JP7603247B2 - 赤外線センサ及び赤外線センサアレイ - Google Patents

Description

本開示は、赤外線センサ及び赤外線センサアレイに関する。

赤外線センサの分野において、梁を用いてベース基板から赤外線受光部を離間させる構造が提案されている。この構造は、ベース基板からの赤外線受光部の熱的な絶縁を目的としている。この構造を有する赤外線センサでは、梁の断熱性能が高いほど赤外線の受光感度が向上する。特許文献１は、フォノニック結晶構造の導入によって梁の断熱性能を高める技術を開示している。

赤外線センサの一種に、ボロメータ型センサがある。ボロメータ型センサは、サーミスタ型センサとも称される。ボロメータ型センサの赤外線受光部は、温度によって電気抵抗が変化する抵抗変化材料を含む。特許文献１の開示する赤外線センサには、ボロメータ型センサが含まれる。

非特許文献１には、下部電極と、上部電極と、抵抗変化材料からなる抵抗変化膜とを含む赤外線受光部を備えるボロメータ型赤外線センサが開示されている。非特許文献１の赤外線センサは、下部電極及び上部電極によって抵抗変化膜が厚さ方向に挟持された「サンドイッチ構造」を有する。

特開２０１７－２２３６４４号公報

A. Kosarev et al., "Un-cooled micro-bolometer with Sandwiched Thermo-sensing Layer Based on Ge films deposited by Plasma", Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 910, 2006, 0910-A17-05

本開示は、ボロメータ型赤外線センサにおける赤外線の受光感度を高める技術を提供する。

本開示は、以下の赤外線センサを提供する。
赤外線センサであって、
ボロメータ赤外線受光部；
第１梁；
第２梁；
第１配線；
第２配線；及び
赤外線反射膜；
を具備し、
ここで、
前記第１梁及び前記第２梁の各々は、前記ベース基板、及び／又は前記ベース基板上の部材と接続された接続部と、前記ベース基板から離間した離間部と、を有し、かつ、前記離間部において前記赤外線受光部と物理的に接合され、
前記赤外線受光部は、前記第１梁及び前記第２梁によって、前記ベース基板とは離間した状態で支持されており、
前記赤外線受光部は、下部電極と、上部電極と、温度によって電気抵抗が変化する抵抗変化材料から構成される抵抗変化膜と、を含み、
前記抵抗変化膜は、前記下部電極及び前記上部電極によって厚さ方向に挟持され、
前記下部電極及び前記上部電極の各々は、前記抵抗変化膜と電気的に接続され、
前記下部電極及び前記上部電極は、前記第１配線及び前記第２配線と、それぞれ電気的に接続され、
前記下部電極及び前記上部電極から選ばれる少なくとも１つの電極が、ラインアンドスペース構造を有し、
前記赤外線反射膜は、前記ベース基板の表面における前記赤外線受光部に対面する位置に設けられている。

本開示の赤外線センサは、赤外線の高い受光感度を有しうるボロメータ型センサである。

図１Ａは、実施形態１の赤外線センサを模式的に示す断面図である。 図１Ｂは、実施形態１の赤外線センサを模式的に示す平面図である。 図２は、実施形態１の赤外線センサにおける下部電極及び上部電極を模式的に示す平面図である。 図３Ａは、本開示の赤外線センサが備えうる下部電極及び／又は上部電極の例を模式的に示す平面図である。 図３Ｂは、本開示の赤外線センサが備えうる下部電極及び／又は上部電極の例を模式的に示す平面図である。 図３Ｃは、本開示の赤外線センサが備えうる下部電極及び／又は上部電極の例を模式的に示す平面図である。 図３Ｄは、本開示の赤外線センサが備えうる下部電極及び／又は上部電極の例を模式的に示す平面図である。 図３Ｅは、本開示の赤外線センサが備えうる下部電極及び／又は上部電極の例を模式的に示す平面図である。 図４Ａは、本開示の赤外線センサの梁（第１梁）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４Ｂは、本開示の赤外線センサの梁（第２梁）が有しうるフォノニック結晶構造の一例を模式的に示す平面図である。 図５Ａは、図４Ａのフォノニック結晶構造が含む第１ドメインにおける単位格子とその方位とを示す模式図である。 図５Ｂは、図４Ａのフォノニック結晶構造が含む第２ドメインにおける単位格子とその方位とを示す模式図である。 図６は、図４Ａのフォノニック結晶構造の領域Ｒ１の拡大図である。 図７は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の別の一例を模式的に示す平面図である。 図８は、図７のフォノニック結晶構造の領域Ｒ２の拡大図である。 図９は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造のまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図１０は、図９のフォノニック結晶構造の領域Ｒ３の拡大図である。 図１１は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造のさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図１２は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１３は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１４Ａは、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の一例を示す模式図である。 図１４Ｂは、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の別の一例を示す模式図である。 図１５は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１６は、本開示の赤外線センサの梁が有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１７Ａは、本開示の赤外線センサの梁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１７Ｂは、本開示の赤外線センサの梁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１７Ｃは、本開示の赤外線センサの梁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１７Ｄは、本開示の赤外線センサの梁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１８Ａは、実施形態２の赤外線センサを模式的に示す断面図である。 図１８Ｂは、実施形態２の赤外線センサを模式的に示す平面図である。 図１９は、実施形態３の赤外線センサを模式的に示す断面図である。 図２０Ａは、本開示の赤外線センサ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２０Ｂは、本開示の赤外線センサ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２０Ｃは、本開示の赤外線センサ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２０Ｄは、本開示の赤外線センサ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２０Ｅは、本開示の赤外線センサ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２０Ｆは、本開示の赤外線センサ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２０Ｇは、本開示の赤外線センサ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２０Ｈは、本開示の赤外線センサ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２０Ｉは、本開示の赤外線センサ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２０Ｊは、本開示の赤外線センサ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２０Ｋは、本開示の赤外線センサ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２０Ｌは、本開示の赤外線センサ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２０Ｍは、本開示の赤外線センサ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２０Ｎは、本開示の赤外線センサ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２０Ｏは、本開示の赤外線センサを製造する方法の一例を説明するための模式的な断面図である。

（本開示の基礎となった知見）
本発明者らの検討によれば、ボロメータ型赤外線センサにおける赤外線の受光感度は、梁の断熱性能の向上だけではなく、熱雑音Ｎ_thermの低減によっても向上する。熱雑音Ｎ_thermは、赤外線センサの全電気抵抗Ｒ_allの１／２乗に比例するパラメータである。本開示の赤外線センサの赤外線受光部は、下部電極と上部電極と抵抗変化膜とを含み、かつ下部電極及び上部電極によって抵抗変化膜が厚さ方向に挟持された構造を有する。当該構造によれば、抵抗変化膜における電流の経路の断面積を広く、経路長を短くすることが可能となる。このため、抵抗変化膜の電気抵抗を低減できる。抵抗変化膜の電気抵抗の低減は、赤外線センサの全電気抵抗Ｒ_allを下げ、熱雑音Ｎ_thermを低減させる。即ち、上記構造により、赤外線の受光感度の向上が期待される。

一方で、ボロメータ型赤外線センサでは、赤外線受光部における赤外線の吸収量の増大を目的として、ベース基板の表面における赤外線受光部に対面する位置に赤外線反射膜が、通常、設けられる。また、赤外線反射膜の単なる配置のみならず、赤外線反射膜と赤外線受光部との離間距離を制御することにより、外部から赤外線受光部に入射する赤外線、赤外線受光部の上面において反射する赤外線、及び赤外線反射膜において反射して、ベース基板側から赤外線受光部に入射する赤外線の位相の整合が図られている。この位相の整合は、赤外線の吸収量の増大にとって重要である。本発明者らの検討によれば、抵抗変化膜上に面状に拡がった下部電極及び上部電極を上記構造に使用した場合、下部電極と上部電極との間における赤外線の多重反射により、上記位相の整合が困難となる。これに対して、本開示の赤外線センサの赤外線受光部では、下部電極及び上部電極から選ばれる少なくとも１つの電極が、ラインアンドスペース構造（Ｌ／Ｓ構造）を有する。Ｌ／Ｓ構造を有する電極では、複数の帯状部が特定の整列方向に互いに離間して整列している。このため、Ｌ／Ｓ構造を有する電極を透過及び反射する赤外線の主たる成分を、上記整列方向に振動面を有する偏光とすることができる。これは上記赤外線の多重反射を緩和させ、それ故に、上記位相の整合による赤外線の吸収量の増大を図ることができる。したがって、本開示の赤外線センサは高い受光感度を有しうる。

（本開示の実施形態）
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施形態は、いずれも包括的、又は具体的な例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置、及び接続形態、プロセス条件、ステップ、ステップの順序等は一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。

［赤外線センサ］
（実施形態１）
実施形態１の赤外線センサが図１Ａ及び図１Ｂに示される。図１Ａには、図１Ｂの赤外線センサ１Ａの断面１Ａ－１Ａが示される。赤外線センサ１Ａは、熱型赤外線センサの１種であるボロメータ型赤外線センサである。赤外線センサ１Ａは、ベース基板１１、ボロメータ赤外線受光部１２、第１梁１３Ａ、第２梁１３Ｂ、第１配線２０Ａ、第２配線２０Ｂ、及び赤外線反射膜２３を備える。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、それぞれ、ベース基板１１上の部材と接続された接続部１６Ａ，１６Ｂを有する。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々は、ベース基板１１から離間した離間部１７を有する。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、それぞれ、一方の端部に接続部１６Ａ，１６Ｂを有している。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々は、離間部１７において赤外線受光部１２と物理的に接合されている。赤外線受光部１２と物理的に接合されている位置は、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々における他方の端部である。赤外線受光部１２は、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂによって、ベース基板１１とは離間した状態で支持されている。この離間は、ベース基板１１と赤外線受光部１２との熱的な絶縁を高めている。

赤外線センサ１Ａは、ベース基板１１上に配置された部材であって、ベース基板１１の上面１４から離れる方向に延びる第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂをさらに備える。第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂは、ベース基板１１上の部材である。第１梁１３Ａは、接続部１６Ａにおいて第１支柱１５Ａに物理的に接続されている。第２梁１３Ｂは、接続部１６Ｂにおいて第２支柱１５Ｂと物理的に接続されている。断面視において、赤外線受光部１２、第１梁１３Ａ、及び第２梁１３Ｂは、第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂによってベース基板１１の上部で懸架されている。図１Ａ及び図１Ｂに示される赤外線センサ１Ａでは、第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂによる上記懸架によって、ベース基板１１と赤外線受光部１２との離間が達成されている。

赤外線受光部１２は、下部電極３１と、上部電極３２と、温度によって電気抵抗が変化する抵抗変化材料から構成される抵抗変化膜３３とを含む。抵抗変化膜３３は、下部電極３１及び上部電極３２によって厚さ方向に挟持されている。下部電極３１は、抵抗変化膜３３と直接的かつ電気的に接合している。上部電極３２は、抵抗変化膜３３と直接的かつ電気的に接合している。

第１配線２０Ａは、第１梁１３Ａ上に形成されている。第１配線２０Ａと下部電極３１とは、電気的に接続されている。第１配線２０Ａと下部電極３１とは一体化されている。第２配線２０Ｂは、第２梁１３Ｂ上に形成されている。第２配線２０Ｂと上部電極３２とは、電気的に接続されている。第２配線２０Ｂと上部電極３２とは一体化されている。

第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂは、導電性を有する。第１配線２０Ａは、第１支柱１５Ａに電気的に接続されている。第２配線２０Ｂは、第２支柱１５Ｂに電気的に接続されている。第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂは、赤外線受光部１２に含まれる抵抗変化膜３３の抵抗を検出する電流の経路としての機能も有している。

赤外線センサ１Ａでは、抵抗変化膜３３の抵抗の読み取りが実施される。読み取りのために、図１Ａ及び図１Ｂに示される赤外線センサ１Ａは、ベース基板１１の内部に読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）；（図示せず）をさらに備えている。赤外線センサ１Ａは、ベース基板１１の上面１４に第１信号読み出し端子２２Ａ及び第２信号読み出し端子２２Ｂをさらに備えている。第１支柱１５ＡとＲＯＩＣとは、第１信号読み出し端子２２Ａを介して電気的に接続されている。第２支柱１５ＢとＲＯＩＣとは、第２信号読み出し端子２２Ｂを介して電気的に接続されている。抵抗変化膜３３の抵抗は、下部電極３１、上部電極３２、第１配線２０Ａ、第２配線２０Ｂ、第１支柱１５Ａ、第２支柱１５Ｂ、第１信号読み出し端子２２Ａ、及び第２信号読み出し端子２２Ｂを介して読み取り可能である。なお、抵抗変化膜３３を挟んだ第１信号読み出し端子２２Ａと第２信号読み出し端子２２Ｂとの間の電気抵抗が、上述した全電気抵抗Ｒ_allである。赤外線センサ１Ａは、抵抗変化膜３３の抵抗を読み取るためのさらなる部材を備えていてもよい。

赤外線受光部１２に赤外線が入射すると、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の温度は、熱浴であるベース基板１１及びベース基板１１上の部材から熱的に絶縁されているほど、大きく上昇する。ボロメータ赤外線受光部１２を備える赤外線センサ１Ａでは、温度上昇に伴って、抵抗変化膜３３の抵抗が変化する。変化した抵抗に対応する電気的な信号をＲＯＩＣで処理して赤外線が検知される。処理によっては、赤外線センサ１Ａによる赤外線の強度測定、及び／又は対象物の温度測定が可能である。ただし、本開示の赤外線センサにおいて、赤外線受光部１２に含まれる抵抗変化膜３３の抵抗の読み取りは、ベース基板１１の内部に設けられたＲＯＩＣによる態様に限定されない。

赤外線センサ１Ａは、ベース基板１１の表面における赤外線受光部１２に対面する位置に赤外線反射膜２３をさらに備えている。図１Ａ及び図１Ｂに示される赤外線センサ１Ａでは、赤外線反射膜２３はベース基板１１の上面１４に配置されている。赤外線反射膜２３は、外部から赤外線センサ１Ａに入射した赤外線を反射する。反射する赤外線には、赤外線受光部１２を透過した赤外線が含まれる。赤外線反射膜２３において反射した赤外線は、下部電極３１の側から赤外線受光部１２に入射しうる。平面視において、赤外線受光部１２の面積に比べて赤外線反射膜２３の面積は大きい。また、平面視において、赤外線反射膜２３は、赤外線受光部１２を囲むように配置されている。ただし、赤外線反射膜２３の具体的な形態は、図１Ａ及び図１Ｂに示される例に限定されない。なお、本明細書において、「平面視」とは、対象物の主面に垂直な方向から対象物を視ることを意味する。また、「主面」とは、最も広い面積を有する面を意味する。

図１Ａ及び図１Ｂに示される赤外線センサ１Ａでは、下部電極３１及び上部電極３２の双方の電極が、Ｌ／Ｓ構造を有する。当該下部電極３１及び上部電極３２の各々を構成する金属膜の実効的なシート抵抗（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｓｈｅｅｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）は、１００Ω／□以上かつ５００Ω／□以下であることが望ましい。この場合、当該金属膜の実効的なシート抵抗は、真空のインピーダンスと整合する。これにより、当該金属膜における赤外線の反射が抑えられ、赤外線の吸収を増大させることができる。ここで、実効的なシート抵抗とは、有効媒質近似に基づいて得られる不連続体のシート抵抗である。この形態では、上記赤外線の多重反射を緩和させる制御の自由度が向上可能である。また、赤外線センサ１Ａでは、下部電極３１は第１のＬ／Ｓ構造を有し、上部電極３２は第２のＬ／Ｓ構造を有する。平面視において、第１のＬ／Ｓ構造の整列方向と、第２のＬ／Ｓ構造の整列方向とは互いに異なっている。この形態では、上記赤外線の多重反射を緩和させる制御の自由度のさらなる向上が可能である。平面視において、第１のＬ／Ｓ構造の整列方向と第２のＬ／Ｓ構造の整列方向とが成す角度は、劣角により表示して、例えば、４５度以上であり、６０度以上、７０度以上、８０度以上、さらには８５度以上であってもよい。また、当該角度は、８０度以上９０度以下であってもよい。赤外線センサ１Ａでは、平面視において、第１のＬ／Ｓ構造の整列方向と第２のＬ／Ｓ構造の整列方向とは、直交している。なお、本明細書において、「直交」とは、２つの方向が劣角により表示して８９度以上９０度以下の角度で交わることを意味し、９０度で交わっていてもよい。

Ｌ／Ｓ構造は、特定の整列方向に互いに離間して整列している２以上の帯状部から構成される構造である。各々の帯状部のライン幅は、通常、等しい。３以上の帯状部からＬ／Ｓ構造が構成される場合、隣接する帯状部の間の各間隔は、通常、等しい。Ｌ／Ｓ構造において、ライン幅と間隔とが等しくてもよい。

下部電極３１及び／又は上部電極３２が有しうるＬ／Ｓ構造のライン幅及び間隔は、１μｍ以下であってもよい。当該ライン幅及び間隔の下限は、例えば３０ｎｍ以上である。赤外線センサ１Ａへの入射が想定される赤外線の中心波長の１／１０が１μｍに相当する。このため、Ｌ／Ｓ構造のライン幅及び間隔が１μｍ以下である場合には、当該Ｌ／Ｓ構造を有する下部電極３１及び／又は上部電極３２における赤外線に対する偏光選択能が向上可能となる。なお、ライン幅及び間隔が１μｍ以下であるＬ／Ｓ構造は、赤外線に対するワイヤーグリッド構造と捉えることもできる。

下部電極３１が有しうる第１のＬ／Ｓ構造と、上部電極３２が有しうる第２のＬ／Ｓ構造とは、同一のライン幅及び間隔を有していてもよい。この形態では、上記赤外線の多重反射を緩和させる制御の自由度のさらなる向上が可能である。また、第１のＬ／Ｓ構造と第２のＬ／Ｓ構造とが同一のライン幅及び間隔を有するとともに、第１のＬ／Ｓ構造の整列方向と第２のＬ／Ｓ構造の整列方向とが平面視において直交する場合、当該自由度は特に高くなりうる。

図１Ａ及び図１Ｂの赤外線センサ１Ａにおける下部電極３１及び上部電極３２が、図２に示される。図２の下部電極３１及び上部電極３２は、特定の一つの整列方向ＡＤに延びる７つの帯状部３４を有する。７つの帯状部３４は、各々の一方の端部において、バスライン３５により物理的かつ電気的に接続されている。また、下部電極３１では、接続ライン３６が、バスライン３５から、帯状部３４の配列している側とは反対側、かつ整列方向ＡＤに平行に延びている。接続ライン３６には帯状の第１配線２０Ａが接続されており、下部電極３１と第１配線２０Ａとは一体化されている。第１配線２０Ａの延びる方向は、整列方向ＡＤに平行である。上部電極３２では、配列の端に位置する帯状部３４Ａから、帯状部３４の配列している側とは反対側、かつ整列方向ＡＤに垂直に接続ライン３６が延びている。接続ライン３６には第２配線２０Ｂが接続されており、上部電極３２と第２配線２０Ｂとは一体化されている。第２配線２０Ｂの延びる方向は、整列方向ＡＤに垂直である。下部電極３１の構造と、上部電極３２の構造とは逆であってもよい。換言すれば、下部電極３１が図２に示される上部電極３２の構造を有し、上部電極３２が図２に示される下部電極３１の構造を有していてもよい。

下部電極３１及び上部電極３２のさらなる例が、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ及び図３Ｅに示される。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄ及び図３Ｅの下部電極３１及び／又は上部電極３２は、特定の一つの整列方向ＡＤに延びる７つの帯状部３４を有する。図３Ａの下部電極３１及び／又は上部電極３２では、各々の帯状部３４は物理的にも電気的にも接続されていない。ただし、配列の端に位置する帯状部３４Ａから、帯状部３４の配列している側とは反対側、かつ整列方向ＡＤに垂直に接続ライン３６が延びている。図３Ａに示されるように、各々の帯状部３４が物理的にも電気的にも接続されていない場合においても、当該Ｌ／Ｓ構造を有する電極は、赤外線に対する偏光選択能を有しうる。また、接続ライン３６が電気的に接続された帯状部３４Ａの存在により、当該電極は、抵抗変化膜３３の電気抵抗を測定するための電極として機能できる。図３Ｂの下部電極３１及び／又は上部電極３２では、各々の帯状部３４は物理的にも電気的にも接続されていない。ただし、配列の端に位置する帯状部３４Ａの一端にはバスライン３５が接続されている。また、バスライン３５から、帯状部３４の配列している側とは反対側、かつ整列方向ＡＤに平行に接続ライン３６が接続されている。図３Ｃの下部電極３１及び／又は上部電極３２では、各々の帯状部３４が、その中央部において、バスライン３５により物理的かつ電気的に接続されている。また、バスライン３５の一端は接続ライン３６を構成している。図３Ｄの下部電極３１及び／又は上部電極３２では、各々の帯状部３４は物理的にも電気的にも接続されていない。ただし、配列の中央に位置する帯状部３４Ｂの一端に接続ライン３６が接続されている。図３Ｅの下部電極３１及び／又は上部電極３２では、各々の帯状部３４の双方の端部が、それぞれバスライン３５により物理的かつ電気的に接続されている。また、配列の端に位置する帯状部３４Ａから、帯状部３４の配列している側とは反対側、かつ整列方向ＡＤに垂直に接続ライン３６が延びている。

下部電極３１及び上部電極３２の厚さは、例えば、３０～５００ｎｍである。

本開示の赤外線センサが有しうる下部電極３１及び上部電極３２は、上記例に限定されない。

図１Ａ及び図１Ｂに示される赤外線センサ１Ａでは、赤外線受光部１２は、受光部支持膜１８をさらに備える。受光部支持膜１８は、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂに物理的に接続されている。上記接続により、第１梁１３Ａ、第２梁１３Ｂ、第１支柱１５Ａ、及び第２支柱１５Ｂによる上記懸架構造が達成される。また、赤外線センサ１Ａでは、受光部支持膜１８、第１梁１３Ａ、及び第２梁１３Ｂは、一つの半導体層２１により構成されている。半導体層２１は、単層である。ただし、半導体層２１は２以上の層の積層構造を有していてもよい。また、本開示の赤外線センサにおける、第１梁１３Ａ、第２梁１３Ｂ、第１支柱１５Ａ、及び第２支柱１５Ｂを用いた赤外線受光部１２の懸架構造は上記例に限定されない。

赤外線センサ１Ａでは、平面視において、抵抗変化膜３３の面積に比べて受光部下地膜１８の面積は大きい。また、平面視において、受光部下地膜１８は、抵抗変化膜３３を囲むように配置されている。ただし、受光部下地膜１８の具体的な形態は、図１Ａ及び図１Ｂに示される例に限定されない。

ベース基板１１は、典型的には、半導体から構成される。半導体は、例えば、シリコン（Ｓｉ）である。Ｓｉから構成されるベース基板１１の上面１４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１１の構成は、上記例に限定されない。

ＲＯＩＣは、公知の構成を有しうる。ＲＯＩＣは、ベース基板１１の内部とは異なる場所に設けられていてもよい。ＲＯＩＣは、例えば、ベース基板１１の上面１４に設けられてもよい。

第１の支柱１５Ａ、第２の支柱１５Ｂ、第１信号読み出し端子２２Ａ、及び第２信号読み出し端子２２Ｂは、例えば、不純物がドープされた半導体、又は金属から構成される。金属は、例えば、チタン（Ｔｉ）又は窒化チタン（ＴｉＮ）といった低熱伝導率の種である。金属は、アルミニウム（Ａｌ）であってもよい。ただし、第１の支柱１５Ａ、第２の支柱１５Ｂ、及び信号読み出し端子２２Ａ，２２Ｂを構成する材料は、上記例に限定されない。

第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、例えば、半導体又は酸化物から構成される。半導体は、例えば、Ｓｉ、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）である。酸化物は、例えば、酸化バナジウムである。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、Ｓｉ又は酸化バナジウムから構成されてもよい。ただし、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂを構成する材料は、上記例に限定されない。

受光部支持膜１８は、例えば、半導体から構成される。半導体は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅ、ＳｉＮである。受光部支持膜１８の導電性は低いことが望ましい。低い導電性を有する半導体として、非晶質の半導体が選択可能である。ただし、受光部支持膜１８を構成する材料は、上記例に限定されない。

下部電極３１、上部電極３２、第１配線２０Ａ、及び第２配線２０Ｂは、導電性を有する。下部電極３１、上部電極３２、第１配線２０Ａ、及び第２配線２０Ｂは、例えば、不純物がドープされた半導体、又は金属から構成される。金属は、例えば、Ｔｉ又はＴｉＮといった低熱伝導率の種である。ただし、下部電極３１、上部電極３２、第１配線２０Ａ、及び第２配線２０Ｂを構成する材料は、上記例に限定されない。

抵抗変化膜３３に含まれる抵抗変化材料は、例えば、半導体又は酸化物から構成される。半導体は、例えば、Ｓｉ、ＳｉＧｅである。酸化物は、例えば、酸化バナジウムである。抵抗変化膜３３は、Ｓｉ又は酸化バナジウムから構成されてもよい。抵抗変化膜３３の導電性は低いことが望ましい。低い導電性を有する半導体として、非晶質の半導体が選択可能である。抵抗変化膜３３は、例えば、非晶質のＳｉから構成される。ただし、抵抗変化材料は上記例に限定されない。

赤外線反射膜２３は、典型的には、金属から構成される。金属は、例えば、クロム（Ｃｒ）、Ａｌ、金（Ａｕ）である。ただし、赤外線反射膜２３を構成する材料は、上記例に限定されない。

第１梁１３Ａにおける、赤外線受光部１２との接合部と接続部１６Ａとの間に位置する区間、及び／又は第２梁１３Ｂにおける、赤外線受光部１２との接合部と接続部１６Ｂとの間に位置する区間は、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ていてもよい。実施形態１の赤外線センサ１Ａの一例では、第１梁１３Ａにおける、赤外線受光部１２との接合部と接続部１６Ａとの間に位置する区間は、規則的に配列した複数の貫通孔を具備する第１フォノニック結晶構造を有し、第２梁１３Ｂにおける、赤外線受光部１２との接合部と接続部１６Ｂとの間に位置する区間は、規則的に配列した複数の貫通孔を具備する第２フォノニック結晶構造を有する。上記区間は、通常、第１梁１３Ａ及び／又は第２梁１３Ｂの離間部１７に位置する。

絶縁体及び半導体において、熱は、主として、フォノンと呼ばれる格子振動によって運ばれる。絶縁体又は半導体から構成される材料の熱伝導率は、材料が有するフォノンの分散関係により決定される。フォノンの分散関係とは、周波数と波数との関係、又はバンド構造を意味している。絶縁体及び半導体において、熱を運ぶフォノンは、１００ＧＨｚから１０ＴＨｚの幅広い周波数帯域に及ぶ。この周波数帯域は、熱の帯域である。材料の熱伝導率は、熱の帯域にあるフォノンの分散関係により定められる。

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。材料の熱伝導率は、例えば、多孔質化により低減できる。多孔質化により導入された空隙が材料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、材料自身の熱伝導率が低減可能となる。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。

上記説明から理解されるように、フォノニック結晶構造を有する区間を有する第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂでは、熱伝導率のさらなる低減が可能である。したがって、第１梁１３Ａ及び／又は第２梁１３Ｂ、特に第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの双方、が上記区間にフォノニック結晶構造を有する場合に、赤外線センサ１Ａにおけるベース基板１１と赤外線受光部１２との熱的な絶縁はさらに向上可能となる。また、熱的な絶縁のさらなる向上により、赤外線センサ１Ａの受光感度のさらなる向上が可能となる。

以下の説明は、第１梁１３Ａ及び／又は第２梁１３Ｂが有しうるフォノニック結晶構造に関する。これ以降、第１梁１３Ａ及び／又は第２梁１３Ｂが有しうるフォノニック結晶構造は、フォノニック結晶構造Ａと記載される。

フォノニック結晶構造Ａの一例が図４Ａ及び図４Ｂに示される。図４Ａには、梁１３（１３Ａ）の一部を平面視した状態が示されている。図４Ｂには、梁１３（１３Ｂ）の一部を平面視した状態が示されている。梁１３（１３Ａ，１３Ｂ）は、例えば、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の厚さを有する。梁１３は、平面視において、長方形である。梁１３の長辺は、赤外線受光部１２と接続部１６Ａ，１６Ｂとを結ぶ方向、即ち、赤外線センサ１Ａにおけるマクロな熱の伝達方向、と一致している。梁１３には、梁１３の厚さ方向に延びる複数の貫通孔５０が設けられている。梁１３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。

第１の梁１３Ａの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１ドメイン５１Ａ、及びフォノニック結晶領域である第２ドメイン５１Ｂを有する。第１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２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１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂの形状は、平面視において、長方形である。第１ドメイン５１Ａの形状と、第２ドメイン５１Ｂの形状とは、平面視において、同一である。

第２の梁１３Ｂの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５１Ｃ、及びフォノニック結晶領域である第４ドメイン５１Ｄを有する。第３ドメイン５１Ｃは、平面視において、第３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５１Ｄは、平面視において、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５１Ｃ及び第４ドメイン５１Ｄの形状は、平面視において、長方形である。第３ドメイン５１Ｃの形状と、第４ドメイン５１Ｄの形状とは、平面視において、同一である。

図４Ａ及び図４Ｂに示されるフォノニック結晶構造Ａは、複数のフォノニック単結晶構造の複合体であるフォノニック多結晶構造５２でもある。

図４Ａに示されるフォノニック結晶構造Ａと、図４Ｂに示されるフォノニック結晶構造Ａとは同一である。ただし、両者は互いに異なっていてもよい。

第１梁１３Ａが有しうるフォノニック結晶構造Ａと、第２梁１３Ｂが有しうるフォノニック結晶構造Ａとは、同一であっても、互いに異なっていてもよい。

以下、フォノニック結晶構造Ａがとりうる形態の詳細について、第１梁１３Ａが有しうるフォノニック結晶構造Ａ、換言すれば、第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂを有するフォノニック結晶構造Ａ、を例に説明する。第２梁１３Ｂが有しうるフォノニック結晶構造Ａも、同様の形態をとりうる。第１梁１３Ａが有しうるフォノニック結晶構造Ａと第２梁１３Ｂが有しうるフォノニック結晶構造Ａとは、説明する形態の範囲内で互いに異なっていてもよい。

フォノニック結晶領域であるドメインは、貫通孔５０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。

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１ドメイン５１Ａにおける単位格子９１Ａの方位５３Ａと、第２ドメイン５１Ｂにおける単位格子９１Ｂの方位５３Ｂとが、平面視において、互いに異なっている。方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度は、平面視において、例えば１０度以上である。ただし、単位格子９１Ａ及び単位格子９１Ｂが同一であって、ｎ回回転対称性を有する場合、方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度の上限は３６０／ｎ度未満である。なお、単位格子が複数のｎに対してｎ回回転対称性を有するとき、上記角度の上限を定めるｎには最大のｎが使用される。例えば、六方格子は、２回回転対称性、３回回転対称性、及び６回回転対称性を有する。このとき、角度の上限を定めるｎには「６」が使用される。即ち、六方格子である単位格子９１Ａ，９１Ｂについて、方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度は６０度未満である。フォノニック結晶構造Ａは、単位格子の方位が互いに異なる２以上のフォノニック結晶領域を少なくとも有している。この条件が満たされる限り、フォノニック結晶構造Ａは、任意のフォノニック結晶領域、及び／又はフォノニック結晶構造を有さない領域をさらに含んでいてもよい。

単位格子の方位は、任意の規則に基づいて決定できる。ただし、異なるドメイン間において、同じ規則を適用して単位格子の方位を定める必要がある。単位格子の方位は、例えば、単位格子を構成する平行でない二辺の成す角を二等分する直線の伸長方向である。ただし、異なるドメイン間において、同じ規則で二辺を定める必要がある。

図４Ａ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１ドメイン５１Ａと第２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１ドメイン５１Ａと第２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を有する梁１３（１３Ａ）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、長方形の梁１３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梁１３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垂直にフォノニック結晶構造Ａを分割している。

図４Ａのフォノニック結晶構造Ａにおいて、第１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２ドメイン５１Ｂにおける複数の貫通孔５０の配列の周期Ｐとは等しい。

図４Ａのフォノニック結晶構造Ａにおいて、第１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２ドメイン５１Ｂにおいて規則的に配列した複数の貫通孔５０の径とは等しい。

図４Ａのフォノニック結晶構造Ａにおいて、第１ドメイン５１Ａにおける単位格子９１Ａの種類と、第２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４Ａ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。

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。さらに、フォノニック結晶構造Ａが有する各ドメインのサイズは限定されない。

図７及び図８に示されるフォノニック結晶構造Ａは多結晶構造５２である。多結晶構造５２では、隣接する第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂの界面５５が、平面視において、長方形の梁１３（１３Ａ）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４Ａ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平行にフォノニック結晶構造Ａを分割している。なお、図８は、図７の領域Ｒ２の拡大図である。

図４Ａ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１ドメイン５１Ａのサイズ及び第２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１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂのサイズは互いに異なっていてもよい。

図９及び図１０に示されるフォノニック結晶構造Ａは多結晶構造５２である。多結晶構造５２では、平面視において、第２ドメイン５１Ｂが第１ドメイン５１Ａにより囲まれている。第１ドメイン５１Ａ及び第２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１ドメイン５１Ａのサイズと第２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２ドメイン５１Ｂと、第２ドメイン５１Ｂを囲む第１ドメイン５１Ａとの界面５５は、平面視において、第２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４Ａのフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。なお、図１０は、図９の領域Ｒ３の拡大図である。

また、図９及び図１０のフォノニック結晶構造Ａでは、界面５５が屈曲部を有している。

さらに、図９及び図１０のフォノニック結晶構造Ａは、梁１３（１３Ａ）の辺に接していない第２ドメイン５１Ｂを有する。

図１１に示されるフォノニック結晶構造Ａは、多結晶構造５２である。多結晶構造５２では、平面視において、第１ドメイン５１Ａと第２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、梁１３（１３Ａ）の長辺方向における第１ドメイン５１Ａと第２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４Ａのフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。

図１２に示されるフォノニック結晶構造Ａは、多結晶構造５２である。多結晶構造５２では、平面視において、第１ドメイン５１Ａと第２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、梁１３（１３Ａ）の長辺方向における第１ドメイン５１Ａと第２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４Ａのフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。

図１３に示されるフォノニック結晶構造Ａは、多結晶構造５２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，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ及び５１Ｇを含んでいる。各々のドメイン内において、複数の貫通孔５０の配列の周期、及び単位格子の方位は同一である。しかし、ドメイン５１Ａから５１Ｇ間では、単位格子の方位が各々互いに異なっている。また、平面視において、ドメイン５１Ａから５１Ｇのサイズ及び形状は互いに異なっている。この形態では、これまで例示した形態に比べて、フォノニック結晶構造Ａの全体で見たときに、より多くの単位格子の方位が存在する。このため、ドメイン間で単位格子の方位が異なることに基づいて熱伝導率を低下させる効果がより顕著となる。また、この形態では、ドメイン間の界面５５が、平面視において、複数のランダムな方向に延びている。このため、界面抵抗に基づいて熱伝導率を低下させる効果がより顕著となる。

また、図１３のフォノニック結晶構造Ａでは、隣接する第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの界面５５が、平面視において、梁１３（１３Ａ）の幅方向から傾いた方向に延びている。界面５５は、平面視において、屈曲部も有している。

フォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２は、貫通孔５０の配列の周期Ｐ及び／又は貫通孔５０の径Ｄが互いに異なる第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂを含んでいてもよい。図１４Ａに示される第１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２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１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２ドメイン５１Ｂにおける貫通孔５０の配列の周期Ｐとは同一である。

図１５に示されるフォノニック結晶構造Ａは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第１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２ドメイン５１Ｂとを有する。また、図１５の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の例と同様に、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垂直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１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２ドメイン５１Ｂで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域とが異なるため、熱伝導率の低減の効果が特に顕著となる。

図１６に示されるフォノニック結晶構造Ａでは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第１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２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１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２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。

貫通孔５０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５０間の中心間距離により定められる（図１４Ａ，１４Ｂ参照）。

貫通孔５０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、梁１３（１３Ａ，１３Ｂ）における空隙率が過度に低下して、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５０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５０の開口の径である。貫通孔５０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５０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（図１４Ａ，１４Ｂ参照）。

規則的に配列した複数の貫通孔５０を具備する単位格子９１の種類は、例えば、正方格子（図１７Ａ）、六方格子（図１７Ｂ）、長方格子（図１７Ｃ）、及び面心長方格子（図１７Ｄ）である。ただし、単位格子９１の種類は、これらの例に限定されない。

第１梁１３Ａ及び／又は第２梁１３Ｂが有しうるフォノニック結晶構造Ａは、上述した構造に限定されない。フォノニック結晶構造Ａは、例えば、特開２０１７－２２３６４４号公報に開示の構造であってもよい。ただし、図４Ａ及び図４Ｂをはじめとして上述した各図に示される、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フォノニック結晶構造Ａでは、梁１３の熱伝導率のさらなる低減、即ち、断熱性のさらなる向上、が可能となる。これは、以下の理由による。

本発明者らの検討によれば、フォノニック結晶構造によってもたらされる熱伝導率の低減の程度は、熱の伝達方向と、フォノニック結晶構造の単位格子の方位（orientation）とが成す角度に依存する。これは、ＰＢＧの帯域広さ、ＰＢＧの数、及びフォノンの平均群速度といった熱伝導に関わる要素が、当該角度に依存するためと考えられる。また、熱の伝達に関して、マクロ的には高温から低温の方向にフォノンは流れる。一方、ナノメートルのオーダーにあるミクロ領域に着目すると、フォノンの流れる方向には指向性がみられない。即ち、ミクロ的にはフォノンの流れる方向は一様ではない。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フォノニック結晶構造Ａ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、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フォノニック結晶構造Ａでは、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。これにより、梁１３の熱伝導率のさらなる低減が可能となる。

（実施形態２）
実施形態２の赤外線センサが図１８Ａ及び図１８Ｂに示される。図１８Ａには、図１８Ｂの赤外線センサ１Ｂの断面１８Ａ－１８Ａが示される。赤外線センサ１Ｂは、熱型赤外線センサの１種であるボロメータ型赤外線センサである。

赤外線センサ１Ｂは、ベース基板１１の上に絶縁層２６をさらに備える。断面視において、絶縁層２６は、ベース基板１１の上面１４と、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂ（半導体層２１）との間に配置されている。平面視において、絶縁層２６は、赤外線受光部１２及び赤外線反射膜２３を囲むように配置されている。また、第１支柱１５Ａにおける信号読み出し端子２２Ａと第１梁１３Ａとの間の区間は、絶縁層２６により囲まれている。第２支柱１５Ｂにおける信号読み出し端子２２Ｂと第２梁１３Ｂとの間の区間は、絶縁層２６により囲まれている。

絶縁層２６を構成する材料は、例えば、ＳｉＯ₂等の酸化物である。ただし、絶縁層２６を構成する材料は、上記例に限定されない。

実施形態２の赤外線センサ１Ｂにおけるその他の構成は、好ましい形態を含め、実施形態１の赤外線センサ１Ａにおける対応する構成と同様である。また、実施形態２の赤外線センサ１Ｂの作動原理は、実施形態１の赤外線センサ１Ａの作動原理と同じである。

（実施形態３）
実施形態３の赤外線センサが図１９に示される。図１９に示される赤外線センサ１Ｃは、熱型赤外線センサの１種であるボロメータ型赤外線センサである。赤外線センサ１Ｃは、ベース基板１１、ボロメータ赤外線受光部１２、第１梁１３Ａ、第２梁１３Ｂ、第１配線２０Ａ、第２配線２０Ｂ、及び赤外線反射膜２３を備える。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、それぞれ、ベース基板１１と接続された接続部１６Ａ，１６Ｂを有する。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々は、ベース基板１１から離間した離間部１７を有する。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂは、それぞれ、一方の端部に接続部１６Ａ，１６Ｂを有している。第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々は、離間部１７において赤外線受光部１２と物理的に接合されている。赤外線受光部１２と物理的に接合されている位置は、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂの各々における他方の端部である。赤外線受光部１２は、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂによって、ベース基板１１とは離間した状態で支持されている。この離間は、ベース基板１１と赤外線受光部１２との熱的な絶縁を高めている。

ベース基板１１は、赤外線受光部１２が設けられた上面１４に凹部２７を有する。平面視において、赤外線受光部１２の面積に比べて凹部２７の面積は大きい。また、平面視において、赤外線受光部１２は、凹部２７の外縁に囲まれている。凹部２７は、赤外線受光部１２、並びに第１梁１３Ａの離間部１７及び第２梁１３Ｂの離間部１７と、ベース基板１１との間に位置している。第１梁１３Ａは、接続部１６Ａにおいてベース基板１１と物理的に接続されている。第２梁１３Ｂは、接続部１６Ｂにおいてベース基板１１と物理的に接続されている。断面視において、赤外線受光部１２、並びに第１梁１３Ａの離間部１６Ａ及び第２梁１３Ｂの離間部１６Ｂは、ベース基板１１の凹部２７上に懸架されている。この懸架により、ベース基板１１と赤外線受光部１２との熱的な絶縁が高められる。

赤外線センサ１Ｃでは、抵抗変化膜３３の抵抗の読み取りが実施される。読み取りのために、図１９に示される赤外線センサ１Ｃは、ベース基板１１の内部にＲＯＩＣ（図示せず）をさらに備えている。第１配線２０Ａの端部とＲＯＩＣとは電気的に接続されている。第２配線２０Ｂの端部とＲＯＩＣとは電気的に接続されている。抵抗変化膜３３の抵抗は、下部電極３１、上部電極３２、第１配線２０Ａ、及び第２配線２０Ｂを介して読み取り可能である。赤外線センサ１Ｃは、抵抗変化膜３３の抵抗を読み取るためのさらなる部材を備えていてもよい。

赤外線受光部１２に赤外線が入射すると、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の温度は、熱浴であるベース基板１１から熱的に絶縁されているほど、大きく上昇する。ボロメータ赤外線受光部１２を備える赤外線センサ１Ｃでは、温度上昇に伴って、抵抗変化膜３３の抵抗が変化する。変化した抵抗に対応する電気的な信号をＲＯＩＣで処理して赤外線が検知される。処理によっては、赤外線センサ１Ｃによる赤外線の強度測定、及び／又は対象物の温度測定が可能である。ただし、上述のように、本開示の赤外線センサにおいて、赤外線受光部１２に含まれる抵抗変化膜３３の抵抗の読み取りは、ベース基板１１の内部に設けられたＲＯＩＣによる態様に限定されない。

実施形態１の赤外線センサ１Ａと実施形態３の赤外線センサ１Ｃとは、ベース基板１１の上面１４に対する赤外線受光部１２、第１梁１３Ａ、及び第２梁１３Ｂの懸架の方式が異なる。また、実施形態３の赤外線センサ１Ｃでは、赤外線反射膜２３が凹部２７の底面に配置されている。ただし、ベース基板１１の表面における赤外線受光部１２に対面する位置に赤外線反射膜２３が配置されている点において、赤外線センサ１Ｃの構成は赤外線センサ１Ａの構成と同じである。実施形態３の赤外線センサ１Ｃにおけるその他の構成は、好ましい形態を含め、実施形態１の赤外線センサ１Ａにおける対応する構成と同様である。

本開示の赤外線センサは、本発明の効果が得られる限り、上述した以外の任意の部材を有していてもよい。

［赤外線センサアレイ］
実施形態１～３の赤外線センサ１Ａ～１Ｃは、原理上、単独で赤外線センサとして機能する。個々の赤外線センサを一画素として、複数の赤外線センサをベース基板１１上にアレイ状に配列させてもよい。配列は、典型的には、二次元アレイ状である。複数の赤外線センサが配列したアレイ構造により、例えば、有限の温度を有する物体のイメージング、及び／又は赤外線放射、若しくはレーザー光線の強度分布の評価が可能となる。なお、アレイ状に配列される複数の赤外線センサの少なくとも一部が、本開示の赤外線センサであればよい。アレイ状に配列される複数の赤外線センサの全部が、本開示の赤外線センサであってもよい。本開示には、赤外線センサアレイであって、二次元アレイ状に配置された複数の赤外線センサを具備し、当該複数の赤外線センサが本開示の赤外線センサを含むセンサアレイが含まれる。

［赤外線センサの製造方法］
本開示の赤外線センサは、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、及び選択的エッチング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Ａの形成に適している。

本開示の赤外線センサを製造する方法の一例が、図２０Ａ～図２２Ｏの参照により、以下に説明される。以下の方法により製造する赤外線センサは、実施形態１の赤外線センサ１Ａである。ただし、以下の方法により製造する赤外線センサ１Ａは、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂがフォノニック結晶構造Ａを有している。本開示の赤外線センサを製造する方法は、以下の例に限定されない。

図２０Ａ：ベース基板１１が準備される。次に。ベース基板１１の上面１４に金属層が形成される。金属層は、例えば、Ｃｒ層である。金属層は、例えば、スパッタリングにより形成される。金属層の厚さは、例えば２００ｎｍである。形成された金属層の上にフォトレジスト１０１が形成される。フォトレジスト１０１を用いたフォトリソグラフィー及び選択的エッチングによって金属層が微細加工されて、赤外線反射膜２３、第１読み出し端子２２Ａ、及び第２読み出し端子２２Ｂを形成する。

図２０Ｂ：フォトレジスト１０１が除去される。赤外線反射膜２３、第１読み出し端子２２Ａ、及び第２読み出し端子２２Ｂを覆うように犠牲層１０２が形成される。犠牲層１０２は、例えば、ＳｉＯ₂層である。犠牲層１０２は、例えば、ＣＶＤにより形成される。犠牲層１０２の厚さは、例えば、１～４μｍである。犠牲層１０２の厚さは、この方法により製造する赤外線センサ１Ａにおける赤外線受光部１２とベース基板１１との離間距離に相当する。離間距離は、より具体的には、ベース基板１１の上面１４と受光部支持膜１８の下面との間の距離である。

図２０Ｃ：犠牲層１０２の上に、半導体層１０３が形成される。半導体層１０３は、例えば、ＳｉＮ層である。半導体層１０３は、例えば、ＣＶＤにより形成される。半導体層１０３の厚さは、例えば、１００ｎｍである。半導体層１０３は、後の微細加工及びパターン形成により、第１梁１３Ａ、第２梁１３Ｂ、及び受光部支持膜１８となる。

図２０Ｄ：半導体層１０３の上に、ハードマスク１０４が形成される。ハードマスク１０４は、例えば、ＳｉＯ₂層である。ハードマスク１０４は、例えば、ＣＶＤにより形成される。ハードマスク１０４の厚さは、例えば、３０ｎｍである。ハードマスク１０４は、半導体層１０３に対するフォノニック結晶構造Ａの形成に使用される。

図２０Ｅ：ハードマスク１０４の上に、フォトレジスト１０５が形成される。フォトリソグラフィーにより、半導体層１０３におけるフォノニック結晶構造Ａを形成すべき領域と平面視において一致するハードマスク１０４の領域が露出される。次に、ハードマスク１０４における露出された領域に対して、ブロック共重合体の自己組織化膜１０６が形成される。自己組織化膜１０６は、フォノニック結晶構造Ａを形成するためのブロック共重合体リソグラフィーに使用される。

図２０Ｆ：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１０７がハードマスク１０４に形成される。自己組織化膜１０６及びフォトレジスト１０５が除去される。

図２０Ｇ：フォトリソグラフィーにより半導体層１０３を微細加工及びパターン形成して、第１梁１３Ａ、第２梁１３Ｂ、及び受光部支持膜１８が形成される。第１梁１３Ａ、第２梁１３Ｂ、及び受光部支持膜１８は、単層の半導体層２１を構成する。

図２０Ｈ：ハードマスク１０４をレジストとする選択的エッチングによって、第１梁１３Ａ及び第２梁１３Ｂに対して、平面視したときに、複数の貫通孔１０７に対応する位置に規則的に配列した複数の貫通孔５０が形成される。形成された複数の貫通孔５０は、フォノニック結晶構造Ａを構成する。

図２０Ｉ：ハードマスク１０４が除去される。

図２０Ｊ：第１梁１３Ａ、第２梁１３Ｂ、及び受光部支持膜１８の上に、第１配線２０Ａ、第２配線２０Ｂ、及び下部電極３１を形成する。第１配線２０Ａ、第２配線２０Ｂ、及び下部電極３１は、例えば、ＴｉＮにより構成される。第１配線２０Ａ、第２配線２０Ｂ、及び下部電極３１は、例えば、スパッタリングにより形成される。これらの部材の厚さは、例えば、８ｎｍである。

図２０Ｋ：下部電極３１の上に、抵抗変化膜３３が形成される。抵抗変化膜３３は、例えば、非晶質のＳｉにより構成される。抵抗変化膜３３は、例えば、ＣＶＤにより形成される。抵抗変化膜３３の厚さは、例えば、１００ｎｍである。

図２０Ｌ：抵抗変化膜３３の上に、第２配線２０Ｂと接続されるように、上部電極３２が形成される。上部電極３２は、例えば、ＴｉＮにより構成される。上部電極３２は、例えば、スパッタリングにより形成される。上部電極３２の厚さは、例えば、８ｎｍである。

図２０Ｍ：選択的エッチングにより、第１配線２０Ａ、第２配線２０Ｂ、第１梁１３Ａ、第２梁１３Ｂ、及び犠牲層１０２にコンタクトホール１０８が形成され、第１読み出し端子２２Ａ及び第２読み出し端子２２Ｂを露出させる。

図２０Ｎ：形成されたコンタクトホール１０８に金属が堆積されて、第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂを形成する。堆積される金属は、例えば、Ａｌである。第１支柱１５Ａ及び第２支柱１５Ｂは、例えば、スパッタリングにより形成される。

図２０Ｏ：犠牲層１０２が、例えば、気相フッ化水素（ＨＦ）エッチングにより除去される。このようにして、本開示の赤外線センサの１形態である赤外線センサ１Ａが製造される。なお、犠牲層１０２をパターンエッチングすることにより、絶縁層２６が形成可能である。

本開示の赤外線センサは、従来の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 赤外線センサ
１１ ベース基板
１２ （ボロメータ）赤外線受光部
１３Ａ 第１梁
１３Ｂ 第２梁
１４ 上面
１５Ａ 第１支柱
１５Ｂ 第２支柱
１６Ａ （第１梁の）接続部
１６Ｂ （第２梁の）接続部
１７ 離間部
１８ 受光部支持膜
２０Ａ 第１配線
２０Ｂ 第２配線
２１ 半導体層
２２Ａ 第１読み出し端子
２２Ｂ 第２読み出し端子
２３ 赤外線反射膜
２５ 絶縁層
２７ 凹部
３１ 下部電極
３２ 上部電極
３３ 抵抗変化膜
３４，３４Ａ，３４Ｂ 帯状部
３５ バスライン
３６ 接続ライン
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
３１Ａ 第１の支柱
３１Ｂ 第２の支柱
９１，９１Ａ，９１Ｂ 単位格子
９２ 領域
９３ 領域
１０１ フォトレジスト
１０２ 犠牲層
１０３ 半導体層
１０４ ハードマスク
１０５ フォトレジスト
１０６ 自己組織化膜
１０７ 貫通孔
１０８ コンタクトホール

Claims (13)

1. 赤外線センサであって、
   ベース基板；
   ボロメータ型の赤外線受光部；
   第１梁；
   第２梁；
   第１配線；
   第２配線；及び
   赤外線反射膜；
   を具備し、
   ここで、
   前記第１梁及び前記第２梁の各々は、前記ベース基板、及び／又は前記ベース基板上の部材と接続された接続部と、前記ベース基板から離間した離間部と、を有し、かつ、前記離間部において前記赤外線受光部と物理的に接合され、
   前記赤外線受光部は、前記第１梁及び前記第２梁によって、前記ベース基板とは離間した状態で支持されており、
   前記赤外線受光部は、下部電極と、上部電極と、温度によって電気抵抗が変化する抵抗変化材料から構成される抵抗変化膜と、を含み、
   前記抵抗変化膜は、前記下部電極及び前記上部電極によって厚さ方向に挟持され、
   前記下部電極及び前記上部電極の各々は、前記抵抗変化膜と電気的に接続され、
   前記下部電極及び前記上部電極は、前記第１配線及び前記第２配線と、それぞれ電気的に接続され、
   前記下部電極及び前記上部電極から選ばれる少なくとも１つの電極が、ラインアンドスペース構造を有し、
   前記赤外線反射膜は、前記ベース基板の表面における前記赤外線受光部に対面する位置に設けられており、
   前記第１梁における、前記赤外線受光部との接合部と、前記接続部との間に位置する区間は、規則的に配列した複数の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梁における、前記赤外線受光部との接合部と、前記接続部との間に位置する区間は、規則的に配列した複数の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フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第１ドメイン及び第２ドメインを含み、
   前記第１ドメインは、平面視において、第１方向に規則的に配列した前記複数の貫通孔を具備し、
   前記第２ドメインは、平面視において、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、平面視において、第３方向に規則的に配列した前記複数の貫通孔を具備し、
   前記第４ドメインは、平面視において、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貫通孔を具備する、
   赤外線センサ。
2. 請求項１に記載の赤外線センサであって、
   前記下部電極は、第１の前記ラインアンドスペース構造を有し、
   前記上部電極は、第２の前記ラインアンドスペース構造を有し、
   平面視において、前記第１のラインアンドスペース構造の整列方向と、前記第２のラインアンドスペース構造の整列方向とは、互いに異なる、
   赤外線センサ。
3. 請求項２に記載の赤外線センサであって、
   前記第１のラインアンドスペース構造の整列方向と前記第２のラインアンドスペース構造の整列方向とが成す角度は、８０度以上９０度以下である、
   赤外線センサ。
4. 請求項２に記載の赤外線センサであって、
   前記第１のラインアンドスペース構造の整列方向と、前記第２のラインアンドスペース構造の整列方向とは、直交している、
   赤外線センサ。
5. 請求項１～４のいずれかに記載の赤外線センサであって、
   前記ラインアンドスペース構造のライン幅及び間隔が１μｍ以下である、
   赤外線センサ。
6. 請求項１～５のいずれかに記載の赤外線センサであって、
   前記下部電極及び前記上部電極の各々は、金属膜から構成されており、
   前記金属膜の実効的なシート抵抗は、１００Ω／□以上かつ５００Ω／□以下である、
   赤外線センサ。
7. 請求項１～６のいずれかに記載の赤外線センサであって、
   前記抵抗変化膜が、シリコン又は酸化バナジウムから構成される、
   赤外線センサ。
8. 請求項１～７のいずれかに記載の赤外線センサであって、
   前記第１梁及び前記第２梁が、シリコン又は酸化バナジウムから構成される、
   赤外線センサ。
9. 請求項１～８のいずれかに記載の赤外線センサであって、
   前記第１配線が前記第１梁上に形成され、
   前記第２配線が前記第２梁上に形成されている、
   赤外線センサ。
10. 請求項１～９のいずれかに記載の赤外線センサであって、
    前記赤外線センサは、前記ベース基板上に配置され、前記ベース基板上の部材である、前記ベース基板の上面から離れる方向に延びる第１支柱及び第２支柱をさらに具備し、
    ここで、
    前記第１梁は、前記接続部において前記第１支柱に物理的に接続されており、
    前記第２梁は、前記接続部において前記第２支柱に物理的に接続されており、
    断面視において、前記赤外線受光部、前記第１梁、及び前記第２梁が、前記第１支柱及び前記第２支柱によって前記ベース基板の上部で懸架されており、
    前記第１支柱及び前記第２支柱は導電性を有し、
    前記第１配線は、前記第１支柱に電気的に接続されており、
    前記第２配線は、前記第２支柱に電気的に接続されている、
    赤外線センサ。
11. 請求項１～９のいずれかに記載の赤外線センサであって、
    前記ベース基板が凹部を有し、
    前記凹部は、前記赤外線受光部、並びに前記第１梁の前記離間部及び前記第２梁の前記離間部と、前記ベース基板との間に位置しており、
    前記第１梁及び前記第２梁の各々は、前記接続部において前記ベース基板に物理的に接続されており、
    断面視において、前記赤外線受光部、並びに前記第１梁の前記離間部及び前記第２梁の前記離間部は、前記ベース基板の前記凹部上に懸架されている、
    赤外線センサ。
12. 請求項１～１１のいずれかに記載の赤外線センサであって、
    前記赤外線センサは、前記ベース基板の内部に読み出し集積回路（ＲＯＩＣ）をさらに具備する、
    赤外線センサ。
13. 赤外線センサアレイであって、
    二次元アレイ状に配置された複数の赤外線センサを具備し、
    ここで、
    前記複数の赤外線センサは、請求項１～１２のいずれかに記載の赤外線センサを含む、
    赤外線センサアレイ。

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