(57)【要約】【課題】機械的強度の低下を抑制しつつ高出力化が可能な赤外線放射素子を提供する。【解決手段】赤外線放射素子１は、基板２と、この基板２の一表面側に形成された発熱体層３および発熱体層３を覆う保護層４を有する機能層５と、基板２の上記一表面側で基板２と機能層５との間に介在し機能層５を支持する絶縁層６とを備えている。この赤外線放射素子１は、発熱体層３への通電により発熱体層３から赤外線が放射される。基板２は、絶縁層６における発熱体層３側とは反対側の表面を露出させる開口部２ａが形成されている。また、絶縁層６は、開口部２ａに臨む表面６ａに、凹部６ｃが設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の一表面側に形成された発熱体層および前記発熱体層を覆う保護層を有する機能層と、前記基板の前記一表面側で前記基板と前記機能層との間に介在し前記機能層を支持する絶縁層とを備え、前記発熱体層への通電により前記発熱体層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、前記基板は、前記絶縁層における前記発熱体層側とは反対側の表面を露出させる開口部が形成されてなり、前記絶縁層は、前記開口部に臨む表面に、少なくとも１つの凹部が設けられてなることを特徴とする赤外線放射素子。
【請求項２】
前記絶縁層は、前記凹部の底部の厚さが、前記保護層と同じ厚さに設定されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線放射素子。
【請求項３】
前記基板の前記一表面側で前記発熱体層に接するように形成された一対の電極を備え、前記凹部は、前記表面における前記各電極の各々の投影領域の並ぶ方向に直交する中心線を対称軸として線対称に配置されてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の赤外線放射素子。
【請求項４】
前記絶縁層は、前記表面が格子状に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線放射素子。
【請求項５】
前記絶縁層は、前記表面がハニカム状に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線放射素子。
【請求項６】
前記絶縁層は、前記開口部と前記発熱体層とを隔離するダイヤフラム部と、前記基板の前記一表面側で前記開口部の周部に形成され前記ダイヤフラム部を支持する支持部とからなり、前記ダイヤフラム部の中央部の熱容量に比べて、前記ダイヤフラム部の周部の熱容量を小さくするように前記凹部が配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の赤外線放射素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線放射素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ＭＥＭＳ（micro electro mechanicalsystems）の製造技術などを利用して製造される赤外線放射素子が研究開発されている。この種の赤外線放射素子は、ガスセンサや光学分析装置などの赤外線源として使用することができる。
【０００３】
この種の赤外線放射素子として、例えば、図６および図７に示す構成の放射源が知られている（特許文献１）。
【０００４】
この放射源は、基板１３と、基板１３上に形成された第１絶縁層２２と、第１絶縁層２２上に形成された放射表面層１１と、放射表面層１１上に形成された第２絶縁層２４、第２絶縁層２４上に形成された極めて細い複数の白熱フィラメント１０とを備えている。また、この放射源は、各白熱フィラメント１０を覆うように形成され各白熱フィラメント１０を保護する第３絶縁層２６と、第３絶縁層２６に形成された開口を通して各白熱フィラメント１０の両端部に接続された一対の金属パッド１５，１５とを備えている。第２絶縁層２４は、放射表面層１１と白熱フィラメント１０とを電気的に絶縁するために設けてある。また、特許文献１には、白熱フィラメント１０が、均一平面板としての多層構造をなす他の要素（第１絶縁層２２、放射表面層１１、第２絶縁層２４、第３絶縁層２６）により囲まれている旨が記載されている。また、特許文献１には、第１絶縁層２２および第３絶縁層２６を設ける目的は、白熱フィラメント１０および放射表面層１１が酸化しないように保護することである旨が記載されている。
【０００５】
また、基板１３には、放射表面層１１に対応して開口部１４が形成されている。特許文献１には、開口部１４を形成するために使用できるエッチング液として、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液、少量のピロカテコールを添加したエチレンジアミン水溶液、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）が記載されている。
【０００６】
ここで、放射源は、典型的には、基板１３が、（１００）配向のシリコンチップにより形成されている。また、第１絶縁層２２は、厚さが２００ｎｍの窒化シリコン層からなる。また、放射表面層１１は、厚さが約１μｍで、ホウ素、リンまたは砒素がドープされたポリシリコン膜からなる。また、第２絶縁層２４は、厚さが約５０ｎｍの窒化シリコン層からなる。また、白熱フィラメント１０は、厚さが約４００ｎｍのタングステン層からなる。また、第３絶縁層２６は、厚さが約２００ｎｍの窒化シリコン層からなる。金属パッド１５は、例えば、アルミニウムから形成されており、第３絶縁層２６に形成された開口を通して白熱フィラメント１０とオーム性接触を形成している。
【０００７】
また、放射源は、放射表面層１１が１ｍｍの面積を有している一方で、白熱フィラメント１０の寸法については、例えば厚さを０．１−１μｍ、幅を２−１０μｍとし、その間隔を２０−５０μｍとしてある。
【０００８】
ここにおいて、放射源は、白熱フィラメント１０が当該白熱フィラメント１０に流れる電流により加熱されるが、白熱フィラメント１０を、専ら放射表面層１１の加熱のために用いるものであり、放射表面層１１が主熱放射源として振る舞う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−１８４７５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、赤外線放射素子を例えば分光式ガスセンサ用の赤外線源として用いる場合には、赤外線放射素子を間欠的に駆動することで赤外線を間欠的に放射させ、赤外線を検出する受光素子の出力をロックインアンプにより増幅することで、ガスセンサの出力のＳ／Ｎ比を向上できることが知られている。
【００１１】
しかしながら、図６および図７に示した放射源の構成では、第１絶縁層２２、第２絶縁層２４それぞれの熱容量に起因して、白熱フィラメント１０へ与える電圧波形に対する放射表面層１１の温度変化の応答が遅くなって放射表面層１１の温度が上昇しにくくなり、高出力化および応答速度の高速化が難しい。
【００１２】
そこで、上述の放射源では、第１絶縁層２２の熱容量を小さくするために、第１絶縁層２２の厚さを薄くすることが考えられる。しかしながら、上述の放射源では、第１絶縁層２２の厚さを薄くなるほど、機械的強度が低下し、製造途中や動作中に発生する熱応力などに起因して第１絶縁層２２が破壊されやすくなる懸念がある。
【００１３】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、機械的強度の低下を抑制しつつ高出力化が可能な赤外線放射素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の赤外線放射素子は、基板と、前記基板の一表面側に形成された発熱体層および前記発熱体層を覆う保護層を有する機能層と、前記基板の前記一表面側で前記基板と前記機能層との間に介在し前記機能層を支持する絶縁層とを備え、前記発熱体層への通電により前記発熱体層から赤外線が放射される赤外線放射素子であって、前記基板は、前記絶縁層における前記発熱体層側とは反対側の表面を露出させる開口部が形成されてなり、前記絶縁層は、前記開口部に臨む表面に、少なくとも１つの凹部が設けられてなることを特徴とする。
【００１５】
この赤外線放射素子において、前記絶縁層は、前記凹部の底部の厚さが、前記保護層と同じ厚さに設定されてなることが好ましい。
【００１６】
この赤外線放射素子において、前記基板の前記一表面側で前記発熱体層に接するように形成された一対の電極を備え、前記凹部は、前記表面における前記各電極の各々の投影領域の並ぶ方向に直交する中心線を対称軸として線対称に配置されてなることが好ましい。
【００１７】
この赤外線放射素子において、前記絶縁層は、前記表面が格子状に形成されてなることが好ましい。
【００１８】
この赤外線放射素子において、前記絶縁層は、前記表面がハニカム状に形成されてなることが好ましい。
【００１９】
この赤外線放射素子において、前記絶縁層は、前記開口部と前記発熱体層とを隔離するダイヤフラム部と、前記基板の前記一表面側で前記開口部の周部に形成され前記ダイヤフラム部を支持する支持部とからなり、前記ダイヤフラム部の中央部の熱容量に比べて、前記ダイヤフラム部の周部の熱容量を小さくするように前記凹部が配置されていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の赤外線放射素子においては、機械的強度の低下を抑制しつつ高出力化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）は実施形態の赤外線放射素子の概略平面図、（ｂ）は実施形態の赤外線放射素子の概略断面図、（ｃ）は実施形態の赤外線放射素子の概略下面図である。
【図２】実施形態の赤外線放射素子の他の構成例を示す概略下面図である。
【図３】実施形態の赤外線放射素子の更に他の構成例を示す概略下面図である。
【図４】実施形態の赤外線放射素子の別の構成例を示す概略下面図である。
【図５】実施形態の赤外線放射素子の更に別の構成例を示す概略下面図である。
【図６】従来例の放射源の平面図である。
【図７】図６の放射源のＡ−Ａ’断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下では、本実施形態の赤外線放射素子１について図１に基づいて説明する。
【００２３】
赤外線放射素子１は、基板２と、この基板２の一表面側に形成された発熱体層３および発熱体層３を覆う保護層４を有する機能層５と、基板２の上記一表面側で基板２と機能層５との間に介在し機能層５を支持する絶縁層６とを備えている。この赤外線放射素子１は、発熱体層３への通電により発熱体層３から赤外線が放射される。
【００２４】
基板２は、絶縁層６における発熱体層３側とは反対側の表面を露出させる開口部２ａが形成されている。また、絶縁層６は、開口部２ａに臨む表面６ａに、凹部６ｃが設けられている。
【００２５】
また、赤外線放射素子１は、基板２の上記一表面側で発熱体層３に接するように形成された一対の電極７，７を備えている。また、赤外線放射素子１は、各電極７，７の各々に配線８，８を介して電気的に接続された一対のパッド９，９を備えている。
【００２６】
以下、赤外線放射素子１の各構成要素について詳細に説明する。
【００２７】
基板２は、上記一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板により形成されているが、これに限らず、（１１０）面の単結晶のシリコン基板により形成してもよい。また、基板２は、単結晶のシリコン基板に限らず、多結晶のシリコン基板でもよいし、シリコン基板以外でもよい。基板２の材料は、絶縁層６の材料よりも熱伝導率が大きく且つ熱容量が大きな材料が好ましい。
【００２８】
基板２の外周形状は、矩形状である。基板２の外形サイズは、特に限定するものではないが、例えば、１０ｍｍ以下に設定するのが好ましい。また、基板２は、開口部２ａの開口形状を矩形状としてある。また、基板２の開口部２ａは、上記一表面側に比べて他表面側での開口面積が大きくなる形状に形成されている。ここで、基板２の開口部２ａは、絶縁層６から離れるほど開口面積が徐々に大きくなる形状に形成されている。基板２の開口部２ａは、基板２をエッチングすることにより形成されている。基板２の開口部２ａは、基板２が（１００）面の単結晶のシリコン基板の場合には、アルカリ系溶液をエッチング液として用いた異方性エッチングにより形成することができる。基板２の開口部２ａの開口形状は、特に限定するものではない。また、赤外線放射素子１は、基板２の上記他表面側に、開口部２ａを形成する際のマスク層が残っていてもよい。なお、マスク層としては、例えば、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜などを用いることができる。
【００２９】
絶縁層６は、開口部２ａと発熱体層３とを隔離するダイヤフラム部６Ｄと、基板２の上記一表面側で開口部２ａの周部に形成されダイヤフラム部６Ｄを支持する支持部６Ｓとからなる。
【００３０】
また、絶縁層６は、基板２側のシリコン酸化膜６１と、このシリコン酸化膜６１における基板２側とは反対側に積層されたシリコン窒化膜６２とからなる。ここで、絶縁層６は、凹部６ｃの底部の厚さが、保護層４と同じ厚さに設定されていることが好ましい。絶縁層６の凹部６ｃの底部とは、凹部６ｃの内底面と、絶縁層６における発熱体層３側の面との間の部分である。要するに、絶縁層６は、凹部６ｃの内底面と絶縁層６における開口部２ａ側とは反対側の面との間の厚さが、保護層４と同じ厚さに設定されていることが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、絶縁層６と発熱体層３と保護層４とで構成されるサンドイッチ構造の応力バランスを向上させることが可能となり、このサンドイッチ構造の反りや破損を、より抑制することが可能となって機械的強度のより一層の向上を図ることが可能となる。ここにおいて、凹部６ｃの底部の材料は、保護層４の材料と同じであることが好ましく、本実施形態の赤外線放射素子１では、後述のように保護層４をシリコン窒化膜により構成し、凹部６ｃの底部の厚さを、シリコン窒化膜６２の厚さと同じ厚さに設定してある。絶縁層６は、赤外線放射素子１の製造時において基板２の上記他表面側から基板２をエッチングして開口部２ａを形成する際のエッチングストッパ層としての機能も有している。また、シリコン窒化膜６２は、赤外線放射素子１の製造時において基板２の上記他表面側からシリコン酸化膜６１をエッチングして凹部６ｃを形成する際のエッチングストッパ層としての機能も有している。凹部６ｃの深さ寸法は、シリコン酸化膜６１の厚さ寸法と同じに設定する例に限らず、シリコン酸化膜６１の厚さ寸法よりも小さく設定してもよいし、シリコン酸化膜６１の厚さ寸法よりも大きく設定してもよい。ここで、凹部６ｃの深さ寸法をシリコン酸化膜６１の厚さ寸法と同じに設定する場合には、凹部６ｃの底部の厚さが、シリコン窒化膜６２の厚さと略等しくなり、凹部６ｃの底部６ｃがシリコン窒化膜６２の一部により構成される。また、凹部６ｃの深さ寸法をシリコン酸化膜６１の厚さ寸法よりも小さく設定した場合には、凹部６ｃの底部の厚さが、シリコン酸化膜６１のうち当該凹部６ｃの内底面とシリコン窒化膜６２との間に残存している部分の厚さと、シリコン窒化膜６２の厚さとの合計厚さとなる。また、凹部６ｃの深さ寸法をシリコン酸化膜６１の厚さ寸法よりも大きく設定した場合には、凹部６ｃの底部の厚さが、シリコン窒化膜６２のうち当該凹部６ｃの内底面と絶縁層６における発熱体層３側の面との間に残存している部分の厚さとなる。また、絶縁層６の層構造は、シリコン酸化膜６１とシリコン窒化膜６２の積層構造に限らず、シリコン酸化膜６１やシリコン窒化膜６２の単層構造でもよいし、その他の材料からなる単層構造や、２層以上の積層構造でもよい。
【００３１】
発熱体層３は、平面形状を矩形状としてあるが、特に矩形状に限定するものではなく、例えば、円形状や多角形状などでもよい。
【００３２】
発熱体層３の平面サイズは、絶縁層６において開口部２ａに臨む表面６ａの平面サイズよりも小さく設定するのが好ましい。つまり、発熱体層３は、ダイヤフラム部６Ｄの平面サイズよりも小さく設定するのが好ましい。ここで、ダイヤフラム部６Ｄの平面サイズは、特に限定するものではないが、例えば、５ｍｍ□以下に設定するのが好ましい。
【００３３】
発熱体層３の平面サイズは、各電極７の各々が重なる各コンタクト領域３ｂを除いた放射領域３ａの平面サイズが３ｍｍ□以下となるように設定するのが好ましい。ただし、放射領域の形状は、正方形状に限らず、長方形状、円形状、多角形状などでもよい。
【００３４】
発熱体層３の材料としては、窒化タンタルを採用しているが、これに限らず、例えば、窒化チタン、ニッケルクロム、タングステン、チタン、トリウム、白金、ジルコニウム、クロム、バナジウム、ロジウム、ハフニウム、ルテニウム、ボロン、イリジウム、ニオブ、モリブデン、タンタル、オスミウム、レニウム、ニッケル、ホルミウム、コバルト、エルビウム、イットリウム、鉄、スカンジウム、ツリウム、パラジウム、ルテチウムなどを採用してもよい。また、発熱体層３の材料としては、導電性のポリシリコンや導電性のアモルファスシリコンなどを採用してもよい。発熱体層３の材料について、基板２と発熱体層３との線膨張係数差に伴う熱応力に起因して発熱体層３が破壊されるのを防止するという観点からは、基板２の材料との線膨張係数差が小さい材料が好ましい。
【００３５】
保護層４は、シリコン窒化膜により構成してある。保護層４は、これに限らず、例えば、シリコン酸化膜により構成してもよいし、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層構造を有していてもよい。
【００３６】
絶縁層６の厚さと発熱体層３の厚さと保護層４の厚さとの合計厚さは、例えば、０．１μｍ〜１０μｍ程度の範囲で設定することが好ましい。
【００３７】
一対の電極７，７は、基板２の上記一表面側において、発熱体層３の両端部（図１における左右両端部）それぞれと接する形で形成されている。各電極７は、保護層４に形成されたコンタクトホール４ａを通して発熱体層３上に形成され、発熱体層３と電気的に接続されている。ここで、各電極７は、発熱体層３とオーミック接触をなしている。
【００３８】
各電極７の材料としては、Ａｌ−Ｓｉを採用している。各電極７の材料は、特に限定するものではなく、例えば、Ａｕ、Ｃｕなどを採用してもよい。また、各電極７は、少なくとも、発熱体層３と接する部分が発熱体層３とオーミック接触が可能な材料であればよく、単層構造に限らず、多層構造でもよい。例えば、各電極７は、発熱体層３側から順に、第１層、第２層、第３層が積層された３層構造として、発熱体層３に接する第１層の材料を高融点金属（例えば、クロムなど）とし、第２層の材料をニッケルとし、第３層の材料をＡｕとしてもよい。
【００３９】
各配線８および各パッド９は、各電極７と同じ材料により形成され、同じ層構造、同じ厚さに設定するのが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、各配線８および各パッド９を各電極７と同時に形成することが可能となる。パッド９の厚さは、０．５〜２μｍ程度の範囲で設定することが好ましい。
【００４０】
赤外線放射素子１の製造にあたっては、例えば、基板２の上記一表面側に、絶縁層６、発熱体層３、保護層４を順次形成してから、保護層４にコンタクトホール４ａを形成し、その後、各電極７、各配線８および各パッド９を形成し、続いて、基板２に開口部２ａを形成し、その後、絶縁層６において開口部２ａに臨む表面６ａに凹部６ｃを形成すればよい。
【００４１】
ここにおいて、絶縁層６のシリコン酸化膜６１の形成方法は、熱酸化法やＣＶＤ法などを採用することができ、熱酸化法が好ましい。また、絶縁層６のシリコン窒化膜６２の形成方法は、ＣＶＤ法などを採用することができ、ＬＰＣＶＤ法が好ましい。また、発熱体層３の形成方法は、スパッタ法や蒸着法やＣＶＤ法などを採用することができる。また、保護層４の形成方法は、ＣＶＤ法などを採用することができ、プラズマＣＶＤ法が好ましい。また、コンタクトホール４ａの形成にあたっては、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用すればよい。また、各電極７、各配線８および各パッド９の形成にあたっては、例えば、スパッタ法や蒸着法やＣＶＤ法などの薄膜形成技術と、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術とを利用することができる。また、開口部２ａの形成にあたっては、基板２の上記他表面側のシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜（図示せず）をマスク層として、基板２を上記他表面側からエッチングすることにより形成すればよい。ここで、本実施形態の赤外線放射素子１の製造方法では、開口部２ａの形成時に、絶縁層６を第１のエッチングストッパ層として利用することにより、絶縁層６の厚さの精度を高めることが可能となるとともに、絶縁層６における開口部２ａ側に基板２の一部や残渣が残るのを防止することが可能となる。マスク層を形成する方法としては、例えば、絶縁層６のシリコン酸化膜６１の形成と同時に基板２の上記他表面側にマスク層の基礎となるシリコン酸化膜を形成し、上述の絶縁層６のシリコン窒化膜６２の形成と同時に基板２の上記他表面側にシリコン窒化膜を形成し、その後、マスク層の基礎となるシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜を、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングする方法がある。また、凹部６ｃの形成にあたっては、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用すればよい。ここで、本実施形態の赤外線放射素子１の製造方法では、凹部６ｃの形成時に、シリコン窒化膜６２を第２のエッチングストッパ層として利用することにより、凹部６ｃの底部の厚さの精度を高めることが可能となり、赤外線放射素子１ごとの、絶縁層６の機械的強度のばらつきや、絶縁層６のダイヤフラム部６Ｄ全体の熱容量のばらつきを抑制することが可能となる。
【００４２】
また、上述の赤外線放射素子１の製造にあたっては、凹部６ｃの形成が終了するまでのプロセスを、ウェハレベルで行い、凹部６ｃを形成した後、個々の赤外線放射素子１に分離すればよい。つまり、赤外線放射素子１の製造にあたっては、例えば、基板２の基礎となるシリコンウェハを準備して、このシリコンウェハに複数の赤外線検出素子１を上述の製造方法に従って形成し、その後、個々の赤外線検出素子１に分離すればよい。
【００４３】
上述の赤外線放射素子１の製造方法から分かるように、赤外線放射素子１は、ＭＥＭＳの製造技術を利用して製造することができる。
【００４４】
ところで、赤外線放射素子１において発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長λは、発熱体層３の温度に依存する。ここで、ピーク波長をλ〔μｍ〕、発熱体層３の絶対温度をＴ〔Ｋ〕とすれば、ピーク波長λは、
λ＝２８９８／Ｔ
となり、発熱体層３の絶対温度Ｔと発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長λとの関係がウィーンの変位則を満足している。要するに、赤外線放射素子１では、発熱体層３が黒体を構成している。赤外線放射素子１は、例えば、図示しない外部電源から一対のパッド９，９間に与える入力電力を調整することにより、発熱体層３に発生するジュール熱を変化させることができ、発熱体層３の温度を変化させることができる。したがって、赤外線放射素子１は、発熱体層３への最大入力電力に応じて発熱体層３の温度を変化させることができ、また、発熱体層３の温度を変化させることで発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長λを変化させることができる。また、本実施形態の赤外線放射素子１では、発熱体層３の温度を高くするほど赤外線の放射量を増大させることが可能となる。このため、赤外線放射素子１は、広範囲の赤外線波長域において高出力の赤外線光源として用いることが可能となる。例えば、赤外線放射素子１をガスセンサの赤外光源として使用する場合には、発熱体層３から放射される赤外線のピーク波長λを４μｍ程度にするのが好ましく、発熱体層３の温度を８００Ｋ程度とすればよい。ここにおいて、本実施形態の赤外線放射素子１では、発熱体層３が上述のように黒体を構成している。これにより、赤外線放射素子１は、発熱体層３の単位面積が単位時間に放射する全エネルギＥがＴ４に略比例するものと推測される（つまり、シュテファン−ボルツマンの法則を満足するものと推測される）。
【００４５】
以上説明した本実施形態の赤外線放射素子１は、基板２と、基板２の上記一表面側に形成された発熱体層３および発熱体層３を覆う保護層４を有する機能層５と、基板２の上記一表面側で基板２と機能層５との間に介在し機能層５を支持する絶縁層６とを備え、発熱体層３への通電により発熱体層３から赤外線が放射されるものである。そして、本実施形態の赤外線放射素子１では、基板２に、絶縁層６における発熱体層３側とは反対側の表面６ａを露出させる開口部２ａが形成されており、絶縁層６において開口部２ａに臨む表面６ａに、少なくとも１つの凹部６ｃが設けられている。
【００４６】
しかして、本実施形態の赤外線放射素子１は、絶縁層６の厚さを均一としたまま薄くする場合に比べて、絶縁層６の機械的強度の低下を抑制しつつ、絶縁層６におけるダイヤフラム部６Ｄ全体の熱容量を低減することが可能となる。そして、赤外線放射素子１は、ダイヤフラム部６Ｄ全体の熱容量を低減することにより、一対のパッド９，９間へ与える電圧波形に対する発熱体層３の温度変化の応答を速くすることが可能となって発熱体層３の温度が上昇しやすくなり、高出力化および応答速度の高速化を図ることが可能となる。要するに、本実施形態の赤外線放射素子１では、機械的強度の低下を抑制しつつ高出力化が可能となる。
【００４７】
また、本実施形態の赤外線放射素子１では、基板２を単結晶のシリコン基板から形成し、絶縁層６をシリコン酸化膜６１とシリコン窒化膜６２とで構成してある。これにより、赤外線放射素子１は、絶縁層６に比べて基板２の熱容量および熱伝導率それぞれが大きく、基板２がヒートシンクとしての機能を有するので、小型で入力電力に対する応答速度が速く且つ赤外線の放射特性の安定性を向上させることが可能となる。また、本実施形態の赤外線放射素子１では、発熱体層３の材料として、シリコンよりも高融点のＴａＮを採用すれば、発熱体層３の温度をシリコンの最高使用温度（シリコンの融点よりもやや低い温度）まで上昇させることが可能となり、赤外線発光ダイオードに比べて赤外線の放射量を大幅に増大させることが可能となる。また、赤外線放射素子１は、各電極７において少なくとも発熱体層３に接する部位がシリコンよりも高融点の金属により形成されていれば、発熱体層３の温度を各電極７の材料に制約されることなく上昇させることが可能となる。
【００４８】
ところで、赤外線放射素子１は、絶縁層６において開口部２ａに臨む表面６ａに、少なくとも１つの凹部６ｃが設けられていればよい。凹部６ｃの数や配置は、特に限定するものではなく、例えば、図１（ｃ）および図２〜図５のように種々の形態を採用することができる。ここで、図２は、凹部６ｃが１つだけ設けられた赤外線放射素子１の下面図である。なお、図２の赤外線放射素子１では、凹部６ｃの開口形状を円形状として、発熱体層３とダイヤフラム部６Ｄと凹部６ｃの中心を、ダイヤフラム部６Ｄおよび発熱体層３それぞれの中心と合わせてある。
【００４９】
凹部６ｃは、図１（ｃ）および図２〜図５それぞれに示すように、絶縁層６の開口部２ａに臨む表面６ａにおいて各電極７の各々の投影領域（破線で示してある）の並ぶ方向に直交する中心線Ｍ１を対称軸として線対称に配置されていることが好ましい。これにより、赤外線放射素子１は、凹部６ｃが中心線Ｍ１を対称軸として線対称に配置されていない場合に比べて、絶縁層６の機械的強度のより一層の向上を図ることが可能となるとともに、発熱体層３の温度の面内ばらつきを抑制することが可能なる。
【００５０】
また、赤外線放射素子１は、図３に示すように絶縁層６の表面６ａが格子状に形成されているものでもよい。これにより、赤外線放射素子１は、凹部６ｃが中心線Ｍ１を対称軸として線対称に配置されていない場合に比べて、絶縁層６の機械的強度のより一層の向上を図ることが可能となるとともに、発熱体層３の温度の面内ばらつきを抑制することが可能なる。なお、図３の構成では、複数の凹部６ｃの開口形状が矩形状（図示例では、正方形状）となる。
【００５１】
また、赤外線放射素子１は、図４に示すように絶縁層６の表面６ａがハニカム状に形成されているものでもよい。これにより、赤外線放射素子１は、凹部６ｃが中心線Ｍ１を対称軸として線対称に配置されていない場合に比べて、絶縁層６の機械的強度のより一層の向上を図ることが可能となるとともに、発熱体層３の温度の面内ばらつきを抑制することが可能なる。なお、図４の構成では、複数の凹部６ｃの開口形状が正六角形状となる。
【００５２】
絶縁層６の表面６ａは、格子状、ハニカム状に限らず、網状であればよい。ここにおいて、絶縁層６の表面６ａが網状ということは、各凹部６ｃの各々に対応する各網目が正方形状の場合には、表面６ａが正方格子状の形状となり、各網目が六角形状の場合には、表面６ａが六角格子状（つまり、ハニカム状）となり、各網目が三角形状の場合には、表面６ａが三角格子状となる。
【００５３】
また、赤外線放射素子１は、図５に示すように絶縁層６に関して、ダイヤフラム部６Ｄの中央部の熱容量に比べて、ダイヤフラム部６Ｄの周部の熱容量を小さくするように凹部６ｃが配置されているものでもよい。具体的には、ダイヤフラム部６Ｄの中央部よりも周部のほうに凹部６ｃを密に配置すればよい。言い換えれば、赤外線放射素子１は、凹部６ｃの配置密度を、ダイヤフラム部６Ｄの中心からの距離が長くなるほど高くなるようにしたものでもよい。これにより、赤外線放射素子１は、絶縁層６の表面６ａに凹部６ｃが形成されていない場合や、図１（ｃ）や図２〜図４の場合に比べて、発熱体層３の温度の面内ばらつきを、より抑制することが可能なる。この点について説明すれば、赤外線放射素子１は、絶縁層６の表面６ａに凹部６ｃが形成されているが、凹部６ｃが形成されていない場合、ダイヤフラム部６Ｄの中央部に比べて、ダイヤフラム部６Ｄの周部の温度が低くなる傾向にある。これに対して、赤外線放射素子１は、ダイヤフラム部６Ｄの中央部の熱容量に比べて、ダイヤフラム部６Ｄの周部の熱容量を小さくするように凹部６ｃを配置することにより、発熱体層３の温度の面内ばらつきを、より抑制することが可能なる。
【００５４】
なお、本実施形態の赤外線放射素子１は、ガスセンサ用の赤外光源に限らず、例えば、炎検知用の赤外光源、赤外光通信用の赤外光源、分光分析用の赤外光源などに使用することが可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１  赤外線放射素子
２  基板
２ａ  開口部
３  発熱体層
４  保護層
５  機能層
６  絶縁層
６ａ  表面
６ｃ  凹部
６Ｄ  ダイヤフラム部
６Ｓ  支持部
６１  シリコン酸化膜
６２  シリコン窒化膜
７  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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