(57)【要約】【課題】より簡単な構成で赤外線を検出することができるようにする。【解決手段】赤外線検出素子は、半導体基板に形成されたソース領域及びドレイン領域と、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜としての赤外線吸収膜と、ゲート絶縁膜上に、赤外線に対して透明な電極で形成されたゲート電極とを備え、ゲート電極に所定の電圧が印加されたとき、ソース領域とドレイン領域との間で所定の電流が流れるように構成される。本開示の技術は、例えば、熱画像撮像センサ等に適用できる。【選択図】図２
2015108545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜としての赤外線吸収膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、赤外線に対して透明な電極で形成されたゲート電極と
を備え、
前記ゲート電極に所定の電圧が印加されたとき、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で所定の電流が流れるように構成された
赤外線検出素子。
【請求項２】
前記赤外線吸収膜の赤外線吸収に伴う温度上昇による誘電率の変化を、ゲート容量変化として検出するように構成された
請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記ゲート容量変化を、ドレイン電流変化として検出するように構成された
請求項２に記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記ゲート電極は、グラフェンを用いて形成される
請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
前記赤外線吸収膜の誘電率の温度係数は正の値である
請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
チャネル幅とチャネル長が、検出する赤外線の波長に応じた長さである
請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
２次元アレイ状に複数配列されている
請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項８】
隣の赤外線検出素子との間に、溝部が形成されている
請求項７に記載の赤外線検出素子。
【請求項９】
前記赤外線吸収膜には、その前面に配置された少なくとも可視光をカットするカットフィルタを通った光が入射される
請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項１０】
半導体基板に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜としての赤外線吸収膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、赤外線に対して透明な電極で形成されたゲート電極と
を備える赤外線検出素子が、
前記赤外線吸収膜の赤外線吸収に伴う温度上昇による誘電率の変化を、ゲート容量変化として検出する
赤外線検出方法。
【請求項１１】
半導体基板に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜としての赤外線吸収膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、赤外線に対して透明な電極で形成されたゲート電極と
を備え、
前記ゲート電極に所定の電圧が印加されたとき、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で所定の電流が流れるように構成された
赤外線検出素子
を備える電子機器。
【請求項１２】
前記赤外線検出素子が複数配列されている熱画像撮像センサを備える
請求項１１に記載の電子機器。
【請求項１３】
前記赤外線検出素子と可視光検出素子が混在する熱画像撮像センサを備える
請求項１１に記載の電子機器。
【請求項１４】
少なくとも可視光をカットするカットフィルタをさらに備え、
前記カットフィルタを通った光が前記赤外線検出素子に入射される
請求項１１に記載の電子機器。
【請求項１５】
前記赤外線検出素子に入射される光を遮光するシャッタをさらに備える
請求項１１に記載の電子機器。
【請求項１６】
前記赤外線検出素子の基準温度を計測する基準温度計測部をさらに備え、
計測された前記基準温度に、前記赤外線検出素子で検出された温度変化量を加算することにより、測定対象の絶対温度が計算される
請求項１１に記載の電子機器。
【請求項１７】
前記赤外線検出素子により検出されるドレイン電流変化量と前記温度変化量とを対応付けたテーブルを有し、
計測された前記基準温度に、前記テーブルを用いて算出された前記温度変化量を加算することにより、測定対象の絶対温度が計算される
請求項１６に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、赤外線検出素子およびその検出方法、並びに電子機器に関し、特に、より簡単な構成で赤外線を検出することができるようにする赤外線検出素子およびその検出方法、並びに電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠赤外線検出素子としてはボロメータが一般的に使われている。ボロメータは、熱による抵抗変化を検出する素子構造を持ち、検出感度が高いという特長を有している。しかし、素子温度を一定にするためにペルチェ素子による冷却が必要なため、消費電力が大きく、センサとして大型で重くなってしまう。また、熱画像信号のS/N（温度解像度）は、背景輻射の影響を受け易く、測定には温度に対する画素毎の定期キャリブレーションが必要である。そのため、大容量メモリが必要となり、さらにキャリブレーション時には画像が途切れる。MEMS型の特殊な構造をとるので、固体素子のような量産性はない。結果として、消費電力が大きく、高価かつ大型で重い。そのため、遠赤外線検出の普及が進まず、利用の裾野が広がらず、特殊用途の域を出ない現状がある。
【０００３】
遠赤外線検出として、可視光検出に一般に用いられる光電変換の原理を使う場合、半導体等で形成した固体素子を使うことができるが、遠赤外線（波長10μm程度）のエネルギーが120 meVと小さいため、液体窒素温度以下に固体素子を冷却する必要がある。
【０００４】
FET（field-effect transistor）を用いた光合成利用のイメージャとして、ゲート電極上に分子ワイヤで光合成中心を接続し、受光における光合成の光励起電位でゲート電位を変調して撮像するものがある（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、このイメージャでは、検出波長が、バイオ分子が光合成できる波長に限定されるため、可視光単一波長に限定され、遠赤外線は検出できない。また、溶液系で構成しなければならず、バイオ材料を用いるので耐久性が低い。光励起電位が小さく、感度が低く、S/N比も小さい。
【０００６】
空間光変調型の遠赤外線センサもいくつか提案されている（例えば、非特許文献２，特許文献１，２参照）。空間光変調型とは、遠赤外線の吸収による誘電体の温度変化を、その誘電率の変化を通じて検出することで熱画像を得る手法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０５−２７３５０３号公報
【特許文献２】特開２００９−０４２１６４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】“Bio-photosensor: Cyanobacterial photosystem I coupled with transistor via molecular wire”,  Biochimica et Biophysica Acta Volume 1767 (2007) ,p.653-659
【非特許文献２】T. Okamoto, et al., Optics letters 18, p.1570 (1993)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、これまでの空間光変調型の遠赤外線センサは、すべて誘電体の温度変化を光学的に検出する原理であるため、光学的機構が必要であった。そのため、構造が複雑になり、部品点数も多かった。
【００１０】
本開示は、このような状況に鑑みてなされたものであり、より簡単な構成で赤外線を検出することができるようにするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の第１の側面の赤外線検出素子は、半導体基板に形成されたソース領域及びドレイン領域と、前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜としての赤外線吸収膜と、前記ゲート絶縁膜上に、赤外線に対して透明な電極で形成されたゲート電極とを備え、前記ゲート電極に所定の電圧が印加されたとき、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で所定の電流が流れるように構成されたものである。
【００１２】
本開示の第２の側面の赤外線検出方法は、半導体基板に形成されたソース領域及びドレイン領域と、前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜としての赤外線吸収膜と、前記ゲート絶縁膜上に、赤外線に対して透明な電極で形成されたゲート電極とを備える赤外線検出素子が、前記赤外線吸収膜の赤外線吸収に伴う温度上昇による誘電率の変化を、ゲート容量変化として検出する。
【００１３】
本開示の第３の側面の電子機器は、半導体基板に形成されたソース領域及びドレイン領域と、前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜としての赤外線吸収膜と、前記ゲート絶縁膜上に、赤外線に対して透明な電極で形成されたゲート電極とを備える赤外線検出素子を備え、前記ゲート電極に所定の電圧が印加されたとき、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で所定の電流が流れるように構成されたものである。
【００１４】
本開示の第１及び第３の側面においては、半導体基板に形成されたソース領域及びドレイン領域と、前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜としての赤外線吸収膜と、前記ゲート絶縁膜上に、赤外線に対して透明な電極で形成されたゲート電極とが設けられ、前記ゲート電極に所定の電圧が印加されたとき、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で所定の電流が流れるように構成されている。
【００１５】
本開示の第２の側面においては、半導体基板に形成されたソース領域及びドレイン領域と、前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜としての赤外線吸収膜と、前記ゲート絶縁膜上に、赤外線に対して透明な電極で形成されたゲート電極とを備える赤外線検出素子において、前記赤外線吸収膜の赤外線吸収に伴う温度上昇による誘電率の変化が、ゲート容量変化として検出される。
【００１６】
赤外線検出素子及び電子機器は、独立した装置であっても良いし、他の装置に組み込まれるモジュールであっても良い。
【発明の効果】
【００１７】
本開示の第１乃至第３の側面によれば、より簡単な構成で赤外線を検出することができる。
【００１８】
なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本開示に係る赤外線検出素子を含む熱線検出機構を示す図である。
【図２】赤外線検出素子の構成例を示す図である。
【図３】赤外線検出素子の上面図である。
【図４】IR吸収膜の温度依存性を示す図である。
【図５】赤外線検出素子における検出動作を説明する図である。
【図６】赤外線検出素子のドレイン電流IDとドレイン電圧VDの関係を示す図である。
【図７】チャネル温度の上昇を加味したドレイン電流IDとドレイン電圧VDの関係を示す図である。
【図８】SOI基板を用いた赤外線検出素子の構成例を示す図である。
【図９】その他の撮像センサの例を示す図である。
【図１０】本開示に係る電子機器としての熱画像撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
＜熱画像撮像センサの構成＞
図１は、本開示に係る赤外線検出素子を含む熱線検出機構を示す図である。
【００２１】
図１に示される熱線検出機構は、シャッタ１、IR用レンズ２、カットフィルタ３、及び、熱画像撮像センサ４を含んで構成される。
【００２２】
シャッタ１は、開閉動作により、IR用レンズ２への光の入射を制御（遮光／通過）する。IR用レンズ２は、少なくとも赤外線を透過させる材料で形成された集光レンズであり、シャッタ１が開状態のとき入射されてくる光（入射光）を、熱画像撮像センサ４に集光させる。カットフィルタ３は、入射光のうち、可視光と近赤外線をカットして、遠赤外線（FIR:far infrared）のみを透過させる。
【００２３】
熱画像撮像センサ４は、半導体として例えばシリコン（Si）を用いた半導体基板１１に、画素としての赤外線検出素子１２が２次元アレイ状に配列されて構成されている。シャッタ１、IR用レンズ２、及びカットフィルタ３を通過してきた遠赤外線は、２次元アレイ状に配列された各赤外線検出素子１２に入射される。
【００２４】
＜赤外線検出素子の構成＞
図２は、赤外線検出素子１２の構成例を示している。
【００２５】
赤外線検出素子１２においては、例えば、ｐ型（第１導電型）の半導体基板１１に、高濃度の不純物をイオン注入することにより形成されたｎ型（第２導電型）の半導体領域であるドレイン領域３１とソース領域３２が形成されている。また、半導体基板１１上には、ゲート絶縁膜３３を介してゲート電極３４が形成されている。赤外線検出素子１２では、ゲート電極３４に所定の電圧が印加されたとき、チャネル３５を介して、ドレイン領域３１とソース領域３２との間で所定の電流が流れるように構成されている。
【００２６】
したがって、熱画像撮像センサ４の１画素を構成する赤外線検出素子１２は、MOSFET（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）と同一の構造を有している。ただし、ゲート絶縁膜３３とゲート電極３４の材料が、一般的なMOSFETと異なる。
【００２７】
具体的には、ゲート絶縁膜３３としては、遠赤外線を吸収する材料であるIR吸収膜が形成されている。IR吸収膜の材料には、例えば、アクリル樹脂（PMMA）、窒化ケイ素膜、カルコバライト系、液晶分子膜、フォトクロミック材料、ガラス、色素有機膜（色素の利得媒質）、量子ドット（Si等）を分散させた薄膜、IRカットフィルタとして使われる材料、熱線遮蔽材料など、誘電率の温度変化が大きい各種の材料を用いることができる。
【００２８】
なお、チャネル３５とゲート絶縁膜３３の界面は、界面準位形成等によりノイズ源になる懸念があるため、ゲート絶縁膜３３形成によるチャネル３５界面のダメージを減らし、界面準位形成を抑制することを考えると、ゲート絶縁膜３３には有機系材料が望ましい。ゲート絶縁膜３３の厚みは、遠赤外線に対する吸収係数に応じて適宜設定することができる。厚みに対する制限は特にないが、厚すぎると赤外線吸収による温度上昇、及び、放熱による温度リセットに時間がかかるので、数μm以下が望ましい。遠赤外線の吸収係数が大きく、誘電率の温度依存性が非線形で温度係数が大きい程、高感度の検出が可能となる。
【００２９】
一方、ゲート電極３４の材料には、例えば、グラフェン（Graphene）などの遠赤外線を透過させる透明性の導電材料が用いられている。グラフェンは、透過率が光の波長によらず97乃至98%程度であり、ゲート電極３４の材料として好適である。その他、ゲート電極３４の材料としては、不純物をドープしたZnO系材料、ITO（インジウム錫オキサイド）などでもよい。
【００３０】
赤外線検出素子１２の隣接する他の赤外線検出素子１２との境界部には、隣りの画素に熱が拡散することを防止するための溝部３６が形成されている。なお、溝部３６は、チッピング防止などのため、所定の材料で埋めてもよい。
【００３１】
チャネル３５は、基板表面から数nm程度の領域であるため、画素を物理的（空間的）に分離する必要はなく、溝部３６により、基板表面における熱伝導を防止できれば十分である。それ故、一つの半導体基板１１の上に多数の赤外線検出素子１２を半導体プロセスで形成できるため、製造が容易となり、遠赤外線検出器を安価に量産することができる。
【００３２】
なお、半導体基板１１とゲート絶縁膜３３との間には、SiO2等の絶縁層を形成してもよい。
【００３３】
図３は、ドレイン領域３１、ソース領域３２、ゲート絶縁膜３３、及びゲート電極３４の配置関係を示す、赤外線検出素子１２の上面図である。
【００３４】
１画素のサイズは、例えば、検出する赤外線の波長程度の大きさに応じて設定される。具体的には、遠赤外線の波長が10μm程度であるので、図３に示されるチャネル幅Wとチャネル長Lも、10μm程度に設定される。ただし、これに限定されるものではない。１画素のサイズは、検出する赤外線の波長よりも大きいサイズでも構わないし、小さいサイズでも構わない。また、検出する赤外線の波長よりも小さいサイズの画素を複数配列して、複数画素全体を１つの画素として処理してもよい。すなわち、画素サイズは、アプリケーションに応じて適宜決定することができる。
【００３５】
図４は、ゲート絶縁膜３３としてのIR吸収膜の温度依存性を示している。ただし、図４は、IR吸収膜の誘電率の温度係数が正の値の例である。
【００３６】
入射された遠赤外線は、ゲート電極３４を通過してゲート絶縁膜３３に吸収されるが、このとき、ゲート絶縁膜３３の温度が上昇する。そして、IR吸収膜の誘電率の温度係数が正の値である場合、この温度上昇により、ゲート絶縁膜３３の誘電率εgが増加する。図４の例では、温度がΔTだけ上昇したとき、誘電率εgがΔεだけ増加する。赤外線検出素子１２は、遠赤外線吸収時のゲート絶縁膜３３の誘電率変化を、ゲート容量変化として、ドレイン電流変化により検出する。
【００３７】
FETのドレイン電流IDは、ドレイン電圧VDに対する線形領域においてID =μ(W/L)Cg(VG-Vth)VDと表される。ここで、μはキャリヤの移動度、Wはチャネル幅、Lはチャネル長、Cgはゲート容量、VGはゲート電圧、Vthは閾値電圧、VDはドレイン電圧である。
【００３８】
また、MOSのゲート容量Cgは簡易的にCg = εg S/dと表される。ここで、εgはゲート絶縁膜３３の誘電率、Sはゲート電極３４と対向するチャネル３５の面積、dはゲート絶縁膜３３の厚みである。
【００３９】
従って、温度変化による誘電率εgの変化量Δεgはゲート容量Cgの変化となり、ゲート容量Cgの変化量ΔCgは、ドレイン電流IDの変化量ΔIDとして検出される。
【００４０】
以上により、遠赤外線吸収時のゲート絶縁膜３３の温度変化ΔTを、ドレイン電流IDの変化量ΔIDとして検出することができる。例えば、誘電率εgの温度係数を、0.1%/℃とすると、ID=1mAのとき、ΔT=10mKでΔID=1μAとなり、十分実用可能である。
【００４１】
図５を参照して、赤外線検出素子１２における検出動作を説明する。
【００４２】
初めに、時刻t1において、ゲート電圧VG及びドレイン電圧VDが印加され、赤外線検出素子１２がONにされる。これにより、赤外線検出素子１２には一定のドレイン電流ID’が流れ、赤外線検出素子１２の温度が安定する。この時点で、チャネル３５の温度とゲート絶縁膜（IR吸収膜）３３の温度は同一になる。この温度安定時のドレイン電流ID’が基準値となる。
【００４３】
次に、時刻t2において、シャッタ１が開状態とされることで、遠赤外線の受光（熱画像撮影）が開始される。
【００４４】
ゲート絶縁膜３３において、遠赤外線吸収による温度上昇とともにドレイン電流IDが増加していき、基準値ID’から変化量ΔID’だけ上昇したところで、熱平衡状態に達し、安定する。
【００４５】
そして、時刻t3において、シャッタ１が閉状態とされると、ゲート絶縁膜３３の熱は半導体基板１１側あるいはゲート電極３４を介して素早く放熱され、元の基準値ID’に戻る。これにより、撮像後の残像を防ぐことができる。
【００４６】
ドレイン電流IDには、通常、バックグラウンドノイズ（ホワイトノイズ）が重畳するが、時間積分することでこれを相殺し、信号成分のみを電荷量として取り出すことができる。
【００４７】
シャッタ１が開状態とされている時間をたとえば1msecとすれば、上記のドレイン電流IDの変化量ΔID が 1μA（ΔID = 1μA）のとき、得られる信号電荷量（電子の個数）は、理想的には、1μA×1ms / e- = 6.3E9個となる。立ち上がり時間や熱の放出によるドレイン電流IDの変化量ΔIDの低下、ノイズ補正等を考慮しても、検出するのに十分な電子数を得ることができる。
【００４８】
すなわち、赤外線検出素子１２は、その素子上での10mKの温度変化を検出可能であり（温度分解能に相当）、ボロメータを上回る温度検出能力を得ることができる。
【００４９】
また、上記の遠赤外線検出原理によれば、ドレイン電流IDの相対変化を検出するため、ベースラインの変動は問題にならず、基本的な使い方としては素子温度を一定に保つ必要はない。したがって、赤外線検出素子１２を冷却する必要がなく、ペルチェ素子などの冷却機構が不要である。また、背景輻射や外気温変化に対し、ロバスト性（耐性）がある。
【００５０】
なお、冷却した場合、S/N比を向上させることができるので、より高感度な測定を行いたい場合は、ペルチェ素子などの冷却機構を設けても勿論構わない。ペルチェ素子は、例えば、半導体基板１１の下面に貼り付けることができる。
【００５１】
ゲート絶縁膜３３に入射された遠赤外線の一部は、ゲート絶縁膜３３で吸収しきれずに半導体基板１１のチャネル３５に侵入し得る。しかし、遠赤外線はシリコンを透過するため、チャネル３５は加熱されず、また光電変換も生じないので、検出への影響は無視することができる。
【００５２】
応答速度（動作周波数）は、ゲート絶縁膜３３の温度の立ち上がり時間と放熱のための立ち下がり時間、及び、ノイズキャンセリングのための信号積分時間に依存するが、本素子では、トータルで1msec程度あれば十分と見込まれるため、少なくとも1,000 fps（frame per sec）程度の撮像が期待できる。
【００５３】
図６は、赤外線検出素子１２におけるドレイン電流IDとドレイン電圧VDの関係を示している。
【００５４】
図６に示されるように、ゲート電圧VGが、VG2＞VG1の関係にある場合、飽和時のドレイン電流IDは、ID2＞ID1となる。すなわち、飽和時のドレイン電流IDの大きさは、ゲート電圧VGの大きさに依存する。
【００５５】
また、ゲート電圧VGが、VG2＞VG1の関係にある場合、飽和時のドレイン電流IDの変化量ΔIDは、｜ΔID2｜＞｜ΔID1｜となる。すなわち、飽和時のドレイン電流IDの変化量ΔIDの絶対値は、ゲート電圧VGの大きさに依存する。なお、IR吸収膜の誘電率εgが正の温度係数である場合には、ドレイン電流IDの変化量は正（＋ΔID）となり、負の温度係数である場合には、ドレイン電流IDの変化量は負（-ΔID）となる。
【００５６】
したがって、ドレイン電流IDの変化量ΔIDの絶対値は、ドレイン電流IDの設定値、即ち、ゲート電圧VGにより増幅可能であるため、アンプ回路を別に設ける必要がないという利点がある。
【００５７】
なお、ゲート絶縁膜３３からの熱伝導でチャネル温度が上昇する可能性はある。
【００５８】
図７は、チャネル温度の上昇を加味したドレイン電流IDとドレイン電圧VDの関係を示している。
【００５９】
例えば、図７に示されるように、赤外線検出素子１２に一定のドレイン電流IDaが流れ、赤外線検出素子１２の温度が安定する状態において、チャネル温度の上昇により、ドレイン電流IDが、ドレイン電流IDaからΔIDxだけ上昇し、ドレイン電流IDbに変化したとする。
【００６０】
このようなドレイン電流IDbの安定状態から、シャッタ１がオープンされ、遠赤外線の受光が開始されて、ゲート絶縁膜３３において、遠赤外線吸収による温度上昇とともにドレイン電流IDが変化したとする。
【００６１】
このとき、ゲート絶縁膜３３としてのIR吸収膜の誘電率εgが正の温度係数である場合、ドレイン電流IDは、ドレイン電流IDbから、変化量ΔIDcだけ増加し、ドレイン電流IDeとなる。
【００６２】
一方、ゲート絶縁膜３３としてのIR吸収膜の誘電率εgが負の温度係数である場合（絶対値は同じで符号だけ異なる場合）、ドレイン電流IDは、ドレイン電流IDbから、変化量ΔIDcだけ減少し、ドレイン電流IDfとなる。
【００６３】
しかし、実際に、赤外線検出素子１２の出力として現れるドレイン電流IDの変化量は、正の温度係数の場合、ドレイン電流IDaからドレイン電流IDeまでの変化量＋ΔIDeであり、負の温度係数の場合、ドレイン電流IDaからドレイン電流IDfまでの変化量−ΔIDfである。
【００６４】
変化量＋ΔIDeと変化量−ΔIDfの大きさ（絶対値）は、図７から明らかなように、変化量＋ΔIDeの方が大きい（｜ΔIDe｜＞｜ΔIDf｜）。
【００６５】
従って、ゲート絶縁膜３３としてのIR吸収膜の誘電率εgが正の温度係数を持つ材料を選択した場合には、遠赤外線吸収に伴うゲート容量増大による変化量＋ΔIDcに、チャネル温度上昇に伴う増加ΔIDxが加わり、赤外線検出素子１２の出力としての変化量＋ΔIDeは、遠赤外線吸収に伴う変化量＋ΔIDcよりも増加する。
【００６６】
ゲート絶縁膜３３としてのIR吸収膜の誘電率εgが負の温度係数を持つ材料を選択した場合には、遠赤外線吸収に伴うゲート容量増大による変化量−ΔIDcと、チャネル温度上昇に伴う増加ΔIDxが相殺されて、赤外線検出素子１２の出力としての変化量−ΔIDfは、遠赤外線吸収に伴う変化量−ΔIDcよりも減少する。
【００６７】
従って、ゲート絶縁膜３３としてのIR吸収膜は、誘電率εgが正の温度係数または負の温度係数を持つ材料のどちらでもよいが、正の温度係数を持つ材料を用いる方が、チャネル温度上昇に伴うドレイン電流IDの増加ΔIDxを検出感度の増大に利用できるため、好ましい。
【００６８】
＜絶対温度の検出方法＞
上述した赤外線検出素子１２は、ゲート絶縁膜３３の遠赤外線吸収によるドレイン電流IDの相対変化、即ち、基準値ID’からの変化量ΔID’に基づいて、測定対象の温度の相対変化ΔT’を検出するものである。しかし、測定対象の温度の絶対値を検出させるようにすることも可能である。
【００６９】
具体的には、図４に示したゲート絶縁膜３３としてのIR吸収膜の誘電率εgの温度依存性のデータから、ドレイン電流IDの相対変化ΔID’から、温度変化ΔT’が逆算される（ΔID’→ ΔCg’→Δεg’→ΔT’）。このとき、ゲート電圧VG、ドレイン電圧VD等の素子駆動パラメータの条件は一定とする。なお、検出される相対変化ΔID’に対応する温度変化ΔT’を予めテーブルとして記憶しておき、そのテーブルを用いて温度変化ΔT’を即座に検出できるようにすることができる。
【００７０】
また、基準値ID’における赤外線検出素子１２の基準温度T0が、熱電対等の温度計測素子や温度計測機構を用いて計測される。そして、計測された基準温度T0と、温度変化ΔT’とに基づいて、測定対象の温度の絶対値（T0＋ΔT’）を計算することができる。なお、ペルチェ素子等の温度制御機器により赤外線検出素子１２の基準温度T0を、所望の温度に設定して、そこからの温度変化ΔT’を検出してもよい。
【００７１】
＜変形例＞
上述した例は、図２に示したように、半導体基板１１がバルク基板の例であるが、図８に示されるように、BOX層（埋め込み酸化膜）４１を有するSOI基板を用いてもよい。
【００７２】
また、シリコン以外の材料（無機・有機）を用いたFET構造をベースに、IR吸収膜をゲート絶縁膜３３として、遠赤外線を透過させる透明性の導電材料をゲート電極３４としてもよい。さらに、ドレイン領域３１とソース領域３２を金属層としたショットキー型FET構造をベースに、IR吸収膜をゲート絶縁膜３３として、遠赤外線を透過させる透明性の導電材料をゲート電極３４とすることもできる。
【００７３】
上述した例では、図１に示したように、複数の赤外線検出素子１２が２次元アレイ状に配列されて構成された熱画像撮像センサ４について説明した。しかし、赤外線検出素子１２はMOSFET構造であるため、通常の可視光を検出するイメージセンサの一部として、赤外線検出素子１２を形成することも可能である。例えば、図９に示されるように、赤外線検出素子１２の画素列と、可視光検出素子７１の画素列を、半導体基板７２に交互に形成した撮像センサ７３を作製することも可能である。
【００７４】
上述した例では、赤外線検出素子１２の出力としてのドレイン電流IDの変化量ΔIDの検出を、赤外線検出素子１２のID−VD特性の飽和領域を利用するようにしたが、線形領域を利用してもよい。
【００７５】
可視光と近赤外線をカットするカットフィルタ３は、図１に示したように、熱画像撮像センサ４の全面をカバーするように、熱画像撮像センサ４とは別に設けられていた。しかし、熱画像撮像センサ４の一部として、各画素の遠赤外線検出領域上部のみに、可視光と近赤外線をカットするフィルタ層を配置して、画素内の他の領域は遮光する構造としてもよい。
【００７６】
ボロメータは、熱による外乱を低減するために真空封止パッケージする必要があるが、赤外線検出素子１２は、真空封止パッケージしなくてもよい。勿論、真空封止パッケージしてもよい。
【００７７】
赤外線検出素子１２は、ゲート絶縁膜３３であるIR吸収膜の誘電率εgの温度変化を光学的に検出するものではなく、直接、電気的に検出するものであるため、光学的機構が不要である。赤外線検出素子１２は、冷却のためのペルチェ素子も不要であるので、小型かつ軽量で、省電力、安価である。また、背景輻射の影響を受けないので、S/N比を向上させることができる。測定には温度に対する画素毎の定期キャリブレーションが不要なので、大容量メモリが不要で、画像が途切れることもない。
【００７８】
＜電子機器への適用例＞
上述した赤外線検出素子１２は、例えば、ナイトビジョン、監視カメラ、サーモ・ビューワ、車載夜間用カメラ（歩行者モニタ）、人感センサなど、様々な電子機器に適用することができる。
【００７９】
図１０は、本開示に係る電子機器としての熱画像撮像装置の構成例を示すブロック図である。
【００８０】
図１０に示される熱画像撮像装置１０１は、光学系１０２、シャッタ装置１０３、熱画像撮像センサ１０４、制御回路１０５、信号処理回路１０６、モニタ１０７、およびメモリ１０８を備えて構成される。
【００８１】
光学系１０２は、上述したIR用レンズ２及びカットフィルタ３を少なくとも含む。光学系１０２は、ボロメータ等で使われている構成と同じ構成を採用することができる。光学系１０２は、被写体からの遠赤外光（入射光）を熱画像撮像センサ１０４に導き、熱画像撮像センサ１０４の受光面に結像させる。
【００８２】
シャッタ装置１０３は、光学系１０２および熱画像撮像センサ１０４の間に配置され、制御回路１０５の制御に従って、熱画像撮像センサ１０４への光照射期間および遮光期間を制御する。
【００８３】
熱画像撮像センサ１０４は、上述した熱画像撮像センサ４により構成される。熱画像撮像センサ１０４は、光学系１０２およびシャッタ装置１０３を介して受光面に結像される遠赤外光に応じて、一定期間、信号電荷を蓄積する。熱画像撮像センサ１０４に蓄積された信号電荷は、制御回路１０５から供給される駆動信号（タイミング信号）に従って転送される。熱画像撮像センサ１０４は、それ単体でワンチップとして構成されてもよいし、光学系１０２ないし信号処理回路１０６などと一緒にパッケージングされたカメラモジュールの一部として構成されてもよい。
【００８４】
なお、熱画像撮像センサ１０４は、図９に示した撮像センサ７３のように、赤外線検出素子１２と可視光検出素子７１が混在する撮像センサでもよい。
【００８５】
また、熱画像撮像センサ１０４には、絶対温度を検出するため、基準値ID’における赤外線検出素子１２の基準温度T0を検出する温度計測素子がさらに付加されていてもよい。その場合、検出された基準温度T0も信号処理回路１０６に計測され、信号処理回路１０６において、測定対象の絶対温度が計算される。
【００８６】
制御回路１０５は、熱画像撮像センサ１０４の転送動作、および、シャッタ装置１０３のシャッタ動作を制御する駆動信号を出力して、熱画像撮像センサ１０４およびシャッタ装置１０３を駆動する。
【００８７】
信号処理回路１０６は、熱画像撮像センサ１０４から出力された画素信号に対して各種の信号処理を施す。信号処理回路１０６が信号処理を施すことにより得られた画像（熱画像データ）は、モニタ１０７に供給されて表示されたり、メモリ１０８に供給されて記憶（記録）されたりする。
【００８８】
本開示の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【００８９】
例えば、上述した複数の実施の形態の全てまたは一部を組み合わせた形態を採用することができる。
【００９０】
なお、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、本明細書に記載されたもの以外の効果があってもよい。
【００９１】
なお、本開示は以下のような構成も取ることができる。
（１）
半導体基板に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜としての赤外線吸収膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、赤外線に対して透明な電極で形成されたゲート電極と
を備え、
前記ゲート電極に所定の電圧が印加されたとき、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で所定の電流が流れるように構成された
赤外線検出素子。
（２）
前記赤外線吸収膜の赤外線吸収に伴う温度上昇による誘電率の変化を、ゲート容量変化として検出するように構成された
前記（１）に記載の赤外線検出素子。
（３）
前記ゲート容量変化を、ドレイン電流変化として検出するように構成された
前記（２）に記載の赤外線検出素子。
（４）
前記ゲート電極は、グラフェンを用いて形成される
前記（１）乃至（３）のいずれかに記載の赤外線検出素子。
（５）
前記赤外線吸収膜の誘電率の温度係数は正の値である
前記（１）乃至（４）のいずれかに記載の赤外線検出素子。
（６）
チャネル幅とチャネル長が、検出する赤外線の波長に応じた長さである
前記（１）乃至（５）のいずれかに記載の赤外線検出素子。
（７）
２次元アレイ状に複数配列されている
前記（１）乃至（６）のいずれかに記載の赤外線検出素子。
（８）
隣の赤外線検出素子との間に、溝部が形成されている
前記（７）に記載の赤外線検出素子。
（９）
前記赤外線吸収膜には、その前面に配置された少なくとも可視光をカットするカットフィルタを通った光が入射される
前記（１）乃至（８）のいずれかに記載の赤外線検出素子。
（１０）
半導体基板に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜としての赤外線吸収膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、赤外線に対して透明な電極で形成されたゲート電極と
を備える赤外線検出素子が、
前記赤外線吸収膜の赤外線吸収に伴う温度上昇による誘電率の変化を、ゲート容量変化として検出する
赤外線検出方法。
（１１）
半導体基板に形成されたソース領域及びドレイン領域と、
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜としての赤外線吸収膜と、
前記ゲート絶縁膜上に、赤外線に対して透明な電極で形成されたゲート電極と
を備え、
前記ゲート電極に所定の電圧が印加されたとき、前記ソース領域と前記ドレイン領域との間で所定の電流が流れるように構成された
赤外線検出素子
を備える電子機器。
（１２）
前記赤外線検出素子が複数配列されている熱画像撮像センサを備える
前記（１１）に記載の電子機器。
（１３）
前記赤外線検出素子と可視光検出素子が混在する熱画像撮像センサを備える
前記（１１）に記載の電子機器。
（１４）
少なくとも可視光をカットするカットフィルタをさらに備え、
前記カットフィルタを通った光が前記赤外線検出素子に入射される
前記（１１）乃至（１３）のいずれかに記載の電子機器。
（１５）
前記赤外線検出素子に入射される光を遮光するシャッタをさらに備える
前記（１１）乃至（１４）のいずれかに記載の電子機器。
（１６）
前記赤外線検出素子の基準温度を計測する基準温度計測部をさらに備え、
計測された前記基準温度に、前記赤外線検出素子で検出された温度変化量を加算することにより、測定対象の絶対温度が計算される
前記（１１）乃至（１５）のいずれかに記載の電子機器。
（１７）
前記赤外線検出素子により検出されるドレイン電流変化量と前記温度変化量とを対応付けたテーブルを有し、
計測された前記基準温度に、前記テーブルを用いて算出された前記温度変化量を加算することにより、測定対象の絶対温度が計算される
前記（１６）に記載の電子機器。
【符号の説明】
【００９２】
１  シャッタ，  ２  IR用レンズ，  ３  カットフィルタ，  ４  熱画像撮像センサ，  １１  半導体基板，  １２  赤外線検出素子，  ３１  ドレイン領域，  ３２  ソース領域，  ３３  ゲート絶縁膜，  ３４  ゲート電極，  ３５  チャネル，  ３６  溝部，  ７１  可視光検出素子，  ７２  半導体基板，  ７３  撮像センサ，  １０１  熱画像撮像装置，  １０２  光学系，  １０３  シャッタ装置，  １０４  熱画像撮像センサ，  １０５  制御回路，  １０６  信号処理回路
【図１】
2015108545.tif 000003
【図２】
2015108545.tif 000004
【図３】
2015108545.tif 000005
【図４】
2015108545.tif 000006
【図５】
2015108545.tif 000007
【図６】
2015108545.tif 000008
【図７】
2015108545.tif 000009
【図８】
2015108545.tif 000010
【図９】
2015108545.tif 000011
【図１０】
2015108545.tif 000012