(57)【要約】【課題】常温の大気中で用いても１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊が得られる赤外線検出装置を提供する。【解決手段】赤外線検出装置２に赤外線が照射されると、白金黒膜２２０が赤外線を吸収して温度が上昇し、その裏面に接している単結晶シリコン層の温度が上昇する。その温度変化によって単結晶シリコン層の抵抗が変化する。この抵抗変化を検出することによって赤外線の強度を検出することができる。単結晶シリコン層の不純物濃度を４×１０１５〜１×１０１7／ｃｍ３の範囲に設定し、単結晶シリコン層１４０の体積を１．２×１０-１４〜８．０×１０-１３ｍ３の範囲に設定すると、高い抵抗温度係数と低い雑音電圧と必要な高速応答性を実現でき、常温大気中での比検出能Ｄ＊を１０８以上にできる。【選択図】図１
2010271220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中における比検出能Ｄ＊が１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上である赤外線検出装置であり、
単結晶シリコン層と、一対の電極と、赤外線吸収層を備えており、
前記単結晶シリコン層には、その単結晶シリコン層を貫通するとともに断続部を残して一巡するトレンチが形成されており、前記トレンチの内側に位置する検出部と外側に位置する支持部が前記断続部によって接続されている構造が形成されており、
前記一対の電極は、前記検出部を構成する前記単結晶シリコン層に接するとともに間隔をおいて配置されており、
前記赤外線吸収層は、前記検出部を構成する前記単結晶シリコン層に接しており、
前記一対の電極間に存在する前記単結晶シリコン層の不純物濃度が４×１０１５〜１×１０１７／ｃｍ３の範囲に設定されており、前記一対の電極間に存在する前記単結晶シリコン層の体積が１．２×１０-１４〜８．０×１０-１３ｍ３の範囲に設定されていることを特徴とする赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶シリコン層の抵抗値が温度によって変化する現象を利用して赤外線の強度を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１に、単結晶シリコン層の抵抗値が温度によって変化する現象を利用して赤外線の強度を検出する装置が開示されている。
非特許文献１の技術では、単結晶シリコン層のボロン濃度によって、単結晶シリコン層の抵抗温度係数が変化し、雑音電圧が変化し、赤外線吸収率が変化する現象を研究し、最高の比検出能Ｄ＊を実現するボロン濃度の適値を研究している。非特許文献１の研究によると、固溶限界に近い高濃度を採用することによって、高い比検出能Ｄ＊を得られることを報告している。非特許文献１は、１．１×１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）の比検出能Ｄ＊を得たことを報告している。
また非特許文献２には、液体ヘリウムを用いて冷却することによって、１０１２（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）の比検出能Ｄ＊が得られることが開示されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】横河技報、Vol.43、No.4、1999年、p.157−160
【非特許文献２】4.2k ボロメーター  米国インフラレッド・ラボラトリーズ社製、（株式会社インフラレッドのカタログ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
赤外線検出装置の代表的な用途の一つが、赤外線分光分析装置の受光装置に用いることである。１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊が得られれば、赤外線分光分析装置によって、分析対象に含まれているガス濃度を１ｐｐｍ以下の分解能で検出することができる。１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊が得られるか否かがクリティカルなポイントとなっている。
非特許文献１の研究では、単結晶シリコン層のボロン濃度を固溶限界に近い高濃度とすることによって、１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊が得ている。しかしながら、非特許文献１の研究に基づいて製造した赤外線検出装置は、ＢａＦ２を窓材とする真空パッケージ内に収容して用いることによって、１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊を得ている。その赤外線検出装置を大気中で用いると、大気への熱放散現象によって、比検出能Ｄ＊が大幅に低下してしまう。非特許文献１の赤外線検出装置は、真空封止しなければ１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊を得られないという課題を残している。
非特許文献２の装置もホワイトポリエチレンを窓材とする真空パッケージ内に収容して用いる。しかも液体ヘリウムで冷却して用いる。大気中かつ常温で用いると、１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊を得られないという課題を残している。
本発明では、大気中かつ常温で用いても１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊が得られる赤外線検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、単結晶シリコン層を利用する赤外線検出装置の比検出能Ｄ＊を低下させる雑音電圧が、単結晶シリコン層の体積によって変化する知見を得たことで実現された。
本発明の赤外線検出装置は、単結晶シリコン層と一対の電極と赤外線吸収層を備えている。
単結晶シリコン層には、単結晶シリコン層を貫通するとともに断続部を残して一巡するトレンチが形成されており、トレンチの内側に位置する検出部と外側に位置する支持部が断続部（トレンチが切れている部分）によって接続されている構造が形成されている。
一対の電極は、検出部を構成する単結晶シリコン層に接するとともに、間隔をおいて配置されている。その電極対によって電極対間に存在している単結晶シリコン層の抵抗値を測定することができる。
赤外線吸収層は、検出部を構成する単結晶シリコン層に接している。赤外線検出装置が赤外線に晒されると、赤外線吸収層が赤外線を吸収して温度上昇し、赤外線吸収層に接している単結晶シリコン層の温度が上昇する。
本発明の赤外線検出装置では、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の不純物濃度が４×１０１５〜１×１０１７／ｃｍ３の範囲に設定されており、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の体積が１．２×１０-１４〜８．０×１０-１３ｍ３の範囲に設定されている。
【０００６】
赤外線吸収層は、単結晶シリコン層の表面を処理して赤外線吸収能を付与した層であってもよいし、単結晶シリコン層の表面に赤外線吸収層を成膜したものであってもよい。後者の場合、単結晶シリコン層の表面に赤外線吸収層が直接的に密着していてもよいし、熱伝導性が高い層を介して単結晶シリコン層の表面に赤外線吸収層が密着していてもよい。
【０００７】
本発明の赤外線検出装置は、検出部を構成する単結晶シリコン層が、トレンチによって支持部を構成する単結晶シリコン層から断熱されている。赤外線が照射されたときに検出部を構成する単結晶シリコン層が急速に温度上昇する。高い比検出能Ｄ＊を実現する要因となっている。また高周波領域でも高い比検出能Ｄ＊を実現する要因となっている。
【０００８】
非特許文献１の研究でも明らかにされているように、単結晶シリコン層の抵抗温度係数は不純物濃度に依存して変化する。不純物濃度が４×１０１５〜１×１０１７／ｃｍ３の範囲にあると抵抗温度係数が０．５（％/Ｋ）程度であり、それから不純物濃度が増大すると抵抗温度係数が減少し、不純物濃度が１０１９／ｃｍ３程度となると抵抗温度係数が０．０（％/Ｋ）に近づく。それを超えて不純物濃度が増大すると抵抗温度係数が再び上昇し、不純物濃度が１０２０／ｃｍ３程度となると抵抗温度係数が０．２（％/Ｋ）にまで上昇する。
抵抗温度係数に関係する限り、非特許文献１で採用する不純物濃度（１０２０／ｃｍ３）よりも薄い４×１０１５〜１×１０１７／ｃｍ３の濃度範囲を用いるのが有利である。
しかしながら非特許文献１の研究では、不純物濃度が薄い場合には雑音電圧が上昇するという認識に基づいて、雑音電圧が低くなる高不純物濃度を採用している。実際に、非特許文献１の図５に示されている雑音電圧と不純物濃度の関係を採用すると、抵抗温度係数が低いにもかかわらず雑音電圧が低く抑えられることから、不純物濃度が１０２０／ｃｍ３程度の高濃度を採用したほうが、高い比検出能Ｄ＊を実現する。
【０００９】
しかしながら本発明者の研究によって、雑音電圧と不純物濃度の関係は、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の体積に依存して変化することがわかってきた。非特許文献１の図５に示されている雑音電圧と不純物濃度の関係は一例に過ぎず、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の体積が変われば、雑音電圧と不純物濃度の関係も変わることを認識した。
【００１０】
その認識に基づいて研究を進めた結果、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の体積を１．２×１０-１４ｍ３以上にすると、不純物濃度を薄くしても雑音電圧を低く抑えることができ、不純物濃度が薄い場合に得られる高い抵抗温度係数を利用することができることを見出した。非特許文献１の研究では、不純物濃度を低く抑えると雑音電圧が上昇することから、抵抗温度係数が低いにもかかわらず雑音電圧が低く抑えられる高濃度を採用したほうが高い比検出能Ｄ＊を実現するのに有利であるとされていた。本発明者らの研究によって、雑音電圧と不純物濃度の関係が単結晶シリコン層の体積に依存して変化することがわかると、体積を大きくして雑音電圧を下げることによって、抵抗温度係数が高い低濃度領域を利用して比検出能Ｄ＊をさらに上昇させられることが判明した。
【００１１】
ただし、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の体積が大きすぎると、単結晶シリコン層を赤外線に晒してから単結晶シリコン層の温度が上昇するまでに時間を費やしてしまう。赤外線検出装置で赤外線強度を検出する場合、赤外線に晒して温度上昇させる期間と、赤外線を照射しないで放熱させる期間を交互に設ける。その周期が短いほど、短い周期で赤外線強度を検出することができる。時間に対して赤外線強度が変化する場合には、短い周期で赤外線強度を検出することが求められ、そのためには単結晶シリコン層を赤外線に晒してから単結晶シリコン層の温度が上昇するまでの時間を短くする必要がある。
実際に、単結晶シリコン層の体積を８．０×１０-１３ｍ３以下にすることが好ましい。一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の体積が８．０×１０-１３ｍ３以下であると、単結晶シリコン層の温度が迅速に変化し、赤外線強度の時間変化に対して高い追従性を発揮する。単結晶シリコン層の体積が８．０×１０-１３ｍ３以下であると、赤外線検出装置を高周波で駆動しても高い比検出能Ｄ＊が得られる。
【００１２】
実際に、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の不純物濃度を４×１０１５〜１×１０１７／ｃｍ３とし、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の体積を１．２×１０-１４〜８．０×１０-１３ｍ３とすると、赤外線検出装置の比検出能Ｄ＊が非特許文献１の技術による場合よりも上昇し、大気中で常温で使用しても、１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊が得られる赤外線検出装置が実現される。
【００１３】
非特許文献２の赤外線検出装置は、超高性能であり、衛星搭載機器などに実用化されている。非特許文献２の赤外線検出装置では、液体ヘリウムを用いて低温条件下（４．２°Ｋ）で赤外線検出装置を作動させている。低温条件下では、検知部の抵抗温度係数が８％／Ｋという高い値にまで上がるために、超高性能（比検出能Ｄ＊＝１０１２ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）の赤外線検出装置を実現できる。しかしながら、低温にすることが前提であるため、冷却コストがかかりすぎるという点で不満を残している。大気中かつ常温で使用すると、１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊は得られない。
【００１４】
本発明の赤外線検出装置によると、大気中かつ常温で、１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊を達成することができる。本発明の赤外線検出装置は、真空中に封止する構造も必要としなければ、冷却装置も必要としない。大気中で低コストに運転することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、大気中かつ常温で用いても、十分な実用性を発揮する比検出能Ｄ＊、すなわち１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊を達成する赤外線検出装置を実現することができる。例えば、赤外線検出装置を大気中で常温で用いても１ｐｐｍの分解能でガス濃度を検出するといったことが可能となる。赤外線分光分析のための受光装置を安価に提供することができる。また、赤外線分光分析のための受光装置を安価に運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】赤外線検出装置の平面図を示す。
【図２】赤外線検出装置の断面図を示す。
【図３】赤外線検出装置の温度と抵抗値の関係を示す。
【図４】赤外線検出装置の温度と抵抗温度係数の関係を示す。
【図５】本発明の赤外線検出装置の雑音電圧と周波数の関係を示す。
【図６】本発明の赤外線検出装置の雑音電圧と周波数の関係を示す。
【図７】本発明の赤外線検出装置の雑音電圧と周波数の関係を示す。
【図８】本発明の赤外線検出装置の雑音電圧と周波数の関係を示す。
【図９】本発明によらない赤外線検出装置の雑音電圧と周波数の関係を示す。
【図１０】本発明によらない赤外線検出装置の雑音電圧と周波数の関係を示す。
【図１１】本発明によらない赤外線検出装置の雑音電圧と周波数の関係を示す。
【図１２】検出部の体積と検出部の不純物濃度と比検出能の関係を示す。
【図１３】検出部に設ける電極形状の一例を示す。
【図１４】検出部に設ける電極形状の他の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に説明する実施例の主要な特徴を整理しておく。
（特徴１）単結晶シリコン層にボロンを注入してｐ型の単結晶シリコン層を作成する。
（特徴２）白金黒膜を赤外線吸収膜とする。
【実施例】
【００１８】
図１に、本実施例の赤外線検出装置２の平面図を示す。図２に、図１のII-II線断面図を示す。
赤外線検出装置２は、複数個を配列することで熱映像撮影装置を構成することもできるが、本実施例の赤外線検出装置２は、１個の赤外線検出素子のみを備えている。
図２に示すように、赤外線検出装置２は、シリコン基板１００とシリコン酸化膜１２０とｐ型単結晶シリコン層１４０が積層されているＳＯＩ基板１１０から形成されている。赤外線検出装置２は、シリコン基板１００とシリコン酸化膜１２０とｐ型単結晶シリコン層１４０とシリコン酸化膜１６０とアルミ配線１８０ａ、１８０ｂとシリコン酸化膜２００と白金黒膜２２０を備えている。
【００１９】
図１に示すように、シリコン酸化膜１２０とｐ型単結晶シリコン層１４０には、両者を貫通するとともに、中央部をほぼ一巡するトレンチ５０が形成されている。トレンチ５０が完全に一巡すると、トレンチ５０の内側と外側の相対的位置関係を拘束しておくことができないので、トレンチ５０には２箇所に断続部が形成されており、その断続部がトレンチ５０の内側と外側を接続しておく梁２０ａ，２０ｂとなっている。図２に示すように、シリコン基板１００はトレンチ５０よりも外側の範囲のみが残存しており、枠を形成している。
後記するように、トレンチ５０の内側のｐ型単結晶シリコン層１４０は、赤外線の強度を検出する検出部３０として機能する。トレンチ５０の外側のｐ型単結晶シリコン層１４０とシリコン酸化膜１２０と枠状のシリコン基板１００は、梁２０ａ，２０ｂを介して、検出部３０を支持する支持部１０となっている。
梁２０ａ，２０ｂは、トレンチ５０の内外を接続しているとともにトレンチ５０の内側をＬ字形状に伸びており、トレンチ５０の内外を接続している部分の長さを稼いでいる。
検出部３０はトレンチ５０と梁２０ａ，２０ｂによって、宙に浮いた状態で支持されており、支持部１０から断熱されている。検出部３０は実質的には宙に浮くことによって、シリコン材料よりも熱伝導率の低い大気によって周囲から断熱されている。
【００２０】
図２に示す領域４２ａ，４２ｂは、図１に示す電極４０ａ、４０ｂの直下に位置しており、ｐ型単結晶シリコン層１４０に高濃度にｐ型イオンを注入することで伝導性が高められたコンタクト領域である。電極４０ａ、４０ｂとコンタクト領域４２ａ，４２ｂは、図１に示すように、検出部３０の辺に沿って長く伸びている。
ｐ型単結晶シリコン層１４０の表面には、シリコン酸化膜１６０が形成されている。シリコン酸化膜１６０のコンタクト領域４２ａ，４２ｂに対応する位置に、開口１６０ａ，１６０ｂが形成されている。開口１６０ａ，１６０ｂも、電極４０ａ、４０ｂとコンタクト領域４２ａ，４２ｂと同様に、検出部３０の辺に沿って長く伸びている。
シリコン酸化膜１６０の表面にアルミ配線１８０ａ，１８０ｂが形成されている。アルミ配線１８０ａは、開口１６０ａを通過してｐ型単結晶シリコン層１４０のコンタクト領域４２ａに接している。開口１６０ａに充填されているアルミが、電極４０ａとなっている。またアルミ配線１８０ａは梁２０ａの上面に沿って支持部１０にまで伸びている。同様に、アルミ配線１８０ｂは、開口１６０ｂを通過してｐ型単結晶シリコン層１４０のコンタクト領域４２ｂに接している。開口１６０ｂに充填されているアルミが、電極４０ｂとなっている。また、アルミ配線１８０ｂは梁２０ｂの上面に沿って支持部１０にまで伸びている。
【００２１】
アルミ配線１８０ａ，１８０ｂと、アルミ配線１８０ａ，１８０ｂが形成されていない範囲のシリコン酸化膜１６０の表面に、シリコン酸化膜２００が形成されている。アルミ配線１８０ａ，１８０ｂの支持部１０側の端部に相当する位置のシリコン酸化膜２００に開口２００ａ，２００ｂが形成されている。開口２００ａを貫通するアルミによって電極４１ａが形成されている。開口２００ｂを貫通するアルミによって電極４１ｂが形成されている。電極４１ａ、電極４１ｂは、支持部１０においてシリコン酸化膜２００の表面に露出している。電極４１ａ，４１ｂは外部回路に接続して用いる。
検出部３０内のシリコン酸化膜２００の表面上に、白金黒膜２２０が成膜されている。白金黒膜２２０は、Ｐｔの微粒子の集合体であり、赤外線を吸収して温度上昇する性質を備えており、赤外線吸収率は０．８〜０．９以上である。白金黒膜２２０が赤外線を吸収して温度上昇すると、検出部３０内のｐ型単結晶シリコン層１４０の温度が上昇する。後記する条件に設定することによって、検出部３０のｐ型単結晶シリコン層１４０の表面に赤外線吸収率が０．８以上の赤外線吸収膜を形成すると、大気中かつ常温で、１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊を得ることができる。
【００２２】
検出部３０とトレンチ５０と支持部１０はそれぞれほぼ正方形の形状を備えている。検出部３０の一辺の幅３０ｄは０．３５ｍｍであり、トレンチ５０の外周の一辺の幅５０ｄは０．５ｍｍである。また、ｐ型単結晶シリコン層１４０の厚さは５μｍである。
【００２３】
赤外線検出装置２に赤外線が照射されると、白金黒膜２２０が赤外線を吸収して温度上昇し、次いで隣接するｐ型単結晶シリコン層１４０が温度上昇する。温度変化によってｐ型単結晶シリコン層１４０の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化を、ｐ型単結晶シリコン層１４０の表面上に設置された電極対４０ａ，４０ｂと、アルミ配線１８０ａ，１８０ｂと、外部回路に接続されている電極４１ａ，４１ｂを介して検出することにより、赤外線の強度を検出することができる。
【００２４】
検出部３０は、トレンチ５０によって、支持部１０から断熱されている。これによって検出部３０から支持部１０への熱伝導を小さく抑え、赤外線が照射されたときに、検出部３０を構成するｐ型単結晶シリコン層１４０の温度を急速に上昇させることができる。
また、Ｌ字型の梁２０ａ，２０ｂは、トレンチ５０を単に横断するのに比して長く形成されている。梁２０ａ，２０ｂの長さが長いほど、梁２０ａ，２０ｂを伝熱して検出部３０から支持部１０に伝導される熱量を小さく抑えることができる。これらが、赤外線検出装置２に高い比検出能Ｄ＊を実現する要因となっている。
【００２５】
ボロン濃度と抵抗温度係数との関係から、ｐ型単結晶シリコン層１４０のボロン濃度を４×１０１５〜１×１０１７／ｃｍ３の範囲に設定すると高い抵抗温度係数が得られることが分かっている。すなわち、ボロン濃度を４×１０１５〜１×１０１７／ｃｍ３の範囲に設定することによってｐ型単結晶シリコン層１４０のシート抵抗値を２．０Ωｃｍ〜０．１Ωｃｍに設定したときに、高い抵抗温度係数が得られることが分かっている。
本実施例では、ｐ型単結晶シリコン層１４０のシート抵抗値を、０．２Ωｃｍに選択している。これにより、０．５０（％／Ｋ）以上という高い抵抗温度係数を得ている。
【００２６】
図３は、ｐ型単結晶シリコン層１４０の温度と抵抗値の関係を示し、図４は、温度と抵抗温度係数の関係を示している。常温を含む種々の温度で、０．５０（％／Ｋ）以上という高い抵抗温度係数が得られることが分る。
非特許文献１では、ボロン濃度を１０２０／ｃｍ３とし、０．２（％／Ｋ）の抵抗温度係数を利用している。本実施例では非特許文献１よりも高い抵抗温度係数を利用する。
【００２７】
非特許文献１に報告されているように、単純にボロン濃度を薄くすると雑音電圧が高くなってしまうと認識されていた。本発明者らの研究によって、検出部３０を構成するｐ型単結晶シリコン層１４０の体積を大きくすることによって、雑音電圧を抑えることができるということが判明した。
本実施例では、検出部３０を構成するｐ型単結晶シリコン層１４０の体積を、６．１×１０−１４ｍ３に選択している。検出部３０を構成するｐ型単結晶シリコン層１４０の体積の中には、電極４０ａ，４０ｂよりも外側に位置する体積も含まれている。しかしながらその体積は相対的に小さく、ほぼ無視することができる。電極４０ａ，４０ｂ間に存在するｐ型単結晶シリコン層１４０の体積が約６．１×１０−１４ｍ３であるということができる。検出部３０を構成するｐ型単結晶シリコン層１４０の体積を６．１×１０−１４ｍ３とすると、雑音電圧を１６ｎＶ／Ｈｚ１／２にまで低く抑えることができる。
【００２８】
図５〜８は、ｐ型単結晶シリコン層１４０の体積を６．１×１０−１４ｍ３とした場合の雑音電圧（Ｖ／Ｈｚ１/２）と、周波数の関係を示している。図５は１ｍＡでの測定結果を示し、図６は１０ｍＡでの測定結果を示し、図７は５０ｍＡでの測定結果を示し、図８は１００ｍＡでの測定結果を示している。いずれの電流値の場合も、周波数に依存して雑音電圧が変化する１／ｆノイズ成分が十分に減少しており、熱雑音のレベルにまで雑音が抑えられていることが確認されている。
ｐ型単結晶シリコン層１４０の体積を６．１×１０−１４ｍ３とした場合の雑音電圧のレベルは、非特許文献１の図５に示されている雑音電圧（ボロン濃度が１０１５〜１０１６／ｃｍ３の雑音電圧）の１／１００以下の大きさである。すなわち、検出部３０を構成するｐ型単結晶シリコン層１４０の体積を大きくすることによって、雑音電圧を顕著に抑えることができる。
【００２９】
本実施例では、ｐ型単結晶シリコン層１４０の厚さの適値も考慮している。ｐ型単結晶シリコン層１４０の厚さが厚くなるほど検出部３０を構成するｐ型単結晶シリコン層１４０の体積を稼ぐことができ、雑音電圧を抑えられることができる。しかし、厚さを厚くすることで体積を稼ぐと、白金黒膜２２０の温度変化に追従する速度が低下してしまう。これらの観点から、ｐ型単結晶シリコン層１４０の厚さは、１μｍから７μｍが適していることが分かっている。本実施例ではこの中から最適な５μｍを採用した。
【００３０】
赤外線検出装置２では、ｐ型単結晶シリコン層１４０のシート抵抗値を０．２Ωｃｍとし、検出部３０を構成するｐ型単結晶シリコン層１４０の体積を６．１×１０−１４ｍ３とし、ｐ型単結晶シリコン層１４０の厚さを５μｍとすることで、大気中で常温で用いても１．０×１０９（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）という高い比検出能Ｄ＊を達成する。
【００３１】
図９と１０は、ボロン濃度が１×１０１５／ｃｍ３である場合（他の条件は前記実施例に同じ）の図５〜図８と同様の図を示す。ボロン濃度が１×１０１５／ｃｍ３である場合、周波数に依存して雑音電圧が変化する傾き（その傾きが１／ｆノイズ成分に対応する）が図５〜８の場合よりも大きく、雑音電圧が抑えきれないことが分る。ボロン濃度を１×１０１５／ｃｍ３とした場合の比検出能Ｄ＊は、０．２１×１０8（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）であった。実験によって、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の体積が１．２×１０-１４以上であれば、ボロン濃度を４×１０１５／ｃｍ３以上とすることによって１／ｆノイズ成分が十分に低減し、１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊が得られることが確認された。
【００３２】
逆にボロン濃度を５×１０１７／ｃｍ３に濃くした場合、１／ｆノイズ成分は低下するものの、抵抗温度係数までもが低下してしまうために、０．１×１０8（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）の比検出能Ｄ＊しか得られなかった。実験によって、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層のボロン濃度を１×１０１７／ｃｍ３以下とすることによって高い抵抗温度係数が得られ、１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊が得られることが確認された。
【００３３】
図１１は、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の体積を１×１０-１５ｍ３に小さくした場合（他の条件は前記実施例に同じ）の図５〜８と同様の図を示す。単結晶シリコン層の体積が１×１０-１５ｍ３である場合、その体積が小さすぎるために周波数に依存して雑音電圧が変化する傾き（１／ｆノイズ成分に対応する）が図５〜８の場合よりも大きく、雑音電圧が抑えきれないことが分る。単結晶シリコン層の体積が１×１０-１５ｍ３である場合の比検出能Ｄ＊は、０．０４×１０8（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）であった。実験によって、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層のボロン濃度が４×１０１５以上であれば、その体積を１．２×１０-１４ｍ３以上とすることによって１／ｆノイズ成分が十分に低減し、１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊が得られることが確認された。
【００３４】
逆に、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の体積を１×１０-１２ｍ３に大きくした場合、赤外線検出装置を照射する赤外線強度の時間変化に対する単結晶シリコン層の温度変化の遅れが大きくなりすぎる。そのために、動作周波数を３０Ｈｚにしたときの比検出能Ｄ＊は０．０４×１０8（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）しか得られなかった。実験によって、一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の体積を８．０×１０-１３ｍ３以下とすることによって、各種の動作周波数において、１０８（ｃｍＨｚ１／２／Ｗ）以上の比検出能Ｄ＊が得られることが確認された。
【００３５】
図１２は以上の知見を整理して図式化したものである。一対の電極間に存在する単結晶シリコン層の不純物濃度が４×１０１５〜１×１０１７／ｃｍ３の範囲に設定されており、その体積が１．２×１０-１４〜８．０×１０-１３ｍ３の範囲に設定されていると、高い抵抗温度係数と、低い雑音電圧と、必要な高速応答性が得られ、常温大気中での比検出能Ｄ＊を１０８以上とできる。
【００３６】
本実施例の赤外線検出装置２を用いることで、赤外線検出装置を常温の大気中で用いたときのガス濃度の検出分解能が１ｐｐｍ以下であるＮＤＩＲ式（非分散赤外分光方式）の検出器を実現できる。ガス種としては一酸化炭素、二酸化炭素、メタノール、エタノール等を検出することができる。
【００３７】
また、本実施例では検出部３０が一辺の幅が０．３５ｍｍの正方形の形状であるが、例えば直径０．３５ｍｍの円形状でもよい。
またｐ型単結晶シリコン層１４０の表面近傍（１００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲）にｐ型不純物を高濃度にドープしてもよい。１００ｎｍ〜３００ｎｍの厚みであれば、その厚み内の不純物濃度が高くても、それ以外に厚み範囲における低い不純物濃度の影響によって高い抵抗温度係数が得られる。表面近傍の不純物濃度を高めると、表面近傍での１／ｆノイズが低減することから高い比検出能Ｄ＊を得るのに有利である。
さらに、ｐ型の単結晶シリコンに代えてｎ型の単結晶シリコンを用いてもよい。
【００３８】
本発明では、不純物濃度が４×１０１５と低く、その体積が８．０×１０-１３ｍ３と大きな単結晶シリコン層の抵抗を測定する。この場合、図１の電極形状によると抵抗が高すぎて測定が困難となることがある。この場合、図1の電極間距離を短くし、電極自体の長さを長くすれば、単結晶シリコンの体積を保ちながら抵抗を下げることができる。
それに代えて、図１３に示すように、単結晶シリコンの表面に形成されている配線１８０ｃ，１８０ｄの形状（これが電極の形状にもなる）を、櫛歯状にしてもよい。櫛歯状電極を用いることによって、電極間抵抗を適値にまで下げることをできる。櫛歯状電極を利用すると、単結晶シリコン層の平面形状を不自然に細長いものとする必要がなくなり、実装するのが容易となる。
あるいは図１４のように、単結晶シリコン膜の表裏に、一対の電極１８０ｅ，１８０ｆを形成してもよい。このようにしても、不純物濃度が４×１０１５程度に低く、その体積が８．０×１０-１３ｍ３程度に大きな単結晶シリコン層の電極間抵抗を適値にまで下げることをできる。なお図１４において、１４０ａは検出部を構成する単結晶シリコン層であり、１４０ｂ、１４０ｃは電極１８０ｅ，１８０ｆとのコンタクト領域である。コンタクト領域１４０ｂ、１４０ｃでは不純物濃度があげられている。
【００３９】
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４０】
２：赤外線検出装置
１０：支持部
２０ａ，２０ｂ：梁
３０：検出部
４０ａ，４０ｂ：電極
４１ａ，４１ｂ：電極
５０：トレンチ
１００：シリコン基板
１４０：ｐ型単結晶シリコン層
１８０ａ、１８０ｂ：アルミ配線
２２０：白金黒膜
【図１】
2010271220.tif 000003
【図２】
2010271220.tif 000004
【図３】
2010271220.tif 000005
【図４】
2010271220.tif 000006
【図５】
2010271220.tif 000007
【図６】
2010271220.tif 000008
【図７】
2010271220.tif 000009
【図８】
2010271220.tif 000010
【図９】
2010271220.tif 000011
【図１０】
2010271220.tif 000012
【図１２】
2010271220.tif 000013
【図１３】
2010271220.tif 000014
【図１４】
2010271220.tif 000015
【図１１】
2010271220.tif 000016