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世界初,フォノニック結晶構造を搭載した遠赤外線センサの感度向上技術を開発

 パナソニック株式会社は2021年4月16日,一般的なシリコン(Si)の断熱性能を示す物性値限界を大きく上回ることが出来るフォノニック結晶構造をSiウェハ上に量産適用可能な作製方法で形成し,遠赤外線センサの受光部に適用することで,受光部からの熱の漏れを約1/10に抑制し,従来のSiベースの遠赤外線センサに比べて約10倍の感度向上が可能になることを実証したと発表した.本成果は,光学・フォトニクス・画像工学分野の国際学会SPIE(The International Society for Optical Engineering)の一つであるSPIE Defense + Commercial Sensing 2021にて招待講演で発表された(注).

 本成果の対象とした遠赤外線センサは,センサ部を細い領域(支持脚)で支持体に繋いだ構造で,センサ部の温度上昇により遠赤外線を検知するものである.センサ部から熱が支持体に漏れるとセンサ部の温度が上がらないので感度が下がる.一方,フォノニック結晶では,材料にnmオーダーの超微細周期構造を組み込むことで,熱伝導を担う格子振動を量子化したフォノンに対して,伝搬を阻害する禁制帯を発生させ,従来の物性値限界を上回る断熱性能を実現できることが期待されている.一般的にフォノニック結晶構造を形成するには,電子線描画装置を用いて最小寸法100nm前後のパターンニングを行っているが,形成スループットが低い,また,フォノンの熱波動制御には,更に微細なナノ加工技術が必要である.

 この課題に対して本開発チームは,ブロック共重合体(親水性・疎水性が異なるモノマーが重合したポリマー)の自己組織化プロセスを応用したナノパターンニングプロセスを開発した.本方法は,サイズを問わず大口径ウェハ全面を2種類の有機物によるシリンダー構造で被覆させるプロセスで,プロセスコストの増加が小さく,量産適用可能な技術である.さらに,シカゴ大学との共同研究によりそのシリンダー構造の直径を約26nm,シリンダーの整列周期を約38nmにまで微細化することに成功し,フォノンの熱波動制御を最大化した.

 実際に試作したフォノニック結晶は,積層構造を有するSi(100nm)/SiO2(2000nm)/Si基板に本開発技術を用いて自己組織化構造を形成し,遠赤外線センサの支持脚に転写した.フォノニック結晶を搭載しないSi遠赤外線センサの支持脚は熱伝導率が31.2W/mKであったのに対し,フォノニック結晶を搭載した構造では熱伝導率は3.6W/mKまで低減した.この低減割合は,発泡材のような従来の断熱材料で用いられている多孔質モデルを大幅に上回り,フォノン熱波動制御現象が発現している.さらに,同じ量の遠赤外線を照射した際の受光部での温度分布をシミュレーションで可視化すると,熱伝導率の差異による温度上昇量に大きな差異が認められた.また,パルスレーザー加熱による熱起電力を評価した結果,フォノニック結晶を搭載した遠赤外線センサは,フォノニック結晶を搭載しないセンサと比べて,熱起電力が約10倍増加しており,フォノニック結晶による10倍の感度向上を実証した.

 今後は本技術の活用により,目に見えない熱情報を見える化する新たなセンシングソリューションや,小型・高密度デバイスのサーマルソリューションへの適用を目指す,としている.

(注)Naoki Tambo, Kouhei Takahashi, Kunihiko Nakamura, Yasuyuki Naito, Elizabeth Michiko Ashley, Peter J. Duda III, Paul F. Nealey, and Masaki Fujikane, "Sensitivity improved thermal infrared sensor cell applying the heat insulating phononic crystals", SPIE Defense + Commercial Sensing 2021