WO2022239610A1 - サーモパイル型センサ及びセンサアレイ - Google Patents

サーモパイル型センサ及びセンサアレイ Download PDF

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WO2022239610A1
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phononic crystal
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thermopile
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宏平 高橋
正樹 藤金
浩之 田中
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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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    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01J2005/123—Thermoelectric array

Definitions

  • thermopile sensors and sensor arrays relate to thermopile sensors and sensor arrays.
  • thermopile-type sensors equipped with materials having phononic crystals are known.
  • Patent Document 1 describes a thermopile-type infrared sensor equipped with a beam that is a thin-film substance having a two-dimensional phononic crystal.
  • a two-dimensional phononic crystal In a two-dimensional phononic crystal, through-holes with arbitrary diameters are arranged at arbitrary intervals in the plane.
  • the beam acts as a thermopile.
  • the sensitivity of the infrared sensor can be improved by introducing a phononic crystal into the beam of the infrared light receiving section.
  • Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 disclose a periodic structure composed of a plurality of through-holes that reduces the thermal conductivity of the thin film.
  • this periodic structure when the thin film is viewed from above, the through-holes are regularly arranged at a nanometer-order period in the range of 1 nanometer (nm) to 1000 nm.
  • This periodic structure is a kind of phononic crystal structure.
  • JP 2017-223644 A U.S. Patent Application Publication No. 2015/0015930
  • thermopile sensors have room for reconsideration from the perspective of reducing the risk of component destruction in thermopile sensors.
  • the present disclosure provides an advantageous technique from the viewpoint of reducing the risk of member destruction in a thermopile sensor.
  • thermopile sensors a thermopile type sensor, a p-type site having a first phononic crystal containing a p-type material and having a plurality of first holes arranged in plan view; an n-type portion containing an n-type material and having a second phononic crystal in which a plurality of second holes are arranged in plan view,
  • the p-type portion and the n-type portion constitute a thermocouple, At least one condition selected from the group consisting of the following (I) and (II) is satisfied.
  • the interface scattering frequency of phonons in the first phononic crystal is different from the interface scattering frequency of phonons in the second phononic crystal.
  • the ratio of the sum of the areas of the plurality of first holes to the area of the first phononic crystal in plan view of the first phononic crystal is the ratio of the area of the second phononic crystal in plan view of the second phononic crystal It is different from the ratio of the sum of the areas of the plurality of second holes to the area.
  • thermopile type sensor of the present disclosure is advantageous from the viewpoint of reducing the risk of member destruction.
  • FIG. 1A is a plan view schematically showing the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the thermopile sensor of FIG. 1A taken along line IB-IB.
  • FIG. 2A is a plan view showing an example of a unit cell of a phononic crystal.
  • FIG. 2B is a plan view showing another example of the unit cell of the phononic crystal.
  • FIG. 2C is a plan view showing still another example of the unit cell of the phononic crystal.
  • FIG. 2D is a plan view showing still another example of a unit cell of a phononic crystal.
  • FIG. 2E is a plan view showing an example of a phononic crystal.
  • FIG. 1A is a plan view schematically showing the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the thermopile sensor of FIG. 1A taken along line IB-IB.
  • FIG. 2A is a plan
  • FIG. 2F is a plan view showing another example of a phononic crystal.
  • FIG. 2G is a plan view showing still another example of a phononic crystal.
  • FIG. 2H is a plan view showing still another example of a phononic crystal.
  • FIG. 2I is a plan view showing still another example of a phononic crystal.
  • FIG. 2J is a plan view showing yet another example of a phononic crystal.
  • FIG. 2K is a plan view showing yet another example of a phononic crystal.
  • FIG. 2L is a plan view showing still another example of a phononic crystal.
  • FIG. 2M is a plan view showing still another example of a phononic crystal.
  • FIG. 2N is a plan view showing still another example of a phononic crystal.
  • FIG. 2G is a plan view showing still another example of a phononic crystal.
  • FIG. 2H is a plan view showing still another example of a phononic crystal.
  • FIG. 2O is a plan view showing still another example of a phononic crystal.
  • 3A is a cross-sectional view showing a modification of the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing another modification of the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 3C is a cross-sectional view showing still another modification of the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 3D is a cross-sectional view showing still another modification of the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 3E is a cross-sectional view showing still another modification of the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 3F is a cross-sectional view showing still another modification of the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a modification of the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 4D is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 4E is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 4F is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 4C is
  • FIG. 4G is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 4H is a cross-sectional view showing a method for manufacturing the thermopile sensor of Embodiment 1.
  • FIG. 5A is a plan view schematically showing a thermopile sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the thermopile sensor of FIG. 5A taken along line VB-VB.
  • 5C is a cross-sectional view showing a modification of the thermopile sensor of Embodiment 2.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 5A is a plan view schematically showing a thermopile sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of the thermopile sensor of FIG. 5A taken along line VB-VB.
  • 5C is a cross-sectional view showing
  • FIG. 6B is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 6C is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 6D is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 2.
  • FIG. 7A is a plan view schematically showing a thermopile sensor according to Embodiment 3.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the thermopile sensor of FIG. 7A taken along line VIIB-VIIB.
  • 7C is a cross-sectional view showing a modification of the thermopile sensor of Embodiment 3.
  • FIG. 7D is a cross-sectional view showing a modification of the thermopile sensor of Embodiment 3.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 3.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 3.
  • FIG. 8C is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 3.
  • FIG. 8D is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 3.
  • FIG. 9A is a plan view schematically showing a thermopile sensor according to Embodiment 4.
  • FIG. 9A is a plan view schematically showing a thermopile sensor according to Embodiment 4.
  • FIG. 9B is a cross-sectional view of the thermopile type sensor of FIG. 9A taken along line IXB-IXB.
  • 9C is a cross-sectional view showing a modification of the thermopile sensor of Embodiment 4.
  • FIG. 9D is a cross-sectional view showing another modification of the thermopile sensor of Embodiment 4.
  • FIG. 10A is a cross-sectional view showing a thermopile-type sensor of Embodiment 5.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view showing a modification of the thermopile sensor of Embodiment 5.
  • FIG. 10C is a cross-sectional view showing another modification of the thermopile sensor of Embodiment 5.
  • FIG. 10A is a cross-sectional view showing a thermopile-type sensor of Embodiment 5.
  • FIG. 10B is a cross-sectional view showing a modification of the thermopile sensor of Embodiment 5.
  • FIG. 10C is a cross-sectional view showing
  • FIG. 10D is a cross-sectional view showing still another modification of the thermopile sensor of Embodiment 5.
  • FIG. 11A is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 5.
  • FIG. 11B is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 5.
  • FIG. 11C is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 5.
  • FIG. 11D is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 5.
  • FIG. 11E is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 5.
  • FIG. 11A is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 5.
  • FIG. 11B is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to
  • FIG. 11F is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 5.
  • FIG. 11G is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a thermopile sensor according to Embodiment 5.
  • FIG. 12A is a plan view schematically showing the sensor array of Embodiment 6.
  • FIG. 12B is a plan view schematically showing the sensor array of Embodiment 6.
  • thermopile-type sensor comprises a thermocouple containing p-type and n-type materials. In p-type materials, holes act as conducting carriers, and in n-type materials, electrons act as conducting carriers.
  • a thermocouple in a thermopile-type sensor a structure having a hot junction in a sensing part suspended on a substrate by a beam and a cold junction on the substrate can be considered. It is believed that this structure makes the sensing part having the hot junction of the thermocouple less susceptible to the heat of the substrate.
  • thermopile sensor if an infrared light receiving part that absorbs infrared rays is added to the suspended sensing part, the thermopile sensor can function as an infrared sensor.
  • thermopile-type sensor if a catalyst layer that reacts to a specific gas is added to the suspended sensing portion, the thermopile-type sensor can function as a gas sensor. In such a thermopile sensor, the higher the thermal insulation performance of the beam, the easier it is to improve sensor performance such as infrared detection sensitivity and gas detection sensitivity.
  • Patent Document 1 describes that the sensitivity of an infrared sensor can be improved by introducing a phononic crystal into a beam of an infrared light receiving portion.
  • thermocouple It is assumed that the p-type and n-type materials that make up the thermocouple in the thermopile sensor have different thermophysical properties.
  • Journal of Micromechanics and Microengineering 19, 125029 (2009) describes that the thermal conductivities of n-type and p-type materials whose base material is polysilicon are significantly different. If the thermal conductivity of the p-type material and the n-type material that make up the thermocouple in the thermopile sensor are different from each other, the temperature distribution of the thermocouple will be uneven when the sensing part detects infrared rays or gas and the temperature of the sensing part rises. can be uniform. As a result, thermal stress is generated in the thermocouple.
  • thermocouple Large thermal stresses can occur in a thermocouple when it is subjected to rapid temperature changes or when there is a large temperature gradient across the thermocouple. When the generated thermal stress exceeds the yield stress of the members forming the thermocouple, the thermocouple will crack or permanently deform. According to the study of the present inventors, in the part of the thermopile type sensor where the phononic crystal is introduced to improve the heat insulating performance, the temperature of the sensing part tends to rise greatly when the target such as infrared rays and gas is detected. In this case, the risk of damage to the members of the thermopile sensor due to thermal stress tends to increase.
  • the present inventors have extensively studied advantageous techniques from the viewpoint of reducing the risk of damage to the members of the thermopile sensor.
  • the inventors of the present invention have found a new method in which the thermal stress can be reduced by adjusting the phononic crystal so that the interfacial scattering frequency of phonons in the p-type site and the n-type site constituting the thermocouple have a predetermined relationship. I got some insight.
  • new knowledge was obtained that the thermal stress can be reduced by adjusting the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes to the area of the phononic crystal in plan view in the p-type and n-type parts that constitute the thermocouple. rice field. Based on this new finding, the present inventors devised the thermopile-type sensor of the present disclosure.
  • thermopile sensors a p-type site having a first phononic crystal containing a p-type material and having a plurality of first holes arranged in plan view; an n-type portion containing an n-type material and having a second phononic crystal in which a plurality of second holes are arranged in plan view,
  • the p-type portion and the n-type portion constitute a thermocouple, At least one condition selected from the group consisting of the following (I) and (II) is satisfied.
  • the interface scattering frequency of phonons in the first phononic crystal is different from the interface scattering frequency of phonons in the second phononic crystal.
  • the ratio of the sum of the areas of the plurality of first holes to the area of the first phononic crystal in plan view of the first phononic crystal is the ratio of the area of the second phononic crystal in plan view of the second phononic crystal It is different from the ratio of the sum of the areas of the plurality of second holes to the area.
  • thermopile type sensor described above is advantageous from the viewpoint of reducing the risk of member breakage because the thermal stress generated in the thermocouple tends to be small.
  • thermopile sensor 1a of Embodiment 1.
  • FIG. Thermopile-type sensor 1 a includes p-type portion 11 and n-type portion 12 .
  • P-type site 11 includes p-type material.
  • the p-type portion 11 has a first phononic crystal 11c in which a plurality of holes 10h are arranged in plan view.
  • N-type portion 12 includes an n-type material.
  • the n-type portion 12 has a second phononic crystal 12c in which a plurality of holes 10h are arranged in plan view.
  • the p-type portion 11 and the n-type portion 12 form a thermocouple 10 in the thermopile sensor 1a.
  • thermopile sensor 1a satisfies at least one condition selected from the group consisting of (I) and (II) below.
  • the interface scattering frequency of phonons in the first phononic crystal 11c is different from the interface scattering frequency of phonons in the second phononic crystal 12c.
  • the ratio R1 is different from the ratio R2.
  • the ratio R1 is the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes 10h to the area of the first phononic crystal 11c in plan view of the first phononic crystal 11c.
  • the ratio R2 is the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes 10h to the area of the second phononic crystal 12c in a plan view of the second phononic crystal 12c.
  • phonons In insulators and semiconductors, heat is mainly carried by phonons, which are quasiparticles that quantize lattice vibrations.
  • the thermal conductivity of materials, including insulators or semiconductors is determined by the dispersion relation of phonons in the material.
  • the phonon dispersion relation can include the frequency-wavenumber relation or the band structure.
  • the frequency band of phonons that carry heat in insulators and semiconductors spans a wide range from 100 GHz to 10 THz.
  • the thermal conductivity of materials, including insulators and semiconductors is determined by the behavior of phonons belonging to that frequency band. Phonons have a finite mean free path at each frequency determined by scattering between phonons and scattering by impurities.
  • the mean free path corresponds to the distance a phonon can travel without being disturbed by scattering. Phonons have a wide range of mean free paths, from a few Angstroms to several microns, depending on frequency. In materials with high thermal conductivity, phonons with long mean free paths mainly transport heat, and in materials with low thermal conductivity, phonons with short mean free paths predominantly transport heat.
  • the interface scattering frequency of phonons can be adjusted by the structure in which a plurality of holes are arranged, and the effective mean free path of phonons can be adjusted.
  • the higher the interface scattering frequency of phonons the lower the thermal conductivity of the structure.
  • the effective thermal conductance of the phononic crystal can be adjusted by adjusting (ii) below.
  • the thermal conductivity of the p-type material contained in the p-type portion 11 and the thermal conductivity of the n-type material contained in the n-type portion 12 are different from each other.
  • the interface scattering frequency of phonons in the first phononic crystal 11c is different from the interface scattering frequency of phonons in the second phononic crystal 12c.
  • the ratio R1 is different from the ratio R2.
  • thermal conductivity means a value at 25°C, for example.
  • the thermopile sensor 1a includes a substrate 20 and a sensor layer 15.
  • Sensor layer 15 includes thermocouple 10 .
  • the sensor layer 15 has a connecting portion 15c, a beam 15b, and a sensing portion 15d.
  • the connecting portion 15 c connects the sensor layer 15 to the substrate 20 .
  • the connecting portion 15c is in contact with the substrate 20.
  • the beam 15b is connected to the sensing portion 15d and supports the sensing portion 15d while being separated from the substrate 20 .
  • the sensing portion 15d and the beam 15b include thermocouples 10.
  • the p-type site 11 has, for example, a positive Seebeck coefficient.
  • the n-type site 12 has a negative Seebeck coefficient.
  • thermopile sensor 1a is configured as, for example, an infrared sensor, and the sensing section 15d includes, for example, an infrared light receiving section 15e.
  • the thermopile sensor 1a further includes a signal processing circuit 30, wiring 31, and electrode pads 33, for example.
  • a signal processing circuit 30, wiring 31, and electrode pads 33 for example.
  • the temperature of the infrared ray receiving portion 15e rises.
  • the temperature of the infrared light receiving section 15e increases as the thermal insulation between the substrate 20, which is a heat bath, and the members on the substrate 20 and the infrared light receiving section 15e increases.
  • An electromotive force due to the Seebeck effect is generated in the thermocouple 10 as the temperature of the infrared light receiving portion 15e rises.
  • thermopile type sensor 1a detects infrared rays.
  • thermopile sensor 1a depending on the signal processing in the signal processing circuit 30, it is possible to measure the intensity of infrared rays and/or measure the temperature of an object.
  • An electrical signal processed by the signal processing circuit 30 can be read out by the electrode pad 33 .
  • the substrate 20 has recesses 25 .
  • Recess 25 is open on one main surface of substrate 20 .
  • the sensing portion 15d and the beam 15b overlap the recess 25 in plan view of the thermopile sensor 1a.
  • the sensing part 15 d and the beam 15 b are suspended over the recess 25 .
  • the substrate 20 is typically made of a semiconductor.
  • the semiconductor is Si, for example.
  • the substrate 20 may be made of a semiconductor other than Si or a material other than a semiconductor.
  • the material forming the wiring 31 is not limited to a specific material.
  • the wiring 31 is made of, for example, an impurity semiconductor, metal, or metal compound.
  • Metals and metal compounds can be materials used in common semiconductor processes, such as Al, Cu, TiN, and TaN, for example.
  • the signal processing circuit 30 has a known configuration capable of processing electrical signals including, for example, transistor elements.
  • the sensor layer 15 may have a single layer structure or a multilayer structure. As shown in FIG. 1B, sensor layer 15 is a single layer with thermocouple 10 facing substrate 20 .
  • the material composing the sensor layer 15 may be a semiconductor material in which carriers responsible for electrical conduction can be adjusted to either holes or electrons by doping. Examples of such semiconductor materials are Si, SiGe, SiC, GaAs, InAs, InSb, InP, GaN, ZnO and BiTe.
  • the semiconductor base material in the thermocouple 10 is not limited to these examples.
  • the semiconductor base material in the thermocouple 10 may be a single crystal material, a polycrystalline material, or an amorphous material. In single-crystal materials, the atomic arrangement is well-ordered over long distances.
  • Thermocouple 10 includes a thin film having a thickness of, for example, between 10 nm and 500 nm.
  • the hot junction 13 is made of, for example, a metal film or a metal compound film.
  • the metal film or metal compound film forming the hot junction 13 is not limited to a specific film, and may be, for example, a metal or metal compound film generally used in semiconductor processes such as TiN, TaN, Al, Ti, and Cu. Possible.
  • the beam 15b and the sensing portion 15d of the sensor layer 15 may be composed of the p-type portion 11 and the n-type portion 12, or may include non-doped portions that are not doped with impurities.
  • the hot junction 13 may function as an infrared absorption layer.
  • the sheet resistance of the hot junction 13 can be matched with the vacuum impedance by adjusting the thickness of the hot junction 13 to about 10 nm.
  • the wiring 31 and the p-type portion 11 are electrically connected by, for example, a connecting portion 15c.
  • the wiring 31 and the n-type portion 12 are electrically connected by, for example, a connecting portion 15c.
  • the wiring 31 electrically connects the p-type portion 11 and the signal processing circuit 30
  • the wiring 31 electrically connects the n-type portion 12 and the signal processing circuit 30 .
  • the interface scattering frequency of phonons is higher in the first phononic crystal 11c of the p-type portion 11 than in other portions, and the first phononic crystal 11c has a thermal conductivity lower than that of the p-type material contained in the p-type portion 11. have a rate.
  • the second phononic crystal 12c of the n-type portion 12 has a higher interface scattering frequency of phonons than other portions, and the second phononic crystal 12c has a lower thermal conductivity than the n-type material contained in the n-type portion 12. have a rate.
  • the shapes of the holes 10h of the first phononic crystal 11c and the holes 10h of the second phononic crystal 12c are not limited to specific shapes.
  • the shape of the hole 10h may be circular, or may be polygonal such as triangular and quadrangular.
  • the hole 10h may be a through hole penetrating the sensor layer 15, or may be a non-through hole.
  • thermal conductivity of p-type portion 11 or n-type portion 12 tends to be lower.
  • the beam 15b tends to have high strength.
  • the arrangement of the plurality of holes 10h has periodicity.
  • the plurality of holes 10h are regularly arranged in the plan view of each of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c.
  • the period of the plurality of holes 10h is, for example, 1 nm to 5 ⁇ m. Since the wavelength of the phonons that carry heat mainly ranges from 1 nm to 5 ⁇ m, the period of 1 nm to 5 ⁇ m in the plurality of holes 10h increases the thermal conductivity of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c. It is advantageous to reduce
  • Figures 2A, 2B, 2C, and 2D show examples of a unit cell 10k of a phononic crystal.
  • the unit cells of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c are not limited to specific unit cells.
  • the unit cell 10k may be a square grid.
  • the unit cell 10k may be a triangular grid.
  • the unit cell 10k may be a rectangular grid.
  • the unit cell 10k may be a face-centered rectangular grid.
  • Each of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c may include multiple unit cells of different types.
  • FIG. 2E shows an example of a phononic crystal. As shown in FIG. 2E, in the first phononic crystal 11c or the second phononic crystal 12c, for example, arrangement patterns of holes 10h having two different types of unit cells 10k may be mixed.
  • each of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c is formed, for example, on the beam 15b.
  • thermal insulation between the substrate 20 and the sensing portion 15d can be enhanced, and the thermopile sensor 1a tends to have high sensitivity.
  • Each of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c is, for example, a single crystal.
  • Each of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c may be polycrystalline.
  • each of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c has a plurality of domains, and the phononic crystal in each domain is a single crystal.
  • a phononic crystal in a polycrystalline state is a composite of multiple phononic single crystals.
  • a plurality of holes 10h are regularly arranged in different directions. The orientation of the unit cell is the same in each domain.
  • each domain may be the same or different in the plan view of each of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c.
  • the size of each domain may be the same or different.
  • each domain in plan view is not limited to a specific shape.
  • the shape of each domain in plan view is, for example, polygons including triangles, squares, and rectangles, circles, ellipses, and composite shapes thereof.
  • the shape of each domain in plan view may be irregular.
  • the number of domains included in the first phononic crystal 11c or the second phononic crystal 12c is not limited to a specific value.
  • the thermal conductivity of the p-type material included in the p-type portion 11 is different from the thermal conductivity of the n-type material included in the n-type portion 12 .
  • one of the thermal conductivities of the p-type and n-type materials is higher than the other of the p-type and n-type materials.
  • the interface scattering frequency of phonons in the phononic crystal of one of the p-type site 11 and the n-type site 12 containing the material with the higher thermal conductivity is higher than the scattering frequency.
  • the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes 10h to the area of the phononic crystal in plan view of one of the p-type portion 11 and the n-type portion 12 is greater than that of the other of the p-type portion 11 and the n-type portion 12.
  • thermopile sensor 1a is, for example, selected from the group consisting of (Ia) and (IIa) below. meet at least one condition Under these conditions, the arrangement of the plurality of holes 10h in the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c is not limited to any specific mode.
  • the interface scattering frequency of phonons in the first phononic crystal 11c is higher than the interface scattering frequency of phonons in the second phononic crystal 12c.
  • the ratio R1 is greater than the ratio R2.
  • the interface scattering frequency of phonons in the phononic crystal can be adjusted.
  • the thermal conductivity of the p-type material of the p-type portion 11 is higher than the thermal conductivity of the n-type material of the n-type portion 12, for example, selected from the group consisting of (ia), (iia), and (iiia) below at least one of the (ia)
  • the shortest distance between the nearest holes 10h in plan view of the first phononic crystal 11c is shorter than the shortest distance between the nearest holes 10h in plan view of the second phononic crystal 12c.
  • the specific surface area SV1 of the first phononic crystal 11c is larger than the specific surface area SV2 of the second phononic crystal 12c.
  • the specific surface area SV1 is determined by dividing the surface area of the first phononic crystal 11c by the volume of the first phononic crystal 11c.
  • the specific surface area SV2 is determined by dividing the surface area of the second phononic crystal 12c by the volume of the second phononic crystal 12c.
  • thermopile sensor 1a is, for example, selected from the group consisting of (Ib) and (IIb) below. meet at least one condition Under these conditions, the arrangement of the plurality of holes 10h in the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c is not limited to any specific mode.
  • the interface scattering frequency of phonons in the second phononic crystal 12c is higher than the interface scattering frequency of phonons in the first phononic crystal 11c.
  • the ratio R2 is greater than the ratio R1.
  • the thermal conductivity of the n-type material of the n-type portion 12 is higher than the thermal conductivity of the p-type material of the p-type portion 11, for example, selected from the group consisting of (ib), (iib), and (iiib) below satisfy at least one (ib)
  • the shortest distance between the nearest holes 10h in plan view of the second phononic crystal 12c is shorter than the shortest distance between the nearest holes 10h in plan view of the first phononic crystal 11c.
  • the ratio R2 is greater than the ratio R1;
  • the specific surface area SV2 of the second phononic crystal 12c is larger than the specific surface area SV1 of the first phononic crystal 11c.
  • the shortest distance between the nearest holes 10h differs depending on the location.
  • the shortest distance between each hole 10h and the nearest hole 10h is determined. Then, by dividing the sum of the shortest distances for the plurality of holes 10h by the number of the plurality of holes 10h, the shortest distance between the nearest holes 10h in plan view of the first phononic crystal 11c or the second phononic crystal 12c is may decide.
  • FIGS. 2F, 2G, 2H, 2I, 2J, 2K, 2L, 2M, 2N, and 2O respectively show the phononic crystals forming the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c.
  • FIGS. 2F, 2G, 2H, 2I, 2J, 2K, 2L, 2M, 2N, and 2O respectively show the phononic crystals forming the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c.
  • One of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c is, for example, the phononic crystal 10a shown in FIG. 2F. Additionally, the other of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c is, for example, the phononic crystal 10b shown in FIG. 2G.
  • the diameter of each hole 10h is d1, and the shortest distance between the closest holes 10h is c1.
  • the diameter of each hole 10h is d2, and the shortest distance between the closest holes 10h is c2.
  • the values obtained by dividing the diameter of each hole 10h by the period of the arrangement of the plurality of holes 10h are equal in the phononic crystal 10a and the phononic crystal 10b. Therefore, in the phononic crystal 10a and the phononic crystal 10b, the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes to the area of the phononic crystal in plan view is the same.
  • the interface scattering frequency of phonons in the phononic crystal 10a is higher than the interface scattering frequency of phonons in the phononic crystal 10b.
  • the shortest distance between the closest holes in a phononic crystal can be adjusted, for example, by the period of regular arrangement of multiple holes.
  • the base material of the phononic crystal is Si
  • the ratio of the sum of the area of the plurality of holes to the area of the phononic crystal in plan view is 50%
  • the plurality of holes are regularly arranged at a period of 100 nm or less.
  • the base material of the phononic crystal is Si
  • the ratio of the sum of the area of the plurality of holes to the area of the phononic crystal in plan view is 50%
  • the plurality of holes are regularly arranged at a period of 50 nm or less.
  • the difference between the thermal conductivity of the phononic crystal in the p-type portion and the thermal conductivity of the phononic crystal in the n-type portion can be sufficiently reduced, and the risk of breaking members such as thermocouples in the thermopile sensor can be reduced.
  • the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes to the area of the phononic crystal in plan view increases, a slight change in the period of the arrangement of the plurality of holes can greatly change the thermal conductivity of the phononic crystal.
  • One of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c may be the phononic crystal 10c shown in FIG. 2H. Additionally, the other of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c may be the phononic crystal 10d shown in FIG. 2I.
  • the diameter of each hole 10h is d3, and the shortest distance between the closest holes 10h is c3.
  • the diameter of each hole 10h is d4, and the shortest distance between the closest holes 10h is c4.
  • the phononic crystal 10c and the phononic crystal 10d have the same arrangement period of the plurality of holes 10h.
  • the phononic crystals 10c and 10d satisfy the relationships d3>d4 and c3 ⁇ c4.
  • the shortest distance between the closest holes 10h, the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes 10h to the area of the phononic crystal in plan view, and the sum of the perimeters of the plurality of holes 10h in plan view of the phononic crystal are defined as the first phononic crystal.
  • the base material of the phononic crystal is Si
  • the plurality of holes are regularly arranged with a period of 300 nm
  • the ratio of the sum of the area of the plurality of holes to the area of the phononic crystal in plan view exceeds 19%.
  • the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes to the area of the phononic crystal of the p-type site in plan view and the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes to the area of the phononic crystal of the p-type site in plan view It is conceivable to adjust the difference between the values to about 2%. In this case, the difference between the thermal conductivity of the p-type portion and the thermal conductivity of the n-type portion can be sufficiently reduced, and the risk of breaking members such as thermocouples in the thermopile sensor can be reduced.
  • One of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c may be the phononic crystal 10e shown in FIG. 2J. Additionally, the other of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c may be the phononic crystal 10f shown in FIG. 2K.
  • the diameter of each hole 10h is d5, and the shortest distance between the closest holes 10h is c5.
  • the diameter of each hole 10h is d5, and the shortest distance between the closest holes 10h is c6.
  • the diameters of the holes 10h are equal in plan view of the phononic crystal 10e and the phononic crystal 10f. On the other hand, the relationship c5 ⁇ c6 is satisfied.
  • the shortest distance between the closest holes 10h, the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes 10h to the area of the phononic crystal in plan view, and the sum of the perimeters of the plurality of holes 10h in plan view of the phononic crystal are defined as the first phononic crystal.
  • One of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c may have the phononic crystal 10g shown in FIG. 2L.
  • the other of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c may have the phononic crystal 10m shown in FIG. 2M.
  • the diameter of each hole 10h is d7, and the shortest distance between the nearest holes 10h is c7.
  • the unit lattice of the arrangement of the plurality of holes 10h in the plan view of the phononic crystal 10g is a triangular lattice
  • the unit lattice of the arrangement of the plurality of holes 10h in the plan view of the phononic crystal 10m is a square lattice.
  • the packing factor of the triangular lattice is higher than that of the square lattice.
  • the interface scattering frequency of phonons in the phononic crystal 10g is higher than the interface scattering frequency of phonons in the phononic crystal 10m.
  • One of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c may have the phononic crystal 10i shown in FIG. 2N. Additionally, the other of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c may have a phononic crystal 10j shown in FIG. 2O.
  • Each of the phononic crystals 10i and 10j has a plurality of types of arrangement patterns regarding the arrangement of the plurality of holes 10h.
  • the phononic crystal 10i has an arrangement pattern of a plurality of holes 10h in which the diameter of each hole 10h is d8 and the shortest distance between the closest holes 10h is c8 in plan view.
  • the phononic crystal 10i has an arrangement pattern of a plurality of holes 10h in which the diameter of each hole 10h is d9 and the shortest distance between the closest holes 10h is c9 in plan view.
  • the phononic crystal 10j has an arrangement pattern of a plurality of holes 10h in which the diameter of each hole 10h is d8 and the shortest distance between the closest holes 10h is c8 in plan view.
  • the phononic crystal 10i has an arrangement pattern of a plurality of holes 10h in which the diameter of each hole 10h is d10 and the shortest distance between the closest holes 10h is c10 in plan view.
  • the relationship d9>d10 is satisfied.
  • the interface scattering frequency of phonons in the phononic crystal 10i is higher than the interface scattering frequency of phonons in the phononic crystal 10j.
  • the difference between the thermal conductivity of the first phononic crystal 11c and the thermal conductivity of the second phononic crystal 12c is not limited to a specific value.
  • the difference is, for example, 10% or less of the lower thermal conductivity of the thermal conductivity of the first phononic crystal 11c and the thermal conductivity of the second phononic crystal 12c.
  • the difference between the thermal conductivity of the first phononic crystal 11c and the thermal conductivity of the second phononic crystal 12c may be 10% or more of the lower thermal conductivity.
  • the difference between the thermal conductivity of the first phononic crystal 11c and the thermal conductivity of the second phononic crystal 12c is smaller than the difference between the p-type material contained in the p-type portion 11 and the n-type material contained in the n-type portion 12. is understood to be effective.
  • the difference between the thermal conductivity of the first phononic crystal 11c and the thermal conductivity of the second phononic crystal 12c is, for example, 5 W/(mK) or less, and may be 1 W/(mK) or less, It may be 0.5 W/(m ⁇ K) or less.
  • thermopile sensor 1a can be modified from various points of view.
  • FIGS. 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, and 3F shows a modification of the thermopile sensor 1a.
  • These modifications are configured in the same manner as the thermopile sensor 1a, except for the parts that are specifically described.
  • Components of each modification that are the same as or correspond to the components of the thermopile sensor 1a are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
  • the explanation regarding the thermopile type sensor 1a also applies to these modifications as long as there is no technical contradiction.
  • the thermopile sensor 1b includes an infrared reflective layer 40, for example.
  • the infrared reflecting layer 40 is arranged on the bottom surface of the recess 25 .
  • the thermopile sensor 1b tends to have higher sensitivity to infrared rays.
  • the material forming the infrared reflective layer 40 is not limited to a specific material.
  • the material may be a metal such as Al, Cu, W, and Ti, a metal compound such as TiN and TaN, or highly conductive Si.
  • the thermopile sensor 1c includes an infrared absorption layer 14, for example.
  • the infrared absorbing layer 14 is arranged, for example, on the hot junction 13 .
  • the thermopile sensor 1c tends to have higher sensitivity to infrared rays.
  • Infrared absorption layer 14 is not limited to a specific configuration.
  • the infrared absorption layer 14 may be a film of materials such as TaN, Cr, and Ti, a porous metal film, or a dielectric film such as SiO 2 .
  • thermopile sensor 1d the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c are also formed in the sensing portion 15d in addition to the beam 15b. In this case, thermal insulation between the substrate 20 and the sensing portion 15d can be further enhanced.
  • thermopile sensors 1e and 1f are equipped with a plurality of thermocouples 10.
  • thermocouples 10 are arranged in parallel in the thermopile sensor 1e. In this case, even if one of the plurality of thermocouples 10 fails, sensing can be performed using the other thermocouples 10 .
  • thermopile-type sensor 1 f has a cold junction 16 .
  • the cold junction 16 is connected to the connection portion 15c and electrically connects the thermocouples 10 .
  • Cold junction 16 includes, for example, a metal film.
  • the p-type portion 11 and the n-type portion 12 are formed on the same beam 15b. Therefore, the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c are formed on the same beam 15b.
  • thermopile sensor 1g includes an insulating film 18. As a result, it is possible to form a multi-stage wiring layer and efficiently transmit the electromotive force generated by the thermocouple 10 to the signal processing circuit 30 .
  • thermopile sensor 1a An example of a method for manufacturing the thermopile sensor 1a will be described.
  • the manufacturing method of the thermopile type sensor 1a is not limited to the following method.
  • a concave portion 25 having a depth of about 1 ⁇ m is formed on one main surface of the substrate 20 by photolithography and etching.
  • the substrate 20 is, for example, a Si substrate.
  • a sacrificial layer 51 containing a material such as SiO 2 that is different from the material of the substrate 20 is formed so as to cover the recess 25 .
  • the sacrificial layer 52 outside the recess 25 is removed by a method such as Chemical Mechanical Polishing (CMP).
  • CMP Chemical Mechanical Polishing
  • FIG. 4D a signal processing circuit 30 including transistor elements is formed in the region of the substrate 20 from which the sacrificial layer 52 has been removed.
  • a sensor layer 15 containing a semiconductor such as polycrystalline Si is formed by a method such as Chemical Vapor Deposition (CVD), and predetermined regions of the sensor layer 15 are doped to form p-type sites 11 and n-type regions.
  • a mold section 12 is formed. Doping is performed, for example, using a method such as ion implantation.
  • phononic crystals are formed in each of the p-type portion 11 and the n-type portion 12 of the sensor layer 15 .
  • lithographic techniques are used to form the phononic crystal, depending on the shape of the holes. For example, photolithography is used to form phononic crystals with a period of 300 nm or more. Electron beam lithography is used to form phononic crystals with periods of 100 nm to 300 nm. Block copolymer lithography is used to form phononic crystals with periods from 1 nm to 100 nm. The method of forming micropores of phononic crystals is not limited to these methods. Phononic crystals may also be formed using other lithography, such as nanoimprint lithography. Either lithography can be used to form phononic crystals in any region of sensor layer 15 .
  • a phononic crystal including a plurality of unit cells 10k as shown in FIGS. 2E, 2N, and 2O can be formed by previously creating drawing patterns corresponding to the plurality of unit cells by photolithography or electron beam lithography.
  • a phononic crystal containing multiple unit cells may be formed by combining multiple types of lithography. For example, a unit cell with a small period is formed in a desired region by block copolymer lithography or electron beam lithography. After that, a unit grating with a large period is formed in the same region by photolithography.
  • a photomask designed with a plurality of holes having different diameters, different periods, or different unit cells prepare a photomask designed with a plurality of holes having different diameters, different periods, or different unit cells.
  • the pattern on the photomask for forming the first phononic crystal 11c may be formed on the same photomask as the photomask for forming the second phononic crystal 12c, or may be formed on a different photomask. good.
  • the pattern of the first phononic crystals 11c and the second phononic crystals 12c drawn on the photomask is transferred to the resist film coated on the sensor layer 15 by the process of exposure and development.
  • a drawing pattern of a plurality of holes having different diameters, different periods, or different unit lattices is input to the electron beam irradiation device.
  • the electron beam is scanned according to the input data and the sensor layer 15 is irradiated with the electron beam.
  • the patterns of the first phononic crystal 11c and the second phononic crystal 12c are directly drawn on the resist film applied on the sensor layer 15.
  • the sensor layer 15 is etched from the upper surface of the resist film to which this pattern has been transferred.
  • block copolymers with different compositions are used in forming the first phononic crystal 11c and forming the second phononic crystal 12c.
  • the period and arrangement pattern of the self-assembled structure in the block copolymer vary depending on the type of block copolymer or the composition ratio of each polymer in the block copolymer.
  • the use of two block copolymers with different compositions can form two types of phononic crystals with different diameters, periods, or unit cells.
  • a first block copolymer is used to form a first phononic crystal 11c by block copolymer lithography.
  • the second block copolymer is then used to form the second phononic crystal 12c by block copolymer lithography. Note that known process conditions can be applied to block copolymer lithography.
  • the sensing part 15d and the beam 15b are formed in the sensor layer 15 by photolithography and etching. At this time, contact holes 52 are also formed.
  • a film containing a material such as TiN, TaN, Al, Cr, Ti, or Cu is formed on the sensor layer 15 . By etching this film, the hot junction 13, the wiring 31, and the electrode pad 33 are formed.
  • the material for the hot junction 13 and the material for the wiring 31 may be different.
  • the thickness of the film for the wiring 31 may be greater than the thickness of the film for the hot junction 13 .
  • the material for the wiring 31 may be metals with low electrical resistivity such as Al and Cu. In this case, the thickness of the wiring 31 is, for example, 100 nm to 500 nm.
  • a thermocouple 10 is composed of the p-type portion 11 , the n-type portion 12 , the hot junction 13 and the wiring 31 formed in the sensor layer 15 .
  • the recesses 25 appear in the substrate 20 by removing the sacrificial layer 51 by selective etching.
  • the beams 15 b and sensing portions 15 d of the sensor layer 15 are suspended away from the substrate 20 .
  • a part of the substrate 20 may be removed by anisotropic etching, and the sensing part 15d may be suspended in a state separated from the substrate 20.
  • FIG. In this case, the step of forming the concave portion 25 in the substrate 20 can be omitted.
  • the insulating film 18 is formed on the outermost layer in the state shown in FIG. 4G.
  • the beams 15b and the sensing portions 15d of the sensor layer 15 can be exposed by removing the regions of the insulating film 18 overlapping the beams 15b and the sensing portions 15d of the sensor layer 15 by photolithography and etching.
  • thermopile sensor 1h of Embodiment 2.
  • FIG. The thermopile type sensor 1h is constructed in the same manner as the thermopile type sensor 1a except for the parts that are particularly described. Components of the thermopile sensor 1h that are the same as or correspond to those of the thermopile sensor 1a are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The explanation regarding the thermopile type sensor 1a also applies to the thermopile type sensor 1h unless there is a technical contradiction.
  • the sensor layer 15 of the thermopile sensor 1h has a support layer 15s.
  • Thermocouple 10 is arranged on support layer 15s.
  • Sensor layer 15 includes, for example, thermocouple layer 15t including p-type portion 11 and n-type portion 12 .
  • the thermocouple layer 15t is arranged on the support layer 15s.
  • the supporting layer 15s tends to increase the strength of the structure in which the beam 15b and the sensing section 15d are suspended.
  • stress generated in the thermocouple 10 can be adjusted by the support layer 15s.
  • the thickness of the support layer 15s is not limited to a specific value. Its thickness is, for example, 10 nm or more and 500 nm or less.
  • the material forming the support layer 15s may be the same as or different from the material forming the thermocouple layer 15t.
  • a material forming the support layer 15s is not limited to a specific material.
  • the material may be a semiconductor material such as Si, SiGe, SiC, GaAs, InAs, InSb, InP, GaN, and ZnO, or an insulator material such as SiO2 , SiN, Al2O3 . good too.
  • the material forming the support layer 15s may be a single crystal material, a polycrystalline material, or an amorphous material.
  • the base material of the p-type portion 11 and the base material of the n-type portion 12 may be the same material or different materials.
  • the base material of the p-type portion 11 may be Si
  • the base material of the n-type portion 12 may be SrTiO 3 .
  • Other examples of base materials for p-type portion 11 and n-type portion 12 are BiTe, Bi, Sb, constantan, chromel, and alumel. Chromel is a registered trademark of Conceptec.
  • the base material of the thermocouple layer 15t may be another material.
  • thermopile sensor 1h a plurality of holes may be formed in the support layer 15s.
  • a plurality of holes may be formed in the support layer 15s so as to form phononic crystals.
  • the multiple holes in the support layer 15s may be formed corresponding to the multiple holes 10h in the first phononic crystal 11c or the second phononic crystal 12c.
  • the plurality of holes in the support layer 15s may be formed in an arrangement pattern different from the arrangement pattern of the plurality of holes 10h.
  • the absolute value of the thermal conductance Gb of the beam 15b is the thermal conductance of the thermocouple layer 15t. It becomes a value close to the absolute value of Gt. In this case, the thermal conductance of the support layer 15s does not significantly affect the thermal conductance of the beam 15b.
  • thermocouple layer 15t For example, consider a case where a semiconductor or semimetal such as Si, SrTiO 3 and Bi is used for the thermocouple layer 15t, and an amorphous insulator such as SiO 2 or SiN is used for the support layer 15s.
  • the thermal conductivity of the base material of the thermocouple layer 15t can be five times or more the thermal conductivity of the base material of the support layer 15s.
  • the thermal conductance Gt of the thermocouple layer 15t becomes dominant over the thermal conductance Gb of the beam 15b.
  • each hole may be a through hole or a non-through hole.
  • FIG. 5C shows a modification of the thermopile sensor 1h.
  • the support layer 15s has a plurality of support layers.
  • the support layer 15s has, for example, a first support layer 15sa and a second support layer 15sb.
  • the first support layer 15sa is arranged between the second support layer 15sb and the thermocouple layer 15t in the thickness direction of the first support layer 15sa.
  • thermopile sensor 1h An example of a manufacturing method for the thermopile sensor 1h is shown.
  • the manufacturing method of the thermopile type sensor 1h is not limited to the following method.
  • the thermopile sensor 1h can be manufactured by applying the manufacturing method of the first embodiment, for example.
  • the concave portion 25 formed in the substrate 20, which is a Si substrate is filled with a sacrificial layer 51 made of a dielectric such as SiO 2 , and the signal processing circuit 30 is formed.
  • a supporting layer 15 s is formed on the substrate 20 with the sacrificial layer 51 formed thereon, using a material such as SiN which is different from the material forming the sacrificial layer 51 .
  • a thermocouple layer 15t containing a semiconductor such as Si is formed on the support layer 15s.
  • a p-type portion 11 and an n-type portion 12 are formed in the thermocouple layer 15t by doping. Doping can be done by methods such as ion implantation.
  • thermocouple layer 15t phononic crystals having different interfacial scattering frequencies of phonons are formed in the p-type portion 11 and the n-type portion 12 of the thermocouple layer 15t by the same method as in Embodiment 1.
  • lithography is performed on thermocouple layer 15t.
  • the etching time for etching the thermocouple layer 15t may be adjusted to form phononic crystals similar to the thermocouple layer 15t in the supporting layer 15s.
  • thermocouple layer 15t is adjusted to match the shapes of the p-type portion 11 and the n-type portion 12 by photolithography and etching.
  • the support layer 15s is formed by photolithography and etching to match the shapes of the sensing portion 15d and the beams 15b.
  • contact holes 52 are formed in the etching of the thermocouple layer 15t and the support layer 15s.
  • a film containing a material such as TiN, TaN, Al, Cr, Ti, or Cu is formed on the sensor layer 15 . By etching this film, the hot junction 13, the wiring 31, and the electrode pad 33 are formed as shown in FIG. 6D.
  • the recesses 25 appear in the substrate 20 by removing the sacrificial layer 51 by selective etching.
  • the beams 15 b and sensing portions 15 d of the sensor layer 15 are suspended away from the substrate 20 .
  • a part of the substrate 20 may be removed by anisotropic etching, and the sensing part 15d may be suspended in a state separated from the substrate 20.
  • FIG. In this case, the step of forming the concave portion 25 in the substrate 20 can be omitted.
  • thermopile-type sensor 1j is configured in the same manner as the thermopile-type sensor 1a, except for parts that are particularly described. Components of the thermopile sensor 1j that are the same as or correspond to those of the thermopile sensor 1a are denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted. The explanation regarding the thermopile type sensor 1a also applies to the thermopile type sensor 1j unless there is a technical contradiction.
  • the sensor layer 15 has a protective layer 15p covering the p-type portion 11 and the n-type portion 12.
  • FIG. Sensor layer 15 includes, for example, thermocouple layer 15t including p-type portion 11 and n-type portion 12 .
  • a contact hole is formed in the center of the protective layer 15p, and the hot junction 13 is formed inside the contact hole and around the contact hole on the main surface of the protective layer 15p.
  • the protective layer 15p tends to increase the strength of the structure in which the beam 15b and the sensing section 15d are suspended.
  • the stress generated in the thermocouple 10 can be adjusted by the protective layer 15p.
  • the protective layer 15p can protect the thermocouple 10 from oxidizing environments and chemicals.
  • the thickness of protective layer 15p is not limited to a specific value. Its thickness is, for example, 10 nm or more and 500 nm or less.
  • the material forming the protective layer 15p may be the same as or different from the material forming the thermocouple layer 15t.
  • a material forming the protective layer 15p is not limited to a specific material.
  • the material can be a semiconductor material such as Si, SiGe, SiC, GaAs, InAs, InSb, InP, GaN, and ZnO, or an insulator material such as SiO2 , SiN, and Al2O3 .
  • the material forming the protective layer 15p may be a single crystal material, a polycrystalline material, or an amorphous material.
  • the base material of the p-type portion 11 and the base material of the n-type portion 12 may be the same material or different materials.
  • the base material of the p-type portion 11 may be Si
  • the base material of the n-type portion 12 may be SrTiO 3 .
  • Other examples of base materials for p-type portion 11 and n-type portion 12 are BiTe, Bi, Sb, constantan, chromel, and alumel. Chromel is a registered trademark of Conceptec.
  • the base material of the thermocouple layer 15t may be another material.
  • thermopile sensor 1j a plurality of holes may be formed in the protective layer 15p.
  • a plurality of holes may be formed in protective layer 15p so as to form a phononic crystal.
  • the plurality of holes in the protective layer 15p may be formed corresponding to the plurality of holes 10h in the first phononic crystal 11c or the second phononic crystal 12c, or may be formed in an arrangement pattern different from the arrangement pattern of the plurality of holes 10h. may be formed.
  • the absolute value of the thermal conductance Gb of the beam 15b is the thermal conductance of the thermocouple layer 15t. It becomes a value close to the absolute value of Gt. In this case, the thermal conductance of protective layer 15p does not significantly affect the thermal conductance of beam 15b.
  • thermocouple layer 15t For example, consider a case where a semiconductor or semimetal such as Si, SrTiO 3 and Bi is used for the thermocouple layer 15t, and an amorphous insulator such as SiO 2 or SiN is used for the protective layer 15p.
  • the thermal conductivity of the base material of the thermocouple layer 15t can be five times or more the thermal conductivity of the base material of the protective layer 15p.
  • the thermal conductance Gt of the thermocouple layer 15t becomes dominant over the thermal conductance Gb of the beam 15b.
  • each hole may be a through hole or a non-through hole.
  • FIG. 7C and 7D show a modification of the thermopile sensor 1j.
  • the protective layer 15p has a plurality of protective layers.
  • the protective layer 15p has, for example, a first protective layer 15pa and a second protective layer 15pb.
  • the first protective layer 15pa is arranged between the second protective layer 15pb and the thermocouple layer 15t in the thickness direction of the first protective layer 15pa.
  • the hot junction 13 may be covered with a protective layer 15p. Thereby, the hot junction 13 can be protected by the protective layer 15p.
  • thermopile sensor 1j An example of a manufacturing method for the thermopile sensor 1j is shown.
  • the manufacturing method of the thermopile type sensor 1j is not limited to the following method.
  • thermopile sensor 1j can be manufactured by applying the manufacturing method of the first embodiment, for example.
  • the concave portion 25 formed in the substrate 20, which is a Si substrate is filled with a sacrificial layer 51 made of a dielectric such as SiO 2 , and the signal processing circuit 30 is formed.
  • a thermocouple layer 15t containing a semiconductor such as Si is formed on the substrate 20 on which the sacrificial layer 51 is formed.
  • a p-type portion 11 and an n-type portion 12 are formed in the thermocouple layer 15t by doping. Doping can be done by methods such as ion implantation.
  • thermocouple layer 15t phononic crystals having different interfacial scattering frequencies of phonons are formed in the p-type portion 11 and the n-type portion 12 of the thermocouple layer 15t.
  • the shape of the thermocouple layer 15t is adjusted to match the shapes of the p-type portion 11 and the n-type portion 12 by photolithography and etching. In this case, contact holes 52 are formed as shown in FIG. 8A.
  • a protective layer 15p containing a material such as SiN is formed on the thermocouple layer 15t.
  • the protective layer 15p is formed by photolithography and etching to match the shapes of the sensing portion 15d and the beams 15b.
  • contact holes 54 and 56 are formed as shown in FIG. 8C.
  • a film containing a material such as TiN, TaN, Al, Cr, Ti, or Cu is formed on the sensor layer 15 . By etching this film, hot junctions 13, wires 31, and electrode pads 33 are formed as shown in FIG. 8D.
  • the recesses 25 appear in the substrate 20 by removing the sacrificial layer 51 by selective etching.
  • the beams 15 b and sensing portions 15 d of the sensor layer 15 are suspended away from the substrate 20 .
  • a part of the substrate 20 may be removed by anisotropic etching, and the sensing part 15d may be suspended in a state separated from the substrate 20.
  • FIG. In this case, the step of forming the concave portion 25 in the substrate 20 can be omitted.
  • thermopile sensor 1m of Embodiment 4.
  • FIG. The thermopile-type sensor 1m is configured in the same manner as the thermopile-type sensor 1a, except for parts that are particularly described. Components of the thermopile sensor 1m that are the same as or correspond to those of the thermopile sensor 1a are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. The explanation regarding the thermopile type sensor 1a also applies to the thermopile type sensor 1m unless there is a technical contradiction.
  • the sensor layer 15 of the thermopile sensor 1m includes a support layer 15s and a protective layer 15p.
  • Thermocouple 10 is arranged on support layer 15s.
  • Protective layer 15 p covers p-type portion 11 and n-type portion 12 .
  • Sensor layer 15 includes, for example, thermocouple layer 15t including p-type portion 11 and n-type portion 12 .
  • the thermocouple layer 15t is arranged between the support layer 15s and the protective layer 15p in its thickness direction.
  • a contact hole is formed in the center of the protective layer 15p, and the hot junction 13 is formed inside the contact hole and around the contact hole on the main surface of the protective layer 15p.
  • thermocouple 10 With such a configuration, the strength of the structure in which the beam 15b and the sensing portion 15d are suspended is likely to be increased, and the stress generated in the thermocouple 10 can be adjusted within a more desirable range. In addition, the thermocouple 10 can be more reliably protected from oxidizing environments and chemicals.
  • thermopile sensor 1m materials forming the support layer 15s, the protective layer 15p, and the thermocouple layer 15t can be the materials described in Embodiments 2 and 3, for example.
  • thermopile sensor 1m a plurality of holes may be formed in the support layer 15s and the protective layer 15p.
  • a plurality of holes may be formed to form phononic crystals in the support layer 15s and the protective layer 15p.
  • the plurality of holes in the support layer 15s and protective layer 15p may be formed corresponding to the plurality of holes 10h in the first phononic crystal 11c or the second phononic crystal 12c.
  • a plurality of holes in the support layer 15s and the protective layer 15p may be formed in an arrangement pattern different from the arrangement pattern of the plurality of holes 10h.
  • each hole may be a through hole or a non-through hole.
  • Figures 9C and 9D show a modification of the thermopile sensor 1m.
  • the support layer 15s has a plurality of support layers.
  • protective layer 15p has a plurality of protective layers.
  • the support layer 15s has, for example, a first support layer 15sa and a second support layer 15sb.
  • the first support layer 15sa is arranged between the second support layer 15sb and the thermocouple layer 15t in the thickness direction of the first support layer 15sa.
  • the protective layer 15p has, for example, a first protective layer 15pa and a second protective layer 15pb.
  • the first protective layer 15pa is arranged between the second protective layer 15pb and the thermocouple layer 15t in the thickness direction of the first protective layer 15pa.
  • the hot junction 13 may be covered with a protective layer 15p. Thereby, the hot junction 13 can be protected by the protective layer 15p.
  • thermopile sensor 1m can be manufactured by applying the manufacturing method described in the second and third embodiments.
  • FIG. 10A shows a thermopile sensor 1p of Embodiment 5.
  • FIG. The thermopile-type sensor 1p is configured in the same manner as the thermopile-type sensor 1a, except for the parts that are particularly described. Components of the thermopile sensor 1p that are the same as or correspond to those of the thermopile sensor 1a are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. The explanation regarding the thermopile type sensor 1a also applies to the thermopile type sensor 1p unless there is a technical contradiction.
  • the substrate 20 includes a first substrate 21 and an interlayer film 22.
  • the interlayer film 22 is arranged between the first substrate 21 and the sensor layer 15 in the thickness direction of the interlayer film 22 .
  • the recess 25 is formed in the interlayer film 22 .
  • the material forming the interlayer film 20 is an insulator or semiconductor such as SiO 2 , SiN, and Si.
  • the sensor layer 15 includes a support layer 15s, a thermocouple layer 15t, and a protective layer 15p.
  • the sensor layer 15 may have a single layer structure including the thermocouple layer 15t, or may have another multilayer structure.
  • each of the thermopile sensors 1q, 1r, and 1s includes an infrared reflective layer 40.
  • FIG. In the thermopile sensor 1 q the infrared reflecting layer 40 is arranged on the bottom surface of the recess 25 .
  • the infrared reflective layer 40 is arranged on the main surface of the first substrate 21 .
  • the infrared reflecting layer 40 is formed so as to form part of the main surface of the first substrate 21 .
  • the infrared reflective layer 40 can be obtained by doping a region corresponding to the infrared reflective layer 40 on the main surface of the first substrate 21 with a dopant at a high concentration.
  • the material forming the infrared reflective layer 40 is not limited to a specific material.
  • the material may be a metal such as Al, Cu, W, and Ti, a metal compound such as TiN and TaN, or highly conductive Si.
  • thermopile sensor 1p An example of the manufacturing method of the thermopile sensor 1p is shown.
  • the thermopile sensor 1p can be manufactured, for example, by applying the manufacturing method of the thermopile sensor 1a of the first embodiment.
  • a signal processing circuit 30 including transistor elements is formed on a first substrate 21 which is a Si substrate.
  • the infrared reflective layer 40 is formed to form a part of the main surface of the first substrate 21 as in the thermopile sensor 1s, the part of the main surface of the first substrate 21 is doped with a dopant at a high concentration. and the infrared reflective layer 40 may be formed.
  • an interlayer film 22 made of a dielectric such as SiO 2 is formed on the surface of the first substrate 21 .
  • unevenness may occur on the surface of the interlayer film 22 depending on the height of the signal processing circuit 30 .
  • the unevenness may be removed by CMP to planarize the surface of the interlayer film 22 . This facilitates the formation of photoresist and block copolymer films in desired conditions in subsequent lithography.
  • recesses 25 are formed in the interlayer film 22 by photolithography and etching.
  • the main surface of the first substrate 21 may be exposed.
  • a dielectric protective film 53 is formed inside the recess 25 .
  • the dielectric protective film 53 is, for example, a dielectric film such as SiN having a thickness of about 100 nm. Thereby, the main surface of the first substrate 21 is protected.
  • thermopile sensor 1p can be manufactured.
  • the sensor arrays 2a and 2b comprise a plurality of thermopile sensors 1a arranged in a one-dimensional or two-dimensional arrangement.
  • a plurality of thermopile sensors 1a arranged in a one-dimensional array or a two-dimensional array are connected to each other by a signal processing circuit 30 and wiring 31 .
  • the plurality of thermopile-type sensors forming a one-dimensional or two-dimensional array may include any one of thermopile-type sensors 1b to 1s instead of thermopile-type sensor 1a.
  • the plurality of thermopile sensors forming a one-dimensional array or a two-dimensional array may include multiple types of sensors among the thermopile sensors 1b to 1s.
  • thermopile type sensor of this embodiment is not limited to each aspect shown in the following examples.
  • Example 1 A p-type Si film into which boron ions were implanted as impurities at a dose of 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 2 and an n-type Si film into which phosphorus ions were implanted as impurities at a dose of 4 ⁇ 10 15 cm ⁇ 2 were prepared. .
  • the thickness of the p-type Si film and the n-type Si film was 150 nm.
  • the thermal conductivity of the p-type Si film and the n-type Si film was measured according to the thermoreflectance method.
  • the thermal conductivity at 25° C. of the p-type Si film before phononic crystal formation was 28 W/(m ⁇ K).
  • the thermal conductivity at 25° C. of the n-type Si film before phononic crystal formation was 39 W/(m ⁇ K). It can be seen that the thermal conductivity of n-type Si films is about 40% higher than that of p-type Si films.
  • Phononic crystals were formed on the p-type Si film and the n-type Si film.
  • a plurality of holes were arranged in a square lattice.
  • the period P of the arrangement of the plurality of holes and the diameter D of the holes were adjusted so that the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes to the area of the phononic crystal in plan view of the phononic crystal was 50%.
  • the formation of phononic crystals increased the interfacial scattering frequency of phonons and decreased the thermal conductivity of the p-type Si film and the n-type Si film.
  • thermocouple is constructed using such a p-type Si film and an n-type Si film, it is considered that the thermal stress generated in the thermocouple is low.
  • Example 1 A p-type Si film having phononic crystals and an n-type Si film having phononic crystals were obtained in the same manner as in Example 1 except for the following points.
  • the thermal conductivity of the p-type Si film having phononic crystals is 7.6 W/(m ⁇ K)
  • the thermal conductivity of the n-type Si film having phononic crystals is 10.5 W/(m ⁇ K). K).
  • the thermal conductivity of the n-type Si film with phononic crystals was about 39% higher than that of the p-type Si film with phononic crystals.
  • Example 2 A p-type Si film having phononic crystals and an n-type Si film having phononic crystals were obtained in the same manner as in Example 1 except for the following points.
  • the thermal conductivity of the p-type Si film having phononic crystals is 1.89 W/(mK)
  • the thermal conductivity of the n-type Si film having phononic crystals is 1.91 W/(mK). K).
  • thermocouple is constructed using such a p-type Si film and an n-type Si film, it is considered that the thermal stress generated in the thermocouple is low.
  • a p-type Si film having phononic crystals and an n-type Si film having phononic crystals were obtained in the same manner as in Example 2 except for the following points.
  • a phononic crystal with a period P of 150 nm and a diameter D of 120 nm was formed on the p-type Si film and the n-type Si film.
  • the thermal conductivity of the p-type Si film with phononic crystals is 1.89 W/(mK)
  • the thermal conductivity of the n-type Si film with phononic crystals is 2.63 W/(mK). K).
  • the thermal conductivity of the n-type Si film with phononic crystals was about 39% higher than that of the p-type Si film with phononic crystals.
  • Example 1 and Comparative Example 1 the smaller the period P in the phononic crystal, the higher the interface scattering frequency of phonons in the phononic crystal. . Therefore, the smaller the period P in the phononic crystal, the more the thermal conductivity of the p-type Si film and the n-type Si film can be reduced. It is understood that the difference in thermal conductivity between the p-type site and the n-type site constituting the thermocouple can be reduced by making the phononic crystal period P different between the p-type site and the n-type site.
  • the distance between the closest holes in the phononic crystal in the p-type Si film of Example 1 was 200 nm.
  • the distance between the closest holes in the phononic crystal in the n-type Si film of Example 1 was 80 nm.
  • the distance between the closest holes in the phononic crystal in the p-type Si film of Example 2 was 30 nm.
  • the distance between the closest holes in the phononic crystal in the n-type Si film of Example 1 was 20 nm. It is understood that the difference in thermal conductivity between the p-type site and the n-type site constituting the thermocouple can be reduced by varying the distance between the nearest holes of the phononic crystal in the p-type site and the n-type site. be done.
  • Example 3 A p-type Si film into which boron ions were implanted as impurities at a dose of 4 ⁇ 10 15 cm ⁇ 2 and an n-type Si film into which phosphorus ions were implanted as impurities at a dose of 1 ⁇ 10 16 cm ⁇ 2 were prepared. .
  • the thickness of the p-type Si film and the n-type Si film was 150 nm.
  • the thermal conductivity of the p-type Si film and the n-type Si film was measured according to the thermoreflectance method.
  • the thermal conductivity at 25° C. of the p-type Si film before phononic crystal formation was 38 W/(m ⁇ K).
  • the thermal conductivity at 25° C. of the n-type Si film before phononic crystal formation was 30 W/(m ⁇ K). It can be seen that the thermal conductivity of the p-type Si film is about 27% higher than that of the n-type Si film.
  • Phononic crystals were formed on the p-type Si film and the n-type Si film.
  • a plurality of holes were arranged in a square lattice, and the period P of the arrangement of the plurality of holes in the phononic crystal was adjusted to 300 nm.
  • a phononic crystal with a period P of 300 nm and a diameter D of 180 nm was formed on the p-type Si film.
  • the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes to the area of the phononic crystal in the plan view of the phononic crystal of the p-type Si film was 28%.
  • a phononic crystal with a period P of 300 nm and a diameter D of 150 nm was formed on the n-type Si film.
  • the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes to the area of the phononic crystal in the plan view of the phononic crystal of the n-type Si film was 20%.
  • the thermal conductivity of the p-type Si film having phononic crystals is 11.5 W/(mK)
  • the thermal conductivity of the n-type Si film having phononic crystals is 12.1 W/(mK). K).
  • the thermal conductivity of n-type Si films with phononic crystals is only about 5% higher than that of p-type Si films with phononic crystals.
  • Example 3 A p-type Si film having phononic crystals and an n-type Si film having phononic crystals were obtained in the same manner as in Example 3 except for the following points.
  • the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes to the area of the phononic crystal in the plan view of the p-type Si film and the n-type Si film was 20%.
  • the thermal conductivity of the p-type Si film having phononic crystals is 15.3 W/(m ⁇ K)
  • the thermal conductivity of the n-type Si film having phononic crystals is 12.1 W/(m ⁇ K). K).
  • the thermal conductivity of the p-type Si film with phononic crystals was about 27% higher than that of the n-type Si film with phononic crystals.
  • Example 3 According to the comparison between Example 3 and Comparative Example 3, it is understood that the interface scattering frequency of phonons in the phononic crystal tends to increase as the diameter of the holes in the phononic crystal increases. Therefore, the larger the diameter of the holes in the phononic crystal, the more the thermal conductivity of the p-type Si film and the n-type Si film can be reduced. It is understood that the difference in thermal conductivity between the p-type site and the n-type site constituting the thermocouple can be reduced by making the phononic crystal hole diameter D different between the p-type site and the n-type site. The distance between the nearest holes in the phononic crystal of the p-type Si film of Example 3 was 120 nm.
  • the distance between the closest holes in the phononic crystal in the n-type Si film of Example 3 was 150 nm. It is understood that the difference in thermal conductivity between the p-type site and the n-type site constituting the thermocouple can be reduced by varying the distance between the nearest holes of the phononic crystal in the p-type site and the n-type site. be done.
  • Example 4 A p-type Si film implanted with boron ions as impurities at a dose of 4 ⁇ 10 15 cm ⁇ 2 and an n-type Bi film were prepared. The thickness of the p-type Si film and n-type Bi film was 150 nm.
  • the thermal conductivity of the p-type Si film and n-type Bi film was measured according to the thermoreflectance method.
  • the thermal conductivity at 25° C. of the p-type Si film before phononic crystal formation was 38 W/(m ⁇ K).
  • the thermal conductivity at 25° C. of the n-type Bi film before phononic crystal formation was 8 W/(m ⁇ K). It can be seen that the thermal conductivity of the p-type Si film is approximately 375% higher than that of the n-type Bi film.
  • a phononic crystal was formed on the p-type Si film and the n-type Bi film.
  • the plurality of holes are arranged in a square lattice, and the arrangement of the plurality of holes is such that the ratio of the sum of the areas of the plurality of holes to the area of the phononic crystal in plan view is 50%.
  • the period P and pore diameter D were adjusted.
  • a phononic crystal with a period P of 150 nm and a diameter D of 120 nm was formed on the p-type Si film.
  • a phononic crystal with a period P of 500 nm and a diameter D of 400 nm was formed on the n-type Bi film.
  • the thermal conductivity of the p-type Si film with phononic crystals is 2.6 W/(mK)
  • the thermal conductivity of the n-type Bi film with phononic crystals is 2.7 W/(mK). K).
  • the thermal conductivity of n-type Bi films with phononic crystals is only about 3% higher than that of p-type Si films with phononic crystals.
  • a p-type Si film having phononic crystals and an n-type Bi film having phononic crystals were obtained in the same manner as in Example 4 except for the following points.
  • a phononic crystal with a period P of 500 nm and a diameter D of 400 nm was formed on the p-type Si film and the n-type Bi film.
  • the thermal conductivity of the p-type Si film having phononic crystals is 9.0 W/(mK)
  • the thermal conductivity of the n-type Bi film having phononic crystals is 2.7 W/(mK). K).
  • the thermal conductivity of the p-type Si film with phononic crystals was about 237% higher than that of the n-type Bi film with phononic crystals.
  • the rate difference can be small.
  • the infrared sensor of the present disclosure can be used for various applications including infrared sensor applications.

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Abstract

本開示のサーモパイル型センサ（１ａ）は、ｐ型部位（１１）と、ｎ型部位１２とを備える。ｐ型部位（１１）は、平面視において複数の第１の孔（１０ｈ）が配列している第一フォノニック結晶（１１ｃ）を有する。ｎ型部位（１２）は、平面視において複数の第２の孔（１０ｈ）が配列している第二フォノニック結晶（１２ｃ）を有する。ｐ型部位（１１）及びｎ型部位（１２）は、熱電対（１０）を構成している。第一フォノニック結晶（１１ｃ）におけるフォノンの界面散乱頻度は、第二フォノニック結晶（１２ｃ）におけるフォノンの界面散乱頻度と異なる。もしくは、平面視における第一フォノニック結晶（１１ｃ）の面積に対する複数の第１の孔（１０ｈ）の面積の和の比は、平面視における第二フォノニック結晶（１２ｃ）の面積に対する複数の第２の孔（１０ｈ）の面積の和の比と異なる。

Description

サーモパイル型センサ及びセンサアレイ
　本開示は、サーモパイル型センサ及びセンサアレイに関する。
　従来、フォノニック結晶を有する材料を備えたサーモパイル型センサが知られている。
　例えば、特許文献１には、二次元フォノニック結晶を有する薄膜状の物質である梁を備えたサーモパイル方式の赤外線センサが記載されている。二次元フォノニック結晶において、面内に任意の直径からなる貫通孔が任意の周期で配列している。梁は、サーモパイルとして機能する。特許文献１によれば、フォノニック結晶を赤外線受光部の梁に導入することで、赤外線センサの感度を向上させることができる。
　加えて、特許文献２及び非特許文献１には、薄膜の熱伝導率を減少させる、複数の貫通孔により構成される周期構造が開示されている。この周期構造では、薄膜を平面視して、１ナノメートル（ｎｍ）から１０００ｎｍの領域のナノメートルオーダー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。
特開２０１７－２２３６４４号公報 米国特許出願公開第２０１５／００１５９３０号明細書
　上記の技術は、サーモパイル型センサにおける部材の破壊のリスクを低減する観点から再検討の余地を有する。
　そこで、本開示は、サーモパイル型センサにおける部材の破壊のリスクを低減する観点から有利な技術を提供する。
　本開示は、以下のサーモパイル型センサを提供する。
　サーモパイル型センサであって、
　ｐ型材料を含み、平面視において複数の第１の孔が配列している第一フォノニック結晶を有するｐ型部位と、
　ｎ型材料を含み、平面視において複数の第２の孔が配列している第二フォノニック結晶を有するｎ型部位と、を備え、
　前記ｐ型部位及び前記ｎ型部位は、熱電対を構成しており、
　下記（Ｉ）及び（II）からなる群より選択される少なくとも１つの条件を満たす。
（Ｉ）前記第一フォノニック結晶におけるフォノンの界面散乱頻度は、前記第二フォノニック結晶におけるフォノンの界面散乱頻度と異なる。
（II）前記第一フォノニック結晶の平面視における前記第一フォノニック結晶の面積に対する前記複数の第１の孔の面積の和の比は、前記第二フォノニック結晶の平面視における前記第二フォノニック結晶の面積に対する前記複数の第２の孔の面積の和の比と異なる。
　本開示のサーモパイル型センサは、部材の破壊のリスクを低減する観点から有利である。
図１Ａは、実施形態１のサーモパイル型センサを模式的に示す平面図である。 図１Ｂは、図１Ａのサーモパイル型センサのIB-IB線を切断線とする断面図である。 図２Ａは、フォノニック結晶の単位格子の一例を示す平面図である。 図２Ｂは、フォノニック結晶の単位格子の別の一例を示す平面図である。 図２Ｃは、フォノニック結晶の単位格子のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｄは、フォノニック結晶の単位格子のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｅは、フォノニック結晶の一例を示す平面図である。 図２Ｆは、フォノニック結晶の別の一例を示す平面図である。 図２Ｇは、フォノニック結晶のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｈは、フォノニック結晶のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｉは、フォノニック結晶のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｊは、フォノニック結晶のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｋは、フォノニック結晶のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｌは、フォノニック結晶のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｍは、フォノニック結晶のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｎは、フォノニック結晶のさらに別の一例を示す平面図である。 図２Ｏは、フォノニック結晶のさらに別の一例を示す平面図である。 図３Ａは、実施形態１のサーモパイル型センサの変形例を示す断面図である。 図３Ｂは、実施形態１のサーモパイル型センサの別の変形例を示す断面図である。 図３Ｃは、実施形態１のサーモパイル型センサのさらに別の変形例を示す断面図である。 図３Ｄは、実施形態１のサーモパイル型センサのさらに別の変形例を示す断面図である。 図３Ｅは、実施形態１のサーモパイル型センサのさらに別の変形例を示す断面図である。 図３Ｆは、実施形態１のサーモパイル型センサのさらに別の変形例を示す断面図である。 図４Ａは、実施形態１のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図４Ｂは、実施形態１のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図４Ｃは、実施形態１のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図４Ｄは、実施形態１のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図４Ｅは、実施形態１のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図４Ｆは、実施形態１のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図４Ｇは、実施形態１のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図４Ｈは、実施形態１のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図５Ａは、実施形態２のサーモパイル型センサを模式的に示す平面図である。 図５Ｂは、図５Ａのサーモパイル型センサのVB-VB線を切断線とする断面図である。 図５Ｃは、実施形態２のサーモパイル型センサの変形例を示す断面図である。 図６Ａは、実施形態２のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図６Ｂは、実施形態２のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図６Ｃは、実施形態２のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図６Ｄは、実施形態２のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図７Ａは、実施形態３のサーモパイル型センサを模式的に示す平面図である。 図７Ｂは、図７Ａのサーモパイル型センサのVIIB-VIIB線を切断線とする断面図である。 図７Ｃは、実施形態３のサーモパイル型センサの変形例を示す断面図である。 図７Ｄは、実施形態３のサーモパイル型センサの変形例を示す断面図である。 図８Ａは、実施形態３のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図８Ｂは、実施形態３のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図８Ｃは、実施形態３のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図８Ｄは、実施形態３のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図９Ａは、実施形態４のサーモパイル型センサを模式的に示す平面図である。 図９Ｂは、図９Ａのサーモパイル型センサのIXB-IXB線を切断線とする断面図である。 図９Ｃは、実施形態４のサーモパイル型センサの変形例を示す断面図である。 図９Ｄは、実施形態４のサーモパイル型センサの別の変形例を示す断面図である。 図１０Ａは、実施形態５のサーモパイル型センサを示す断面図である。 図１０Ｂは、実施形態５のサーモパイル型センサの変形例を示す断面図である。 図１０Ｃは、実施形態５のサーモパイル型センサの別の変形例を示す断面図である。 図１０Ｄは、実施形態５のサーモパイル型センサのさらに別の変形例を示す断面図である。 図１１Ａは、実施形態５のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図１１Ｂは、実施形態５のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図１１Ｃは、実施形態５のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図１１Ｄは、実施形態５のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図１１Ｅは、実施形態５のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図１１Ｆは、実施形態５のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図１１Ｇは、実施形態５のサーモパイル型センサの製造方法を示す断面図である。 図１２Ａは、実施形態６のセンサアレイを模式的に示す平面図である。 図１２Ｂは、実施形態６のセンサアレイを模式的に示す平面図である。
　（本開示の基礎となった知見）
　サーモパイル型センサは、ｐ型材料及びｎ型材料を含む熱電対を備える。ｐ型材料ではホールが電気伝導のキャリアとして振る舞い、ｎ型材料では電子が電気伝導のキャリアとして振る舞う。サーモパイル型センサにおける熱電対の一例として、梁によって基板上に懸架されたセンシング部に温接点を有し、かつ、基板上に冷接点を有する構造が考えられる。この構造により、熱電対の温接点を有するセンシング部が基板の熱の影響を受けにくいと考えられる。このようなサーモパイル型センサにおいて、懸架されたセンシング部に赤外線を吸収する赤外線受光部を付加すれば、サーモパイル型センサが赤外線センサとして機能しうると考えられる。加えて、このようなサーモパイル型センサにおいて、懸架されたセンシング部に特定のガスに反応する触媒層を付加すれば、サーモパイル型センサがガスセンサとして機能しうると考えられる。このようなサーモパイル型センサでは、梁の断熱性能が高いほど、赤外線検出感度及びガスの検出感度等のセンサの性能が向上しやすい。
　部材の熱伝導率を低減するために部材の多孔質化が考えられる。フォノニック結晶を有する部材は、部材の多孔質化に伴う部材の体積減少に起因する古典的な熱コンダクタンスの低減を超えた断熱性能を発揮しうる。例えば、特許文献１には、フォノニック結晶を赤外線受光部の梁に導入することで、赤外線センサの感度が向上しうることが記載されている。
　サーモパイル型センサにおいて熱電対を構成するｐ型材料及びｎ型材料が異なる熱物性を有することが想定される。例えば、Journal of Micromechanics and Microengineering 19, 125029 (2009)には、母材がポリシリコンであるｎ型材料及びp型材料において、両者の熱伝導率が大きく異なることが記載されている。サーモパイル型センサにおいて熱電対を構成するｐ型材料及びｎ型材料の熱伝導率が互いに異なる場合、センシング部で赤外線又はガスを検知してセンシング部の温度が上昇すると、熱電対の温度分布が不均一になりうる。その結果、熱電対において熱応力が発生する。熱電対が急激な温度変化を受けるとき、又は、熱電対における温度勾配が大きいときに、大きな熱応力が熱電対に発生しうる。発生した熱応力が熱電対をなす部材の降伏応力を超えると、熱電対に亀裂又は永久変形が生じる。本発明者らの検討によれば、断熱性能を高めるためにフォノニック結晶が導入されたサーモパイル型センサの部位では、赤外線及びガス等の対象を検知したときのセンシング部の温度が大きく上昇しやすい。この場合、熱応力によるサーモパイル型センサの部材の破壊のリスクが高くなりやすい。
　そこで、本発明者らは、サーモパイル型センサの部材の破壊のリスクを低減する観点から有利な技術について鋭意検討を重ねた。その結果、本発明者らは、熱電対を構成するｐ型部位及びｎ型部位におけるフォノンの界面散乱頻度が所定の関係になるようにフォノニック結晶を調整することによって熱応力を小さくできるという新たな知見を得た。加えて、熱電対を構成するｐ型部位及びｎ型部位において、平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比を調整することによって熱応力を小さくできるという新たな知見を得た。この新たな知見に基づき、本発明者らは本開示のサーモパイル型センサを案出した。
　（本開示に係る一態様の概要）
　本開示は、以下のサーモパイル型センサを提供する。
　ｐ型材料を含み、平面視において複数の第１の孔が配列している第一フォノニック結晶を有するｐ型部位と、
　ｎ型材料を含み、平面視において複数の第２の孔が配列している第二フォノニック結晶を有するｎ型部位と、を備え、
　前記ｐ型部位及び前記ｎ型部位は、熱電対を構成しており、
　下記（Ｉ）及び（II）からなる群より選択される少なくとも１つの条件を満たす。
（Ｉ）前記第一フォノニック結晶におけるフォノンの界面散乱頻度は、前記第二フォノニック結晶におけるフォノンの界面散乱頻度と異なる。
（II）前記第一フォノニック結晶の平面視における前記第一フォノニック結晶の面積に対する前記複数の第１の孔の面積の和の比は、前記第二フォノニック結晶の平面視における前記第二フォノニック結晶の面積に対する前記複数の第２の孔の面積の和の比と異なる。
　上記のサーモパイル型センサは、熱電対において発生する熱応力が小さくなりやすいので、部材の破壊のリスクを低減する観点から有利である。
　（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。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。
　（実施形態１）
　図１Ａ及び図１Ｂは、実施形態１のサーモパイル型センサ１ａを示す。サーモパイル型センサ１ａは、ｐ型部位１１と、ｎ型部位１２とを備えている。ｐ型部位１１は、ｐ型材料を含んでいる。加えて、ｐ型部位１１は、平面視において複数の孔１０ｈが配列している第一フォノニック結晶１１ｃを有する。ｎ型部位１２は、ｎ型材料を含んでいる。加えて、ｎ型部位１２は、平面視において複数の孔１０ｈが配列している第二フォノニック結晶１２ｃを有する。サーモパイル型センサ１ａにおいて、ｐ型部位１１及びｎ型部位１２は、熱電対１０を構成している。サーモパイル型センサ１ａは、下記（Ｉ）及び（II）からなる群より選択される少なくとも１つの条件を満たす。
（Ｉ）第一フォノニック結晶１１ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度は、第二フォノニック結晶１２ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度と異なっている。
（II）比Ｒ１は、比Ｒ２と異なっている。比Ｒ１は、第一フォノニック結晶１１ｃの平面視における第一フォノニック結晶１１ｃの面積に対する複数の孔１０ｈの面積の和の比である。比Ｒ２は、第二フォノニック結晶１２ｃの平面視における第二フォノニック結晶１２ｃの面積に対する複数の孔１０ｈの面積の和の比である。
　絶縁体及び半導体において、熱は、主として、格子振動を量子化した準粒子であるフォノンによって運ばれる。絶縁体又は半導体を含む材料の熱伝導率は、材料におけるフォノンの分散関係によって決定される。フォノンの分散関係は、周波数と波数との関係、又は、バンド構造を含みうる。絶縁体及び半導体において熱を運ぶフォノンの周波数帯域は、１００ＧＨｚから１０ＴＨｚの幅広い範囲に及ぶ。絶縁体又は半導体を含む材料の熱伝導率は、その周波数帯域に属するフォノンの振る舞いによって定まる。フォノンは、周波数毎に、フォノン同士による散乱及び不純物による散乱によって決まる有限の平均自由行程を有する。平均自由行程は、散乱に妨害されること無くフォノンが進むことのできる距離に相当する。フォノンは、周波数に応じて数オングストロームから数マイクロメートルまでの幅広い平均自由行程を有する。高い熱伝導率を有する材料では、長い平均自由行程を有するフォノンが主に熱を輸送し、低い熱伝導率を有する材料では、短い平均自由行程を有するフォノンが主体的に熱を運ぶ。
　フォノニック結晶によれば、複数の孔が配列している構造によってフォノンの界面散乱頻度を調整でき、フォノンの実効的な平均自由行程を調節できる。構造等の代表長さが短いほど、フォノンの界面散乱頻度は高くなる。このため、例えば、下記（ｉ）、（ii）、及び（iii）からなる群より選択される少なくとも１つを調節することによって、フォノンの界面散乱頻度を調整できる。フォノンの界面散乱頻度が高くなると構造の熱伝導率は低下する。加えて、下記（ii）を調節することによって、フォノニック結晶の実効的な熱コンダクタンスを調整することができる。
（ｉ）フォノニック結晶の平面視における最近接の孔同士の最短距離
（ii）平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比
（iii）フォノニック結晶の比表面積
　例えば、ｐ型部位１１に含まれるｐ型材料の熱伝導率及びｎ型部位１２に含まれるｎ型材料の熱伝導率は互いに異なっている。一方、第一フォノニック結晶１１ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度は、第二フォノニック結晶１２ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度と異なっている。もしくは、比Ｒ１は、比Ｒ２と異なっている。これにより、ｐ型部位１１の熱伝導率とｎ型部位１２の熱伝導率との差を小さくでき、熱電対１０における温度分布が均一になりやすい。その結果、熱電対１０において発生する熱応力が小さくなりやすく、サーモパイル型センサ１ａにおいて熱電対１０等の部材の破壊のリスクが低い。本明細書において、熱伝導率は、例えば２５℃における値を意味する。
　図１Ａ及び図１Ｂに示す通り、サーモパイル型センサ１ａは、基板２０と、センサ層１５とを備えている。センサ層１５は、熱電対１０を含んでいる。センサ層１５は、接続部１５ｃ、梁１５ｂ、及びセンシング部１５ｄを有する。接続部１５ｃは、センサ層１５を基板２０に接続している。例えば、接続部１５ｃは、基板２０に接触している。梁１５ｂは、センシング部１５ｄに接続され、センシング部１５ｄを基板２０から離れた状態で支持している。センシング部１５ｄ及び梁１５ｂは、熱電対１０を含んでいる。ｐ型部位１１は、例えば、正のゼーベック係数を有する。ｎ型部位１２は、負のゼーベック係数を有する。
　サーモパイル型センサ１ａは、例えば、赤外線センサとして構成されており、センシング部１５ｄは、例えば、赤外線受光部１５ｅを含んでいる。
　図１Ａ及び図１Ｂに示す通り、サーモパイル型センサ１ａは、例えば、信号処理回路３０、配線３１、及び電極パッド３３をさらに備えている。赤外線受光部１５ｅに赤外線が入射すると、赤外線受光部１５ｅの温度が上昇する。このとき、赤外線受光部１５ｅの温度は、熱浴である基板２０及び基板２０上の部材と赤外線受光部１５ｅとの間の熱的絶縁性が高いほど大きく上昇する。赤外線受光部１５ｅの温度上昇に伴って、熱電対１０においてゼーベック効果による起電力が生じる。生じた起電力が信号処理回路３０で処理されることによって、サーモパイル型センサ１ａが赤外線を検知する。サーモパイル型センサ１ａにおいて、信号処理回路３０における信号処理によっては赤外線の強度測定及び／又は対象物の温度測定が可能である。信号処理回路３０で処理された電気信号は、電極パッド３３によって読み出すことができる。
　基板２０は、凹部２５を有する。凹部２５は、基板２０の一方の主面において開口している。図１Ａに示す通り、サーモパイル型センサ１ａの平面視においてセンシング部１５ｄ及び梁１５ｂは、凹部２５に重なっている。センシング部１５ｄ及び梁１５ｂは、凹部２５上に懸架されている。
　基板２０は、典型的には半導体によって構成されている。半導体は、例えばＳｉである。ただし、基板２０は、Ｓｉ以外の半導体又は半導体以外の材料によって構成されていてもよい。
　配線３１を構成する材料は特定の材料に限定されない。配線３１は、例えば、不純物半導体、金属、又は金属化合物によって構成されている。金属及び金属化合物は、例えば、Ａｌ、Ｃｕ、ＴｉＮ、及びＴａＮ等の一般的な半導体プロセスで用いられる材料であってもよい。
　信号処理回路３０は、例えば、トランジスタ素子を含む電気信号の処理が可能な公知の構成を有する。
　センサ層１５は、単層構造であってもよいし、多層構造であってもよい。図１Ｂに示す通り、センサ層１５は、熱電対１０が基板２０と向かい合っている単一な層である。この場合、センサ層１５を構成する材料は、電気伝導を担うキャリアをドーピングによってホール及び電子のいずれにも調整できる半導体材料であってもよい。このような半導体材料の例は、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＺｎＯ、及びＢｉＴｅである。熱電対１０における半導体の母材は、これらの例に限定されない。熱電対１０における半導体の母材は、単結晶材料であってもよいし、多結晶材料であってもよいし、アモルファス材料であってもよい。単結晶材料では、原子配列の秩序が長距離にわたって保たれている。熱電対１０は、例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有する薄膜を含む。
　ｐ型部位１１の一端及びｎ型部位１２の一端は、例えば、温接点１３によって互いに電気的に接続されている。温接点１３は、例えば、金属膜又は金属化合物膜からなる。これにより、ｐ型部位１１、ｎ型部位１２、及び温接点１３によって熱電対素子が構成される。温接点１３をなす金属膜又は金属化合物膜は、特定の膜に限定されず、例えば、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ａｌ、Ｔｉ、及びＣｕなどの一般的に半導体プロセスで用いられる金属又は金属化合物の膜でありうる。センサ層１５の梁１５ｂ及びセンシング部１５ｄは、ｐ型部位１１及びｎ型部位１２によって構成されていてもよいし、不純物がドーピングされていないノンドープ部位を含んでいてもよい。
　温接点１３をなす金属膜又は金属化合物膜のシート抵抗を真空のインピーダンスとマッチングさせることによって、温接点１３を赤外線吸収層として機能させてもよい。例えば、温接点１３がＴｉＮを含む場合、温接点１３の厚さを１０ｎｍ程度に調節することによって温接点１３のシート抵抗を真空のインピーダンスとマッチングさせることができる。
　図１Ａに示す通り、配線３１及びｐ型部位１１は、例えば、接続部１５ｃによって電気的に接続されている。配線３１及びｎ型部位１２は、例えば、接続部１５ｃによって電気的に接続されている。配線３１は、ｐ型部位１１と信号処理回路３０とを電気的に接続しており、配線３１は、ｎ型部位１２と信号処理回路３０とを電気的に接続している。
　ｐ型部位１１の第一フォノニック結晶１１ｃにおいて他の部分よりもフォノンの界面散乱頻度が高く、第一フォノニック結晶１１ｃは、ｐ型部位１１に含まれるｐ型材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。ｎ型部位１２の第二フォノニック結晶１２ｃにおいて他の部分よりもフォノンの界面散乱頻度が高く、第二フォノニック結晶１２ｃは、ｎ型部位１２に含まれるｎ型材料の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する。
　第一フォノニック結晶１１ｃの孔１０ｈ及び第二フォノニック結晶１２ｃの孔１０ｈの形状は、特定の形状に限定されない。第一フォノニック結晶１１ｃ又は第二フォノニック結晶１２ｃの平面視において、孔１０ｈの形状は、円形であってもよいし、三角形及び四角形等の多角形状であってもよい。孔１０ｈは、センサ層１５を貫通する貫通孔であってもよいし、非貫通孔であってもよい。孔１０ｈが貫通孔である場合、ｐ型部位１１又はｎ型部位１２の熱伝導率がより低くなりやすい。孔１０ｈが非貫通孔である場合、梁１５ｂが高い強度を有しやすい。
　例えば、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃにおいて、複数の孔１０ｈの配列は周期性を有する。換言すると、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃのそれぞれの平面視において、複数の孔１０ｈは規則的に配列されている。複数の孔１０ｈにおける周期は、例えば、１ｎｍから５μｍである。熱を運ぶフォノンの波長は、主にから１ｎｍから５μｍの範囲に及ぶので、複数の孔１０ｈにおける周期が１ｎｍから５μｍであることは第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃの熱伝導率を低減するうえで有利である。
　図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃ、及び図２Ｄはフォノニック結晶の単位格子１０ｋの例を示す。第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃの単位格子は、特定の単位格子に限定されない。図２Ａに示す通り、単位格子１０ｋは正方格子であってもよい。図２Ｂに示す通り、単位格子１０ｋは三角形格子であってもよい。図２Ｃに示す通り、単位格子１０ｋは長方形格子であってもよい。図２Ｄに示す通り、単位格子１０ｋは面心長方形格子であってもよい。
　第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃのそれぞれは、異なる種類の複数の単位格子を含んでいてもよい。図２Ｅは、フォノニック結晶の一例を示す。図２Ｅに示す通り、第一フォノニック結晶１１ｃ又は第二フォノニック結晶１２ｃにおいて、例えば、異なる２種類の単位格子１０ｋを有する孔１０ｈの配列パターンが混在していてもよい。
　図１Ａに示す通り、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃのそれぞれは、例えば、梁１５ｂに形成されている。これにより、基板２０とセンシング部１５ｄとの間の熱的絶縁性を高めることができ、サーモパイル型センサ１ａが高い感度を有しやすい。
　第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃのそれぞれは、例えば、単結晶である。第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃのそれぞれは、多結晶であってもよい。この場合、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃのそれぞれは、複数のドメインを有し、各ドメインにおけるフォノニック結晶が単結晶である。換言すると、多結晶状態のフォノニック結晶は、複数のフォノニック単結晶の複合体である。複数のドメインにおいて、複数の孔１０ｈは、異なる方向に規則的に配列されている。各ドメインにおいて単位格子の方位は同一である。第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃのそれぞれの平面視において各ドメインの形状は同一であってもよいし、異なっていてもよい。第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃのそれぞれの平面視において、各ドメインのサイズは同一であってもよいし、異なっていてもよい。
　第一フォノニック結晶１１ｃ又は第二フォノニック結晶１２ｃが多結晶である場合、平面視による各ドメインの形状は、特定の形状に限定されない。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。第一フォノニック結晶１１ｃ又は第二フォノニック結晶１２ｃに含まれるドメインの数は特定の値に限定されない。
　例えば、ｐ型部位１１に含まれるｐ型材料の熱伝導率は、ｎ型部位１２に含まれるｎ型材料の熱伝導率と異なっている。換言すると、ｐ型材料及びｎ型材料の熱伝導率の一方がｐ型材料及びｎ型材料の熱伝導率の他方より高い。より高い熱伝導率を有する材料を含むｐ型部位１１及びｎ型部位１２の一方のフォノニック結晶におけるフォノンの界面散乱頻度は、ｐ型部位１１及びｎ型部位１２の他方のフォノニック結晶におけるフォノンの界面散乱頻度より高い。もしくは、ｐ型部位１１及びｎ型部位１２の一方の平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔１０ｈの面積の和の比は、ｐ型部位１１及びｎ型部位１２の他方のそれよりも大きい。
　ｐ型部位１１のｐ型材料の熱伝導率がｎ型部位１２のｎ型材料の熱伝導率より高い場合、サーモパイル型センサ１ａは、例えば、下記（Ia）及び（IIa）からなる群より選択される少なくとも１つの条件を満たす。これらの条件において、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃにおける複数の孔１０ｈの配列は、特定の態様に限定されない。
（Ia）第一フォノニック結晶１１ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度は、第二フォノニック結晶１２ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度より高い。
（IIa）比Ｒ１は、比Ｒ２より大きい。
　例えば、上記の（ｉ）、（ii）、及び（iii）からなる群より選択される少なくとも１つを調節することによって、フォノニック結晶におけるフォノンの界面散乱頻度を調整できる。ｐ型部位１１のｐ型材料の熱伝導率がｎ型部位１２のｎ型材料の熱伝導率より高い場合、例えば、下記の（ｉa）、（iia）、及び（iiia）からなる群より選択される少なくとも１つが満たされる。
（ｉa）第一フォノニック結晶１１ｃの平面視における最近接の孔１０ｈ同士の最短距離は、第二フォノニック結晶１２ｃの平面視における最近接の孔１０ｈ同士の最短距離より短い。
（iia）比Ｒ１は、比Ｒ２より大きい。
（iiia）第一フォノニック結晶１１ｃの比表面積ＳＶ１は、第二フォノニック結晶１２ｃの比表面積ＳＶ２より大きい。比表面積ＳＶ１は、第一フォノニック結晶１１ｃの表面積を第一フォノニック結晶１１ｃの体積で除することによって決定される。比表面積ＳＶ２は、第二フォノニック結晶１２ｃの表面積を第二フォノニック結晶１２ｃの体積で除することによって決定される。
　ｎ型部位１２のｎ型材料の熱伝導率がｐ型部位１１のｐ型材料の熱伝導率より高い場合、サーモパイル型センサ１ａは、例えば、下記（Ib）及び（IIb）からなる群より選択される少なくとも１つの条件を満たす。これらの条件において、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃにおける複数の孔１０ｈの配列は、特定の態様に限定されない。
（Ib）第二フォノニック結晶１２ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度は、第一フォノニック結晶１１ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度より高い。
（IIb）比Ｒ２は、比Ｒ１より大きい。
　ｎ型部位１２のｎ型材料の熱伝導率がｐ型部位１１のｐ型材料の熱伝導率より高い場合、例えば、下記の（ｉb）、（iib）、及び（iiib）からなる群より選択される少なくとも１つを満たす。
（ｉb）第二フォノニック結晶１２ｃの平面視における最近接の孔１０ｈ同士の最短距離は、第一フォノニック結晶１１ｃの平面視における最近接の孔１０ｈ同士の最短距離より短い。
（iia）比Ｒ２は、比Ｒ１より大きい。
（iiia）第二フォノニック結晶１２ｃの比表面積ＳＶ２は、第一フォノニック結晶１１ｃの比表面積ＳＶ１より大きい。
　（ｉa）及び（ib）の条件に関し、第一フォノニック結晶１１ｃ又は第二フォノニック結晶１２ｃにおいて、最近接の孔１０ｈ同士の最短距離が場所によって異なることが想定される。この場合、例えば、各孔１０ｈについて最近接の孔１０ｈとの最短距離を決定する。そのうえで、複数の孔１０ｈに対するその最短距離の総和を複数の孔１０ｈの個数で除することによって、第一フォノニック結晶１１ｃ又は第二フォノニック結晶１２ｃの平面視における最近接の孔１０ｈ同士の最短距離を決定してもよい。
　図２Ｆ、図２Ｇ、図２Ｈ、図２Ｉ、図２Ｊ、図２Ｋ、図２Ｌ、図２Ｍ、図２Ｎ、及び図２Ｏのそれぞれは、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃをなすフォノニック結晶の例を示す。
　第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃの一方は、例えば、図２Ｆに示すフォノニック結晶１０ａである。加えて、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃの他方は、例えば、図２Ｇに示すフォノニック結晶１０ｂである。
　フォノニック結晶１０ａの平面視において、各孔１０ｈの直径はｄ１であり、最近接の孔１０ｈ同士の最短距離はｃ１である。フォノニック結晶１０ｂの平面視において、各孔１０ｈの直径はｄ２であり、最近接の孔１０ｈ同士の最短距離はｃ２である。ｄ１＞ｄ２の関係が満たされているものの、フォノニック結晶１０ａ及びフォノニック結晶１０ｂにおいて各孔１０ｈの直径を複数の孔１０ｈの配列の周期で除した値は等しい。このため、フォノニック結晶１０ａ及びフォノニック結晶１０ｂにおいて、平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比は等しい。一方、ｃ１＜ｃ２の関係が満たされているので、フォノニック結晶１０ａにおけるフォノンの界面散乱頻度は、フォノニック結晶１０ｂにおけるフォノンの界面散乱頻度より高い。
　フォノニック結晶において最近接の孔同士の最短距離は、例えば、複数の孔の規則的な配列の周期によって調整できる。例えば、フォノニック結晶の母材がＳｉであり、平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比が５０％であり、複数の孔が１００ｎｍ以下の周期で規則的に配列された場合を考える。この場合、複数の孔の配列の周期を１０％変化させると、フォノニック結晶の熱伝導率は１５％以上変化しうる。例えば、フォノニック結晶の母材がＳｉであり、平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比が５０％であり、複数の孔が５０ｎｍ以下の周期で規則的に配列された場合を考える。この場合、この場合、複数の孔の配列の周期を５％変化させると、フォノニック結晶の熱伝導率は１０％以上変化しうる。このため、例えば、ｐ型部位のフォノニック結晶の複数の孔の配列の周期と、ｎ型部位のフォノニック結晶の複数の孔の配列の周期との差を５％程度に調整することも考えられる。この場合、ｐ型部位のフォノニック結晶の熱伝導率とｎ型部位のフォノニック結晶の熱伝導率との差を十分に低減でき、サーモパイル型センサにおいて熱電対等の部材の破壊のリスクを低減できる。なお、平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比が大きいほど、複数の孔の配列の周期のわずかな変化でフォノニック結晶の熱伝導率が大きく変化しうる。
　第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃの一方は、図２Ｈに示すフォノニック結晶１０ｃであってもよい。加えて、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃの他方は、図２Ｉに示すフォノニック結晶１０ｄであってもよい。
　フォノニック結晶１０ｃの平面視において、各孔１０ｈの直径はｄ３であり、最近接の孔１０ｈ同士の最短距離はｃ３である。フォノニック結晶１０ｄの平面視において、各孔１０ｈの直径はｄ４であり、最近接の孔１０ｈ同士の最短距離はｃ４である。フォノニック結晶１０ｃ及びフォノニック結晶１０ｄにおいて複数の孔１０ｈの配列の周期は等しい。一方、フォノニック結晶１０ｃ及びフォノニック結晶１０ｄにおいて、ｄ３＞ｄ４及びｃ３＜ｃ４の関係が満たされている。最近接の孔１０ｈ同士の最短距離、平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔１０ｈの面積の和の比、及びフォノニック結晶の平面視における複数の孔１０ｈの周長の和を第一フォノニック結晶の面積で除した値を考慮する。こられの事項を考慮すると、フォノニック結晶１０ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度は、フォノニック結晶１０ｄにおけるフォノンの界面散乱頻度より高い。
　例えば、フォノニック結晶の母材がＳｉであり、複数の孔が３００ｎｍの周期で規則的に配列されており、平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比が１９％を超える場合を考える。この場合、平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比を２％変化させると、フォノニック結晶の熱伝導率は１０％以上変化しうる。このため、例えば、平面視におけるｐ型部位のフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比と、平面視におけるｐ型部位のフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比との差を２％程度に調整することが考えられる。この場合、ｐ型部位の熱伝導率とｎ型部位の熱伝導率の差を十分に低減でき、サーモパイル型センサにおいて熱電対等の部材の破壊のリスクを低減できる。なお、フォノニック結晶における複数の孔の配列の周期が小さいほど、平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比のわずかな変化でフォノニック結晶の熱伝導率が大きく変化しうる。
　第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃの一方は、図２Ｊに示すフォノニック結晶１０ｅであってもよい。加えて、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃの他方は、図２Ｋに示すフォノニック結晶１０ｆであってもよい。
　フォノニック結晶１０ｅの平面視において、各孔１０ｈの直径はｄ５であり、最近接の孔１０ｈ同士の最短距離はｃ５である。フォノニック結晶１０ｆの平面視において、各孔１０ｈの直径はｄ５であり、最近接の孔１０ｈ同士の最短距離はｃ６である。フォノニック結晶１０ｅ及びフォノニック結晶１０ｆの平面視において、各孔１０ｈの直径は等しい。一方、ｃ５＜ｃ６の関係が満たされている。最近接の孔１０ｈ同士の最短距離、平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔１０ｈの面積の和の比、及びフォノニック結晶の平面視における複数の孔１０ｈの周長の和を第一フォノニック結晶の面積で除した値を考慮する。こられの事項を考慮すると、フォノニック結晶１０ｅにおけるフォノンの界面散乱頻度は、フォノニック結晶１０ｆにおけるフォノンの界面散乱頻度より高い。
　第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃの一方は、図２Ｌに示すフォノニック結晶１０ｇを有してもよい。加えて、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃの他方は、図２Ｍに示すフォノニック結晶１０ｍを有してもよい。
　フォノニック結晶１０ｇ及びフォノニック結晶１０ｍの平面視において、各孔１０ｈの直径はｄ７であり、最近接の孔１０ｈ同士の最短距離はｃ７である。フォノニック結晶１０ｇの平面視において複数の孔１０ｈの配列の単位格子は三角格子であり、フォノニック結晶１０ｍの平面視において複数の孔１０ｈの配列の単位格子は正方格子である。三角格子の充填率は、正方格子の充填率より高い。平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔１０ｈの面積の和の比及びフォノニック結晶の平面視における複数の孔１０ｈの周長の和を第一フォノニック結晶の面積で除した値を考慮する。こられの事項を考慮すると、フォノニック結晶１０ｇにおけるフォノンの界面散乱頻度は、フォノニック結晶１０ｍにおけるフォノンの界面散乱頻度より高い。
　第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃの一方は、図２Ｎに示すフォノニック結晶１０ｉを有してもよい。加えて、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃの他方は、図２Ｏに示すフォノニック結晶１０ｊを有してもよい。
　フォノニック結晶１０ｉ及びフォノニック結晶１０ｊのそれぞれは、複数の孔１０ｈの配列に関し、複数種類の配列パターンを有する。フォノニック結晶１０ｉは、平面視において、各孔１０ｈの直径がｄ８であり、かつ、最近接の孔１０ｈ同士の最短距離がｃ８である複数の孔１０ｈの配列パターンを有する。加えて、フォノニック結晶１０ｉは、平面視において、各孔１０ｈの直径がｄ９であり、かつ、最近接の孔１０ｈ同士の最短距離がｃ９である複数の孔１０ｈの配列パターンを有する。フォノニック結晶１０ｊは、平面視において、各孔１０ｈの直径がｄ８であり、かつ、最近接の孔１０ｈ同士の最短距離がｃ８である複数の孔１０ｈの配列パターンを有する。加えて、フォノニック結晶１０ｉは、平面視において、各孔１０ｈの直径がｄ１０であり、かつ、最近接の孔１０ｈ同士の最短距離がｃ１０である複数の孔１０ｈの配列パターンを有する。ｄ９＞ｄ１０の関係が満たされている。平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔１０ｈの面積の和の比を考慮すると、フォノニック結晶１０ｉにおけるフォノンの界面散乱頻度は、フォノニック結晶１０ｊにおけるフォノンの界面散乱頻度より高い。
　第一フォノニック結晶１１ｃの熱伝導率と第二フォノニック結晶１２ｃの熱伝導率との差は、特定の値に限定されない。その差は、例えば、第一フォノニック結晶１１ｃの熱伝導率及び第二フォノニック結晶１２ｃの熱伝導率のうちより低い熱伝導率の１０％以下である。これにより、熱電対１０における温度が均一に保たれやすく、サーモパイル型センサ１ａにおける熱応力による部材の破壊のリスクを低減できる。第一フォノニック結晶１１ｃの熱伝導率と第二フォノニック結晶１２ｃの熱伝導率との差は、より低い熱伝導率の１０％以上であってもよい。第一フォノニック結晶１１ｃの熱伝導率と第二フォノニック結晶１２ｃの熱伝導率との差がｐ型部位１１に含まれるｐ型材料とｎ型部位１２に含まれるｎ型材料との差よりも小さいことが効果的であると理解される。
　第一フォノニック結晶１１ｃの熱伝導率と第二フォノニック結晶１２ｃの熱伝導率との差は、例えば５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってもよく、０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であってもよい。
　サーモパイル型センサ１ａは様々な観点から変更が可能である。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ、図３Ｅ、及び図３Ｆのそれぞれは、サーモパイル型センサ１ａの変形例を示す。これらの変形例は、特に説明する部分を除き、サーモパイル型センサ１ａと同様に構成されている。サーモパイル型センサ１ａの構成要素と同一又は対応する各変形例の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。サーモパイル型センサ１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、これらの変形例にも当てはまる。
　図３Ａに示す通り、サーモパイル型センサ１ｂは、例えば、赤外線反射層４０を備えている。赤外線反射層４０は、凹部２５の底面に配置されている。これにより、サーモパイル型センサ１ｂが赤外線に対してより高い感度を有しやすい。赤外線反射層４０をなす材料は特定の材料に限定されない。その材料は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、及びＴｉ等の金属であってもよく、ＴｉＮ及びＴａＮ等の金属化合物であってもよく、高導電性Ｓｉであってもよい。
　図３Ｂに示す通り、サーモパイル型センサ１ｃは、例えば、赤外線吸収層１４を備えている。赤外線吸収層１４は、例えば、温接点１３の上に配置されている。これにより、サーモパイル型センサ１ｃが赤外線に対してより高い感度を有しやすい。赤外線吸収層１４は特定の構成に限定されない。赤外線吸収層１４は、ＴａＮ、Ｃｒ、及びＴｉ等の材料の膜であってもよく、ポーラスな金属膜であってもよく、ＳｉＯ2等の誘電体膜であってもよい。
　図３Ｃに示す通り、サーモパイル型センサ１ｄにおいて、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃのそれぞれは、梁１５ｂに加えて、センシング部１５ｄにも形成されている。この場合、基板２０とセンシング部１５ｄとの間の熱的絶縁性をより高めることができる。
　図３Ｄ及び図３Ｅに示す通り、サーモパイル型センサ１ｅ及び１ｆは、複数の熱電対１０を備えている。
　サーモパイル型センサ１ｅにおいて、複数の熱電対１０が並列に配置されている。この場合、複数の熱電対１０のいずれかが故障しても、他の熱電対１０を用いてセンシングが可能である。
　サーモパイル型センサ１ｆにおいて、複数の熱電対１０が直列に配置されている。この場合、複数の熱電対１０のそれぞれで発生する熱起電力の和に応じた出力が得られるので、サーモパイル型センサ１ｆが高い感度を有しやすい。図３Ｅに示す通り、サーモパイル型センサ１ｆは、冷接点１６を備えている。冷接点１６は、接続部１５ｃに接続されており、各熱電対１０を電気的に接続している。冷接点１６は、例えば、金属膜を含む。図３Ｅに示す通り、サーモパイル型センサ１ｆにおいて、同一の梁１５ｂに、ｐ型部位１１及びｎ型部位１２が形成されている。このため、同一の梁１５ｂに、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃが形成されている。
　図３Ｆに示す通り、サーモパイル型センサ１ｇは、絶縁膜１８を備えている。これにより、多段の配線層を形成でき、熱電対１０で発生した起電力を信号処理回路３０に効率良く伝達できる。
　サーモパイル型センサ１ａの製造方法の一例を説明する。サーモパイル型センサ１ａの製造方法は、以下の方法に限定されない。
　図４Ａに示す通り、基板２０の一方の主面にフォトリソグラフィー及びエッチングによって、１μｍ程度の深さを有する凹部２５を形成する。基板２０は、例えばＳｉ基板である。次に、図４Ｂに示す通り、基板２０の材料と異なるＳｉＯ2等の材料を含む犠牲層５１を、凹部２５を覆うように形成する。次に、図４Ｃに示す通り、Chemical Mechanical Polishing (CMP)等の方法によって、凹部２５の外側の犠牲層５２を取り除く。次に、図４Ｄに示す通り、基板２０の犠牲層５２が取り除かれた領域にトランジスタ素子を含む信号処理回路３０を形成する。その後、図４Ｅに示す通り、Chemical Vapor Deposition （CVD）等の方法によって多結晶Ｓｉ等の半導体を含むセンサ層１５を形成し、センサ層１５の所定領域にドーピングを行ってｐ型部位１１及びｎ型部位１２を形成する。ドーピングは、例えば、イオン注入等の方法を用いてなされる。
　次に、図４Ｆに示す通り、センサ層１５のｐ型部位１１及びｎ型部位１２のそれぞれにフォノニック結晶を形成する。フォノニック結晶の形成には、孔の形状に応じて複数のリソグラフィー技術が用いられる。例えば、３００ｎｍ以上の周期を有するフォノニック結晶の形成にはフォトリソグラフィーが用いられる。１００ｎｍから３００ｎｍの周期を有するフォノニック結晶の形成には電子線リソグラフィーが用いられる。１ｎｍから１００ｎｍの周期を有するフォノニック結晶の形成にはブロック共重合体リソグラフィーが用いられる。フォノニック結晶の微細孔を形成する方法は、これらの方法に限定されない。ナノインプリントリソグラフィー等の他のリソグラフィーを用いてフォノニック結晶が形成されてもよい。いずれのリソグラフィーを用いても、センサ層１５の任意の領域にフォノニック結晶を形成できる。
　図２Ｅ、図２Ｎ、及び図２Ｏに示すような複数の単位格子１０ｋを含むフォノニック結晶は、フォトリソグラフィー又は電子線リソグラフィーで複数の単位格子に対応する描画パターンを予め作成することによって形成できる。複数の単位格子を含むフォノニック結晶は、複数種類のリソグラフィーを組み合わせることによって形成してもよい。例えば、周期が小さい単位格子をブロック共重合体リソグラフィー又は電子線リソグラフィーによって所望の領域に形成する。その後、周期が大きい単位格子を同じ領域にフォトリソグラフィーによって重ねて形成する。
　フォトリソグラフィーによってフォノニック結晶を形成する場合、異なる直径、異なる周期、又は異なる単位格子を有する複数の孔がデザインされたフォトマスクを準備する。第一フォノニック結晶１１ｃを形成するためのフォトマスクにおけるパターンは、第二フォノニック結晶１２ｃを形成するためのフォトマスクと同一のフォトマスクに形成されてもよいし、別のフォトマスクに形成されてもよい。露光及び現像のプロセスによって、フォトマスクに描画された第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃのパターンをセンサ層１５の上に塗布されたレジスト膜に転写する。その後、レジスト膜の上面からセンサ層１５をエッチングすることで、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃにおける複数の孔１０ｈを形成する。最後に、レジスト膜を除去して第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃにおける複数の孔１０ｈが得られる。
　電子線リソグラフィーによってフォノニック結晶を形成する場合について説明する。第一フォノニック結晶１１ｃに対応する領域及び第二フォノニック結晶１２ｃに対応する領域において、異なる直径、異なる周期、又は異なる単位格子を有する複数の孔の描画パターンを電子線照射装置に入力する。入力されたデータに従って電子線が走査されてセンサ層１５に照射される。これにより、センサ層１５の上に塗布されたレジスト膜に第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃのパターンが直接描画される。描画されたパターンを現像した後、このパターンが転写されたレジスト膜の上面からセンサ層１５をエッチングする。これにより、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃにおける複数の孔１０ｈを形成する。最後に、レジスト膜を除去して第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃにおける複数の孔１０ｈが得られる。
　ブロック共重合体リソグラフィーによってフォノニック結晶を形成する場合、例えば、第一フォノニック結晶１１ｃの形成及び第二フォノニック結晶１２ｃの形成において異なる組成のブロック共重合体が使用される。ブロック共重合体における自己組織化構造の周期及び配列パターンは、ブロック共重合体の種類又はブロック共重合体における各ポリマーの組成比によって変化する。このため、異なる組成を有する２種類のブロック共重合体の使用により、直径、周期、又は単位格子が異なる２種類のフォノニック結晶を形成できる。まず、第一ブロック共重合体を用いて、ブロック共重合体リソグラフィーによって第一フォノニック結晶１１ｃを形成する。その後、第二ブロック共重合体を用いて、ブロック共重合体リソグラフィーによって第二フォノニック結晶１２ｃを形成する。なお、ブロック共重合体リソグラフィーには公知のプロセス条件を適用できる。
　図４Ｇに示す通り、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃを形成した後、フォトリソグラフィー及びエッチングによってセンシング部１５ｄ及び梁１５ｂをセンサ層１５に形成する。このとき、コンタクトホール５２も形成される。次に、図４Ｈに示す通り、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、又はＣｕ等の材料を含む膜をセンサ層１５上に形成する。この膜を、エッチングすることによって温接点１３、配線３１、及び電極パッド３３が形成される。
　配線３１の電気抵抗を低くするために、温接点１３用の材料と、配線３１用の材料とを異ならせてもよい。配線３１用の膜の厚みを温接点１３用の膜の厚みよりも大きくしてもよい。配線３１用の材料は、Ａｌ及びＣｕ等の低い電気抵抗率を有する金属であってもよい。この場合、配線３１の厚みは、例えば、１００ｎｍから５００ｎｍである。センサ層１５に形成されたｐ型部位１１、ｎ型部位１２、温接点１３、及び配線３１によって熱電対１０が構成される。
　最後に、犠牲層５１を選択的エッチングによって除去することで、基板２０に凹部２５が現れる。これにより、センサ層１５における梁１５ｂ及びセンシング部１５ｄが基板２０から離れた状態で懸架される。なお、異方性エッチングによって基板２０の一部を除去して、センシング部１５ｄが基板２０から離れた状態で懸架されてもよい。この場合、基板２０に凹部２５を形成する工程を省略できる。
　サーモパイル型センサ１ｇを製造する場合、図４Ｇに示す状態において、最表層に絶縁膜１８を形成する。この場合、センサ層１５の梁１５ｂ及びセンシング部１５ｄと重なった絶縁膜１８の領域をフォトリソグラフィー及びエッチングによって除去することによって、センサ層１５の梁１５ｂ及びセンシング部１５ｄを露出させることができる。
　（実施形態２）
　図５Ａ及び図５Ｂは、実施形態２のサーモパイル型センサ１ｈを示す。サーモパイル型センサ１ｈは、特に説明する部分を除き、サーモパイル型センサ１ａと同様に構成されている。サーモパイル型センサ１ａの構成要素と同一又は対応するサーモパイル型センサ１ｈの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。サーモパイル型センサ１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、サーモパイル型センサ１ｈにも当てはまる。
　図５Ａ及び図５Ｂに示す通り、サーモパイル型センサ１ｈのセンサ層１５は、支持層１５ｓを有する。熱電対１０は、支持層１５ｓの上に配置されている。センサ層１５は、例えば、ｐ型部位１１及びｎ型部位１２を含む熱電対層１５ｔを備えている。熱電対層１５ｔは、支持層１５ｓの上に配置されている。支持層１５ｓによって、梁１５ｂ及びセンシング部１５ｄが懸架された構造の強度が高くなりやすい。加えて、支持層１５ｓによって、熱電対１０に生じる応力を調整できる。
　支持層１５ｓの厚みは、特定の値に限定されない。その厚みは、例えば１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。支持層１５ｓをなす材料は、熱電対層１５ｔをなす材料と同一であってもよいし、異なっていてもよい。支持層１５ｓをなす材料は、特定の材料に限定されない。その材料は、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＮ、及びＺｎＯ等の半導体材料であってもよいし、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、Ａｌ2Ｏ3等の絶縁体材料であってもよい。支持層１５ｓをなす材料は、単結晶材料であってもよいし、多結晶材料であってもよいし、アモルファス材料であってもよい。
　サーモパイル型センサ１ｈにおいて、ｐ型部位１１の母材とｎ型部位１２の母材とは同一の材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。例えば、ｐ型部位１１の母材がＳｉであり、ｎ型部位１２の母材がＳｒＴｉＯ3であってもよい。ｐ型部位１１の母材及びｎ型部位１２の母材の他の例は、ＢｉＴｅ、Ｂｉ、Ｓｂ、コンスタンタン、クロメル、及びアルメルである。クロメルは、コンセプテック社の登録商標である。熱電対層１５ｔの母材は他の材料であってもよい。
　サーモパイル型センサ１ｈにおいて、支持層１５ｓには、複数の孔が形成されていてもよい。この場合、支持層１５ｓにおいて、フォノニック結晶をなすように複数の孔が形成されていてもよい。支持層１５ｓにおける複数の孔は、第一フォノニック結晶１１ｃ又は第二フォノニック結晶１２ｃにおける複数の孔１０ｈに対応して形成されていてもよい。支持層１５ｓにおける複数の孔は、複数の孔１０ｈの配列パターンとは異なる配列パターンで形成されていてもよい。
　梁１５ｂの熱コンダクタンスＧｂは、熱電対層１５ｔの熱コンダクタンスＧｔ及び支持層１５ｓの熱コンダクタンスＧｓを用いて、Ｇｂ＝Ｇｔ＋Ｇｓと表される。例えば、熱電対層１５ｔの母材の熱伝導率が支持層１５ｓの母材の熱伝導率の５倍以上であると、梁１５ｂの熱コンダクタンスＧｂの絶対値は、熱電対層１５ｔの熱コンダクタンスＧｔの絶対値に近い値になる。この場合、支持層１５ｓの熱コンダクタンスは、梁１５ｂの熱コンダクタンスに大きく影響しない。例えば、熱電対層１５ｔにＳｉ、ＳｒＴｉＯ3、及びＢｉ等の半導体又は半金属を用い、支持層１５ｓにＳｉＯ2又はＳｉＮ等のアモルファス絶縁体を用いた場合を考える。この場合、熱電対層１５ｔの母材の熱伝導率が支持層１５ｓの母材の熱伝導率の５倍以上になりうる。この場合、梁１５ｂの熱コンダクタンスＧｂにおいて熱電対層１５ｔの熱コンダクタンスＧｔが支配的になる。このため、第一フォノニック結晶１１ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度及び第二フォノニック結晶１２ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度の調整によって得られる効果は、支持層１５ｓにおける複数の孔の有無によって大きく影響されない。支持層１５ｓが複数の孔を有する場合、各孔は、貫通孔であってもよいし、非貫通孔であってもよい。
　図５Ｃは、サーモパイル型センサ１ｈの変形例を示す。図５Ｃに示す通り、サーモパイル型センサ１ｉにおいて、支持層１５ｓは、複数の支持層を有している。支持層１５ｓは、例えば、第一支持層１５ｓａと、第二支持層１５ｓｂとを有する。第一支持層１５ｓａの厚み方向において、第二支持層１５ｓｂと熱電対層１５ｔとの間に第一支持層１５ｓａが配置されている。このような構成によれば、梁１５ｂ及びセンシング部１５ｄが懸架された構造の強度がより高くなりやすく、熱電対１０に生じる応力をより望ましい範囲に調整できる。
　サーモパイル型センサ１ｈの製造方法の一例を示す。サーモパイル型センサ１ｈの製造方法は、以下の方法に限定されない。
　サーモパイル型センサ１ｈは、例えば、実施形態１の製造方法を応用して製造できる。図６Ａに示す通り、サーモパイル型センサ１ａの製造方法と同様にして、Ｓｉ基板である基板２０に形成された凹部２５をＳｉＯ2等の誘電体からなる犠牲層５１によって充填し、信号処理回路３０を形成する。犠牲層５１を形成した基板２０上に犠牲層５１をなす材料とは異なるＳｉＮ等の材料で支持層１５ｓを形成する。次に、Ｓｉ等の半導体を含む熱電対層１５ｔを支持層１５ｓの上に形成する。ドーピングによってｐ型部位１１及びｎ型部位１２を熱電対層１５ｔに形成する。ドーピングはイオン注入等の方法によってなされうる。
　次に、図６Ｂに示す通り、実施形態１と同様の方法によって、熱電対層１５ｔのｐ型部位１１及びｎ型部位１２に、フォノンの界面散乱頻度が異なるフォノニック結晶を形成する。この場合、リソグラフィーは熱電対層１５ｔに対して実施される。熱電対層１５ｔをエッチングするときのエッチング時間を調節して、熱電対層１５ｔと同様のフォノニック結晶を支持層１５ｓに形成してもよい。
　フォノニック結晶の形成後、フォトリソグラフィー及びエッチングによってｐ型部位１１及びｎ型部位１２の形状に合わせて熱電対層１５ｔの形状が調整される。その後、フォトリソグラフィー及びエッチングによってセンシング部１５ｄ及び梁１５ｂの形状に合わせて支持層１５ｓを成形する。図６Ｃに示す通り、熱電対層１５ｔ及び支持層１５ｓのエッチングにおいて、コンタクトホール５２が形成される。次に、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、又はＣｕ等の材料を含む膜をセンサ層１５上に形成する。この膜を、エッチングすることによって、図６Ｄに示す通り、温接点１３、配線３１、及び電極パッド３３が形成される。
　最後に、犠牲層５１を選択的エッチングによって除去することで、基板２０に凹部２５が現れる。これにより、センサ層１５における梁１５ｂ及びセンシング部１５ｄが基板２０から離れた状態で懸架される。なお、異方性エッチングによって基板２０の一部を除去して、センシング部１５ｄが基板２０から離れた状態で懸架されてもよい。この場合、基板２０に凹部２５を形成する工程を省略できる。
　（実施形態３）
　図７Ａ及び図７Ｂは、実施形態３のサーモパイル型センサ１ｊを示す。サーモパイル型センサ１ｊは、特に説明する部分を除き、サーモパイル型センサ１ａと同様に構成されている。サーモパイル型センサ１ａの構成要素と同一又は対応するサーモパイル型センサ１ｊの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。サーモパイル型センサ１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、サーモパイル型センサ１ｊにも当てはまる。
　図７Ａ及び図７Ｂに示す通り、サーモパイル型センサ１ｊにおいて、センサ層１５は、ｐ型部位１１及びｎ型部位１２を覆う保護層１５ｐを有する。センサ層１５は、例えば、ｐ型部位１１及びｎ型部位１２を含む熱電対層１５ｔを備えている。保護層１５ｐの中央にはコンタクトホールが形成されており、そのコンタクトホールの内部及び保護層１５ｐの主面におけるコンタクトホールの周囲に温接点１３が形成されている。保護層１５ｐによって、梁１５ｂ及びセンシング部１５ｄが懸架された構造の強度が高くなりやすい。加えて、保護層１５ｐによって、熱電対１０に生じる応力を調整できる。保護層１５ｐによって、熱電対１０を酸化環境及び薬液から保護できる。
　保護層１５ｐの厚みは、特定の値に限定されない。その厚みは、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。保護層１５ｐをなす材料は、熱電対層１５ｔをなす材料と同一であってもよく、異なっていてもよい。保護層１５ｐをなす材料は、特定の材料に限定されない。その材料は、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＮ、及びＺｎＯなどの半導体材料であってもよいし、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、及びＡｌ2Ｏ3等の絶縁体材料であってもよい。保護層１５ｐをなす材料は、単結晶材料であってもよいし、多結晶材料であってもよいし、アモルファス材料であってもよい。
　サーモパイル型センサ１ｊにおいて、ｐ型部位１１の母材とｎ型部位１２の母材とは同一の材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。例えば、ｐ型部位１１の母材がＳｉであり、ｎ型部位１２の母材がＳｒＴｉＯ3であってもよい。ｐ型部位１１の母材及びｎ型部位１２の母材の他の例は、ＢｉＴｅ、Ｂｉ、Ｓｂ、コンスタンタン、クロメル、及びアルメルである。クロメルは、コンセプテック社の登録商標である。熱電対層１５ｔの母材は他の材料であってもよい。
　サーモパイル型センサ１ｊにおいて、保護層１５ｐには、複数の孔が形成されていてもよい。この場合、保護層１５ｐにおいて、フォノニック結晶をなすように複数の孔が形成されていてもよい。保護層１５ｐにおける複数の孔は、第一フォノニック結晶１１ｃ又は第二フォノニック結晶１２ｃにおける複数の孔１０ｈに対応して形成されていてもよいし、複数の孔１０ｈの配列パターンとは異なる配列パターンで形成されていてもよい。
　梁１５ｂの熱コンダクタンスＧｂは、熱電対層１５ｔの熱コンダクタンスＧｔ及び保護層１５ｐの熱コンダクタンスＧｐを用いて、Ｇｂ＝Ｇｔ＋Ｇｐと表される。例えば、熱電対層１５ｔの母材の熱伝導率が保護層１５ｐの母材の熱伝導率の５倍以上であると、梁１５ｂの熱コンダクタンスＧｂの絶対値は、熱電対層１５ｔの熱コンダクタンスＧｔの絶対値に近い値になる。この場合、保護層１５ｐの熱コンダクタンスは、梁１５ｂの熱コンダクタンスに大きく影響しない。例えば、熱電対層１５ｔにＳｉ、ＳｒＴｉＯ3、及びＢｉ等の半導体又は半金属を用い、保護層１５ｐにＳｉＯ2又はＳｉＮ等のアモルファス絶縁体を用いた場合を考える。この場合、熱電対層１５ｔの母材の熱伝導率が保護層１５ｐの母材の熱伝導率の５倍以上になりうる。この場合、梁１５ｂの熱コンダクタンスＧｂにおいて熱電対層１５ｔの熱コンダクタンスＧｔが支配的になる。このため、第一フォノニック結晶１１ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度及び第二フォノニック結晶１２ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度の調整によって得られる効果は、保護層１５ｐにおける複数の孔の有無によって大きく影響されない。保護層１５ｐが複数の孔を有する場合、各孔は、貫通孔であってもよいし、非貫通孔であってもよい。
　図７Ｃ及び図７Ｄは、サーモパイル型センサ１ｊの変形例を示す。図７Ｃに示す通り、サーモパイル型センサ１ｋにおいて、保護層１５ｐは、複数の保護層を有している。保護層１５ｐは、例えば、第一保護層１５ｐａと、第二保護層１５ｐｂとを有する。第一保護層１５ｐａの厚み方向において、第二保護層１５ｐｂと熱電対層１５ｔとの間に第一保護層１５ｐａが配置されている。このような構成によれば、梁１５ｂ及びセンシング部１５ｄが懸架された構造の強度がより高くなりやすく、熱電対１０に生じる応力をより望ましい範囲に調整できる。加えて、酸化環境及び薬液から熱電対１０をより確実に保護できる。
　図７Ｄに示す通り、サーモパイル型センサ１ｌにおいて、温接点１３は保護層１５ｐによって覆われていてもよい。これにより、保護層１５ｐによって温接点１３を保護できる。
　サーモパイル型センサ１ｊの製造方法の一例を示す。サーモパイル型センサ１ｊの製造方法は、以下の方法に限定されない。
　サーモパイル型センサ１ｊは、例えば、実施形態１の製造方法を応用して製造できる。図８Ａに示す通り、サーモパイル型センサ１ａの製造方法と同様にして、Ｓｉ基板である基板２０に形成された凹部２５をＳｉＯ2等の誘電体からなる犠牲層５１によって充填し、信号処理回路３０を形成する。犠牲層５１を形成した基板２０上にＳｉ等の半導体を含む熱電対層１５ｔを形成する。ドーピングによってｐ型部位１１及びｎ型部位１２を熱電対層１５ｔに形成する。ドーピングはイオン注入等の方法によってなされうる。
　次に、実施形態１と同様の方法によって、熱電対層１５ｔのｐ型部位１１及びｎ型部位１２に、フォノンの界面散乱頻度が異なるフォノニック結晶を形成する。フォノニック結晶の形成後、フォトリソグラフィー及びエッチングによってｐ型部位１１及びｎ型部位１２の形状に合わせて熱電対層１５ｔの形状が調整される。この場合、図８Ａに示す通り、コンタクトホール５２が形成される。
　次に、図８Ｂに示す通り、ＳｉＮ等の材料を含む保護層１５ｐを熱電対層１５ｔ上に形成する。その後、フォトリソグラフィー及びエッチングによってセンシング部１５ｄ及び梁１５ｂの形状に合わせて保護層１５ｐを成形する。保護層１５ｐのエッチングにおいて、図８Ｃに示す通り、コンタクトホール５４及びコンタクトホール５６が形成される。次に、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、又はＣｕ等の材料を含む膜をセンサ層１５上に形成する。この膜をエッチングすることによって、図８Ｄに示す通り、温接点１３、配線３１、及び電極パッド３３が形成される。
　最後に、犠牲層５１を選択的エッチングによって除去することで、基板２０に凹部２５が現れる。これにより、センサ層１５における梁１５ｂ及びセンシング部１５ｄが基板２０から離れた状態で懸架される。なお、異方性エッチングによって基板２０の一部を除去して、センシング部１５ｄが基板２０から離れた状態で懸架されてもよい。この場合、基板２０に凹部２５を形成する工程を省略できる。
　（実施形態４）
　図９Ａ及び図９Ｂは、実施形態４のサーモパイル型センサ１ｍを示す。サーモパイル型センサ１ｍは、特に説明する部分を除き、サーモパイル型センサ１ａと同様に構成されている。サーモパイル型センサ１ａの構成要素と同一又は対応するサーモパイル型センサ１ｍの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。サーモパイル型センサ１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、サーモパイル型センサ１ｍにも当てはまる。
　サーモパイル型センサ１ｍのセンサ層１５は、支持層１５ｓと、保護層１５ｐとを備えている。熱電対１０は、支持層１５ｓの上に配置されている。保護層１５ｐは、ｐ型部位１１及びｎ型部位１２を覆っている。センサ層１５は、例えば、ｐ型部位１１及びｎ型部位１２を含む熱電対層１５ｔを備えている。熱電対層１５ｔは、その厚み方向において支持層１５ｓと保護層１５ｐとの間に配置されている。保護層１５ｐの中央にはコンタクトホールが形成されており、そのコンタクトホールの内部及び保護層１５ｐの主面におけるコンタクトホールの周囲に温接点１３が形成されている。このような構成によれば、梁１５ｂ及びセンシング部１５ｄが懸架された構造の強度がより高くなりやすく、熱電対１０に生じる応力をより望ましい範囲に調整できる。加えて、酸化環境及び薬液から熱電対１０をより確実に保護できる。
　サーモパイル型センサ１ｍにおいて、支持層１５ｓ、保護層１５ｐ、及び熱電対層１５ｔをなす材料は、例えば、実施形態２及び３に記載の材料でありうる。
　サーモパイル型センサ１ｍにおいて、支持層１５ｓ及び保護層１５ｐには、複数の孔が形成されていてもよい。この場合、支持層１５ｓ及び保護層１５ｐにおいて、フォノニック結晶をなすように複数の孔が形成されていてもよい。支持層１５ｓ及び保護層１５ｐにおける複数の孔は、第一フォノニック結晶１１ｃ又は第二フォノニック結晶１２ｃにおける複数の孔１０ｈに対応して形成されていてもよい。支持層１５ｓ及び保護層１５ｐにおける複数の孔は、複数の孔１０ｈの配列パターンとは異なる配列パターンで形成されていてもよい。実施形態２及び３に記載の通り、第一フォノニック結晶１１ｃ及び第二フォノニック結晶１２ｃにおけるフォノンの界面散乱頻度の調整の効果は、支持層１５ｓ及び保護層１５ｐにおける複数の孔の有無によって大きく影響されない。支持層１５ｓ及び保護層１５ｐが複数の孔を有する場合、各孔は、貫通孔であってもよいし、非貫通孔であってもよい。
　図９Ｃ及び図９Ｄは、サーモパイル型センサ１ｍの変形例を示す。図９Ｃに示す通り、サーモパイル型センサ１ｎにおいて、支持層１５ｓは、複数の支持層を有している。加えて、保護層１５ｐは、複数の保護層を有している。支持層１５ｓは、例えば、第一支持層１５ｓａと、第二支持層１５ｓｂとを有する。第一支持層１５ｓａの厚み方向において、第二支持層１５ｓｂと熱電対層１５ｔとの間に第一支持層１５ｓａが配置されている。保護層１５ｐは、例えば、第一保護層１５ｐａと、第二保護層１５ｐｂとを有する。第一保護層１５ｐａの厚み方向において、第二保護層１５ｐｂと熱電対層１５ｔとの間に第一保護層１５ｐａが配置されている。このような構成によれば、梁１５ｂ及びセンシング部１５ｄが懸架された構造の強度がより高くなりやすく、熱電対１０に生じる応力をより望ましい範囲に調整できる。加えて、酸化環境及び薬液から熱電対層１５ｔをより確実に保護できる。
　図９Ｄに示す通り、サーモパイル型センサ１ｏにおいて、温接点１３は保護層１５ｐによって覆われていてもよい。これにより、保護層１５ｐによって温接点１３を保護できる。
　サーモパイル型センサ１ｍは、実施形態２及び３に記載の製造方法を応用して製造できる。
　（実施形態５）
　図１０Ａは、実施形態５のサーモパイル型センサ１ｐを示す。サーモパイル型センサ１ｐは、特に説明する部分を除き、サーモパイル型センサ１ａと同様に構成されている。サーモパイル型センサ１ａの構成要素と同一又は対応するサーモパイル型センサ１ｐの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。サーモパイル型センサ１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、サーモパイル型センサ１ｐにも当てはまる。
　図５に示す通り、サーモパイル型センサ１ｐにおいて、基板２０は、第一基板２１と、層間膜２２とを備えている。層間膜２２の厚み方向において、層間膜２２は、第一基板２１と、センサ層１５との間に配置されている。凹部２５は、層間膜２２に形成されている。層間膜２０をなす材料は、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、及びＳｉ等の絶縁体又は半導体である。
　図１０Ａに示す通り、センサ層１５は、支持層１５ｓ、熱電対層１５ｔ、及び保護層１５ｐを備えている。センサ層１５は、熱電対層１５ｔを含む単層構造を有していてもよいし、他の多層構造を有していてもよい。
　図１０Ｂ、図１０Ｃ、及び図１０Ｄは、サーモパイル型センサ１ｐの変形例を示す。図１０Ｂ、図１０Ｃ、及び図１０Ｄに示す通り、サーモパイル型センサ１ｑ、１ｒ、及び１ｓのそれぞれは、赤外線反射層４０を備えている。サーモパイル型センサ１ｑにおいて、赤外線反射層４０は、凹部２５の底面に配置されている。サーモパイル型センサ１ｒにおいて、赤外線反射層４０は、第一基板２１の主面上に配置されている。サーモパイル型センサ１ｓにおいて、赤外線反射層４０は、第一基板２１の主面の一部をなすように形成されている。例えば、第一基板２１がＳｉ基板である場合、第一基板２１の主面の赤外線反射層４０に対応する領域に対してドーパントを高濃度でドーピングすることによって赤外線反射層４０が得られる。
　赤外線反射層４０をなす材料は特定の材料に限定されない。その材料は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、及びＴｉ等の金属であってもよく、ＴｉＮ及びＴａＮ等の金属化合物であってもよく、高導電性Ｓｉであってもよい。
　サーモパイル型センサ１ｐの製造方法の一例を示す。サーモパイル型センサ１ｐは、例えば、実施形態１のサーモパイル型センサ１ａの製造方法を応用して製造できる。図１１Ａに示す通り、Ｓｉ基板である第一基板２１に対して、トランジスタ素子を含む信号処理回路３０を形成する。サーモパイル型センサ１ｓのように、赤外線反射層４０が第一基板２１の主面の一部をなすように形成されている場合、第一基板２１の主面の一部にドーパントを高濃度でドーピングして赤外線反射層４０を形成してもよい。
　次に、図１１Ｂに示す通り、ＳｉＯ2等の誘電体からなる層間膜２２を第一基板２１の表面上に形成する。このとき、信号処理回路３０の高さに応じて、層間膜２２の表面に凹凸が生じうる。図１１Ｃに示す通り、この凹凸は、ＣＭＰによって除去され層間膜２２の表面が平坦化されてもよい。これにより、後続のリソグラフィーにおいて、フォトレジスト及びブロック共重合体の膜が所望の状態で形成されやすい。
　次に、図１１Ｄに示す通り、フォトリソグラフィー及びエッチングによって層間膜２２に凹部２５を形成する。凹部２５の形成において、第一基板２１の主面が露出することがある。この場合、図１１Ｅに示す通り、凹部２５の内部に誘電体保護膜５３が形成される。誘電体保護膜５３は、例えば、１００ｎｍ程度の厚みを有するＳｉＮ等の誘電体の膜である。これにより、第一基板２１の主面が保護される。
　次に、図１１Ｆに示す通り、凹部２５を覆うように犠牲層５５が形成される。犠牲層５５をなす材料は、層間膜２２をなす材料とは異なる材料である。犠牲層５５をなす材料は、例えばＳｉである。次に、図１１Ｇに示す通り、ＣＭＰ等の方法によって、凹部２５の外側の犠牲層５５が取り除かれる。その後、実施形態１、実施形態２、及び実施形態３に記載の製造方法を応用することによって、サーモパイル型センサ１ｐを製造できる。
　（実施形態６）
　図１２Ａ及び図１２Ｂは、実施形態６のセンサアレイ２ａ及び２ｂを示す。センサアレイ２ａ及び２ｂは、一次元配列又は二次元配列をなす複数のサーモパイル型センサ１ａを備えている。一次元配列又は二次元配列をなす複数のサーモパイル型センサ１ａは、信号処理回路３０及び配線３１によって互いに接続されている。センサアレイ２ａ及び２ｂにおいて、一次元配列又は二次元配列をなす複数のサーモパイル型センサは、サーモパイル型センサ１ａの代わりに、サーモパイル型センサ１ｂから１ｓのいずれか１つを含んでいてもよい。センサアレイ２ａ及び２ｂにおいて、一次元配列又は二次元配列をなす複数のサーモパイル型センサは、サーモパイル型センサ１ｂから１ｓの中の複数種類のセンサを含んでいてもよい。
　以下、実施例を参照しながら、本実施形態がより詳細に説明される。ただし、本実施形態のサーモパイル型センサは、以下の実施例に示される各態様に限定されない。
　＜実施例１＞
　１×１０16ｃｍ-2のドーズ量でボロンイオンが不純物として注入されたｐ型Ｓｉ膜と、４×1015ｃｍ-2のドーズ量でリンイオンが不純物として注入されたｎ型Ｓｉ膜を準備した。ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜の厚みは１５０ｎｍであった。
　サーモリフレクタンス法に従って、ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率を測定した。フォノニック結晶形成前のｐ型Ｓｉ膜の２５℃における熱伝導率は２８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。フォノニック結晶形成前のｎ型Ｓｉ膜の２５℃における熱伝導率は３９Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。ｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、ｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率より約４０％高いことが理解される。
　ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜にフォノニック結晶を形成した。フォノニック結晶の形成において、複数の孔を正方格子状に配列させた。加えて、フォノニック結晶の平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比が５０％になるように、複数の孔の配列の周期Ｐ及び孔の直径Ｄを調整した。フォノニック結晶の形成により、フォノンの界面散乱頻度が増加し、ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率が低下した。周期Ｐが１０００ｎｍ、かつ、直径Ｄが８００ｎｍのフォノニック結晶をｐ型Ｓｉ膜に形成した。一方、周期Ｐが４００ｎｍ、かつ、直径Ｄが３２０ｎｍのフォノニック結晶をｎ型Ｓｉ膜に形成した。この場合、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、７．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、フォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、７．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。フォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率より約１％高いに過ぎない。このようなｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜を用いて熱電対を構成した場合、熱電対において発生する熱応力が低いと考えられる。
　＜比較例１＞
　以下の点以外は、実施例１と同様にして、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜及びフォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜を得た。周期Ｐが１０００ｎｍ、かつ、直径Ｄが８００ｎｍのフォノニック結晶をｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜に形成した。この場合、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、７．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、フォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、１０．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。フォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率より約３９％も高かった。
　＜実施例２＞
　以下の点以外は、実施例１と同様にして、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜及びフォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜を得た。周期Ｐが１５０ｎｍ、かつ、直径Ｄが１２０ｎｍのフォノニック結晶をｐ型Ｓｉ膜に形成した。一方、周期Ｐが１００ｎｍ、かつ、直径Ｄが８０ｎｍのフォノニック結晶をｎ型Ｓｉ膜に形成した。この場合、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、１．８９Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、フォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、１．９１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。この場合、フォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉの熱伝導率は、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉの熱伝導率より約１％大きいに過ぎない。このようなｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜を用いて熱電対を構成した場合、熱電対において発生する熱応力が低いと考えられる。
　＜比較例２＞
　以下の点以外は、実施例２と同様にして、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜及びフォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜を得た。周期Ｐが１５０ｎｍ、かつ、直径Ｄが１２０ｎｍのフォノニック結晶をｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜に形成した。この場合、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、１．８９Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、フォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、２．６３Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。フォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率より約３９％も高かった。
　実施例１と比較例１との対比及び実施例２と比較例２との対比によれば、フォノニック結晶における周期Ｐが小さいほど、フォノニック結晶におけるフォノンの界面散乱頻度が高くなりやすいと理解される。このため、フォノニック結晶における周期Ｐが小さいほど、ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率をより低減できる。ｐ型部位及びｎ型部位におけるフォノニック結晶の周期Ｐを異ならせることによって、熱電対を構成するｐ型部位及びｎ型部位との間における熱伝導率の差を小さくできることが理解される。なお、実施例１のｐ型Ｓｉ膜におけるフォノニック結晶において最近接の孔同士の距離は２００ｎｍであった。一方、実施例１のｎ型Ｓｉ膜におけるフォノニック結晶において最近接の孔同士の距離は８０ｎｍであった。実施例２のｐ型Ｓｉ膜におけるフォノニック結晶において最近接の孔同士の距離は３０ｎｍであった。一方、実施例１のｎ型Ｓｉ膜におけるフォノニック結晶において最近接の孔同士の距離は２０ｎｍであった。ｐ型部位及びｎ型部位におけるフォノニック結晶の最近接の孔同士の距離を異ならせることによって、熱電対を構成するｐ型部位及びｎ型部位との間における熱伝導率の差を小さくできることが理解される。
　＜実施例３＞
　４×１０15ｃｍ-2のドーズ量でボロンイオンが不純物として注入されたｐ型Ｓｉ膜と、１×１０16ｃｍ-2のドーズ量でリンイオンが不純物として注入されたｎ型Ｓｉ膜を準備した。ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜の厚みは１５０ｎｍであった。
　サーモリフレクタンス法に従って、ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率を測定した。フォノニック結晶形成前のｐ型Ｓｉ膜の２５℃における熱伝導率は３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。フォノニック結晶形成前のｎ型Ｓｉ膜の２５℃における熱伝導率は３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。ｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率はｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率より約２７％高いことが理解される。
　ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜にフォノニック結晶を形成した。フォノニック結晶の形成において、複数の孔を正方格子状に配列させ、かつ、フォノニック結晶の複数の孔の配列の周期Ｐを３００ｎｍに調整した。周期Ｐが３００ｎｍ、かつ、直径Ｄが１８０ｎｍのフォノニック結晶をｐ型Ｓｉ膜に形成した。ｐ型Ｓｉ膜のフォノニック結晶の平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比は２８％であった。一方、周期Ｐが３００ｎｍ、かつ、直径Ｄが１５０ｎｍのフォノニック結晶をｎ型Ｓｉ膜に形成した。ｎ型Ｓｉ膜のフォノニック結晶の平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比は２０％であった。この場合、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、１１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、フォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、１２．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。フォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率より約５％高いに過ぎない。このようなｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜を用いて熱電対を構成した場合、熱電対において発生する熱応力が低いと考えられる。
　＜比較例３＞
　以下の点以外は、実施例３と同様にして、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜及びフォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜を得た。周期Ｐが３００ｎｍ、かつ、直径Ｄが１５０ｎｍのフォノニック結晶をｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜に形成した。ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜の平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比は２０％であった。この場合、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、１５．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、フォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、１２．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率はフォノニック結晶を有するｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率より約２７％も高かった。
　実施例３と比較例３との対比によれば、フォノニック結晶における孔の直径が大きいほど、フォノニック結晶におけるフォノンの界面散乱頻度が高くなりやすいと理解される。このため、フォノニック結晶における孔の直径が大きいほど、ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｓｉ膜の熱伝導率をより低減できる。ｐ型部位及びｎ型部位におけるフォノニック結晶の孔の直径Ｄを異ならせることによって、熱電対を構成するｐ型部位及びｎ型部位との間における熱伝導率の差を小さくできることが理解される。なお、実施例３のｐ型Ｓｉ膜におけるフォノニック結晶において最近接の孔同士の距離は１２０ｎｍであった。一方、実施例３のｎ型Ｓｉ膜におけるフォノニック結晶において最近接の孔同士の距離は１５０ｎｍであった。ｐ型部位及びｎ型部位におけるフォノニック結晶の最近接の孔同士の距離を異ならせることによって、熱電対を構成するｐ型部位及びｎ型部位との間における熱伝導率の差を小さくできることが理解される。
　＜実施例４＞
　４×１０15ｃｍ-2のドーズ量でボロンイオンが不純物として注入されたｐ型Ｓｉ膜と、ｎ型Ｂｉ膜を準備した。ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｂｉ膜の厚みは１５０ｎｍであった。
　サーモリフレクタンス法に従って、ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｂｉ膜の熱伝導率を測定した。フォノニック結晶形成前のｐ型Ｓｉ膜の２５℃における熱伝導率は３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。一方、フォノニック結晶形成前のｎ型Ｂｉ膜の２５℃における熱伝導率は８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。ｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、ｎ型Ｂｉ膜の熱伝導率より約３７５％高いことが理解される。
　ｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｂｉ膜にフォノニック結晶を形成した。フォノニック結晶の形成において、複数の孔を正方格子状に配列させ、かつ、平面視におけるフォノニック結晶の面積に対する複数の孔の面積の和の比が５０％になるように、複数の孔の配列の周期Ｐ及び孔の直径Ｄを調整した。周期Ｐが１５０ｎｍ、かつ、直径Ｄが１２０ｎｍのフォノニック結晶をｐ型Ｓｉ膜に形成した。一方、周期Ｐが５００ｎｍ、かつ、直径Ｄが４００ｎｍのフォノニック結晶をｎ型Ｂｉ膜に形成した。この場合、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、２．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、フォノニック結晶を有するｎ型Ｂｉ膜の熱伝導率は、２．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。フォノニック結晶を有するｎ型Ｂｉ膜の熱伝導率は、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率より約３％高いに過ぎない。このようなｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｂｉ膜を用いて熱電対を構成した場合、熱電対において発生する熱応力が低いと考えられる。
　＜比較例４＞
　以下の点以外は、実施例４と同様にして、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜及びフォノニック結晶を有するｎ型Ｂｉ膜を得た。周期Ｐが５００ｎｍ、かつ、直径Ｄが４００ｎｍのフォノニック結晶をｐ型Ｓｉ膜及びｎ型Ｂｉ膜に形成した。この場合、フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、９．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、フォノニック結晶を有するｎ型Ｂｉ膜の熱伝導率は、２．７Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。フォノニック結晶を有するｐ型Ｓｉ膜の熱伝導率は、フォノニック結晶を有するｎ型Ｂｉ膜の熱伝導率より約２３７％も高かった。
　上記の例によれば、フォノニック結晶におけるフォノンの界面散乱頻度の調整により、母材の熱伝導率に差がある場合でも、熱電対を構成するｐ型部位及びｎ型部位との間の熱伝導率の差を小さくできることが理解される。
　本開示の赤外線センサは、赤外線センサの用途を含む種々の用途に使用できる。
　１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ、１ｊ、１ｋ、１ｌ、１ｍ、１ｎ、１ｏ、１ｐ、１ｑ、１ｒ、１ｓ　赤外線センサ
　２ａ、２ｂ　　　　　　　　　センサアレイ
　１０　　　　　　　　　　　　熱電対
　１０ｈ　　　　　　　　　　　孔
　１１　　　　　　　　　　　　ｐ型部位
　１１ｃ　　　　　　　　　　　第一フォノニック結晶
　１２　　　　　　　　　　　　ｎ型部位
　１２ｃ　　　　　　　　　　　第二フォノニック結晶
　１５　　　　　　　　　　　　センサ層
　１５ｂ　　　　　　　　　　　梁
　１５ｃ　　　　　　　　　　　接続部
　１５ｄ　　　　　　　　　　　センシング部
　１５ｅ　　　　　　　　　　　赤外線受光部
　１５ｐ　　　　　　　　　　　保護層
　１５ｓ　　　　　　　　　　　支持層
　２０　　　　　　　　　　　　基板

Claims (15)

  1. 　ｐ型材料を含み、平面視において複数の第１の孔が配列している第一フォノニック結晶を有するｐ型部位と、
    　ｎ型材料を含み、平面視において複数の第２の孔が配列している第二フォノニック結晶を有するｎ型部位と、を備え、
    　前記ｐ型部位及び前記ｎ型部位は、熱電対を構成しており、
    　下記（Ｉ）及び（II）からなる群より選択される少なくとも１つの条件を満たす、
    　サーモパイル型センサ。
    （Ｉ）前記第一フォノニック結晶におけるフォノンの界面散乱頻度は、前記第二フォノニック結晶におけるフォノンの界面散乱頻度と異なる。
    （II）前記第一フォノニック結晶の平面視における前記第一フォノニック結晶の面積に対する前記複数の第１の孔の面積の和の比は、前記第二フォノニック結晶の平面視における前記第二フォノニック結晶の面積に対する前記複数の第２の孔の面積の和の比と異なる。
  2. 　前記ｐ型材料の熱伝導率は、前記ｎ型材料の熱伝導率より高く、
    　下記（Ia）及び（IIa）からなる群より選択される少なくとも１つの条件を満たす、請求項１に記載のサーモパイル型センサ。
    （Ia）前記第一フォノニック結晶におけるフォノンの前記界面散乱頻度は、前記第二フォノニック結晶におけるフォノンの前記界面散乱頻度より高い。
    （IIa）前記第一フォノニック結晶の平面視における前記第一フォノニック結晶の面積に対する前記複数の第１の孔の面積の和の比は、前記第二フォノニック結晶の平面視における前記第二フォノニック結晶の面積に対する前記複数の第２の孔の面積の和の比より大きい。
  3. 　前記第一フォノニック結晶の平面視における前記複数の第１の孔に含まれる最も近い２つの孔の間の距離は、前記第二フォノニック結晶の平面視における前記複数の第２の孔に含まれる最も近い２つの孔の間の距離より短い、請求項２に記載のサーモパイル型センサ。
  4. 　前記第一フォノニック結晶の平面視における前記第一フォノニック結晶の面積に対する前記複数の第１の孔の面積の和の比は、前記第二フォノニック結晶の平面視における前記第二フォノニック結晶の面積に対する前記複数の第２の孔の面積の和の比より大きい、請求項２に記載のサーモパイル型センサ。
  5. 　前記第一フォノニック結晶の比表面積は、前記第二フォノニック結晶の比表面積より大きい、請求項２に記載のサーモパイル型センサ。
  6. 　前記ｎ型材料の熱伝導率は、前記ｐ型材料の熱伝導率より高く、
    　下記（Ib）及び（IIb）からなる群より選択される少なくとも１つの条件を満たす、
    （Ib）前記第二フォノニック結晶におけるフォノンの前記界面散乱頻度は、前記第一フォノニック結晶におけるフォノンの前記界面散乱頻度より高い。
    （IIb）前記ｎ型部位の平面視における前記ｎ型部位の面積に対する前記複数の第２の孔の面積の和の比は、前記ｐ型部位の平面視における前記ｐ型部位の面積に対する前記複数の第１の孔の面積の和の比より大きい。
    　請求項１に記載のサーモパイル型センサ。
  7. 　前記第二フォノニック結晶の平面視における前記複数の第２の孔に含まれる最も近い２つの孔の間の距離は、前記第一フォノニック結晶の平面視における前記複数の第１の孔に含まれる最も近い２つの孔の間の距離より短い、請求項６に記載のサーモパイル型センサ。
  8. 　前記ｎ型部位の平面視における前記ｎ型部位の面積に対する前記複数の第２の孔の面積の和の比は、前記ｐ型部位の平面視における前記ｐ型部位の面積に対する前記複数の第１の孔の面積の和の比より大きい、請求項６に記載のサーモパイル型センサ。
  9. 　前記第二フォノニック結晶の比表面積は、前記第一フォノニック結晶の比表面積より大きい、請求項６に記載のサーモパイル型センサ。
  10. 　基板と、
    　前記熱電対を含むセンサ層と、を備え、
    　前記センサ層は、接続部、梁、及びセンシング部を有し、
    　前記接続部は、前記センサ層を前記基板に接続しており、
    　前記梁は、前記センシング部に接続され、前記センシング部を前記基板から離れた状態で支持しており、
    　前記センシング部及び前記梁は、前記熱電対を含み、
    　前記ｐ型部位は、正のゼーベック係数を有し、
    　前記ｎ型部位は、負のゼーベック係数を有する、
    　請求項１から９のいずれか１項に記載のサーモパイル型センサ。
  11. 　前記センサ層は、前記熱電対が前記基板と向かい合っている単一な層である、請求項１０に記載のサーモパイル型センサ。
  12. 　前記センサ層は、支持層を有し、
    　前記熱電対は、前記支持層の上に配置されている、請求項１０に記載のサーモパイル型センサ。
  13. 　前記センサ層は、前記ｐ型部位及び前記ｎ型部位を覆う保護層を有する、請求項１０又は１２に載のサーモパイル型センサ。
  14. 　前記センシング部は、赤外線受光部を含む、請求項１０から１３のいずれか１項に記載のサーモパイル型センサ。
  15. 　一次元配列又は二次元配列をなす複数のサーモパイル型センサを備え、
    　前記複数のサーモパイル型センサは、請求項１から１４のいずれか１項に記載のサーモパイル型センサを含む、
    　センサアレイ。
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