(57)【要約】【課題】熱的なリセット処理を実行し、尚且つ、１／ｆ雑音および固定パターンの画素ごとのばらつきを除去する固体撮像装置を提供する。【解決手段】固体撮像装置は、半導体基板に対して熱的に分離された画素３と、定電流源６０と、画素を流れた定電流の電圧を伝達する信号線６と、他端が半導体基板に接触することによって画素が半導体基板から熱的に絶縁された第１の状態、または、他端が画素に接触することによって画素が半導体基板に熱的に短絡された第２の状態のいずれかに切り換わる熱伝導スイッチと、信号線と容量結合された信号検出部７であって、第１の状態のもとで信号線上の信号（Ｖｓｌ＝Ｖｄｄ−Ｖｄ０＋ｄＶｓｈ＋ｄＶ）に応じた基準電圧（Ｖｃｌ）を保持し、第２の状態のもとで入射光に対応する電圧成分（ｄＶ’）を基準電圧から除いた第２の電圧（Ｖｃｌ−Ｖｄ’ −ｄＶｓｈ’）を検出する信号検出部とを備えている。【選択図】図２
2008241465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
入射光によって生じた熱エネルギーを電気信号に変換する画素であって、前記半導体基板に形成されたキャビティ上に支持され、前記半導体基板に対して熱的に分離された画素と、
一端が前記半導体基板に接続され、他端が前記半導体基板または前記画素のいずれかに接触する熱伝導スイッチであって、該他端が前記半導体基板に接触することによって前記画素が前記半導体基板から熱的に絶縁された第１の状態、または、該他端が前記画素に接触することによって前記画素が前記半導体基板に熱的に短絡された第２の状態のいずれかに切り換わる熱伝導スイッチと、
前記第１の状態における画素の信号電圧と、前記第２の状態における信号電圧の差分を検出する信号検出部とを備えた固体撮像装置。
【請求項２】
前記信号検出部は、
第１のノードと、
前記第１のノードと前記信号線との間を容量結合する結合キャパシタと、
前記第１のノードと定電圧を供給するクランプ電圧源との間に接続されたクランプトランジスタと、
前記第１のノードと接地電位との間に接続され、前記基準電位を保持するための蓄積キャパシタと、
前記第１のノードから前記第２の電圧を出力する出力部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記熱伝導スイッチは前記画素と同層に形成され、
前記画素に隣接するカンチレバーであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記画素を支持し、かつ前記画素と前記半導体基板との間を電気的に接続する支持部をさらに備え、
前記熱伝導スイッチは前記支持部と同層に形成され、前記画素に隣接するカンチレバーであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記画素は、前記熱伝導スイッチが接触する部分に第１の電極を有し、
前記半導体基板は、前記熱伝導スイッチが接触する部分に第２の電極を有し、
前記熱伝導スイッチは、前記第１および前記第２の電極の各電位によって前記第１の状態または前記第２の状態に切り替わることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項６】
複数の前記画素を行列状に配置した撮像領域と、
行方向に配列された前記画素に接続された行選択線と、
前記行選択線を介して前記画素に電圧を印加する垂直スキャナとを備え、
前記信号線は各列に対応して設けられ、列方向に配列された前記画素に接続されており、
前記信号検出部は各列に対応して設けられ、各列における前記第２の電圧を検出することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項７】
各列の前記信号検出部で検出された前記第２の電圧を順番に読み出す水平読出し回路をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記入射光は赤外光、テラヘルツ帯光またはミリ波帯光であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項９】
電磁波を受信して電気信号に変換するアンテナと、
前記アンテナで発生した電気信号をジュール熱に変換する抵抗体とをさらに備え、
前記画素は、前記抵抗体で発生した熱で電気信号を生成することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
前記熱伝導スイッチの先端部は、前記半導体基板の表面に対して垂直方向に長い構造を有し、
前記第１の電極および前記第２の電極は、前記熱伝導スイッチの先端部に対向する部分に、前記半導体基板の表面に対して垂直方向に長い構造を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の固体撮像装置。
【請求項１１】
半導体基板と、
入射光によって生じた熱エネルギーを電気信号に変換し、前記半導体基板内に形成されたキャビティ上に支持され、前記半導体基板に対して熱的に分離された画素と、前記画素から出力される信号電圧を伝達する信号線と、一端が前記半導体基板に接続され、他端が前記半導体基板または前記画素のいずれかに接触する熱伝導スイッチと、前記信号線と容量結合された信号検出部とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記熱伝導スイッチの他端が前記半導体基板に接触することによって前記画素が前記半導体基板から熱的に絶縁された第１の状態における画素の信号電圧と、前記熱伝導スイッチの他端が前記画素に接触することによって前記画素が前記半導体基板に熱的に短絡された第２の状態における信号電圧との差分を前記信号検出部において検出する固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１２】
前記信号検出部は、前記第１の状態における前記信号線上の信号に応じた第1の電圧を保持し、
前期第２の状態のもとで、前記信号検出部は、少なくとも前記入射光に対応する電圧成分が前記第1の電圧に加えられた、あるいは前記第1の電圧から除かれた第２の電圧を検出することを具備した請求項１１に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【請求項１３】
前記垂直スキャナが、パルス電圧を、前記第１の電極、前記第２の電極、および、前記熱伝導スイッチのいずれかに印加することを特徴とする請求項１１乃至請求項１２に記載の固体撮像装置の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体撮像装置およびその駆動方法に係わり、例えば、長波長光を検出する非冷却型固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線帯、テラヘルツ帯、ミリ波帯等を含む８〜１２μm波長帯の光線を検出するイメージセンサは、室温近傍の温度を有する物体から放射される光線に対して高感度である。従って、このようなイメージセンサは、セキュリティカメラ、車載前方監視カメラ等へ適用されている。近年、ＭＥＭＳ(Micro-Electro-Mechanical System)プロセスの発展に伴い、素子を冷却することなく光線を感知する熱型光センサ（非冷却型光センサ）がイメージセンサとして主流となりつつある。
【０００３】
非冷却型光センサは、例えば、遠赤外線用レンズ(Ｇｅレンズ)によって集光された光線を画素に照射し、これにより生じた熱を画素において熱電変換する。非冷却型光センサは、これにより生じた電気信号に基づいて画像を生成する。このような非冷却型光センサは、半導体基板から熱的に分離された状態で光線を検出する必要がある。従来の非冷却型光センサでは、光線による画素の加熱は絶え間なく続いているため、ダーク状態（入射光の無い状態）の電気信号を検出することが困難であった。前記熱電変換による信号電圧は、ダーク状態の電気信号すなわちバイアス成分に比較して微小であるが、非冷却型光センサでは、上記の理由により画素ごとにバイアス成分を除去することができない。そこで、起動時にレンズカバーをした状態で、画素が出力したダーク状態の信号（固定パターン）を予めフレームメモリに格納する。その後、検出された電気信号からこの固定パターンを差し引くことによって、入射光に対応する信号成分を出力していた。
【特許文献１】特許第３６１６６２２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上述の場合、電気信号から固定パターンを差し引く回路が必要となり、装置のサイズが大きくなってしまうという問題があった。また、固定パターンが経時変化する場合、初期の固定パターンが使用できなくなり、固定パターンを定期的に更新する必要があった。
【０００５】
特許文献１は、赤外線に高速で応答することができるように、機械的スイッチを備えた熱型赤外線撮像装置を開示している。このスイッチは、該当画素の非検出期間にセル部と半導体基板とを短絡し、信号検出時にはセル部と半導体基板とを熱的に分離している。従って、高速な撮像をおこなうことができる。しかし、特許文献１に記載の装置は、セル部と半導体基板を短絡している状態、すなわち熱的なリセット状態における画素出力信号を読み出すことができず、従って１／ｆ雑音および固定パターンの画素ごとのばらつきを除去することはできない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、熱的なリセット処理を実行し、尚且つ、１／ｆ雑音および固定パターンの画素ごとのばらつきを除去することができる固体撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る実施形態に従った固体撮像装置は、半導体基板と、入射光によって生じた熱エネルギーを電気信号に変換する画素であって、前記半導体基板に形成されたキャビティ上に支持され、前記半導体基板に対して熱的に分離された画素と、一端が前記半導体基板に接続され、他端が前記半導体基板または前記画素のいずれかに接触する熱伝導スイッチであって、該他端が前記半導体基板に接触することによって前記画素が前記半導体基板から熱的に絶縁された第１の状態、または、該他端が前記画素に接触することによって前記画素が前記半導体基板に熱的に短絡された第２の状態のいずれかに切り換わる熱伝導スイッチと、前記第１の状態における画素の信号電圧と、前記第２の状態における信号電圧の差分を検出する信号検出部とを備えている。
【０００８】
本発明に係る実施形態に従った固体撮像装置の駆動方法は、半導体基板と、入射光によって生じた熱エネルギーを電気信号に変換し、前記半導体基板内に形成されたキャビティ上に支持され、前記半導体基板に対して熱的に分離された画素と、前記画素から出力される信号電圧を伝達する信号線と、一端が前記半導体基板に接続され、他端が前記半導体基板または前記画素のいずれかに接触する熱伝導スイッチと、前記信号線と容量結合された信号検出部とを備えた固体撮像装置の駆動方法であって、
前記熱伝導スイッチの他端が前記半導体基板に接触することによって前記画素が前記半導体基板から熱的に絶縁された第１の状態における画素の信号電圧と、前記熱伝導スイッチの他端が前記画素に接触することによって前記画素が前記半導体基板に熱的に短絡された第２の状態における信号電圧との差分を前記信号検出部において検出することを具備する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による固体撮像装置は、熱的なリセット処理を実行し、尚且つ、１／ｆ雑音および固定パターンの画素ごとのばらつきを除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１に示す熱型センサ１００（以下、単に、センサ１００）は、例えば、赤外線センサ、テラヘルツ帯センサ、ミリ波帯センサ等の長波長帯光のセンサである。赤外線センサ１００は、半導体基板上に行列状（４行４列）に配列された１６個の画素を含む撮像領域１０を備えている。撮像領域１０は、通常、より多くの画素を備えているが、ここでは、便宜的に１６画素とする。撮像領域の各画素３は、ｐｎ接合（ダイオード）４を含む。画素３は、入射光によって生じた熱エネルギーを電気信号に変換する。より詳細には、信号の読み出しは、ｐｎ接合４に順方向電流を流し、該ｐｎ接合４の温度により変化する動作点に応じた電圧を読み出すことによって行われる。
【００１２】
一般に、ｐｎ接合の温度変化は、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倍程度である。即ち、被写体温度が１［Ｋ］変化すれば画素温度は５［ｍＫ］変化する。シリコンｐｎ接合を８個直列接続した場合、熱電変換効率は１０［ｍＶ／Ｋ］程度である。従って、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。実際には、０．１［Ｋ］程度の被写体の温度変化を識別することが要求されることが多い。そのためには、赤外線センサ１００は、画素３に発生する、例えば、５［μＶ］という微弱な信号電圧を読み出すことが必要となる。
【００１３】
行選択線５は、行方向に配列された画素に接続されている。垂直信号線（以下単に、信号線ともいう）６は、列方向に配列された画素に接続されている。行選択線５は、ｐｎ接合４の一端（アノード側）に接続され、信号線６は、ｐｎ接合４の他端（カソード側）に接続されている。
【００１４】
垂直スキャナ５０に行選択線５が接続されている。垂直スキャナ５０は、選択する行選択線５にパルス電圧を印加する。信号線６は、各画素列に対応して設けられており、列方向に配列された画素３と定電流源６０との間に接続されている。定電流源６０は、撮像領域１０の各画素３に定電流を流すように構成されている。垂直スキャナ５０がパルス電圧を選択行のｐｎ接合４に印加すると選択行のｐｎ接合４が順バイアスされる。これにより、カラム電圧Ｖｓｌが信号線６に発生する。一方、非選択行のｐｎ接合４は、すべて逆バイアスされているので、行選択線５は信号線６から分離されている。
【００１５】
熱伝導スイッチＳＷが各画素３に対応して設けられている。熱伝導スイッチＳＷは、半導体基板と画素３のいずれかに接触することができるように構成されている。熱伝導スイッチＳＷが半導体基板に接触することによって撮像領域１０は半導体基板から熱的に絶縁された第１の状態となる。熱伝導スイッチＳＷがｐｎ接合４に接触することによってｐｎ接合４が半導体基板に熱的に短絡された第２の状態になる。熱伝導スイッチＳＷは、第１の状態と第２の状態とを選択的に切り換えることができる。
【００１６】
信号検出部７が各信号線６に対応して設けられている。信号検出部７はクランプ動作を行うための入力７０を有し、クランプパルスによりクランプ動作を行う。信号検出部７は、信号線６から伝達されたカラム電圧Ｖｓｌを検出する。信号線６は、画素３で生じた信号電圧を信号検出部７へ伝達する役目を果たす。
【００１７】
信号検出部７は、水平読出し回路１１に接続されている。水平読出し回路１１は、信号検出部７で検出された信号をセンサ１００の外部へ順次出力する。
【００１８】
次に、画素３の構成を説明する。図２に画素３の平面図を示す。図２の４−４線に沿った断面を図４に示す。図４に示すように、シリコン基板１にキャビティ１４が設けられている。画素３は、キャビティ１４上に支持部１２によって支持されている。キャビティ１４は、シリコン基板１の表面をエッチングすることによって形成される。画素３は、キャビティ１４の形成と同時にシリコン基板１の表面領域を保護することによって形成される。支持部１２も画素３と同様に形成される。従って、画素３および支持部１２は、シリコンから成る。支持部１２は、シリコン基板１の表面を基準として画素３と同じ高さレベルの同層に形成されている。
【００１９】
熱伝導スイッチＳＷが画素３とシリコン基板１（シリコン基板１に熱的に短絡された部分）との間に設けられている。熱伝導スイッチＳＷは、図２に示すように一端がシリコン基板１に接続され、他端がシリコン基板１または画素３のいずれかに接触するように構成されている。熱伝導スイッチＳＷは、画素３および支持部１２と同様にキャビティ１４の形成と同時に形成される。さらに、熱伝導スイッチＳＷは、シリコン基板１の表面を基準として画素３および支持部１２と同じ高さレベルの同層に形成されている。熱伝導スイッチＳＷは、画素３に隣接し、例えば、シリコンからなるカンチレバー形状である。
【００２０】
熱伝導スイッチＳＷ内部には、配線部１１１が設けられている。配線部１１１は、例えば、金属またはドープトシリコンからなる。第１の電極１３が、画素３のうち熱伝導スイッチＳＷが接触する部分付近に設けられている。また、第２の電極１１３がシリコン基板１のうち熱伝導スイッチＳＷが接触する部分付近に設けられている。第１の電極１３は、端子１５１および配線１２１Ａを介して図１に示す行選択線５に接続されている。第２の電極１１３は、シリコン基板１に形成された回路に接続されている。
【００２１】
配線部１１１、第１の電極１３および第２の電極１１３に電位を与えることによって、熱伝導スイッチＳＷは、引力を得て画素３側またはシリコン基板１側に曲がる。配線部１１１、第１の電極１３または第２の電極１１３の電位を変更することにより、熱伝導スイッチＳＷは、第１の状態および第２の状態を切り替えることができる。図２は、熱伝導スイッチＳＷが画素３に接触している様子を示している。これは上記第２の状態である。図３は、熱伝導スイッチＳＷがシリコン基板１に熱的に短絡された部分に接触している様子を示している。これは上記第１の状態である。
【００２２】
支持部１２は、シリコン基板１と画素３との間を電気的に接続するとともに、画素３を機械的に支持している。通常、センサ１００は真空中で動作させるため、画素３の熱は支持部１２からのみ放散する。しかし、支持部１２は、画素３をシリコン基板１から熱的に分離するためにジグザグ状に形成されている。支持部１２をより長くかつより細く形成することによって、画素３はシリコン基板１からより良く断熱される。支持部１２は、配線１２Ａおよび１２Ｂを内蔵している。これにより、配線１２Ａまたは１２Ｂを介してシリコン基板１に形成された回路（図示せず）から画素３へ電力を供給し、あるいは、配線１２Ａまたは１２Ｂを介して画素３からの電気信号をシリコン基板１に形成された回路へ出力することができる。
【００２３】
画素３は、図２に示すように、ｐｎ接合されたアノード１６１およびカソード１６２により構成された熱電変換素子を備えている。アノード１６１に接続された端子１５１は、配線１２Ａを介して図１に示す行選択線５に接続されている。これにより、垂直スキャナ５０からのパルス電圧はアノード１６１に伝達され得る。また、垂直スキャナ５０からの定電流はアノード１６１に供給され得る。カソード１６２に接続された端子１５３は、配線１２Ｂを介して図１に示す信号線６に接続されている。これにより、定電流源６０は、カソード１６２に定電流を流すことができる。また、信号検出部７は、信号線６を介して画素３で生じた信号電圧を検出することができる。
【００２４】
センサ１００を第１の状態にするためには、行選択線５等を介してバイアス電圧Ｖｄｄを第１の電極１３に印加すると同時に、配線１１１にスイッチ電圧ＶｓｗをＶｄｄ にする。このとき、第２の電極１１３の電位は接地電位とする。これにより、電位差Ｖｄｄが配線１１１と第２の電極１１３との間に生じる。この電位差Ｖｄｄによって熱伝導スイッチＳＷとシリコン基板１との間に生じる力Ｆ１は、式１で表される。
Ｆ１＝１／２＊ε＊（Ｖｄｄ／ｄ）＊２Ｓ    （式１）
ここで、配線１１１および第２の電極１１３をそれぞれコンデンサの極板と考えた場合、ε、ｄおよびＳはそれぞれ、配線１１１と第２の電極１１３との間の材質(真空を含む)の誘電率、配線１１１と第２の電極１１３との間の距離および配線１１１と第２の電極１１３との対向面積である。
【００２５】
この力Ｆ１は、引力であり、配線１１１および第２の電極１１３を互いに引き付ける。図４に示すように熱伝導スイッチＳＷは、シリコン基板１側に曲がり、シリコン基板１に接触する。その結果、センサ１００は第１の状態となる。
【００２６】
センサ１００を第２の状態にするためには、第１の電極１３に電圧Ｖｄｄを印加し、かつ、第２の電極１１３を接地電位としたままで、配線１１１の電位Ｖｓｗを接地電位にする。これにより、電位差Ｖｄｄが配線１１１と第１の電極１３との間に生じる。この電位差Ｖｄｄによって熱伝導スイッチＳＷと画素３との間に生じる力Ｆ２は、式２で表される。
Ｆ２＝１／２＊ε’＊（Ｖｄｄ／ｄ’）＊２Ｓ’    （式２）
ここで、配線１１１および第１の電極１３をそれぞれコンデンサの極板と考えた場合、ε’、ｄ’およびＳ’は、配線１１１と第１の電極１３のとの間の材質(真空を含む)の誘電率、配線１１１と第１の電極１３との間の距離および配線１１１と第１の電極１３との対向面積である。
【００２７】
この力Ｆ２は、引力であり、配線１１１および第１の電極１３を互いに引き付ける。図３に示すように熱伝導スイッチＳＷは、画素３側に曲がり、画素３に接触する。その結果、センサ１００は第２の状態となる。
【００２８】
たとえば、熱伝導スイッチＳＷは、厚み０．５μｍ、幅０．５μｍのポリシリコンの周囲を、厚み０．１μｍのシリコン酸化膜で被覆した構造と仮定する。さらに、熱伝導スイッチＳＷと画素３の側面とのギャップを０．７μｍとする。この場合、図５に示すように、熱伝導スイッチＳＷと画素３との電位差が約１８Ｖのときに熱伝導スイッチＳＷが画素３と接触することがわかる。
【００２９】
図６に信号検出部７の回路図を示す。この信号出力部７は、相関二重サンプリング回路とも呼ばれている。第１のノードＮと、結合キャパシタＣＣと、クランプトランジスタＴｃｌと、蓄積キャパシタＳＣと、出力端子ＯＵＴとを含む。端子７１は、信号線６に接続されている。結合キャパシタＣＣは、第１のノードＮと信号線６との間を容量結合する。端子７０は、定電圧Ｖｃｌを供給するクランプ電圧源に接続されている。クランプトランジスタＴｃｌは、第１のノードＮとクランプ電圧源との間に接続されている。トランジスタＴｃｌは、ゲート電圧Ｖｒによってオン／オフ制御される。蓄積キャパシタＳＣは、第１のノードＮと接地電位ＧＮＤとの間に接続され、クランプ動作において電荷を蓄積することによって基準電位を保持する。出力端子ＯＵＴは、第１のノードＮで検出された電圧を出力する。
【００３０】
図７に水平読出し回路の回路図を示す。水平読出し回路１１は、水平選択トランジスタ１２０と、読出し線１３０と、水平シフトレジスタ１４０と、バッファ回路としてのソースフォロワ回路１５０と、読出しリセットスイッチ１６０とを含む。各水平選択トランジスタ１２０は、読出し線１３０と各信号検出部７との間に接続されている。水平シフトレジスタ１４０は、水平選択トランジスタ１２０のゲートに接続されている。水平シフトレジスタ１４０は、水平選択トランジスタ１２０を順次オンにすることによって、信号検出部７からの出力信号を順に読出し線１３０に伝達する。出力信号は、読出し線１３０からソースフォロワ回路１５０を介してセンサ１００の外部へ出力される。読出しリセットスイッチ１６０は、或るカラム線６の信号を読み出した後に、読出し線１３０をＶｄｄにリセットするために設けられている。ソースフォロワ回路１５０は、バッファ回路として機能する。尚、ソースフォロア回路１５０に変えて、インバータアンプ回路をバッファ回路として用いてもよい。
【００３１】
次に、図８を参照してセンサ１００の動作を説明する。
【００３２】
ｔ１までの間に、撮像領域１０は入射光を吸収し、その温度が上昇している。ｔ１〜ｔ２において、行選択線５を介して画素３のｐｎ接合４にバイアス電圧Ｖｄｄを印加する。これと同時に、熱伝導スイッチＳＷの配線１１１の電圧ＶｓｗをＶｄｄ に上げる。行選択線５にＶｄｄが印加されることによって、第１の電極１３の電圧Ｖ１３がＶｄｄに立ち上がる。このとき、第２の電極１１１３の電圧Ｖ１１３は接地電位ＧＮＤのままである。これにより、電位差Ｖｄｄが配線１１１と第２の電極１１３との間に生じるので、センサ１００は、第１の状態となる。即ち、ｔ１〜ｔ２において、画素３は、シリコン基板１から熱的に絶縁された状態となる。
【００３３】
このとき、信号線６の電圧Ｖｓｌは、（Ｖｄｄ−Ｖｄ０＋ｄＶｓｈ＋ｄＶ）となる。ここで、Ｖｄ０は、ダーク状態におけるｐｎ接合４にかかる電圧である。ｄＶｓｈは、図１に示す垂直スキャナ５０からのパルス電圧Ｖ１３〜Ｖ４３（図８参照）によってｐｎ接合４で生じる自己加熱電圧成分である。ｄＶは、入射光によって発生した信号電圧成分である。つまり、画素３に入射光による熱が存在していない場合（ダーク状態の場合）、信号線６の電圧Ｖｓｌは、（Ｖｄｄ−Ｖｄ０＋ｄＶｓｈ）となる。これにより、電圧Ｖｓｌは、入射光による信号成分ｄＶにバイアス成分（Ｖｄｄ−Ｖｄ０＋ｄＶｓｈ）が加算された電圧（Ｖｄｄ−Ｖｄ０＋ｄＶｓｈ）＋ｄＶとなる。
【００３４】
入射光による信号電圧ΔＶは以下のように考察される。画素３の温度は、入射光により生じた熱エネルギーによってΔＴだけ上昇する。
【数１】
2008241465.tif 000003
ここで、Ｇｔｈは支持部１２の熱コンダクタンス、Ｐａは画素３で生じたジュール熱のエネルギー量、tは受信開始後の経過時間、Ｃｔｈは画素３の熱容量である。
【００３５】
画素３の温度上昇ΔＴは、定常状態（ｔ→∞）において、式４に近づく。
【数２】
2008241465.tif 000004
【００３６】
式４から分かるように、定常状態において、入射光による画素３の温度上昇は、入射光のエネルギー量および支持部１２の熱コンダクタンスのみで決定される。例えば、ｐｎ接合４に一定電流を流し、その状態で両端電圧の変化を検出した場合、熱電変換率はｄＶ／ｄＴで表される。従って、定常状態では、画素３は、式５で表される電圧ｄＶを出力する。このｄＶが入射光による信号成分である。
【数３】
2008241465.tif 000005
【００３７】
自己加熱成分ｄＶｓｈは、式６で示す自己加熱ΔＴｓｈによって生じる電圧である
【数４】
2008241465.tif 000006
ここでＩｆは、ダイオード４に流れる順方向電流、ｔはダイオード４に電流を流し始めた時点からの経過時間である。自己加熱ΔＴｓｈについては、図９を参照して後述する。
【００３８】
ｔ１〜ｔ２において、図６に示すゲート電圧Ｖｇｃｌは、高レベル電位Ｖｒｓｔに立ち上がり、クランプトランジスタＴｃｌはオン状態になる。よって、第１のノードＮの電位Ｖｎは、第１の電圧としてのクランプ電圧Ｖｃｌに維持されている。このとき、結合キャパシタＣＣの両端には、電圧（Ｖｃｌ−（Ｖｄｄ−Ｖｄ０＋ｄＶｓｈ＋ｄｖ））が印加されている状態である。この状態のもとで、第１のノードＮの電位ＶｎはＶｓｌに設定される。第１のノードＮは信号線６に容量結合されているので、電位ＶｎをＶｓｌに維持しつつ、式５に応じた電荷も端子７０から蓄積キャパシタＳＣへ蓄積される。このようなｔ１〜ｔ２の動作は、クランプ動作と呼ばれる。蓄積キャパシタＳＣに蓄積された電荷は次のｔ２〜ｔ３の動作において保持され、これにより、第１のノードＮの電位Ｖｎはｔ２〜ｔ３においてクランプ電圧Ｖｃｌに保持される。従って、ｔ２〜ｔ３において、クランプ電圧Ｖｃｌは基準となる。
【００３９】
ここで、図９を参照して、ｔ１〜ｔ２における、自己加熱ΔＴｓｈおよび入射光による信号成分ΔＴについて説明する。尚、ｔ１〜ｔ２(熱伝導スイッチＳＷがオフ状態の期間)における画素３とシリコン基板１との間の熱コンダクタンスをＧｔｈ＿ｌｅｇ=１００ナノＷ（Ｗａｔｔ）／Ｋ（Ｋｅｌｖｉｎ） とし、ｔ２〜ｔ３(熱伝導スイッチＳＷがオン状態の期間)における画素３とシリコン基板１との間の熱コンダクタンスをＧｔｈ＿ｓｗ＝５０μＷ／Ｋとする。この場合、自己加熱温度成分ΔＴｓｈおよび入射光による信号温度成分ΔＴは、図９のように変化する。自己加熱温度成分ΔＴｓｈおよび信号温度成分ΔＴは、それぞれシリコン基板１の温度を基準とした画素３の温度成分である。
【００４０】
ｔ１〜ｔ２（第１の状態）おいて、信号成分ΔＴは式４で示す定常状態となっている。信号成分ΔＴは、例えば、８×１０−３Ｋでほぼ一定である。一方、パルス電圧（例えば、Ｖ１３）の立ち上がりによってｐｎ接合３に電流が流れるので、自己加熱ΔＴｓｈは上昇する。
【００４１】
次に、図８を再度参照する。ｔ２〜ｔ３において、ｐｎ接合４にバイアス電圧Ｖｄｄを印加したまま、これと同時に、熱伝導スイッチＳＷの配線１１１の電圧Ｖｓｗを接地電位ＧＮＤに立ち下げる。これにより、電位差Ｖｄｄが配線１１１と第１の電極１３との間に生じるので、センサ１００は、第２の状態となる。即ち、ｔ２〜ｔ３において、画素３は、シリコン基板１に熱的に短絡した状態となる。
【００４２】
このとき、信号線６の電圧Ｖｓｌは、（Ｖｄｄ−Ｖｄ０＋ｄＶｓｈ）となる。画素３がシリコン基板１に熱的に短絡することによって、入射光によって生じた熱は、画素３からシリコン基板１へ発散するからである。即ち、画素３がダーク状態になるからである。
【００４３】
ここで、図９に示すように、ｔ２〜ｔ３において、自己加熱ΔＴｓｈはゼロにならない。つまり、自己加熱成分ｄＶｓｈはゼロにならない。ｔ２において、第１の状態から第２の状態に切り替わると、熱伝導スイッチＳＷが画素３に接触する。これにより、信号成分ΔＴおよび自己加熱ΔＴｓｈは、画素３から熱伝導スイッチＳＷを介してシリコン基板へ放散する。これにより、信号成分ΔＴはほぼゼロになるが、自己加熱ΔＴｓｈは、例えば、約０．１Ｋとなる。これは、ｔ２〜ｔ３において、パルス電圧がまだ立ち下がっていないので、自己加熱ΔＴｓｈはシリコン基板へ放散しながら発生し続けるからである。
【００４４】
ｔ２〜ｔ３において、図６に示すゲート電圧Ｖｇｃｌは、接地電位ＧＮＤに立ち下がり、クランプトランジスタＴｃｌはオフ状態になる。よって、第１のノードＮの電荷は維持された状態であり、第１のノードＮの電位Ｖｎは、信号成分および自己加熱成分（ｄＶ＋ｄＶｓｈ）に比例した電圧（ｄＶ’＋ｄＶｓｈ’）だけ基準電圧Ｖｃｌから下がる。即ち、第１のノードＮの電圧Ｖｎは、第２の電圧（Ｖｃｌ−ｄＶ’−ｄＶｓｈ’）となる。例えば、結合キャパシタＣＣと蓄積キャパシタＳＣとの容量比が１：１である場合、（ｄＶ’＋ｄＶｓｈ’）は、１／２＊（ｄＶ＋ｄＶｓｈ）になる。ここで、図９に示すように、ｄＶｓｈは、一定の電圧であり、かつ、バイアス成分Ｖｄｄ−Ｖｄ０に比較して非常に小さい。また、ｄＶｓｈは、フレーム間において変動せず、かつ、画素間のばらつきもほとんどない。さらに、Ｖｃｌは、予め設定された一定の電圧であるので、第２の電圧（Ｖｃｌ−ｄＶ’ −ｄＶｓｈ’）から入射光の信号成分ｄＶ’を簡単に抽出することができる。
【００４５】
ｔ３〜ｔ４において、水平読出し回路１１がカラム順に信号検出部７を選択し、選択された信号検出部７から第１のノードＮの電圧Ｖｎ＝（Ｖｃｌ−ｄＶ’ −ｄＶｓｈ’）を電圧Ｖｏｕｔとして出力する。水平読出し回路１１は、総てのカラムの電圧Ｖｎをシリアルに読み出す。従って、図８のＶｏｕｔでは、ｔ３〜ｔ４において、カラムの個数分だけ信号が現れている。
【００４６】
ｔ４の後、次の画素行において、ｔ１〜ｔ４の動作が繰り返される。このとき、図１に示すパルス電圧Ｖ２３〜Ｖ４３が用いられる。これにより、撮像領域１０に含まれる全画素３の信号が出力される。
【００４７】
本実施形態では、上述の通り、信号成分ｄＶ’は、バイアス成分（Ｖｄｄ−Ｖｄ０）を考慮することなく（Ｖｃｌ−ｄＶ’）から得られる。信号成分ｄＶ’がバイアス成分（Ｖｄｄ−Ｖｄ０）に依存しないので、固定パターンの画素ごとのばらつきおよび１／ｆ雑音による影響が無くなる。これにより、本実施形態によるセンサ１００は、Ｓ／Ｎ比（signal-to-noise ratio）を高くすることができる。また、固定パターンのばらつきおよび１／ｆ雑音が無いので、これらを除去するための除去回路が不要となる。従って、本実施形態によるセンサ１００は、低コストかつ小型化に優れる。
【００４８】
尚、バイアス成分（Ｖｄｄ−Ｖｄ０）は、画素間においてばらつきを有する。例えば、信号電圧ｄＶが１ｍＶ以下の微弱信号である場合、バイアス成分（Ｖｄｄ−Ｖｄ０）は、数１０ｍＶ程度ばらつく場合がある。この場合、バイアス成分は、信号成分よりも１桁大きな固定パターンとして出力されることになる。本実施形態は、このバイアス成分のばらつきに影響を受けることなく、信号成分を検出することができる。
【００４９】
また、本実施形態は、明時（ｔ１〜ｔ２）信号および暗時（ｔ３〜ｔ４）信号を高周波数でチョッピングするため、１／ｆノイズを大幅に除去することができる。
【００５０】
本実施形態において、１つのｐｎ接合４を１画素３としていたが、複数のｐｎ接合（ダイオード）を直列に接続したダイオード列を１画素としてもよい。
【００５１】
（第２の実施形態）
図１１に示すように、第２の実施形態による画素３は、電磁波を受信して電気信号に変換するアンテナ９０１と、アンテナ９０１で発生した電気信号をジュール熱に変換して画素３の温度を上昇させる抵抗発熱体９０２とを含む。第２の実施形態のその他の構成は、第１の実施形態の構成と同様でよい。
【００５２】
アンテナ９０１は、電気抵抗の非常に低い金属膜であり、入射した電波を受信する。アンテナ９０１の抵抗値は、例えば、１０Ω以下の低抵抗であることが望ましい。アンテナ９０１の長さは、受信対象電波の波長の１／２程度であることが望ましい。これにより、上記長波長の電波を選択的に受信することができる。
【００５３】
アンテナ９０１は、図１１に示すように、例えば、第１のアンテナ部分９０１ａおよび第２のアンテナ部分９０１ｂに分割されている。第１のアンテナ部分９０１ａおよび第２のアンテナ部分９０１ｂは、抵抗発熱体９０２に電気的に接続されている。抵抗発熱体９０２の抵抗値は、例えば、２００Ω程度である。
【００５４】
抵抗発熱体９０２およびアンテナ９０１は、下層の熱電変換素子（アノード１６１、カソード１６２）とは電気的には分離されているが、熱的には一体となっている。アンテナ保護膜９０３は、アンテナ９０１および抵抗発熱体９０２を被覆し、これによりキャビティ１４形成時にエッチング溶液から保護する役割を果たす。
【００５５】
第２の実施形態による固体撮像素子１の処理対象である電磁波は、GHz帯からTHz帯の非常に周波数の高い領域であり、この電磁波自体を電気的に変換して検出することは困難である。そこで、第２の実施形態による画素３は、電磁波により発生した電流が抵抗発熱体９０２を通過するときに発生するジュール熱を電気信号に変換する。このジュール熱Ｐａは、式７で表される。
【数５】
2008241465.tif 000007
ここで、Ｉａは電磁波により発生した電流、Ｒａは抵抗発熱体９０２の抵抗値である。
【００５６】
その後の処理は、上記実施形態と同様である。これにより、第２の実施形態は、熱伝導スイッチＳＷを用いて電磁波受信による信号成分ｄＶのみを取り出すことができる。第２の実施形態によれば、赤外光だけではなくテラヘルツ帯やミリ波帯の電波を高Ｓ／Ｎで読み出すことができる。第２の実施形態は、さらに第１の実施形態の効果も得ることができる。
【００５７】
（第３の実施形態）
第３の実施形態は、画素３から出力される微小信号を増幅し、かつ、明時信号と暗時信号との差分を出力する。このような動作を実現するために、第３の実施形態による信号検出部は、図１２に示すように、増幅トランジスタＴａｍｐと、ノードＮ１０〜Ｎ１２と、結合キャパシタＣＣと、フィードバックトランジスタＴｆｂと、蓄積キャパシタＳＣと、選択トランジスタＴｓｅｌと、リセットトランジスタＴｒｓとを備えているカラムアンプである。
【００５８】
ノードＮ１１は、増幅トランジスタＴａｍｐのドレインに接続されている。ノードＮ１０は、増幅トランジスタＴａｍｐのゲートに接続されている。結合キャパシタＣＣは、ノードＮ１０と信号線６との間に接続されており、増幅トランジスタＴａｍｐのゲートを信号線６に容量結合する。フィードバックトランジスタＴｆｂは、ノードＮ１１とノードＮ１０との間に接続されており、クランプ動作時に増幅トランジスタＴａｍｐのゲートとドレインとを接続する。これにより、トランジスタＴｆｂは、増幅トランジスタＴａｍｐの閾値電圧情報を増幅トランジスタＴａｍｐのゲートに保持する。
【００５９】
選択トランジスタＴｓｅｌは、ノードＮ１１とＮ１２との間に接続されている。選択トランジスタＴｓｅｌは、クランプ時にリセット電圧ＶｒｓをノードＮ１１に伝達し、読出し時にノードＮ１１の電位をノードＮ１２に伝達する。
【００６０】
蓄積キャパシタＳＣは、ノードＮ１２と基準電圧（グランド）との間に接続され、トランジスタＴｓｅｌを介して増幅トランジスタＴａｍｐを流れる電荷を蓄積する。増幅トランジスタＴａｍｐがＮ型ＭＯＳＦＥＴである場合には、蓄積キャパシタＳＣに蓄積する電荷は電子である。
【００６１】
リセットトランジスタＴｒｓは、ノードＮ１２とリセット電圧Ｖｒｓとの間に接続されており、ノードＮ１２、Ｎ１１の電位をリセット電圧に設定するためのリセット動作においてオンする。リセットトランジスタＴｒｓがオンになると、蓄積キャパシタＳＣをリセット電圧Ｖｒｓにリセットする。
【００６２】
ノードＮ１２は、トランジスタＴｒｓとトランジスタＴｓｅｌとの間のノードであり、水平読出し回路１１への出力ノードＣＤＳ−ｏｕｔでもある。
【００６３】
このように、第３の実施形態は、カラムアンプ７の形態が第１および第２の実施形態と異なる。第３の実施形態のその他の構成は、第１または第２の実施形態の構成と同様でよい。
【００６４】
図１３は、第３の実施形態によるセンサの動作を示すタイミング図である。ｔ０〜ｔ１において、蓄積キャパシタＳＣのリセットを行う。詳細には、リセットトランジスタＴｒｓのゲート電圧Ｖｒｓｔおよび選択トランジスタＴｓｅｌのゲート電圧Ｖｓｅｌをパルス電圧で立ち上げる。これにより、蓄積キャパシタＳＣの電圧および増幅トランジスタＴａｍｐのドレイン電圧をリセット電圧Ｖｒｓにする。即ち、ノードＮ１１およびノードＮ１２の電位は、リセット電圧Ｖｒｓに等しくなる。
【００６５】
ｔ１〜ｔ２において、第１の実施形態と同様に、信号線６の電位は、（Ｖｄｄ−Ｖ０＋ｄＶｓｈ＋ｄＶ）となる。従って、トランジスタＴａｍｐがオン状態になる。このとき、フィードバックトランジスタＴｆｂのゲート電圧Ｖｆｂをパルス電圧で立ち上げ、トランジスタＴｆｂをオン状態にする。また、これと同時に、増幅トランジスタＴａｍｐのソース電位ＶｓをＶｓ＞０に立ち上げる。このとき選択トランジスタＴｓｅｌはオフ状態とする。ソース電圧Ｖｓは、トランジスタＴａｍｐおよびＴｆｂを介してノードＮ１０に接続される。よって、ノードＮ１０の電位Ｖｇは、図１３に示すように、当初、増幅トランジスタのドレイン電圧Ｖｒｓに近い値になる。しかし、その後、ノードＮ１０からフィードバックトランジスタＴｆｂを経由してノードＮ１１に向かって電流が流れる。これにより、増幅トランジスタＴａｍｐのゲート電圧Ｖｇ（ノードＮ１０の電圧）は（Ｖｓ＋Ｖｔｈ）に接近する。
【００６６】
ｔ２〜ｔ３において、フィードバックトランジスタＴｆｂのゲート電圧を０Ｖとし、トランジスタＴｆｂをオフ状態にする。このとき、熱伝導スイッチＳＷは、第２の状態となるため、信号線６の電位Ｖｓｌが（Ｖｄｄ−Ｖd０）に変化する。また、増幅トランジスタＴａｍｐのゲート電位（ノードＮ１０の電圧）は、クランプ電圧（Ｖｓ＋Ｖｔｈ）よりも（ｄＶｓｈ＋ｄＶ ）だけ低い値となる。これにより、（Ｖｓ＋Ｖｔｈ−ｄＶｓｈ−ｄＶ）に対応する電流が蓄積キャパシタＳＣからノードＮ１１側へ流れる。このときに流れた電流量が蓄積キャパシタＳＣの電圧降下に対応する。そして、（Ｖｓ＋Ｖｔｈ−ｄＶｓｈ−ｄＶ）が出力ＣＤＳ−ｏｕｔとして読み出される。
【００６７】
ｔ３〜ｔ４の水平読出し回路１１の動作は、第１の実施形態による水平読出し回路１１の動作と同様であるので、その説明を省略する。
【００６８】
第３の実施形態によれば、固定パターンの画素ごとのばらつきおよび１／ｆ雑音による影響を受けることなく、入射光による信号電圧を増幅および積分して出力することができる。
【００６９】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、図１５に示すように、熱伝導スイッチＳＷが、シリコン基板１の表面に対して垂直方向に長く積層されている。より詳細には、熱伝導スイッチＳＷは、ポリシリコン層１１１ａを有し、その上にメタル層を１層以上形成する。図１５では、メタル層１１１ｃおよび１１１ｅの２層がポリシリコン層１１１ａ上に堆積されている。メタル層１１１ｃおよび１１１ｅとポリシリコン層１１１ａは同電位とするためにコンタクト１１１ｂ、１１１ｃで接続する。
【００７０】
第１の電極１３は、ポリシリコン層１３ａを有し、その上にメタル層を１層以上形成する。図１５では、メタル層１３ｃおよび１３ｅの２層がポリシリコン層１３ａ上に堆積されている。メタル層１３ｃおよび１３ｅとポリシリコン層１３ａは同電位とするためにコンタクト１３ｂ、１３ｃで接続する。第２の電極１１３は、ポリシリコン層１１３ａを有し、その上にメタル層を１層以上形成する。図１５では、メタル層１１３ｃおよび１１３ｅの２層がポリシリコン層１１３ａ上に堆積されている。メタル層１１３ｃおよび１１３ｅとポリシリコン層１１３ａは同電位とするためにコンタクト１１３ｂ、１１３ｃで接続する。
【００７１】
熱伝導スイッチＳＷを機械的に変形させるために、熱伝導スイッチＳＷの根元部分１１５は、シリコン層１１１ａの単層構造にシリコン酸化膜を被覆した構造であることが好ましい。第４の実施形態では、図１４に示すように、積層部分１１４は熱伝導スイッチＳＷの先端部分とする。第１の電極１３および第２の電極１１３は、積層部分１１４に対向する部分に、シリコン基板１の表面に対して垂直方向に長く積層された構造を有する。これにより、熱伝導スイッチＳＷと第１の電極１３との対向面積Ｓおよび熱伝導スイッチＳＷと第２の電極１１３との対向面積Ｓが増大する。
【００７２】
例えば、積層部分の厚みが単層部分のそれの３倍であるとき（対向面積Ｓが３倍であるとき）、積層部分１１４の単位長さあたりに作用する力は、式８で表される。
Ｆ３＝１／２ ＊ε＊（Ｖｓｗ／ｄ）＊２・３Ｓ    （式８）
【００７３】
Ｆ３は、スイッチＳＷがポリシリコン層のみで形成されている場合の３倍の力である。このように、第４の実施形態による熱伝導スイッチＳＷは、静電気力が作用する面積を増大させることによって、より低い電圧で駆動され得る。
【００７４】
第４の実施形態は、第１〜第３の実施形態のいずれと組み合わせることができる。それにより、第４の実施形態は、さらに第１〜第３の実施形態の効果を得ることができる。
【００７５】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る第１の実施形態に従った熱型センサ１００の構成図。
【図２】第１の状態における画素３部分の平面図。
【図３】第２の状態における画素３部分の平面図。
【図４】図２の４−４線に沿った断面図。
【図５】熱伝導スイッチの変位を示すグラフ。
【図６】信号検出部７の回路図。
【図７】水平読出し回路の回路図。
【図８】センサ１００の動作を示すタイミング図。
【図９】信号成分ΔＴおよび自己加熱ΔＴｓｈを示すグラフ。
【図１０】第２の実施形態に従った画素部分の平面図。
【図１１】図１０の１１−１１線に沿った断面図。
【図１２】第３の実施形態に従ったカラムアンプ７の回路図。
【図１３】第３の実施形態に従ったセンサの動作を示すタイミング図。
【図１４】第４の実施形態に従った画素３の平面図。
【図１５】図１４の１５−１５線に沿った断面図。
【符号の説明】
【００７７】
１００…熱型センサ
ＳＷ…熱伝導スイッチ
３…画素
４…ｐｎ接合（ダイオード）
５…行選択線
６…信号線
７…信号検出部
１２…支持部
１３…第１の電極
１１３…第２の電極
６０…定電流源
１４０…水平シフトレジスタ
【図１】
2008241465.tif 000008
【図２】
2008241465.tif 000009
【図３】
2008241465.tif 000010
【図４】
2008241465.tif 000011
【図５】
2008241465.tif 000012
【図６】
2008241465.tif 000013
【図７】
2008241465.tif 000014
【図８】
2008241465.tif 000015
【図９】
2008241465.tif 000016
【図１０】
2008241465.tif 000017
【図１１】
2008241465.tif 000018
【図１２】
2008241465.tif 000019
【図１３】
2008241465.tif 000020
【図１４】
2008241465.tif 000021
【図１５】
2008241465.tif 000022