037] なお、上述の説明においては、発熱層 3は多孔質シリコンを基に形成されていたが 、発熱層 3は、それに限定されるものではない。例えば、耐熱性および機械的強度の 向上、低抵抗化の観点から、発熱層 3を不純物のドーピングにより導電性が付与され た炭素層により構成してもよい。炭素層としては、アモルファスカーボン、グラフアイト、 グラフアイトライクカーボン、ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボンなどをはじめ、 各種形態の炭素層が採用可能であり、特にグラフアイトもしくはグラフアイトライクカー ボンを採用すればアモルファスカーボンやダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン などを採用する場合に比べて炭素層の抵抗を小さくすることができる。
[0038] 或いは、機械的強度の向上および低抵抗ィ匕の観点から、発熱層 3を不純物のドー ビングにより導電性が付与されたアモルファスシリコン層により構成してもよい。好まし くは、アモルファスシリコン層にお 、て断熱層 2側よりも表面側の不純物のドーピング 濃度を高くする。この場合、発熱層 3を流れる電流は発熱層 3の表面側で流れやすく なるので、アモルファスシリコン層が全体にわたって一様にドーピングされている場合 に比べて、発熱層 3の実効的な厚みが薄くなつて応答性が向上する。なお、前記ァ モルファスシリコン層の代わりに、 Si以外の半導体材料からなるアモルファス半導体 層を採用してもよい。
[0039] なお、上述の半導体基板 1として用いるシリコン基板の導電形は p形、 n形のいずれ でもよいが、 p形のシリコン基板の方が陽極酸ィ匕により多孔質ィ匕を行った際に多孔度 が大きくなりやすい傾向にあるので、半導体基板 1としては p形のシリコン基板を用い ることが好ましい。半導体基板 1の一部を陽極酸ィ匕する際の電流密度は半導体基板 1の導電形および導電率に応じて適宜設定すればよい。
[0040] また、半導体基板 1の材料は Siに限らず、例えば、 Ge, SiC, GaP, GaAs, InPな どの陽極酸ィ匕処理による多孔質ィ匕が可能な他の半導体材料でもよい。

Claims

請求の範囲
[1] 以下の構成を含む赤外線放射素子：
半導体基板；
前記半導体基板の一表面上に形成される多孔質断熱層、前記断熱層は前記 半導体基板より小さ ヽ熱伝導率を有する；
前記断熱層上に形成され、通電により赤外線を放射する発熱層、前記発熱層 は前記断熱層よりも大き!/ヽ熱伝導率および導電率を有する。
[2] 請求項 1に記載の赤外線放射素子であって、
前記半導体基板はシリコン基板であり、前記断熱層および前記発熱層はそれぞれ多 孔質シリコン層からなり、前記発熱層の多孔度は前記断熱層の多孔度よりも小さい。
[3] 請求項 2に記載の赤外線放射素子であって、
前記発熱層の多孔度は 2%— 45%で、前記断熱層の多孔度は 40%— 80%で且つ 前記発熱層の多孔度よりも 10%以上大きい。
[4] 請求項 2に記載の赤外線放射素子であって、
前記発熱層は、前記シリコン基板よりも導電率が高く且つ抵抗温度係数が正となるよ うに不純物がドーピングされて 、る。
[5] 請求項 1に記載の赤外線放射素子であって、
前記発熱層が、導電性が付与された炭素層からなる。
[6] 請求項 1に記載の赤外線放射素子であって、
前記発熱層力 不純物のドーピングにより導電性が付与されたアモルファスシリコン 層からなる。
[7] 請求項 6に記載の赤外線放射素子であって、
前記アモルファスシリコン層は、前記断熱層側よりも表面側の方がドーピング濃度が 高い。
[8] 請求項 1に記載の赤外線放射素子であって、
前記発熱層の表面に多数の凹凸が形成されている。
[9] 請求項 1に記載の赤外線放射素子であって、
前記発熱層の表面に外部へ放射する赤外線の波長域を制限する多層膜が積層さ れている。
[10] 請求項 1に記載の赤外線放射素子であって、
前記半導体基板の他表面に、前記発熱層から前記半導体基板側へ放射された赤外 線を前記発熱層側へ反射する反射膜が積層されて!ヽる。
[11] 請求項 1に記載の赤外線放射素子であって、
前記半導体基板の他表面に、前記半導体基板よりも熱伝導率の小さな熱絶縁体部 材が設けられている。
[12] 請求項 1に記載の赤外線放射素子であって、
前記発熱層は、前記断熱層よりも小さい導電率を有する絶縁層を介して、前記断熱 層上に形成される。
[13] 以下の構成を備えるガスセンサ：
赤外線を所定空間へ放射させる赤外放射源；
前記赤外線を受光する受光手段；
検知対象ガスの赤外線の吸収を利用して前記受光手段の出力から検知対象ガスの 有無を判断する制御手段；
上記赤外線放射源として、請求項 1に記載の赤外線放射素子を備える。
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