(57)【要約】【課題】可視光以外の測定対象を測定する装置においても感度を向上させることが可能な電荷増加装置を提供する。【解決手段】このサーモセンサ１００（電荷増加装置）は、可視光以外の測定対象（熱（赤外線））を信号源とするとともに信号源に対応する電子を供給する電荷供給部４５と、可視光以外の測定対象を測定することにより電荷供給部４５に蓄積された電子を増倍させるための電子増倍部１４ａとを備える。【選択図】図２
2010204092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光以外の測定対象を信号源とするとともに前記信号源に対応する信号電荷を供給する電荷供給部と、
前記可視光以外の測定対象を測定することにより前記電荷供給部に蓄積された信号電荷に対応する電荷を増加させるための電荷増加部とを備える、電荷増加装置。
【請求項２】
前記電荷増加部が設けられる半導体基板をさらに備え、
前記電荷供給部は、前記半導体基板から離間した前記半導体基板の上方または下方に配置されている、請求項１に記載の電荷増加装置。
【請求項３】
前記電荷供給部と前記半導体基板とを接続する接続配線をさらに備える、請求項２に記載の電荷増加装置。
【請求項４】
前記電荷供給部と前記電荷増加部との間に設けられ、前記電荷増加部に可視光が入射するのを抑制するための遮光層をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電荷増加装置。
【請求項５】
チャネルとして機能する電荷転送領域と、
前記電荷転送領域の表面上に設けられる増加電極とをさらに備え、
前記電荷増加部は、前記増加電極下の前記電荷転送領域に設けられ、前記増加電極に電圧を印加することにより、前記電荷供給部に蓄積された信号電荷に対応する電荷を増加させるように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電荷増加装置。
【請求項６】
前記電荷供給部は、熱膨張率の異なる複数の部材からなる第１電極と、前記第１電極に対向するように配置される第２電極とを含み、
前記第１電極が熱によって変形して、前記第１電極と前記第２電極との間の容量が変化することに起因する前記信号電荷に対応する電荷が前記電荷増加部によって増加されるように構成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電荷増加装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電荷増加装置に関し、特に、信号電荷を増加させるための電荷増加部を備える電荷増加装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、信号電荷を増加させるための電荷増加部を備える電荷増加装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、光電変換機能を有するフォトダイオード部と、フォトダイオード部に光（特に可視光）が入射することによりフォトダイオード部によって生成された電荷を衝突電離により増加させるための電荷増加部（増倍部）とを備える撮像装置（電荷増加装置）が開示されている。上記特許文献１に開示された撮像装置では、フォトダイオード部によって生成された電荷を電荷増加部によって増加することにより、撮像装置の感度を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３５０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示された撮像装置では、フォトダイオード部に光（特に可視光）が入射することによりフォトダイオード部で生成された電荷を増加させることができる一方、可視光以外の測定対象を測定する装置においても感度の向上が望まれている。
【０００６】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、可視光以外の測定対象を測定する装置においても感度を向上させることが可能な電荷増加装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、この発明の一の局面における電荷増加装置は、可視光以外の測定対象を信号源とするとともに信号源に対応する信号電荷を供給する電荷供給部と、可視光以外の測定対象を測定することにより電荷供給部に蓄積された信号電荷に対応する電荷を増加させるための電荷増加部とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
上記の構成により、可視光以外の測定対象を測定する装置においても感度を向上させることができる。なお、可視光とは、人間の目（視覚）で感じることができる光である。また、可視光は、約３６０ｎｍ以上約８３０ｎｍ以下の波長を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態によるサーモセンサの平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるサーモセンサの断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態によるサーモセンサの回路図である。
【図４】本発明の第１実施形態によるサーモセンサの動作を説明するための断面図である。
【図５】本発明の第１実施形態によるサーモセンサの転送動作を説明するための図である。
【図６】本発明の第１実施形態によるサーモセンサの増倍動作を説明するための図である。
【図７】本発明の第２実施形態によるサーモセンサの断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態によるサーモセンサの動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図９】本発明の第３実施形態によるサーモセンサの断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態によるサーモセンサの断面図である。
【図１１】本発明の第５実施形態によるサーモセンサの断面図である。
【図１２】本発明の第６実施形態によるサーモセンサの断面図である。
【図１３】本発明の第７実施形態によるサーモセンサの断面図である。
【図１４】本発明の第８実施形態によるサーモセンサの断面図である。
【図１５】本発明の第８実施形態によるサーモセンサの動作を説明するためのタイミングチャートである。
【図１６】本発明の第９実施形態によるグルコースセンサの断面図である。
【図１７】本発明の第１０実施形態による半導体ガスセンサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１〜図３を参照して、第１実施形態によるサーモセンサ１００の構成について説明する。なお、第１実施形態では、本発明の電荷増加装置をサーモセンサ１００に適用した例について説明する。
【００１２】
図１に示すように、サーモセンサ１００は、マトリクス状（行列状）に配置された複数のサーモセンサ部１を含むセンサ領域２と、センサ領域２の周辺に形成された周辺論理回路領域３と、入出力部４とを備えている。
【００１３】
図２に示すように、サーモセンサ部１では、ｎ型シリコン基板１１の表面上に形成されたｐ型ウェル領域１２の表面に、各サーモセンサ部１をそれぞれ分離するための素子分離領域１３が形成されている。また、ｐ型ウェル領域１２の表面には、ｎ−型不純物領域からなる転送チャネル１４が形成されている。転送チャネル１４の一方側に隣接するように、ｎ型ウェル領域１５が形成されている。また、ｎ型ウェル領域１５の表面には、ｎ＋型不純物領域からなる拡散層１６と、ｐ＋型不純物領域からなるｐ＋層１７とが形成されている。なお、ｐ＋層１７は、拡散層１６の周辺を覆うように形成されている。そして、ｐ＋層１７は、ｎ型ウェル領域１５の表面近傍の界面準位から発生した暗電流を捕獲する機能を有する。これにより、暗電流によるノイズが転送チャネル１４に供給されるのが抑制される。なお、ｎ型シリコン基板１１は、本発明の「半導体基板」の一例である。また、転送チャネル１４は、本発明の「電荷転送領域」の一例である。
【００１４】
また、転送チャネル１４の他方側に隣接するように、ｎ型不純物領域からなるフローティングディフュージョン領域（ＦＤ領域）１８が形成されている。また、ＦＤ領域１８と所定の間隔を隔てて、リセットドレイン領域（ＲＤ領域）１９が形成されている。
【００１５】
また、転送チャネル１４の表面上からＦＤ領域１８の表面上までに対応するｐ型ウェル領域１２の表面上には、シリコン（Ｓｉ）基板の表面を熱酸化することにより形成されたシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）からなる絶縁膜２０が形成されている。絶縁膜２０は、約６０ｎｍの厚みｔ１を有する。また、ＦＤ領域１８の表面上からＲＤ領域１９の表面上までに対応するｐ型ウェル領域１２の表面上には、絶縁膜２０よりも小さい約７ｎｍ以下の厚みｔ２を有する絶縁膜２１が形成されている。
【００１６】
絶縁膜２０の表面上には、転送ゲート電極２２と、増倍ゲート電極２３と、転送ゲート電極２４と、蓄積ゲート電極２５と、読出ゲート電極２６とが、ｎ型ウェル領域１５側からＦＤ領域１８側に向かってこの順番に形成されている。また、増倍ゲート電極２３下の転送チャネル１４には、電子増倍部１４ａが設けられているとともに、蓄積ゲート電極２５下の転送チャネル１４には、電子蓄積部１４ｂが設けられている。なお、増倍ゲート電極２３は、本発明の「増加電極」の一例である。また、電子増倍部１４ａは、本発明の「電荷増加部」の一例である。
【００１７】
また、ＦＤ領域１８とＲＤ領域１９との間に対応する絶縁膜２１の表面上には、リセットゲート電極２７が形成されている。なお、ＦＤ領域１８、ＲＤ領域１９およびリセットゲート電極２７によってリセットトランジスタＴｒ１（図３参照）が構成されている。
【００１８】
また、ｎ型ウェル領域１５（拡散層１６）の表面上には、金属層からなり、後述する上部電極４２に接続される接続配線２８が形成されている。また、転送ゲート電極２２、増倍ゲート電極２３、転送ゲート電極２４、蓄積ゲート電極２５、読出ゲート電極２６およびリセットゲート電極２７の表面上には、絶縁膜２９を介して３層の配線層３０が形成されている。また、配線層３０の表面上には、転送ゲート電極２２、増倍ゲート電極２３、転送ゲート電極２４、蓄積ゲート電極２５、読出ゲート電極２６およびリセットゲート電極２７を覆うように、絶縁膜２９を介して金属層からなる遮光層３１が形成されている。なお、遮光層３１は、電子増倍部１４ａに光（特に可視光）が入射するのを抑制する機能を有する。
【００１９】
また、遮光層３１の表面上には、絶縁膜２９を介して後述する上部電極４２と対向するように、下部電極４１が形成されている。なお、下部電極４１は、ニッケル（Ｎｉ）などの金属からなる。また、下部電極４１には、電圧が印加されるように構成されている。また、接続配線２８に接続されるとともに、下部電極４１と所定の間隔を隔てて対向するように上部電極４２が設けられている。上部電極４２には、電圧が印加されるように構成されている。なお、下部電極４１と上部電極４２との間の空間には何も設けられていない。つまり、上部電極４２は、下部電極４１などが形成されるｎ型シリコン基板１１から離間したｎ型シリコン基板１１の上方（矢印Ｚ１方向）に形成されている。そして、下部電極４１と上部電極４２とによって容量が形成される。なお、下部電極４１は、本発明の「第２電極」の一例である。
【００２０】
また、上部電極４２の表面上には、上部電極４２と熱膨張率の異なる材料からなる絶縁膜４３が形成されている。なお、絶縁膜４３は、たとえばシリコン窒化膜（ＳｉＮ）などからなる。また、上部電極４２と絶縁膜４３とは、カンチレバー構造（片持ち梁構造）を有しており、上部電極４２と絶縁膜４３とによってカンチレバー電極４４が構成されている。そして、カンチレバー電極４４と下部電極４１とによって、電荷供給部４５が構成されている。また、カンチレバー電極４４（上部電極４２）は、平面的に見て、拡散層１６からＦＤ領域１８側に向かって素子分離領域１３まで延びるように形成されている。つまり、上部電極４２は、電子増倍部１４ａとオーバーラップするように設けられている。また、図１に示すように、カンチレバー電極４４は、平面的に見て、略矩形形状に形成されており、サーモセンサ部１の略全域を覆うように形成されている。なお、カンチレバー電極４４は、本発明の「第１電極」の一例である。
【００２１】
ここで、第１実施形態では、カンチレバー電極４４は、熱（赤外線）を検知することにより、上部電極４２と絶縁膜４３との熱膨張率が異なることに起因して、湾曲して変形するように構成されている。なお、赤外線は、可視光の赤の波長（約６２０ｎｍ以上約７５０ｎｍ以下）よりも長い波長を有する。また、カンチレバー電極４４が変形することに起因して、上部電極４２と下部電極４１との間の静電容量が変化することにより、上部電極４２に蓄積された電子が、接続配線２８および拡散層１６を介して、転送チャネル１４に供給されるように構成されている。そして、転送チャネル１４に供給された電子は、電子増倍部１４ａにおいて増倍（増加）されるように構成されている。
【００２２】
また、図３に示すように、各々のサーモセンサ部１は、転送ゲート電極２２と、増倍ゲート電極２３と、転送ゲート電極２４と、蓄積ゲート電極２５と、読出ゲート電極２６と、リセットトランジスタＴｒ１と、増幅トランジスタＴｒ２と、選択トランジスタＴｒ３とを備えている。
【００２３】
リセットトランジスタＴｒ１のリセットゲート電極２７には、リセットゲート線２７ａ（図２参照）が接続されており、リセット信号が供給されるように構成されている。ＲＤ領域１９は、リセットトランジスタＴｒ１のドレインとしての機能を有するとともに、電源電圧（ＶＤＤ）線５１に接続されている。ＦＤ領域１８は、リセットトランジスタＴｒ１のソースおよび読出ゲート電極２６のドレインとしての機能を有するとともに、増幅トランジスタＴｒ２のゲートと接続されている。増幅トランジスタＴｒ２のドレインには、選択トランジスタＴｒ３のソースが接続されている。選択トランジスタＴｒ３のゲートには行選択線５２が接続されているとともに、ドレインには出力線５３が接続されている。
【００２４】
そして、サーモセンサ１００は、図３に示す回路構成により、各サーモセンサ部１内において信号が増幅トランジスタＴｒ２により増幅されるように構成されている。また、読出ゲート電極２６のオンオフ制御は行毎に行われる一方で、読出ゲート電極２６以外のゲート電極のオンオフ制御は、サーモセンサ部１全体に対して一斉に行われるように構成されている。
【００２５】
次に、図２および図４を参照して、サーモセンサ部１が熱（赤外線）を検知する動作について説明する。
【００２６】
まず、図２に示すように、上部電極４２と下部電極４１との間に、所定の電位差を生じさせる。たとえば、上部電極４２と下部電極４１との間に、約３Ｖの電位差を生じさせる。その結果、上部電極４２と下部電極４１とには、それぞれ、約３Ｖの電位差に対応する電子が蓄積される。
【００２７】
次に、カンチレバー電極４４が熱（赤外線）を検知する。これにより、カンチレバー電極４４の温度が上昇した場合、図４に示すように、カンチレバー電極４４の上部電極４２と絶縁膜４３との熱膨張率が異なることに起因して、カンチレバー電極４４が上側（矢印Ｚ１方向）に向かって徐々に湾曲する。その結果、カンチレバー電極４４の上部電極４２と下部電極４１との間の静電容量が減少する。これにより、上部電極４２に蓄積される電子の量が減少し、余剰となった電子が電流として、上部電極４２から、接続配線２８、拡散層１６およびｎ型ウェル領域１５を介して、転送チャネル１４に供給される。
【００２８】
次に、図５および図６を参照して、転送チャネル１４に供給された電子の増倍動作について説明する。
【００２９】
まず、電子の転送動作について説明する。図５の期間Ａにおいて、カンチレバー電極４４から供給された電子は、電位の高い増倍ゲート電極２３下の転送チャネル１４（電子増倍部１４ａ）に転送される。そして、期間Ｂにおいて、電子は、転送ゲート電極２４下の転送チャネル１４に転送されるとともに、期間Ｃにおいて、蓄積ゲート電極２５下の転送チャネル１４（電子蓄積部１４ｂ）に転送される。その後、期間Ｄにおいて、読出ゲート電極２６を介して電子はＦＤ領域１８に転送される。
【００３０】
次に、電子の増倍動作について説明する。電子の増倍動作は、上記の増倍ゲート電極２３および蓄積ゲート電極２５間の転送チャネル１４において行われる。具体的には、電子が蓄積ゲート電極２５下の電子蓄積部１４ｂに保持された状態の期間Ｃの状態から、図６の期間Ｅ以降の動作を行う。すなわち、期間Ｅにおいて、増倍ゲート電極２３下の電子増倍部１４ａが約２５Ｖの電位に調整されるとともに、期間Ｆにおいて転送ゲート電極２４下の転送チャネル１４が約４Ｖの電位に調整される。その後、蓄積ゲート電極２５下の電子蓄積部１４ｂの電位が約１Ｖに調整されることにより、電子蓄積部１４ｂに蓄積された電子は、転送ゲート電極２４下の転送チャネル１４（約４Ｖ）を介して、増倍ゲート電極２３下の電子増倍部１４ａ（約２５Ｖ）に転送される。この際、衝突電離により電子が増倍される。
【００３１】
そして、期間Ｇにおいて転送ゲート電極２４がオフ状態になることにより、増倍動作は完了する。また、この状態から上述した電子の転送動作を行うことによって増倍された電子はＦＤ領域１８に転送される。なお、電子の増倍動作時に、転送ゲート電極２２下および読出ゲート電極２６下の各転送チャネル１４の電位が約０．５Ｖの電位に調整されることにより、電子のｎ型ウェル領域１５への移動、および、ＦＤ領域１８への移動を抑制することが可能となる。
【００３２】
このように増倍された電子は、上述した読出動作により、ＦＤ領域１８を介して、電圧信号として読み出される。なお、電子増倍部１４ａおよび電子蓄積部１４ｂ間での電子の転送動作が複数回（たとえば、約４００回）行われることにより、カンチレバー電極４４から供給された電子は、約２０００倍に増倍される。また、図１に示すように、サーモセンサ部１がマトリクス状に配置されていることにより、サーモセンサ１００は、熱(赤外線)の平面的な分布を測定することが可能となる。
【００３３】
第１実施形態によるサーモセンサ１００では、以下の効果を得ることができる。
【００３４】
（１）熱（赤外線）に対応する電子を供給する電荷供給部４５（上部電極４２）と、熱（赤外線）を測定することにより電荷供給部４５に蓄積された電子を増加させるための電子増倍部１４ａとを備えた。これにより、測定対象の温度が低い場合でも、低い温度に対応する少量の電子を電子増倍部１４ａによって増倍することができるので、低い温度を正確に検知（測定）することができる。その結果、熱（赤外線）を検知するサーモセンサ１００の感度を向上させることができる。また、測定対象の温度の変化が微小な場合でも、温度の微小な変化に対応する少量の電子を電子増倍部１４ａによって増倍することができるので、微小な温度の変化を検知することができる。
【００３５】
（２）電荷供給部４５を、ｎ型シリコン基板１１から離間したｎ型シリコン基板１１の上方に配置した。たとえば、フォトダイオードのような光電変換部は、電子増倍部１４ａや電子蓄積部１４ｂと同一基板上に形成することができる一方、光（可視光）以外の熱（たとえば赤外線）などを電子に変換する構造は、電子増倍部１４ａや電子蓄積部１４ｂと同一基板上に作ることが困難な場合がある。そこで、電荷供給部４５を、ｎ型シリコン基板１１から離間したｎ型シリコン基板１１の上方に配置することにより、容易に、電荷供給部４５をサーモセンサ１００に配置することができる。また、電荷供給部４５を所望の測定対象を検知するセンサに置き換えることにより、容易に、赤外線以外の紫外線やその他の環境要因の変化を検知することが可能な高感度のセンサを実現することができる。
【００３６】
（３）電荷供給部４５を、ｎ型シリコン基板１１の上方に設けて、電荷供給部４５に蓄積された電子が、ｎ型シリコン基板１１の上面側に設けられる電子増倍部１４ａに転送されるとともに、増加されるように構成した。これにより、電荷供給部４５および電子増倍部１４ａが、ｎ型シリコン基板１１の一方側だけに設けられるので、電荷供給部４５または電子増倍部１４ａが、ｎ型シリコン基板１１の一方側または他方側に別々に設けられる場合と異なり、サーモセンサ１００の構成を簡略化することができる。
【００３７】
（４）電荷供給部４５とｎ型シリコン基板１１とを接続する接続配線２８を備えた。これにより、容易に、電荷供給部４５に蓄積されていた電子を、接続配線２８を介して、ｎ型シリコン基板１１に設けられる転送チャネル１４に供給することができる。
【００３８】
（５）電荷供給部４５と電子増倍部１４ａとを、平面的に見て、オーバーラップするように配置した。これにより、電荷供給部４５と電子増倍部１４ａとがオーバーラップしているので、電子増倍部１４ａにノイズとなる光（特に可視光）が入射するのを電荷供給部４５により抑制することができる。
【００３９】
（６）電荷供給部４５と電子増倍部１４ａとの間に設けられ、電子増倍部１４ａに光が入射するのを抑制するための遮光層３１を備えた。これにより、電子増倍部１４ａにノイズとなる光（特に可視光）が入射するのを遮光層３１により確実に抑制することができる。
【００４０】
（７）電子増倍部１４ａを、増倍ゲート電極２３下の転送チャネル１４に設け、増倍ゲート電極２３に電圧を印加することにより、電荷供給部４５に蓄積された電子を増倍するように構成した。これにより、増倍ゲート電極２３に電圧を印加することにより、容易に、増倍ゲート電極２３下の転送チャネル１４において、衝突電離によって電子を増倍することができる。
【００４１】
（８）電荷供給部４５を、熱膨張率の異なる上部電極４２および絶縁膜４３からなるカンチレバー電極４４と、カンチレバー電極４４に対向するように配置される下部電極４１とから構成し、カンチレバー電極４４が熱（赤外線）によって変形して、上部電極４２と下部電極４１との間の静電容量が変化することに起因する電子が電子増倍部１４ａによって増加されるように構成した。これにより、熱（赤外線）の変化が、上部電極４２と下部電極４１との間の静電容量の変化に反映されるので、容易に、熱（赤外線）の変化を電子として取り出すことができる。
【００４２】
（第２実施形態）
次に、図７および図８を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、上記電荷供給部４５に蓄積された電子が転送チャネル１４に供給される上記第１実施形態と異なり、電荷供給部４５の電極間に生じた電位差に対応した上部電極４２の電位が制御ゲート電極３５に印加される例について説明する。
【００４３】
図７に示すように、本発明の第２実施形態によるサーモセンサ１００ａでは、ｐ型ウェル領域１２の表面には、転送チャネル１４と隣接するように、ｎ＋型不純物領域からなる拡散層１６ａが形成されている。拡散層１６ａには、コンタクト電極３２が設けられている。また、転送ゲート電極２２と拡散層１６ａとの間の絶縁膜２０の表面上には、転送ゲート電極３３と、蓄積ゲート電極３４と、制御ゲート電極３５とが設けられている。また、制御ゲート電極３５には、接続配線２８が接続されている。そして、カンチレバー電極４４が変形することに起因して、上部電極４２と下部電極４１との間の静電容量が変化することにより、上部電極４２に生じた電位が制御ゲート電極３５に印加されるように構成されている。なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００４４】
次に、図８を参照して、サーモセンサ１００ａが熱（赤外線）を検知する動作について説明する。なお、ノード４６およびノード４７は、図示しない印加電圧の制御回路に接続されている。
【００４５】
（期間Ｔ１）
まず、上部電極４２に接続されたノード４６に、約−３Ｖの電圧を印加する。これにより、制御ゲート電極３５下の転送チャネル１４はオフ状態となる。また、下部電極４１に接続されたノード４７は、接地（０Ｖ）されている。
【００４６】
次に、コンタクト電極３２、蓄積ゲート電極３４、転送ゲート電極３３の順に約３Ｖの電圧を印加し、その後、コンタクト電極３２の電位を０Ｖにする。これにより、コンタクト電極３２から拡散層１６ａを通じて転送チャネル１４に導入された電子が蓄積ゲート電極３４下に形成された電子蓄積部３４ｂに蓄積される。その後、転送ゲート電極３３の電位を０Ｖにした後、コンタクト電極３２の電位を再び約３Ｖにする。
【００４７】
（期間Ｔ２）
上部電極４２に接続されたノード４６を開放（ＯＰＥＮ）状態にするとともに、下部電極４１に接続されたノード４７に約３Ｖの電圧を印加する。
【００４８】
そして、カンチレバー電極４４（上部電極４２）が赤外線を受けて熱を帯びてくると、上部電極４２が上側（図７の矢印Ｚ１方向）に向かって徐々に湾曲することにより、上部電極４２の電位が約−３Ｖから上昇する。その結果、制御ゲート電極３５下の転送チャネル１４がオン状態になり、電子蓄積部３４ｂに蓄積されていた電子が電子増倍部１４ａに転送される。なお、電子増倍部１４ａに転送される電子の量は、上部電極４２の電位が約−３Ｖから上昇した電位分に相当する。つまり、上部電極４２が受けた赤外線の分だけ電子蓄積部３４ｂに蓄積されていた電子が電子増倍部１４ａに転送される。これにより、熱（赤外線）の測定が可能となる。
【００４９】
そして、電子増倍部１４ａに転送された電子は、図５および図６に示した動作と同様に、電子増倍部１４ａおよび電子蓄積部１４ｂ間での転送動作が複数回（たとえば、約４００回）行われることにより、約２０００倍に増倍される。その後、増倍された電子は、上述した読出動作により、ＦＤ領域１８を介して、電圧信号として読み出される。
【００５０】
第２実施形態によるサーモセンサ１００ａでは、以下の効果を得ることができる。
【００５１】
（９）熱（赤外線）を測定することによって電荷供給部４５（上部電極４２）の電位が制御ゲート電極３５に印加され、上部電極４２の電位に対応する電子が、拡散層１６ａから転送チャネル１４に供給されるとともに、電子増倍部１４ａにおいて増倍（増加）されるように構成した。これにより、測定対象の温度が低い場合でも、低い温度に対応する拡散層１６ａから供給された電子を電子増倍部１４ａによって増倍することができるので、低い温度を正確に測定することができる。その結果、熱（赤外線）を測定するサーモセンサ１００ａの感度を向上させることができる。
【００５２】
（第３実施形態）
次に、図９を参照して、第３実施形態について説明する。この第３実施形態では、上記電子蓄積部３４ｂに蓄積された電子が電子増倍部１４ａに供給される上記第２実施形態と異なり、拡散層１６ａに蓄積された電子が電子増倍部１４ａに供給される例について説明する。
【００５３】
図９に示すように、本発明の第３実施形態によるサーモセンサ１００ｂでは、転送ゲート電極２２と拡散層１６ａとの間の絶縁膜２０の表面上には、転送ゲート電極３３と、制御ゲート電極３５と、転送ゲート電極３６とがこの順で設けられている。また、制御ゲート電極３５には、接続配線２８が接続されている。そして、カンチレバー電極４４が変形することに起因して、上部電極４２と下部電極４１との間の静電容量が変化することにより、上部電極４２に生じた電位が電圧として、接続配線２８を介して、制御ゲート電極３５に印加されるように構成されている。なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第２実施形態と同様である。
【００５４】
次に、本発明の第３実施形態によるサーモセンサ１００ｂの動作を説明する。カンチレバー電極４４（上部電極４２）が赤外線を受けて熱を帯びることに起因して、上部電極４２が上側（図９の矢印Ｚ１方向）に向かって徐々に湾曲することにより、上部電極４２の電位が約−３Ｖから上昇する。その結果、上部電極４２の電位が約−３Ｖから上昇した電位の分だけ制御ゲート電極３５下の電位障壁が小さくなり、拡散層１６ａに蓄積されていた電子が、転送ゲート電極３３下の転送チャネル１４を介して、電子増倍部１４ａに転送されるとともに増倍される。
【００５５】
なお、第３実施形態の効果は、上記第２実施形態と同様である。
【００５６】
（第４実施形態）
次に、図１０を参照して、第４実施形態について説明する。この第４実施形態では、上部電極４２と下部電極４１との間の静電容量が変化することに起因する電子により熱（赤外線）を検知した上記第１〜３実施形態と異なり、焦電体６１によって熱（赤外線）を検知する例について説明する。
【００５７】
図１０に示すように、本発明の第４実施形態によるサーモセンサ１００ｃでは、転送チャネル１４の表面上には、転送ゲート電極２２に隣接するように、焦電体６１が直接形成されている。焦電体６１は、ヒステリシス特性を有するＳＢＴ膜（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９膜）材料からなる強誘電体膜６１ａと、強誘電体膜６１ａを挟持する第１電極６１ｂと第２電極６１ｃとからなる。また、第１電極６１ｂは、クロム（Ｃｒ）またはニッケルクロム合金（Ｎｉ−Ｃｒ）からなり、第２電極６１ｃは、白金（Ｐｔ）からなる。また、焦電体６１には、接続配線２８が接続されているとともに、接続配線２８には、金属などからなる感熱部６２が設けられている。また、サーモセンサ１００ｃでは、上記第１実施形態と異なり、ｎ型ウェル領域１５（図２参照）、拡散層１６およびｐ＋層１７は、設けられない。なお、焦電体６１は、本発明の「電荷供給部」の一例である。また、第４実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００５８】
次に、本発明の第４実施形態によるサーモセンサ１００ｃの動作を説明する。感熱部６２が赤外線を受けて熱を帯びてくると、この熱が、焦電体６１に伝達される。これにより、強誘電体膜６１ａの自発分極が変化するので、第１電極６１ｂと第２電極６１ｃとの間の分極状態が変化する。その結果、焦電体６１の表面にあらかじめ蓄積されていた電子のうち、強誘電体膜６１ａの分極状態の変化（検知した熱）に相当する分が、電子増倍部１４ａに転送されるとともに増倍される。
【００５９】
第４実施形態によるサーモセンサ１００ｃでは、以下の効果を得ることができる。
【００６０】
（１０）焦電体６１を、転送チャネル１４の表面上に直接設けて、焦電体６１が熱（赤外線）を検知して出力する電子を、焦電体６１から転送チャネル１４に直接供給して、電子増倍部１４ａによって増倍するように構成した。これにより、たとえばｎ型の拡散層を設けて、電荷供給部からｎ型の拡散層を介して供給される電子を増倍する場合と異なり、焦電体６１から電子が転送チャネル１４に直接供給されるので、サーモセンサ１００ｃの構成を簡略化することができる。
【００６１】
（第５実施形態）
次に、図１１を参照して、第５実施形態について説明する。この第５実施形態では、転送チャネル１４上に直接設けられた焦電体６１から電子が供給された上記第４実施形態と異なり、上部電極４２に蓄積された電子がトンネリングにより転送チャネル１４に供給される例について説明する。
【００６２】
図１１に示すように、本発明の第５実施形態によるサーモセンサ１００ｄでは、転送チャネル１４の転送ゲート電極２２に隣接する領域の表面上には、ＦＤ領域１８やＲＤ領域１９の表面上と同様に、厚みｔ２を有する絶縁膜２１が形成されている。そして、絶縁膜２１の表面上には、電極６３が形成されている。なお、電極６３下の絶縁膜２１は、電極６３から転送チャネル１４に向かって電子がトンネリングによって移動できるように、厚みｔ２が調整されている。そして、電極６３から転送チャネル１４に向かう電子のトンネリングは、直接トンネル（ＤＴ）でもよいし、電極６３に電圧を印加することによって、電子のトンネリングを起こさせ易くしたファウラーノードハイム（Ｆｏｗｌｅｒ  Ｎｏｒｄｈｅｉｍ：ＦＮ）トンネルでもよい。そして、上部電極４２に蓄積された電子は、接続配線２８、電極６３を介してトンネリングによって、転送チャネル１４に直接供給されるとともに、電子増倍部１４ａにおいて増倍されるように構成されている。
【００６３】
第５実施形態によるサーモセンサ１００ｄでは、以下の効果を得ることができる。
【００６４】
（１１）上部電極４２に蓄積された電子を、トンネリングによって接続配線２８から転送チャネル１４に直接供給されるとともに、電子増倍部１４ａにおいて増倍されるように構成した。これにより、たとえばｎ型の拡散層を設けて、ｎ型の拡散層を介して供給される電子を増倍する場合と異なり、接続配線２８から電子が直接転送チャネル１４に供給されるので、サーモセンサ１００ｄの構成を簡略化することができる。
【００６５】
（第６実施形態）
次に、図１２を参照して、第６実施形態について説明する。この第６実施形態では、焦電体６１から直接転送チャネル１４に電子が供給された上記第４実施形態と異なり、上部電極４２に蓄積された電子がバリア層６４を介して直接転送チャネル１４に供給される例について説明する。
【００６６】
図１２に示すように、本発明の第６実施形態によるサーモセンサ１００ｅでは、転送チャネル１４の転送ゲート電極２２に隣接する領域の表面上には、バリア層６４が形成されている。バリア層６４の表面上には、接続配線２８が設けられている。バリア層６４は、接続配線２８と転送チャネル１４との間の抵抗を低減する機能を有する。具体的には、バリア層６４は、タングステン（Ｗ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）などからなる。タングステンからなるバリア層６４は、タングステン単層からなる。また、ＴｉＮは、比較的抵抗が高いので、バリア層６４にＴｉＮを用いる場合には、下層としてのチタン（Ｔｉ）の上に上層としてＴｉＮが形成される。そして、上部電極４２に蓄積された電子は、接続配線２８、バリア層６４を介して、電子増倍部１４ａに供給されるとともに、増倍されるように構成されている。
【００６７】
第６実施形態によるサーモセンサ１００ｅでは、以下の効果を得ることができる。
【００６８】
（１２）接続配線２８と転送チャネル１４との間に設けられ、接続配線２８と転送チャネル１４との間の抵抗を低減するためのバリア層６４を設けた。これにより、接続配線２８と転送チャネル１４との間の抵抗が低減される分、上部電極４２から転送チャネル１４に電流を流しやすくすることができるので、サーモセンサ１００ｅの信頼性を向上させることができる。
【００６９】
（第７実施形態）
次に、図１３を参照して、第７実施形態について説明する。この第７実施形態では、ｎ型シリコン基板１１の上方側に離間して電荷供給部が設けられた上記第１〜第６実施形態と異なり、電荷供給部４５がｎ型シリコン基板１１の下方側に離間して設けられる例について説明する。
【００７０】
図１３に示すように、本発明の第７実施形態によるサーモセンサ１００ｆでは、ｎ型シリコン基板１１には、ｎ型ウェル領域６５が形成されている。ｎ型ウェル領域６５の矢印Ｚ１側の表面には、ｐ＋層６６が形成されているとともに、矢印Ｚ２側の表面には、ｎ＋型の不純物領域からなる拡散層６７が形成されている。拡散層６７の矢印Ｚ２側の表面上には、接続配線２８が形成されている。また、ｎ型シリコン基板１１の矢印Ｚ２方向側の表面上には、絶縁膜２９ａが形成されるとともに、絶縁膜２９ａの表面上には、下部電極４１が形成されている。また、接続配線２８に接続されるとともに、下部電極４１と対向するように、上部電極４２および絶縁膜４３からなるカンチレバー電極４４が設けられている。そして、カンチレバー電極４４と下部電極４１とによって、電荷供給部４５が構成されている。そして、上部電極４２に蓄積された電子は、接続配線２８、拡散層６７、ｎ型ウェル領域６５を介して、電子増倍部１４ａに供給されるとともに、増倍されるように構成されている。なお、第７実施形態のその他の構成および動作は、上記第１実施形態と同様である。
【００７１】
第７実施形態によるサーモセンサ１００ｆでは、以下の効果を得ることができる。
【００７２】
（１３）電荷供給部４５を、ｎ型シリコン基板１１の下方側に設けることによって、ｎ型シリコン基板１１の下方側から電子増倍部１４ａにノイズとなる光（特に可視光）が入射するのが抑制される。特に、電荷供給部４５と電子増倍部１４ａとをオーバーラップするように設けているので、こうした抑制効果をより顕著に享受することができる。
【００７３】
（第８実施形態）
次に、図１４を参照して、第８実施形態について説明する。この第８実施形態では、上部電極４２に蓄積された電子による電圧が、制御ゲート電極３５に印加されていた上記第２実施形態と異なり、焦電体６８に蓄積された電子による電圧が、制御ゲート電極３５に印加される例について説明する。
【００７４】
図１４に示すように、本発明の第８実施形態によるサーモセンサ１００ｇでは、制御ゲート電極３５の表面上には、接続配線２８が設けられている。また、接続配線２８には、焦電体６８が設けられている。焦電体６８は、ヒステリシス特性を有するＳＢＴ膜（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９膜）材料からなる強誘電体膜６８ａと、強誘電体膜６８ａを挟持する第１電極６８ｂと、第２電極６８ｃとから構成されている。第１電極６８ｂは、クロム（Ｃｒ）またはニッケルクロム合金（Ｎｉ−Ｃｒ）からなり、第２電極６８ｃは、白金（Ｐｔ）からなる。なお、焦電体６８は、本発明の「電荷供給部」の一例である。
【００７５】
また、第１電極６８ｂは、ノード６９に接続されており、ノード６９は常に接地されるように構成されている。第２電極６８ｃは、制御ゲート電極３５に接続されるとともにノード７０に接続されており、ノード７０は、接地状態または開放状態のいずれかに保持されるように構成されている。なお、第８実施形態のその他の構成は、上記第２実施形態と同様である。
【００７６】
次に、図１５を参照して、サーモセンサ１００ｇが熱（赤外線）を検知する動作について説明する。なお、ノード６９およびノード７０は、図示しない印加電圧の制御回路に接続されている。
【００７７】
（期間Ｔ１）
第１電極６８ｂに接続されたノード６９と、第２電極６８ｃに接続されたノード７０とは、接地（０Ｖ）状態に維持されている。
【００７８】
コンタクト電極３２、蓄積ゲート電極３４、転送ゲート電極３３の順に約３Ｖの電圧を印加し、その後、コンタクト電極３２の電位を０Ｖにする。これにより、コンタクト電極３２から拡散層１６ａを通じて転送チャネル１４に導入された電子が蓄積ゲート電極３４下に形成された電子蓄積部３４ｂに蓄積される。その後、転送ゲート電極３３の電位を０Ｖにした後、コンタクト電極３２の電位を再び約３Ｖにする。
【００７９】
（期間Ｔ２）
第２電極６８ｃに接続されたノード７０を開放（ＯＰＥＮ）状態にすることにより、第２電極６８ｃと制御ゲート電極３５とが同電位になるようにする。
【００８０】
第１電極６８ｂおよび第２電極６８ｃの少なくとも一方が赤外線を受けて、強誘電体膜６８ａが熱を帯びてくることにより、強誘電体膜６８ａの自発分極が減少する。これにより、第１電極６８ｂと第２電極６８ｃとの間に、強誘電体膜６８ａの分極状態に応じた電位差が発生し、制御ゲート電極３５（第２電極６８ｃ）の電位が上昇する。その結果、制御ゲート電極３５下の転送チャネル１４がオン状態になり、電子蓄積部３４ｂに蓄積されていた電子が電子増倍部１４ａに転送される。電子増倍部１４ａに転送された電子は、図５および図６に示した動作と同様に、電子増倍部１４ａおよび電子蓄積部１４ｂ間での転送動作が複数回（たとえば、約４００回）行われることにより、約２０００倍に増倍される。その後、増倍された電子による信号電荷は、上述した読出動作により、ＦＤ領域１８を介して、電圧信号として読み出される。
【００８１】
なお、第８実施形態の効果は、上記第２実施形態と同様である。
【００８２】
（第９実施形態）
次に、図１６を参照して、第９実施形態について説明する。この第９実施形態では、熱（赤外線）を検知するように構成されていた上記第１〜第８実施形態と異なり、グルコースを検知する例について説明する。
【００８３】
図１６に示すように、本発明の第９実施形態によるグルコースセンサ１００ｈの接続配線２８には、白金（Ｐｔ）からなる電極７１が設けられている。なお、電極７１は、本発明の「電荷供給部」の一例である。また、第９実施形態では、上記第１実施形態と異なり、下部電極は設けられない。第９実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
【００８４】
次に、グルコースセンサ１００ｈのグルコースの検知動作について説明する。
【００８５】
グルコースと酸素（Ｏ２）がグルコース酸化酵素により反応することによって、下記式（１）のように、グルコノラクトンと過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が生成される。
【００８６】
グルコース＋Ｏ２→グルコノラクトン＋Ｈ２Ｏ２・・・（１）
そして、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を、白金（Ｐｔ）からなる電極７１に反応させることにより、下記式（２）のように電子が生成される。
【００８７】
Ｈ２Ｏ２→２Ｈ＋＋Ｏ２＋２ｅ−・・・（２）
そして、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を電極７１に反応させることにより生成された電子を、接続配線２８、拡散層１６および転送チャネル１４を介して電子増倍部１４ａに供給するとともに、増倍する。
【００８８】
第９実施形態によるグルコースセンサ１００ｈでは、以下の効果を得ることができる。
【００８９】
（１４）白金（Ｐｔ）を含む電極７１に過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を反応させることにより生成される電子を、電子増倍部１４ａによって増倍するように構成した。これにより、グルコースを検知するグルコースセンサ１００ｈの感度を容易に向上させることができる。
【００９０】
（第１０実施形態）
次に、図１７を参照して、第１０実施形態について説明する。この第１０実施形態では、熱（赤外線）を検知するように構成されていた上記第１〜第８実施形態と異なり、還元性ガスを検知する例について説明する。
【００９１】
図１７に示すように、本発明の第１０実施形態による半導体ガスセンサ１００ｉでは、制御ゲート電極３５に接続配線２８を介して半導体ガスセンサ部７２が接続されている。半導体ガスセンサ部７２は、ヒータ７３と、ヒータ７３の表面上に設けられるアルミナ基板７４と、アルミナ基板７４の表面上に設けられる電極７５および酸化物半導体（金属酸化物）７６とから構成されている。なお、酸化物半導体７６は、ＳｎＯ２、ＷＯ３、Ｉｎ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２などからなる。なお、半導体ガスセンサ部７２は、本発明の「電荷供給部」の一例である。なお、第１０実施形態のその他の構成は、上記第２実施形態と同様である。
【００９２】
次に、半導体ガスセンサ１００ｉの還元性ガスの検知動作について説明する。
【００９３】
まず、ヒータ７３を加熱する。これにより、酸化物半導体７６の表面には、酸素（Ｏ２）が吸着する。これにより、酸化物半導体７６の中の自由電子が、酸素にトラップされてしまうため、酸化物半導体７６の抵抗が大きくなる。
【００９４】
そして、酸化物半導体７６の表面が還元性ガスに接触した場合、酸化物半導体７６の表面に吸着していた酸素が還元性ガスに反応して取り去られる。なお、酸化物半導体７６が、ＳｎＯ２からなる場合には、検知可能な還元性ガスは、Ｈ２、ＣＯ２、ＮＯ２、Ｈ２Ｓ、ＣＨ４などである。また、酸化物半導体７６が、ＷＯ３からなる場合には、還元性ガスは、ＮＯ２、ＮＯｘ、ＮＨ３、ＳＯｘなどである。また、酸化物半導体７６が、Ｉｎ２Ｏ３からなる場合には、還元性ガスは、Ｏ３、ＮＯ２、トリメチルアミンなどである。また、酸化物半導体７６が、Ｆｅ２Ｏ３である場合には、還元性ガスは、ＣＯ、湿度（水蒸気）などである。また、酸化物半導体７６がＴｉＯ２である場合には、還元性ガスは、Ｈ２、Ｃ２Ｈ５ＯＨ、Ｏ２などである。
【００９５】
そして、酸化物半導体７６の表面に吸着していた酸素が還元性ガスに反応して取り去られることにより、酸化物半導体７６の抵抗が小さくなる。その結果、酸化物半導体７６から制御ゲート電極３５に印加されている電圧が上昇する。そして、制御ゲート電極３５に印加されている電圧が上昇した分だけ電子蓄積部３４ｂに蓄積され、電子増倍部１４ａに転送される電子が増加する。この電子を電子増倍部１４ａによって増倍することにより、還元性ガスの検知が行われる。
【００９６】
第１０実施形態による半導体ガスセンサ１００ｉでは、以下の効果を得ることができる。
【００９７】
（１５）酸化物半導体７６の表面に還元性ガスが接触することに起因して変化する酸化物半導体７６を流れる電流に対応する電子を、電子増倍部１４ａによって増倍した。これにより、還元性ガスを検知する半導体ガスセンサ１００ｉの感度を容易に向上させることができる。
【００９８】
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許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。
【００９９】
たとえば、上記実施形態では、光（特に可視光）以外の測定対象として、熱（赤外線）、グルコース、還元性ガスを測定する例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明は、たとえば匂いなどを検出するセンサにも適用可能である。また、本発明は、遠赤外線や紫外線などの可視光以外の光を検出するセンサにも適用可能である。
【０１００】
また、上記実施形態では、電荷供給部の例として、上部電極および下部電極を含む例、焦電体を含む例、白金（Ｐｔ）からなる電極を含む例、および、半導体ガスセンサを含む例について示した。また、上記実施形態では、電子が供給される方法の例として、電荷供給部から電子が拡散層に供給される例、制御ゲート電極に電圧として供給される例、および、転送チャネルに直接供給される例について示した。そして、本発明では、電荷供給部の例と、電子が供給される方法の例とを、上記実施形態の組み合わせに限らず、上記実施形態以外の組み合わせにしてもよい。
【０１０１】
また、上記実施形態では、転送チャネル１４の表面上に、転送ゲート電極２２、増倍ゲート電極２３、転送ゲート電極２４および蓄積ゲート電極２５がこの順で配置される例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、転送チャネル１４の表面上に、転送ゲート電極２２、蓄積ゲート電極２５、転送ゲート電極２４および増倍ゲート電極２３をこの順で配置してもよい。つまり、増倍ゲート電極２３と蓄積ゲート電極２５とを入れ替えて配置してもよい。
【０１０２】
また、上記実施施形態では、信号電荷として電子を用いた例を示したが、本発明はこれに限らず、基板不純物の導電型および印加する電圧の極性を全て反対にすることにより、信号電荷として正孔を用いるようにしてもよい。
【０１０３】
また、上記第３実施形態では、ｎ＋型の拡散層１６ａに隣接するように転送ゲート電極３３と制御ゲート電極３５とをこの順で設ける例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、転送ゲート電極３３を設けずに、ｎ＋型の拡散層１６ａに隣接するように制御ゲート電極３５を設けてもよい。
【符号の説明】
【０１０４】
１１  ｎ型シリコン基板（半導体基板）
１４  転送チャネル
１４ａ  電子増倍部（電荷増加部）
２３  増倍ゲート電極（増加電極）
２８  接続配線
３１  遮光層
４１  下部電極（第２電極）
４４  カンチレバー電極（第１電極）
４５  電荷供給部
６１、６８  焦電体（電荷供給部）
７１  電極（電荷供給部）
７２  半導体ガスセンサ部（電荷供給部）
【図１】
2010204092.tif 000003
【図２】
2010204092.tif 000004
【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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【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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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