(57)【要約】【課題】ノイズを低減した高感度の赤外線固体撮像素子を提供する。【解決手段】基板上に設けられた赤外線検出画素アレイ２５０と、基板上に設けられた検出回路部２６０と、を備えた赤外線固体撮像素子が提供される。赤外線検出画素アレイは、複数の行配線２１０と、複数の列配線２２０と、一端が複数の行配線のいずれかに接続され他端が複数の列配線のいずれかに接続され、受光する赤外線に基づいて第１電気信号ｓｇ１を生成する複数の赤外線検出画素１１０と、を有する。検出回路部は、列配線のそれぞれに接続され、第１電気信号を積分増幅して第２電気信号ｓｇ２を生成する複数の積分増幅回路４０と、複数の積分増幅回路のそれぞれに接続され、第２電気信号と、予め定められた参照電圧Ｖｒｅｆと、を比較して、第３電気信号ｓｇ３を出力する複数の比較回路５０と、を有する。【選択図】図１
2011188140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた赤外線検出画素アレイと、
前記基板上に設けられた検出回路部と、
を備え、
前記赤外線検出画素アレイは、
前記基板の主面に対して平行な第１方向に延在する複数の行配線と、
前記主面に対して平行で、第１方向に対して非平行な第２方向に延在する複数の列配線と、
前記複数の行配線と、前記複数の列配線と、の間の交差部において、一端が前記複数の行配線のいずれかに接続され他端が前記複数の列配線のいずれかに接続され、受光する赤外線に基づいて第１電気信号を生成する複数の赤外線検出画素と、
を有し、
前記検出回路部は、
前記列配線に接続され、前記第１電気信号を積分増幅して第２電気信号を生成する複数の積分増幅回路と、
前記複数の積分増幅回路に接続され、前記第２電気信号と、予め定められた参照電圧と、を比較して、第３電気信号を出力する複数の比較回路と、
を有することを特徴とする赤外線固体撮像素子。
【請求項２】
前記複数の積分増幅回路のそれぞれは、
第１トランジスタと、
接続部と、
蓄積容量と、
第２トランジスタと、
を有し、
前記第１トランジスタの第１ゲートは、前記複数の列配線の前記いずれかに電気的に接続され、
前記第１トランジスタの第１ソースは、セット電圧配線に電気的に接続され、
前記接続部の一端は、前記第１トランジスタの第１ドレインに電気的に接続され、
前記蓄積容量の一端は、前記接続部の他端に電気的に接続され、
前記蓄積容量の他端は、第１固定電位配線に電気的に接続され、
前記第２トランジスタの第２ゲートは、リセットゲート配線に電気的に接続され、
前記第２トランジスタの第２ソースは、リセット電圧配線に電気的に接続され、
前記第２トランジスタの第２ドレインは、前記蓄積容量の前記一端と、前記複数の比較回路のいずれかと、に電気的に接続されることを特徴とする請求項１記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項３】
前記接続部は、第３トランジスタを有し、
前記第３トランジスタの第３ソースは、前記第１ドレインに電気的に接続され、
前記第３トランジスタの第３ドレインは、前記蓄積容量の前記一端に接続され、
前記第３トランジスタの第３ゲートには、前記第１ドレインと、前記蓄積容量の前記一端と、の電気的接続状態を制御する駆動パルス信号が入力されことを特徴とする請求項２記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項４】
前記赤外線検出画素アレイは、
記複数の赤外線検出画素における赤外線の感度よりも赤外線の感度が低い低感度画素をさらに有し、
前記低感度画素の低感度画素電気信号に基づく信号が、前記比較回路の前記第２電気信号が入力される入力部に入力されることを特徴とする請求項２または３のいずれか１つに記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項５】
前記検出回路部は、前記複数の積分増幅回路と、前記複数の比較回路と、をそれぞれ接続する複数の配線にそれぞれ接続された複数の定電流源をさらに有し、
前記複数の定電流源には、前記低感度画素の前記低感度画素電気信号が入力され、前記複数の定電流源は、前記低感度画素の前記低感度画素電気信号に基づく前記信号を、複数の前記蓄積容量の複数の前記一端に供給することを特徴とする請求項４記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項６】
前記赤外線検出画素は、前記基板と離間して設けられた検出部を有し、
前記検出部は、
赤外線を吸収する赤外線吸収部と、
前記赤外線吸収部と前記基板との間に設けられ、前記基板と離間し、前記赤外線吸収部と熱的に接続され、前記赤外線吸収部で吸収された前記赤外線による温度変化を電気信号に変換する熱電変換部と、
を有し、
前記低感度画素は、前記基板と接して設けられた低感度熱電変換部を有することを特徴とする請求項４または５に記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項７】
前記赤外線検出画素は、前記基板と離間して設けられた検出部を有し、
前記検出部は、
赤外線を吸収する赤外線吸収部と、
前記赤外線吸収部と前記基板との間に設けられ、前記基板と離間し、前記赤外線吸収部と熱的に接続され、前記赤外線吸収部で吸収された前記赤外線による温度変化を電気信号に変換する熱電変換部と、
を有し、
前記低感度画素は、赤外線を反射する赤外線反射膜を有することを特徴とする請求項４〜６のいずれか１つに記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項８】
前記複数の行配線のそれぞれに行選択信号が供給されたときに、前記リセットゲート配線にリセットゲート電圧を供給する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項２〜７のいずれか１つに記載の赤外線固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線は、可視光よりも煙及び霧に対して透過性が高いという特長を有するので、赤外線撮像は、防衛分野や監視カメラや火災検知カメラのように広い分野へ応用される。
【０００３】
例えば、非冷却型の赤外線固体撮像素子においては、１０μｍ（マイクロメートル）程度の波長の赤外線が熱に変換され、この微弱な熱により生じる温度変化が電気信号に変換される。この電気信号を読み出すことで赤外線画像情報が得られる。このような赤外線固体撮像素子として、例えば、一定の順方向電流を与えることにより温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合を用いた赤外線センサが挙げられる。
【０００４】
例えば、従来の赤外線固体撮像素子においては、赤外線検出部からの出力電圧に基づくアナログ電圧信号が赤外線固体撮像素子のチップから出力され、そのアナログ電圧信号が、チップを搭載した基板上でデジタル信号に変換される。赤外線による電気信号の変化は非常に微小であるため、アナログ電圧信号の伝達経路においてノイズの影響を受け、実効的な感度が低下し易い。
【０００５】
特許文献１には、センシング素子に接続されたＡＤ変換器として、センシング素子の信号を初期値として記憶部に保持し、第一の固定信号とその後の第二の固定信号とによって記憶部の充電もしくは放電を行い、記憶部の電気信号の時間変化を計測する手法が開示されている。  
しかし、この方法を用いてもノイズの低減には限界があり、改良の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−３４８３２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、ノイズを低減した高感度の赤外線固体撮像素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様によれば、基板上に設けられた赤外線検出画素アレイと、前記基板上に設けられた検出回路部と、を備え、前記赤外線検出画素アレイは、前記基板の主面に対して平行な第１方向に延在する複数の行配線と、前記主面に対して平行で、第１方向に対して非平行な第２方向に延在する複数の列配線と、前記複数の行配線と、前記複数の列配線と、の間の交差部において、一端が前記複数の行配線のいずれかに接続され他端が前記複数の列配線のいずれかに接続され、受光する赤外線に基づいて第１電気信号を生成する複数の赤外線検出画素と、を有し、前記検出回路部は、前記列配線に接続され、前記第１電気信号を積分増幅して第２電気信号を生成する複数の積分増幅回路と、前記複数の積分増幅回路のそれぞれに接続され、前記第２電気信号と、予め定められた参照電圧と、を比較して、第３電気信号を出力する複数の比較回路と、を有することを特徴とする赤外線固体撮像素子が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ノイズを低減した高感度の赤外線固体撮像素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】赤外線固体撮像素子を示す模式図である。
【図２】赤外線固体撮像素子の動作を示す模式図である。
【図３】比較例の赤外線固体撮像素子を示す模式図である。
【図４】比較例の赤外線固体撮像素子の動作を示す模式図である。
【図５】赤外線固体撮像素子の赤外線検出画素を示す平面図である。
【図６】赤外線固体撮像素子の赤外線検出画素を示す模式的断面図である。
【図７】赤外線固体撮像素子を示す模式図である。
【図８】赤外線固体撮像素子の動作を示す模式図である。
【図９】赤外線固体撮像素子を示す模式図である。
【図１０】赤外線固体撮像素子の動作を示す模式図である。
【図１１】赤外線固体撮像素子の赤外線検出画素を示す模式的断面図である。
【図１２】赤外線固体撮像素子の赤外線検出画素を示す模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る赤外線固体撮像素子の構成を例示する模式図である。  
図１に表したように、本実施形態に係る赤外線固体撮像素子３１０は、基板３０１上に設けられた赤外線検出画素アレイ２５０と、基板３０１上に設けられた検出回路部２６０と、を備える。
【００１３】
基板３０１には、例えばシリコン基板が用いられる。  
赤外線固体撮像素子３１０においては、赤外線を受光してアナログ電圧信号を生成する赤外線検出画素アレイ２５０と、生成されたアナログ電圧信号をデジタル信号に変換する検出回路部２６０と、が同じ基板３０１の上に設けられる。すなわち、赤外線検出画素アレイ２５０とモノリシックに形成された検出回路部２６０において、アナログ−デジタル変換(以降ＡＤ変換と呼ぶ)が行われる。
【００１４】
赤外線検出画素アレイ２５０は、複数の行配線２１０と、複数の列配線２２０と、複数の赤外線検出画素１１０と、を有する。
【００１５】
複数の行配線２１０は、基板３０１の主面に対して平行な第１方向に延在する。  
複数の列配線２２０は、基板３０１の主面に対して平行で、第１方向に対して非平行な第２方向に延在する。例えば、第２方向は、第１方向に対して直交する。
【００１６】
複数の赤外線検出画素１１０は、複数の行配線２１０と、複数の列配線２２０と、の間の交差部に設けられる。複数の赤外線検出画素１１０のそれぞれの一端は、複数の行配線２１０のいずれかに接続される。複数の赤外線検出画素１１０のそれぞれの他端は、複数の列配線２２０のいずれかに接続される。複数の赤外線検出画素１１０は、受光する赤外線に基づいて第１電気信号ｓｇ１を生成する。赤外線検出画素１１０の例については後述する。
【００１７】
検出回路部２６０は、複数の積分増幅回路４０と、複数の比較回路５０と、を有する。  複数の積分増幅回路４０は、列配線２２０のそれぞれに接続される。複数の積分増幅回路４０は、第１電気信号ｓｇ１を積分増幅して第２電気信号ｓｇ２を生成する。
【００１８】
複数の比較回路５０は、複数の積分増幅回路４０のそれぞれに接続される。複数の比較回路５０のそれぞれは、第２電気信号ｓｇ２と、予め定められた参照電圧Ｖｒｅｆと、を比較して、第３電気信号ｓｇ３を出力する。
【００１９】
このように、本実施形態に係る赤外線固体撮像素子３１０においては、検出回路部２６０として、積分増幅回路４０及び比較回路５０の組み合わせを用いることで、赤外線検出画素１１０のアナログ電圧信号である第１電気信号ｓｇ１を、ノイズを低減してＡＤ変化する。これにより、高感度の赤外線固体撮像素子が提供できる。
【００２０】
なお、図１においては、行配線２１０が２本描かれ、列配線２２０が２本描かれているが、行配線２１０の数と、列配線２２０の数と、は、任意である。
【００２１】
赤外線固体撮像素子３１０の構成の具体例についてさらに説明する。  
図１に表したように、複数の行配線２１０のそれぞれは、行方向（第１方向）に沿って配列した赤外線検出画素１１０の一端に接続されている。複数の列配線２２０のそれぞれは、列方向（第２方向）に沿って配列した赤外線検出画素１１０の他端に接続されている。本具体例では、赤外線検出画素１１０として、ｐｎ接合を有するｐｎ接合素子が用いられている。行配線２１０は、このｐｎ接合素子の一端（アノード）に接続され、列配線２２０は、ｐｎ接合素子の他端（カソード）に接続されている。
【００２２】
複数の行配線２１０のそれぞれは、行選択回路３０５（例えば垂直シフトレジスタ）に接続されている。  
行選択回路３０５は、行配線２１０を介して、赤外線検出画素１１０を１行ずつ順番に選択して、赤外線検出画素１１０に行選択信号ｓｇｓとしてバイアス電圧Ｖｄを順次印加する。
【００２３】
一方、複数の列配線２２０のそれぞれの一端は、積分増幅回路４０に接続されている。  また、複数の列配線２２０のそれぞれの他端は、複数の負荷トランジスタ３１のそれぞれに接続されている。すなわち、赤外線検出画素１１０のｐｎ接合素子のカソード側は、列配線２２０を介して、負荷トランジスタ３１のドレインに接続されている。
【００２４】
列配線２２０の一端に接続された積分増幅回路４０の出力は、比較回路５０に接続されている。本具体例では、比較回路５０の出力は、エッジ検出回路６３に接続され、さらに、エッジ検出回路６３の出力がラッチ回路６４に入力される。ラッチ回路６４には、カウンタ回路６５が接続されており、ラッチ回路６４は、デジタル出力６４Ｄを出力する。
【００２５】
ラッチ回路６４には、列選択回路３０６（例えば水平シフトレジスタ）が接続されている。列選択回路３０６により、それぞれの列配線２２０が選択され、それぞれの列配線２２０に接続された赤外線検出画素１１０によって検出された赤外線に基づく電気信号（例えば上記の第１電気信号ｓｇ１）がＡＤ変換される。
【００２６】
積分増幅回路４０の具体例について説明する。  
図１に表したように、複数の積分増幅回路４０のそれぞれは、第１トランジスタＴｒ１と、接続部Ｃｐと、蓄積容量Ｃｓと、第２トランジスタＴｒ２と、を有する。
【００２７】
第１トランジスタＴｒ１の第１ゲートＴｒ１ｇは、複数の列配線２２０のいずれかに電気的に接続される。第１トランジスタＴｒ１の第１ソースＴｒ１ｓは、セット電圧配線ＳＳＬに電気的に接続される。セット電圧配線ＳＳＬには、セット電圧ＳＳが印加される。
【００２８】
接続部Ｃｐの一端は、第１トランジスタＴｒ１の第１ドレインＴｒ１ｄに電気的に接続される。接続部Ｃｐの他端は、蓄積容量Ｃｓの一端に接続される。本具体例では、接続部Ｃｐは単純な配線であり、接続部Ｃｐは、第１ドレインＴｒ１ｄと、蓄積容量Ｃｓの一端と、を常に接続する。ただし、後述するように、接続部Ｃｐは、スイッチ機能を有することができ、接続部Ｃｐは、第１ドレインＴｒ１ｄと、蓄積容量Ｃｓの一端と、を接続状態または非接続状態に切り替えても良い。以下の具体例では、接続部Ｃｐが、第１ドレインＴｒ１ｄと、蓄積容量Ｃｓの一端と、を常に接続する場合として説明する。
【００２９】
蓄積容量Ｃｓの一端は、接続部Ｃｐの他端に電気的に接続される。蓄積容量Ｃｓの他端は、固定電位配線ＧＬ１に電気的に接続される。固定電位配線ＧＬ１は、例えば接地電位とされる。ただし、固定電位配線ＧＬ１の電位は、後述するリセット電圧Ｖｒｓよりも低い任意の電位とされれば良い。
【００３０】
第２トランジスタＴｒ２の第２ゲートＴｒ２ｇは、リセットゲート配線ＲＧＬに電気的に接続される。リセットゲート配線ＲＧＬには、リセットゲート信号ＲＳが入力される。リセットゲート信号ＲＳは、リセットゲート電圧ＶＲＳ（第１リセットゲート電圧ＶＲＳ１）の期間と、例えば０ボルト（接地電位）の期間と、を有する。
【００３１】
第２トランジスタＴｒ２の第２ソースＴｒ２ｓは、リセット電圧配線ＶＲＳＬに電気的に接続される。リセット電圧配線ＶＲＳＬには、リセットソース信号ＶＳが入力される。リセットソース信号ＶＳは、リセット電圧Ｖｒｓの期間と、例えば０ボルト（接地電位）の期間とを有する。
【００３２】
第２トランジスタＴｒ２の第２ドレインＴｒ２ｄは、蓄積容量Ｃｓの上記の一端と、複数の比較回路５０のいずれかと、に電気的に接続される。
【００３３】
このような構成を有する積分増幅回路４０は、第１ゲートＴｒ１ｇに入力される第１電気信号ｓｇ１を積分増幅して第２電気信号ｓｇ２を生成し、第２電気信号ｓｇ２を比較回路５０に出力する。
【００３４】
複数の比較回路５０のそれぞれの一方の入力端には、上記の第２電気信号ｓｇ２が入力される。複数の比較回路５０のそれぞれの他方の入力端には、参照電圧配線ＶＲＥＦＬが接続されている。参照電圧配線ＶＲＥＦＬには、参照電圧Ｖｒｅｆが印加される。これにより、比較回路５０は、第２電気信号ｓｇ２と、予め定められた参照電圧Ｖｒｅｆと、を比較して、第３電気信号ｓｇ３を生成する。第３電気信号ｓｇ３は、エッジ検出回路６３に入力され、エッジ検出回路６３の出力がラッチ回路６４に入力される。ラッチ回路６４には、カウンタ回路６５の出力である第４電気信号ｓｇ４がさらに入力され、ラッチ回路６４から、デジタル出力６４Ｄが出力される。
【００３５】
このような構成を有する赤外線固体撮像素子３１０の動作の例に関して説明する。  
図２は、本発明の第１の実施形態に係る赤外線固体撮像素子の動作を例示する模式図である。  
図２（ａ）は、積分増幅回路４０の出力である第２電気信号ｓｇ２を例示している。図２（ｂ）は、比較回路５０の出力である第３電気信号ｓｇ３を例示している。図２（ｃ）は、カウンタ回路６５の出力である第４電気信号ｓｇ４を例示している。図２（ｄ）はリセットゲート信号ＲＳを例示しており、図２（ｅ）は、行選択信号ｓｇｓを例示している。これらの図において横軸は時間ｔである。
【００３６】
図２（ｅ）に表したように、行選択回路３０５は、第１時刻ｔａ１において、行配線２１０を介して、選択された赤外線検出画素１１０に、行選択信号ｓｇｓとしてバイアス電圧Ｖｄを印加する。すなわち、選択された行配線２１０には、第１時刻ｔａ１から第４時刻ｔａ４までの間、バイアス電圧Ｖｄが印加される。
【００３７】
負荷トランジスタ３１は、飽和領域で動作する。負荷トランジスタ３１のゲートに印加されるゲート電圧に応じて、列配線２２０が選択される。選択された列配線２２０と、選択された行配線２１０と、の交差部の赤外線検出画素１１０に、負荷トランジスタ３１によって定電流が供給される。すなわち、負荷トランジスタ３１は、定電流源として機能する。
【００３８】
行選択回路３０５が、選択行（行配線２１０のいずれか）に対応するｐｎ接合素子にバイアス電圧Ｖｄを印加すると、選択行のｐｎ接合素子に直列電圧Ｖｆが印加される。
【００３９】
一方、非選択行（行配線２１０のうち上記の選択行以外の行配線２１０）に対応するｐｎ接合素子は、すべて逆バイアスされている。すなわち、非選択の行配線２１０は、列配線２２０から分離されている。すなわち、ｐｎ接合素子は、画素選択機能を担っているといってもよい。
【００４０】
赤外線検出画素１１０（ｐｎ接合素子）が赤外線を受光していない時の列配線２２０の電位を暗状態電位Ｖｓｌ０とする。
【００４１】
赤外線検出画素１１０が赤外線を受光すると、赤外線検出画素１１０の温度が上昇する。それにより、行配線の第１電位Ｖｓｌ１は、暗状態電位Ｖｓｌ０よりも高くなる。  
例えば、赤外線固体撮像素子３１０によって撮像される被撮像体の温度が、１Ｋ（ケルビン）変化すると、赤外線検出画素１１０の温度は、約５ｍＫ（ミリケルビン）変化する。このとき、例えば、赤外線検出画素１１０における熱電変換効率を１０ｍＶ（ミリボルト）／Ｋとすると、列配線２２０の第１電位Ｖｓｌ１は、約５０μＶ（マイクロボルト）だけ上昇する。この第１電位Ｖｓｌ１の変化は、バイアス電圧Ｖｄに比べて非常に小さい。
【００４２】
行配線の第１電位Ｖｓｌ１は、第１トランジスタＴｒ１によって増幅される。
【００４３】
第１トランジスタＴｒ１において、第１ソースＴｒ１ｓと第１ドレインＴｒ１ｄとの間に流れるドレイン−ソース間電流Ｉｄｓは、以下の式（１）で表される。
Ｉｄｓ  ∝  （Ｖｓｌ１−Ｖｔｈ）２      …（１）
ここで、Ｖｔｈは、第１トランジスタＴｒ１のしきい値である。
【００４４】
一方、着目する赤外線検出画素１１０が接続されている行配線２１０が行選択回路３０５によって選択される前（第１時刻ｔａ１よりも前）に、蓄積容量Ｃｓはリセット状態にされている。
【００４５】
すなわち、図２（ｄ）に表したように、行配線２１０が行選択回路３０５によって選択される前（第１時刻ｔａ１よりも前）に、第２トランジスタＴｒ２の第２ゲートＴｒ２ｇにリセットゲート電圧ＶＲＳが印加され、第２トランジスタＴｒ２は、オン状態とされる。
【００４６】
そして、第２トランジスタＴｒ２の第２ソースＴｒ２ｓには、リセット電圧Ｖｒｓが印加されており、その結果、蓄積容量Ｃｓの一端と他端との間に、リセット電圧Ｖｒｓが印加される。
【００４７】
これにより、蓄積容量Ｃｓには、リセット電圧Ｖｒｓに応じた電荷が蓄積される。蓄積容量Ｃｓが容量Ｃｉｎｔを有するとき、蓄積容量Ｃｓに蓄積される電荷Ｑは、Ｃｉｎｔ×Ｖｒｓとなる。
【００４８】
行選択回路３０５が行配線２１０を選択したとき、その行配線２１０に赤外線検出画素１１０を介して接続されている第１トランジスタＴｒ１には、ドレイン−ソース間電流Ｉｄｓが流れる。ドレイン−ソース間電流Ｉｄｓは、蓄積容量Ｃｓに蓄えられていた電荷Ｑ（すなわち、Ｃｉｎｔ×Ｖｒｓ）を、第１トランジスタＴｒ１の第１ソースＴｒ１ｓに流出させる電流である。
【００４９】
このとき、蓄積容量Ｃｓの一端と他端との間の蓄積容量電圧Ｖｉｎｔは、以下の式（２）で表される。
Ｖｉｎｔ  ＝  Ｖｒｓ−  Ｉｄｓ×ｔ／Ｃｉｎｔ      …（２）
ここで、ｔは、ドレイン−ソース間電流Ｉｄｓが流れ初めてからの時間である。すなわち、ｔは、第１時刻ｔａ１以降の経過時間である。蓄積容量電圧Ｖｉｎｔは、時間ｔの経過と共に、リセット電圧Ｖｒｓから、単調に減少する。
【００５０】
図２（ａ）に表したように、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔの電位に相当する第２電気信号ｓｇ２は、第１時刻ｔａ１よりも前は、リセット電圧Ｖｒｓであり、第１時刻ｔａ１以降、時間ｔの経過と共に、減少する。ここで、図２（ａ）においては、赤外線検出画素１１０の電位（第１電位Ｖｓｌ１）が高い第１状態Ｓ１と、赤外線検出画素１１０の電位（第１電位Ｖｓｌ１）が第１状態Ｓ１よりも低い第２状態Ｓ２と、の特性が例示されている。
【００５１】
図２（ａ）に表したように、第１時刻ｔａ１以降において、赤外線検出画素１１０の電位が高い第１状態Ｓ１においては、第２電気信号ｓｇ２の電圧の変化（減少）の傾きが大きく、第２電気信号ｓｇ２は急峻に変化（減少）する。一方、赤外線検出画素１１０の電位が低い第２状態Ｓ２においては、第２電気信号ｓｇ２の電圧の変化（減少）の傾きが小さく、第２電気信号ｓｇ２は、緩やかに変化（減少）する。
【００５２】
このような第２電気信号ｓｇ２（すなわち蓄積容量電圧Ｖｉｎｔ）が、比較回路５０によって、予め定められた参照電圧Ｖｒｅｆと比較される。参照電圧Ｖｒｅｆは、リセット電圧Ｖｒｓよりも低く、固定電位配線ＧＬ１（本具体例では、接地電位である０ボルト）よりも高い、一定の電圧である。
【００５３】
図２（ａ）に表したように、第２電気信号ｓｇ２（すなわち蓄積容量電圧Ｖｉｎｔ）が、参照電圧Ｖｒｅｆと交差する時刻は、第１状態Ｓ１と第２状態Ｓ２とで異なる。第１状態Ｓ１のときに、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが参照電圧Ｖｒｅｆと交差する時刻を第２時刻ｔａ２とし、第２状態Ｓ２のときに、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが参照電圧Ｖｒｅｆと交差する時刻を第３時刻ｔａ３とする。第１時刻ｔａ１から第２時刻ｔａ２までの時間は、第１時刻ｔａ１から第３時刻ｔａ３までの時間よりも短い。
【００５４】
すなわち、赤外線検出画素１１０が受光した赤外線信号（第１電気信号ｓｇ１の第１電位Ｖｓｌ１）が高いときのほうが、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが参照電圧Ｖｒｅｆと交差する時刻が早くなる。
【００５５】
ドレイン−ソース間電流Ｉｄｓが流れ始めたとき（第１時刻ｔａ１）から、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが参照電圧Ｖｒｅｆと交差するまでの時間を経過時間ｔｓｉｇとすると、経過時間ｔｓｉｇは、以下の式（３）で表される。
ｔｓｉｇ  ＝  （Ｖｒｓ−Ｖｒｅｆ）÷Ｉｄｓ×Ｃｉｎｔ
∝  （Ｖｒｓ−Ｖｒｅｆ）÷（Ｖｓｌ１−Ｖｔｈ）２      …（３）
図２（ｂ）に表したように、比較回路５０は、例えば、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが参照電圧Ｖｒｅｆよりも高いときに低電圧ＶＬを出力し、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが参照電圧Ｖｒｅｆよりも低いときに高電圧ＶＨを出力する。すなわち、第３比較回路５０の出力である第３電気信号ｓｇ３は、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが参照電圧Ｖｒｅｆよりも高いときに低電圧ＶＬであり、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが参照電圧Ｖｒｅｆよりも低いときに高電圧ＶＨである。ただし、本実施形態はこれに限らず比較回路５０は、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが参照電圧Ｖｒｅｆよりも低いときに高電圧ＶＨを出力し、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが参照電圧Ｖｒｅｆよりも高いときに低電圧ＶＬを出力しても良い。
【００５６】
ここで、図２（ｃ）に表したように、カウンタ回路６５は、行選択回路３０５が赤外線検出画素１１０を選択し、ドレイン−ソース間電流Ｉｄｓが流れ始めたとき（第１時刻ｔａ１）から、カウントパルス（第４電気信号ｓｇ４）をラッチ回路６４に供給し始める。
【００５７】
ラッチ回路６４は、ある時間までのカウントパルスの入力個数をメモリすることができる。エッジ検出回路６３は、第３電気信号ｓｇ３のエッジ、すなわち第３電気信号ｓｇ３における低電圧ＶＬから高電圧ＶＨへの遷移タイミングを検出し、この遷移タイミングのときに、ラッチ回路６４はカウントパルスの入力個数をメモリするのをストップさせる役割を持つ。
【００５８】
この方法により、赤外線検出画素１１０が受光した赤外線信号に応じたデジタル値が、ラッチ回路６４に蓄えられる。この動作は、全ての列配線２２０で同時に行われる。
【００５９】
引き続き、全列のラッチ回路６４から、各ビットの信号を順次読み出していく。この選択は列選択回路３０６によって行われる。そして、全ての行配線２１０において上記の動作が順次行われる。
【００６０】
このように、本実施形態に係る赤外線固体撮像素子３１０によれば、赤外線検出画素１１０で検出した赤外線信号（第１電気信号ｓｇ１）を、積分増幅回路４０で積分増幅することで、赤外線信号のノイズを低減できる。
【００６１】
（比較例）  
図３は、比較例の赤外線固体撮像素子の構成を例示する模式図である。  
図３に表したように、比較例の赤外線固体撮像素子３１９も、赤外線検出画素アレイ２５０と、検出回路部２６９と、を備える。比較例においては、検出回路部２６９の構成が、本実施形態に係る赤外線固体撮像素子３１０の検出回路部２６０とは異なる。
【００６２】
比較例の検出回路部２６９には、記憶部４９が設けられている。  
記憶部４９においては、赤外線検出画素１１０の出力である第１電気信号ｓｇ１は、ＣＤＳ回路４９ａに入力され、ＣＤＳ回路４９ａの出力が、サンプルホールド回路４９ｂに入力され、サンプルホールド回路４９ｂの出力がバッファ４９ｃに入力され、バッファ４９ｃの出力は、スイッチ４９ｅを介して、積分器の出力端子４９ｆに接続されている。また、積分器にはスイッチ４９ｄが接続されている。積分器の出力端子４９ｆは、比較器４９ｇの一方の入力端子に接続され、比較器４９ｇの別の入力端子には参照電圧４９ｈが入力されている。
【００６３】
比較器４９ｇの出力は順序回路４９ｉに入力され、順序回路４９ｉの出力は、ｍビットメモリユニット４９ｊ及びｎビットメモリユニット４９ｋに入力される。ｍビットメモリユニット４９ｊ及びｎビットメモリユニット４９ｋには、共通カウンタ４９ｌの出力が入力される。そして、ｍビットメモリユニット４９ｊ及びｎビットメモリユニット４９ｋから、デジタル出力４９ｍが出力される。
【００６４】
このような構成を有する比較例の赤外線固体撮像素子３１９においては、センシング素子に接続されたＡＤ変換器において、センシング素子の信号を初期値として記憶部に保持し、第一の固定信号とその後の第二の固定信号とによって記憶部の充電もしくは放電を行い、記憶部の電気信号の時間変化が計測される。
【００６５】
図４は、比較例の赤外線固体撮像素子の動作を例示する模式図である。  
すなわち、同図の縦軸は、積分器の出力端子４９ｆの電圧Ｖ４９ｆであり、横軸は時間ｔである。そして、同図には、赤外線検出画素１１０の第１電位Ｖｓｌ１が高い第１状態Ｓ１と、第１電位Ｖｓｌ１が低い第２状態Ｓ２と、の動作が例示されている。
【００６６】
図４に表したように、比較例の赤外線固体撮像素子３１９においては、第１時刻ｔａ１よりも前において、積分器の出力端子４９ｆの電圧Ｖ４９ｆが、第１状態Ｓ１と第２状態Ｓ２とで異なる。そして、電圧Ｖ４９ｆは、第１時刻ｔａ１以降に、減少する。このとき、電圧Ｖ４９ｆの減少の傾きは、第１状態Ｓ１と第２状態Ｓ２とで同じである。そして、電圧Ｖ４９ｆが参照電圧Ｖ４９ｈと比較され、第１状態Ｓ１に対応する第２時刻ｔａ２と、第２状態Ｓ２に対応する第３時刻ｔａ３と、が求められ、第２時刻ｔａ２及び第３時刻ｔａ３に基づいてデジタル出力４９ｍが得られる。
【００６７】
図４に例示したように、比較例においては、第１状態Ｓ１における電圧Ｖ４９ｆの減少の傾きは、第２状態Ｓ２における電圧Ｖ４９ｆの減少の傾きと、同じである。そして、第１状態Ｓ１と第２状態Ｓ２との差異は、第１時刻ｔａ１よりも前の電圧の差であり、この電圧の差は小さい。このため、比較例においては、ノイズの影響を受けやすい。すなわち、第１時刻ｔａ１よりも前において、第１状態Ｓ１と第２状態Ｓ２とで、電圧Ｖ４９ｆがノイズを含んでいた場合には、そのノイズがそのまま上記の第２時刻ｔａ２及び第３時刻ｔａ３に影響を与える。
【００６８】
これに対し、図２に例示したように、本実施形態に係る赤外線固体撮像素子３１０においては、時刻ｔａ１よりも前の第２電気信号ｓｇ２（すなわち蓄積容量電圧Ｖｉｎｔ）は、第１状態Ｓ１と第２状態Ｓ２とで同じである。そして、第１時刻ｔａ１以降において、第２電気信号ｓｇ２（すなわち蓄積容量電圧Ｖｉｎｔ）の減少の傾きが、第１状態Ｓ１と第２状態Ｓ２とで異なる。
【００６９】
このように、本実施形態においては、積分型の増幅を行うことで、もし第１電気信号ｓｇ１がノイズを含んでいたとして、積分型の増幅の過程で、ノイズの影響が平均化され、ノイズの影響が抑制される。これにより、ノイズを低減した高感度の赤外線固体撮像素子が得られる。
【００７０】
また、図１に表したように、赤外線固体撮像素子３１０は、さらに制御部２７０を備えることができる。制御部２７０は基板３０１の上に設けても良く、また、基板３０１とは別体として設けても良い。制御部２７０は、複数の行配線２１０のそれぞれに行選択信号ｓｇｓが供給されたときに、リセットゲート配線ＲＧＬにリセットゲート電圧ＶＲＳを供給する。これにより、上記の動作が実施できる。また、制御部２７０は、リセット電圧配線ＶＲＳＬに、リセット電圧Ｖｒｓをさらに供給することもできる。このような制御部は、赤外線固体撮像素子３１０の外部に設けても良く、この場合には、赤外線固体撮像素子３１０は、赤外線固体撮像素子３１０の外部に設けられた制御部から所望の信号を受取り、所望の動作が実行される。
【００７１】
以下、本実施形態に係る赤外線固体撮像素子３１０の赤外線検出画素１１０の構成の例について説明する。  
図５は、本発明の第１の実施形態に係る赤外線固体撮像素子の赤外線検出画素の構成を例示する平面図である。  
図６は、本発明の第１の実施形態に係る赤外線固体撮像素子の赤外線検出画素の構成を例示する模式的断面図である。  
すなわち、図６は、図５のＡ−Ａ’線断面図である。
【００７２】
図５及び図６に表したように、赤外線検出画素１１０は、検出部１３０と、第１支持梁１２１と、第２支持梁１２２と、を有する。
【００７３】
検出部１３０は、赤外線吸収部１３４と、熱電変換部１３５と、を有する。検出部１３０は、基板３０１の上に、基板３０１と離間して設けられる。  
すなわち、赤外線吸収部１３４は、基板３０１の上に、基板３０１と離間して設けられる。赤外線吸収部１３４は、赤外線を吸収する。
【００７４】
熱電変換部１３５は、赤外線吸収部１３４と基板３０１との間に設けられる。熱電変換部１３５も、基板３０１と離間している。熱電変換部１３５は、赤外線吸収部１３４と熱的に接続される。熱電変換部１３５は、赤外線吸収部１３４で吸収された赤外線による温度変化を電気信号に変換する。熱電変換部１３５で変換されて得られた電気信号が、第１電気信号ｓｇ１に対応する。
【００７５】
本具体例では、熱電変換部１３５は２つのｐｎ接合素子、すなわち、第１ｐｎ接合素子１３１及び第２ｐｎ接合素子１３２を有する。第１ｐｎ接合素子１３１は、第１ｐ形半導体層１３１ｐと、第１ｐ形半導体層１３１ｐに接合された第１ｎ形半導体層１３１ｎと、を有する。第２ｐｎ接合素子１３２は、第２ｐ形半導体層１３２ｐと、第２ｐ形半導体層１３２ｐに接合された第２ｎ形半導体層１３２ｎと、を有する。
【００７６】
第１ｐ形半導体層１３１ｐは、コンタクト１３１ａを介して、第１ｐ形半導体層電極１３１ｂに接続される。第２ｎ形半導体層１３２ｎは、コンタクト１３２ａを介して、第２ｎ形半導体層電極１３２ｂに接続される。第１ｎ形半導体層１３１ｎは、コンタクト１３１ｃを介して、接続電極１３１ｂｃに接続される。第２ｐ形半導体層１３２ｐは、コンタクト１３２ｃを介して、接続電極１３１ｂｃに接続される。すなわち、第１ｎ形半導体層１３１ｎは、第２ｐ形半導体層１３２ｐと接続される。
【００７７】
第１ｐｎ接合素子１３１及び第２ｐｎ接合素子１３２には、例えば、ＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）単結晶シリコン層が用いられる。
【００７８】
第１ｐｎ接合素子１３１及び第２ｐｎ接合素子１３２の周囲には、絶縁層１３３が設けられている。絶縁層１３３には、例えば、埋め込み酸化シリコン層が用いられる。
【００７９】
第１支持梁１２１は、検出部１３０の一端に接続され、検出部１３０を基板３０１の上方に支持する。第２支持梁１２２は、検出部１３０の他端に接続され、検出部１３０を基板３０１の上方に支持する。
【００８０】
第１支持梁１２１には、第１導電部１２１ｃが設けられる。第１導電部１２１ｃの一端は、熱電変換部１３５の一端（例えば、第１ｐ形半導体層電極１３１ｂ）に電気的に接続され、第１導電部１２１ｃの他端は、例えば、複数の行配線２１０のいずれかに電気的に接続される。
【００８１】
第２支持梁１２２には、第２導電部１２２ｃが設けられる。第２導電部１２２ｃの一端は、熱電変換部１３５の他端（例えば、第２ｎ形半導体層電極１３２ｂ）に電気的に接続され、第２導電部１２２ｃの他端は、例えば、複数の列配線２２０のいずれかに電気的に接続される。
【００８２】
なお、検出部１３０、第１支持梁１２１及び第２支持梁１２２と、基板３０１と、の間に中空構造１３８が設けられている。中空構造１３８は、基板３０１の一部を除去することによって形成される。
【００８３】
なお、第１支持梁１２１及び第２支持梁１２２は、検出部１３０の周囲を取り囲むように形成されている。第１支持梁１２１及び第２支持梁１２２は、細長い形状を有する。
【００８４】
赤外線吸収部１３４に入射した赤外線に応じて発生した熱に基づいて、熱電変換部１３５において電気信号（第１電気信号ｓｇ１）が生成される。
【００８５】
そして、行配線２１０から、第１支持梁１２１の第１導電部１２１ｃを介して、熱電変換部１３５にバイアス電圧Ｖｄが供給される。熱電変換部１３５を通過した電気信号は、第２支持梁１２２の第２導電部１２２ｃを介して、列配線２２０に伝達される。
【００８６】
なお、上記の構成は一例であり、本発明の実施形態において、赤外線検出画素１１０の構成は任意である。
【００８７】
（第２の実施形態）  
図７は、本発明の第２の実施形態に係る赤外線固体撮像素子の構成を例示する模式図である。  
図７に表したように、本実施形態に係る赤外線固体撮像素子３１１においては、接続部Ｃｐが、第３トランジスタＴｒ３を有している。
【００８８】
第３トランジスタＴｒ３の第３ソースＴｒ３ｓは、第１トランジスタＴｒ１の第１ドレインＴｒ１ｄに電気的に接続される。第３トランジスタＴｒ３の第３ドレインＴｒ３ｄは、蓄積容量Ｃｓの一端に接続される。第３トランジスタＴｒ３の第３ゲートＴｒ３ｇには、駆動パルス信号ＨＡＳＥＬが入力される。
【００８９】
すなわち、第３トランジスタＴｒ３の第３ゲートＴｒ３ｇには、第１ドレインＴｒ１ｄと、蓄積容量Ｃｓの上記の一端と、の電気的接続状態を制御する駆動パルス信号ＨＡＳＥＬが入力される。これにより、本実施形態に係る赤外線固体撮像素子３１１においては、第１ドレインＴｒ１ｄと、蓄積容量Ｃｓの一端と、が接続状態または非接続状態に切り替えられる。
【００９０】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る赤外線固体撮像素子の動作を例示する模式図である。  
図８（ａ）は第２電気信号ｓｇ２を例示し、図８（ｂ）は第３電気信号ｓｇ３を例示し、図８（ｃ）は第４電気信号ｓｇ４を例示し、図８（ｄ）はリセットゲート信号ＲＳを例示し、図８（ｅ）は行選択信号ｓｇｓを例示し、図８（ｆ）は駆動パルス信号ＨＡＳＥＬを例示している。これらの図において横軸は時間ｔである。
【００９１】
図８（ｄ）に表したように、第１時刻ｔｂ１よりも前の期間において、第２トランジスタＴｒ２の第２ゲートＴｒ２ｇに印加されるリセットゲート信号ＲＳは第１リセットゲート電圧ＶＲＳ１に設定される。これにより、蓄積容量Ｃｓにはリセット電圧Ｖｒｓが印加され、蓄積容量Ｃｓが充電される。
【００９２】
図８（ｅ）に表したように、行選択回路３０５は、第１時刻ｔａ１において、行配線２１０を介して、選択された赤外線検出画素１１０に、行選択信号ｓｇｓとしてバイアス電圧Ｖｄを印加する。すなわち、選択された行配線２１０に接続された赤外線検出画素１１０にバイアス電圧Ｖｄが印加される。
【００９３】
これにより、図８（ａ）に表したように、第１の実施形態と同様に、第１トランジスタＴｒ１にドレイン−ソース間電流Ｉｄｓが流れ、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔ（第２電気信号ｓｇ２）は、式（２）で変化する。蓄積容量電圧Ｖｉｎｔは、時間ｔの経過と共に、リセット電圧Ｖｒｓから、単調に減少する。
【００９４】
本実施形態においては、第２時刻ｔｂ２において、接続部Ｃｐの第３トランジスタＴｒ３をオフ状態にする。  
すなわち、図８（ｆ）に表したように、第２時刻ｔｂ２において、第３トランジスタＴｒ３の第３ゲートＴｒ３ｇに入力される駆動パルス信号ＨＡＳＥＬは、低電圧状態とされる。これにより、蓄積容量Ｃｓは、第１トランジスタＴｒ１から切り離される。このときの蓄積容量電圧Ｖｉｎｔを第２時刻蓄積容量電圧Ｖｉｎｔ２とすると、第２時刻蓄積容量電圧Ｖｉｎｔ２は、以下の式（４）で表される。
Ｖｉｎｔ２  ＝  Ｖｒｓ  −Ｉｄｓ×（ｔｂ２−ｔｂ１）÷Ｃｉｎｔ    …（４）
そして、図８（ｄ）に表したように、第２時刻ｔｂ２において、第２トランジスタＴｒ２の第２ゲートＴｒ２ｇに印加されるリセットゲート信号ＲＳを第２リセットゲート電圧ＶＲＳ２に設定する。これにより、蓄積容量Ｃｓの充電が開始される。例えば、第２リセットゲート電圧ＶＲＳ２は、第１リセットゲート電圧ＶＲＳ１よりも低い電圧とされることが望ましい。これにより、第２時刻ｔａ２以降における蓄積容量Ｃｓの充電がゆっくりと行われ、検出精度が高まる。
【００９５】
第２時刻ｔａ２以降における蓄積容量電圧Ｖｉｎｔは、以下の式（５）によって表される。
Ｖｉｎｔ  ＝  Ｖｉｎｔ２  ＋  Ｉｒｓ×ｔｓｉｇ    …（５）
ここで、ｔｓｉｇは、第２時刻ｔａ２以降の経過時間である。そして、電流Ｉｒｓは、第２トランジスタＴｒ２の第２ソースＴｒ２ｓ及び第２ドレインＴｒ２ｄに流れるドレイン−ソース間電流である。
【００９６】
上記の式（４）及び式（５）から、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが参照電圧Ｖｒｅｆと等しくなるまでの経過時間ｔｓｉｇは、以下の関係で表される。
Ｖｒｓ−Ｉｄｓ・ｔ÷Ｃｉｎｔ＋Ｉｒｓ×ｔｓｉｇ  ＝  Ｖｒｅｆ    
すなわち、以下の式（６）が成り立つ。
ｔｓｉｇ＝  （Ｖｒｅｆ−Ｖｒｓ＋Ｉｄｓ・ｔ÷Ｃｉｎｔ）÷Ｉｒｓ
＝  （Ｖｒｅｆ−Ｖｒｓ＋α×（Ｖｓｌ−Ｖｔｈ）２）÷Ｉｒｓ    …（６）
ここで、αは定数である。
【００９７】
すなわち、図８（ａ）に表したように、第１電位Ｖｓｌ１が低いとき（第２状態Ｓ２のとき）は、第３時刻ｔｂ３において、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが、参照電圧Ｖｒｅｆと同じ値になる。第１電位Ｖｓｌ１が高いとき（第１状態Ｓ１のとき）は、第３時刻ｔｂ３よりも後の第４時刻ｔｂ４において、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが、参照電圧Ｖｒｅｆと同じ値になる。すなわち、赤外線信号が高いとき（第１電位Ｖｓｌ１が高いとき）は、赤外線信号が低いとき（第１電位Ｖｓｌ１が低いとき）よりも遅く（後に）、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが参照電圧Ｖｒｅｆと同じになる。
【００９８】
そして、図８（ｂ）に表したように、第２時刻ｔｂ２以降において、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔが、比較回路５０によって、参照電圧Ｖｒｅｆと比較される。比較回路５０は、第３電気信号ｓｇ３として、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔと参照電圧Ｖｒｅｆとの関係に基づいて、低電圧ＶＬまたは高電圧ＶＨを出力する。
【００９９】
そして、図８（ｃ）に表したように、カウンタ回路６５は、行選択回路３０５が赤外線検出画素１１０を選択し、ドレイン−ソース間電流Ｉｄｓが流れ始めたとき（第１時刻ｔｂ１）から、カウントパルス（第４電気信号ｓｇ４）をラッチ回路６４に供給し始める。
【０１００】
エッジ検出回路６３により、第３電気信号ｓｇ３における低電圧ＶＬから高電圧ＶＨへの遷移タイミングが検出され、この遷移タイミングのときにラッチ回路６４はカウントパルスの入力個数をメモリするのをストップさせる。
【０１０１】
このような動作が、全ての列配線２２０で同時に行われ、また、全ての行配線２１０で順次で行われる。
【０１０２】
第１の実施形態に関する式（３）においては、経過時間ｔｓｉｇが第１電位Ｖｓｌ１の−２乗に比例するのに対して、第２の実施形態に関する式（６）においては、経過時間ｔｓｉｇ２は、第１電位Ｖｓｌ１の２乗に比例する。第１電位Ｖｓｌ１が、（Ｖｓｌ１＋ΔＶｓｌ）と、微小に変化した場合の経過時間の変化は、式（３）においては、第１電位Ｖｓｌ１の−３乗に比例するが、式（６）においては、第１電位Ｖｓｌ１の１乗に比例することになる。
【０１０３】
すなわち、式（６）が適用される本実施形態に係る赤外線固体撮像素子３１１においては、小信号特性が優れる。赤外線固体撮像素子３１１においては、熱電変換の変換率が、第１電位Ｖｓｌ１に依存して線形に変化するため、ＡＤ変換特性回路の線形性という点でより望ましい。
【０１０４】
赤外線固体撮像素子３１１によれば、ノイズを低減し、線形特性で高感度の赤外線固体撮像素子が提供できる。
【０１０５】
なお、上記の動作は、制御部２７０によって実施できる。すなわち、図７に表したように、赤外線固体撮像素子３１１における制御部２７０は、第３トランジスタＴｒ３に駆動パルス信号ＨＡＳＥＬをさらに供給することができる。なお、このような動作を実施する制御部は、赤外線固体撮像素子３１１の外部に設けても良く、この場合には、赤外線固体撮像素子３１１は、赤外線固体撮像素子３１１の外部に設けられた制御部から所望の信号を受取り、所望の動作が実行される。
【０１０６】
（第３の実施の形態）  
図９は、本発明の第３の実施形態に係る赤外線固体撮像素子の構成を例示する模式図である。  
図９に表したように、本実施形態に係る赤外線固体撮像素子３１２においては、赤外線検出画素アレイ２５０は、複数の赤外線検出画素１１０における赤外線の感度よりも赤外線の感度が低い低感度画素１１０ａをさらに有している。そして、低感度画素１１０ａの低感度画素電気信号ｓｇ１ａに基づく信号が、比較回路５０の第２電気信号ｓｇ２が入力される入力部に入力される。
【０１０７】
すなわち、検出回路部２６０は、複数の定電流源４１をさらに有する。複数の定電流源４１のそれぞれは、複数の積分増幅回路４０と、複数の比較回路５０と、をそれぞれ接続する複数の配線のそれぞれに接続される。
【０１０８】
複数の定電流源４１のそれぞれには、低感度画素１１０ａの低感度画素電気信号ｓｇ１ａが入力される。複数の定電流源４１のそれぞれは、低感度画素１１０ａの低感度画素電気信号ｓｇ１ａに基づく信号を、複数の蓄積容量Ｃｓのそれぞれの上記の一端のそれぞれに供給する。
【０１０９】
低感度画素１１０ａには、例えばｐｎ接合素子を用いることができる。低感度画素１１０ａは、例えば赤外線検出画素１１０の構成と類似の構成を有しているが、低感度画素１１０ａには、例えば赤外線を反射する反射膜が設けられており、低感度画素１１０ａにおける赤外線の感度は、赤外線検出画素１１０における赤外線の感度よりも低い。低感度画素１１０ａは、例えば、受光する赤外線に関して感度が実質的に無い、無感度画素である。ただし、本実施形態はこれに限らず、低感度画素１１０ａにおける赤外線の感度が、赤外線検出画素１１０における赤外線の感度よりも低ければ良い。
【０１１０】
低感度画素１１０ａの一端には、低感度画素駆動回路４２が接続されている。低感度画素駆動回路４２により、低感度画素１１０ａに低感度画素駆動信号ｓｇｓａが印加される。低感度画素駆動信号ｓｇｓａは、所定の期間、低感度画素用バイアス電圧Ｖｄａとなる。
【０１１１】
低感度画素１１０ａの他端は、低感度画素用負荷トランジスタ３１ａのドレインに接続されている。低感度画素１１０ａにおいては、受光した赤外線とは関係の無い、例えば、赤外線固体撮像素子３１２の温度などを反映する信号である低感度画素電気信号ｓｇ１ａが生成される。すなわち、低感度画素１１０ａのアノードには、低感度画素駆動回路４２によって低感度画素用バイアス電圧Ｖｄａが印加され、低感度画素１１０ａに流れる電流値は、低感度画素用負荷トランジスタ３１ａによって定められる。これにより、低感度画素電気信号ｓｇ１ａが生成される。
【０１１２】
低感度画素電気信号ｓｇ１ａは、複数の定電流源４１のそれぞれに供給される。定電流源４１のそれぞれにより、低感度画素１１０ａの低感度画素電気信号ｓｇ１ａに基づく電流が、複数の蓄積容量Ｃｓの一端（すなわち、接続部Ｃｐの他端）に供給される。
【０１１３】
定電流源４１においては、低感度画素１１０ａの出力である低感度画素電気信号ｓｇ１ａの第２電位Ｖｓｌ２が、赤外線検出画素１１０の出力である第１電気信号ｓｇ１の第１電位Ｖｓｌ１と等しいときに、第１トランジスタＴｒ１と同じ電流（ドレイン−ソース間電流Ｉｄｓ）を流すように調整されている。
【０１１４】
なお、本具体例では、接続部Ｃｐとして、第３トランジスタＴｒ３が用いられているが、接続部Ｃｐは、図１に例示した単純な配線でも良い。
【０１１５】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る赤外線固体撮像素子の動作を例示する模式図である。  
図１０（ａ）は第２電気信号ｓｇ２を例示し、図１０（ｂ）は第３電気信号ｓｇ３を例示し、図１０（ｃ）は第４電気信号ｓｇ４を例示し、図１０（ｄ）はリセットゲート信号ＲＳを例示し、図１０（ｅ）は行選択信号ｓｇｓを例示し、図１０（ｆ）は駆動パルス信号ＨＡＳＥＬを例示し、図１０（ｇ）は、低感度画素駆動信号ｓｇｓａを例示している。
【０１１６】
図１０（ａ）においては、赤外線検出画素１１０におけるオフセット電圧が小さいときに、赤外線検出画素１１０に強度が高い赤外線が照射したときの第１状態Ｓ１の特性と、赤外線検出画素１１０におけるオフセット電圧が小さいときに、赤外線検出画素１１０に強度が低い赤外線が照射したときの第２状態Ｓ２の特性と、が例示されている。さらに、赤外線検出画素１１０におけるオフセット電圧が大きいときに、赤外線検出画素１１０に強度が高い赤外線が照射したときの第３状態Ｓ３の特性と、赤外線検出画素１１０におけるオフセット電圧が大きいときに、赤外線検出画素１１０に強度が低い赤外線が照射したときの第４状態Ｓ４の特性と、が例示されている。
【０１１７】
図１０（ｄ）に表したように、第１時刻ｔｃ１よりも前において、リセットゲート信号ＲＳは、リセットゲート電圧ＶＲＳ（第１リセットゲート電圧ＶＲＳ１）であり、蓄積容量Ｃｓには、リセット電圧Ｖｒｓ印加される。
【０１１８】
図１０（ｅ）に表したように、第１時刻ｔｃ１において、行選択信号ｓｇｓとしてバイアス電圧Ｖｄが印加され、蓄積容量Ｃｓの蓄積容量電圧Ｖｉｎｔは時間ｔとともに減少する。なお、図１０（ｆ）に表したように、駆動パルス信号ＨＡＳＥＬには高電圧が印加され、第３トランジスタＴｒ３はオン状態である。
【０１１９】
図１０（ｇ）に表したように、第２時刻ｔｃ２において、低感度画素駆動信号ｓｇｓａは、低感度画素用バイアス電圧Ｖｄａとされる。これにより、蓄積容量Ｃｓは充電される。
【０１２０】
このとき、図１０（ａ）に表したように、赤外線検出画素１１０におけるオフセット電圧が小さいときに、赤外線検出画素１１０に強度が低い赤外線が照射したときの第２状態Ｓ２においては、第３時刻ｔｃ３において、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔは参照電圧Ｖｒｅｆの値に到達する。そして、赤外線検出画素１１０におけるオフセット電圧が大きいときに、赤外線検出画素１１０に強度が低い赤外線が照射したときの第４状態Ｓ４においても、第３時刻ｔｃ３において、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔは参照電圧Ｖｒｅｆの値に到達する。すなわち、オフセット電圧の大小に係わらず、赤外線の強度が低い場合は、第３時刻ｔｃ３に、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔは参照電圧Ｖｒｅｆの値に到達する。
【０１２１】
一方、赤外線検出画素１１０におけるオフセット電圧が小さいときに、赤外線検出画素１１０に強度が高い赤外線が照射したときの第１状態Ｓ１においては、第４時刻ｔｃ４において、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔは参照電圧Ｖｒｅｆの値に到達する。そして、赤外線検出画素１１０におけるオフセット電圧が大きいときに、赤外線検出画素１１０に強度が高い赤外線が照射したときの第３状態Ｓ３においても、第４時刻ｔｃ４において、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔは参照電圧Ｖｒｅｆの値に到達する。すなわち、オフセット電圧の大小に係わらず、赤外線の強度が高い場合は、第４時刻ｔｃ４に、蓄積容量電圧Ｖｉｎｔは参照電圧Ｖｒｅｆの値に到達する。
【０１２２】
図１０（ｂ）に表したように、比較回路５０において、第３時刻ｔｃ３と第４時刻ｔｃ４とが検出され、図１０（ｃ）に表したように、第３時刻ｔｃ３と第４時刻ｔｃ４との差がパルスの数としてカウントされ、デジタル出力６４Ｄが得られる。
【０１２３】
本実施形態に係る赤外線固体撮像素子３１２によれば、赤外線検出画素１１０に比べ赤外線に対する感度が低い（例えば赤外線に対して実質的に感度を持たない）低感度画素１１０ａを用いることで、赤外線検出画素１１０のオフセット電圧に依存しないデジタル値が得られる。すなわち、赤外線固体撮像素子３１２の周囲の環境の変化などによって変化するオフセット電圧を補償することで、安定した動作が得られる。赤外線固体撮像素子３１２によれば、ノイズを低減し、高安定動作で、高感度の赤外線固体撮像素子が得られる。
【０１２４】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る赤外線固体撮像素子の赤外線検出画素の構成を例示する模式的断面図である。  
図１１に表したように、低感度画素１１０ａにおいては、図６に例示した赤外線検出画素１１０の構造において、赤外線吸収部１３４の上に（基板３０１とは反対の側に）、赤外線反射膜１３６が設けられている。なお、本具体例では、赤外線反射膜１３６の上にさらに絶縁膜１３７が設けられている。
【０１２５】
すなわち、赤外線固体撮像素子３１２においては、赤外線検出画素１１０のそれぞれは、基板３０１と離間して設けられた検出部１３０を有し、検出部１３０は、赤外線を吸収する赤外線吸収部１３４と、赤外線吸収部１３４と基板３０１との間に設けられ、基板３０１と離間し、赤外線吸収部１３４と熱的に接続され、赤外線吸収部１３４で吸収された赤外線による温度変化を電気信号に変換する熱電変換部１３５と、を有し、低感度画素１１０ａは、赤外線を反射する赤外線反射膜１３６を有する。
【０１２６】
これにより、低感度画素１１０ａにおける赤外線の感度は、赤外線検出画素１１０における赤外線の感度よりも低くなる。例えば、低感度画素１１０ａは、赤外線に対して実質的に感度を持たなくなる。
【０１２７】
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る別の赤外線固体撮像素子の赤外線検出画素の構成を例示する模式的断面図である。  
図１２に表したように、赤外線固体撮像素子３１３の低感度画素１１０ａにおいては、熱電変換部（低感度熱電変換部１３５ａ）が、基板３０１と接している。  
すなわち、赤外線固体撮像素子３１３においては、赤外線検出画素１１０のそれぞれは、基板３０１と離間して設けられた検出部１３０を有し、検出部１３０は、赤外線を吸収する赤外線吸収部１３４と、赤外線吸収部１３４と基板３０１との間に設けられ、基板３０１と離間し、赤外線吸収部１３４と熱的に接続され、赤外線吸収部１３４で吸収された赤外線による温度変化を電気信号に変換する熱電変換部１３５と、を有し、低感度画素１１０ａは、基板３０１と接して設けられた低感度熱電変換部１３５ａを有する。
【０１２８】
これにより、低感度画素１１０ａにおける赤外線の感度は、赤外線検出画素１１０における赤外線の感度よりも低くなる。例えば、低感度画素１１０ａは、赤外線に対して実質的に感度を持たなくなる。
【０１２９】
なお、上記の実施形態に係る赤外線固体撮像素子においては、赤外線検出画素１１０として、一定の順方向電流を与えることにより温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合素子を用いている。このような赤外線固体撮像素子は、ＳＯＩ基板を用いることによって、シリコンＬＳＩ製造プロセスを用いて量産することができるという特長がある。また、シリコンｐｎ接合素子の整流特性を利用して、行選択の機能を実現しているので画素構造が極めてシンプルであるという特長もある。ただし、本発明の実施形態は、これに限らず、赤外線検出画素１１０に用いる熱電変換部１３５の構成は任意である。
【０１３０】
本発明の実施形態に係る赤外線固体撮像素子によれば、ノイズを低減することができ、赤外線センサの温度分解能を表現するＮＥＴＤ（Noise Equivalent Temperature Difference：等価雑音温度差）を小さくすること、すなわち、雑音に相当する赤外線センサの温度差を小さくすることができる。
【０１３１】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、赤外線固体撮像素子に含まれる赤外線検出画素アレイ、検出回路部、制御部、基板、行配線、列配線、赤外線検出画素、検出部、赤外線吸収部、熱電変換部、支持梁、赤外線反射膜、負荷トランジスタ、低感度画素、積分増幅回路、比較回路、蓄積容量、トランジスタ等の各要素の具体的な構成の、形状、サイズ、材質、配置関係などに関して当業者が各種の変更を加えたものであっても、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１３２】
その他、本発明の実施の形態として上述した赤外線固体撮像素子を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての赤外線固体撮像素子も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１３３】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０１３４】
３１…負荷トランジスタ、  ３１ａ…低感度画素用負荷トランジスタ、  ４０…積分増幅回路、  ４１…定低電流源、  ４２…低感度画素駆動回路、  ４９…記憶部、  ４９ａ…ＣＤＳ回路、  ４９ｂ…サンプルホールド回路、  ４９ｃ…バッファ、  ４９ｄ、４９ｅ…スイッチ、  ４９ｆ…出力端子、  ４９ｇ…比較器、  ４９ｈ…参照電圧、  ４９ｉ…順序回路、  ４９ｊ…ｍビットメモリユニット、  ４９ｋ…ｎビットメモリユニット、  ４９ｌ…共通カウンタ、  ４９ｍ…デジタル出力、  ５０…比較回路、  ６３…エッジ検出回路、  ６４…ラッチ回路、  ６４Ｄ…デジタル出力、  ６５…カウンタ回路、  １１０…赤外線検出画素、  １１０ａ…低感度画素、  １２１…第１支持梁、  １２１ｃ…第１導電部、  １２２…第２支持梁、  １２２ｃ…第２導電部、  １３０…検出部、  １３１…第１ｐｎ接合素子、  １３１ａ…コンタクト、  １３１ｂ…第１ｐ形半導体層電極、  １３１ｂｃ…接続電極、  １３１ｃ…コンタクト、  １３１ｎ…第１ｎ形半導体層、  １３１ｐ…第１ｐ形半導体層、  １３２…第２ｐｎ接合素子、  １３２ａ…コンタクト、  １３２ｂ…第２ｎ形半導体層電極、  １３２ｃ…コンタクト、  １３２ｎ…第２ｎ形半導体層、  １３２ｐ…第２ｐ形半導体層、  １３３…絶縁層、  １３４…赤外線吸収部、  １３５…熱電変換部、  １３５ａ…低感度熱電変換部、  １３６…赤外線反射膜、  １３７…絶縁膜、  １３８…中空構造、  ２１０…行配線、  ２２０…列配線、  ２５０…赤外線検出画素アレイ、  ２６０、２６９…検出回路部、  ２７０…制御部、  ３０１…基板、  ３０５…行選択回路、  ３０６…列選択回路、  ３１０、３１１、３１２、３１３、３１９…赤外線固体撮像素子、  Ｃｐ…接続部、  Ｃｓ…蓄積容量、  ＧＬ１…固定電位配線、  ＨＡＳＥＬ…駆動パルス信号、  ＲＧＬ…リセットゲート配線、  ＲＳ…リセットゲート信号、  Ｓ１〜Ｓ４…第１〜第４状態、  ＳＳ…セット電圧、  ＳＳＬ…セット電圧配線、  Ｔｒ１〜Ｔｒ３…第１〜第３トランジスタ、  Ｔｒ１ｄ〜Ｔｒ３ｄ…第１〜第３ドレイン、  Ｔｒ１ｇ〜Ｔｒ３ｇ…第１〜第３ゲート、  Ｔｒ１ｓ〜Ｔｒ３ｓ…第１〜第３ソース、  Ｖ４９ｆ…電圧、  Ｖ４９ｈ…参照電圧、  ＶＨ…高電圧、  ＶＬ…低電圧、  ＶＲＥＦＬ…参照電圧配線、  ＶＲＳ…リセットゲート電圧、  ＶＲＳ１、ＶＲＳ２…第１及び第２リセットゲート電圧、  ＶＲＳＬ…リセットゲート配線、  ＶＳ…リセットソース信号、  Ｖｄ…バイアス電圧、  Ｖｄａ…低感度画素用バイアス電圧、  Ｖｆ…直列電圧、  Ｖｉｎｔ…蓄積容量電圧、  Ｖｉｎｔ２…第２時刻蓄積容量電圧、  Ｖｒｅｆ…参照電圧、  Ｖｒｓ…リセット電圧、  Ｖｓｌ０…暗状態電位、  Ｖｓｌ１、Ｖｓｌ２…第１及び第２電位、  ｓｇ１〜ｓｇ４…第１〜第４電気信号、  ｓｇ１ａ…低感度画素電気信号、  ｓｇｓ…行選択信号、  ｓｇｓａ…低感度画素駆動信号、  ｔ…時間、  ｔａ１、ｔｂ１、ｔｃ１…第１時刻、  ｔａ２、ｔｂ２、ｔｃ２…第２時刻、  ｔａ３、ｔｂ３、ｔｃ３…第３時刻、  ｔａ４、ｔｂ４、ｔｃ４…第４時刻
【図１】
2011188140.tif 000003
【図２】
2011188140.tif 000004
【図３】
2011188140.tif 000005
【図４】
2011188140.tif 000006
【図５】
2011188140.tif 000007
【図６】
2011188140.tif 000008
【図７】
2011188140.tif 000009
【図８】
2011188140.tif 000010
【図９】
2011188140.tif 000011
【図１０】
2011188140.tif 000012
【図１１】
2011188140.tif 000013
【図１２】
2011188140.tif 000014