WO2020174733A1 - 積層体及び結晶体 - Google Patents

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WO2020174733A1
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crystal layer
holes
crystal structure
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正樹 藤金
尚基 反保
中村　邦彦
宏平 高橋
内藤　康幸
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Definitions

  • the present disclosure relates to a laminate including a plurality of layers having a phononic crystal structure.
  • the present disclosure also relates to a crystal body having a phononic crystal structure.
  • Patent Document 1 Patent Document 2, Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 disclose a periodic structure composed of a plurality of through holes.
  • This periodic structure is a kind of phononic crystal structure.
  • This type of phononic crystal structure is a periodic structure having a unit cell as a minimum unit that constitutes an array of through holes. According to the phononic crystal structure, for example, the thermal conductivity of the thin film can be reduced. The thermal conductivity of the thin film can be reduced, for example, by making it porous.
  • the voids introduced into the thin film by making it porous reduce the thermal conductivity of the thin film.
  • the phononic crystal structure can reduce the thermal conductivity of the base material itself that forms the thin film. For this reason, it is expected that the thermal conductivity will be further reduced as compared with the case where the material is simply made porous.
  • Patent Document 3 discloses a thermal infrared sensor using a beam having a phononic crystal structure.
  • the present disclosure provides an unprecedented laminate.
  • the present disclosure provides the following laminates.
  • the first phononic crystal layer has a first phononic crystal structure having a plurality of regularly arranged first through holes
  • the second phononic crystal layer has a second phononic crystal structure having a plurality of regularly arranged second through holes,
  • the penetration direction of the plurality of first through holes in the first phononic crystal layer and the penetration direction of the plurality of second through holes in the second phononic crystal layer are substantially parallel to each other.
  • an unprecedented laminated body can be achieved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the laminated body of the present disclosure.
  • FIG. 2A is a plan view of the stacked body of FIG. 1 viewed from the first phononic crystal layer side.
  • FIG. 2B is a plan view of the stack of FIG. 1 viewed from the second phononic crystal layer side.
  • FIG. 3A is a schematic diagram illustrating an example of a unit cell having a phononic crystal structure that can be included in the stacked body of the present disclosure.
  • FIG. 3B is a schematic diagram showing another example of the unit cell of the phononic crystal structure that the laminate of the present disclosure may have.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of the laminated body of the present disclosure.
  • FIG. 2A is a plan view of the stacked body of FIG. 1 viewed from the first phononic crystal layer side.
  • FIG. 2B is a plan view of the stack of FIG. 1 viewed from the second phononic crystal layer side
  • FIG. 3C is a schematic diagram showing still another example of a unit cell having a phononic crystal structure that can be included in the stacked body of the present disclosure.
  • FIG. 3D is a schematic diagram showing another example of the unit cell of the phononic crystal structure that can be included in the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a plan view schematically showing an example of a phononic crystal structure that can be possessed by the laminate of the present disclosure.
  • 5A is a schematic diagram showing a unit cell in the first domain included in the phononic crystal structure of FIG. 4 and its orientation.
  • 5B is a schematic diagram showing a unit cell in the second domain included in the phononic crystal structure of FIG. 4 and its orientation.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the region R1 of the phononic crystal structure of FIG.
  • FIG. 7 is a plan view schematically showing another example of the phononic crystal structure that the laminated body of the present disclosure may have.
  • FIG. 8 is an enlarged view of the region R2 of the phononic crystal structure of FIG.
  • FIG. 9 is a plan view schematically showing still another example of the phononic crystal structure that the laminated body of the present disclosure may have.
  • FIG. 10 is an enlarged view of the region R3 of the phononic crystal structure of FIG.
  • FIG. 11 is a plan view schematically showing still another example of the phononic crystal structure that can be possessed by the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 12 is a plan view schematically showing another example of the phononic crystal structure that can be possessed by the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 13 is a plan view schematically showing another example of the phononic crystal structure that the laminated body of the present disclosure may have.
  • FIG. 14A is a schematic diagram showing an example of a unit cell having a phononic crystal structure that can be included in a laminate of the present disclosure.
  • FIG. 14B is a schematic diagram showing another example of the unit cell of the phononic crystal structure that the laminated body of the present disclosure may have.
  • FIG. 15 is a plan view schematically showing another example of the phononic crystal structure that can be possessed by the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 16 is a plan view schematically showing another example of the phononic crystal structure that the laminated body of the present disclosure may have.
  • FIG. 17A is a plan view schematically showing an example of a phononic crystal layer that can be included in the laminate of the present disclosure.
  • 17B is a cross-sectional view showing a cross section 17B-17B of the phononic crystal layer of FIG. 17A.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view schematically showing an example of the laminated body of the present disclosure.
  • FIG. 19A is a plan view schematically showing another example of the phononic crystal layer that can be included in the stacked body of the present disclosure.
  • 19B is a cross-sectional view showing a cross section 19B-19B of the phononic crystal layer of FIG. 19A.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view schematically showing another example of the laminated body of the present disclosure.
  • FIG. 21A is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 21B is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 21C is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 21D is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 21E is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 21A is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 21B is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 21C is a schematic cross
  • FIG. 21F is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 21G is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 21H is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 21I is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the laminate of the present disclosure.
  • FIG. 21J is a schematic cross-sectional view for explaining an example of the method for manufacturing the laminate of the present disclosure.
  • FIGS. 1, 2A and 2B An example of the laminate of the present disclosure is shown in FIGS. 1, 2A and 2B.
  • FIG. 2A is a plan view of the stacked body 1 of FIG. 1 viewed from the first phononic crystal layer 11 side.
  • FIG. 2B is a plan view of the stacked body 1 of FIG. 1 viewed from the second phononic crystal layer 21 side.
  • the stacked body 1 includes a first phononic crystal layer 11 and a second phononic crystal layer 21.
  • the first phononic crystal layer 11 has a first phononic crystal structure having a plurality of regularly arranged first through holes 12.
  • the second phononic crystal layer 21 has a second phononic crystal structure including a plurality of regularly arranged second through holes 22.
  • the penetration direction of the plurality of first through holes 12 in the first phononic crystal layer 11 and the penetration direction of the plurality of second through holes 22 in the second phononic crystal layer 21 are substantially parallel to each other.
  • substantially parallel means that the angle formed by the penetrating direction of the first through hole 12 and the penetrating direction of the second through hole 22 is expressed as an inferior angle and is 0° or more and 10° or less. ..
  • the penetrating direction of the through hole is also referred to as the direction in which the through hole extends.
  • the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 are in contact with each other.
  • heat is mainly transferred by lattice vibration called phonons.
  • the thermal conductivity of a material composed of an insulator or a semiconductor is determined by the dispersion relation of phonons contained in the material.
  • the phonon dispersion relation means a relation between frequency and wave number or a band structure.
  • heat-carrying phonons cover a wide frequency band from 100 GHz to 10 THz. This frequency band is a heat band.
  • the thermal conductivity of a material is defined by the dispersion relation of phonons in the heat zone.
  • the phonon dispersion relationship of the material can be controlled by the periodic structure of the through holes. That is, according to the phononic crystal structure, the thermal conductivity itself of the material, for example, the base material of the thin film, can be controlled.
  • the formation of a phononic bandgap (PBG) with a phononic crystal structure can significantly reduce the thermal conductivity of the material. Phonons cannot exist in PBG. Therefore, the PBG located in the heat zone can be a heat conduction gap.
  • the slope of the phonon dispersion curve is reduced by PBG. The reduction of the inclination lowers the group velocity of phonons and lowers the heat conduction velocity.
  • the distribution of PBG is three-dimensional, and it is expected that the phononic crystal layer controls the heat flow not only in the in-plane direction but also in the thickness direction.
  • the conventional single-layer phononic crystal layer having a phononic crystal structure only the control of heat flow in the in-plane direction was consistently achieved. This is presumed to be because the single-layer phononic crystal layer did not have a sufficient thickness to control the heat flow in the thickness direction.
  • the aspect ratio of the diameter and the length of the through hole which can be achieved by the usual semiconductor processing process is about 10 at maximum. This means that it is difficult to stably obtain a single-layer phononic crystal layer having a thickness of more than 100 nm, for example.
  • the laminate of the present disclosure at least two phononic crystal layers are laminated in the thickness direction. Controlling the heat flow in the thickness direction is expected due to the increase in thickness due to stacking.
  • the laminated body of the present disclosure can be applied to, for example, the use of controlling the heat flow in the thickness direction of a phononic crystal layer.
  • the thickness of the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 is, for example, 10 nm or more and 500 nm or less.
  • the thickness of the first phononic crystal layer 11 and the thickness of the second phononic crystal layer 21 may be the same or different.
  • the configuration of the first phononic crystal structure of the first phononic crystal layer 11 and the configuration of the second phononic crystal structure of the second phononic crystal layer 21 may be the same or different.
  • the configuration of the first phononic crystal structure is different from the configuration of the second phononic crystal structure, at least part of the second through hole 22 is not normally in communication with the first through hole 12.
  • the configuration of the first phononic crystal structure is different from the configuration of the second phononic crystal structure.
  • the cycle P of the arrangement of the first through holes 12 is different from the cycle P of the arrangement of the second through holes 22.
  • the following cases are exemplified as cases where the configuration of the first phononic crystal structure and the configuration of the second phononic crystal structure are different.
  • a plurality of cases may be combined.
  • the cycle P of the arrangement of the first through holes 12 is different from the cycle P of the arrangement of the second through holes 22.
  • the diameter D of the first through hole 12 is different from the diameter D of the second through hole 22.
  • the type of the unit grid 91 having the first through holes 12 and the type of the unit grid 91 having the second through holes 22 are different.
  • the second through hole of the second phononic crystal structure is formed at the interface between the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21.
  • a part of the portion excluding 22 contacts the first through hole 12. The part does not contribute to electric conduction. The larger the area of such a part, the higher the electric resistance of the laminate.
  • the ratio is 20%, the electric resistance increases by 25% as compared with the case where the ratio is 0%.
  • the ratio When the ratio is 15%, the electric resistance increases by 18%.
  • the ratio is preferably 16.7% or less. As a result, the rate of increase in electric resistance is suppressed to 20% or less.
  • the ratio is more preferably 9.1% or less. As a result, the rate of increase in electric resistance is suppressed to 10% or less.
  • the arrangement of the first through holes 12 in the first phononic crystal structure and the arrangement of the second through holes 22 in the second phononic crystal structure are constant over the entire phononic crystal layer.
  • the stacked body of the present disclosure may have the following respective forms when the configuration of the first phononic crystal structure and the configuration of the second phononic crystal structure are different.
  • the laminated body of the present disclosure may have a form in which the following forms are arbitrarily combined.
  • the first phononic crystal structure includes a first domain that is a phononic crystal region.
  • the second phononic crystal structure includes a second domain that is a phononic crystal region.
  • the first domain and the second domain overlap.
  • the period P of arrangement of the first through holes 12 in the first domain and the period of arrangement of the second through holes 22 in the second domain are different.
  • Form B the first phononic crystal structure includes a first domain that is a phononic crystal region.
  • the second phononic crystal structure includes a second domain that is a phononic crystal region.
  • the first domain and the second domain overlap.
  • the diameter of the first through hole 12 in the first domain is different from the diameter of the second through hole 22 in the second domain.
  • Form C the first phononic crystal structure includes a first domain that is a phononic crystal region.
  • the second phononic crystal structure includes a second domain that is a phononic crystal region.
  • the first domain and the second domain overlap.
  • the type of the unit lattice having the first through holes 12 in the first domain is different from the type of the unit lattice having the second through holes 22 in the second domain.
  • the domain which is a phononic crystal region, is a region having an area of, for example, 25 P 2 or more in a plan view, where P is the cycle of the arrangement of the through holes 12 and 22.
  • the domain may have an area of at least 25P 2 .
  • an area of 25P 2 or more can be secured by setting a period of 5 ⁇ P or more.
  • each domain in plan view is not limited.
  • the shape of each domain in plan view is, for example, a polygon including a triangle, a square, and a rectangle, a circle, an ellipse, or a composite shape of these.
  • the shape of each domain in plan view may be indefinite. Further, the number of domains that the phononic crystal structure has is not limited. The size of each domain of the phononic crystal structure is not limited. One domain may extend throughout the phononic crystal layer.
  • plan view means viewing an object in a penetrating direction of a through hole forming a phononic crystal structure.
  • the penetrating direction of the through hole is typically a direction substantially perpendicular to the main surface of the object.
  • Main surface means the surface having the largest area.
  • the cycle P of the arrangement of the through holes 12 and 22 is, for example, 1 nm or more and 300 nm or less. This is because the wavelengths of phonons that carry heat range primarily from 1 nm to 300 nm.
  • the period P is determined by the center-to-center distance between the adjacent through holes 12 and 22 in plan view.
  • the diameter D of the through holes 12 and 22 is represented by the ratio D/P to the period P, and for example, D/P ⁇ 0.5.
  • the ratio D/P ⁇ 0.5 the porosity in the phononic crystal structure may be excessively reduced, and the heat flow may not be sufficiently controlled, for example, the thermal conductivity may not be sufficiently reduced.
  • the upper limit of the ratio D/P is, for example, less than 0.9 because adjacent through holes 12 and 22 do not contact each other.
  • the diameter D is the diameter of the openings of the through holes 12 and 22.
  • the diameter D is the diameter of the circle.
  • the shape of the openings of the through holes 12 and 22 may not be circular in plan view. In this case, the diameter D is defined by the diameter of a virtual circle having the same area as the area of the opening.
  • the type of the unit lattice 91 including the plurality of through holes 12 and 22 arranged regularly includes, for example, a square lattice (FIG. 3A), a hexagonal lattice (FIG. 3B), a rectangular lattice (FIG. 3C), and a face center length It is a square lattice (Fig. 3D).
  • a square lattice FIG. 3A
  • a hexagonal lattice FIG. 3B
  • a rectangular lattice FIG. 3C
  • a face center length It is a square lattice (Fig. 3D).
  • the type of the unit lattice 91 is not limited to these examples.
  • the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 are typically made of a semiconductor material.
  • the semiconductor material is, for example, silicon (Si), Ge, SiGe, SiC, ZnSe, CdSn, ZnO, GaAs, InP, GaN.
  • the material forming the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 may be a material other than a semiconductor material, and the material is, for example, TiN, SiN, or VO 2 .
  • the materials forming the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 are not limited to the above examples.
  • the laminate of the present disclosure may have the following form: the first phononic crystal structure includes a third domain and a fourth domain that are phononic crystal regions.
  • the third domain has a plurality of first through holes 12 arranged regularly in the first direction when a cross section perpendicular to the through direction of the first through holes 12 is viewed.
  • the fourth domain includes a plurality of first through holes 12 regularly arranged in a second direction different from the first direction when a cross section perpendicular to the through direction of the first through holes 12 is viewed.
  • the second phononic crystal structure includes a fifth domain and a sixth domain which are phononic crystal regions.
  • the fifth domain has a plurality of second through holes 22 arranged regularly in the third direction when the cross section perpendicular to the through direction of the second through holes 22 is viewed.
  • the sixth domain has a plurality of second through holes 22 arranged regularly in a fourth direction different from the third direction when the cross section perpendicular to the through direction of the second through holes 22 is viewed.
  • the phononic crystal structure including a plurality of domains having the through holes 12 and 22 having different directions in this manner is hereinafter referred to as a phononic crystal structure A.
  • the degree of reduction in thermal conductivity brought about by the phononic crystal structure depends on the angle formed by the heat transfer direction and the orientation of the unit cell of the phononic crystal structure. It is considered that this is because the factors related to heat conduction such as the PBG band width, the number of PBGs, and the average group velocity of phonons depend on the angle.
  • heat transfer phonons flow macroscopically from high temperature to low temperature.
  • focusing on the micro region on the order of nanometers there is no directivity in the direction of phonon flow. That is, the direction of phonon flow is not uniform microscopically.
  • each of the above-mentioned patent documents and non-patent documents discloses a member having a plurality of phononic crystal regions in which the orientations of unit cells are uniformly aligned.
  • these members maximize the interaction with phonons flowing in a specific direction, but weaken the interaction with phonons flowing in other directions.
  • the phononic crystal structure A has two or more phononic crystal regions in which the unit cell orientations are different from each other. Therefore, when viewed microscopically, the interaction with each phonon flowing in a plurality of directions can be enhanced. This feature provides an additional degree of freedom in controlling heat flow.
  • the following description relates to the phononic crystal structure A that the first phononic crystal layer 11 and/or the second phononic crystal layer 21 may have.
  • the configuration of the phononic crystal structure A included in the first phononic crystal layer 11 and the configuration of the phononic crystal structure A included in the second phononic crystal layer 21 may be the same or different.
  • FIG. 4 shows a state in which a part of the first phononic crystal layer 11 or the second phononic crystal layer 21 is viewed in a plan view.
  • the phononic crystal layers 11 and 21 are thin films having a thickness of 10 nm or more and 500 nm or less, for example.
  • the phononic crystal layers 11 and 21 are rectangular in plan view.
  • the phononic crystal layers 11 and 21 are provided with a plurality of through holes 50 extending in the thickness direction of the phononic crystal layers 11 and 21.
  • the phononic crystal structure A included in the phononic crystal layers 11 and 21 is a two-dimensional phononic crystal structure in which a plurality of through holes 50 are regularly arranged in the in-plane direction.
  • the phononic crystal structure A has a third domain 51A that is a phononic crystal region and a fourth domain 51B that is a phononic crystal region.
  • the third domain 51A has a phononic single crystal structure having a plurality of through holes 50 regularly arranged in the first direction in a plan view.
  • the fourth domain 51B has a phononic single crystal structure including a plurality of through holes 50 regularly arranged in a second direction different from the first direction in a plan view.
  • the diameters and the arrangement period of the plurality of through holes 50 are the same.
  • the unit lattices 91A or 91B having the plurality of through holes 50 regularly arranged have the same orientation.
  • the shapes of the third domain 51A and the fourth domain 51B are rectangular in plan view.
  • the shape of the third domain 51A and the shape of the fourth domain 51B are the same in plan view.
  • the phononic crystal structure A is also a phononic polycrystalline structure 52 which is a composite of a plurality of phononic single crystal structures.
  • the orientation 53A of the unit lattice 91A in the third domain 51A and the orientation 53B of the unit lattice 91B in the fourth domain 51B are different from each other in plan view.
  • the angle formed by the azimuth 53A and the azimuth 53B is, for example, 10 degrees or more in plan view.
  • the upper limit of the angle formed by the azimuths 53A and 53B is less than 360/n degrees.
  • n that defines the upper limit of the angle.
  • a hexagonal lattice has 2-fold rotational symmetry, 3-fold rotational symmetry, and 6-fold rotational symmetry.
  • "6" is used for n that defines the upper limit of the angle. That is, with respect to the unit lattices 91A and 91B that are hexagonal lattices, the angle formed by the azimuth 53A and the azimuth 53B is less than 60 degrees.
  • the phononic crystal structure A has at least two or more phononic crystal regions in which the unit cell orientations are different from each other. As long as this condition is satisfied, the phononic crystal structure A may further include an arbitrary phononic crystal region and/or a region having no phononic crystal structure.
  • Azimuth of unit cell can be determined based on arbitrary rules. However, it is necessary to apply the same rule between different domains to determine the orientation of the unit cell.
  • the azimuth of the unit cell is, for example, the extending direction of a straight line that bisects the angle formed by two non-parallel sides forming the unit cell. However, it is necessary to define two sides by the same rule between different domains.
  • FIG. 6 An enlarged view of the region R1 of the phononic crystal structure A of FIG. 4 is shown in FIG.
  • the orientations 53A and 53B of the unit lattices 91A and 91B are changed.
  • the interface 55 in which the orientation of the unit cell changes causes a large interface resistance to heat flowing to the macro in the phononic crystal structure A.
  • This interface resistance is based on a phonon group velocity mismatch that occurs between the third domain 51A and the fourth domain 51B.
  • This interface resistance contributes to the reduction of the thermal conductivity in the phononic crystal layers 11 and 21 having the phononic crystal structure A.
  • the interface 55 extends linearly in a plan view.
  • the interface 55 extends in the width direction of the rectangular phononic crystal layers 11 and 21 in plan view.
  • the width direction may be a direction perpendicular to the extension direction of the center line of the phononic crystal layers 11 and 21 determined by the macro heat transfer direction.
  • the interface 55 divides the phononic crystal structure A substantially perpendicular to the macro heat transfer direction in plan view.
  • the period P of the arrangement of the plurality of through holes 50 in the third domain 51A is equal to the period P of the arrangement of the plurality of through holes 50 in the fourth domain 51B.
  • the diameters of the plurality of through holes 50 regularly arranged in the third domain 51A are equal to the diameters of the plurality of through holes 50 regularly arranged in the fourth domain 51B.
  • the type of unit cell 91A in the third domain 51A and the type of unit cell 91B in the fourth domain 51B are the same.
  • the unit lattice 91A and the unit lattice 91B in FIG. 4 are both hexagonal lattices.
  • the number of domains that the phononic crystal structure A has is not limited. The larger the number of domains included in the phononic crystal structure A, the greater the effect of the interface resistance due to the interface between the domains.
  • the interface 55 between the adjacent third domain 51A and fourth domain 51B is the long side of the rectangular phononic crystal layers 11 and 21 in plan view. Extending in the direction. The direction of the long side may be a macro heat transfer direction. Except for this point, the phononic crystal structure A of FIGS. 7 and 8 has the same configuration as the phononic crystal structure A of FIG. The interface 55 divides the phononic crystal structure A substantially parallel to the macro heat transfer direction in a plan view. Note that FIG. 8 is an enlarged view of the region R2 in FIG.
  • the size of the third domain 51A and the size of the fourth domain 51B are the same in plan view. However, in plan view, the sizes of the third domain 51A and the fourth domain 51B included in the phononic structure A may be different from each other.
  • the third domain 51B is surrounded by the fourth domain 51A in a plan view.
  • the shapes of the third domain 51A and the fourth domain 51B are rectangular in plan view.
  • the size of the third domain 51A and the size of the fourth domain 51B are different in plan view.
  • the interface 55 between the fourth domain 51B and the third domain 51A surrounding the fourth domain 51B constitutes the outer edge of the fourth domain 51B in plan view.
  • the phononic crystal structure A of FIGS. 9 and 10 has the same configuration as the phononic crystal structure A of FIG. Note that FIG. 10 is an enlarged view of the region R3 in FIG.
  • the interface 55 has a bent portion.
  • the phononic crystal structure A of FIGS. 9 and 10 has a fourth domain 51B that is not in contact with the sides of the phononic crystal layers 11 and 21.
  • the third domain 51A and the fourth domain 51B are arranged apart from each other in a plan view. More specifically, in plan view, a region 201 having no through hole 50 is provided between the third domain 51A and the fourth domain 51B in the long side direction of the phononic crystal layers 11 and 21. Except for this point, the phononic crystal structure A of FIG. 11 has the same configuration as the phononic crystal structure A of FIG.
  • the third domain 51A and the fourth domain 51B are arranged apart from each other in plan view. More specifically, in plan view, the region 202 having the through holes 50 randomly provided is provided between the third domain 51A and the fourth domain 51B in the long side direction of the phononic crystal layers 11 and 21. ing. In the area 202, the through holes 50 are not regularly arranged in a plan view. Alternatively, in the area 202, the area of the regularly arranged areas in the plan view is, for example, less than 25P 2 .
  • P is the cycle of the arrangement of the through holes 50.
  • the phononic crystal structure A of FIG. 12 has the same configuration as the phononic crystal structure A of FIG.
  • the polycrystalline structure 52 which is the phononic crystal structure A in FIG. 13, includes a plurality of domains 51A to 51G having different shapes in a plan view.
  • the arrangement period of the plurality of through holes 50 and the orientation of the unit lattice are the same.
  • the orientations of the unit lattices are different between the domains 51A to 51G.
  • the domains 51A to 51G have different sizes and shapes.
  • the interface 55 between the domains extends in a plurality of random directions in a plan view. Therefore, the effect of lowering the thermal conductivity based on the interface resistance becomes more remarkable.
  • the interface 55 between the adjacent third domain 51A and fourth domain 51B extends in a direction inclined from the width direction of the phononic crystal layers 11 and 21 in plan view.
  • the interface 55 also has a bent portion in a plan view.
  • the polycrystalline structure 52 which is the phononic crystal structure A may include a third domain 51A and a fourth domain 51B in which the period P of the arrangement of the through holes 50 and/or the diameter D of the through holes 50 are different from each other.
  • the diameter D of the through hole 50 in the third domain 51A shown in FIG. 14A and the diameter D of the through hole 50 in the fourth domain 51B shown in FIG. 14B are different from each other.
  • the arrangement period P of the through holes 50 in the third domain 51A shown in FIG. 14A and the arrangement period P of the through holes 50 in the fourth domain 51B shown in FIG. 14B are the same.
  • the phononic crystal structure A shown in FIG. 15 has a third domain 51A in which a plurality of through holes 50 having a relatively small period P and a diameter D are regularly arranged, and a relatively large period P and a diameter D. It has a fourth domain 51B in which a plurality of through holes 50 are regularly arranged. Further, the phononic crystal structure A shown in FIG. 15 has a region 92 having a plurality of through holes 50 having a relatively small period P and a diameter D and a plurality of through holes having a relatively large period P and a diameter D. A region 93 having a hole 50. The area 92 and the area 93 are adjacent to each other. Similar to the example shown in FIG.
  • each of the regions 92 and 93 has a different shape in plan view and includes a plurality of domains in which the orientations of the unit lattices are different from each other. Further, the region 92 and the region 93 divide the phononic crystal structure A substantially in parallel with the macro heat transfer direction. In this mode, since the frequency band of the phononic band gap formed by the third domain 51A and the frequency band of the phononic band gap formed by the fourth domain 51B are different, the effect of reducing the thermal conductivity is particularly remarkable. Becomes
  • a fourth domain 51B in which a plurality of through holes 50 are regularly arranged is included.
  • the phononic crystal structure A shown in FIG. 16 includes a plurality of domains having different shapes in a plan view and having unit cell orientations different from each other. In this mode, since the frequency band of the phononic band gap formed by the third domain 51A and the frequency band of the phononic band gap formed by the fourth domain 51B are different, the effect of reducing the thermal conductivity is particularly remarkable. Becomes
  • the shapes of the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 are, for example, a polygon including a triangle, a square, and a rectangle, a circle, an ellipse, and a composite shape thereof in plan view.
  • the shapes of the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 are not limited to the above examples.
  • the shape of the laminated body 1 is, for example, a polygon including a triangle, a square, and a rectangle, a circle, an ellipse, and a composite shape of these in a plan view.
  • the shape of the laminated body 1 is not limited to the above example. Since the thickness of the through hole forming the phononic crystal structure in the through direction can be increased, the laminated body 1 may have a rectangular parallelepiped shape or a cubic shape.
  • the laminated body 1 may include two or more first phononic crystal layers 11 and/or two or more second phononic crystal layers 21. Further, the stacked body 1 may further include a third phononic crystal layer having a third phononic crystal structure having a specific configuration different from the first phononic crystal structure and the second phononic crystal structure.
  • the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 are in direct contact with each other.
  • other layers and/or members may be arranged between the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21.
  • An example of the other layer is an oxide film such as a SiO 2 film.
  • the laminate of the present disclosure may include any layer and/or member other than those described above.
  • An example of the member is a base substrate.
  • the laminated body of the present disclosure may have a form in which the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 are arranged on the base substrate.
  • the base substrate is typically composed of a semiconductor.
  • the semiconductor is, for example, Si.
  • An oxide film may be formed on the upper surface of the base substrate made of Si.
  • the oxide film is, for example, a SiO 2 film.
  • the configuration of the base substrate is not limited to the above example.
  • FIGS. 17A and 17B shows a cross section 17B-17B of the phononic crystal layers 11, 21 of FIG. 17A.
  • the phononic crystal layers 11 and 21 shown in FIGS. 17A and 17B further include a plurality of pillars 31.
  • the pillar 31 is a columnar body extending linearly.
  • Each of the pillars 31 is filled in the through holes 12 and 22 of the phononic crystal layers 11 and 21.
  • the peripheral surface of the pillar 31 is covered with an oxide film 32.
  • the through holes 12 and 22 which are holes are filled with the pillar 31.
  • the degree of freedom in controlling the characteristics in the penetration direction of the through holes 12 and 22 in the laminated body 1 can be improved. More specifically, for example, when the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 are made of a semiconductor material having conductivity, the electron conductivity between both layers can be improved. ..
  • At least one phononic crystal layer selected from the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 may include the pillar 31.
  • the stacked body of the present disclosure may further include a plurality of pillars 31, and each of the pillars 31 has a first through hole 12 in the first phononic crystal layer 11 and/or a second phononic crystal layer 21.
  • the second through-hole 22 may be filled.
  • the peripheral surface of the pillar 31 is covered with the oxide film 32. ing. If the first phononic crystal layer 11 and/or the second phononic crystal layer 21 filled with the pillar 31 and the pillar 31 are made of different materials, the oxide film 32 is not always necessary.
  • the pillar 31 is typically made of a semiconductor material.
  • the material forming the pillar 31 is, for example, Si, SiGe, SiC, TiN, SiN, or VO 2 .
  • the material forming the pillar 31 is not limited to the above example.
  • the oxide film 32 is, for example, a SiO 2 film. However, the oxide film 32 is not limited to the above example.
  • FIG. 18 shows an example of a laminate 1 including the first phononic crystal layer 11 filled with the pillars 31 and the second phononic crystal layer 21 filled with the pillars 31.
  • the laminated body 1 of FIG. 18 includes the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 shown in FIGS. 17A and 17B.
  • the laminated body 1 in FIG. 18 is a two-layer structure including two phononic crystal layers.
  • the buffer layer 15 is arranged between the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21.
  • the material forming the pillars 31 (excluding the oxide film 32) in the first phononic crystal layer 11 and the material forming the buffer layer 15 are the same.
  • the material forming the buffer layer 15 and the material forming the second phononic crystal layer 21 are the same.
  • FIGS. 19A and 19B show a cross section 19B-19B of the phononic crystal layers 11, 21 of FIG. 19A.
  • the phononic crystal layers 11 and 21 shown in FIGS. 19A and 19B further include a plurality of pillars 31. Each of the pillars 31 is filled in the through holes 12 and 22 of the phononic crystal layers 11 and 21.
  • the material forming the pillar 31 is different from the material forming the phononic crystal layers 11 and 21.
  • FIG. 20 shows an example of a laminate 1 including the first phononic crystal layer 11 filled with the pillars 31 and the second phononic crystal layer 21 filled with the pillars 31.
  • 20 is a three-layer structure having three phononic crystal layers in which the first phononic crystal layer 11, the second phononic crystal layer 21, and the first phononic crystal layer 11 are arranged in this order.
  • a first buffer layer 15A is arranged between the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21, which are the bottom layers.
  • the second buffer layer 15B is arranged between the second phononic crystal layer 21 and the uppermost first phononic crystal layer 11.
  • the material forming the pillar 31 in the first phononic crystal layer 11 and the material forming the first buffer layer 15A are the same.
  • the material forming the first buffer layer 15A and the material forming the second phononic crystal layer 21 are the same.
  • the material forming the pillar 31 in the second phononic crystal layer 21 and the material forming the second buffer layer 15B are the same.
  • the material forming the second buffer layer 15B and the material forming the first phononic crystal layer 11 (excluding the pillar 31) are the same.
  • the laminated body 1 shown in FIG. 20 is composed of two kinds of materials. Both of the two types of materials may be semiconductor materials.
  • the laminate of the present disclosure can be applied to various thin film forming techniques such as chemical vapor deposition (CVD), sputtering, and vapor deposition; and electron beam lithography, photolithography, block copolymer lithography, selective etching, and chemo-mechanical polishing. It is possible to manufacture by a combination of various fine processing methods such as (CMP) and pattern forming methods.
  • CMP chemical vapor deposition
  • Block copolymer lithography is suitable for forming phononic crystal structures.
  • FIGS. 21A to 21J An example of a method for manufacturing the laminate of the present disclosure will be described below with reference to FIGS. 21A to 21J.
  • the method for manufacturing the laminate of the present disclosure is not limited to the following examples.
  • FIG. 21A The base substrate 41 is prepared.
  • An oxide film 42 is provided on the upper surface of the base substrate 41.
  • the oxide film 42 is, for example, a SiO 2 film.
  • the semiconductor layer 43 is formed on the oxide film 42.
  • the semiconductor layer 43 is, for example, a polycrystalline Si layer.
  • the semiconductor layer 43 is formed by, for example, CVD.
  • the thickness of the semiconductor layer 43 is, for example, 200 nm.
  • FIG. 21C A hard mask 44 is formed on the semiconductor layer 43.
  • the hard mask 44 is, for example, a SiO 2 layer.
  • the hard mask 44 is formed by, for example, CVD.
  • the thickness of the hard mask 44 is, for example, 30 nm.
  • the hard mask 44 is used to form a phononic crystal structure for the semiconductor layer 43.
  • FIG. 21D A block copolymer self-assembled film 45 is formed on the hard mask 44.
  • the self-assembled film 45 is used in block copolymer lithography for forming a phononic crystal structure.
  • a plurality of regularly arranged through holes 46 are formed in the hard mask 44 by block copolymer lithography.
  • FIG. 21F Through the selective etching using the hard mask 44 as a resist, a plurality of regularly arranged through holes 12 are formed in the semiconductor layer 43 at positions corresponding to the plurality of through holes 46 in a plan view. To be done. The plurality of formed through holes 12 form a phononic crystal structure. The semiconductor layer 43 becomes the first phononic crystal layer 11.
  • FIG. 21H An oxide film 32 is formed on the inner peripheral surface of the through hole 12 in the first phononic crystal layer 11.
  • the oxide film 32 is, for example, a SiO 2 film.
  • the oxide film 32 is formed by, for example, thermal oxidation.
  • the oxide film 32 has a thickness of 1 nm, for example.
  • FIG. 21I The semiconductor is filled in the through hole 12 in the first phononic crystal layer 11, and the pillar 31 having the oxide film 32 on the peripheral surface is formed.
  • the pillar 31 is made of, for example, polycrystalline Si.
  • the pillar 31 is formed by, for example, CVD.
  • the layer 47 made of the semiconductor material forming the pillar 31 is formed on the first phononic crystal layer 11.
  • the layer 47 is removed by a technique such as CMP.
  • the first phononic crystal layer 11 further including the pillar 31 is formed.
  • the second phononic crystal layer 21 can be formed by forming a further semiconductor layer 43 on the first phononic crystal layer 11 and carrying out the steps shown in FIGS. 21C to 21J again.
  • the stacked body 1 including the first phononic crystal layer 11 and the second phononic crystal layer 21 is obtained.
  • the thickness of the buffer layer 15 is, for example, 100 nm or less.
  • the first phononic crystal layer 11 is connected to the second phononic crystal layer 21 via such a thin buffer layer 15.
  • the phononic crystal layers 11 and 21 shown in FIG. 17A and FIG. 17B, and FIG. 19A and FIG. 19B are crystal bodies that have not existed in the past.
  • the present disclosure includes the following crystals having a phononic crystal structure.
  • the crystal body includes a phononic crystal layer and a plurality of pillars.
  • the phononic crystal layer has a phononic crystal structure having a plurality of through holes that are regularly arranged.
  • the pillar is a columnar body extending linearly. Each of the pillars is filled in the through hole.
  • the peripheral surface of the pillar is covered with an oxide film.
  • This crystal can be a single layer structure composed of one phononic crystal layer.
  • the layered product of the present disclosure can be applied to various applications that have, for example, the characteristics of a phononic crystal structure, typically low thermal conductivity.

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Abstract

本開示は、従来にない積層体を提供する。本開示の積層体は、第１フォノニック結晶層、及び前記第１フォノニック結晶層の上又は上方に設けられた第２フォノニック結晶層を具備する。ここで、第１フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の第１貫通孔を具備する第１フォノニック結晶構造を有する。第２フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の第２貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有する。第１フォノニック結晶層における複数の第１貫通孔が貫通方向と、第２フォノニック結晶層における複数の第２貫通孔が貫通方向とは、略平行である。

Description

積層体及び結晶体
　本開示は、フォノニック結晶構造を有する複数の層を備える積層体に関する。また、本開示は、フォノニック結晶構造を有する結晶体に関する。
　特許文献１、特許文献２、及び非特許文献１は、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、ナノメートルのオーダー（１ｎｍから１０００ｎｍの領域）内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。当該フォノニック結晶構造によれば、例えば、薄膜の熱伝導率が減少可能となる。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。しかし、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。
　フォノニック結晶構造は、例えば、低い熱伝導率をメリットとする種々の用途に応用できる。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熱型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
　本開示は、従来にない積層体を提供する。
　本開示は、以下の積層体を提供する。
　積層体であって、
　　第１フォノニック結晶層；及び
　　前記第１フォノニック結晶層の上又は上方に設けられた第２フォノニック結晶層；
　を具備し、
　ここで、
　前記第１フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の第１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フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の第２貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有し、
　前記第１フォノニック結晶層における前記複数の第１貫通孔の貫通方向と、前記第２フォノニック結晶層における前記複数の第２貫通孔の貫通方向とは、略平行である。
　本開示によれば、従来にない積層体が達成可能である。
図１は、本開示の積層体の一例を模式的に示す断面図である。 図２Ａは、図１の積層体を第１フォノニック結晶層の側から見た平面図である。 図２Ｂは、図１の積層体を第２フォノニック結晶層の側から見た平面図である。 図３Ａは、本開示の積層体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３Ｂは、本開示の積層体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３Ｃは、本開示の積層体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３Ｄは、本開示の積層体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４は、本開示の積層体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５Ａは、図４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５Ｂは、図４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６は、図４のフォノニック結晶構造の領域Ｒ１の拡大図である。 図７は、本開示の積層体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８は、図７のフォノニック結晶構造の領域Ｒ２の拡大図である。 図９は、本開示の積層体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１０は、図９のフォノニック結晶構造の領域Ｒ３の拡大図である。 図１１は、本開示の積層体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１２は、本開示の積層体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１３は、本開示の積層体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１４Ａは、本開示の積層体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１４Ｂは、本開示の積層体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１５は、本開示の積層体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１６は、本開示の積層体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１７Ａは、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶層の一例を模式的に示す平面図である。 図１７Ｂは、図１７Ａのフォノニック結晶層の断面１７Ｂ－１７Ｂを示す断面図である。 図１８は、本開示の積層体の一例を模式的に示す断面図である。 図１９Ａは、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶層の別の一例を模式的に示す平面図である。 図１９Ｂは、図１９Ａのフォノニック結晶層の断面１９Ｂ－１９Ｂを示す断面図である。 図２０は、本開示の積層体の別の一例を模式的に示す断面図である。 図２１Ａは、本開示の積層体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２１Ｂは、本開示の積層体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２１Ｃは、本開示の積層体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２１Ｄは、本開示の積層体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２１Ｅは、本開示の積層体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２１Ｆは、本開示の積層体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２１Ｇは、本開示の積層体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２１Ｈは、本開示の積層体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２１Ｉは、本開示の積層体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２１Ｊは、本開示の積層体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。
　本開示の積層体の一例が図１、図２Ａ及び図２Ｂに示される。図２Ａは、図１の積層体１を第１フォノニック結晶層１１の側から見た平面図である。図２Ｂは、図１の積層体１を第２フォノニック結晶層２１の側から見た平面図である。積層体１は、第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１を備える。第１フォノニック結晶層１１は、規則的に配列した複数の第１貫通孔１２を具備する第１フォノニック結晶構造を有する。第２フォノニック結晶層２１は、規則的に配列した複数の第２貫通孔２２を具備する第２フォノニック結晶構造を有する。第１フォノニック結晶層１１における複数の第１貫通孔１２の貫通方向と、第２フォノニック結晶層２１における複数の第２貫通孔２２の貫通方向とは略平行である。ここで、略平行とは、第１貫通孔１２の貫通方向と第２貫通孔２２の貫通方向とがなす角度が、劣角により表示して、０度以上１０度以下であることを意味する。なお、貫通孔の貫通方向は、貫通孔が延びる方向とも称される。第１フォノニック結晶層１１と第２フォノニック結晶層２１とは互いに接している。
　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。
　上述した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、例えば薄膜の母材、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。
　ＰＢＧの分布は立体的であり、フォノニック結晶層では、面内方向だけではなく厚さ方向の熱流の制御が期待される。しかし、フォノニック結晶構造を有する従来の単層のフォノニック結晶層では、一貫して、面内方向の熱流の制御のみが図られていた。これは、単層のフォノニック結晶層では、厚さ方向の熱流を制御できるだけの十分な厚さが得られなかったためと推定される。また、通常の半導体加工プロセスにより達成可能な貫通孔の径と長さとのアスペクト比は最大１０程度である。これは、例えば、厚さ１００ｎｍ超の単層のフォノニック結晶層を安定して得ることが難しいことを意味している。一方、本開示の積層体では、少なくとも２層のフォノニック結晶層が厚さ方向に積層されている。積層による厚さの増大により、厚さ方向の熱流の制御が期待される。本開示の積層体によれば、例えば、フォノニック結晶層の厚さ方向に熱流を制御する用途への応用が可能となる。
　第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。第１フォノニック結晶層１１の厚さと、第２フォノニック結晶層２１の厚さとは、同一であっても異なっていてもよい。
　第１フォノニック結晶層１１が有する第１フォノニック結晶構造の構成と、第２フォノニック結晶層２１が有する第２フォノニック結晶構造の構成とは、同一であっても異なっていてもよい。第１フォノニック結晶構造の構成と第２フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合、通常、第２貫通孔２２の少なくとも一部は第１貫通孔１２と連通していない。図１、図２Ａ及び図２Ｂに示される積層体１では、第１フォノニック結晶構造の構成と第２フォノニック結晶構造の構成とが異なっている。具体的には、第１貫通孔１２の配列の周期Ｐと、第２貫通孔２２の配列の周期Ｐとが異なっている。
　第１フォノニック結晶構造の構成と第２フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合として、次の各ケースが例示される。複数のケースが組み合わされていてもよい。
　・第１貫通孔１２の配列の周期Ｐと、第２貫通孔２２の配列の周期Ｐとが異なる。
　・第１貫通孔１２の径Ｄと、第２貫通孔２２の径Ｄとが異なる。
　・第１貫通孔１２を具備する単位格子９１の種類と、第２貫通孔２２を具備する単位格子９１の種類とが異なる。
　第１フォノニック結晶構造の構成と第２フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合、第１フォノニック結晶層１１および第２フォノニック結晶層２１の間の境界面において、第２フォノニック結晶構造の第２貫通孔２２を除いた部分の一部は、第１貫通孔１２に接する。当該部分は電気伝導に寄与しない。このような部分の面積が大きいほど、積層体の電気抵抗は高い。例えば、第２フォノニック結晶構造の第２貫通孔２２を除いた部分の総面積に対する、第２フォノニック結晶構造の第２貫通孔２２を除いた部分が第１貫通孔１２と接する部分の総面積の割合が２０％の場合、当該割合が０％の場合と比較して、電気抵抗は２５％上昇する。当該割合が１５％の場合、電気抵抗は１８％上昇する。当該割合は、１６．７％以下であることが好ましい。これにより、電気抵抗の上昇率が２０％以下に抑えられる。当該割合は、９．１％以下であることがより好ましい。これにより、電気抵抗の上昇率が１０％以下に抑えられる。
　後述のフォノニック結晶構造Ａに示すように、第１フォノニック結晶構造における第１貫通孔１２の配列、及び第２フォノニック結晶構造における第２貫通孔２２の配列は、フォノニック結晶層の全体にわたって一定であるとは限らない。これを考慮すると、本開示の積層体は、第１フォノニック結晶構造の構成と第２フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合として、以下の各形態を有しうる。本開示の積層体は、以下の各形態が任意に組み合わされた形態を有していてもよい。
　形態Ａ：第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第１ドメインを含む。第２フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第２ドメインを含む。第１貫通孔１２及び第２貫通孔２２の貫通方向に見て、第１ドメインと第２ドメインとは重複している。第１ドメインにおける第１貫通孔１２の配列の周期Ｐと、第２ドメインにおける第２貫通孔２２の配列の周期とが異なる。
　形態Ｂ：第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第１ドメインを含む。第２フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第２ドメインを含む。第１貫通孔１２及び第２貫通孔２２の貫通方向に見て、第１ドメインと第２ドメインとは重複している。第１ドメインにおける第１貫通孔１２の径と、第２ドメインにおける第２貫通孔２２の径とが異なる。
　形態Ｃ：第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第１ドメインを含む。第２フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第２ドメインを含む。第１貫通孔１２及び第２貫通孔２２の貫通方向に見て、第１ドメインと第２ドメインとは重複している。第１ドメインにおける第１貫通孔１２を具備する単位格子の種類と、第２ドメインにおける第２貫通孔２２を具備する単位格子の種類とが異なる。
　フォノニック結晶領域であるドメインは、貫通孔１２，２２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。
　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が有する各ドメインのサイズは限定されない。１つのドメインが、フォノニック結晶層の全体に拡がっていてもよい。
　なお、本明細書において、「平面視」とは、フォノニック結晶構造を構成する貫通孔の貫通方向に対象物を視ることを意味する。対象物が薄膜状である場合、貫通孔の貫通方向は、典型的には、対象物の主面に略垂直な方向である。「主面」とは、最も広い面積を有する面を意味する。
　貫通孔１２，２２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１２，２２間の中心間距離により定められる。
　貫通孔１２，２２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、フォノニック結晶構造における空隙率が過度に低下して、熱流が十分に制御されない、例えば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１２，２２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１２，２２の開口の径である。貫通孔１２，２２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１２，２２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。
　規則的に配列した複数の貫通孔１２，２２を具備する単位格子９１の種類は、例えば、正方格子（図３Ａ）、六方格子（図３Ｂ）、長方格子（図３Ｃ）、及び面心長方格子（図３Ｄ）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フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１は、典型的には、半導体材料により構成される。半導体材料は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｎ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮである。第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１を構成する材料は、半導体材料以外の材料であってもよく、当該材料は、例えば、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＶＯ2である。ただし、第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１を構成する材料は、上記例に限定されない。
　本開示の積層体は、以下の形態を有していてもよい：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３ドメイン及び第４ドメインを含む。第３ドメインは、第１貫通孔１２の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第１方向に規則的に配列した複数の第１貫通孔１２を具備する。第４ドメインは、第１貫通孔１２の貫通方向に垂直な断面を見たときに、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第１貫通孔１２を具備する。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５ドメイン及び第６ドメインを含む。第５ドメインは、第２貫通孔２２の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第３方向に規則的に配列した複数の第２貫通孔２２を具備する。第６ドメインは、第２貫通孔２２の貫通方向に垂直な断面を見たときに、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第２貫通孔２２を具備する。このように、方位の異なる貫通孔１２，２２を具備する複数のドメインを含むフォノニック結晶構造を、以下、フォノニック結晶構造Ａと記載する。
　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。
　上述の各特許文献及び非特許文献には、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部材が開示されている。しかし、これらの部材では、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、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有する。このため、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。この特徴は、熱流の制御の自由度のさらなる向上をもたらす。
　以下の説明は、第１フォノニック結晶層１１及び／又は第２フォノニック結晶層２１が有しうるフォノニック結晶構造Ａに関する。第１フォノニック結晶層１１が有するフォノニック結晶構造Ａの構成と、第２フォノニック結晶層２１が有するフォノニック結晶構造Ａの構成とは、同一であっても異なっていてもよい。
　フォノニック結晶構造Ａの一例が図４に示される。図４には、第１フォノニック結晶層１１又は第２フォノニック結晶層２１の一部を平面視した状態が示されている。フォノニック結晶層１１，２１は、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有する薄膜である。フォノニック結晶層１１，２１は、平面視において、長方形である。フォノニック結晶層１１，２１には、フォノニック結晶層１１，２１の厚さ方向に延びる複数の貫通孔５０が設けられている。フォノニック結晶層１１，２１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。なお、フォノニック結晶構造Ａに関する以下の説明において、フォノニック結晶構造Ａを有する結晶層が第２フォノニック結晶層２１である場合は、「第３ドメイン」は「第５ドメイン」に、「第４ドメイン」は「第６ドメイン」に、それぞれ、読み替えられる。
　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５１Ａ、及びフォノニック結晶領域である第４ドメイン５１Ｂを有する。第３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４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３ドメイン５１Ａ及び第４ドメイン５１Ｂの形状は、平面視において、長方形である。第３ドメイン５１Ａの形状と、第４ドメイン５１Ｂの形状とは、平面視において、同一である。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５Ａ及び図５Ｂに示すように、フォノニック結晶構造Ａでは、第３ドメイン５１Ａにおける単位格子９１Ａの方位５３Ａと、第４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４のフォノニック結晶構造Ａの領域Ｒ１の拡大図が、図６に示される。隣接する第３ドメイン５１Ａと第４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３ドメイン５１Ａと第４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を有するフォノニック結晶層１１，２１における熱伝導率の低減に寄与する。なお、図６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、長方形のフォノニック結晶層１１，２１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フォノニック結晶層１１，２１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略垂直にフォノニック結晶構造Ａを分割している。
　図４のフォノニック結晶構造Ａにおいて、第３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４ドメイン５１Ｂにおける複数の貫通孔５０の配列の周期Ｐとが等しい。
　図４のフォノニック結晶構造Ａにおいて、第３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４ドメイン５１Ｂにおいて規則的に配列した複数の貫通孔５０の径とが等しい。
　図４のフォノニック結晶構造Ａにおいて、第３ドメイン５１Ａにおける単位格子９１Ａの種類と、第４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４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。
　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。
　以下、フォノニック結晶構造Ａの例が示される。
　図７及び図８のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２では、隣接する第３ドメイン５１Ａ及び第４ドメイン５１Ｂの界面５５が、平面視において、長方形のフォノニック結晶層１１，２１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７及び図８のフォノニック結晶構造Ａは、図４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略平行にフォノニック結晶構造Ａを分割している。なお、図８は、図７の領域Ｒ２の拡大図である。
　図４及び図７のフォノニック結晶構造Ａでは、平面視において、第３ドメイン５１Ａのサイズ及び第４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３ドメイン５１Ａ及び第４ドメイン５１Ｂのサイズは互いに異なっていてもよい。
　図９及び図１０のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２では、平面視において、第３ドメイン５１Ｂが第４ドメイン５１Ａにより囲まれている。第３ドメイン５１Ａ及び第４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３ドメイン５１Ａのサイズと第４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４ドメイン５１Ｂと、第４ドメイン５１Ｂを囲む第３ドメイン５１Ａとの界面５５は、平面視において、第４ドメイン５１Ｂの外縁を構成している。これらの点以外、図９及び図１０のフォノニック結晶構造Ａは、図４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１０は、図９の領域Ｒ３の拡大図である。
　また、図９及び図１０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９及び図１０のフォノニック結晶構造Ａは、フォノニック結晶層１１，２１の辺に接していない第４ドメイン５１Ｂを有する。
　図１１のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２では、平面視において、第３ドメイン５１Ａと第４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、フォノニック結晶層１１，２１の長辺方向における第３ドメイン５１Ａと第４ドメイン５１Ｂとの間に設けられている。この点以外、図１１のフォノニック結晶構造Ａは、図４のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。
　図１２のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２では、平面視において、第３ドメイン５１Ａと第４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、フォノニック結晶層１１，２１の長辺方向における第３ドメイン５１Ａと第４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１２のフォノニック結晶構造Ａは、図４のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。
　図１３のフォノニック結晶構造Ａ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から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１３のフォノニック結晶構造Ａでは、隣接する第３ドメイン５１Ａと第４ドメイン５１Ｂとの界面５５が、平面視において、フォノニック結晶層１１，２１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３ドメイン５１Ａ及び第４ドメイン５１Ｂを含んでいてもよい。図１４Ａに示される第３ドメイン５１Ａにおける貫通孔５０の径Ｄと、図１４Ｂに示される第４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１４Ａに示される第３ドメイン５１Ａにおける貫通孔５０の配列の周期Ｐと、図１４Ｂに示される第４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１５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３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４ドメイン５１Ｂとを有する。また、図１５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１３に示される例と同様に、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略平行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３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４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１６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３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４ドメイン５１Ｂとを含む。図１６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３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４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。
　第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１の形状は、平面視において、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。ただし、第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１の形状は、上記例に限定されない。
　積層体１の形状は、平面視において、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。ただし、積層体１の形状は、上記例に限定されない。フォノニック結晶構造を構成する貫通孔の貫通方向に対する厚さを増大できることから、積層体１は、直方体あるいは立方体の形状であってもよい。
　積層体１は、２以上の第１フォノニック結晶層１１及び／又は２以上の第２フォノニック結晶層２１を備えていてもよい。また、積層体１は、第１フォノニック結晶構造及び第２フォノニック結晶構造とは具体的な構成の異なる第３のフォノニック結晶構造を有する第３フォノニック結晶層をさらに備えていてもよい。
　図１に示される積層体１では、第１フォノニック結晶層１１と第２フォノニック結晶層２１とが直接的に接している。ただし、本開示の積層体では、第１フォノニック結晶層１１と第２フォノニック結晶層２１との間に、他の層及び／又は部材が配置されていてもよい。他の層の一例は、ＳｉＯ2膜などの酸化膜である。
　本開示の積層体は、上述した以外の任意の層及び／又は部材を備えていてもよい。部材の一例は、ベース基板である。本開示の積層体は、第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１がベース基板の上に配置された形態を有しうる。
　ベース基板は、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の上面には、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。ただし、ベース基板の構成は、上記例に限定されない。
　第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１の上記とは別の一例が、図１７Ａ及び図１７Ｂに示される。図１７Ｂには、図１７Ａのフォノニック結晶層１１，２１の断面１７Ｂ－１７Ｂが示される。図１７Ａ及び図１７Ｂに示されるフォノニック結晶層１１，２１は、複数のピラー３１をさらに備える。ピラー３１は、直線状に延びる柱状体である。ピラー３１の各々は、フォノニック結晶層１１，２１の貫通孔１２，２２に充填されている。ピラー３１の周面は、酸化膜３２により被覆されている。この形態では、空孔である貫通孔１２，２２がピラー３１により充填されている。このため、例えば、積層体１における貫通孔１２，２２の貫通方向に対する特性の制御の自由度が向上可能となる。より具体的には、例えば、導電性を有する半導体材料により第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１が構成されている場合に、双方の層の間の電子伝導性が向上可能となる。
　第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１から選ばれる少なくとも１つのフォノニック結晶層がピラー３１を備えていてもよい。言い換えると、本開示の積層体は、複数のピラー３１をさらに備えていてもよく、ピラー３１の各々は、第１フォノニック結晶層１１の第１貫通孔１２、及び／又は第２フォノニック結晶層２１の第２貫通孔２２に充填されていてもよい。
　なお、ピラー３１が充填された第１フォノニック結晶層１１及び／又は第２フォノニック結晶層２１と、ピラー３１とが同一の材料により構成される場合、ピラー３１の周面は酸化膜３２により被覆されている。ピラー３１が充填された第１フォノニック結晶層１１及び／又は第２フォノニック結晶層２１と、ピラー３１とが異なる材料により構成される場合、酸化膜３２は必ずしも必要ではない。
　ピラー３１は、典型的には、半導体材料により構成される。ピラー３１を構成する材料は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＶＯ2である。ただし、ピラー３１を構成する材料は、上記例に限定されない。
　酸化膜３２は、例えば、ＳｉＯ2膜である。ただし、酸化膜３２は、上記例に限定されない。
　ピラー３１が充填された第１フォノニック結晶層１１及びピラー３１が充填された第２フォノニック結晶層２１を備える積層体１の一例が図１８に示される。図１８の積層体１は、図１７Ａ及び図１７Ｂに示される第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１を備える。図１８の積層体１は、２層のフォノニック結晶層を備える２層構造体である。第１フォノニック結晶層１１と第２フォノニック結晶層２１との間には、バッファ層１５が配置されている。第１フォノニック結晶層１１におけるピラー３１（酸化膜３２を除く）を構成する材料と、バッファ層１５を構成する材料とは同一である。また、バッファ層１５を構成する材料と、第２フォノニック結晶層２１を構成する材料（ピラー３１を除く）とは同一である。
　第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１の上記とは別の一例が、図１９Ａ及び図１９Ｂに示される。図１９Ｂには、図１９Ａのフォノニック結晶層１１，２１の断面１９Ｂ－１９Ｂが示される。図１９Ａ及び図１９Ｂに示されるフォノニック結晶層１１，２１は、複数のピラー３１をさらに備える。ピラー３１の各々は、フォノニック結晶層１１，２１の貫通孔１２，２２に充填されている。ピラー３１を構成する材料は、フォノニック結晶層１１，２１を構成する材料とは異なっている。
　ピラー３１が充填された第１フォノニック結晶層１１及びピラー３１が充填された第２フォノニック結晶層２１を備える積層体１の一例が図２０に示される。図２０の積層体１は、第１フォノニック結晶層１１、第２フォノニック結晶層２１、及び第１フォノニック結晶層１１がこの順に配置された、３つのフォノニック結晶層を有する３層構造体である。最下層である第１フォノニック結晶層１１と第２フォノニック結晶層２１との間には、第１バッファ層１５Ａが配置されている。第２フォノニック結晶層２１と最上層である第１フォノニック結晶層１１との間には、第２バッファ層１５Ｂが配置されている。第１フォノニック結晶層１１におけるピラー３１を構成する材料と、第１バッファ層１５Ａを構成する材料とは同一である。第１バッファ層１５Ａを構成する材料と、第２フォノニック結晶層２１を構成する材料（ピラー３１を除く）とは同一である。第２フォノニック結晶層２１におけるピラー３１を構成する材料と、第２バッファ層１５Ｂを構成する材料とは同一である。第２バッファ層１５Ｂを構成する材料と、第１フォノニック結晶層１１を構成する材料（ピラー３１を除く）とは同一である。図２０に示される積層体１は、２種類の材料により構成される。当該２種類の材料は、いずれも、半導体材料でありうる。
　本開示の積層体は、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；並びに、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、選択的エッチング、及びケモメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）等の各種の微細加工手法及びパターン形成手法；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の形成に適している。
　本開示の積層体を製造する方法の一例が、図２１Ａ～図２１Ｊの参照により、以下に説明される。本開示の積層体を製造する方法は、以下の例に限定されない。
　図２１Ａ：ベース基板４１が準備される。ベース基板４１の上面には、酸化膜４２が設けられている。酸化膜４２は、例えば、ＳｉＯ2膜である。
　図２１Ｂ：酸化膜４２の上に、半導体層４３が形成される。半導体層４３は、例えば、多結晶Ｓｉ層である。半導体層４３は、例えば、ＣＶＤにより形成される。半導体層４３の厚さは、例えば２００ｎｍである。
　図２１Ｃ：半導体層４３の上に、ハードマスク４４が形成される。ハードマスク４４は、例えば、ＳｉＯ2層である。ハードマスク４４は、例えば、ＣＶＤにより形成される。
ハードマスク４４の厚さは、例えば、３０ｎｍである。ハードマスク４４は、半導体層４３に対するフォノニック結晶構造の形成に使用される。
　図２１Ｄ：ハードマスク４４の上に、ブロック共重合体の自己組織化膜４５が形成される。自己組織化膜４５は、フォノニック結晶構造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２１Ｅ：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４６がハードマスク４４に形成される。
　図２１Ｆ：ハードマスク４４をレジストとする選択的エッチングによって、半導体層４３に対して、平面視したときに複数の貫通孔４６に対応する位置に、規則的に配列した複数の貫通孔１２が形成される。形成された複数の貫通孔１２は、フォノニック結晶構造を構成する。半導体層４３は、第１フォノニック結晶層１１となる。
　図２１Ｇ：ハードマスク４４及び自己組織化膜４５が除去される。
　図２１Ｈ：第１フォノニック結晶層１１における貫通孔１２の内周面に酸化膜３２が形成される。酸化膜３２は、例えば、ＳｉＯ2膜である。酸化膜３２は、例えば、熱酸化により形成される。酸化膜３２の厚さは、例えば、１ｎｍである。
　図２１Ｉ：第１フォノニック結晶層１１における貫通孔１２の内部に半導体が充填されて、酸化膜３２を周面に有するピラー３１が形成される。ピラー３１は、例えば、多結晶Ｓｉにより構成される。ピラー３１は、例えば、ＣＶＤにより形成される。また、このとき、ピラー３１を構成する半導体材料により構成される層４７が第１のフォノニック結晶層１１の上に形成される。
　図２１Ｊ：ＣＭＰ等の手法により、層４７が除去される。このようにして、ピラー３１をさらに備える第１フォノニック結晶層１１が形成される。その後、第１フォノニック結晶層１１の上にさらなる半導体層４３を形成し、図２１Ｃから図２１Ｊに示される工程を再度実施することで、第２フォノニック結晶層２１が形成可能である。このようにして、第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１を備える積層体１が得られる。図２１Ｊに示される工程において、ＣＭＰを制御して層４７の一部を第１フォノニック結晶層１１の上に残すことにより、バッファ層１５を備える積層体１を得ることも可能である。
　バッファ層１５の厚さは、例えば、１００ｎｍ以下である。このような薄いバッファ層１５を介して、第１フォノニック結晶層１１は、第２フォノニック結晶層２１に接続される。これにより、界面５５における熱の散乱効果が得られることに加えて、フォノニック結晶層１１、２２とバッファ層１５における音速のミスマッチにより、両者の界面でフォノンの伝搬を抑制することが可能となる。その結果、熱伝導率の更なる低減効果が期待できる。
　[結晶体]
　図１７Ａ及び図１７Ｂ、並びに図１９Ａ及び図１９Ｂに示されるフォノニック結晶層１１，２１は、従来にない結晶体である。本開示には、フォノニック結晶構造を有する、以下の結晶体が含まれる。当該結晶体は、フォノニック結晶層、及び複数のピラーを備える。ここで、フォノニック結晶層は、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する。ピラーは、直線状に延びる柱状体である。ピラーの各々は、貫通孔に充填されている。ただし、フォノニック結晶層とピラーとが同一の材料により構成される場合、ピラーの周面は、酸化膜により被覆されている。この結晶体は、１つのフォノニック結晶層から構成される単層構造体でありうる。
　本開示の積層体は、例えば、フォノニック結晶構造の特性、典型的には低い熱伝導率、をメリットとする各種の用途に応用できる。
　１　積層体
　１１　第１フォノニック結晶層
　１２　第１貫通孔
　１５　バッファ層
　１５Ａ　第１バッファ層
　１５Ｂ　第２バッファ層
　２１　第２フォノニック結晶層
　２２　第２貫通孔
　３１　ピラー
　３２　酸化膜
　４１　ベース基板
　４２　酸化膜
　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
　９１，９１Ａ，９１Ｂ　単位格子
　９２　領域
　９３　領域
　２０１　領域
　２０２　領域

Claims (13)

  1. 　積層体であって、
    　　第１フォノニック結晶層；及び
    　　前記第１フォノニック結晶層の上又は上方に設けられた第２フォノニック結晶層；
    　を具備し、
    　ここで、
    　前記第１フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の第１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フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の第２貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有し、
    　前記第１フォノニック結晶層における前記複数の第１貫通孔の貫通方向と、前記第２フォノニック結晶層における前記複数の第２貫通孔の貫通方向とは、略平行である、
    　積層体。
  2. 　請求項１に記載の積層体であって、
    　前記第１フォノニック結晶層と前記第２フォノニック結晶層とは、互いに接している、
    　積層体。
  3. 　請求項１又は２に記載の積層体であって、
    　前記第２貫通孔の少なくとも一部は、前記第１貫通孔と連通していない、
    　積層体。
  4. 　請求項１から３のいずれかに記載の積層体であって、
    　前記第１フォノニック結晶層及び前記第２フォノニック結晶層は、半導体材料により構成される、
    　積層体。
  5. 　請求項１から４のいずれかに記載の積層体であって、
    　前記第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第１ドメインを含み、
    　前記第２フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第２ドメインを含み、
    　前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の貫通方向に見て、前記第１ドメインと前記第２ドメインとは重複しており、
    　前記第１ドメインにおける前記第１貫通孔の配列の周期と、前記第２ドメインにおける前記第２貫通孔の配列の周期とが異なる、
    　積層体。
  6. 　請求項１から５のいずれかに記載の積層体であって、
    　前記第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第１ドメインを含み、
    　前記第２フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第２ドメインを含み、
    　前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の貫通方向に見て、前記第１ドメインと前記第２ドメインとは重複しており、
    　前記第１ドメインにおける前記第１貫通孔の径と、前記第２ドメインにおける前記第２貫通孔の径とが異なる、
    　積層体。
  7. 　請求項１から６のいずれかに記載の積層体であって、
    　前記第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第１ドメインを含み、
    　前記第２フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第２ドメインを含み、
    　前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の貫通方向に見て、前記第１ドメインと前記第２ドメインとは重複しており、
    　前記第１ドメインにおける前記第１貫通孔を具備する単位格子の種類と、前記第２ドメインにおける前記第２貫通孔を具備する単位格子の種類とが異なる、
    　積層体。
  8. 　請求項１から７のいずれかに記載の積層体であって、
    　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、前記第１貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第１方向に規則的に配列した前記複数の第１貫通孔を具備し、
    　前記第４ドメインは、前記第１貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、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第１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５ドメイン及び第６ドメインを含み、
    　前記第５ドメインは、前記第２貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第３方向に規則的に配列した前記複数の第２貫通孔を具備し、
    　前記第６ドメインは、前記第２貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、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第２貫通孔を具備する、
    　積層体。
  9. 　請求項１から８のいずれかに記載の積層体であって、
    　複数のピラーをさらに具備し、
    　ここで、
    　前記ピラーは、直線状に延びる柱状体であり、
    　前記ピラーの各々は、前記第１フォノニック結晶層の前記第１貫通孔、及び／又は前記第２フォノニック結晶層の前記第２貫通孔に充填されている。
    　ただし、前記ピラーが充填された前記第１フォノニック結晶層及び／又は前記第２フォノニック結晶層と、前記ピラーとが同一の材料により構成される場合、前記ピラーの周面は、酸化膜により被覆されている、
    　積層体。
  10. 　請求項９に記載の積層体であって、
    　前記ピラーの各々は、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔に充填されている、
    　積層体。
  11. 　請求項９又は１０に記載の積層体であって、
    　前記ピラーは、半導体材料により構成される、
    　積層体。
  12. 　請求項１又は３から１１のいずれかに記載の積層体であって、
    　前記第１フォノニック結晶層及び前記第２フォノニック結晶層の間に設けられたバッファ層をさらに具備し、
    　前記バッファ層は、前記第１フォノニック結晶層及び前記第２フォノニック結晶層と同一の材料により構成される、
    　積層体。
  13. 　フォノニック結晶構造を有する結晶体であって、
    　　フォノニック結晶層；及び
    　　複数のピラー；
    　を具備し、
    　ここで、
    　前記フォノニック結晶層は、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、
    　前記ピラーは、直線状に延びる柱状体であり、
    　前記ピラーの各々は、前記貫通孔に充填されている。
    　ただし、前記フォノニック結晶層と前記ピラーとが同一の材料により構成される場合、前記ピラーの周面は、酸化膜により被覆されている、
    　結晶体。
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