(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線センサであって、
凹部を有するベース基板、
サーモパイル赤外線受光部、
第１の梁、および
第２の梁、
を具備し、
ここで、
前記第１の梁の一端が前記赤外線受光部に接続されており、
前記第１の梁の他端が前記ベース基板に接続されており、
前記第２の梁の一端が前記赤外線受光部に接続されており、
前記第２の梁の他端が前記ベース基板に接続されており、
断面視において、前記赤外線受光部が前記ベース基板の上部で懸架されるように前記凹部が前記赤外線受光部および前記ベース基板の間に挟まれており、
断面視において、前記第１の梁が前記ベース基板の上部で懸架されるように前記凹部が前記第１の梁および前記ベース基板の間に挟まれており、
断面視において、前記第２の梁が前記ベース基板の上部で懸架されるように前記凹部が前記第２の梁および前記ベース基板の間に挟まれており、
前記第１の梁は、ｐ型第１ドメインおよびｐ型第２ドメインを含み、
平面視において、前記ｐ型第１ドメインは、前記ｐ型第２ドメインおよび前記赤外線受光部の間に挟まれており、
前記ｐ型第１ドメインは、周期ｐ１pで規則的に配列された複数の貫通孔を具備する
フォノニック結晶から形成されており、
前記ｐ型第２ドメインは、周期ｐ２pで規則的に配列された複数の貫通孔を具備する
フォノニック結晶から形成されており、
前記周期ｐ２pの値は、前記周期ｐ１pの値よりも大きく、
前記第２の梁は、ｎ型第１ドメインおよびｎ型第２ドメインを含み、
平面視において、前記ｎ型第１ドメインは、前記ｎ型第２ドメインおよび前記赤外線受光部の間に挟まれており、
前記ｎ型第１ドメインは、周期ｐ１nで規則的に配列された複数の貫通孔を具備する
フォノニック結晶から形成されており、
前記ｎ型第２ドメインは、周期ｐ２nで規則的に配列された複数の貫通孔を具備する
フォノニック結晶から形成されており、かつ
前記周期ｐ２nの値は、前記周期ｐ１nの値よりも大きい、
赤外線センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の赤外線センサであって、さらに、
前記第１の梁に電気的に接続された第１の配線、
前記第２の梁に電気的に接続された第２の配線、
前記第１の配線に電気的に接続された第１の電極、および
前記第２の配線に電気的に接続された第２の電極、
を具備する、赤外線センサ。
【請求項３】
赤外線センサであって、
凹部を有するベース基板、
サーミスタ赤外線受光部、
第１の梁、
前記赤外線受光部に電気的に接続された第１の配線、
前記赤外線受光部に電気的に接続された第２の配線、
前記第１の配線に電気的に接続された第１の電極、および
前記第２の配線に電気的に接続された第２の電極、
を具備し、
ここで
前記第１の梁の一端が前記赤外線受光部に接続されており、
前記第１の梁の他端が前記ベース基板に接続されており、
断面視において、前記赤外線受光部が前記ベース基板の上部で懸架されるように前記凹部が前記赤外線受光部および前記ベース基板の間に挟まれており、
断面視において、前記第１の梁が前記ベース基板の上部で懸架されるように前記凹部が前記第１の梁および前記ベース基板の間に挟まれており、
前記第１の梁は、第１ドメインおよび第２ドメインを含み、
平面視において、前記第１ドメインは、前記第２ドメインおよび前記赤外線受光部の間に挟まれており、
前記第１ドメインは、周期ｐ１で規則的に配列された複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶から形成されており、
前記第２ドメインは、周期ｐ２で規則的に配列された複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶から形成されており、かつ
前記周期ｐ２の値は、前記周期ｐ１の値よりも大きい、
赤外線センサ。
【請求項４】
請求項３に記載の赤外線センサであって、さらに、
第２の梁
を具備し、
ここで、
前記第２の梁の一端が前記赤外線受光部に接続されており、
前記第２の梁の他端が前記ベース基板に接続されており、
断面視において、前記第２の梁が前記ベース基板の上部で懸架されるように前記凹部が前記第２の梁および前記ベース基板の間に挟まれており、
前記第２の梁は、それぞれフォノニック結晶から形成された第３ドメインおよび第４ドメインを具備し、
平面視において、前記第３ドメインは、前記第４ドメインおよび前記赤外線受光部の間に挟まれており、
前記第３ドメインは、周期ｐ３で規則的に配列された複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶から形成されており、
前記第４ドメインは、周期ｐ４で規則的に配列された複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶から形成されており、かつ
前記周期ｐ４の値は、前記周期ｐ３の値よりも大きい、
赤外線センサ。
【請求項５】
請求項３に記載の赤外線センサであって、
前記第１の配線および前記第２の配線は、前記第１の梁の表面に接している、
赤外線センサ。
【請求項６】
請求項４に記載の赤外線センサであって、
前記第１の配線は、前記第１の梁の表面に接しており、かつ
前記第２の配線は、前記第２の梁の表面に接している、
赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、フォノニック結晶構造を搭載した赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱型赤外線センサでは、特許文献１に記載されているように、赤外線受光部が梁を介してベース基板から離間して配置される構造が提案されている。この構造は、赤外線受光部をベース基板から熱的に絶縁させることを目的としており、梁の断熱性能が高いほど赤外線の受光感度は向上する。特許文献１に記されているように、エアロゲルなどの多孔質の材料を梁として用いることで断熱性能を向上させることが出来る。しかしながら秩序のない単純な多孔質構造では、空隙率の増加に伴った熱コンダクタンスの減少が得られるに過ぎないため、断熱性能は限定的である。
【０００３】
一方、非特許文献１あるいは特許文献２では、ナノオーダー（１ｎｍから１０００ｎｍの領域）で周期的に整列した貫通孔や柱状の共振器を薄膜状の物質に導入することで、その薄膜を構成する母材の熱伝導率を減少させられることが開示されている。このような物質はフォノニック結晶と呼ばれ、構成材料の熱伝導率そのものが減少するため、単純な多孔質構造に比べて、空隙率の導入に起因する熱コンダクタンスの減少以上の断熱効果が得られる。
【０００４】
以下にフォノニック結晶が熱伝導を制御する仕組みを記す。絶縁体、あるいは半導体では、熱は主にフォノンと呼ばれる格子振動によって運ばれる。フォノンの分散関係（周波数と波数の関係、あるいはバンド構造）は材料毎に決まっており、絶縁体や半導体の熱伝導率はフォノン分散関係によって決定される。特に、熱を運ぶフォノンは１００ＧＨｚから１０ＴＨｚの幅広い周波数帯域に及び、この帯域に該当するフォノンが材料の熱伝導特性を決定する。前述の熱を運ぶフォノンの周波数帯域をここでは熱の帯域と定義する。フォノニック結晶では、周期構造を導入することで材料本来のフォノン分散を人工的に制御出来るため、材料の熱伝導率そのものを制御することが出来る。特に、分散曲線において断熱性能に影響を与える変化としては、フォノニックバンドギャップ（ＰＢＧ）の形成が挙げられる。熱の帯域にＰＢＧを形成することが出来れば、ＰＢＧ内のフォノンは存在出来なくなるため、熱の伝導に寄与しなくなる。その結果、熱伝導率を減少させることが出来る。
【０００５】
このようなフォノニック結晶構造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出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−０６３３５９号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１５／００１５９３０号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ  ９１，  ２０５４２２  （２０１５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＰＢＧの中心周波数ωｇは、フォノニック結晶に導入された周期構造の周期Ｐに依存する（ωｇは（１／Ｐ）に比例する）。そのため、ＰＢＧによって熱伝導の寄与を排除できるフォノンの周波数帯域は、フォノニック結晶の周期に強く依存する。一方、熱の帯域は温度によって変化する。例えば、温度が高いほど熱の帯域は高周波数側にシフトし、温度が低いほど低周波側にシフトする。したがって、単一周期からなるフォノニック結晶では、特定の温度においてのみ優れた断熱性能を発揮する。つまり、フォノニック結晶の温度変化に伴ってＰＢＧが熱の帯域から外れた場合、フォノニック結晶の断熱効果は弱まる。
【０００９】
フォノニック結晶を赤外線センサの梁に用いる場合、赤外線受光部からベース基板に向かって梁内部で温度勾配が発生する。つまり梁内部において、赤外線受光部側がベース基板側に対して高温になる。これは、赤外線受光部側における熱の帯域が、ベース基板側における熱の帯域に比べて、相対的に周波数が高くなることを意味している。したがって梁を単一周期からなるフォノニック結晶で構成した場合、赤外線受光部側とベース基板側において、熱の帯域とＰＢＧとの周波数領域における位置関係が変動する。このため、赤外線受光部側の温度に合わせてフォノニック結晶を設計した場合、ベース基板側での断熱性能は弱まり、ベース基板側の温度に合わせてフォノニック結晶を設計した場合、赤外線受光部側での断熱性能は弱まる。このように、単一周期からなる一様なフォノニック結晶で梁を構成した場合、梁全域にわたって十分な断熱性能が得られない。
【００１０】
本開示は、熱型赤外線センサの感度向上のための技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の赤外線センサは、赤外線受光部とベース基板とを、貫通孔が周期的に配列した薄膜状のフォノニック結晶からなる梁で離間するように構成され、前記フォノニック結晶からなる梁は、前記赤外線受光部から前記ベース基板方向に向かって、任意の間隔毎に貫通孔の周期が増大するように構成されている。
【発明の効果】
【００１２】
本開示によれば、梁内において、赤外線受光部からベース基板方向に向かって、任意の間隔毎に貫通孔の周期が増大するように微細加工を施すことにより、梁全域に渡って優れた断熱効果が得られる。その結果、優れた感度を持つ赤外線センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１の赤外線センサにおける赤外線受光部付近の平面図
【図２】本発明の実施の形態１の赤外線センサにおける赤外線受光部付近の断面図
【図３】サーモパイル方式を用いた場合の実施の形態１の赤外線センサの概略図
【図４Ａ】サーミスタ方式を用いた場合の実施の形態１における両持ち梁構造を持つ赤外線センサの概略図
【図４Ｂ】サーミスタ方式を用いた場合の実施の形態１における片持ち梁構造を持つ赤外線センサの概略図
【図５Ａ】本発明の実施の形態１における赤外線受光部と梁の付近の拡大図
【図５Ｂ】本発明の実施の形態１における梁のフォノニックドメインの拡大図の一例
【図５Ｃ】本発明の実施の形態１における梁のフォノニックドメインの拡大図の一例
【図５Ｄ】本発明の実施の形態１における梁のフォノニックドメインの拡大図の一例
【図６Ａ】フォノニック結晶を構成する周期構造の単位格子の例を示す図
【図６Ｂ】フォノニック結晶を構成する周期構造の単位格子の例を示す図
【図６Ｃ】フォノニック結晶を構成する周期構造の単位格子の例を示す図
【図６Ｄ】フォノニック結晶を構成する周期構造の単位格子の例を示す図
【図７】本発明の実施の形態１の赤外線センサにおいてサーモパイル方式を用いた場合の製造方法を説明するための平面図
【図８】本発明の実施の形態２の赤外線センサにおける赤外線受光部と梁の付近の拡大図
【図９】本発明の実施の形態３の赤外線センサにおける赤外線受光部と梁の付近の拡大図
【図１０】本発明の実施の形態３の赤外線センサにおける赤外線受光部と梁の付近の拡大図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１の赤外線センサにおける赤外線受光部付近の平面図および断面図をそれぞれ図１および図２に示す。本発明の赤外線センサは、Ｓｉなどの半導体からなるベース基板１１の直上に設けられた空間（すなわち、凹部３０、図２を参照せよ）を隔てて設置される赤外線受光部１２と、空間部において、赤外線受光部１２を支える第１の梁１３ａおよび第２の梁１３ｂとからなる。用語「梁１３」は、「第１の梁１３ａ」および「第２の梁１３ｂ」を含み得る。
【００１６】
さらにベース基板１１上に設けられた信号処理回路１４と、赤外線受光部１２からの電気信号を信号処理回路１４に伝える電気配線１５からなる。また赤外線受光部１２の最表面層には赤外線吸収層１６が設けられる。
【００１７】
本発明の赤外線センサの動作原理について図２を用いて説明する。赤外線受光部１２に赤外線１７が入射すると、赤外線受光部１２の温度が上昇する。このとき赤外線受光部１２は熱浴となるベース基板１１から熱的に絶縁されているほど温度が上昇する。赤外線受光部１２の温度検出方式はゼーベック効果を利用したサーモパイル方式でも良いが、抵抗変化を利用したサーミスタ方式でも良い。サーモパイル方式の場合、図３に示すように、梁１３そのものがサーモパイル１８として機能し、ベース基板１１上で梁と接続された電気配線１５によって電気信号が信号処理回路１４に運ばれ、温度測定あるいは赤外線の強度測定を行う。一方、サーミスタ方式の場合、図４Ａあるいは図４Ｂに示すように、赤外線受光部１２上にＰｔなどのサーミスタ配線１９を施し、梁１３上に設置された電気配線１５を伝ってベース基板１１上に形成される信号処理回路１４に運ばれ、温度測定あるいは赤外線の強度測定を行う。なおサーミスタ方式の場合、図４Ａに示すような両持ち梁構造でも良いが、図４Ｂに示すような片持ち梁構造でも良い。言い換えれば、サーミスタ赤外線受光部１２が用いられる場合、第２の梁１３ｂは不要である。
【００１８】
図３、図４Ａあるいは図４Ｂに示す基本構成を一画素として、ベース基板１１上に配列することで有限の温度を持った物体のイメージングや、赤外線放射やレーザ光線の強度分布を測定することが出来る。
【００１９】
本発明における赤外線センサの梁１３は厚さ１０ｎｍから５００ｎｍの薄膜状の物質で、薄膜面内に任意の直径からなる貫通孔２０が任意の周期で配列する二次元フォノニック結晶によって構成されている。図５Ａに本発明の実施の形態１における赤外線受光部１２と梁１３の一部を含む平面の拡大図を示す。梁１３には、図５Ａに示すように、ひとつの周期性からなる一様なフォノニック結晶ではなく、下記に定義する複数のフォノニックドメイン２１が配置される構造を持つ。フォノニックドメイン２１は、図５Ａの点線で囲われた領域にあたり、その内部では一様なフォノニック結晶構造（貫通孔が一様な周期で配列した構造）を持った領域を指す。図５Ａは梁１３の一部を示しており、一例として、３つのフォノニックドメイン２１によって構成されている様子を示す。また図５Ｂ、図５Ｃ、図５Ｄに各フォノニックドメインにおける周期構造の拡大図を示す。各フォノニックドメイン内は一様な周期構造で構成されるものの、隣り合うフォノニックドメイン間では異なる周期構造を有する。本発明における赤外線センサの梁１３では、図５Ａに示すように、赤外線受光部１２側からベース基板１１側の方向に沿って、２種類以上のフォノニックドメイン２１が任意の間隔毎に周期が増大するように配置される。なおフォノニックドメインの数は多ければ多いほど断熱効果は高まる。この理由としては、異なる周期構造を持つフォノニックドメインは異なるフォノン分散を持つため、隣り合うフォノニックドメインの間では、フォノン群速度のミスマッチによって界面熱抵抗が発生するためである。隣り合うフォノニックドメインが配列する間隔は周期的でも良いし、ランダムでも良い。
【００２０】
本発明の実施の形態１の赤外線センサにおけるフォノニックドメインの周期Ｐは、１ｎｍから３００ｎｍの範囲内であることが好ましい。この理由としては、熱を運ぶフォノンの波長が主に１ｎｍから３００ｎｍの範囲に及ぶからである。
【００２１】
本発明の実施の形態１の赤外線センサにおけるフォノニックドメインの貫通孔の直径Ｄは、周期Ｐに対して、Ｄ／Ｐ  ≧  ０．５であることが好ましい。この理由としては、Ｄ／Ｐ  ＜  ０．５の条件下では空隙率が低下するため優れた断熱性能が得られないからである。なお隣り合う貫通孔は接触しないように、Ｄ／Ｐ  ＜  ０．９である必要もある。
【００２２】
本発明の実施の形態１の赤外線センサにおける一つのフォノニックドメインの面内の形状は円形でも多角形でも良いが、面内サイズは、フォノニックドメインを構成する周期構造の周期Ｐに対して一辺の長さ５Ｐ以上、面積２５Ｐ2以上を満たすことが好ましい。この理由としては、ＰＢＧの形成には最低５周期分の一様な周期構造が必要となるからである。
【００２３】
本発明の実施の形態１の赤外線センサにおけるフォノニックドメインの周期構造を形成する単位格子２２としては、図６Ａ〜図６Ｄに示すように、正方格子（図６Ａ）、六方格子（図６Ｂ）、長方格子（図６Ｃ）あるいは面心長方格子（図６Ｄ）などが挙げられる。各フォノニックドメインを構成する単位格子の種類は梁全域に渡って一種類であっても良く、数種類であっても良い。
【００２４】
本発明の実施の形態１の赤外線センサにおける梁１３を構成する材料は、金属ではなく、半導体であることが好ましい。この理由としては、金属においては熱を運ぶ媒体がフォノンではなく自由電子であるためである。具体的には、Ｓｉ、Ｇｅなどの単一元素からなる半導体や、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＳｉＧｅ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩｎＰ、ＧａＮ、ＡｌＮなどの化合物半導体、あるいはＦｅ2Ｏ3、ＶＯ2、ＴｉＯ2、ＳｒＴｉＯ3などの酸化物半導体や絶縁体を用いることが好ましい。
【００２５】
サーミスタ赤外線受光部１２が用いられる場合、梁１３は、半導体または絶縁体から形成され得る。絶縁体の材料の例は、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2などである。
【００２６】
本発明の実施の形態１の赤外線センサの製造方法の一例を下記に記す。
【００２７】
Ｓｉベース基板１１の上面に信号処理回路１４を形成した後に、熱酸化によって、ベース基板１１の表面を被覆するようにＳｉＯ2の絶縁層を形成する。その後ＣＶＤ法などで梁層をＳｉＯ2層の上面に形成する。なお梁層は赤外線受光部を構成する層も兼ねる。貫通孔２０の形成には、１００ｎｍから３００ｎｍの周期構造では電子線リソグラフィー、１ｎｍから１００ｎｍの周期ではブロック共重合体リソグラフィーを用いる。フォトリソグラフィーによって赤外線受光部１２および梁１３の形状を描画し、選択的エッチングによって梁層をベース基板１１から空間的に離間させる。
【００２８】
サーミスタ方式の赤外線検出の場合、フォトリソグラフィーおよびスパッタリング法などによってＰｔなどからなるサーミスタ１９を赤外線受光部１２に形成する。さらに次の工程において、フォトリソグラフィーおよびスパッタリング法を用いて、赤外線受光部１２上に、金黒などの赤外線吸収材料からなる赤外線吸収層１６を形成する。また梁１３の一部にフォトリソグラフィーおよびスパッタリング法を用いて電気配線１５を設け、受光部に形成されたサーミスタ１９とベース基板１１上に設けられた信号処理回路１４を電気的に接続する。サーミスタ方式では、赤外線が赤外線受光部１２に入射すると、赤外線入射に伴うサーミスタの抵抗の温度変化を信号処理回路１４でモニタリングすることで赤外線の入射量を判断し、赤外線センサとして機能する。
【００２９】
一方、サーモパイル方式の赤外線検出の場合、梁１３を構成する半導体材料が熱電対として機能する。梁１３を熱電対として機能させるために、図７に示すように、赤外線受光部１２を挟んで梁の一方（すなわち、第１の梁１３ａ）はＰ型、もう一方（すなわち、第２の梁１３ｂ）はＮ型にドーピングする。この際、赤外線受光部１２上で、Ｐ型領域２３とＮ型領域２４が接触するようにドーピングを行う。一方、梁１３のベース基板側の領域においては、ベース基板の一部にはみ出す形でドーピングを行う。梁１３端部のドーピングされた領域からは、ベース基板１１上に金属からなる電気配線１５をフォトリソグラフィーおよびスパッタリング法を用いて設けて、ベース基板１１上に形成された信号処理回路１４に電気的に接続する。サーモパイル方式では、Ｎ型にドープされた梁の端部とＰ型にドープされた梁１３での端部の間で発生した起電圧を信号処理回路１４でモニタリングすることで赤外線の入射量を判断し、赤外線センサとして機能する。この説明から明らかなように、サーモパイル赤外線受光部１２が用いられる場合、ｐ型にドープされた第１の梁１３ａおよびｎ型にドープされた第２の梁１３ｂが必要であるため、梁１３は絶縁体から形成されない。一方、サーミスタ赤外線受光部１２が用いられる場合、梁１３は第２の梁１３ｂは必須ではなく、かつ梁１３（すなわち、第１の梁１３ａ）は絶縁体から形成され得る。
【００３０】
（実施の形態２）
図８に、本発明の実施の形態２の赤外線センサにおける梁１３を構成する二次元フォノニック結晶の一例を示す。実施の形態１と同様、実施の形態２の梁は複数のフォノニックドメイン２１によって構成されている。実施の形態２のフォノニックドメインは、一つの周期構造を構成する貫通孔同士の間隙に、周期構造とは異なる新たな周期構造を含む、階層構造からなる複数の周期構造を含むことを特徴とする。一例として、直径Ｄ1の貫通孔２０が周期Ｐ1で配列する第１周期構造２５の間隙の中に、直径Ｄ2の貫通孔２０が周期Ｐ2で配列するもう一つの第２周期構造２６が存在する階層構造からなるマルチ周期構造によってフォノニックドメインが形成されている。このように複数の周期構造を一つのフォノニックドメイン内に形成することで、複数のＰＢＧを一度に形成することができる。さらに、複数のＰＢＧで熱の帯域を挟み込むように周期構造を形成すれば、バンド端効果によって熱の帯域のフォノンの群速度を低下させることが出来るため、さらなる熱伝導率の低減効果が得られる。実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、隣り合うフォノニックドメイン間では異なる周期構造を有する。実施の形態２における赤外線センサの梁１３では、図８に示すように、赤外線受光部１２側からベース基板１１側の方向に沿って、２種類以上のフォノニックドメイン２１が任意の間隔毎に、第１周期構造２５あるいは第２周期構造２６のいずれかの周期が増大するように配置される。なおフォノニックドメイン２１の数は多ければ多いほど断熱効果は高まる。この理由としては、異なる周期構造を持つフォノニックドメインは異なるフォノン分散を持つため、隣り合うフォノニックドメインの間では、フォノン群速度のミスマッチによって界面熱抵抗が発生するためである。隣り合うフォノニックドメインが配列する間隔は周期的でも良いし、ランダムでも良い。
【００３１】
なお図８では一つのフォノニックドメイン２１内に２種類の周期構造が形成されているが、フォノニックドメイン２１を構成する周期構造は３種類以上あっても良い。例えば、直径Ｄ1の貫通孔が周期Ｐ1で配列する第１周期構造２５の間隙の中に、直径Ｄ2の貫通孔が周期Ｐ2で配列する第２周期構造２６が存在し、さらに第２周期構造の間隙に、もう一つの第３周期構造が存在する構造でも良い。
【００３２】
本発明の実施の形態２の赤外線センサにおけるフォノニックドメイン２１の周期Ｐは、１ｎｍから３００ｎｍの範囲内であることが好ましい。この理由としては、熱を運ぶフォノンの波長が主に１ｎｍから３００ｎｍの範囲に及ぶからである。
【００３３】
本発明の実施の形態２の赤外線センサにおけるフォノニックドメイン２１内における最大の周期を持つ周期構造を第１周期構造、第１周期構造の間隙に配列される周期構造を第２周期構造と定義した場合、第１周期構造における隣り合う貫通孔の間隙は、第２周期構造の貫通孔が５周期分以上収まる大きさである必要がある。第１周期構造の周期Ｐ1と第２周期構造の周期Ｐ2はＰ1／Ｐ2 ≧  １０の関係を満たすのが好ましい。この理由としては、熱の帯域が３桁程度異なる周波数帯域に広く分布するのに対して、第１周期構造によって形成されるＰＢＧの中心周波数と第２周期構造によって形成されるＰＢＧの中心周波数を１０倍以上異なるように設計するためである。両者のＰＢＧの中心周波数が近い場合、マルチ周期構造の効果は弱まる。上記関係を満たすようであれば、第１周期構造と第２周期構造の貫通孔の直径と周期の関係Ｄ／Ｐはどのように設計しても良い。なお隣り合う貫通孔は接触しないように、Ｄ／Ｐを適切に設定する必要がある。
【００３４】
本発明の実施の形態２の赤外線センサにおけるフォノニックドメイン２１の面内の形状は円形でも多角形でも良いが、面内サイズは、フォノニックドメイン内における最大の周期を持つ周期構造を第１周期構造と定義した場合、第１周期構造の周期Ｐ1に対して一辺の長さ５Ｐ1以上、面積２５Ｐ12以上を満たすことが好ましい。この理由としては、ＰＢＧの形成には最低５周期分の一様な周期構造が必要となるからである。
【００３５】
本発明の実施の形態２の赤外線センサにおけるフォノニックドメインの周期構造を形成する単位格子としては、図６に示すように、正方格子（図６ａ）、六方格子（図６ｂ）、長方格子（図６ｃ）、あるいは面心長方格子（図６ｄ）などが挙げられる。各フォノニックドメインを構成する単位格子の種類は梁全域に渡って一種類であっても良く、数種類であっても良い。
【００３６】
本発明の実施の形態２の赤外線センサの製造方法は実施の形態１の赤外線センサと同様の手法で製造できる。
【００３７】
（実施の形態３）
図９に、本発明の実施の形態３の赤外線センサにおける梁１３を構成する二次元フォノニック結晶の一例を示す。実施の形態１と同様、実施の形態３の梁１３は複数のフォノニックドメインによって構成されている。実施の形態３のフォノニックドメイン２１は、直径Ｄ1の貫通孔２０が周期Ｐ1で配列することで形成されるミクロ周期構造２７が複数個配列することで形成される。ミクロ周期構造２７をサブフォノニックドメイン２８と定義する。また一つのフォノニックドメイン２１を構成するサブフォノニックドメイン２８は、一様な形状からなり、周期Ｐmの間隔で配列し、マクロ周期構造２９を形成している。なおサブフォノニックドメイン２８の形状は、一様であれば円形でも良く、四角形でも良い。サブフォノニックドメインの一辺の長さが、サブフォノニックドメイン２８の全体形状に対して十分小さい場合、波長の長いフォノンに対して、一つのサブフォノニックドメイン２８は図１０の模式図に示すように一つの大きな貫通孔として機能する。それゆえ、波長の長いフォノンに対してフォノニック結晶として断熱性能を発揮する。それに対して、波長の短いフォノンに対しては、サブフォノニックドメイン２８内のミクロ周期構造２７が断熱性能を発揮する。したがって、本発明の実施の形態３におけるミクロ周期構造２７を構成する貫通孔の周期Ｐ1は、サブフォノニックドメインの一辺の長さＬsに対して、Ｐ1／Ｌs ≦ ０．１である必要がある。この理由としては、Ｐ1／Ｌs ＞０．１の場合、長い波長のフォノンはミクロ周期構造によって散乱され、フォノニック結晶として機能しないためである。
【００３８】
このように複数の周期構造を一つのフォノニックドメイン内に形成することで、複数のＰＢＧを一度に形成することができる。複数のＰＢＧで熱の帯域を挟み込むように周期構造を形成すれば、バンド端効果によって熱の帯域のフォノンの群速度を低下させることが出来るため、さらなる熱伝導率の低減効果が得られる。実施の形態３においても、実施の形態１と同様に、隣り合うフォノニックドメイン間では異なる周期構造を有する。実施の形態３における赤外線センサの梁１３では、図９に示すように、赤外線受光部１２側からベース基板１１側の方向に沿って、２種類以上のフォノニックドメインが任意の間隔毎に、ミクロ周期構造２７あるいはマクロ周期構造２９のいずれかの周期が増大するように配置される。なおフォノニックドメイン２１の数は多ければ多いほど断熱効果は高まる。この理由としては、異なる周期構造を持つフォノニックドメインは異なるフォノン分散を持つため、隣り合うフォノニックドメインの間では、フォノン群速度のミスマッチによって界面熱抵抗が発生するためである。隣り合うフォノニックドメインが配列する間隔は周期的でも良いし、ランダムでも良い。
【００３９】
本発明の実施の形態３の赤外線センサにおけるサブフォノニックドメイン２８のミクロ周期構造２７の周期Ｐsは、１ｎｍから３０ｎｍの範囲内であることが好ましい。一方、サブフォノニックドメイン２８が形成するマクロ周期構造２９の周期Ｐmはミクロ周期構造２７の周期に応じて、１０ｎｍから３００ｎｍであることが好ましい。
【００４０】
サブフォノニックドメイン２８を構成するミクロ周期構造２７では、貫通孔が５周期分以上整列している必要がある。この条件はフォノニックドメイン２１が形成するマクロ周期構造２９にも当てはまる。
【００４１】
本発明の実施の形態３の赤外線センサにおけるフォノニックドメイン２１の面内の形状は円形でも多角形でも良い。本発明の実施の形態３におけるフォノニックドメインの面内サイズは、サブフォノニックドメイン２１が形成するマクロ周期構造２９の周期Ｐmに対して、一辺の長さ５Ｐm以上、面積２５Ｐm2以上を満たすことが好ましい。この理由としては、ＰＢＧの形成には最低５周期分の一様な周期構造が必要となるからである。
【００４２】
本発明の実施の形態３の赤外線センサにおけるマクロ周期構造およびミクロ周期構造を形成する単位格子としては、図６に示すように、正方格子（図６ａ）、六方格子（図６ｂ）、長方格子（図６ｃ）、あるいは面心長方格子（図６ｄ）などが挙げられる。各フォノニックドメインを構成する単位格子の種類は梁全域に渡って一種類であっても良く、数種類であっても良い。
【００４３】
本発明の実施の形態３の赤外線センサの製造方法は実施の形態１の赤外線センサと同様の手法で製造できる。
【００４４】
上記の開示内容から導出される本発明は以下の通りである。
１．赤外線センサであって、以下を具備する：
凹部を有するベース基板、
サーモパイル赤外線受光部、
第１の梁、および
第２の梁、ここで、
前記第１の梁の一端が前記赤外線受光部に接続されており、
前記第１の梁の他端が前記ベース基板に接続されており、
前記第２の梁の一端が前記赤外線受光部に接続されており、
前記第２の梁の他端が前記ベース基板に接続されており、
断面視において、前記赤外線受光部が前記ベース基板の上部で懸架されるように前記凹部が前記赤外線受光部および前記ベース基板の間に挟まれており、
断面視において、前記第１の梁が前記ベース基板の上部で懸架されるように前記凹部が前記第１の梁および前記ベース基板の間に挟まれており、juy6
断面視において、前記第２の梁が前記ベース基板の上部で懸架されるように前記凹部が前記第２の梁および前記ベース基板の間に挟まれており、
前記第１の梁は、ｐ型第１ドメインおよびｐ型第２ドメインを含み、
平面視において、前記ｐ型第１ドメインは、前記ｐ型第２ドメインおよび前記赤外線受光部の間に挟まれており、
前記ｐ型第１ドメインは、周期ｐ１pで規則的に配列された複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶から形成されており、
前記ｐ型第２ドメインは、周期ｐ２pで規則的に配列された複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶から形成されており、
前記周期ｐ２pの値は、前記周期ｐ１pの値よりも大きく、
前記第２の梁は、ｎ型第１ドメインおよびｎ型第２ドメインを含み、
平面視において、前記ｎ型第１ドメインは、前記ｎ型第２ドメインおよび前記赤外線受光部の間に挟まれており、
前記ｎ型第１ドメインは、周期ｐ１nで規則的に配列された複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶から形成されており、
前記ｎ型第２ドメインは、周期ｐ２nで規則的に配列された複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶から形成されており、かつ
前記周期ｐ２nの値は、前記周期ｐ１nの値よりも大きい。
２．項目１に記載の赤外線センサであって、さらに以下を具備する：
前記第１の梁に電気的に接続された第１の配線、
前記第２の梁に電気的に接続された第２の配線、
前記第１の配線に電気的に接続された第１の電極、および
前記第２の配線に電気的に接続された第２の電極。
３．赤外線センサであって、以下を具備する：
凹部を有するベース基板、
サーミスタ赤外線受光部、
第１の梁、
前記赤外線受光部に電気的に接続された第１の配線、
前記赤外線受光部に電気的に接続された第２の配線、
前記第１の配線に電気的に接続された第１の電極、および
前記第２の配線に電気的に接続された第２の電極、ここで
前記第１の梁の一端が前記赤外線受光部に接続されており、
前記第１の梁の他端が前記ベース基板に接続されており、
断面視において、前記赤外線受光部が前記ベース基板の上部で懸架されるように前記凹部が前記赤外線受光部および前記ベース基板の間に挟まれており、
断面視において、前記第１の梁が前記ベース基板の上部で懸架されるように前記凹部が前記第１の梁および前記ベース基板の間に挟まれており、
前記第１の梁は、第１ドメインおよび第２ドメインを含み、
平面視において、前記第１ドメインは、前記第２ドメインおよび前記赤外線受光部の間に挟まれており、
前記第１ドメインは、周期ｐ１で規則的に配列された複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶から形成されており、
前記第２ドメインは、周期ｐ２で規則的に配列された複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶から形成されており、かつ
前記周期ｐ２の値は、前記周期ｐ１の値よりも大きい。
４．項目３に記載の赤外線センサであって、さらに以下を具備する：
第２の梁、ここで、
前記第２の梁の一端が前記赤外線受光部に接続されており、
前記第２の梁の他端が前記ベース基板に接続されており、
断面視において、前記第２の梁が前記ベース基板の上部で懸架されるように前記凹部が前記第２の梁および前記ベース基板の間に挟まれており、
前記第２の梁は、それぞれフォノニック結晶から形成された第３ドメインおよび第４ドメインを具備し、
平面視において、前記第３ドメインは、前記第４ドメインおよび前記赤外線受光部の間に挟まれており、
前記第３ドメインは、周期ｐ３で規則的に配列された複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶から形成されており、
前記第４ドメインは、周期ｐ４で規則的に配列された複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶から形成されており、かつ
前記周期ｐ４の値は、前記周期ｐ３の値よりも大きい。
５．項目３に記載の赤外線センサであって、
前記第１の配線および前記第２の配線は、前記第１の梁の表面に接している。
６．項目４に記載の赤外線センサであって、
前記第１の配線は、前記第１の梁の表面に接しており、かつ
前記第２の配線は、前記第２の梁の表面に接している。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本開示によれば、梁内において、赤外線受光部からベース基板方向に向かって、任意の間隔毎に貫通孔の周期が増大するように微細加工を施すことにより、梁全域に渡って優れた断熱効果が得られる。その結果、優れた感度を持つ赤外線センサを提供することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１１  ベース基板
１２  赤外線受光部
１３  梁
１４  信号処理回路
１５  電気配線
１６  赤外線吸収層
１７  赤外線
１８  サーモパイル
１９  サーミスタ配線
２０  貫通孔
２１  フォノニックドメイン
２２  単位格子
２３  Ｐ型半導体
２４  Ｎ型半導体
２５  第１周期構造
２６  第２周期構造
２７  ミクロ周期構造
２８  サブフォノニックドメイン
２９  マクロ周期構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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