(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ赤外線照射によって温度上昇を生じる複数のダイオードと、
各々のダイオードに対応して設けられ、一端が対応するダイオードに接続された複数のスイッチ素子と、
前記スイッチ素子の他端に接続された電荷蓄積手段と、
前記各ダイオードに接続されたスイッチ素子を導通状態にした時に前記各ダイオードが順方向にバイアスされるように前記電荷蓄積手段をプリチャージしておくためのプリチャージ手段と、
を具備し、前記スイッチ素子をオンとして前記電荷蓄積手段の電荷を前記ダイオードを通して所定時間放電した後に、前記電荷蓄積手段の残留電荷に対応する信号を出力することを特徴とする熱型赤外線イメージセンサ。
【請求項２】
行および列方向に沿ってマトリクス状に配置され、各々赤外線照射によって温度上昇を生じる複数のダイオードと、
前記各々のダイオードに対応して設けられ、一端が対応するダイオードに接続された複数のスイッチ素子と、
各列ごとに設けられ、それぞれ各列に配置されたダイオードに対応する前記スイッチ素子の他端が共通に接続された複数の垂直ラインと、
前記各垂直ラインごとに設けられかつ対応する垂直ラインに接続された蓄積コンデンサと、
前記各ダイオードに接続されたスイッチ素子を導通状態にした時に、各ダイオードが順方向にバイアスされるように、前記蓄積コンデンサをプリチャージしておくためのプリチャージ手段と、
を具備し、前記スイッチ素子を導通させて前記蓄積コンデンサの電荷を前記ダイオードを通して所定時間放電した後に前記蓄積コンデンサの残留電荷に対応する信号を順次出力することを特徴とする熱型赤外線イメージセンサ。
【請求項３】
前記蓄積コンデンサは前記垂直ラインの寄生容量で構成されることを特徴とする請求項２に記載の熱型赤外線イメージセンサ。
【請求項４】
行および列方向に沿ってマトリクス状に配置され、各々赤外線照射によって温度上昇を生じる複数のダイオードと、
前記各々のダイオードに対応して設けられ、一端が対応するダイオードの一端に接続された複数のスイッチ素子と、
各列ごとに設けられ、それぞれ各列に配置されたダイオードに対応する前記スイッチ素子の他端が共通に接続された複数の垂直ラインと、
前記各垂直ラインごとに設けられかつ対応する垂直ラインに接続された蓄積コンデンサと、
前記垂直ラインの各々と水平出力ラインとの間に接続された水平スイッチ素子と、
各行に配置されたダイオードに接続されたスイッチ素子を順次行ごとに導通させる垂直走査回路と、
前記水平スイッチ素子を順次駆動する水平走査回路と、
前記ダイオードの他方の端子と前記水平出力ラインとの間に順方向バイアス電圧を供給するためのバイアス電圧供給手段と、
を具備し、前記スイッチ素子を行ごとに順次導通させて前記蓄積コンデンサの電荷を各ダイオードの順方向電流により所定時間放電した後に、前記水平スイッチ素子を順次オンとして各列の蓄積コンデンサに充電電流を供給し、該充電電流の大きさに対応する信号を出力することを特徴とする熱型赤外線イメージセンサ。
【請求項５】
前記各ダイオードの他方の端子に接続された第１の電圧源と、前記水平読出しラインに負荷抵抗を介して接続された第２の電圧源を備え、該第１および第２の電圧源の電圧は前記各ダイオードに接続されたスイッチ素子を導通状態にしたときに各ダイオードが順方向にバイアスされるように前記蓄積コンデンサをプリチャージするよう選択されることを特徴とする請求項４に記載の熱型赤外線イメージセンサ。
【請求項６】
前記ダイオードはショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項１〜５の内のいずれか１項に記載の熱型赤外線イメージセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱型赤外線イメージセンサに関し、特に簡単な装置構成によりかつ特殊な材料を使用することなく高い分解能で赤外線放射を検出可能とする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば温かい人体などから放出される赤外線放射を検出するため種々の形式の赤外線イメージセンサが開発されている。
【０００３】
赤外線イメージセンサの１つの例はボロメータを熱センサとして使用したものであり、例えば特開平２−１９６９２９号公報に開示されたものが知られている。このようなボロメータを使用した赤外線イメージセンサは、シリコンウエハー上にモノリシック構造として形成できるので、装置の歩留まりを向上させることができる。また、最小温度分解能または雑音等価温度差（Ｎｏｉｓｅ  Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ：ＮＥＴＤ）も比較的小さな値とすることができる。
【０００４】
赤外線イメージセンサの他の例として、量子型赤外線イメージセンサがあり、これはＨｇＣｄＴｅのような禁止帯幅の狭い半導体で熱センサを構成し、液体窒素などで例えば７７Ｋ程度まで冷却した状態で動作させ、最小温度分解能（ＮＥＴＤ）も０．１Ｋ程度と良好になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来例の赤外線イメージセンサの内、ボロメータを使用するものにあっては例えば酸化バナジウムのような特殊な材料を使用して装置を構成する必要があるとともに、自己発熱が多いという不都合があった。
【０００６】
また、前記量子型赤外線イメージセンサにあっては、液体窒素などで装置を低温に冷却する必要があり、装置構成が大がかりとなりかつコストも上昇するという不都合があった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、このような従来例の装置における問題点に鑑み、簡単な装置構成でかつ特殊な材料を使用することなく優れた最小温度分解能（ＮＥＴＤ）を得ることができる熱型赤外線イメージセンサを実現することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態樣に係わる熱型赤外線イメージセンサでは、それぞれ赤外線照射によって温度上昇を生じる複数のダイオードと、各々のダイオードに対応して設けられ、一端が対応するダイオードに接続された複数のスイッチ素子と、該スイッチ素子の他端に接続された電荷蓄積手段とを備える。そして、前記スイッチ素子をオンとして前記電荷蓄積手段の電荷を前記ダイオードを通して所定時間放電した後に、前記電荷蓄積手段の残留電荷に対応する信号を出力する。
【０００９】
前記ダイオードは照射された赤外線に応じた温度となっており、その温度に応じた電流が流れ前記電荷蓄積手段の電荷を放電する。従って、所定時間前記電荷蓄積手段の電荷をダイオードを通して放電することにより、放電される電荷量、従って前記電荷蓄積手段の残留電荷量はダイオードの温度に応じて変化する。従って、前記電荷蓄積手段の残留電荷に対応する信号を出力することにより、照射された赤外線に応じた信号を得ることができる。このように、電荷蓄積手段からダイオードを通して電荷を放電する構成とすることにより、放電時に流れる電流を大きくしかつ電荷の最大変化量を増大させることができ、結果として最小温度分解能（ＮＥＴＤ）を小さくすることができる。
【００１０】
また、前記各ダイオードに接続されたスイッチ素子を導通状態にした時に前記各ダイオードが順方向にバイアスされるように前記電荷蓄積手段をプリチャージしておくためのプリチャージ手段を設けると好都合である。このようなプリチャージ手段は、前記各ダイオードを順方向にバイアスするから、前記スイッチ素子をオンとして前記電荷蓄積手段の電荷をダイオードの順方向電流によって放電することができる。従って、ダイオードによって放電される電荷量が増大し最小温度分解能（ＮＥＴＤ）を極めて小さな値とすることが可能になる。
【００１１】
次に、本発明の第２の態樣に係わる熱型赤外線イメージセンサでは、行および列方向に沿ってマトリクス状に配置され、各々赤外線照射によって温度上昇を生じる複数のダイオードと、各々のダイオードに対応して設けられ、一端が対応するダイオードに接続された複数のスイッチ素子と、各列ごとに設けられ、それぞれ各列に配置されたダイオードに対応する前記スイッチ素子の他端が共通に接続された複数の垂直ラインと、各垂直ラインごとに設けられかつ対応する垂直ラインに接続された蓄積コンデンサとを備えている。
【００１２】
このような熱型赤外線イメージセンサでは、各行ごとにダイオードに接続されたスイッチ素子をオンとして各垂直ラインに対応する蓄積コンデンサの電荷をそれぞれの垂直ラインを介しかつダイオードを通して所定時間放電する。そして、その後各列の蓄積コンデンサの残留電荷に対応する信号を順次出力することによって１つの行の読み出しが行われる。同様にして順次各行の読み出しを行うことができる。これによって人体その他の赤外線放射による画像に対応する画像信号を得ることができる。
【００１３】
この場合、前記蓄積コンデンサは垂直ラインごとに別個の容量素子を設けて構成してもよいが、別の方法として垂直ラインの寄生容量で構成することもできる。この場合は装置構成を簡略化することができ、集積回路上に蓄積コンデンサのためのスペースを設ける必要もなくなる。
【００１４】
また、前記ダイオードは通常の半導体ＰＮ接合によるダイオードでもよいが、ショットキバリアダイオードとすることもできる。ショットキバリアダイオードの場合は、ＰＮダイオードよりも拡散の厚さを薄くできるため、各画素の全体の厚さを薄くし、熱容量を減らして感度を上げることができる。
【００１５】
さらに、前記各ダイオードに接続されたスイッチ素子を導通状態にした時に、各ダイオードが順方向にバイアスされるように、前記蓄積コンデンサをプリチャージしておくためのプリチャージ手段を設けると好都合である。この場合は、前記蓄積コンデンサの電荷をダイオードの順方向電流によって放電することができるから、前述のように熱型赤外線イメージセンサの最小温度分解能（ＮＥＴＤ）を容易に向上させることが可能になる。
【００１６】
さらに、前記各々の垂直ラインと水平出力ラインとの間に水平スイッチ素子を接続し、該水平スイッチ素子を導通させた時に前記水平出力ラインから前記蓄積コンデンサに流れる充電電流にもとづき出力信号を得るよう構成することもできる。この場合は、水平スイッチ素子を導通させた時に水平出力ラインから蓄積コンデンサに流れる充電電流は該蓄積コンデンサの残留電荷が少ないほど大きくなる。従って、該蓄積コンデンサに流れる充電電流は該蓄積コンデンサの残留電荷量に応じて変化する信号となり出力信号として利用することができ、簡単な構成で各ダイオードの温度に対応する信号を得ることができる。
【００１７】
さらに、本発明の第３の態様に係わる熱型赤外線イメージセンサでは、行および列方向に沿ってマトリクス状に配置され、各々赤外線照射によって温度上昇を生じる複数のダイオードと、各々のダイオードに対応して設けられ、一端が対応するダイオードの一端に接続された複数のスイッチ素子と、各列ごとに設けられ、それぞれ各列に配置されたダイオードに対応する前記スイッチ素子の他端が共通に接続された複数の垂直ラインと、各垂直ラインごとに設けられかつ対応する垂直ラインに接続された蓄積コンデンサと、前記垂直ラインの各々と水平出力ラインとの間に接続された水平スイッチ素子と、各行に配置されたダイオードに接続されたスイッチ素子を順次行ごとに導通させる垂直走査回路と、前記スイッチ素子を順次駆動する水平走査回路と、前記ダイオードの他端の端子と前記水平出力ラインとの間に順方向バイアス電圧を供給するためのバイアス電圧供給手段とを備えている。
【００１８】
このような熱型赤外線イメージセンサにおいては、各行ごとに前記スイッチ素子を導通させて蓄積コンデンサの電荷を各ダイオードの順方向電流により所定時間放電する。各ダイオードの順方向電流の大きさは各ダイオードの温度に応じて変化するから、蓄積コンデンサの残留電荷は各ダイオードの温度に応じて変化する。従って、この状態で前記水平スイッチ素子を順次オンとして各列の蓄積コンデンサに充電電流を供給し、該充電電流の大きさに対応する信号を出力することにより、出力信号として各ダイオードの温度分布に対応する信号が得られる。このような熱型赤外線イメージセンサにおいては、ダイオードの順方向電流を使用して蓄積コンデンサの電荷を放電するから、すなわち蓄積コンデンサの比較的大きな容量を比較的大きな電流であるダイオードの順方向電流によって放電するから、熱型赤外線イメージセンサの感度を高めかつ最小温度分解能（ＮＥＴＤ）をより小さな値に向上させることが可能になる。
【００１９】
このような実施形態において、前記各ダイオードの他方の端子に接続された第１の電圧源と、前記水平読出しラインに負荷抵抗を介して接続された第２の電圧源を設け、該第１および第２の電圧源の電圧は各ダイオードに接続されたスイッチ素子を導通状態にした時に各ダイオードが順方向にバイアスされるように前記蓄積コンデンサをプリチャージするよう選択すると好都合である。このような構成により、前記蓄積コンデンサはスイッチ素子を導通状態にした時に各ダイオードを順方向にバイアスするようあらかじめ充電することができるから、蓄積コンデンサの電荷を各ダイオードの温度に応じた順方向電流によって放電させることが可能になり、簡単な回路構成で優れた性能の熱型赤外線イメージセンサを実現することが可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係わる熱型赤外線イメージセンサにつき詳細に説明する。
【００２１】
図３は、１つの実施形態に係わる熱型赤外線イメージセンサの概略の構成を示す。同図の装置は、所定のピッチで行方向すなわち水平方向および列方向すなわち垂直方向に沿ってマトリクス状に配置された複数のダイオードを備えている。各ダイオードは図示しない被写体からの赤外線を受光しその熱によって温度が変化する。図３では説明を容易にするために行および列方向とも３画素ずつのダイオードが配置されているが、実際には例えば数百画素ずつのようなさらに多くの画素のダイオードが配置される。
【００２２】
各ダイオードＤ１１，Ｄ１２，…，Ｄ３３はそれぞれ寄生容量を有しており、図３では、これらの寄生容量をそれぞれＣ１１，Ｃ１２，…，Ｃ３３で示している。また、それぞれのダイオードＤ１１，Ｄ１２，…，Ｄ３３のアノードにはそれぞれスイッチ素子としてのＭＯＳトランジスタＳ１１，Ｓ１２，…，Ｓ３３のソース電極が接続されている。また、各列のＭＯＳトランジスタＳ１１，Ｓ２１，Ｓ３１のドレイン電極、ＭＯＳトランジスタＳ１２，Ｓ２２，Ｓ３２のドレイン電極、およびＭＯＳトランジスタＳ１３，Ｓ２３，Ｓ３３のドレイン電極は、それぞれ、各列ごとに設けられた垂直ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３に接続されている。
【００２３】
各行のＭＯＳトランジスタＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３、ＭＯＳトランジスタＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３、ＭＯＳトランジスタＳ３１，Ｓ３２，Ｓ３３のゲート電極はそれぞれの行ごとに共通に接続され、それぞれ水平ラインＮ１，Ｎ２，Ｎ３を介して垂直駆動回路１に接続されている。また、各ダイオードＤ１１，Ｄ１２，…，Ｄ３３のカソードは共通に接続されて例えば正の電圧の電源３に接続されている。
【００２４】
さらに、各垂直ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３はそれぞれ水平スイッチ素子を構成するＭＯＳトランジスタＨＳ１，ＨＳ２，ＨＳ３のソース電極に接続されている。各水平ＭＯＳトランジスタＨＳ１，ＨＳ２，ＨＳ３のゲート電極はそれぞれ水平駆動回路５に接続され後に説明するように水平駆動信号Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を順次受ける。また、各水平ＭＯＳトランジスタＨＳ１，ＨＳ２，ＨＳ３のドレイン電極は共通に水平出力線ＨＯＵＴに接続されている。水平出力線ＨＯＵＴとグランドとの間には出力抵抗７が接続されている。また、水平出力線ＨＯＵＴは水平出力端子９に接続されている。
【００２５】
図４は、図３の熱型赤外線イメージセンサの画素部分の構成例を示す。図４では、ダイオードとしてＰＮ接合によるダイオードすなわちＰＮダイオードを使用している。図４の構造では、例えばＮ−型の半導体基板１１と空間１３で分離されてＰＮダイオードが設けられている。ＰＮダイオードはＮ−型基板１５と該基板１５上に形成されたＰ＋型拡散層１７で構成される。また、ＰＮダイオードと別の半導体基板１１の上にはＭＯＳトランジスタのソース領域を形成するＰ＋型拡散層１９およびドレイン領域を形成するＰ＋型拡散層２１が形成されている。また、Ｐ＋型拡散層１９と２１との間の基板領域の上部には酸化膜を挟んでゲート電極２３が形成されている。
【００２６】
前記ＰＮダイオードのＰ＋型拡散領域１７はＰＮダイオードのＰ端子としてアルミニウムもしくはチタンの配線材２５でＭＯＳトランジスタのソース拡散領域１９に接続されている。また、ＰＮダイオードのＮ−型基板上にはＮ＋型拡散領域２７が形成され、このＮ＋型拡散領域２７はＰＮダイオードのＮ端子としてアルミニウムもしくはチタンの配線材２９で図示しない電源３（図３）に接続されている。
【００２７】
さらに、ＭＯＳトランジスタのドレイン電極を構成するＰ＋型拡散領域２１はやはりアルミニウムもしくはチタンの配線材３１で図示しない垂直ラインに接続されている。
【００２８】
また、前記ＰＮダイオードのＰ＋型拡散領域１７および基板１５の上部全体に保護用の酸化膜３３が形成されている。
図４の構造では、断熱性をよくするために空間１３によって基板１１と分離されたＰＮダイオードに対し矢印３５で示されるように被写体の赤外線が照射される。これによってＰＮダイオードが温度上昇し、該温度上昇に応じてＰＮダイオードの順方向および逆方向電流の大きさが変化する。
【００２９】
図５は、図３の熱型赤外線イメージセンサの画素部の他の構成例を示す。図５の構造では、赤外線を受けるダイオードとしてショットキバリアダイオードを使用している。すなわち、図５のダイオード部分は、Ｎ−型の基板１５の表面にシリサイド層３７を形成し、該シリサイド層３７の周囲にはＰ＋型拡散層３９を形成している。シリサイド層３７とＮ−型基板１５との境界部分でショットキバリアダイオードが形成される。シリサイド層３７につながるＰ＋型拡散層３９はアルミニウムまたはチタンの配線材２５によってＭＯＳトランジスタのソース電極であるＰ＋型拡散層１９に接続されている。その他の部分は図４の構造と同じ構造を有し、同じ構成要素には同じ参照数字が付されている。ショットキバリアダイオードの場合は、ＰＮダイオードの場合よりもシリサイド層３７の厚さを小さくできるため、ダイオード部分全体の厚さをより薄くし、熱容量を減らして感度を高めることができる。
【００３０】
以上のような構成を有する熱型赤外線イメージセンサの動作を図６の信号波形図を参照して説明する。なお、図３の装置において、各画素のスイッチ素子を構成するＭＯＳトランジスタＳ１１，Ｓ１２，…，Ｓ３３、および水平読出しスイッチ素子を構成するＭＯＳトランジスタＨＳ１，ＨＳ２，ＨＳ３はすべてＰＭＯＳであるとする。従って、これらのＭＯＳトランジスタのゲートに加えられる駆動パルスの論理レベルがローである時にこれらのＭＯＳトランジスタはオンとなる。
【００３１】
まず、時刻ｔ２〜ｔ５の間で垂直駆動回路１から出力される行選択信号Ｖ１がローレベルになり、図３の第１行のＭＯＳトランジスタＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３がオンとなる。そして、時刻ｔ２〜ｔ３の間で水平駆動回路５からの列選択信号Ｈ１がローレベルとなり、水平ＭＯＳトランジスタＨＳ１がオンとなる。よって、ダイオードＤ１１がトランジスタＳ１１、トランジスタＨＳ１および水平出力ラインＨＯＵＴを通して抵抗７までつながる。これにより、ダイオードＤ１１の寄生容量Ｃ１１が電源３の電圧に逆バイアスでプリチャージされる。他のダイオードＤ１２およびＤ１３の寄生容量Ｃ１２およびＣ１３も時刻ｔ３〜ｔ４およびｔ５〜ｔ６の間で順次電源３の電圧にプリチャージされる。
【００３２】
次に時刻ｔ６〜ｔ９の間で行選択信号Ｖ２がローレベルとなり、第２行目のトランジスタＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３がオンとなる。そして、時刻ｔ６，ｔ７，ｔ８でそれぞれ水平ＭＯＳトランジスタＨＳ１，ＨＳ２，ＨＳ３が順次オンとなり、各ダイオードＤ２１，Ｄ２２，Ｄ２３の寄生容量Ｃ２１，Ｃ２２，Ｃ２３が電源３の電圧に逆バイアスでプリチャージされる。同様にして第３行目のダイオードＤ３１，Ｄ３２，Ｄ３３の寄生容量Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ３３も順次プリチャージされる。時刻ｔ１２の後には再び時刻ｔ１に戻り、図６の各パルスが周期的に印加され、上述の動作が周期的に繰り返される。
【００３３】
このような動作において、例えばダイオードＤ１１は時刻ｔ３からｔ１２を通りかつ次のサイクルの時刻ｔ２に至るまでフローティング状態となる。このため、該ダイオードＤ１１は該ダイオードの温度に応じた逆方向電流が流れ、寄生容量Ｃ１１に充電された電荷が放電される。そして、時刻ｔ２〜ｔ３で再びトランジスタＳ１１およびＨＳ１の双方が導通する状態となり、該ダイオードＤ１１と抵抗７とが接続される。これによって、ダイオードＤ１１の逆方向電流によってそれまでに放電された寄生容量Ｃ１１の電荷が電源３の電圧に再充電される。この時の再充電電流が抵抗７に流れることによって生じる信号ＯＳが端子９に現れる。
【００３４】
すなわち、ダイオードＤ１１の温度に応じて該ダイオードＤ１１に流れる逆方向電流の大きさが変わり、従って寄生容量Ｃ１１の残留電荷量も変化する。従って、寄生容量Ｃ１１を再び電源３の電圧まで再充電する場合に流れる電流も寄生容量Ｃ１１の残留電荷に応じて変化する。従って、この再充電電流によって抵抗７の両端に生じる電圧ＯＳはダイオードＤ１１の温度に対応した信号となる。
【００３５】
以上のような熱型赤外線イメージセンサは、７７Ｋ程度の低温まで冷却する必要がある量子型赤外線イメージセンサと異なり、冷却の必要がなく、従って装置構成が簡略化されローコストになるという特徴がある。
【００３６】
ところで、図３に示されるような熱型赤外線イメージセンサを用いて、Ｆ１．０の明るさの光学系を使用して室温付近の熱画像を標準的なテレビジョンフォーマットの動画として見たところ、最小温度分解能（ＮＥＴＤ）が１Ｋ程度となった。
【００３７】
通常の量子型赤外線イメージセンサで得られるＮＥＴＤは０．１Ｋ程度であるから、上記図３の構造の熱型赤外線イメージセンサのＮＥＴＤをさらに小さくすることができれば好都合である。
【００３８】
このため、図３の熱型赤外線イメージセンサのＮＥＴＤが１Ｋ程度となる理由を解析した。
【００３９】
ＮＥＴＤは、イメージセンサの出力の内電子の数で表したノイズ成分をＮ（電子）、電子の数で表した感度をＳ／（電子／Ｋ）とすると次式で表される。
【数１】
ＮＥＴＤ＝Ｎ／Ｓ
【００４０】
また、被撮像物体の温度が１Ｋ変化した時の画素の温度変化をＲ（Ｋ）とすると、前記図４または図５の画素の断熱構造を採用し、Ｆ１．０の明るさの光学系を用いると、例えばＲ（Ｋ）は約０．００５（Ｋ）となる。また、ダイオードの逆方向電流の温度変化率αは大きいものでも０．１程度である。
【００４１】
よって、被撮像物体の温度が１Ｋ変化した時の画素のダイオードの逆方向電流の変化はＲ×αであるので０．０００５程度となる。
【００４２】
ところで、図３の熱型赤外線イメージセンサは標準テレビジョン方式の蓄積時間Ｔ＝１／３０（秒）で動作しているものとし、また、逆方向電流をＩＲ（Ａ）、寄生容量の容量値をＣＤ（Ｆ）、電源３の逆バイアス電圧をＶＲ（Ｖ）とすると、プリチャージ時に充電される電荷Ｑ０（Ｃ）は次式で表される。
【数２】
Ｑ０＝ＣＤ×ＶＲ
【００４３】
従って、蓄積時間Ｔの間に放電される電荷Ｑ１（Ｃ）は次式で表される。
【数３】
Ｑ１＝ＩＲ×Ｔ
【００４４】
ここで、放電が充電より大きいと信号がなくなるのでＱ１＜Ｑ０でなければならず通常Ｑ１＝（１／２）Ｑ０程度に設定される。
【００４５】
例えば、ダイオードの大きさが３０μｍ□であれば、ＣＤ＝１×１０−１３（Ｆ）、ＩＲ＝７×１０−１２（Ａ）、ＶＲ＝５（Ｖ）であり、従ってＱ０＝５×１０−１３（Ｃ）、Ｑ１＝２．３×１０−１３（Ｃ）程度となる。
【００４６】
さらに、Ｒ×α＝０．０００５であったので、被撮像物体の温度が１Ｋ変化した時の電荷Ｑ１の変化分△Ｑ１は次式で表される。
【数４】
△Ｑ１＝ＩＲ×Ｔ×Ｒ×α
【００４７】
この式に上述の値を代入すると、△Ｑ１＝１．１７×１０−１６（Ｃ／Ｋ）となる。単位をクーロン（Ｃ）から電子数に変換すると、△Ｑ１が感度Ｓとなり次式で表される。
【数５】
Ｓ＝△Ｑ１／ｑ＝７．３×１０２（電子数／Ｋ）
【００４８】
ただし、ｑ＝１．６×１０−１９（Ｃ／電子数）であり、電子の電荷量を表わす。さらに、電荷Ｑ１の単位もクーロンから電子数に変換すると次のようになる。
【数６】
Ｑ１′＝Ｑ１／ｑ＝１．４４×１０６（電子数）
【００４９】
ところで、上述のような逆方向電流をある一定時間蓄積する場合にはショットノイズが発生することが知られている。ショットノイズＮは蓄積する電子数の平方根となり次式で表される。
【数７】
Ｎ＝（Ｑ１′）１／２＝１．２×１０３（電子数）
【００５０】
数式１、数式５、数式７よりノイズの主成分をショットノイズとするとＮＥＴＤが次式で計算できる。
【数８】
ＮＥＴＤ＝１．６（Ｋ）
【００５１】
従って、以上の計算で示されたショットノイズと信号との比を減少させることでＮＥＴＤの改善を計ることができる。ノイズはショットノイズだけだとすると、数式１、数式３、数式４、数式５、数式６および数式７より次式が得られる。
【数９】
ＮＥＴＤ＝｛１／（Ｒα）｝（ｑ／Ｑ１）１／２
【００５２】
よってＱ１を大きくすればＮＥＴＤが改善できるが、Ｑ１＜Ｑ０であるのでＱ０も大きくしなければならない。ところが、Ｑ０は画素のダイオードの寄生容量に蓄える電子であるから、寄生容量を増加することには限度がありあまり大きくできない。
【００５３】
そこで本発明の別の実施形態では、図１に示すように各垂直ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３の１列ごとに専用の大容量の蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３を設けることとした。さらに、逆方向ではダイオードの電流値が小さいので、ダイオードが順方向にバイアスされるようにし、ダイオードの順方向電流の温度変化を利用して画素の温度を検出し熱画像を得るようにしたものである。
【００５４】
すなわち、図１に示される熱型赤外線イメージセンサでは、画素部の構成は図３のものと同じであり、マトリクス状に配置されたダイオードＤ１１，Ｄ１２，…，Ｄ３３と、各ダイオードのアノードに接続されたスイッチ素子用ＭＯＳトランジスタＳ１１，Ｓ１２，…，Ｓ３３とを備えている。各ダイオードＤ１１，Ｄ１２，…，Ｄ３３は、それぞれ前記図４または図５の構造のものとされる。また、各ダイオードＤ１１，Ｄ１２，…，Ｄ３３の寄生容量はそれぞれＣ１１，Ｃ１２，…，Ｃ３３で示されている。
【００５５】
また、各列ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３は図３と同様に水平読出しスイッチを構成するＭＯＳトランジスタＨＳ１，ＨＳ２，ＨＳ３を介して水平出力ラインＨＯＵＴに接続されている。各水平ＭＯＳトランジスタＨＳ１，ＨＳ２，ＨＳ３のゲートは水平駆動回路４３に接続されている。さらに、各行ごとのスイッチ素子のゲートがそれぞれの行の行選択ラインＮ１，Ｎ２，Ｎ３を介して垂直駆動回路４１に接続されている。
【００５６】
各垂直ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３とグランド間には専用の蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３がそれぞれ接続されている。なお、これら蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３に代えてあるいは加えて各垂直ラインＬ１，Ｌ２，Ｌ３の寄生容量を使用することもできる。
【００５７】
また、各画素のダイオードを順方向にバイアスするため、例えば正の電圧の電源４５を抵抗７とグランド間に接続している。電源４５の電圧は電源３の電圧よりも少なくともダイオードの順方向電圧Ｖｆ（Ｖ）だけ高く設定される。
【００５８】
次に図２を参照して図１の熱型赤外線イメージセンサの動作を説明する。まず始めに、各列の蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３は電源４５の電圧Ｖ４５に充電されているとする。次に、時刻ｔ１〜ｔ２で行選択信号Ｖ１がローレベルになり１行目のＭＯＳトランジスタＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３がオンとなる。これによって、各蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３に充電された電荷がそれぞれトランジスタＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３を通りかつ各ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３を通り電源３に向けて放電されることとなり、各蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３の電圧は電源４５の電圧Ｖ４５から電源３の電圧Ｖ３に変化し始める。
【００５９】
この時、Ｖ４５＝Ｖ３＋Ｖｆとすれば各ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３はＶｆだけ順方向にバイアスされていることになり、各蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３の電荷を各ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３の順方向電流によって放電することとなる。また、各ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３の順方向電流は温度に応じて変化する。
【００６０】
次に、時刻ｔ２〜ｔ５では行選択信号Ｖ１がハイレベルになり第１行目のＭＯＳトランジスタＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１３はオフとなり、時刻ｔ２の時点で残った電荷はそれぞれの蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３に保持される。これらの残留電荷は時刻ｔ２からｔ５の間に順に列選択信号Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３がローレベルとなり、各水平トランジスタＨＳ１，ＨＳ２，ＨＳ３が順に導通して電源４５から各蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３が再充電される。
【００６１】
すなわち、例えば列選択信号Ｈ１がローレベルになり、水平ＭＯＳトランジスタＨＳ１がオンとなると、蓄積コンデンサＣＨ１は電源４５から抵抗７および水平出力ラインＨＯＵＴを通る経路で再充電される。従って、出力端子Ｑには図２の出力信号ＯＳが現れる。出力信号ＯＳは、負の向きに電流の大きさに応じた高さののこぎり型の波形となり、図２で示されるのこぎり波形の高さＯＳ１が最初の画素の出力信号値となる。こののこぎり型波形のピークを図示しないサンプル・ホールド回路でサンプルホールドすることによって所望の画像信号が得られる。
【００６２】
行選択信号Ｖ１に続き、時刻ｔ５および時刻ｔ９において順次行選択信号Ｖ２およびＶ３がローレベルとなり、２行目の画素、３行目の画素と順次出力信号が得られる。時刻ｔ１２で最後の画素の出力が得られた後再び時刻ｔ１に戻り、上述の動作を繰り返す。上述の動作において、例えば時刻ｔ１〜ｔ２の間では、各蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３の電荷が各ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３の順方向電流によって放電され、各蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３の電圧は電圧Ｖ４５からＶ３に向かって変化し始める。この時、前述のようにＶ４５＝Ｖ３＋Ｖｆであるので、各ダイオードＤ１１，Ｄ１２，Ｄ１３はＶｆだけ順方向にバイアスされていることになる。
【００６３】
Ｖｆだけ順方向にバイアスされた時のダイオードの順方向電流をＩｆとし、ｔ１とｔ２の間隔をＴｆとし、説明を簡単にするために時刻ｔ１とｔ２の間でＶｆ，Ｉｆが変化ししないものとすると蓄積コンデンサの放電電荷量Ｑ２は次式で表される。
【数１０】
Ｑ２＝Ｔｆ×Ｉｆ
【００６４】
次に、ｔ２からｔ３で列選択信号Ｈ１がローレベルになり水平ＭＯＳトランジスタＨＳ１がオンとなり、蓄積コンデンサＣＨ１が電源４５から再充電される。この再充電電流が抵抗７を流れ出力端子９に出力となって現れる。
【００６５】
図１の装置が前記図３の装置と異なる点は、放電電流がダイオードの逆方向電流ＩＲから順方向電流Ｉｆになり、前記図３の装置ではダイオードの寄生容量を蓄積時間Ｔにわたりダイオードの逆方向電流ＩＲで放電するのに対し、図１の装置では別に設けた蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３をダイオードの順方向電流Ｉｆで蓄積時間Ｔｆにわたり放電する点が異なる。また、放電電流の変化率がαからαｆになる。従って、図３の場合に行った解析が使用することができ、ＮＥＴＤは次式で与えられる。
【数１１】
ＮＥＴＤ＝（１／Ｒαｆ）（ｑ／Ｑ２）１／２
【００６６】
αｆはαよりやや小さく０．０７程度であるが、Ｑ２を１．３×１０−１０（Ｃ）にすれば、ＮＥＴＤは０．１Ｋとなり良好な値が得られる。
【００６７】
また、図１の装置における蓄積時間すなわち蓄積コンデンサの放電時間Ｔｆはテレビジョンフォーマットの水平帰線期間に相当するので、６μｓｅｃ程度である。よって前記数式１０よりＩｆは２．２μＡとなる。この２．２μＡという電流値は、通常ダイオードの逆方向では大きすぎて流すことが困難であるが、順方向であれば容易に流すことができる。この時のダイオードの順方向バイアス電圧Ｖｆは、ＰＮダイオードであれば０．７Ｖ程度、ショットキバリアダイオードであれば０．３Ｖ程度である。
【００６８】
図３のダイオードの逆方向電流を使用する場合と同様に各蓄積コンデンサＣＨ１，ＣＨ２，ＣＨ３の容量をＣＬ、プリチャージ時の電荷量をＱＬとすると次の関係がある。
【数１２】
ＱＬ＝ＣＬ×Ｖｆ
【００６９】
また、前記Ｑ０とＱ１の関係と同様に、ＱＬはＱ２の２倍程度必要である。よってＱＬを例えば２．６×１０−１０（Ｃ）、Ｖｆを０．７（Ｖ）とすれば、前記数式１２よりＣＬは３．７×１０−１０（Ｆ）となる。ショットキバリアダイオードの場合、Ｖｆが０．３（Ｖ）であれば、ＣＬは８．７×１０−１０（Ｆ）となる。この容量値は半導体プロセスで使われる例えば１００オングストロームの厚さのシリコン酸化膜を絶縁膜とする容量を作れば、２．５×１０５μｍ２の面積に相当し、通常のＩＣチップ上に作ることは容易に可能である。
【００７０】
なお、抵抗７の抵抗値は、蓄積コンデンサの容量ＣＬが８．７×１０−１０（Ｆ）の場合は、５０オーム程度にしておけば、ＣＲ時定数が４．３５×１０−８秒となり、テレビジョンフォーマットの水平走査速度に適合することができる。
【００７１】
以上のように、各列ごとに大容量の専用の蓄積コンデンサを設けることで、前記数式１１に示されるＱ２を増加させ、ＮＥＴＤを改善し、熱型赤外線イメージセンサでも量子型赤外線イメージセンサと同様の性能を得ることができる。
【００７２】
なお、上記各実施形態に係わるイメージセンサにおいて、各半導体素子の導電型のＰ型とＮ型とを逆にした場合でも、同様の効果を得ることができる。
【００７３】
また、図１の実施形態では、電源４５の電圧を電源３の電圧より高くし、ダイオードを順方向にしているが、ダイオードを順方向にするために種々の回路構成を使用することができる。例えば、電源４５は除去し電源３の極性を負極性にしてもよい。あるいは、図１の構成において、ダイオードに大きな逆方向電流の流れるものを採用すれば、各ダイオードを逆方向バイアスで使用することもできる。
【００７４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、簡単な装置構成により、かつ特殊な材料を使用することなく、一般的な集積回路技術および材料を使用して容易に熱型赤外線イメージセンサを実現することができる。また、専用の蓄積コンデンサを設け、あるいは蓄積コンデンサに相当する容量を垂直ラインなどで実現することにより、熱型赤外線イメージセンサであっても従来の量子型イメージセンサと同等のすぐれたＮＥＴＤを得ることができる。また、蓄積コンデンサの容量をさらに大きくすることにより量子型イメージセンサよりさらにＮＥＴＤのすぐれたものを実現することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態に係わる熱型赤外線イメージセンサの概略の構成を示すブロック回路図である。
【図２】図１の熱型赤外線イメージセンサの動作を説明するための信号波形図である。
【図３】本発明の別の実施形態に係わる熱型赤外線イメージセンサの概略の構成を示すブロック回路図である。
【図４】本発明に係わる熱型赤外線イメージセンサに使用できる画素部の構成を示す断面図である。
【図５】本発明に係わる熱型赤外線イメージセンサに使用できる画素部の他の例を示す断面図である。
【図６】図３の熱型赤外線イメージセンサの動作を説明するための信号波形図である。
【符号の説明】
Ｄ１１，Ｄ１２，…，Ｄ３３  ダイオード
Ｃ１１，Ｃ１２，…，Ｃ３３  ダイオードの寄生容量
Ｓ１１，Ｓ１２，…，Ｓ３３  スイッチ素子用ＭＯＳトランジスタ
ＨＳ１，ＨＳ２，ＨＳ３  水平読出しスイッチ用ＭＯＳトランジスタ
１，４１  垂直駆動回路
５，４３  水平駆動回路
３．４５  電源
７  抵抗
９  出力端子
【図１】
0003702518.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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