(57)【要約】本開示は、従来にない積層体を提供する。本開示の積層体は、第１フォノニック結晶層、及び前記第１フォノニック結晶層の上又は上方に設けられた第２フォノニック結晶層を具備する。ここで、第１フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の第１貫通孔を具備する第１フォノニック結晶構造を有する。第２フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の第２貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有する。第１フォノニック結晶層における複数の第１貫通孔が貫通方向と、第２フォノニック結晶層における複数の第２貫通孔が貫通方向とは、略平行である。
2020174733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層体であって、
第１フォノニック結晶層；及び
前記第１フォノニック結晶層の上又は上方に設けられた第２フォノニック結晶層；
を具備し、
ここで、
前記第１フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の第１貫通孔を具備する第１フォノニック結晶構造を有し、
前記第２フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の第２貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有し、
前記第１フォノニック結晶層における前記複数の第１貫通孔の貫通方向と、前記第２フォノニック結晶層における前記複数の第２貫通孔の貫通方向とは、略平行である、
積層体。
【請求項２】
請求項１に記載の積層体であって、
前記第１フォノニック結晶層と前記第２フォノニック結晶層とは、互いに接している、
積層体。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の積層体であって、
前記第２貫通孔の少なくとも一部は、前記第１貫通孔と連通していない、
積層体。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の積層体であって、
前記第１フォノニック結晶層及び前記第２フォノニック結晶層は、半導体材料により構成される、
積層体。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の積層体であって、
前記第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第１ドメインを含み、
前記第２フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第２ドメインを含み、
前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の貫通方向に見て、前記第１ドメインと前記第２ドメインとは重複しており、
前記第１ドメインにおける前記第１貫通孔の配列の周期と、前記第２ドメインにおける前記第２貫通孔の配列の周期とが異なる、
積層体。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の積層体であって、
前記第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第１ドメインを含み、
前記第２フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第２ドメインを含み、
前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の貫通方向に見て、前記第１ドメインと前記第２ドメインとは重複しており、
前記第１ドメインにおける前記第１貫通孔の径と、前記第２ドメインにおける前記第２貫通孔の径とが異なる、
積層体。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の積層体であって、
前記第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第１ドメインを含み、
前記第２フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第２ドメインを含み、
前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の貫通方向に見て、前記第１ドメインと前記第２ドメインとは重複しており、
前記第１ドメインにおける前記第１貫通孔を具備する単位格子の種類と、前記第２ドメインにおける前記第２貫通孔を具備する単位格子の種類とが異なる、
積層体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の積層体であって、
前記第１フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第３ドメイン及び第４ドメインを含み、
前記第３ドメインは、前記第１貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第１方向に規則的に配列した前記複数の第１貫通孔を具備し、
前記第４ドメインは、前記第１貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、前記第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した前記複数の第１貫通孔を具備し、
前記第２フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第５ドメイン及び第６ドメインを含み、
前記第５ドメインは、前記第２貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第３方向に規則的に配列した前記複数の第２貫通孔を具備し、
前記第６ドメインは、前記第２貫通孔の貫通方向に垂直な断面を見たときに、前記第３方向とは異なる第４方向に規則的に配列した前記複数の第２貫通孔を具備する、
積層体。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載の積層体であって、
複数のピラーをさらに具備し、
ここで、
前記ピラーは、直線状に延びる柱状体であり、
前記ピラーの各々は、前記第１フォノニック結晶層の前記第１貫通孔、及び／又は前記第２フォノニック結晶層の前記第２貫通孔に充填されている。
ただし、前記ピラーが充填された前記第１フォノニック結晶層及び／又は前記第２フォノニック結晶層と、前記ピラーとが同一の材料により構成される場合、前記ピラーの周面は、酸化膜により被覆されている、
積層体。
【請求項１０】
請求項９に記載の積層体であって、
前記ピラーの各々は、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔に充填されている、
積層体。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の積層体であって、
前記ピラーは、半導体材料により構成される、
積層体。
【請求項１２】
請求項１又は３から１１のいずれかに記載の積層体であって、
前記第１フォノニック結晶層及び前記第２フォノニック結晶層の間に設けられたバッファ層をさらに具備し、
前記バッファ層は、前記第１フォノニック結晶層及び前記第２フォノニック結晶層と同一の材料により構成される、
積層体。
【請求項１３】
フォノニック結晶構造を有する結晶体であって、
フォノニック結晶層；及び
複数のピラー；
を具備し、
ここで、
前記フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶構造を有し、
前記ピラーは、直線状に延びる柱状体であり、
前記ピラーの各々は、前記貫通孔に充填されている。
ただし、前記フォノニック結晶層と前記ピラーとが同一の材料により構成される場合、前記ピラーの周面は、酸化膜により被覆されている、
結晶体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、フォノニック結晶構造を有する複数の層を備える積層体に関する。また、本開示は、フォノニック結晶構造を有する結晶体に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、特許文献２、及び非特許文献１は、複数の貫通孔により構成される周期構造を開示している。この周期構造では、薄膜を平面視して、ナノメートルのオーダー（１ｎｍから１０００ｎｍの領域）内の周期で規則的に貫通孔が配列している。この周期構造は、フォノニック結晶構造の一種である。このタイプのフォノニック結晶構造は、貫通孔の配列を構成する最小単位を単位格子とする周期構造である。当該フォノニック結晶構造によれば、例えば、薄膜の熱伝導率が減少可能となる。薄膜の熱伝導率は、例えば、多孔質化により低減できる。多孔質化により薄膜に導入された空隙が、薄膜の熱伝導率を減少させるためである。しかし、フォノニック結晶構造によれば、薄膜を構成する母材自身の熱伝導率が低減可能である。このため、単なる多孔質化に比べて、熱伝導率のさらなる低減が期待される。【０００３】
フォノニック結晶構造は、例えば、低い熱伝導率をメリットとする種々の用途に応用できる。特許文献３は、フォノニック結晶構造を有する梁を使用した熱型赤外線センサを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１７／００４７４９９号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１７／００６９８１８号明細書
【特許文献３】特開２０１７−２２３６４４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Nomura et al., "Impeded thermal transport is Si multiscale hierarchical architectures with phononic crystal nanostructures", Physical ReviewB 91, 205422 (2015)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示は、従来にない積層体を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、以下の積層体を提供する。
積層体であって、
第１フォノニック結晶層；及び
前記第１フォノニック結晶層の上又は上方に設けられた第２フォノニック結晶層；
を具備し、
ここで、
前記第１フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の第１貫通孔を具備する第１フォノニック結晶構造を有し、
前記第２フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の第２貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有し、
前記第１フォノニック結晶層における前記複数の第１貫通孔の貫通方向と、前記第２フォノニック結晶層における前記複数の第２貫通孔の貫通方向とは、略平行である。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、従来にない積層体が達成可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の積層体の一例を模式的に示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１の積層体を第１フォノニック結晶層の側から見た平面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１の積層体を第２フォノニック結晶層の側から見た平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の一例を示す模式図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の別の一例を示す模式図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子のまた別の一例を示す模式図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の上記とは別の一例を示す模式図である。
【図４】図４は、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造の一例を模式的に示す平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、図４のフォノニック結晶構造が含む第１ドメインにおける単位格子とその方位とを示す模式図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図４のフォノニック結晶構造が含む第２ドメインにおける単位格子とその方位とを示す模式図である。
【図６】図６は、図４のフォノニック結晶構造の領域Ｒ１の拡大図である。
【図７】図７は、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造の別の一例を模式的に示す平面図である。
【図８】図８は、図７のフォノニック結晶構造の領域Ｒ２の拡大図である。
【図９】図９は、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造のまた別の一例を模式的に示す平面図である。
【図１０】図１０は、図９のフォノニック結晶構造の領域Ｒ３の拡大図である。
【図１１】図１１は、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造のさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。
【図１２】図１２は、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。
【図１３】図１３は、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の一例を示す模式図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の別の一例を示す模式図である。
【図１５】図１５は、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。
【図１６】図１６は、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶層の一例を模式的に示す平面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、図１７Ａのフォノニック結晶層の断面１７Ｂ−１７Ｂを示す断面図である。
【図１８】図１８は、本開示の積層体の一例を模式的に示す断面図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、本開示の積層体が有しうるフォノニック結晶層の別の一例を模式的に示す平面図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、図１９Ａのフォノニック結晶層の断面１９Ｂ−１９Ｂを示す断面図である。
【図２０】図２０は、本開示の積層体の別の一例を模式的に示す断面図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、本開示の積層体を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、本開示の積層体を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。
【図２１Ｃ】図２１Ｃは、本開示の積層体を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。
【図２１Ｄ】図２１Ｄは、本開示の積層体を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。
【図２１Ｅ】図２１Ｅは、本開示の積層体を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。
【図２１Ｆ】図２１Ｆは、本開示の積層体を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。
【図２１Ｇ】図２１Ｇは、本開示の積層体を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。
【図２１Ｈ】図２１Ｈは、本開示の積層体を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。
【図２１Ｉ】図２１Ｉは、本開示の積層体を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。
【図２１Ｊ】図２１Ｊは、本開示の積層体を製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の実施形態）
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的、又は具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置、及び接続形態、プロセス条件、ステップ、ステップの順序等は一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。
【００１１】
本開示の積層体の一例が図１、図２Ａ及び図２Ｂに示される。図２Ａは、図１の積層体１を第１フォノニック結晶層１１の側から見た平面図である。図２Ｂは、図１の積層体１を第２フォノニック結晶層２１の側から見た平面図である。積層体１は、第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１を備える。第１フォノニック結晶層１１は、規則的に配列した複数の第１貫通孔１２を具備する第１フォノニック結晶構造を有する。第２フォノニック結晶層２１は、規則的に配列した複数の第２貫通孔２２を具備する第２フォノニック結晶構造を有する。第１フォノニック結晶層１１における複数の第１貫通孔１２の貫通方向と、第２フォノニック結晶層２１における複数の第２貫通孔２２の貫通方向とは略平行である。ここで、略平行とは、第１貫通孔１２の貫通方向と第２貫通孔２２の貫通方向とがなす角度が、劣角により表示して、０度以上１０度以下であることを意味する。なお、貫通孔の貫通方向は、貫通孔が延びる方向とも称される。第１フォノニック結晶層１１と第２フォノニック結晶層２１とは互いに接している。
【００１２】
絶縁体及び半導体において、熱は、主として、フォノンと呼ばれる格子振動によって運ばれる。絶縁体又は半導体から構成される材料の熱伝導率は、材料が有するフォノンの分散関係により決定される。フォノンの分散関係とは、周波数と波数との関係、又はバンド構造を意味している。絶縁体及び半導体において、熱を運ぶフォノンは、１００ＧＨｚから１０ＴＨｚの幅広い周波数帯域に及ぶ。この周波数帯域は、熱の帯域である。材料の熱伝導率は、熱の帯域にあるフォノンの分散関係により定められる。
【００１３】
上述したフォノニック結晶構造によれば、貫通孔の周期構造によって、材料が有するフォノンの分散関係が制御可能である。即ち、フォノニック結晶構造によれば、材料、例えば薄膜の母材、の熱伝導率そのものが制御可能である。とりわけ、フォノニック結晶構造によるフォノニックバンドギャップ（ＰＢＧ）の形成は、材料の熱伝導率を大きく低減させうる。ＰＢＧ内にフォノンは存在できない。このため、熱の帯域に位置するＰＢＧは、熱伝導のギャップとなりうる。また、ＰＢＧ以外の周波数帯域においても、フォノンの分散曲線の傾きがＰＢＧによって小さくなる。傾きの低減はフォノンの群速度を低下させ、熱伝導速度を低下させる。これらの点は、材料の熱伝導率の低減に大きく寄与する。
【００１４】
ＰＢＧの分布は立体的であり、フォノニック結晶層では、面内方向だけではなく厚さ方向の熱流の制御が期待される。しかし、フォノニック結晶構造を有する従来の単層のフォノニック結晶層では、一貫して、面内方向の熱流の制御のみが図られていた。これは、単層のフォノニック結晶層では、厚さ方向の熱流を制御できるだけの十分な厚さが得られなかったためと推定される。また、通常の半導体加工プロセスにより達成可能な貫通孔の径と長さとのアスペクト比は最大１０程度である。これは、例えば、厚さ１００ｎｍ超の単層のフォノニック結晶層を安定して得ることが難しいことを意味している。一方、本開示の積層体では、少なくとも２層のフォノニック結晶層が厚さ方向に積層されている。積層による厚さの増大により、厚さ方向の熱流の制御が期待される。本開示の積層体によれば、例えば、フォノニック結晶層の厚さ方向に熱流を制御する用途への応用が可能となる。
【００１５】
第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。第１フォノニック結晶層１１の厚さと、第２フォノニック結晶層２１の厚さとは、同一であっても異なっていてもよい。
【００１６】
第１フォノニック結晶層１１が有する第１フォノニック結晶構造の構成と、第２フォノニック結晶層２１が有する第２フォノニック結晶構造の構成とは、同一であっても異なっていてもよい。第１フォノニック結晶構造の構成と第２フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合、通常、第２貫通孔２２の少なくとも一部は第１貫通孔１２と連通していない。図１、図２Ａ及び図２Ｂに示される積層体１では、第１フォノニック結晶構造の構成と第２フォノニック結晶構造の構成とが異なっている。具体的には、第１貫通孔１２の配列の周期Ｐと、第２貫通孔２２の配列の周期Ｐとが異なっている。
【００１７】
第１フォノニック結晶構造の構成と第２フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合として、次の各ケースが例示される。複数のケースが組み合わされていてもよい。
・第１貫通孔１２の配列の周期Ｐと、第２貫通孔２２の配列の周期Ｐとが異なる。
・第１貫通孔１２の径Ｄと、第２貫通孔２２の径Ｄとが異なる。
・第１貫通孔１２を具備する単位格子９１の種類と、第２貫通孔２２を具備する単位格子９１の種類とが異なる。
【００１８】
第１フォノニック結晶構造の構成と第２フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合、第１フォノニック結晶層１１および第２フォノニック結晶層２１の間の境界面において、第２フォノニック結晶構造の第２貫通孔２２を除いた部分の一部は、第１貫通孔１２に接する。当該部分は電気伝導に寄与しない。このような部分の面積が大きいほど、積層体の電気抵抗は高い。例えば、第２フォノニック結晶構造の第２貫通孔２２を除いた部分の総面積に対する、第２フォノニック結晶構造の第２貫通孔２２を除いた部分が第１貫通孔１２と接する部分の総面積の割合が２０％の場合、当該割合が０％の場合と比較して、電気抵抗は２５％上昇する。当該割合が１５％の場合、電気抵抗は１８％上昇する。当該割合は、１６．７％以下であることが好ましい。これにより、電気抵抗の上昇率が２０％以下に抑えられる。当該割合は、９．１％以下であることがより好ましい。これにより、電気抵抗の上昇率が１０％以下に抑えられる。
【００１９】
後述のフォノニック結晶構造Ａに示すように、第１フォノニック結晶構造における第１貫通孔１２の配列、及び第２フォノニック結晶構造における第２貫通孔２２の配列は、フォノニック結晶層の全体にわたって一定であるとは限らない。これを考慮すると、本開示の積層体は、第１フォノニック結晶構造の構成と第２フォノニック結晶構造の構成とが異なる場合として、以下の各形態を有しうる。本開示の積層体は、以下の各形態が任意に組み合わされた形態を有していてもよい。
【００２０】
形態Ａ：第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第１ドメインを含む。第２フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第２ドメインを含む。第１貫通孔１２及び第２貫通孔２２の貫通方向に見て、第１ドメインと第２ドメインとは重複している。第１ドメインにおける第１貫通孔１２の配列の周期Ｐと、第２ドメインにおける第２貫通孔２２の配列の周期とが異なる。
【００２１】
形態Ｂ：第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第１ドメインを含む。第２フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第２ドメインを含む。第１貫通孔１２及び第２貫通孔２２の貫通方向に見て、第１ドメインと第２ドメインとは重複している。第１ドメインにおける第１貫通孔１２の径と、第２ドメインにおける第２貫通孔２２の径とが異なる。
【００２２】
形態Ｃ：第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第１ドメインを含む。第２フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶領域である第２ドメインを含む。第１貫通孔１２及び第２貫通孔２２の貫通方向に見て、第１ドメインと第２ドメインとは重複している。第１ドメインにおける第１貫通孔１２を具備する単位格子の種類と、第２ドメインにおける第２貫通孔２２を具備する単位格子の種類とが異なる。
【００２３】
フォノニック結晶領域であるドメインは、貫通孔１２，２２の配列の周期をＰとして、平面視において、例えば、２５Ｐ2以上の面積を有する領域である。フォノニック結晶構造によってフォノンの分散関係を制御するには、ドメインは、少なくとも２５Ｐ2以上の面積を有していてもよい。平面視において正方形のドメインでは、５×Ｐ以上の周期とすることで、２５Ｐ2以上の面積が確保可能である。
【００２４】
平面視による各ドメインの形状は限定されない。平面視による各ドメインの形状は、例えば、三角形、正方形及び長方形を含む多角形、円、楕円、及びこれらの複合形状である。平面視による各ドメインの形状は、不定形であってもよい。また、フォノニック結晶構造が有するドメインの数は限定されない。フォノニック結晶構造が有する各ドメインのサイズは限定されない。１つのドメインが、フォノニック結晶層の全体に拡がっていてもよい。
【００２５】
なお、本明細書において、「平面視」とは、フォノニック結晶構造を構成する貫通孔の貫通方向に対象物を視ることを意味する。対象物が薄膜状である場合、貫通孔の貫通方向は、典型的には、対象物の主面に略垂直な方向である。「主面」とは、最も広い面積を有する面を意味する。
【００２６】
貫通孔１２，２２の配列の周期Ｐは、例えば、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。これは、熱を運ぶフォノンの波長が、主として、１ｎｍから３００ｎｍの範囲に及ぶためである。周期Ｐは、平面視において隣接する貫通孔１２，２２間の中心間距離により定められる。
【００２７】
貫通孔１２，２２の径Ｄは、周期Ｐに対する比Ｄ／Ｐにより表して、例えば、Ｄ／Ｐ≧０．５である。比Ｄ／Ｐ＜０．５である場合、フォノニック結晶構造における空隙率が過度に低下して、熱流が十分に制御されない、例えば熱伝導率が十分に低下しない、ことがある。比Ｄ／Ｐの上限は、隣接する貫通孔１２，２２同士が接しないために、例えば、０．９未満である。径Ｄは、貫通孔１２，２２の開口の径である。貫通孔１２，２２の開口の形状が平面視において円である場合、径Ｄは当該円の直径である。貫通孔１２，２２の開口の形状は平面視において円でなくてもよい。この場合、径Ｄは、開口の面積と同じ面積を有する仮想の円の直径により定められる。
【００２８】
規則的に配列した複数の貫通孔１２，２２を具備する単位格子９１の種類は、例えば、正方格子（図３Ａ）、六方格子（図３Ｂ）、長方格子（図３Ｃ）、及び面心長方格子（図３Ｄ）である。ただし、単位格子９１の種類は、これらの例に限定されない。
【００２９】
第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１は、典型的には、半導体材料により構成される。半導体材料は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＺｎＳｅ、ＣｄＳｎ、ＺｎＯ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮである。第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１を構成する材料は、半導体材料以外の材料であってもよく、当該材料は、例えば、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＶＯ2である。ただし、第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１を構成する材料は、上記例に限定されない。
【００３０】
本開示の積層体は、以下の形態を有していてもよい：第１フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第３ドメイン及び第４ドメインを含む。第３ドメインは、第１貫通孔１２の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第１方向に規則的に配列した複数の第１貫通孔１２を具備する。第４ドメインは、第１貫通孔１２の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した複数の第１貫通孔１２を具備する。第２フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第５ドメイン及び第６ドメインを含む。第５ドメインは、第２貫通孔２２の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第３方向に規則的に配列した複数の第２貫通孔２２を具備する。第６ドメインは、第２貫通孔２２の貫通方向に垂直な断面を見たときに、第３方向とは異なる第４方向に規則的に配列した複数の第２貫通孔２２を具備する。このように、方位の異なる貫通孔１２，２２を具備する複数のドメインを含むフォノニック結晶構造を、以下、フォノニック結晶構造Ａと記載する。
【００３１】
本発明者らの検討によれば、フォノニック結晶構造によってもたらされる熱伝導率の低減の程度は、熱の伝達方向と、フォノニック結晶構造の単位格子の方位（orientation）とが成す角度に依存する。これは、ＰＢＧの帯域広さ、ＰＢＧの数、及びフォノンの平均群速度といった熱伝導に関わる要素が、当該角度に依存するためと考えられる。また、熱の伝達に関して、マクロ的には高温から低温の方向にフォノンは流れる。一方、ナノメートルのオーダーにあるミクロ領域に着目すると、フォノンの流れる方向には指向性がみられない。即ち、ミクロ的にはフォノンの流れる方向は一様ではない。
【００３２】
上述の各特許文献及び非特許文献には、単位格子の方位が一様に揃った複数のフォノニック結晶領域を有する部材が開示されている。しかし、これらの部材では、ミクロで見て、ある特定の方向に流れるフォノンに対しては相互作用が最大となるものの、それ以外の方向に流れるフォノンに対しては相互作用が弱まる。一方、フォノニック結晶構造Ａは、単位格子の方位が互いに異なる２以上のフォノニック結晶領域を有する。このため、ミクロで見て、複数の方向に流れる各フォノンに対する相互作用を高めることができる。この特徴は、熱流の制御の自由度のさらなる向上をもたらす。
【００３３】
以下の説明は、第１フォノニック結晶層１１及び／又は第２フォノニック結晶層２１が有しうるフォノニック結晶構造Ａに関する。第１フォノニック結晶層１１が有するフォノニック結晶構造Ａの構成と、第２フォノニック結晶層２１が有するフォノニック結晶構造Ａの構成とは、同一であっても異なっていてもよい。
【００３４】
フォノニック結晶構造Ａの一例が図４に示される。図４には、第１フォノニック結晶層１１又は第２フォノニック結晶層２１の一部を平面視した状態が示されている。フォノニック結晶層１１，２１は、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有する薄膜である。フォノニック結晶層１１，２１は、平面視において、長方形である。フォノニック結晶層１１，２１には、フォノニック結晶層１１，２１の厚さ方向に延びる複数の貫通孔５０が設けられている。フォノニック結晶層１１，２１が有するフォノニック結晶構造Ａは、複数の貫通孔５０が面内方向に規則的に配列した二次元フォノニック結晶構造である。なお、フォノニック結晶構造Ａに関する以下の説明において、フォノニック結晶構造Ａを有する結晶層が第２フォノニック結晶層２１である場合は、「第３ドメイン」は「第５ドメイン」に、「第４ドメイン」は「第６ドメイン」に、それぞれ、読み替えられる。
【００３５】
フォノニック結晶構造Ａは、フォノニック結晶領域である第３ドメイン５１Ａ、及びフォノニック結晶領域である第４ドメイン５１Ｂを有する。第３ドメイン５１Ａは、平面視において、第１方向に規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備するフォノニック単結晶構造を有する。第４ドメイン５１Ｂは、平面視において、第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備するフォノニック単結晶構造を有する。各々の単結晶構造内において、複数の貫通孔５０の径及び配列周期は同一である。また、各々の単結晶構造内において、規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備する単位格子９１Ａ又は９１Ｂの方位は同一である。第３ドメイン５１Ａ及び第４ドメイン５１Ｂの形状は、平面視において、長方形である。第３ドメイン５１Ａの形状と、第４ドメイン５１Ｂの形状とは、平面視において、同一である。フォノニック結晶構造Ａは、複数のフォノニック単結晶構造の複合体であるフォノニック多結晶構造５２でもある。
【００３６】
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、フォノニック結晶構造Ａでは、第３ドメイン５１Ａにおける単位格子９１Ａの方位５３Ａと、第４ドメイン５１Ｂにおける単位格子９１Ｂの方位５３Ｂとが、平面視において、互いに異なっている。方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度は、平面視において、例えば１０度以上である。ただし、単位格子９１Ａ及び単位格子９１Ｂが同一であって、ｎ回回転対称性を有する場合、方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度の上限は３６０／ｎ度未満である。なお、単位格子が複数のｎに対してｎ回回転対称性を有するとき、上記角度の上限を定めるｎには最大のｎが使用される。例えば、六方格子は、２回回転対称性、３回回転対称性、及び６回回転対称性を有する。このとき、角度の上限を定めるｎには「６」が使用される。即ち、六方格子である単位格子９１Ａ，９１Ｂについて、方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度は６０度未満である。フォノニック結晶構造Ａは、単位格子の方位が互いに異なる２以上のフォノニック結晶領域を少なくとも有している。この条件が満たされる限り、フォノニック結晶構造Ａは、任意のフォノニック結晶領域、及び／又はフォノニック結晶構造を有さない領域をさらに含んでいてもよい。
【００３７】
単位格子の方位は、任意の規則に基づいて決定できる。ただし、異なるドメイン間において、同じ規則を適用して単位格子の方位を定める必要がある。単位格子の方位は、例えば、単位格子を構成する平行でない二辺の成す角を二等分する直線の伸長方向である。ただし、異なるドメイン間において、同じ規則で二辺を定める必要がある。
【００３８】
図４のフォノニック結晶構造Ａの領域Ｒ１の拡大図が、図６に示される。隣接する第３ドメイン５１Ａと第４ドメイン５１Ｂとの界面５５において、単位格子９１Ａ，９１Ｂの方位５３Ａ，５３Ｂが変化している。単位格子の方位が変化する界面５５は、フォノニック結晶構造Ａをマクロに流れる熱に対する大きな界面抵抗をもたらす。この界面抵抗は、第３ドメイン５１Ａと第４ドメイン５１Ｂとの間で生じる、フォノン群速度のミスマッチに基づく。この界面抵抗は、フォノニック結晶構造Ａを有するフォノニック結晶層１１，２１における熱伝導率の低減に寄与する。なお、図６において、界面５５は、平面視において、直線状に延びている。また、界面５５は、平面視において、長方形のフォノニック結晶層１１，２１の幅方向に延びている。幅方向は、マクロな熱の伝達方向により定められたフォノニック結晶層１１，２１の中心線の伸張方向に垂直な方向でありうる。界面５５は、平面視において、マクロな熱の伝達方向に略垂直にフォノニック結晶構造Ａを分割している。
【００３９】
図４のフォノニック結晶構造Ａにおいて、第３ドメイン５１Ａにおける複数の貫通孔５０の配列の周期Ｐと、第４ドメイン５１Ｂにおける複数の貫通孔５０の配列の周期Ｐとが等しい。
【００４０】
図４のフォノニック結晶構造Ａにおいて、第３ドメイン５１Ａにおいて規則的に配列した複数の貫通孔５０の径と、第４ドメイン５１Ｂにおいて規則的に配列した複数の貫通孔５０の径とが等しい。
【００４１】
図４のフォノニック結晶構造Ａにおいて、第３ドメイン５１Ａにおける単位格子９１Ａの種類と、第４ドメイン５１Ｂにおける単位格子９１Ｂの種類とは、同一である。図４の単位格子９１Ａ及び単位格子９１Ｂは、いずれも六方格子である。
【００４２】
フォノニック結晶構造Ａが有するドメインの数は限定されない。フォノニック結晶構造Ａが有するドメインの数が多くなるほど、ドメイン間の界面による界面抵抗の作用が大きくなる。
【００４３】
以下、フォノニック結晶構造Ａの例が示される。
【００４４】
図７及び図８のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２では、隣接する第３ドメイン５１Ａ及び第４ドメイン５１Ｂの界面５５が、平面視において、長方形のフォノニック結晶層１１，２１の長辺の方向に延びている。長辺の方向は、マクロな熱の伝達方向でありうる。この点以外、図７及び図８のフォノニック結晶構造Ａは、図４のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。界面５５は、平面視において、マクロな熱の伝達方向に略平行にフォノニック結晶構造Ａを分割している。なお、図８は、図７の領域Ｒ２の拡大図である。
【００４５】
図４及び図７のフォノニック結晶構造Ａでは、平面視において、第３ドメイン５１Ａのサイズ及び第４ドメイン５１Ｂのサイズが同一である。ただし、平面視において、フォノニック構造Ａが有する第３ドメイン５１Ａ及び第４ドメイン５１Ｂのサイズは互いに異なっていてもよい。
【００４６】
図９及び図１０のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２では、平面視において、第３ドメイン５１Ｂが第４ドメイン５１Ａにより囲まれている。第３ドメイン５１Ａ及び第４ドメイン５１Ｂの形状は、平面視において、長方形である。ただし、第３ドメイン５１Ａのサイズと第４ドメイン５１Ｂのサイズとは、平面視において、異なっている。第４ドメイン５１Ｂと、第４ドメイン５１Ｂを囲む第３ドメイン５１Ａとの界面５５は、平面視において、第４ドメイン５１Ｂの外縁を構成している。これらの点以外、図９及び図１０のフォノニック結晶構造Ａは、図４のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。なお、図１０は、図９の領域Ｒ３の拡大図である。
【００４７】
また、図９及び図１０のフォノニック結晶構造Ａでは、界面５５が屈曲部を有している。
【００４８】
さらに、図９及び図１０のフォノニック結晶構造Ａは、フォノニック結晶層１１，２１の辺に接していない第４ドメイン５１Ｂを有する。
【００４９】
図１１のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２では、平面視において、第３ドメイン５１Ａと第４ドメイン５１Ｂとが離間して配置されている。より具体的には、平面視において、貫通孔５０を有さない領域２０１が、フォノニック結晶層１１，２１の長辺方向における第３ドメイン５１Ａと第４ドメイン５１Ｂとの間に設けられている。この点以外、図１１のフォノニック結晶構造Ａは、図４のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。
【００５０】
図１２のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２では、平面視において、第３ドメイン５１Ａと第４ドメイン５１Ｂとが離間して配置されている。より具体的には、平面視において、ランダムに設けられた貫通孔５０を有する領域２０２が、フォノニック結晶層１１，２１の長辺方向における第３ドメイン５１Ａと第４ドメイン５１Ｂとの間に設けられている。領域２０２では、平面視において、貫通孔５０は規則的に配列していない。又は、領域２０２では、平面視において、規則的に配列した領域の面積が、例えば、２５Ｐ2未満である。ここで、Ｐは、貫通孔５０の配列の周期である。この点以外、図１２のフォノニック結晶構造Ａは、図４のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。
【００５１】
図１３のフォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２は、平面視において、互いに異なった形状を有する複数のドメイン５１Ａから５１Ｇを含んでいる。各々のドメイン内において、複数の貫通孔５０の配列の周期、及び単位格子の方位は同一である。しかし、ドメイン５１Ａから５１Ｇ間では、単位格子の方位が各々互いに異なっている。また、平面視において、ドメイン５１Ａから５１Ｇのサイズ及び形状は互いに異なっている。この形態では、これまで例示した形態に比べて、フォノニック結晶構造Ａの全体で見たときに、より多くの単位格子の方位が存在する。このため、ドメイン間で単位格子の方位が異なることに基づいて熱伝導率を低下させる効果がより顕著となる。また、この形態では、ドメイン間の界面５５が、平面視において、複数のランダムな方向に延びている。このため、界面抵抗に基づいて熱伝導率を低下させる効果がより顕著となる。
【００５２】
また、図１３のフォノニック結晶構造Ａでは、隣接する第３ドメイン５１Ａと第４ドメイン５１Ｂとの界面５５が、平面視において、フォノニック結晶層１１，２１の幅方向から傾いた方向に延びている。界面５５は、平面視において、屈曲部も有している。
【００５３】
フォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２は、貫通孔５０の配列の周期Ｐ及び／又は貫通孔５０の径Ｄが互いに異なる第３ドメイン５１Ａ及び第４ドメイン５１Ｂを含んでいてもよい。図１４Ａに示される第３ドメイン５１Ａにおける貫通孔５０の径Ｄと、図１４Ｂに示される第４ドメイン５１Ｂにおける貫通孔５０の径Ｄとは互いに異なっている。なお、図１４Ａに示される第３ドメイン５１Ａにおける貫通孔５０の配列の周期Ｐと、図１４Ｂに示される第４ドメイン５１Ｂにおける貫通孔５０の配列の周期Ｐとは同一である。
【００５４】
図１５に示されるフォノニック結晶構造Ａは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第３ドメイン５１Ａと、相対的に大きな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第４ドメイン５１Ｂとを有する。また、図１５に示されるフォノニック結晶構造Ａは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０を具備する領域９２と、相対的に大きな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０を具備する領域９３とを有する。領域９２と領域９３とは隣接している。領域９２及び領域９３は、それぞれ、図１３に示される例と同様に、平面視において、互いに異なった形状を有し、かつ、単位格子の方位が各々互いに異なる複数のドメインを含んでいる。また、領域９２及び領域９３は、マクロな熱の伝達方向に略平行にフォノニック結晶構造Ａを分割している。この形態では、第３ドメイン５１Ａで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域と第４ドメイン５１Ｂで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域とが異なるため、熱伝導率の低減の効果が特に顕著となる。
【００５５】
図１６に示されるフォノニック結晶構造Ａでは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第３ドメイン５１Ａと、相対的に大きな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第４ドメイン５１Ｂとを含む。図１６のフォノニック結晶構造Ａは、平面視において、互いに異なった形状を有し、かつ、単位格子の方位が各々互いに異なる複数のドメインを含んでいる。この形態では、第３ドメイン５１Ａで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域と第４ドメイン５１Ｂで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域とが異なるため、熱伝導率の低減の効果が特に顕著となる。
【００５６】
第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１の形状は、平面視において、例えば、三角形、正方形及び長方形を含む多角形、円、楕円、及びこれらの複合形状である。ただし、第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１の形状は、上記例に限定されない。
【００５７】
積層体１の形状は、平面視において、例えば、三角形、正方形及び長方形を含む多角形、円、楕円、及びこれらの複合形状である。ただし、積層体１の形状は、上記例に限定されない。フォノニック結晶構造を構成する貫通孔の貫通方向に対する厚さを増大できることから、積層体１は、直方体あるいは立方体の形状であってもよい。
【００５８】
積層体１は、２以上の第１フォノニック結晶層１１及び／又は２以上の第２フォノニック結晶層２１を備えていてもよい。また、積層体１は、第１フォノニック結晶構造及び第２フォノニック結晶構造とは具体的な構成の異なる第３のフォノニック結晶構造を有する第３フォノニック結晶層をさらに備えていてもよい。
【００５９】
図１に示される積層体１では、第１フォノニック結晶層１１と第２フォノニック結晶層２１とが直接的に接している。ただし、本開示の積層体では、第１フォノニック結晶層１１と第２フォノニック結晶層２１との間に、他の層及び／又は部材が配置されていてもよい。他の層の一例は、ＳｉＯ2膜などの酸化膜である。
【００６０】
本開示の積層体は、上述した以外の任意の層及び／又は部材を備えていてもよい。部材の一例は、ベース基板である。本開示の積層体は、第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１がベース基板の上に配置された形態を有しうる。
【００６１】
ベース基板は、典型的には、半導体から構成される。半導体は、例えば、Ｓｉである。Ｓｉから構成されるベース基板の上面には、酸化膜が形成されていてもよい。酸化膜は、例えば、ＳｉＯ2膜である。ただし、ベース基板の構成は、上記例に限定されない。
【００６２】
第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１の上記とは別の一例が、図１７Ａ及び図１７Ｂに示される。図１７Ｂには、図１７Ａのフォノニック結晶層１１，２１の断面１７Ｂ−１７Ｂが示される。図１７Ａ及び図１７Ｂに示されるフォノニック結晶層１１，２１は、複数のピラー３１をさらに備える。ピラー３１は、直線状に延びる柱状体である。ピラー３１の各々は、フォノニック結晶層１１，２１の貫通孔１２，２２に充填されている。ピラー３１の周面は、酸化膜３２により被覆されている。この形態では、空孔である貫通孔１２，２２がピラー３１により充填されている。このため、例えば、積層体１における貫通孔１２，２２の貫通方向に対する特性の制御の自由度が向上可能となる。より具体的には、例えば、導電性を有する半導体材料により第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１が構成されている場合に、双方の層の間の電子伝導性が向上可能となる。
【００６３】
第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１から選ばれる少なくとも１つのフォノニック結晶層がピラー３１を備えていてもよい。言い換えると、本開示の積層体は、複数のピラー３１をさらに備えていてもよく、ピラー３１の各々は、第１フォノニック結晶層１１の第１貫通孔１２、及び／又は第２フォノニック結晶層２１の第２貫通孔２２に充填されていてもよい。
【００６４】
なお、ピラー３１が充填された第１フォノニック結晶層１１及び／又は第２フォノニック結晶層２１と、ピラー３１とが同一の材料により構成される場合、ピラー３１の周面は酸化膜３２により被覆されている。ピラー３１が充填された第１フォノニック結晶層１１及び／又は第２フォノニック結晶層２１と、ピラー３１とが異なる材料により構成される場合、酸化膜３２は必ずしも必要ではない。
【００６５】
ピラー３１は、典型的には、半導体材料により構成される。ピラー３１を構成する材料は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＮ、ＶＯ2である。ただし、ピラー３１を構成する材料は、上記例に限定されない。
【００６６】
酸化膜３２は、例えば、ＳｉＯ2膜である。ただし、酸化膜３２は、上記例に限定されない。
【００６７】
ピラー３１が充填された第１フォノニック結晶層１１及びピラー３１が充填された第２フォノニック結晶層２１を備える積層体１の一例が図１８に示される。図１８の積層体１は、図１７Ａ及び図１７Ｂに示される第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１を備える。図１８の積層体１は、２層のフォノニック結晶層を備える２層構造体である。第１フォノニック結晶層１１と第２フォノニック結晶層２１との間には、バッファ層１５が配置されている。第１フォノニック結晶層１１におけるピラー３１（酸化膜３２を除く）を構成する材料と、バッファ層１５を構成する材料とは同一である。また、バッファ層１５を構成する材料と、第２フォノニック結晶層２１を構成する材料（ピラー３１を除く）とは同一である。
【００６８】
第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１の上記とは別の一例が、図１９Ａ及び図１９Ｂに示される。図１９Ｂには、図１９Ａのフォノニック結晶層１１，２１の断面１９Ｂ−１９Ｂが示される。図１９Ａ及び図１９Ｂに示されるフォノニック結晶層１１，２１は、複数のピラー３１をさらに備える。ピラー３１の各々は、フォノニック結晶層１１，２１の貫通孔１２，２２に充填されている。ピラー３１を構成する材料は、フォノニック結晶層１１，２１を構成する材料とは異なっている。
【００６９】
ピラー３１が充填された第１フォノニック結晶層１１及びピラー３１が充填された第２フォノニック結晶層２１を備える積層体１の一例が図２０に示される。図２０の積層体１は、第１フォノニック結晶層１１、第２フォノニック結晶層２１、及び第１フォノニック結晶層１１がこの順に配置された、３つのフォノニック結晶層を有する３層構造体である。最下層である第１フォノニック結晶層１１と第２フォノニック結晶層２１との間には、第１バッファ層１５Ａが配置されている。第２フォノニック結晶層２１と最上層である第１フォノニック結晶層１１との間には、第２バッファ層１５Ｂが配置されている。第１フォノニック結晶層１１におけるピラー３１を構成する材料と、第１バッファ層１５Ａを構成する材料とは同一である。第１バッファ層１５Ａを構成する材料と、第２フォノニック結晶層２１を構成する材料（ピラー３１を除く）とは同一である。第２フォノニック結晶層２１におけるピラー３１を構成する材料と、第２バッファ層１５Ｂを構成する材料とは同一である。第２バッファ層１５Ｂを構成する材料と、第１フォノニック結晶層１１を構成する材料（ピラー３１を除く）とは同一である。図２０に示される積層体１は、２種類の材料により構成される。当該２種類の材料は、いずれも、半導体材料でありうる。
【００７０】
本開示の積層体は、化学気相成長（ＣＶＤ）、スパッタリング、及び蒸着等の各種の薄膜形成手法；並びに、電子線リソグラフィー、フォトリソグラフィー、ブロック共重合体リソグラフィー、選択的エッチング、及びケモメカニカルポリッシング（ＣＭＰ）等の各種の微細加工手法及びパターン形成手法；の組み合わせによる製造が可能である。ブロック共重合体リソグラフィーは、フォノニック結晶構造の形成に適している。
【００７１】
本開示の積層体を製造する方法の一例が、図２１Ａ〜図２１Ｊの参照により、以下に説明される。本開示の積層体を製造する方法は、以下の例に限定されない。
【００７２】
図２１Ａ：ベース基板４１が準備される。ベース基板４１の上面には、酸化膜４２が設けられている。酸化膜４２は、例えば、ＳｉＯ2膜である。
【００７３】
図２１Ｂ：酸化膜４２の上に、半導体層４３が形成される。半導体層４３は、例えば、多結晶Ｓｉ層である。半導体層４３は、例えば、ＣＶＤにより形成される。半導体層４３の厚さは、例えば２００ｎｍである。
【００７４】
図２１Ｃ：半導体層４３の上に、ハードマスク４４が形成される。ハードマスク４４は、例えば、ＳｉＯ2層である。ハードマスク４４は、例えば、ＣＶＤにより形成される。
ハードマスク４４の厚さは、例えば、３０ｎｍである。ハードマスク４４は、半導体層４３に対するフォノニック結晶構造の形成に使用される。
【００７５】
図２１Ｄ：ハードマスク４４の上に、ブロック共重合体の自己組織化膜４５が形成される。自己組織化膜４５は、フォノニック結晶構造を形成するためのブロック共重合体リソグラフィーに使用される。
【００７６】
図２１Ｅ：ブロック共重合体リソグラフィーにより、規則的に配列した複数の貫通孔４６がハードマスク４４に形成される。
【００７７】
図２１Ｆ：ハードマスク４４をレジストとする選択的エッチングによって、半導体層４３に対して、平面視したときに複数の貫通孔４６に対応する位置に、規則的に配列した複数の貫通孔１２が形成される。形成された複数の貫通孔１２は、フォノニック結晶構造を構成する。半導体層４３は、第１フォノニック結晶層１１となる。
【００７８】
図２１Ｇ：ハードマスク４４及び自己組織化膜４５が除去される。
【００７９】
図２１Ｈ：第１フォノニック結晶層１１における貫通孔１２の内周面に酸化膜３２が形成される。酸化膜３２は、例えば、ＳｉＯ2膜である。酸化膜３２は、例えば、熱酸化により形成される。酸化膜３２の厚さは、例えば、１ｎｍである。
【００８０】
図２１Ｉ：第１フォノニック結晶層１１における貫通孔１２の内部に半導体が充填されて、酸化膜３２を周面に有するピラー３１が形成される。ピラー３１は、例えば、多結晶Ｓｉにより構成される。ピラー３１は、例えば、ＣＶＤにより形成される。また、このとき、ピラー３１を構成する半導体材料により構成される層４７が第１のフォノニック結晶層１１の上に形成される。
【００８１】
図２１Ｊ：ＣＭＰ等の手法により、層４７が除去される。このようにして、ピラー３１をさらに備える第１フォノニック結晶層１１が形成される。その後、第１フォノニック結晶層１１の上にさらなる半導体層４３を形成し、図２１Ｃから図２１Ｊに示される工程を再度実施することで、第２フォノニック結晶層２１が形成可能である。このようにして、第１フォノニック結晶層１１及び第２フォノニック結晶層２１を備える積層体１が得られる。図２１Ｊに示される工程において、ＣＭＰを制御して層４７の一部を第１フォノニック結晶層１１の上に残すことにより、バッファ層１５を備える積層体１を得ることも可能である。
【００８２】
バッファ層１５の厚さは、例えば、１００ｎｍ以下である。このような薄いバッファ層１５を介して、第１フォノニック結晶層１１は、第２フォノニック結晶層２１に接続される。これにより、界面５５における熱の散乱効果が得られることに加えて、フォノニック結晶層１１、２２とバッファ層１５における音速のミスマッチにより、両者の界面でフォノンの伝搬を抑制することが可能となる。その結果、熱伝導率の更なる低減効果が期待できる。
【００８３】
[結晶体]
図１７Ａ及び図１７Ｂ、並びに図１９Ａ及び図１９Ｂに示されるフォノニック結晶層１１，２１は、従来にない結晶体である。本開示には、フォノニック結晶構造を有する、以下の結晶体が含まれる。当該結晶体は、フォノニック結晶層、及び複数のピラーを備える。ここで、フォノニック結晶層は、規則的に配列した複数の貫通孔を具備するフォノニック結晶構造を有する。ピラーは、直線状に延びる柱状体である。ピラーの各々は、貫通孔に充填されている。ただし、フォノニック結晶層とピラーとが同一の材料により構成される場合、ピラーの周面は、酸化膜により被覆されている。この結晶体は、１つのフォノニック結晶層から構成される単層構造体でありうる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本開示の積層体は、例えば、フォノニック結晶構造の特性、典型的には低い熱伝導率、をメリットとする各種の用途に応用できる。
【符号の説明】
【００８５】
１  積層体
１１  第１フォノニック結晶層
１２  第１貫通孔
１５  バッファ層
１５Ａ  第１バッファ層
１５Ｂ  第２バッファ層
２１  第２フォノニック結晶層
２２  第２貫通孔
３１  ピラー
３２  酸化膜
４１  ベース基板
４２  酸化膜
５０  貫通孔
５１Ａ  第１ドメイン
５１Ｂ  第２ドメイン
５２  フォノニック多結晶構造
５３Ａ，５３Ｂ  方位
５５  界面
９１，９１Ａ，９１Ｂ  単位格子
９２  領域
９３  領域
２０１  領域
２０２  領域
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２１Ｄ】
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【図２１Ｅ】
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【図２１Ｆ】
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【図２１Ｇ】
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【図２１Ｈ】
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【図２１Ｉ】
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【図２１Ｊ】
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【国際調査報告】
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