特許 7327470 光センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-07

(45)【発行日】2023-08-16

(54)【発明の名称】光センサ

(51)【国際特許分類】

   G01J 1/02 20060101AFI20230808BHJP

   H10N 15/00 20230101ALI20230808BHJP

   H10N 10/17 20230101ALI20230808BHJP

   H10N 10/851 20230101ALI20230808BHJP

【ＦＩ】

G01J1/02 C

H10N15/00

H10N10/17

H10N10/851

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2021514150

(86)(22)【出願日】2020-04-13

(86)【国際出願番号】 JP2020016303

(87)【国際公開番号】W WO2020213569

(87)【国際公開日】2020-10-22

【審査請求日】2022-09-21

(31)【優先権主張番号】P 2019077558

(32)【優先日】2019-04-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100136098

【弁理士】

【氏名又は名称】北野 修平

(74)【代理人】

【識別番号】100137246

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 勝也

(72)【発明者】

【氏名】廣瀬 光太郎

(72)【発明者】

【氏名】足立 真寛

(72)【発明者】

【氏名】山本 喜之

【審査官】小澤 瞬

(56)【参考文献】

【文献】特開平０３－２７６７７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３４０８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０８６２７１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０６３０５８４０（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】米国特許第０９９２９３３３（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】国際公開第２０１７／００２５１４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｊ １／００ － Ｇ０１Ｊ １／６０

Ｇ０１Ｊ ５／００ － Ｇ０１Ｊ ５／９０

Ｇ０１Ｊ １１／００

Ｈ１０Ｎ １０／００ － Ｈ１０Ｎ １５／２０

Ｈ１０Ｎ １９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光センサであって、
支持層と、
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の第１材料層および導電性を有する帯状の第２材料層を含み、前記支持層上に配置される熱電変換材料部と、
前記熱電変換材料部上であって前記第１材料層の長手方向に温度差を形成するよう配置され、受けた光を熱エネルギーに変換する光吸収膜と、を備え、
前記第１材料層は、
長手方向において一方側に位置する第１の端部を含む第１領域と、
長手方向において他方側に位置する第２の端部を含む第２領域と、を含み、
前記第２材料層は、
長手方向において一方側に位置する第３の端部を含む第３領域と、
長手方向において他方側に位置する第４の端部を含み、前記第２領域と接続される第４領域と、を含み、
前記光センサは、
前記第１領域と電気的に接続される第１電極と、
前記第１電極と離隔して配置され、前記第３領域と電気的に接続される第２電極と、をさらに備え、
前記第１材料層の前記長手方向に垂直な幅は、０．１μｍ以上であり、
前記第１材料層は、
前記長手方向に垂直な断面の幅方向の中央を含むように位置する厚肉部と、
前記厚肉部の両側に配置され、前記厚肉部よりも厚さの小さい薄肉部と、を含み、
前記厚肉部の厚さは、１０ｎｍ以上であり、
前記薄肉部の合計の幅は、前記第１材料層の幅の１５％以上である、光センサ。

【請求項2】

前記薄肉部の厚さは、前記厚肉部から離れるにしたがって小さくなる、請求項１に記載の光センサ。

【請求項3】

前記第１材料層の前記長手方向に垂直な断面は、
前記支持層に対向する第１の辺と、
前記第１の辺と前記厚肉部の厚さ方向に間隔をあけて位置する第２の辺と、
前記第１の辺と前記第２の辺とを接続する一対の第３の辺とを含み、
前記第１の辺の長さが前記第２の辺の長さよりも大きい台形状の形状を有する、請求項１または請求項２に記載の光センサ。

【請求項4】

前記第１材料層の前記長手方向に垂直な断面において、前記第１の辺の長さをｗとし、前記厚肉部の厚さをｄとし、前記第１の辺と前記第３の辺とのなす角度をθとすると、２≦ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）≦１０．７の関係を有する、請求項３に記載の光センサ。

【請求項5】

前記第１材料層の表面粗さＲａは、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光センサ。

【請求項6】

前記第１材料層の表面粗さＲａは、１３ｎｍ以上５０ｎｍ以下である、請求項５に記載の光センサ。

【請求項7】

前記第１材料層は、ｐ型またはｎ型の導電型を有する半導体からなる、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光センサ。

【請求項8】

前記第２材料層は、金属または、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、前記第１材料層と異なる導電型である半導体からなる、請求項７に記載の光センサ。

【請求項9】

前記第１材料層は、ＳｉおよびＧｅを母材元素とし、Ａｕを添加元素として含み、
前記支持層は、前記第１材料層と接触して配置され、Ｓｉからなるバッファ層を含む、請求項８に記載の光センサ。

【請求項10】

さらに複数の前記第１材料層と複数の前記第２材料層とを備え、
前記複数の前記第１材料層および前記複数の前記第２材料層はそれぞれ、前記第１電極に接続される前記第１領域および前記第２電極に接続される前記第３領域を除いて、前記第１領域と前記第３領域とが電気的に接続され、前記第２領域と前記第４領域とが電気的に接続されるよう交互に配置される、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の光センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光センサに関するものである。

【0002】

本出願は、２０１９年４月１６日出願の日本出願第２０１９－７７５５８号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

【背景技術】

【0003】

温度差（熱エネルギー）を電気エネルギーに変換する熱電変換材料を用いたサーモパイル型の赤外線センサに関する技術が知られている（たとえば特許文献１参照）。赤外線センサは、光エネルギーを熱エネルギーに変換する受光部と、温度差（熱エネルギー）を電気エネルギーに変換する熱電変換部（サーモパイル）とを備える。熱電変換部においては、複数のｐ型熱電変換材料と複数のｎ型熱電変換材料とを交互に直列で接続することにより、出力を増加させている。

【0004】

サーモパイル型赤外線センサの感度Ｒｖは、以下の式（１）で与えられる。サーモパイル型赤外線センサの比検出能Ｄ^＊は、以下の式（２）で与えられる。

【0005】

Ｒｖ＝η・Ｎ・（α_１＋α_２）／（Ｇ_ｔｈ・（１＋（ωτ）^２）^１／２・・・（１）
Ｄ^＊＝η・Ｎ・（α_１＋α_２）・（Ａ・Ｇ_ｅｌ／（４・ｋ・Ｔ））^１／２／Ｇ_ｔｈ・・・（２）

【0006】

Ｒｖは感度、Ｄ^＊は比検出能、Ｎはサーモパイルの対数（ペア数）、ηは受光部の光－熱変換効率、α_１はｐ型熱電変換材料のゼーベック係数、α_２はｎ型熱電変換材料のゼーベック係数、ωは角周波数、τは応答時定数、Ａは光の受光面積、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｇ_ｔｈは熱コンダクタンス、Ｇ_ｅｌは電気コンダクタンスである。熱コンダクタンスＧ_ｔｈは、以下の式（３）で与えられる。電気コンダクタンスＧ_ｅｌは、以下の式（４）で与えられる。

【0007】

【数1】

【0008】

κは熱伝導率、σは導電率、Ｓは熱電変換材料の断面積、ｌは熱電変換材料の長さである。

【0009】

感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊は、ともに熱コンダクタンスＧ_ｔｈによって表される関数である。熱コンダクタンスＧ_ｔｈを減少させることが感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊の向上を図る上で重要である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】特開２０００－３４０８４８号公報

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0011】

本開示に従った光センサは、支持層と、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の第１材料層および導電性を有する帯状の第２材料層を含み、支持層上に配置される熱電変換材料部と、熱電変換材料部上であって第１材料層の長手方向に温度差を形成するよう配置され、受けた光を熱エネルギーに変換する光吸収膜と、を備える。第１材料層は、長手方向において一方側に位置する第１の端部を含む第１領域と、長手方向において他方側に位置する第２の端部を含む第２領域と、を含む。第２材料層は、長手方向において一方側に位置する第３の端部を含む第３領域と、長手方向において他方側に位置する第４の端部を含み、第２領域と接続される第４領域と、を含む。光センサは、第１領域と電気的に接続される第１電極と、第１電極と離隔して配置され、第３領域と電気的に接続される第２電極と、をさらに備える。第１材料層の長手方向に垂直な幅は、０．１μｍ以上である。第１材料層は、長手方向に垂直な断面の幅方向の中央を含むように位置する厚肉部と、厚肉部の両側に配置され、厚肉部よりも厚さの小さい薄肉部と、を含む。厚肉部の厚さは、１０ｎｍ以上である。薄肉部の合計の幅は、第１材料層の幅の１５％以上である。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、実施の形態１における光センサの外観の概略平面図である。

【図2】図２は、図１の線分ＩＩ－ＩＩに沿う断面の一部を示す概略断面図である。

【図3】図３は、図１中のＩＩＩで示す領域の拡大図である。

【図4】図４は、図３中の線分ＩＶ－ＩＶに沿う断面を示す概略断面図である。

【図5】図５は、実施の形態１における光センサの一部を示す概略断面図である。

【図6】図６は、図３中の線分ＶＩ－ＶＩに沿う断面における第１材料層および支持層を示す概略断面図である。

【図7】図７は、ベース部上にレジスト層を形成した状態を示す概略断面図である。

【図8】図８は、ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）と感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊との関係を示すグラフである。

【図9】図９は、実施の形態２における光センサに備えられる第１材料層および支持層を示す概略断面図である。

【図10】図１０は、表面粗さＲａと感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊との関係を示すグラフである。

【図11】図１１は、実施の形態３における光センサに備えられる第１材料層および支持層を示す概略断面図である。

【図12】図１２は、バッファ層の有無と感度Ｒｖとの関係を示すグラフである。

【図13】図１３は、バッファ層の有無と比検出能Ｄ^＊との関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

［本開示が解決しようとする課題］
特許文献１に開示の赤外線センサでは、感度および比検出能が不十分な場合がある。さらなる感度および比検出能の向上が求められる。

【0014】

そこで、感度および比検出能の向上を図ることができる光センサを提供することを目的の１つとする。

【0015】

［本開示の効果］
上記光センサによれば、感度および比検出能の向上を図ることができる。

【0016】

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。本開示に係る光センサは、支持層と、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の第１材料層および導電性を有する帯状の第２材料層を含み、支持層上に配置される熱電変換材料部と、熱電変換材料部上であって第１材料層の長手方向に温度差を形成するよう配置され、受けた光を熱エネルギーに変換する光吸収膜と、を備える。第１材料層は、長手方向において一方側に位置する第１の端部を含む第１領域と、長手方向において他方側に位置する第２の端部を含む第２領域と、を含む。第２材料層は、長手方向において一方側に位置する第３の端部を含む第３領域と、長手方向において他方側に位置する第４の端部を含み、第２領域と接続される第４領域と、を含む。光センサは、第１領域と電気的に接続される第１電極と、第１電極と離隔して配置され、第３領域と電気的に接続される第２電極と、をさらに備える。第１材料層の長手方向に垂直な幅は、０．１μｍ以上である。第１材料層は、長手方向に垂直な断面の幅方向の中央を含むように位置する厚肉部と、厚肉部の両側に配置され、厚肉部よりも厚さの小さい薄肉部と、を含む。厚肉部の厚さは、１０ｎｍ以上である。薄肉部の合計の幅は、第１材料層の幅の１５％以上である。

【0017】

本開示の光センサは、支持層上に配置される熱電変換材料部と、熱電変換材料部上に配置される光吸収膜と、第１電極と、第２電極と、を備える。熱電変換材料部は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する帯状の第１材料層および導電性を有する帯状の第２材料層を含む。第１材料層は、長手方向において一方側に位置する第１の端部を含む第１領域と、長手方向において他方側に位置する第２の端部を含む第２領域と、を含む。第２材料層は、長手方向において一方側に位置する第３の端部を含む第３領域と、長手方向において他方側に位置する第４の端部を含み、第２領域と接続される第４領域と、を含む。光吸収膜は、第１材料層の長手方向に温度差を形成するよう熱電変換材料部上に配置され、受けた光を熱エネルギーに変換する。第１電極は、第１領域と電気的に接続される。第２電極は、第１電極と離隔して配置され、第２領域と電気的に接続される。光吸収膜により第１材料層の長手方向に温度差が形成されると、第１材料層において長手方向に電位差が生ずる。第１電極および第２電極間の電位差が検知され、たとえば赤外線といった光を検知する。

【0018】

支持層上に配置される熱電変換材料部に含まれる第１材料層については、断線および第１材料層が直接支持層上に配置される場合には支持層からの剥離を避ける必要がある。したがって、第１材料層について、最低限の幅および厚さを確保する必要がある。本開示の光センサによれば、第１材料層の長手方向に垂直な幅は、０．１μｍ以上である。また、厚肉部の厚さは１０ｎｍ以上である。よって、第１材料層の最低限の幅および厚さをそれぞれ確保して、断線のおそれおよび剥離のおそれを低減することができる。

【0019】

本開示の光センサによれば、第１材料層は、厚肉部の両側に配置され、厚肉部よりも厚さの小さい薄肉部を含む。薄肉部の合計の幅は、第１材料層の幅の１５％以上である。よって、全体が一定の厚さである場合に比べて、第１材料層の断面積を小さくすることができる。したがって、第１材料層の熱コンダクタンスを低減させることができ、光センサの感度および比検出能の向上を図ることができる。

【0020】

以上より、本開示の光センサによれば、第１材料層の断線および剥離を抑制しつつ、光センサの感度および比検出能の向上を図ることができる。

【0021】

上記光センサにおいて、薄肉部の厚さは、厚肉部から離れるにしたがって小さくなってもよい。このようにすることにより、薄肉部を容易に製造することができる。

【0022】

上記光センサにおいて、第１材料層の長手方向に垂直な断面は、支持層に対向する第１の辺と、第１の辺と厚肉部の厚さ方向に間隔をあけて位置する第２の辺と、第１の辺と第２の辺とを接続する一対の第３の辺とを含んでもよい。第１の辺の長さが第２の辺の長さよりも大きい台形状の形状を有してもよい。このような形状を有する厚肉部および薄肉部を含む第１材料層は、容易に製造することができる。なお、台形状の形状については、幾何学的に厳密な台形を有するのではなく、たとえば第１の辺に対して第２の辺が厳密に平行でなくともよく、辺と辺とが曲線で接続されていてもよい。

【0023】

上記光センサにおいて、第１材料層の長手方向に垂直な断面において、第１の辺の長さをｗとし、厚肉部の厚さをｄとし、第１の辺と第３の辺とのなす角度をθとすると、２≦ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）≦１０．７の関係を有してもよい。第１の辺と第３の辺とのなす角度θ、第１の辺の長さおよび厚肉部の厚さの関係について、２≦ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）≦１０．７として第１材料層の最低限の幅および厚さをそれぞれ確保しながら、断面積を小さくして熱コンダクタンスＧ_ｔｈを低減することができる。よって、より効率的に感度および比検出能の向上を図ることができる。なお、２≦ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）≦７．０の関係を有することが、感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊のさらなる向上のためには好適である。

【0024】

上記光センサにおいて、第１材料層の表面粗さＲａ（算術平均粗さ）は、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下であってもよい。表面粗さＲａを１ｎｍ以上とすることにより、第１材料層の表面における熱伝導を抑制することができ、熱コンダクタンスＧ_ｔｈを低減することができる。また、表面粗さＲａが２００ｎｍよりも大きくなると、第１材料層の表面の凹凸によるフォノン散乱が促進され、その結果、熱コンダクタンスＧ_ｔｈが減少し始める。したがって、第１材料層の表面粗さＲａを上記範囲内とすることにより、光センサの感度および比検出能のさらなる向上を図ることができる。なお、表面粗さＲａについて、フォノンの平均自由工程の長さと表面粗さＲａとを同等として熱コンダクタンスＧ_ｔｈをより低減することができる。感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊のさらなる向上を図る観点から、８ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好適である。

【0025】

上記光センサにおいて、第１材料層の表面粗さＲａは、１３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であってもよい。このようにすることにより、感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊のさらなる向上を図ることができる。

【0026】

上記光センサにおいて、第１材料層は、ｐ型またはｎ型の導電型を有する半導体からなっていてもよい。半導体は、熱伝導率が比較的低いため、第１材料層の熱コンダクタンスの低減を効率的に図ることができる。

【0027】

上記光センサにおいて、第２材料層は、金属または、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、第１材料層と異なる導電型である半導体からなってもよい。第２材料層として第１材料層と異なる導電型である半導体を採用することにより、熱伝導率が比較的低い材料を用いて光センサの熱コンダクタンスを低減することで、温度差に基づく出力を増加させて、光センサの感度および比検出能のさらなる向上を図ることができる。また、第２材料層として金属を採用することにより、第２材料層の導電率を向上させて光センサの電気コンダクタンスを増加させることで、光センサの比検出能のさらなる向上を図ることができる。

【0028】

上記光センサにおいて、第１材料層は、ＳｉおよびＧｅを母材元素とし、Ａｕを添加元素として含んでもよい。支持層は、第１材料層と接触して配置され、Ｓｉからなるバッファ層を含んでもよい。第１材料層を構成する元素としてＳｉ、ＧｅおよびＡｕを選択した場合、結晶化工程においてＡｕを核としたＳｉＧｅの微結晶を第１材料層内において部分的に形成し、第１材料層の導電率を増加させることができる。しかし、第１材料層と支持層とが接触すると、Ａｕが支持層側に析出してしまい、上記した微結晶を形成することによる効果を十分に得られないおそれがある。よって、支持層が第１材料層と接触して配置され、Ｓｉからなるバッファ層を含むことにより、支持層側へのＡｕの析出を抑制することができる。よって、第１材料層内におけるＡｕを核とした微結晶の形成を促進して、第１材料層の導電率の低下を抑制することができる。したがって、光センサの感度および比検出能のさらなる向上を図ることができる。

【0029】

上記光センサは、さらに複数の第１材料層と複数の第２材料層とを備えてもよい。複数の第１材料層および複数の第２材料層はそれぞれ、第１電極に接続される第１領域および第２電極に接続される第３領域を除いて、第１領域と第３領域とが電気的に接続され、第２領域と第４領域とが電気的に接続されるよう交互に配置されてもよい。このようにすることにより、第１電極および第２電極によって出力される電位差を、複数の第１材料層のそれぞれに生ずる電位差を足し合わせたものとすることができ、電位差を大きくすることができる。したがって、光センサの感度および比検出能の向上を図ることができる。

【0030】

［本開示の実施の形態の詳細］
次に、本開示の光センサの一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。

【0031】

（実施の形態１）
本開示の実施の形態１に係る光センサについて説明する。図１は、実施の形態１における光センサの外観の概略平面図である。図２は、図１の線分ＩＩ－ＩＩに沿う断面を示す概略断面図である。線分ＩＩ－ＩＩは、後述する長方形の形状のベース部１２の重心と、Ｘ方向において向かい合う辺のそれぞれの中点を通る。図３は、図１中のＩＩＩで示す領域の拡大図である。図４は、図３中の線分ＩＶ－ＩＶに沿う断面を示す概略断面図である。図５は、実施の形態１における光センサの一部を示す概略断面図である。図５は、後述する第２領域および第４領域を含む部分の概略断面図である。なお、図１において、後述する赤外線吸収膜２３を簡略化して一点鎖線で図示している。また、図２において、後述するベース部１２上に配置される熱電変換材料部２０の断面を簡略化して図示している。

【0032】

図１、図２、図３、図４および図５を参照して、光センサ１１は、たとえば赤外線センサである。光センサ１１は、ベース部１２と、ベース部１２上に配置される熱電変換材料部２０と、熱電変換材料部２０上に配置される光吸収膜としての赤外線吸収膜２３と、を備える。赤外線吸収膜２３は、図１中の一点鎖線で示す領域１６ｂに配置され、赤外線を熱に変換する。熱電変換材料部２０は、温度差（熱エネルギー）を電気エネルギーに変換する。熱電変換材料部２０は、帯状の形状を有し、第１導電型であるｐ型の半導体からなる複数の第１材料層２１と、帯状の形状を有し、第１導電型とは異なる第２導電型であるｎ型の半導体からなる複数の第２材料層２２と、を含む。本実施形態においては、熱電変換材料部２０は、複数の第１材料層２１と、複数の第２材料層２２と、絶縁膜２６と、絶縁膜２７とからなる。光センサ１１は、第１電極２４と、第２電極２５と、を備える。赤外線吸収膜２３と第２材料層２２との間には、絶縁膜２７が配置される（特に図４参照）。光センサ１１は、第１電極２４と第２電極２５との間に生ずる電位差を検出することにより、光センサ１１に照射される赤外線を検出する。

【0033】

光センサ１１全体を板状とすると、その厚さ方向は、図２中の矢印Ｚで示す方向によって表される。ベース部１２は、厚さ方向に見て長方形の形状を有する。ベース部１２は、支持層１３と、本体部１４と、を含む。本体部１４は、図２に示す断面において、２つの台形状の形状を有する。支持層１３は、本体部１４の面１４ａ上に配置される。面１４ａは、図２に示す断面において平行に配置される台形状の一対の辺のうち、長い方の辺に相当する面である。支持層１３は、第１材料層２１、第２材料層２２、絶縁膜２６および絶縁膜２７からなる熱電変換材料部２０、赤外線吸収膜２３、第１電極２４、第２電極２５を支持する。支持層１３は、たとえばＳｉＯ_２／ＳｉＮ／ＳｉＯ_２膜から形成されている。すなわち、支持層１３は、ＳｉＯ_２とＳｉＮとＳｉＯ_２とを積層させた構成である。本体部１４は、たとえばＳｉからなる。本体部１４は、支持層１３と比較して十分に厚く、たとえば支持層１３の１０倍以上の厚さで構成される。

【0034】

光センサ１１には、厚さ方向に凹む凹部１６が形成される。板状の支持層１３は、面１４ａ上に形成される。面１４ｂ側から見て凹部１６に対応する領域において、支持層１３が露出する。凹部１６を取り囲む本体部１４の内周面１４ｃは、面１４ｂ側に位置する開口側が広いいわゆるテーパ状である。凹部１６は、たとえば本体部１４を異方性ウェットエッチングすることにより形成される。図１において、本体部１４と支持層１３との境界１６ａは、破線で示される。凹部１６により、赤外線吸収膜２３から本体部１４への熱の逃げを抑制できるため、第１材料層２１および第２材料層２２の長手方向の温度差をより大きくすることができる。

【0035】

第１材料層２１と第２材料層２２と絶縁膜２６，２７とを含む熱電変換材料部２０、第１電極２４および第２電極２５は、支持層１３上、具体的には、支持層１３の一方側の面１３ａ上に配置される。第１材料層２１および第２材料層２２は、それぞれ複数備えられている。複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２は、それぞれ帯状の形状を有する。複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２は、光センサ１１の厚さ方向に見て、図１中の二点鎖線の長方形の形状で示す領域１６ｃ内に収まるように配置される。各第１材料層２１は、長手方向において一方側に位置する第１の端部２１ｃを含む第１領域２１ａと、長手方向において他方側に位置する第２の端部２１ｄを含む第２領域２１ｂと、を含む。第１領域２１ａと第２領域２１ｂを結ぶ線の延びる方向が、帯状の形状を有する第１材料層２１の長手方向となる。なお、図３においては、Ｘ方向が第１材料層２１の長手方向になる。各第２材料層２２は、長手方向において一方側に位置する第３の端部２２ｃを含む第３領域２２ａと、長手方向において他方側に位置する第４の端部２２ｄを含み、第２領域２１ｂと接続される第４領域２２ｂと、を含む。第３領域２２ａと第４領域２２ｂを結ぶ線の延びる方向が、帯状の形状を有する第２材料層２２の長手方向となる。第１領域２１ａおよび第３領域２２ａは、領域１６ｃの周縁に近い側に位置し、第２領域２１ｂおよび第４領域２２ｂは、領域１６ｃの中心に近い側に位置する。

【0036】

複数の第１材料層２１は、それぞれ間隔をあけて配置される。複数の第２材料層２２は、それぞれ間隔をあけて配置される。第１電極２４に接続される第１領域２１ａおよび第２電極２５に接続される第３領域２２ａを除き、第１材料層２１と第２材料層２２とは交互に接続される。具体的には、第１材料層２１の第１領域２１ａと第１材料層２１の一方側で隣り合う第２材料層２２の第３領域２２ａとが電気的に接続される。第１材料層２１の第２領域２１ｂと第１材料層２１の他方側、すなわち、第３領域２２ａが接続されている第２材料層２２と反対側で隣り合う第２材料層２２の第４領域２２ｂとが電気的に接続される。複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２は、第１電極２４に接続される第１領域２１ａおよび第２電極２５に接続される第３領域２２ａを除き、領域１６ｃの中心に近い側の端部を含む第２領域２１ｂ、第４領域２２ｂ同士および領域１６ｃの周縁に近い端部を含む第１領域２１ａ、第３領域２２ａ同士が電気的に接続される。すなわち、第１材料層２１と第２材料層２２とは対となって、隣り合う第１材料層２１および第２材料層２２とが端部を含む領域で交互に電気的に接続されている。なお、ｐ型の熱電変換材料から構成される第１材料層２１の材質としては、たとえばＳｉおよびＧｅを母材元素とし、Ａｕを添加元素とした化合物半導体が選択される。ｎ型の熱電変換材料から構成される第２材料層２２の材質としては、たとえばＢｉが選択される。赤外線吸収膜２３の材質としては、たとえばカーボン（Ｃ）が選択される。なお、絶縁膜２６，２７の材質としては、たとえばＳｉＯ_２が選択される。

【0037】

第１材料層２１および第２材料層２２は、長方形の形状の領域１６ｃの四つの角部に近づくほど長手方向の長さが短くなるよう構成される。また、第１材料層２１および第２材料層２２は、領域１６ｃにおける四つの角部を含む領域を避けた位置に形成される。これについては、以下の理由による。四つの角部に近い領域においては、第１材料層２１および第２材料層２２を配線することにより抵抗が増加するにも関わらず、第１材料層２１および第２材料層２２の長手方向の長さが短くなってしまう。よって、それぞれの両端部間における温度差を形成するための十分な長さが確保できないためである。なお、本実施形態においては、最も長手方向に短い第１材料層２１および第２材料層２２の長さは、最も長手方向に長い第１材料層２１および第２材料層２２の長さの２／５程度である。複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２は、長方形の形状の領域１６ｃに形成される各辺側から向かい合う辺側に向けて延びるように（当該方向に長手方向が沿うように）交互に配置される。本実施形態においては、複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２の各接続点は、領域１６ｃの長方形の対角線および各辺に沿う二等辺三角形の辺上に位置する。

【0038】

第１材料層２１は、支持層１３の面１３ａ上に配置される。すなわち、本実施形態においては、第１材料層２１は、支持層１３上に直接配置される。絶縁膜２６は、第１領域２１ａおよび第２領域２１ｂが位置する部分を除き、第１材料層２１を覆うように配置される。絶縁膜２６は、光センサ１１の厚さ方向に見て、第１材料層２１が配置されている部分においては第１材料層２１上、第１材料層２１が配置されていない部分においては支持層１３の面１３ａ上に配置される。絶縁膜２６は、第１材料層２１の第１領域２１ａおよび第２領域２１ｂを露出するように形成される。第２材料層２２は、第３領域２２ａおよび第４領域２２ｂが位置する部分を除き、絶縁膜２６上に配置される。第２材料層２２のうちの第３領域２２ａは、第１材料層２１の第１領域２１ａおよび支持層１３の面１３ａ上に配置される。第２材料層２２のうちの第４領域２２ｂは、第１材料層２１の第２領域２１ｂ上に配置される。絶縁膜２７は、第３領域２２ａが位置する部分を除き、第２材料層２２上に配置される。絶縁膜２７上に、赤外線吸収膜２３が配置される。絶縁膜２７および赤外線吸収膜２３は、第１材料層２１の第１領域２１ａおよび第２材料層２２の第３領域２２ａを露出するように形成される。すなわち、赤外線吸収膜２３は、第１材料層２１の一部および第２材料層２２の一部の上に配置される。第１材料層２１の第１の端部２１ｃを含む第１領域２１ａおよび第２材料層２２の第３の端部２２ｃを含む第３領域２２ａは、赤外線吸収膜２３によって覆われていない。したがって、第１材料層２１および第２材料層２２の長手方向に温度差が形成される。第１材料層２１および第２材料層２２はそれぞれ、第１材料層２１および第２材料層２２のそれぞれの長手方向に温度差を形成するよう赤外線吸収膜２３と熱的に接続される。赤外線吸収膜２３の熱が第１材料層２１のうちの領域１６ｃの中心に近い第２領域２１ｂおよび第２材料層２２のうちの領域１６ｃの中心に近い第４領域２２ｂに伝達されるように配置される。

【0039】

光センサ１１に光があたった時に発生する温度勾配の向きに対して、第１材料層２１の一方側の端部に発生する電圧の極性と第２材料層２２の一方側の端部に発生する電圧の極性とが逆となる。本実施形態においては、光があたった場合、第１材料層２１の外周側に位置する端部が正の電圧となり、第２材料層２２の外周側に位置する端部が負の電圧となる。ここで、常に交互に複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２が電気的に接続されている。交互に接続された第１材料層２１および複数の第２材料層２２のうち、最も端に配置される第１材料層２１は、第１領域２１ａで第１電極２４と電気的に接続される。交互に直列に接続された第１材料層２１および第２材料層２２のうち、最も端に配置される第２材料層２２は、第３領域２２ａで第２電極２５と電気的に接続される。第１電極２４および第２電極２５は、支持層１３の面１３ａ上において、領域１６ｃ外に配置される。第１電極２４と第２電極２５とは、離隔して形成される。第１電極２４および第２電極２５はそれぞれ、たとえばパッド電極である。第１電極２４および第２電極２５の材質としては、たとえば金（Ａｕ）、チタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）等が採用される。

【0040】

次に、第１材料層２１の構成について説明する。なお、第２材料層２２の構成については、導電型が異なるものの外形形状については第１材料層２１と同様であるため、その説明を省略する。

【0041】

第１材料層２１は、上記したように長さは異なるもののそれぞれ帯状の形状を有する。図６は、図３中の線分ＶＩ－ＶＩに沿う断面における第１材料層２１および支持層１３を示す概略断面図である。図６は、第１材料層２１の長手方向に垂直な断面に相当する。

【0042】

図６を参照して、第１材料層２１は、図６に示す長手方向に垂直な断面において、図６中のＬで示す長手方向に垂直な断面の幅方向の中央を含むように位置する厚肉部３１と、厚肉部３１の両側に配置され、厚肉部３１よりも厚さの小さい薄肉部３２ａ、３２ｂとを含む。薄肉部３２ａ、３２ｂは幅方向において厚肉部３１を挟むように一対設けられている。厚肉部３１の厚さをｄとすると、第１材料層２１の長手方向に垂直な幅は、０．１μｍ以上である。より好ましくは、第１材料層２１の長手方向に垂直な幅は、１μｍ以上である。さらに好ましくは、第１材料層２１の長手方向に垂直な幅は、５μｍ以上である。本実施形態においては、第１材料層２１の長手方向に垂直な幅は、８μｍ（８０００ｎｍ）である。第１材料層２１の長手方向に垂直な幅は、後述する第１の辺３３ａの長さｗに対応する。第１材料層２１の厚さである厚肉部３１の厚さｄは、１０ｎｍ以上である。より好ましくは、厚肉部３１の厚さｄは、５０ｎｍ以上である。さらに好ましくは、厚肉部３１の厚さｄは、１００ｎｍ以上である。本実施形態においては、厚肉部３１の厚さｄは、２００ｎｍである。

【0043】

第１材料層２１の長手方向に垂直な断面は、支持層１３に対向する第１の辺３３ａと、第１の辺３３ａと厚肉部３１の厚さ方向に間隔をあけて位置する第２の辺３３ｂと、第１の辺３３ａと第２の辺３３ｂとを接続する第３の辺３３ｃ，３３ｄとを含む。第３の辺３３ｃは、第１の辺３３ａの幅方向の縁３４ａと第２の辺３３ｂの幅方向の縁３５ａとを接続する。第３の辺３３ｄは、第１の辺３３ａの幅方向の縁３４ｂと第２の辺３３ｂの幅方向の縁３５ｂとを接続する。第１材料層２１の長手方向に垂直な断面において、第１材料層２１は、第１の辺３３ａに対応する面と支持層１３の一方の面１３ａとが接触するようにして配置される。第２の辺３３ｂに対応する面は、絶縁膜２６および第２材料層２２の一部と接触するように配置される。第３の辺３３ｃに対応する面および第３の辺３３ｄに対応する面は、絶縁膜２６および第２材料層２２の一部と接触するように配置される。なお、厚さｄは、第１の辺３３ａと第２の辺３３ｂとのＺ方向の長さに相当する。

【0044】

第１材料層２１の幅は、第１の辺３３ａの長さｗに対応する。第１材料層２１の長手方向に垂直な断面は、第１の辺３３ａの長さｗが第２の辺３３ｂの長さｗ_１よりも大きい台形状の形状を有する。第１の辺３３ａと第２の辺３３ｂとは平行である。第１の辺３３ａ、第２の辺３３ｂおよび第３の辺３３ｃ，３３ｄに対応する面は、それぞれ平面である。薄肉部３２ａの幅ｗ_２と薄肉部３２ｂの幅ｗ_３は等しい。本実施形態においては、第１材料層２１は、図６に示す断面において、左右対称である。

【0045】

薄肉部３２ａ、３２ｂの厚さは、厚肉部３１から離れるにしたがって小さくなっている。本実施形態においては、縁３５ａから縁３４ａに向かって薄肉部３２ａの厚さが徐々に小さくなっている。また、縁３５ｂから縁３４ｂに向かって薄肉部３２ｂの厚さが徐々に小さくなっている。本実施形態において、第１の辺３３ａと第３の辺３３ｃとのなす角度θについては、２≦ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）≦１０．７の関係を有する。この場合、角度θが鋭角となるよう角度θが選択される。具体的には、たとえば幅に対応する第１の辺３３ａの長さｗ＝８０００ｎｍ、厚さｄ＝２００ｎｍ、θ＝４°が選択される。第１の辺３３ａと第３の辺３３ｄとのなす角度θについても同様に、２≦ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）≦１０．７の関係の関係を有する。本実施形態においては、第１の辺３３ａと第３の辺３３ｃとのなす角度θと、第１の辺３３ａと第３の辺３３ｄとのなす角度θとは、同じである。

【0046】

幅全体に占める一対の薄肉部３２ａ，３２ｂの幅ｗ_２，ｗ_３は、合わせて１５％以上である。この場合、厚肉部３１の幅に対応する第２の辺３３ｂの長さｗ_１は、８５％未満となる。なお、好ましくは幅ｗ_２＋ｗ_３は、幅全体の４０％以上である。この場合、厚肉部３１の幅に対応する第２の辺３３ｂの長さｗ_１は、６０％未満となる。

【0047】

次に、実施の形態１における光センサ１１の製造方法について、簡単に説明する。まず、平板状の本体部１４を準備し、厚さ方向の一方の面１４ａ上に支持層１３を形成する。次に、厚さ方向において支持層１３とは反対側に位置する他方の面１４ｂから本体部１４の中央の領域に凹部１６を形成する。この場合、他方の面１４ｂから支持層１３の面１３ｂに至るまで凹む凹部１６を形成する。その後、支持層１３の面１３ａ上に積層するようにして第１材料層２１、絶縁膜２６、第２材料層２２、絶縁膜２７および赤外線吸収膜２３を形成する。

【0048】

ここで、第１材料層２１の形成に際しては、以下のように行う。図７は、支持層１３上にレジスト層を形成した状態を示す概略断面図である。図７を参照して、まず支持層１３の面１３ａ上にリフトオフ用レジストを層状に塗布する。次に、リフトオフ用レジストの上にポジ型レジストを層状に塗布する。その後、ポジ型レジストにフォトリソグラフィを施して露光し、現像液により溶解させる。ここで、ポジ型レジストについては、マスクした領域以外の部分が除去される。リフトオフ用レジストについては、サイドエッチングによりポジ型レジストよりも幅方向に大きく除去される。したがって、図７中の矢印で示す幅方向において、リフトオフ用レジスト４１ａ，４１ｂの幅が、ポジ型レジスト４２ａ，４２ｂの幅よりも短い断面がＴ字状のレジスト層４０ａ，４０ｂとなる。すなわち、図７に示すように断面がそれぞれＴ字状となるレジスト層４０ａ，４０ｂが支持層１３上に形成される。レジスト層４０ａ，４０ｂは、本体部１４の支持層１３に接続されている部分（リフトオフ用レジスト４１ａ，４１ｂが配置される部分）の幅が狭く、支持層１３に接続されていない端部（ポジ型レジスト４２ａ，４２ｂが配置される部分）の幅が広くなるように形成される。

【0049】

このレジスト層４０ａ，４０ｂを形成した本体部１４を、支持層１３を含む平面内で回転させて、第１材料層２１を構成する半導体材料、具体的には、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｕを図７中の矢印Ｔで示す斜め方向から蒸着させる。矢印Ｔは、図７に示す断面において、面１３ａに対して傾斜する蒸着源の流束（フラックス）を示す。その結果、レジスト層４０ａとレジスト層４０ｂとの間の領域において面１３ａ上に第１材料層２１が形成される。形成される第１材料層２１の形状については、レジスト層４０ａ，４０ｂの断面がＴ字状であるため、リフトオフ用レジスト４１ａ，４１ｂが配置されている領域の幅が長く、第１材料層２１の厚さが厚くなるにしたがい、幅が短くなる台形状となる。その後、レジスト層４０ａ，４０ｂを支持層１３上から除去する（リフトオフ）。このようにして、上記した図６に示す断面形状を有する第１材料層２１を形成する。上記したレジスト層４０ａ，４０ｂを用いると、２≦ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）≦１０．７の関係を満たす比較的角度θが小さい第１材料層２１をより効率的に製造することができる。次に５００℃程度の加熱による活性化処理を行い、アモルファス状態のＳｉ、Ｇｅ等を部分的に結晶化させて第１材料層２１を形成する。その後、第１領域２１ａおよび第２領域２１ｂを露出するようにして支持層１３の面１３ａおよび第１材料層２１上に絶縁膜２６を形成する。そして、第１領域２１ａと第３領域２２ａとを接触させ、第２領域２１ｂと第４領域２２ｂとを接触させるようにして、第２材料層２２を形成する。第２材料層２２についても、第１材料層２１と同様の方法で形成する。その後、第２材料層２２および絶縁膜２６上に絶縁膜２７、さらには赤外線吸収膜２３等を形成し、光センサ１１を得る。

【0050】

次に、光センサ１１の動作について説明する。光、たとえば赤外線が光センサ１１に照射されると、赤外線吸収膜２３によって光エネルギーが熱エネルギーに変換される。この場合、赤外線吸収膜２３は、領域１６ｂ内に形成されているため、領域１６ｂの中心側が特に高温となる。すなわち、赤外線吸収膜２３が配置されている部分が高温側となる。一方、境界１６ａの外側においては、十分に厚い本体部１４の厚さがヒートシンクの機能を発揮し、温度は上昇しない。すなわち、赤外線吸収膜２３が形成された外側の領域が低温側となる。ここで、一つの第１材料層２１に着目すると、帯状の形状を有する第１材料層２１の領域１６ｂの中心側に位置する端部を含む第２領域２１ｂが高温となり、境界１６ａの外側に位置する端部を含む第１領域２１ａが低温となる。すなわち、一つの第１材料層２１の長手方向において、両端部を含む領域間に温度差が形成され、電位差が形成される。第２材料層２２の長手方向についても同様に帯状の形状を有するため、両端部を含む領域間において温度差が形成され、電位差が形成される。複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２は交互に極性が逆になるよう直列で接続されているため、第１電極２４および第２電極２５によって出力される電位差が、複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２の温度差によって生じた電位差の合計となる。この第１電極２４と第２電極２５との間の電位差によって流れる電流を検知することにより、光センサ１１は光、この場合、赤外線を検知する。

【0051】

ここで、本実施形態における光センサ１１によれば、第１材料層２１および第２材料層２２の長手方向に垂直な幅は、それぞれ０．１μｍ以上である。また、厚肉部３１の厚さは１０ｎｍ以上である。よって、第１材料層および第２材料層２２の最低限の幅および厚さをそれぞれ確保して、断線のおそれおよび剥離のおそれを低減することができる。

【0052】

本実施形態における光センサによれば、第１材料層２１および第２材料層２２はそれぞれ、厚肉部３１よりも厚さの小さい一対の薄肉部３２ａ，３２ｂを含む。幅全体に占める一対の薄肉部３２ａ，３２ｂの幅は、合わせて１５％以上である。よって、全体が一定の厚さである場合に比べて、第１材料層２１および第２材料層２２の断面積を小さくすることができる。したがって、第１材料層２１および第２材料層２２の熱コンダクタンスＧ_ｔｈを低減させることができ、光センサ１１の感度および比検出能の向上を図ることができる。

【0053】

以上より、本開示の光センサ１１によれば、第１材料層２１および第２材料層２２の断線および剥離を抑制しつつ、光センサ１１の感度および比検出能の向上を図ることができる。

【0054】

本実施形態によれば、一対の薄肉部３２ａ，３２ｂの厚さｄはそれぞれ、厚肉部３１から離れるにしたがって小さくなっている。このようにすることにより、一対の薄肉部３２ａ，３２ｂを容易に製造することができる。

【0055】

本実施形態によれば、第１材料層２１および第２材料層２２の長手方向に垂直な断面は、それぞれ支持層１３に対向する第１の辺３３ａと、第１の辺３３ａと厚肉部３１の厚さ方向に間隔をあけて位置する第２の辺３３ｂ、第１の辺３３ａと第２の辺３３ｂとを接続する一対の第３の辺３３ｃ，３３ｄとを含む。第１の辺３３ａの長さｗが第２の辺３３ｂの長さｗ_１よりも大きい台形状の形状を有する。このような形状を有する厚肉部３１および一対の薄肉部３２ａ，３２ｂをそれぞれ含む第１材料層２１および第２材料層２２は、第１材料層２１および第２材料層２２の間に図７に示す断面がＴ字状であるレジスト層４０ａ，４０ｂを形成し、本体部１４を回転させながら斜め方向から蒸着源を供給することにより、容易に製造することができる。

【0056】

本実施形態において、第１材料層２１は、ｐ型の導電型を有する半導体からなっている。半導体は、熱伝導率が比較的低いため、第１材料層２１の熱コンダクタンスの低減を効率的に図ることができる。

【0057】

本実施形態において、熱電変換材料部２０は、第２材料層２２として、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、第１材料層２１と異なる導電型である第２導電型であるＢｉからなる第２材料層２２を備える。したがって、熱伝導率が比較的低い材料を用いて光センサ１１の熱コンダクタンスを低減することで、温度差に基づく出力を増加させて、光センサ１１の感度および比検出能のさらなる向上を図ることができる。

【0058】

本実施形態によれば、光センサ１１は、複数の第１材料層２１と複数の第２材料層２２を備える。複数の第１材料層２１および複数の第２材料層２２はそれぞれ、第１電極２４に接続される領域および第２電極２５に接続される領域を除いて、第１領域２１ａと第３領域２２ａとが電気的に接続され、第２領域２１ｂと第４領域２２ｂとが電気的に接続されるよう交互に配置されている。したがって、第１電極２４および第２電極２５によって出力される電位差を、複数の第１材料層２１のそれぞれに生ずる電位差を足し合わせたものとすることができ、電位差を大きくすることができる。この場合、複数の第２材料層２２のそれぞれに生ずる電位差をさらに足し合わせたものとすることができ、さらに電位差を大きくすることができる。したがって、光センサ１１の感度および比検出能の向上を図ることができる。

【0059】

本実施形態では、第１の辺３３ａと第３の辺３３ｃ，３３ｄとのなす角度θについて、２≦ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）≦１０．７の関係を有する。したがって、光センサ１１の感度および比検出能の向上を確実に図ることができる。図８は、ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）と感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊との関係を示すグラフである。図８において、横軸は、ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）を示し、縦軸は、光センサ１１の感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊を示す。横軸は、対数メモリを用いている。なお、三角印は、感度Ｒｖの値を示し、丸印は、比検出能の値を示す。感度Ｒｖの測定は、光源を５００Ｋの黒体炉、光センサ１１と光源の距離を３０ｃｍとし、メカニカルチョッパを用いてチョッピング周波数５Ｈｚにて光源をチョッピングし、素子出力のチョッピング周波数成分をロックインアンプにて同期検波することで行った。光源の出力、赤外線吸収膜２３の光学特性と光センサ１１の出力電圧から、感度Ｒｖを算出した。また、光センサ１１の出力をスペクトラムアナライザにて観測し、ノイズレベルを測定することで、比検出能Ｄ^＊を算出した。角度θについては、電子顕微鏡による断面観察により行った。なお、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（原子間力顕微鏡））による上面、すなわち、赤外線吸収膜２３が配置される面から、第１材料層２１の上面が露出した部分の測定や、触針式の表面形状装置により、上面から第１材料層２１の長手方向と垂直な方向に表面形状を測定することにより角度θを算出してもよい。

【0060】

図８を参照して、ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）の値が大きくなると、感度Ｒｖは小さくなる。ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）の値が１に近づくほど、感度Ｒｖの上昇が顕著となる。比検出能Ｄ^＊についても同様の傾向である。すなわち、ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）の値が大きくなると、比検出能Ｄ^＊は小さくなり、ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）の値が１に近づくほど、比検出能の上昇が顕著となる。よって、ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）の値を１０．７以下とすることにより、より確実に感度および比検出能の値を大きくすることができる。また、製造上の観点から、ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）の値を２以上とすることが好ましい。したがって、ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）について２≦ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）≦１０．７とすることにより、感度および比検出能の向上を図ることができる。なお、ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）については、２≦ｔａｎθ×（ｗ／ｄ）≦７．０の関係を有することがより好適である。

【0061】

（実施の形態２）
次に、他の実施の形態である実施の形態２について説明する。図９は、実施の形態２における光センサに備えられる第１材料層および支持層を示す概略断面図である。図９は、実施の形態１における図６に示す断面に相当する。図９を参照して、実施の形態２における光センサ１１は、第２の辺３３ｂおよび第３の辺３３ｃ，３３ｄに対応する面の表面粗さＲａを１ｎｍ以上２００ｎｍ以上の範囲内としている点において実施の形態１の場合とは異なっている。なお、図９中において、第２の辺３３ｂおよび第３の辺３３ｃ，３３ｄに対応する面に形成される凹凸形状については、理解の容易の観点から誇張して図示している。

【0062】

図９を参照して、第２の辺３３ｂおよび第３の辺３３ｃに対応する面の表面には、微小な凹凸が形成されている。第２の辺３３ｂおよび第３の辺３３ｃ，３３ｄに対応する面の表面粗さＲａ（算術平均粗さ）については、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。なお、表面粗さＲａについては、以下のようにして測定した。すなわち、露出した第１材料層２１を含む、１辺の長さが厚肉部の幅以上の長方形状の領域を、曲率半径２５ｎｍのカンチレバーを用いてＡＦＭにより測定した。第１材料層２１の厚肉部３１の領域の傾きを補正した後、厚肉部３１の幅の５割の長さの直線表面形状プロファイルから表面粗さＲａを算出した。なお、直線表面形状プロファイルからの表面粗さＲａの算出は、第１材料層２１の厚肉部３１の領域の任意の直線で行ってもよい。

【0063】

このような第２の辺３３ｂおよび第３の辺３３ｃ，３３ｄに対応する面を上記した表面粗さＲａとするためには、たとえば以下の製造方法が選択される。第１材料層２１について、Ｓｉ、ＧｅおよびＡｕを面１３ａ上にアモルファス状態で蒸着し、熱処理により結晶化させる。この熱処理、すなわち、活性化処理時における結晶化に際し、熱処理の温度を３００～１０００℃の範囲内で調整して結晶化の進行度合いを制御し、表面粗さＲａを上記した範囲内とする。

【0064】

図１０は、表面粗さＲａと感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊との関係を示すグラフである。図１０において、横軸は表面粗さＲａ（ｎｍ）を示し、縦軸は光センサ１１の感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊を示す。なお、横軸については、対数で表している。図１０中において、中空丸印は、感度Ｒｖの値を示し、中実丸印は、比検出能の値を示す。なお、図１０に示す測定結果は、図８に示す場合と同様の計測を行った場合の測定結果である。すなわち、感度Ｒｖの測定は、光源を５００Ｋの黒体炉、光センサ１１と光源の距離を３０ｃｍとし、メカニカルチョッパを用いてチョッピング周波数５Ｈｚにて光源をチョッピングし、素子出力のチョッピング周波数成分をロックインアンプにて同期検波することで行った。光源の出力、赤外線吸収膜２３の光学特性と光センサ１１の出力電圧から、感度Ｒｖを算出した。また、光センサ１１の出力をスペクトラムアナライザにて観測し、ノイズレベルを測定することで、比検出能Ｄ^＊を算出した。

【0065】

図１０を参照して、表面粗さＲａが１ｎｍ以上２００ｎｍ以下の場合、感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊の値が比較的高い値となっている。表面が滑らかになると熱伝導が抑制され、熱コンダクタンスＧ_ｔｈが低減する。また、表面の凹凸度合いが多くなると、フォノンの散乱が促進され、熱コンダクタンスＧ_ｔｈが減少する。したがって、表面粗さＲａについては、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることにより、感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊の向上を図ることができる。より好ましくは、表面粗さＲａについて、８ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることが好適である。さらに、第１材料層２１の表面粗さＲａは、１３ｎｍ以上５０ｎｍ以下であってもよい。このようにすることにより、感度Ｒｖおよび比検出能Ｄ^＊のさらなる向上を図ることができる。

【0066】

ここで、表面粗さＲａを上記範囲内とすることについて、薄肉部３２ａ，３２ｂを規定する第３の辺３３ｃ，３３ｄに対応する面の表面粗さＲａを上記範囲内にすると、表面における第３の辺３３ｃ，３３ｄに対応する面の熱伝導の低減の効果をより顕著に図ることができる。したがって、より感度および比検出能の向上を図ることができる。

【0067】

（実施の形態３）
次に、さらに他の実施の形態である実施の形態３について説明する。図１１は、実施の形態３における光センサに備えられる第１材料層および支持層を示す概略断面図である。図１１は、実施の形態１における図６に示す断面に相当する。図１１を参照して、実施の形態３における光センサに備えられる支持層５２は、バッファ層５１をさらに備える点において実施の形態１の場合とは異なっている。

【0068】

第１材料層２１を構成する元素としてＳｉ、ＧｅおよびＡｕを選択した場合、第１材料層２１の活性化処理工程においてＡｕを核としたＳｉＧｅの微結晶を第１材料層２１内において部分的に形成し、第１材料層２１の導電率を増加させることができる。しかし、第１材料層２１と層５３とが接触すると、Ａｕが層５３側に析出してしまい、上記した微結晶を形成することによる効果を十分に得られないおそれがある。よって、支持層５２が第１材料層２１と接触して配置され、Ｓｉからなるバッファ層５１を含むことにより、図２に示す層５３側へのＡｕの析出を抑制して、第１材料層２１内におけるＡｕを核とした微結晶の形成を促進して、第１材料層２１の導電率の低下を抑制することができる。したがって、光センサ１１の感度および比検出能のさらなる向上を図ることができる。本実施形態においては、バッファ層５１の一方の面５１ａは、層５３の面５３ａと接触し、バッファ層５１の他方の面５１ｂは、第１の辺３３ａに対応する面と接触する。

【0069】

図１２は、バッファ層の有無と感度Ｒｖとの関係を示すグラフである。図１３は、バッファ層の有無と比検出能Ｄ^＊との関係を示すグラフである。図１２および図１３において、左側の棒グラフＡ_１、Ａ_２は、バッファ層が無い場合を示し、右側の棒グラフＢ_１、Ｂ_２は、バッファ層が有る場合を示す。図１２において、縦軸は、感度Ｒｖ（Ｖ／Ｗ）を示す。図１３において、縦軸は、比検出能（１×１０^９）（ｃｍＨｚ^１／２／Ｗ）を示す。

【0070】

まず図１２を参照して、バッファ層が有る場合の感度Ｒｖは、バッファ層が無い場合の感度Ｒｖと比較して大幅に向上していることが把握できる。

【0071】

次に図１３を参照して、バッファ層が有る場合の比検出能Ｄ^＊は、バッファ層が無い場合の比検出能Ｄ^＊と比較して大幅に向上していることが把握できる。

【0072】

（他の実施の形態）
上記の実施の形態において、第３の辺３３ｃ，３３ｄに対応する面は平面であることとしたが、これに限らず、第３の辺３３ｃ，３３ｄに対応する面は曲面であってもよい。この場合、たとえば、厚さ方向において、第２の辺３３ｂに対応する面側に突出する円弧面であってもよいし、第１の辺３３ａに対応する面側に凹む円弧面であってもよい。さらに第３の辺３３ｃ、３３ｄに対応する面は、複数の曲面と平面とを含んでもよい。

【0073】

上記の実施の形態においては、第１材料層２１は、幅方向に対称となる台形状の形状としたが、これに限らず、幅ｗ_２と幅ｗ_３とが異なる長さであってもよい。また、第１材料層２１は、角度θが第１の辺３３ａと第３の辺３３ｃ，３３ｄでそれぞれ異なる場合、小さい方の角度が上記関係式を有するようにしてもよい。さらに、双方の角度θについて、上記関係式を有するようにしてもよい。また、台形状の形状でなくともよく、薄肉部３２ａ、３２ｂについて、厚肉部３１との間において、段差を生ずる形状であってもよい。すなわち、薄肉部３２ａを構成する第３の辺３３ｃに対応する面は、縁３４ａから第１の辺３３ａに対応する面に対して垂直に延びる第１の垂直面と、この第１の垂直面に連なり、第１の辺３３ａに対応する面に平行に延びる平行面と、この平行面に連なり、縁３５ａから第１の辺３３ａに対応する面に対して垂直に延びる第２の垂直面とからなる構成であってもよい。また、左右の角度θが異なっていてもよい。すなわち、第１の辺３３ａと第３の辺３３ｃとのなす角度と第１の辺３３ａと第３の辺３３ｄとのなす角度が異なっていてもよい。さらに、第１材料層２１は、台形状の形状ではなく、三角形の形状であってもよい。すなわち、第２の辺３３ｂがない構成としてもよい。また、熱電変換材料部２０に含まれる第１材料層２１は、直接支持層１３上に配置されることとしたが、これに限らず、第１材料層２１は直接支持層１３上に配置されておらず、第１材料層２１と支持層１３との間に他の部材、例えば、熱電変換材料部２０に含まれる絶縁膜が介在する構成であってもよい。また、第１材料層２１と第２材料層２２との配置を入れ替えて構成してもよい。この場合、製造方法としては、例えば、支持層１３上に第２材料層２２を形成した後に絶縁膜２６を形成し、その後第１材料層２１を形成するようにしてもよい。

【0074】

上記の実施の形態において、赤外線吸収膜２３としてカーボンを用いることにしてもよいし、樹脂からなる赤外線吸収膜を形成してもよい。絶縁性を有する樹脂からなる赤外線吸収膜を形成した場合、上記した絶縁膜２７は不要となる。また、第１材料層２１の導電型と第２材料層２２の導電型とを逆にした構成にしてもよい。すなわち、第１材料層２１の導電型をｎ型とし、第２材料層２２の導電型をｐ型としてもよい。

【0075】

上記の実施の形態において、第１材料層２１は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｕを元素として含む化合物半導体としたが、これに限らず、Ａｕを含まない化合物半導体であってもよいし、Ｍｎ、Ｓｉを元素として含む化合物半導体としてもよいし、Ｓｎ、Ｓｅを元素として含む化合物半導体、Ｃｕ、Ｓｅを元素として含む化合物半導体としてもよい。また、第１材料層２１として、たとえば半導体としてのＳｉ単体を用いることにしてもよい。

【0076】

上記の実施の形態においては、第２材料層２２は、Ｂｉからなることとしたが、これに限らず、第２材料層２２は、金属または、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、第１材料層２１と異なる導電型である半導体からなってもよい。具体的には、たとえば、第２材料層２２について、Ｂｉ以外のｎ型の導電型を有する化合物半導体を用いることにしてもよい。第２材料層２２として第１材料層２１と異なる導電型であるｎ型の導電型を有する半導体を採用することにより、熱伝導率が比較的低い材料を用いて光センサ１１の熱コンダクタンスを低減することで、温度差に基づく出力を増加させて、光センサ１１の感度および比検出能のさらなる向上を図ることができる。また、第２材料層２２として金属を採用してもよい。すなわち、熱電変換材料部２０が、上記第１材料層２１と、帯状の形状を有し、上記した第２材料層２２と同様に配置される金属層とを備える構成であってもよい。具体的には、たとえば第１材料層２１を構成する材料としてＳｉを用い、金属層としてＡｌを用いる。特に、光センサ１１の特性が、第１材料層２１の材料の特性に主に起因する場合、このような構成とすることにしてもよい。このようにすることにより、第２材料層２２の導電率を向上させて光センサ１１の電気コンダクタンスを増加させることで、光センサ１１の比検出能のさらなる向上を図ることができる。第２材料層２２の材質としては、他に、たとえばＳｂ（アンチモン）を採用することもできる。また、第２材料層２２として、ＢｉとＴｅ（テルル）との合金やＢｉとＴｅとＳｂとの合金を採用することにしてもよい。また、上記の実施の形態においては、光センサ１１は、複数の第１材料層２１と複数の第２材料層２２とを備えることとしたが、光センサ１１は、少なくとも一対の第１材料層２１と第２材料層２２とを備える構成であればよい。

【0077】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、どのような面からも制限的なものではないと理解されるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなく、請求の範囲によって規定され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0078】

１１ 光センサ、１２ ベース部、１３，５２ 支持層、１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，５１ａ，５１ｂ，５３ａ 面、１４ 本体部、１４ｃ 内周面、１６ 凹部、１６ａ 境界、１６ｂ，１６ｃ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ 領域、２０ 熱電材料変換部、２１ 第１材料層、２１ｃ，２１ｄ，２２ｃ，２２ｄ 端部、２２ 第２材料層、２３ 赤外線吸収膜、２４ 第１電極、２５ 第２電極、２６，２７ 絶縁膜、３１ 厚肉部、３２ａ，３２ｂ 薄肉部、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ 辺、３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ 縁、４０ａ，４０ｂ レジスト層、４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ レジスト、５１ バッファ層、５３ 層、Ａ_１，Ａ_２，Ｂ_１，Ｂ_２ グラフ、ｄ 厚さ、Ｌ 方向、Ｔ 矢印、ｗ，ｗ_１ 長さ、ｗ_２，ｗ_３ 幅、θ 角度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】