(57)【要約】【課題】入射した赤外線を効率良く吸収し、得た赤外線エネルギーを効果的に利用できる赤外線検出素子及び赤外線検出装置を提供する。【解決手段】温度の上昇により自発分極の値が変化し、表面電荷を生じる焦電体２と、焦電体２の上面に配置された上部電極３と、焦電体２の下面に配置された下部電極４を有する焦電素子１０，１１，１２から成る焦電素子層が上下に配置された、２層以上の焦電素子層を含む赤外線検出素子１００を構成する。また、この赤外線検出素子１００を備えた赤外線検出装置を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度の上昇により自発分極の値が変化し、表面電荷を生じる焦電体と、前記焦電体の上面に配置された上部電極と、前記焦電体の下面に配置された下部電極を有する焦電素子から成る焦電素子層が上下に配置された、２層以上の前記焦電素子層を含む、
赤外線検出素子。
【請求項２】
各層の前記焦電素子層が、それぞれ、水平方向に配置された複数個の焦電素子から成り、
上下に隣接する２層の焦電素子層において、上層の前記焦電素子層の隣接する焦電素子同士の隙間の下方に、下層の前記焦電素子層の各前記焦電素子が配置されている請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
各前記焦電素子の側面及び各前記焦電素子同士の隙間に埋められた熱絶縁材料をさらに含む請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
上下方向の各前記焦電素子の隙間に埋められた前記熱絶縁材料は、ＳｉまたはＧｅである請求項３に記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
最下層に配置された前記焦電素子層の前記焦電素子の前記下部電極は、赤外線を反射する導電性材料によって形成されている請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
前記最下層に配置された前記焦電素子層の焦電素子の下部電極は、Ａｌによって形成されている請求項５に記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
各前記焦電素子層の前記焦電素子が上下方向に整列して配置されている請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項８】
撮像対象からの赤外線を集光する集光部と、
温度の上昇により自発分極の値が変化し、表面電荷を生じる焦電体と、前記焦電体の上面に配置された上部電極と、前記焦電体の下面に配置された下部電極を有する焦電素子から成る焦電素子層が上下に配置された、２層以上の前記焦電素子層を含み、前記集光部によって集光された赤外線を受光する赤外線検出素子と、
前記赤外線検出素子より出力された電荷を制御する制御回路と、
前記赤外線検出素子からの出力信号を処理する信号処理回路と、
を備えた
赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を受光して検出する赤外線検出素子及び赤外線検出装置に関する。特に、自発分極の変化により表面電荷を発生させる焦電型の赤外線検出素子及び赤外線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
受光した赤外線を検出するセンサ、検出素子は、動作原理により量子型と熱型と呼ばれる２種類に大別される。特に、入射した赤外線を吸収し、受光素子の温度が変化することで赤外線を検出する熱型の赤外線検出素子は、冷却が不要であるという利点がある。
このため、近年では、赤外線撮像装置（サーモグラフィ）のイメージャや、エコ製品等に搭載される人感センサとして利用されるようになってきている。
【０００３】
この熱型の赤外線検出素子にも、例えば以下のような３種類があることが知られている。一つは、ゼーベック効果を生じさせる熱電対を接続したサーモパイル型である。また、もう一つは、温度上昇による抵抗値の変化を利用したボロメータ型である。そして、焦電素子の自発分極の変化により、表面電荷を発生させる焦電型が知られている。
【０００４】
中でも焦電型の赤外線検出素子では、赤外線に対する感度を高めるために、焦電材料の種類や配合を工夫し、温度変化による表面電荷の発生効率である焦電係数を大きくする研究や、入射した赤外線を効率よく吸収する研究が盛んに行われている。
【０００５】
例えば下記特許文献１では、支持柱によって赤外線吸収部を温度センサ上に浮かせた中空構造としている。
これは、赤外線吸収部を支持柱によって独立して配置することで、赤外線吸収部の面積をできるだけ大きくしようとするものである。すなわち、画素領域の面積に対する検出可能なセンサ面積の割合である開口率を大きくするものである。
【０００６】
また、下記特許文献２では、焦電素子上に、ＳｉＯ２層を介して感光性ポリイミドからなる有機物薄膜を形成することが開示されている。これは、焦電素子だけでなく、有機物薄膜にも赤外線を吸収させることで、赤外線の吸収効率を高めようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許３９４４４６５号公報
【特許文献２】特許２５２３８９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上記特許文献１の場合、結局はアレイ状に並べられる画素毎に赤外線を検出するので、赤外線吸収部も画素毎に分割して配置しなければならない。したがって、隣り合う赤外線吸収部間には必ず隙間が生じるため、開口率を１とすることはできない。
さらには、画素のサイズを小さくすればするほど、赤外線吸収部の面積に対する隙間の割合が大きくなるので、赤外線吸収の効率は低下してしまう。
【０００９】
また、実際に赤外線を検出するのは、赤外線吸収部に対して支持柱により接続された温度センサである。上記特許文献１では、この温度センサにダイオードやトランジスタを用いており、温度変化によりダイオードやトランジスタの電気特性が変化することで赤外線を検出している。
【００１０】
したがって、赤外線吸収部が赤外線を吸収することで得た熱を、支持柱を通じて温度センサに伝えなければならない。
すなわち、赤外線吸収によって得た熱が全て温度センサの温度上昇のために用いられる訳ではなく、赤外線吸収部と支持柱も同様に温度上昇する。
このため、赤外線吸収部と支持柱の熱容量分だけは必ず損失になり、入射した赤外線エネルギーの全てを利用することはできない。
【００１１】
また、上記特許文献２においても、赤外線を検出するのは焦電薄膜である。したがって同様に、有機物薄膜が得た熱エネルギーを焦電薄膜に伝えるためには、有機物薄膜とＳｉＯ２層の熱容量分だけ損失が生じる。
【００１２】
本発明は、上記課題を鑑みて行われたものである。すなわち、入射した赤外線を効率良く吸収し、得た赤外線エネルギーを効果的に利用できる赤外線検出素子及び赤外線検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の赤外線検出素子は、温度の上昇により自発分極の値が変化し、表面電荷を生じる焦電体と、前記焦電体の上面に配置された上部電極と、前記焦電体の下面に配置された下部電極を有する焦電素子から成る焦電素子層を含む。そして、上下に配置された、２層以上の前記焦電素子層を含む。
【００１４】
本発明による赤外線検出装置は、撮像対象からの赤外線を集光する集光部を備える。
また、温度の上昇により自発分極の値が変化し、表面電荷を生じる焦電体と、前記焦電体の上面に配置された上部電極と、前記焦電体の下面に配置された下部電極を有する焦電素子から成る焦電素子層を含む。そして、上下に配置された、２層以上の前記焦電素子層を含み、前記集光部によって集光された赤外線を受光する赤外線検出素子を備える。
そして、この赤外線検出素子を駆動する駆動回路と、赤外線検出素子からの出力信号を処理する信号処理回路を備える。
【００１５】
本発明の赤外線検出素子によれば、上下に配置された２層以上の焦電素子層を含む。このため、１層の焦電素子層では吸収しきれなかった赤外線を、その下層に配置された焦電素子層によって吸収することができる。
【００１６】
また本発明の赤外線検出装置によれば、上下に配置された２層以上の焦電素子層を含む赤外線検出素子を備える。このため、上層の焦電素子層を透過した赤外線を、その下層に配置された焦電素子層によって吸収することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、１層の焦電素子層では吸収しきれなかった赤外線を、その下層に配置された焦電素子層によって吸収することができる。このため、赤外線の吸収率を向上させることが可能であり、高感度な赤外線検出素子及び赤外線検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施の形態に係る赤外線検出素子を示す概略断面図である。
【図２】Ａは、初期状態における焦電素子の分極の様子を示す断面図である。Ｂは、赤外線を照射した時における焦電素子の分極の様子を示す断面図である。
【図３】Ｂは、焦電素子の分極の様子を示す断面図である。Ａは、Ｂの焦電素子の各部位において、赤外線照射によって生じる温度上昇と時間の関係を示す説明図である。
【図４】焦電体の膜厚と赤外線照射時の発生電荷量の関係を示す説明図である。
【図５】第１の変形例に係る赤外線検出素子を示す概略断面図である。
【図６】第２の実施の形態に係る赤外線検出素子を示す概略断面図である。
【図７】第２の変形例に係る赤外線検出素子を示す概略断面図である。
【図８】第３の実施の形態に係る赤外線検出装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。説明は以下の順序で行う。
１．第１の実施の形態（赤外線検出素子の例）
２．第１の変形例（焦電素子間を絶縁体によって埋める例）
３．第２の実施の形態（画素同士の隙間に入射した赤外線も吸収させる例）
４．第２の変形例（第２の実施の形態において、各焦電素子間を絶縁体によって埋める例）
５．第３の実施の形態（赤外線検出装置の例）
【００２０】
１．第１の実施の形態
図１は、第１の実施の形態に係る赤外線検出素子１００の構成を示す概略断面図である。ここでは、図の簡略のため１画素分の構造について図示している。
本実施の形態による赤外線検出素子１００は、基板１と、基板１上に形成され、温度の上昇に応じて電気信号を生じる焦電素子１０，１１，１２を備える。
【００２１】
焦電素子１０は、温度の上昇により自発分極の値が変化し、表面電荷を生じる焦電体２と、焦電体２の上面に配置された上部電極３と、焦電体２の下面に配置された下部電極４とを備える。
焦電体２は、赤外線を吸収して温度が上昇することにより自発分極の値が変化するものであればよく、ここでは特に限定しない。例えば、無機材料としてはチタン酸鉛や、タンタル酸リチウム、有機材料としては、例えば三硫化グリシン（ＴＧＳ）、ポリビニリデンジフロライド等がよく知られている。
【００２２】
また、上部電極３や下部電極４には、赤外線を吸収しやすい導電性材料を用い、焦電体２の温度上昇を補助するのが好ましい。この赤外線を吸収しやすい導電性材料としては、例えばクロム等を用いることができる。
焦電素子１０，１１，１２では、焦電体２の温度上昇によって生じた表面電荷の変化を、電圧信号または電流信号として取り出すことで、赤外線を検出することができる。
【００２３】
本実施の形態においては、こうした焦電素子が上下方向に重ねて配置され、少なくとも２層以上の複数の焦電素子層を形成する。図１は、焦電素子１０，１１，１２を上下に重ねて３層の焦電素子層を有する構造（３層構造）とした例である。
なお、各焦電素子間や焦電素子１０，１１，１２と配線６，７との間は、例えば犠牲層エッチング等によって空間となっており、互いに絶縁した状態が形成される。
【００２４】
図１の場合、例えば最上層に配置された焦電素子１０に赤外線Ａ１が入射すると、この赤外線Ａ１のうち焦電素子１０では吸収しきれなかった赤外線Ａ２は、焦電素子１０の下層に配置された焦電素子１１に入射する。そして、この焦電素子１１で吸収しきれなかった赤外線Ａ３は、さらに焦電素子１１の下層に配置された焦電素子１２に入射し、焦電素子１２で吸収される。
【００２５】
例えば、それぞれの焦電素子の赤外線吸収率を５０％とした場合、焦電素子１０を透過した赤外線Ａ２は、赤外線Ａ１の５０％のエネルギー量となる。また焦電素子１１では、入射した赤外線Ａ２の半分の量、すなわち赤外線Ａ１の２５％分を吸収する。
そして焦電素子１２には、赤外線Ａ１の２５％の量の赤外線Ａ３が入射し、ここで１２．５％分が吸収される。
【００２６】
このように、３層構造とした場合には、合計で８７．５％の赤外線を吸収することが可能となり、吸収効率を大きく高めることが可能となる。また、重ねる層の数をさらに増やせば、より吸収効率を高めることができる。
上下方向に重ねるこれら焦電素子は、同じ構造、構成のものを用いてもよいし、異なった構造、構成のものを用いてもよい。
【００２７】
また、好ましくは、最下層に配置された焦電素子の下部電極、例えば図１における焦電素子１２の下部電極５を、赤外線を反射する材料によって構成する。最下層の焦電素子の下部電極を、赤外線を反射する材料によって構成すると、焦電素子１０，１１，１２では吸収しきれずに最後まで残った赤外線が反射される。これにより、反射された赤外線が再び焦電素子１０，１１，１２によって吸収されるため、さらに吸収効率を高めることが可能となる。
こうした赤外線を反射する材料としては、例えばＡｌ等を用いることができる。
【００２８】
また配線６，７は、これら上下に重なった各層の焦電素子を直列に繋ぐ。そして、基板１に形成されたビア等によって、例えば基板１の下層に設けられる図示しない電圧変換器やスイッチング回路等に接続される。
本実施の形態においては、上下方向に各層の焦電素子が整列して並んで重なっている。したがって例えば図１に示すように、上下の焦電素子１０，１１，１２を配線６，７によって容易に繋ぐことができる。このため、焦電素子を上下に重ねた多層構造とすることで焦電素子の数を増やしても、個々の焦電素子毎に電圧変換器やスイッチング回路を配置する必要がなく、部品点数の増加を抑制することができる。
【００２９】
なお、図示しない他の画素についても、同様に、上下方向に各焦電素子層の焦電素子が整列して並んで重なっている。互いに隣接する画素においては、空間を隔てて水平方向に各層の焦電素子が並んでいる。
【００３０】
このように、本実施の形態の赤外線検出素子では、焦電素子を上下に重ねた多層構造としている。このため、１層の焦電素子では吸収しきれなかった赤外線を、より下層に配置された焦電素子によって吸収することができるので、吸収効率を高めることができる。
【００３１】
また、上述の特許文献２に記載された構成においては、焦電素子とは別個に独立して設けられた赤外線吸収層において吸収した熱エネルギーを焦電素子に伝えるため、赤外線吸収層の熱容量分だけ損失があった。
しかし、本実施の形態における赤外線吸収層は、ほぼ焦電素子の焦電体のみによって構成されている。このため、吸収した赤外線による熱エネルギーは、そのまま直接焦電体の分極反転に用いることができ、エネルギーの利用効率もさらに高めることが可能である。
したがって、本実施の形態によれば、より高感度な赤外線検出素子を実現することができる。
【００３２】
一方、赤外線の吸収効率を高めるには、単に焦電体の膜厚を厚くすることによっても可能である。しかし、単に焦電体の膜厚を厚くすると、以下に説明する不具合が生じる。
図２は、焦電素子の焦電体の分極の様子を示す断面図である。ここでの焦電素子１１０は、基板１３上に形成され、焦電体１４の上面に上部電極１５が、下面には下部電極１６が形成されている。
【００３３】
初期状態においては、焦電体１４は図２Ａに示すように分極の方向が揃っている。しかし、図２Ｂに示すように、赤外線Ａ４の入射によって焦電体１４の温度が上昇すると、分極の方向が反転する電気双極子が現れ、バランスが崩れる。これにより、焦電体１４の表面に電荷が生じた状態となり、これを検出することで赤外線を測定することができる。
【００３４】
しかし、焦電体１４の膜厚を厚くすると、吸収量は多くなるものの、同じ膜内において温度差が生じるようになる。図３Ａは、図３Ｂの焦電素子１１０に上部電極１５側から赤外線Ａ４を照射した場合における焦電体１４の温度上昇を、膜厚方向の各位置毎にシミュレーションしたものである。
【００３５】
縦軸は、赤外線照射前に対する焦電体１４の上昇温度であり、横軸は、赤外線照射開始からの時間を示す。
また、線Ｌ１は焦電体１４の下面における温度であり、線Ｌ２は焦電体１４の下面から膜厚の１／４だけ上方の位置における温度を示す。
また、線Ｌ３は、焦電体１４の膜厚の中心における温度であり、線Ｌ４は、焦電体１４の上面から膜厚の１／４だけ下方の位置における温度である。
また、線Ｌ５は、焦電体Ｌ１４の上面における温度であり、線Ｌ６は、上部電極１５の温度である。
【００３６】
赤外線が照射されると温度が短時間のうちに上昇し、ある温度において平衡状態となる。最上面に位置する上部電極１５では、瞬時に温度が上昇し、平衡状態となっている。
この図６からわかるように、平衡状態においても各位置における温度は等しくならず、下部電極１６側ほど温度が低くなる。このため、焦電体１４の上部では分極の反転が多く生じる一方、焦電体１４の下部では分極の反転が少なくなり、焦電体１４において分極の反転にムラが生じる。
焦電体１４の膜厚が厚くなる程この温度差は大きくなるため、分極反転のムラも大きくなる。こうした分極反転のムラがあると、効率よく赤外線を検出することができない。
【００３７】
また、膜厚を厚くすると、焦電体の体積も大きくなるため熱容量も大きくなり、焦電体の温度上昇も鈍くなる。
例えば、焦電体の熱容量Ｈは下記式（１）によって表すことができる。ただし、Ｃｐは焦電体の比熱、ρは焦電体の密度、Ａは赤外線の入射面積、ｄは焦電体の膜厚である。
Ｈ＝Ｃｐ×ρ×Ａ×ｄ・・・（１）
【００３８】
また、赤外線の吸収による焦電体の温度上昇ΔＴは、上記の熱容量Ｈを用い、下記式（２）によって表すことができる。ただし、ηは赤外線の吸収効率、Ｐは赤外線の入射量、Ｇは熱コンダクタンスである。また、ωは赤外線パワーの角周波数であり、ｊは複素記号である。
ΔＴ＝ηＰ／（ｊωＨ＋Ｇ）・・・（２）
【００３９】
上記式（１）及び式（２）を用いて、焦電体に発生する電荷量と膜厚の関係を求めたのが図４である。縦軸は、赤外線の照射により発生する電荷量Ｑｎであり、横軸は焦電体の膜厚である。
ある程度の膜厚までは膜厚が厚くなる程多くの赤外線を吸収して温度が上昇するので、より多くの分極反転が生じ、図４に示すように発生する電荷量が増える。
しかし、一定の膜厚を超えると焦電体の熱容量が大きくなるため、逆に温度は上昇しにくくなり、発生する電荷量は減っていく。
【００４０】
このように、焦電体の膜厚を単に厚くするだけでは赤外線の検出感度を高めることはできない。すなわち、焦電体の温度の上昇効率も考慮する必要があるものの、膜厚（赤外線の吸収量）と焦電体の温度の上昇効率はトレードオフの関係にある。これには、図４に示すように発生する電荷量が最大となる最適な膜厚のポイントが存在しており、焦電体の膜厚は、この膜厚とするのが好ましい。
【００４１】
またさらに、本実施の形態のように焦電素子を上下に複数層備えた構成とすれば、焦電体の温度上昇効率を低下させることなく、全体として膜厚を厚くしたことに相当する赤外線吸収量を得ることができる。このため、本実施の形態では焦電体の温度の上昇効率も赤外線の吸収量も共に高めることが可能である。
【００４２】
２．第１の変形例（焦電素子間を熱絶縁層によって埋める例）
図５は、第１の変形例による赤外線検出素子２００を示す概略断面図である。ここでも、簡単のため、１画素分について図示している。
本変形例による赤外線検出素子２００は、基板２１と、基板２１上に形成され、温度の上昇に応じて電気信号を生じる焦電素子３０，３１，３２を備える。
【００４３】
焦電素子３０は、温度の上昇により自発分極の値が変化し、表面電荷を生じる焦電体２２と、焦電体２２の上面に配置される上部電極２３と、焦電体２２の下面に配置される下部電極２４とを備える。
焦電体２２は、本変形例においても、赤外線を吸収して温度が上昇することにより自発分極の値が変化するものであればよく、特に限定しない。例えば、無機材料としてはチタン酸鉛や、タンタル酸リチウム、有機材料としては、例えば三硫化グリシン（ＴＧＳ）、ポリビニリデンジフロライド等を用いることができる。
【００４４】
また、上部電極２３や下部電極２４には、赤外線を吸収しやすい導電性材料を用い、焦電体の温度上昇を補助するのが好ましい。この材料としては例えばクロム等を用いることができる。
【００４５】
本変形例においても、赤外線検出素子２００は、例えば複数の焦電素子３０，３１，３２が上下に重なった多層構造とされている。焦電素子３１，３２は、上述した焦電素子３０と同じ材料構成であってもよいし、異なる材料によって構成しても構わない。
したがって、最上層の焦電素子３０に入射した赤外線Ａ５のうち、吸収されなかった赤外線Ａ６は焦電素子３１に入射し、ここで吸収される。また、焦電素子３１も透過した赤外線Ａ７は、焦電素子３２に入射することで、再び吸収することができる。
【００４６】
また、最下層の焦電素子３２の下部電極２５は、赤外線を反射する導電材料によって構成するのが好ましい。これにより、焦電素子３２も透過した赤外線が反射され、再び焦電素子３２，３１，３０へと入射するので、吸収効率をより高めることができる。
【００４７】
また、焦電素子３０，３１，３２の上部電極２３及び下部電極２４同士は配線２６，２７によって接続され、焦電素子３０，３１，３２が直列に繋がれている。そして配線２６，２７は例えば基板２１の下層に配置された図示しない電圧変換器やスイッチング回路等にビア等を経由して接続される。
したがって、焦電素子３０，３１，３２では、焦電体２２の温度上昇によって生じた表面電荷の変化を、例えば電圧信号または電流信号として取り出すことで、赤外線を検出する。
【００４８】
また、焦電素子３０，３１，３２は、上下に整列して配置されているため、配線２６，２７によって互いを簡易に接続することができる。このため、焦電素子毎に電圧変換器やスイッチング回路等を配置する必要がなく、部品点数の増加も抑えることができる。
【００４９】
なお、本変形例においては、各焦電素子３０，３１，３２と配線２６，２７等の間を熱絶縁層２８によって埋めてある。例えば、第１の実施の形態においては、犠牲層エッチングによってこの部分を空間としていたが、検出される信号のＳ／Ｎ比を十分にとれる場合には例えば犠牲層をそのまま残して、熱絶縁層としてもよい。
このように、熱絶縁層を形成しておくと、熱的な絶縁効果だけでなく、空洞としておく場合に比べて機械的強度も高めることができるので好ましい。熱絶縁層の材料としては、例えばＳｉＯ２を用いることができる。他にも有機材料等であってもよい。
【００５０】
また、図示しない他の画素についても、同様に、上下方向に各層の焦電素子が整列して並んで重なっている。互いに隣接する画素においては、熱絶縁層２８を隔てて水平方向に各層の焦電素子が並んでいる。
なお、上下方向の焦電素子間を埋める絶縁層としては、赤外線の透過率が高い材料を用いるのが好ましく、例えばＳｉやＧｅを用いることができる。
【００５１】
以上のように、本変形例による赤外線検出素子２００も、焦電素子が上下に重ねられた多層構造とされている。したがって、上層の焦電素子を透過した赤外線は、その下層に配置された焦電素子によって吸収される。このため、赤外線の吸収効率を高めることができる。図５においては、焦電素子が３層の構成としたが、層数を増やす程吸収効率を高めることができるので、層数は適宜変更してよい。
また、焦電体を多層重ねた構造となっているため、焦電体の温度上昇効率を下げることなく、赤外線の吸収効率を高めることができる。したがって、それぞれの層毎に焦電体の電荷発生量が最大となる膜厚に設定することで、より赤外線の検出感度を向上させることが可能である。
【００５２】
また、各焦電素子３０，３１，３２が上下方向に整列して配置されているため、各焦電素子３０，３１，３２を簡易な立体構造の配線２６，２７によって直列に接続できる。これにより、各焦電素子３０，３１，３２毎に電圧変換器やスイッチング回路等を配置する必要がなく、部品点数の増加を抑制することができる。
【００５３】
３.第２の実施の形態
図６は、第２の実施の形態による赤外線検出素子３００の構造を示す概略断面図である。本実施の形態による赤外線検出素子３００は、温度の上昇に応じて電気信号を生じる焦電体４５から成る焦電素子を備えている。そして、この赤外線検出素子３００は、第１層の焦電素子層を構成する焦電素子４０，４１と、焦電素子４０，４１の下層に配置された、第２層の焦電素子層を構成する焦電素子４２とを備える。さらに、この赤外線検出素子３００は、焦電素子４２の下層に配置された、第３層の焦電素子層を構成する焦電素子４３，４４を備える。
第２層の焦電素子層を構成する焦電素子４２は、第１層の焦電素子層を構成する焦電素子４０，４１の隙間の下方に配置されている。
また、第３層の焦電素子層を構成する焦電素子４３，４４は、第１層の焦電素子層を構成する焦電素子４０，４１の真下で、かつ第２層の焦電素子層を構成する焦電素子の隙間の下方に配置されている。
また、これらの焦電素子間は、犠牲層エッチング等によって空洞とされており、個々の焦電素子同士が熱的に独立した状態とされている。
【００５４】
焦電素子４０は、温度の上昇により自発分極の値が変化し、表面電荷を生じる焦電体４５と、焦電体４５の上面に配置される上部電極４７と、焦電体４５の下面に配置される下部電極４６を備える。
焦電体４５は、本実施の形態においても、赤外線を吸収して温度が上昇することにより分極反転を生じるものであればよい。また、上部電極４７及び下部電極４６は、赤外線を吸収しやすい導電性材料を用い、焦電体の温度上昇を補助するのが好ましい。
【００５５】
また、焦電素子４１，４２，４３，４４は、焦電素子４０と同様に、焦電体４５と、その上面及び下面に配置される上部電極４７及び下部電極４６とから構成される。焦電素子４０，４４は整列して上下に重ねて配置されており、図示しない配線によってそれぞれの上部電極、下部電極が接続される。
また、焦電素子４１，４３も同様に上下に整列して配置され、それぞれの上部電極４７同士、下部電極４６同士が配線によって接続される。
これらの配線は、例えば基板の下層に配置される図示しない電圧変換器やスイッチング回路にビア等を介して接続される。
【００５６】
したがって、焦電素子４０，４１に赤外線Ａ８，Ａ９が入射すると、焦電素子４０，４１では吸収しきれなかった赤外線Ａ１０，Ａ１１を、焦電素子４３，４４が吸収することができる。
また、焦電体を多層重ねた構造となっているため、焦電体の温度上昇効率を下げることなく、赤外線の吸収効率を高めることができる。したがって、それぞれの層毎に焦電体の電荷発生量が最大となる膜厚に設定することで、より赤外線の検出感度を向上させることができる。
【００５７】
また、本実施の形態においては、焦電素子４０と焦電素子４１の隙間の下層に焦電素子４２が配置されている。
従来では、画素間の隙間に入射した赤外線を吸収することはできなかった。
しかし、本実施の形態による赤外線検出素子３００では、焦電素子４０と焦電素子４１の隙間に入射した赤外線Ａ１２を焦電素子４２によって吸収することが可能である。このため、開口率を１とすることができ、赤外線の吸収率をさらに高めることができる。
このように、上下に隣接する２層の焦電素子層において、上層の焦電素子層の隣接する焦電素子同士の隙間の下方に、下層の焦電素子層の各焦電素子が配置されている構成とすることにより、赤外線の吸収率をさらに高めることができる。
【００５８】
なお、図６においては、焦電素子層を３層重ねた構成としたが、さらに焦電素子層を増やしても構わない。
また、焦電素子４２の下方に焦電素子を配置し、焦電素子４２を透過した赤外線を吸収するようにしてもよい。
【００５９】
また、最下層の焦電素子の下部電極は、赤外線を反射する例えばＡｌ等の材料によって構成するのが好ましい。これにより、吸収されず残った赤外線は反射され、上層の焦電素子によって吸収することができる。
【００６０】
４．第２の変形例
図７は、第２の変形例に係る赤外線検出素子４００の概略断面図である。
本変形例による赤外線検出素子４００は、第１層の焦電素子層を構成する焦電素子５０，５１と、焦電素子５０，５１の下層に配置された、第２層の焦電素子層を構成する焦電素子５２とを備える。さらに、この赤外線検出素子４００は、焦電素子５２の下層に配置された、第３層の焦電素子層を構成する焦電素子５３，５４を備える。
第２層の焦電素子層を構成する焦電素子５２は、第１層の焦電素子層を構成する焦電素子５０，５１の隙間の下方に配置されている。
また、第３層の焦電素子層を構成する焦電素子５３，５４は、第１層の焦電素子層を構成する焦電素子５０，５１の真下で、かつ第２層の焦電素子層を構成する焦電素子の隙間の下方に配置されている。
【００６１】
焦電素子５０は、温度の上昇により自発分極の値が変化し、表面電荷を生じる焦電体５５と、焦電体５５の上面に配置される上部電極５７と、焦電体５５の下面に配置される下部電極５６を備える。
焦電体５５は、本変形例においても、赤外線を吸収して温度が上昇することにより分極反転を生じるものであればよい。また、上部電極５７及び下部電極５６は、赤外線を吸収しやすい導電性材料を用い、焦電体の温度上昇を補助するのが好ましい。
【００６２】
また、焦電素子５１，５２，５３，５４は焦電素子５０と同様に、焦電体５５と、その上面及び下面に配置される上部電極５７及び下部電極５６とから構成される。焦電素子５０，５４は整列して上下に重ねて配置されており、図示しない配線によってそれぞれの上部電極５７、下部電極５６が接続される。
また、焦電素子５１，５３も同様に上下に整列して配置され、それぞれの上部電極５７同士、下部電極５６同士が配線によって接続される。
これらの配線は、例えば基板の下層に配置される図示しない電圧変換器やスイッチング回路にビア等を介して接続される。
【００６３】
したがって、焦電素子５０，５１に赤外線Ａ１３，Ａ１４が入射すると、焦電素子５０，５１では吸収しきれなかった赤外線Ａ１６，Ａ１７を、焦電素子５３，５４が吸収することができる。
また、焦電体を多層重ねた構造となっているため、焦電体の温度上昇効率を下げることなく、赤外線の吸収効率を高めることができる。したがって、それぞれの層毎に焦電体の電荷発生量が最大となる膜厚に設定することで、より赤外線の検出感度を向上させることができる。
【００６４】
またさらに、焦電素子５０と焦電素子５１の隙間の下層に焦電素子５２が配置されている。
したがって、本変形例による赤外線検出素子４００においても、焦電素子５０と焦電素子５１の隙間に入射した赤外線Ａ１５を焦電素子５２によって吸収することが可能である。このため、開口率を１とすることができ、赤外線の吸収率をさらに高めることができる。
このように、上下に隣接する２層の焦電素子層において、上層の焦電素子層の隣接する焦電素子同士の隙間の下方に、下層の焦電素子層の各焦電素子が配置されている構成とすることにより、赤外線の吸収率をさらに高めることができる。
【００６５】
なお、ここでは焦電素子層を３層重ねた構成としたが、さらに焦電素子層を増やしても構わない。
また、焦電素子５２の下方に焦電素子を配置し、焦電素子５２を透過した赤外線を吸収するようにしてもよい。
また、最下層の焦電素子の下部電極は、赤外線を反射する例えばＡｌ等の材料によって構成するのが好ましい。これにより、吸収されず残った赤外線は反射され、上層の焦電素子によって吸収することができる。
【００６６】
また、本変形例において各焦電素子間は、熱絶縁層６１によって埋められている。第２の実施の形態（図６）においては、この部分は犠牲層エッチング等によって空洞とされていたが、検出される信号のＳ／Ｎ比を十分にとれる場合には、そのまま残して熱絶縁層としてよい。こうした材料としては、例えばＳｉＯ２を用いることができ、その他樹脂材料を用いてもよい。
また、上下方向の焦電素子間を埋める絶縁層としては、赤外線の透過率が高い材料を用いるのが好ましく、例えばＳｉやＧｅを用いることができる。
【００６７】
本変形例のように、各焦電素子間を熱絶縁材料によって埋めることで、各焦電素子を熱的に独立させるだけでなく、赤外線検出素子４００の機械的強度も高めることができるので好ましい。
【００６８】
５．第３の実施の形態（赤外線検出装置の例）
次に、これまでに説明した赤外線検出素子を赤外線撮像装置等の電子機器に適用する例について、図８を用いて以下に示す。
図８は、本実施の形態による赤外線検出装置５００の構成を示す概略構成図である。本実施の形態による赤外線検出装置５００は、撮像対象からの赤外線を集光する集光部７０と、集光部７０によって集光された赤外線を受光する赤外線検出素子７１を備える。
また、赤外線検出素子７１に入射される赤外線の角周波数を決めるチョッパーの駆動回路７２と、赤外線検出素子７１への赤外線照射によって出力された電荷を制御する制御回路７３と、赤外線検出素子７１からの出力信号を処理する信号処理回路７４を備える。
【００６９】
集光部７０は、撮像対象からの赤外線等を集光し、結像させるものであれば、特に限定しない。１枚のレンズであってよいし、２枚以上のレンズを含んで構成してもよい。
例えば、従来提案されているものとしては、ＧｅレンズやＳｉレンズ等が挙げられる。
【００７０】
集光部７０によって集光された赤外線は、赤外線検出素子７１によって受光され、撮像対象の画像が取得される。この赤外線検出素子７１は、第１〜第２の実施の形態及び第１〜第２の変形例（図１、図５、図６、図７）において示した赤外線検出素子１００〜４００を含んで構成される。
この赤外線検出素子７１には、必要に応じて、電荷電圧変換回路、ノイズ補正回路、アナログデジタル変換回路を設ける。
【００７１】
したがって、本実施の形態による赤外線検出装置５００では、その赤外線検出素子７１において焦電素子が上下方向に複数層配置された構成とされる。このため、１層の焦電素子で吸収しきれなかった赤外線を、その下層に配置された焦電素子によって吸収することができる。
【００７２】
駆動回路７２は、例えば図示しないチョッパーを駆動することで赤外線を変調し、特定の角周波数の赤外線を赤外線検出素子７１に入射させる。チョッパーは、例えば入射する赤外線を周期的に遮断する機構であればよい。例えば機械的に動くシャッタ機構でもよく、また液晶シャッタのように、電磁波を一部の画素に照射するための開口を任意に設定することが可能な構成にしてもよい。
また、制御回路７３には、例えばスタートパルスやクロックパルス等のタイミングジェネレータが含まれ、赤外線照射により生じた電荷の蓄積、放電等を制御する。
【００７３】
また、信号処理回路７４は、赤外線検出素子７１からの出力信号に対して例えば相関二重サンプリング等の信号処理を行い、例えばメモリ等の記録媒体に記録したり、液晶ディスプレイ等のモニタへと出力する。
【００７４】
このように、本実施の形態による赤外線検出装置５００では、撮像対象からの赤外線を受光する赤外線検出素子７１において、焦電素子が上下方向に複数層配置される。このため、１層目の焦電素子を透過した赤外線を、その下層に配置された焦電素子によって吸収することができる。したがって、赤外線の吸収率を高めることができ、より高感度な赤外線撮像を行うことが可能である。
【００７５】
以上、本発明による赤外線検出素子及び赤外線検出装置の実施の形態について説明した。本発明は上記実施の形態にとらわれることなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、なお考えられる種々の形態を含むものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００７６】
１，１３，２１・・・基板、２，１４，２２，４５，５５・・・焦電体、３，１５，２３，４７，５７・・・上部電極、４，１６，２４，４６，５６・・・下部電極、５，２５・・・電極、６，７，２６，２７，４８，４９，５８，５９・・・配線、１０，１１，１２，３０，３１，３２，４０，４１，４２，４３，４４，５０，５１，５２，５３，５４，１１０・・・焦電素子、２８，６１・・・熱絶縁層、７０・・・集光部、７２・・・駆動回路、７３・・・制御回路、７４・・・信号処理回路、７１，１００，２００，３００，４００・・・赤外線検出素子、５００・・・赤外線検出装置
【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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