(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に二次元配列され、入射赤外線光を吸収し熱に変換するための赤外線吸収部とこの吸収部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段とを有する熱電変換画素と、前記熱電変換画素に接続され、この熱電変換画素からの信号を読み出すための、 前記熱電変換画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段により選択された前記熱電変換画素からの信号を読み出す画素信号読み出し手段と、画素信号読み出し手段により読み出された前記信号を出力するための出力手段と、を有する赤外線センサ装置であって、前記画素信号読み出し手段は、前記熱電変換画素からの信号を増幅する増幅回路を含み、この増幅回路はＭＯＳトランジスタを有し、少なくとも前記熱電変換画素からの出力信号が電圧信号として、前記ＭＯＳトランジスタのゲートに入力され、前記ＭＯＳトランジスタのソースに、前記画素選択手段の画素選択タイミングと同期したランプ波形電圧またはステップ波形電圧を前記電圧信号の増加を抑えるように印加する手段とを具備することを特徴とする赤外線センサ装置。
【請求項２】
前記ランプ波形電圧またはステップ波形電圧を印加する手段として、前記画素選択手段からの画素選択パルスと同期してランプ波形電圧またはステップ波形電圧を発生する電圧発生器が、前記半導体基板上に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ装置。
【請求項３】
前記ランプ電圧またはステップ波形電圧を印加する手段として、前記画素選択手段からの画素選択パルスと同期したランプ波形電圧またはステップ波形電圧を発生する電圧発生器を、前記半導体基板外に具備してなることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ装置。
【請求項４】
前記画素選択手段は画素選択パルス出力端子を備え、そのパルス出力に同期して矩形波電圧を発生する電圧発生器を半導体基板外に具備してなり、この電圧発生器から出力される矩形波電圧を前記ソースに入力し、前記電圧発生器の出力端子と前記ソース間の電流経路には、少なくとも一つの電気容量を含む積分回路が付加されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線センサ装置。
【請求項５】
前記電圧発生器を複数個有することを特徴とする請求項４記載の赤外線センサ装置。
【請求項６】
半導体基板上に複数行および複数列の二次元的に配列され、入射赤外線光を吸収し熱に変換するための赤外線吸収部とこの吸収部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段とを有し、前記赤外線吸収部と前記熱電変換部とを前記半導体基板内部に形成される中空構造上に支持するための支持構造を有する熱電変換画素を備え、前記支持構造には、少なくとも前記熱電変換部からの信号を読み出すための配線が含まれており、この配線は行選択線と列信号線に接続され、前記熱電変換画素からの信号を読み出すための画素選択パルスを各前記行選択線に印加して前記熱電変換画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段により選択された前記熱電変換画素からの信号を各前記列信号線から読み出すための画素信号読み出し手段と、この読み出し手段により読み出された前記熱電変換画素からの信号を出力するための出力手段と、を有する赤外線センサ装置であって、前記画素読み出し手段は前記熱電変換画素からの信号を増幅するＭＯＳトランジスタ増幅回路を含み、この増幅回路は少なくとも前記熱電変換画素からの信号を電圧信号として、前記ＭＯＳトランジスタのゲートに与えることで電流変調をおこなう回路を含み、光学的に赤外線感度の無く、かつ前記中空構造上に前記支持脚により支持されている熱分離無感度画素を前記半導体基板上で各行に少なくともひとつ具備してなり、この熱分離無感度画素は無感度画素列として配置され、この無感度画素列の前記列信号線に発生する無感度列信号線電圧を基準とした電圧を、前記ＭＯＳトランジスタのソースに入力する手段を具備してなることを特徴とした赤外線センサ装置。
【請求項７】
前記熱分離無感度画素から発生した基準電圧を入力とする、すくなくとも一段のソースフォロアー回路を具備してなり、このソースフォロア−回路出力を前記ＭＯＳトランジスタのソースに入力することを特徴とする請求項６記載の赤外線センサ装置。
【請求項８】
前記熱分離無感度画素は前記熱電変換画素内部の赤外線吸収部の表面に赤外線反射層を形成してなることを特徴とする請求項６記載の赤外線センサ装置。
【請求項９】
半導体基板上に二次元的に配列され、入射赤外線光を吸収し熱に変換するための赤外線吸収部とこの吸収部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換部とを有し、前記熱電変換部を前記半導体基板内部に形成される中空構造上に支持するための支持構造を有する熱電変換画素を備え、前記支持構造には、少なくとも前記熱電変換部からの信号を読み出すための配線が含まれており、前記熱電変換画素からの信号を読み出すための、前記熱電変換画素を選択する画素選択手段と、この画素選択手段により選択された前記熱電変換画素からの信号を読み出すための画素信号読み出し手段と、この読み出し手段により読み出された前記熱電変換画素からの信号を出力するための出力手段と、を具備してなり、前記画素読み出し手段は、前記熱電変換画素からの信号を増幅するＭＯＳトランジスタ増幅回路を含み、この増幅回路は、少なくとも前記熱電変換画素からの信号を電圧信号として、ＭＯＳトランジスタのゲートに与えることで、電流変調をおこなう回路を含む回路である赤外線センサの駆動方法であって、前記ＭＯＳトランジスタのソースに前記熱電変換画素の選択パルスと同期したランプ波形電圧またはステップ波形電圧を印加することを特徴とする赤外線センサ装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は赤外線センサ装置およびその駆動方法に係わるものであり、特に熱型の赤外線センサの信号読み出し回路およびその駆動方法に係わる。低雑音・高感度・広ダイナミックレンジの熱型赤外線センサおよびその駆動方法を提供するものである。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線撮像は、昼夜にかかわらず撮像可能であるとともに、可視光よりも煙、霧に対して透過性が高いという特長があり、さらに被写体の温度情報をも得ることができることから、防衛分野をはじめ監視カメラや火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。
【０００３】
近年、従来の主流素子である量子型赤外線固体撮像素子の最大の欠点である、低温動作のための冷却機構を必要としない非冷却の熱型赤外線固体撮像素子の開発が盛んになってきている。熱型の赤外線固体撮像素子においては、波長１０μｍ程度の入射赤外線を吸収構造により熱に変換した上で、この微弱な熱により生じる感熱部の温度変化を何らかの熱電変換手段により電気的信号に変換し、この電気的信号を読み出すことで赤外線画像情報を得ている。
【０００４】
熱型の赤外線固体撮像素子としては、一定の順方向電流により温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合をＳＯＩ領域に形成した素子が報告されている（Tomohiro Ishikawa, et al．, Proc. SPIE Vol.3698, p.556,  1999）。
【０００５】
ＳＯＩ基板を用いたシリコンｐｎ接合型の素子は、シリコンＬＳＩ製造工程のみによる製造が可能であるという特長があり、したがって量産性に優れた素子である。
【０００６】
また、シリコンｐｎ接合型素子には、熱電変換手段であるｐｎ接合が、ｐｎ接合の整流特性を利用した画素選択機能を有していることから、画素の内部構造を単純化できるという特長もある。
【０００７】
ところで、熱型の赤外線固体撮像素子における画素部の温度変化は、赤外線吸収層の吸収率や光学系にもよるが、一般的には被写体の温度変化の５×１０−３倍程度であり、被写体温度が１［Ｋ］変化すれば画素温度は５［ｍＫ］変化する。
【０００８】
一つの画素素子にシリコンｐｎ接合を８個直列接続して構成した場合の、熱電変換効率は１０［ｍＶ／Ｋ］程度であるので、被写体温度が１［Ｋ］変化した場合には画素部に５０［μＶ］の信号電圧が発生する。
【０００９】
実際には、被写体の温度変化として０．１［Ｋ］程度を識別することが要求されることが多いので、その場合に発生する５［μＶ］程度の信号電圧を読み出すことが必要となる。
【００１０】
このように、非常に微弱な信号電圧を読み出す方法として、発生した信号電圧をＭＯＳ増幅トランジスタのゲート電圧として電流増幅し、増幅された信号電流を蓄積容量で時間積分するという回路構成が知られている。
【００１１】
この回路構成は、ゲート変調積分回路と呼ばれる回路であり、この回路構成をマトリクスの各列ごとにカラム増幅回路として配置して、１行分の電流増幅を並列処理することで、信号帯域を制限し、ランダム雑音を低減できるという効果がある。
【００１２】
ゲート変調積分回路における電圧ゲイン：Ｇは、増幅トランジスタの相互コンダクタンス：ｇｍ＝δＩｄ／δＶｇ、積分時間：ｔｉ、そして蓄積容量：Ｃｉにより決まり、Ｇ＝（ｔｉ×ｇｍ）／Ｃｉで表現される。
積分時間：ｔｉおよび蓄積容量：Ｃｉが与えられたとき、上記のゲインは増幅トランジスタの相互コンダクタンス：ｇｍにより支配され、ｎ型のＭＯＳトランジスタが飽和領域で動作する場合のｇｍは、（１）式により近似表現される。
ｇｍ＝（Ｗ／Ｌ）・（εｏｘ／Ｔｏｘ）・μｎ・（Ｖｇｓ−Ｖｔｈ）…（１）
ただし、Ｗ：チャネル幅、Ｌ：チャネル長、εｏｘ：ゲート酸化膜の誘電率、Ｔｏｘ：ゲート酸化膜厚、μｎ：電子移動度、Ｖｇｓ：ゲート・ソース間電圧、Ｖｔｈ：トランジスタの閾値電圧。
【００１３】
すでに述べたように、被写体の温度差として０．１［Ｋ］程度を認識することが要求されるので、そのときに画素部に発生する５［μＶ］程度の信号を読み出すことが必要であるが、この信号電圧レベルは、一般の可視光を撮像するセンサであるＣＭＯＳセンサと比較して、非常に低い電圧である。たとえば、中村・松長、「高感度ＣＭＯＳイメージセンサ」、映像情報メディア学会誌Ｖｏｌ．５４、Ｎｏ．２、ｐ．２１６、２０００によれば、雑音電圧は約０．４［ｍＶ］＝４００［μＶ］であり、これと比較すれば、上記の赤外線センサの雑音レベルは、ＣＭＯＳセンサの約１／８０という低電圧であり、取り扱う信号電圧も同じく約１／８０という低電圧になる。
【００１４】
したがって、センサ出力を一般的な撮像素子であるＣＭＯＳセンサと同様の回路によって処理することを考えれば、約８０倍のゲインを有するゲート変調積分回路によるカラム増幅回路が必要となる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、熱型赤外線センサは、熱電変換部の温度情報を電気信号として読み出すために、熱電変換部に電流を流さなければならない場合が多い。この温度情報読み出しのためのバイアス電流あるいはバイアス電圧により、熱電変換部にジュール熱が発生し、このジュール熱による熱電変換部の加熱が発生してしまうという、いわゆる自己加熱問題がある。
【００１６】
たとえば、熱電変換画素を半導体基板に組込んだ場合、半導体基板との間の熱コンダクタンスを、一般的な値である１０−７[Ｗ／Ｋ]としたｐｎ接合型の熱電変換部での自己加熱の影響は、ｐｎ接合数を８個、バイアス電流２００[μＡ]、そして信号読み出しのための画素選択期間を２５[μｓ]、フレームレートを６０［ｆｐｓ］として計算すると、約３０［Ｋ］もの温度上昇になる。この温度上昇を、前述の赤外線入射による温度上昇量である５［ｍＫ］と比較すると非常に大きく、この自己加熱問題の解決が非常に重要であることがわかる。
【００１７】
自己加熱による画素の温度変化（電圧：Ｖｓｉｇ換算）の一例を図１１に示した。図からも明らかなように、行選択期間の画素選択により画素温度は急激に上昇し、画素選択パルスがオフされた以降に、熱電変換部の熱時定数により緩やかに冷却される。
【００１８】
自己加熱による温度変化は上述の計算によれば、３０[Ｋ]であり、わずか５［ｍＫ］程度の赤外線入射による温度信号は、図１１における曲線の太さよりも低いレベルである。その結果、信号線に接続した一般的なカラム増幅回路では、画素選択の初期には微弱な電流が流れ、画素選択中の自己加熱により、時間の経過とともにその信号電流量が増加していくという動作になっており、また、その電流成分のほとんどが自己加熱に起因する温度情報電流、すなわち雑音電流である。
【００１９】
カラム増幅回路の出力側の蓄積容量において積分、蓄積された電荷の概要を、蓄積容量のポテンシャルウェル図として模式的に図１２に示した。図からも明らかなように、蓄積された電荷の大部分は自己加熱による電荷ＱＳＨであり、信号電荷Ｑｓｉｇはわずかである。
【００２０】
図には、自己加熱による温度変化の結果、画素選択期間の後半の電流が大きく、その結果、画素選択期間の後半から終盤の情報が重み付けされてしまっている様子も、示している。この結果、実効的なサンプリング時間の短縮が起きてしまい、信号帯域が拡大することにより、ランダム雑音の増加の原因にもなってしまう。
【００２１】
電気抵抗値の温度変化を動作原理としたボロメータを用いた場合には、ブリッジ回路を構成することで、上記の自己加熱問題を回避する方法をX. Gu, et al. が報告している（X. Gu, et al. , Sensors and Actuators A, Vol.69, p.92, 1998）。
【００２２】
彼らは、熱容量が同一で、熱抵抗が低いリファレンス無感度画素をカラムごとに配置し、ブリッジ回路を構成し、差分増幅している。
【００２３】
これは、熱時定数に対して、非常に短い時間である画素選択期間における自己加熱による温度上昇が、主に熱容量に支配されることを利用した方法である。
【００２４】
しかしながら、この方法では、自己加熱の影響を低減する効果はあっても、自己加熱問題への近似的な解決手段であり、完全に自己加熱問題が解決されたとは言えない。
【００２５】
厳密な自己加熱問題の解決のためには、リファレンス無感度画素を、各有感度画素に対して、一対一に配置することが必要となるので、画素が二次元的にレイアウトされるイメージセンサにおける現実解は、存在していない。
【００２６】
なぜなら、ブリッジ回路を構成するリファレンス無感度画素を各画素に配置することは、画素サイズが同一であれば、感度が１／２以下に低下するというデメリットが発生することを意味しており、自己加熱問題解決による効果との利害得失から、ブリッジ回路による自己加熱キャンセルは、有効とはいえない。
【００２７】
また、本発明の技術分野にかかわるカラム増幅回路を用いた熱電変換画素例えばｐｎ接合型の赤外線センサにおいて、この自己加熱問題は解決していない。本発明はこのような問題点を解決することを目的とする。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1は、複数の行および列のマトリクス状に配列され、入射赤外線光を吸収することで発生した熱を熱電変換し抵抗値の変化として取出す複数個の熱電変換画素と、
前記熱電変換画素の各行または各列のいずれか一方にそれぞれ接続される複数の選択線と、
前記熱電変換画素の各行または各列の他方にそれぞれ接続される複数の信号線と、
前記各選択線に接続され前記熱電変換画素に選択線ごとに選択的に読み出し電圧を付与して前記信号線に電圧出力信号を発生させる画素選択手段と、
第１の入力手段と第２の入力手段を有し、前記各信号線に前記第１の入力手段が接続されて前記熱電変換画素からの電圧出力信号を増幅する出力信号増幅手段と、
前記出力信号増幅手段の第２の入力手段に接続され、前記熱電変換画素に前記読み出し電流によって発生する自己加熱に伴う抵抗変化成分による前記電圧信号に含まれる電圧成分を打消しまたは低減する波形の電圧を、前記読み出し電圧に同期して印加する補償電圧付与手段と
を具備してなる赤外線センサ装置にある。
【００２９】
本発明の第２は、半導体基板上に二次元配列され、入射赤外線光を吸収し熱に変換するための赤外線吸収部とこの吸収部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段とを有する熱電変換画素と、
前記熱電変換画素に接続され、この熱電変換画素からの信号を読み出すための、前記熱電変換画素を選択する画素選択手段と、
この画素選択手段により選択された前記熱電変換画素からの信号を読み出す画素信号読み出し手段と、
画素信号読み出し手段により読み出された前記信号を出力するための出力手段と、
を有する赤外線センサ装置であって、
前記画素読み出し手段は、前記熱電変換画素からの信号を増幅する増幅回路を含み、この増幅回路はＭＯＳトランジスタを有し、少なくとも前記熱電変換画素からの信号が電圧信号として、前記ＭＯＳトランジスタのゲートに入力され、
前記ＭＯＳトランジスタのソースに、前記画素選択手段の画素選択タイミングと同期したランプ波形電圧またはステップ波形電圧を前記電圧信号の増加を抑えるように印加する手段とを具備することを特徴とする赤外線センサ装置にある。
【００３０】
本発明によれば、熱型赤外線センサにおける、画素選択にともない発生するジュール熱による熱電変換部の自己加熱問題を解決するために、熱電変換部からの電圧信号がゲートに入力される増幅回路の増幅用ＭＯＳトランジスタのソースに、画素選択パルスと同期したランプ波形電圧またはステップ波形電圧を印加している。この結果、増幅トランジスタのゲート・ソース電圧：Ｖｇｓから自己加熱成分電圧を除去可能となり、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【００３１】
さらに、本発明によれば、１行または複数行の画素選択ごとに複数個の電圧発生器を交互に動作させて上記ＭＯＳトランジスタのソースに適当に長い時定数をもったパルス波形電圧を印加することで、ランプ波形電圧を印加するのと同様に増幅トランジスタのゲート・ソース電圧：Ｖｇｓから、自己加熱成分電圧を除去可能となり、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサ装置を得ることができる。
【００３２】
また、本発明によれば、熱分離無感度画素を各行に一つ以上配置した無感度画素列を有しており、この無感度画素列からの出力電圧を基準とした電圧を上記の増幅トランジスタのソースに印加することでランプ波形電圧を印加するのと同様に増幅トランジスタのゲート・ソース電圧：Ｖｇｓから、自己加熱成分電圧を除去可能となり、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサ装置を得ることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。図１は本発明の第１実施形態の赤外線センサ装置の全体構成図であり、ｍ行ｎ列のｍ×ｎ画素の２次元マトリクス構成を示している（ｍ、ｎは２以上の自然数）。
【００３４】
入射赤外線光を電気信号に変換する赤外線検出用熱電変換画素１が半導体基板２上に２次元的に配置され撮像領域３を構成している。撮像領域３内部には、行選択線４（４−１，４−２…）と垂直方向の列信号線５（５−１，５−２…）が配されている。画素選択のために、行選択回路４０と列選択回路７０が撮像領域３の行方向と列方向に各々隣接配置され、行選択線４と列選択線７と各々接続されている。
【００３５】
画素出力電圧を得るための定電流源８０として、各列の列信号線５には、負荷ＭＯＳトランジスタ８−１，８−２…が接続されている。
【００３６】
図１では、負荷ＭＯＳトランジスタのソースには基板電圧：Ｖｓが印加されているが、必要に応じて、そのソース電圧を調整することも可能であり、より好ましい。
【００３７】
行選択回路４０により選択された行では行選択線４例えば４−１には電源電圧：Ｖｄが印加され、行選択回路４０により選択されない行選択線にはＶｓが印加される。その結果、選択された行４−１の熱電変換画素１内部のｐｎ接合領域１１５、…が順バイアスとなりバイアス電流が流れ、画素内部のｐｎ接合の温度と順バイアス電流とにより動作点が決まり、各列の列信号線５−１，５−２に画素信号出力電圧が発生する。このとき、選択回路４０によって選択されない画素のｐｎ接合領域１１５ａ、…は逆バイアスとなる。すなわち、画素内部のｐｎ接合は画素選択の機能を持っている。
【００３８】
列信号線５に発生する電圧は、きわめて低電圧であり、被写体の温度変化：ｄＴｓと画素温度変化：ｄＴｄとの比として５×１０−３を仮定し、この値と画素のｐｎ接合が８個のｐｎ接合を直列接続した場合の熱電変換感度：ｄＶ／ｄＴｄ＝１０［ｍＶ／Ｋ］とにより、ｄＴｓ＝０．１［Ｋ］のときには、わずかに５［μＶ］であることがわかる。
【００３９】
したがって、この被写体温度差を認識するためには、列信号線に発生する雑音を５［μＶ］以下にすることが必要になる。この雑音の値は、ＭＯＳ型の可視光イメージセンサであるＣＭＯＳセンサの雑音の約１／８０と非常に低い。
各信号線５−１，５−２と列選択トランジスタ群６０間にはカラム増幅回路９が接続されており、増幅回路の増幅用ＭＯＳトランジスタ１０のゲート１０ｇに各信号線が接続される。このＭＯＳトランジスタ１０のドレイン１０ｄ側には、電流増幅した信号電流を積分し蓄積するための蓄積容量１２が接続されている。信号電流を積分する蓄積時間は、行選択回路４０により行選択線４に印加される行選択パルスにより決定される。
【００４０】
蓄積容量１２には、蓄積容量の電圧をリセットするためのリセットトランジスタ１４が接続され、列選択トランジスタ６による信号電圧の読み出しが完了した後にリセット動作を行う。端子２４は出力端子である。
【００４１】
図２は、本実施形態の赤外線検出用熱電変換画素１の構造を説明するもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。熱電変換のためのｐｎ接合領域１１５を含む熱電変換画素１は単結晶シリコン半導体基板１０６内部に形成された中空構造１０７の上に、赤外線吸収部１１８、１２０と、熱電変換のために形成されたＳＯＩ層１０８内部のｐｎ接合領域１１５、これらを接続する配線１１７、このＳＯＩ層１０８を支持している埋め込みシリコン酸化膜層１１４の熱電変換部１１０とから成る。図では説明上、ｐｎ接合領域を２個配置したダイオード構造を示す。さらに画素１を中空構造である中空底部１０７、中空側部１１９を介して支持するとともに画素１からの電気信号を出力するための支持部１１１と、この画素１と列信号線５および行選択線４とを接続する接続部（図示しない）からなっている。画素１および支持部１１１が中空構造１０７上に設けられることにより、画素の熱放散が緩慢となり入射赤外線による素子１の温度の変調を効率良く行う構造になっている。
【００４２】
このような構造を実現するための製造方法については、本発明者等の発明に係わる先特許出願たとえば、特願２０００−２９８２７７，特願２０００−０９５６７８等に詳細に説明されている。
【００４３】
本発明の第１実施形態は、図１に示すように電圧発生器３００を半導体基板上に搭載したものであり、電圧発生器３００は、行選択回路４０に端子２1で接続され行選択パルスが入力されることにより、行選択パルスと同期した図３に示すようなランプ波形電圧を行選択期間に発生し、カラム増幅回路９内の増幅トランジスタ１０のソース１０ｓのソース電圧を入力として供給するものである。
すでに説明した、画素の自己加熱による温度上昇は図１１に示しているが、この温度上昇の熱時定数は、熱電変換画素１の熱分離により決まり、概ね[ｍｓ]オーダーである。
【００４４】
一方、図１１に示すように行選択期間は［μｓ］オーダーであるので、前記の熱時定数に比して非常に短く、事実上、この行選択期間においては直線近似が十分可能である。したがって、増幅トランジスタ１０のゲート１０ｇに印加される、列信号線５に発生する自己加熱成分の電圧は、上記のランプ波形電圧を増幅トランジスタ１０のソース１０ｓに印加することで打消し相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。
【００４５】
その結果、増幅トランジスタ１０の動作点を最適化し、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能で、また、帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。したがって、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【００４６】
本発明の第２実施形態は、図１において、ステップ波形電圧を発生する電圧発生器３００を半導体基板上に搭載したものであり、電圧発生器３００は、行選択回路４０からの行選択パルスを入力することにより、行選択パルスと同期したステップ波形電圧を図４に示すように発生し、第２の入力としてカラム増幅回路９内の増幅トランジスタ１０のソース電圧として供給するものである。
【００４７】
ステップ波形電圧を発生するためには、たとえばＤ／Ａ変換回路を用いることが可能であり、そのビット数を適当に設定することで、事実上ランプ波形電圧を印加した場合と同等の効果を得ることができる。しかも波形ラインを微細に調整することができる利点がある。
【００４８】
したがって、第１実施形態と同様に、増幅トランジスタ１０のゲートに第1の入力として印加される、列信号線５に発生する自己加熱成分の電圧は、その増加を抑える方向に差動的に上記のステップ波形電圧を増幅トランジスタ１０のソースに印加することで相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。
【００４９】
その結果、増幅トランジスタ１０の動作点を最適化し、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能となり、また、前述の帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。したがって、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【００５０】
さらに、上記第1および第２実施形態の変形例として、電圧発生器３００を半導体基板外部に搭載することができる。電圧発生器３００は、行選択回路４０からの行選択パルスを行選択パルス出力部２１からの入力により、行選択パルスと同期したランプ波形またはステップ波形電圧を図３、図４に示すように発生し、配線２３を介して、半導体基板上の増幅トランジスタソース電圧入力部２２に、カラム増幅回路９内の増幅トランジスタ１０のソース電圧として供給する。
【００５１】
したがって、第１および２実施形態と同様に、増幅トランジスタ１０のゲートに印加される、列信号線５に発生する自己加熱成分の電圧は、上記のステップ波形電圧を増幅トランジスタ１０のソース１０ｓに印加することで相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。
【００５２】
その結果、増幅トランジスタ１０の動作点を最適化し、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能となり、また、前述の帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。
【００５３】
次に本発明の第３実施形態を図５および図６に示す。図１と同符号の部分は同一部分を示す。本実施形態は電圧発生器３０１に矩形波電圧を発生する発生器とし、増幅トランジスタのソース電圧入力端２２間に積分回路３０２を配置した以外は図１に示す構成と同様である。この電圧発生器３０１を半導体基板内部に搭載し行選択回路４０からの行選択パルスを行選択パルス出力部２１からの入力により、行選択パルスと同期した矩形波電圧Ｖ１（図６（ａ））を発生する。
【００５４】
本実施形態においては、電圧発生器３０１と半導体基板上の増幅トランジスタソース電圧入力部２２との間の配線２３に、電気容量３０３を含む積分回路３０２を設ける。図６（ａ）に示すように行選択パルスと同期した矩形波電圧パルスＶ１が積分回路３０２に入力されると、積分回路３０２から図６（ｂ）に示した積分波形電圧Ｖ２となり、センサチップ上の増幅トランジスタソース電圧入力部２２に、カラム増幅回路９内の増幅トランジスタ１０のソース電圧として供給される。この積分ランプ波形は増幅トランジスタの入力信号に含まれる自己加熱成分の電圧に近似させることが可能であり、したがって、第１、２実施形態と同様に、増幅トランジスタ１０のゲート１０ｇに印加される、列信号線５に発生する自己加熱成分の電圧は、上記の積分波形電圧を増幅トランジスタ１０のソースに印加することで相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。
【００５５】
その結果、増幅トランジスタ１０の動作点を最適化し、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能となり、また、前述の帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。
【００５６】
上記第３実施形態の変形例として、電圧発生器３０１および積分回路３０２をセンサチップ外部に搭載することもできる。
【００５７】
図７および図８に第４の実施形態を示す。なお図１と同符号の部分は同一部分を示す。この実施形態は、画素を1行おきにまとめて２群とし、例えば奇数行と偶数行の２群に分け、第１群の電圧発生器３０４と第２群の電圧発生器３０５を交互に作動させるものである。本実施形態はランダム雑音を低減する目的で１Ｈ期間のサンプリングホールド（Ｓ／Ｈ）回路を付加して、図８のように１Ｈ期間中の大部分を行選択期間すなわち画素選択期間として駆動する。
【００５８】
あるいは、カラム増幅動作により蓄積した信号電荷を、付加したサンプルホールド回路に移動し、一行遅れたタイミングで、出力する回路構成、および駆動方法も可能であり、この場合は、すべての行が同一の回路により処理されることで、いわゆる一行おきの横縞のような固定パターン雑音の発生を抑制できるので、より好ましい。
【００５９】
このような駆動の場合、付加容量により設定した時定数によっては、連続した２行の画素選択パルスの非選択期間ｔ１が短いために、図８（ｂ）に示すように、半導体基板上の増幅トランジスタソース電圧入力部の電圧Ｖｓ'がＶｓ"のようには十分に低下せず、正常に動作しなくなってしまう。
【００６０】
そのため、その場合には、２群に対応する複数個の電圧発生器３０４，３０５を設けるととも、複数個の増幅トランジスタソース電圧入力部２２を設け、一行おきにスイッチングする構成を付加する。これにより、２個の電圧発生器３０４，３０５を設けた場合には、一行おきに図８（ｂ）、（ｃ）に示される波形の電圧Ｖｓが交互に出力されるとともに、センサチップ内部でも一行おきに図８（ｂ）、（ｃ）に示した電圧Ｖｓ、Ｖｓがカラム増幅回路９０内の増幅トランジスタのソース電圧として供給されることになる。
【００６１】
したがって、第１乃至３実施形態と同様に、増幅トランジスタ１０のゲート１０ｇに印加される、列信号線５に発生する自己加熱成分の電圧は、上記のステップ波形電圧を増幅トランジスタ１０のソース１０ｓに印加することで相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。
【００６２】
その結果、増幅トランジスタ１０の動作点を最適化し、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能となり、また、前述の帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。したがって、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【００６３】
本発明の第５実施形態を、図９および図１０を用いて説明する。熱電変換画素１は図２で説明したｐｎ接合領域の中空支持構造と同一であり、また、負荷トランジスタを用いた定電流源８０や、行選択回路４０、行選択線４、列選択回路７０、列信号線５、列選択トランジスタ群６０、カラム増幅回路群９０等は、図１と同一であるので、この部分の説明を省略する。
【００６４】
本実施形態においては、図９に示すように画素マトリクスの最終列を熱分離無感度画素列５００として設け、各行にそれぞれ熱分離無感度画素５０１を配分して設けている。熱分離無感度画素５０１の構造は、図１０に示すように図２の画素構造とほとんど同一であるが、唯一、赤外線吸収層部１１８上にアルミニウムなどの金属膜の赤外線反射層１３０が設けられていることが異なっている。
【００６５】
この熱分離無感度画素５０１においては、入射赤外線は赤外線反射層１３０により反射され、赤外線入射による温度変化が発生せず、画素選択による自己加熱信号のみを列信号線５０２に出力することになる。
【００６６】
この熱分離無感度画素列５００からの列信号線出力を、たとえば、図９に示すようにソースフォロア−回路４００を介して、カラム増幅回路９０内の増幅トランジスタ１０（図１参照）のソース電圧として供給することが可能となる。
【００６７】
動作点の調整についても、ソースフォロア回路の端子４０１、４０２の電圧を適当に調整することで、最適化が可能であるのは言うまでもない。したがって、第１乃至第４実施形態と同様に、増幅トランジスタ１０のゲートに印加される、出力信号中の列信号線５に発生する自己加熱成分の電圧は、上記の列信号線の波形電圧を増幅トランジスタ１０のソース入力部２２に印加することで精度よく相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。無感度画素を同一半導体基板に搭載することにより自己加熱成分はほとんど同じ傾向をもつ電圧として出力されるので、得られる波形をそのまま適用することができる。
【００６８】
その結果、増幅トランジスタ１０の動作点を最適化し、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能となり、また、前述の帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。したがって、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【００６９】
なお、図９では、一段のソースフォロア回路４００を設けた場合を説明したが、必要に応じて、複数段のソースフォロア回路に変更することも可能である。
【００７０】
また回路４００はソースフォロア回路に限定するものではなく、熱分離無感度画素列信号線出力電圧に影響を及ぼさない回路であれば、適宜変更することが可能である。
【００７１】
以上本発明を実施形態により出力信号増幅器として、第1入力をゲートとし、第２入力をソースとする単一増幅ＭＯＳトランジスタで構成するカラム増幅回路で説明した。この増幅回路は簡単な構成のため、製造上好ましいものである。しかし、２入力を持つものであれば、他の増幅回路例えば差動増幅器を用いることができる。
【００７２】
また、熱電変換画素についても、本実施形態においてはｐｎ接合を用いて説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、たとえば酸化バナジウム等のボロメータを用いた熱電変換画素からなる赤外線センサ装置にも適用可能である。
【００７３】
その場合には、各画素内に画素選択のための選択トランジスタが必要となることは言うまでも無い。
【００７４】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形実施可能である。
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの熱型赤外線センサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１および第２実施形態の全体構成図。
【図２】第１および第２実施形態の熱電変換画素を説明するもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ-Ａ線にそう断面図。
【図３】（ａ），（ｂ）は第1実施形態を説明する波形図。
【図４】（ａ），（ｂ）は第２実施形態を説明する波形図。
【図５】本発明の第３実施形態の構成図。
【図６】（ａ），（ｂ）は本発明の第３実施形態を説明する波形図。
【図７】本発明の第４実施形態の構成図。
【図８】（ａ），（ｂ），（ｃ）は本発明の第４実施形態を説明する波形図。
【図９】本発明の第５実施形態の概略構成図。
【図１０】第５実施形態の熱電変換画素を説明するもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ-Ａ線にそう断面図。
【図１１】行選択期間における自己加熱により、画素温度Ｔｄおよび出力信号電圧Ｖsigが急激に変化し、画素温度が１フレーム期間をかけて元に戻る様子を説明するための図。
【図１２】カラム増幅回路内部の蓄積容量に、信号電荷Ｑｓｉｇと自己過熱に起因する雑音電荷ＱＳＨとが、画素選択期間中に蓄積される様子を模式的に示したポテンシャルウエル図。
【符号の説明】
１…熱電変換画素
２…半導体基板
３…撮像領域
４…行選択線
５…列信号線
６…列選択トランジスタ
７…列選択線
８…負荷トランジスタ
９…カラム増幅回路
１０…ＭＯＳ増幅トランジスタ
１２…蓄積容量
１４…リセットトランジスタ
２１…画素選択パルス出力部
２２…増幅トランジスタのソース電圧入力部
２３…配線
２４…信号出力部
４０…行選択回路
６０…列選択トランジスタ群
７０…列選択回路
８０…定電流回路
９０…カラムトランジスタ群
１０６…半導体基板
１０７…中空底部
１０８…ＳＯＩ層
１１０…熱電変換部
１１１…支持脚
１１４…埋め込み酸化膜
１１５…ｐｎ接合領域
１１７…配線
１１８…赤外線吸収部
１１９…中空側部
１２０…赤外線吸収部
１３０…赤外線反射層
３００…電圧発生器
４００…ソースフォロア回路
４０１…ソースフォロア回路端子
４０２…ソースフォロア回路端子
５００…熱分離無感度画素列
５０１…熱分離無感度画素
【図１】
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【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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【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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