(57)【要約】  本発明は、光がセンサにカップリングするために最適化された光空洞を有する熱検出器を提供する。共振の光は、ほぼ１００％の効率でセンサとカップリングし、共振を外れた光は、実質的に反射される。その方向（すなわち、光空洞の光軸上にない）から当てられた光は、センサの吸収特性が減少するため、最小限にしかセンサと相互作用しない。本発明に係る狭帯域センサは、全てのスペクトル帯及び全ての方向から生じる、わずかな通常の放射雑音を受信する一方、１つの方向且つ１つのスペクトル帯からの信号をほほ１００％獲得することが可能である。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を検出する熱検出器であって、
間隙を介する層状の第１及び第２の薄膜ミラー構造によって少なくとも一部が規定される共振光空洞と、
赤外線センサであって、前記第１及び第２の薄膜ミラー構造の間に動作可能なように配置され、前記共振光空洞に受信された赤外線が少なくとも前記赤外線センサの表面部分に衝突するように１つ以上の導電性の支持構造によって前記共振光空洞内部に懸吊される赤外線センサと、
を有することを特徴とする熱検出器。
【請求項２】
前記第１及び第２の薄膜ミラー構造の少なくとも１つは、分布ブラッグ反射器を有する、請求項１に記載の熱検出器。
【請求項３】
前記第１及び第２の薄膜ミラー構造は、前記共振光空洞に集中した常在の最大値を提供する、請求項１に記載の熱検出器。
【請求項４】
前記第１及び第２の薄膜ミラー構造の少なくとも１つは、約３ミクロンから約１４ミクロンの間に集中した反射率を有する、請求項１に記載の熱検出器。
【請求項５】
前記共振光空洞は、前記第１及び第２の薄膜ミラー構造から前記赤外線センサを熱的に分離する真空を提供する、請求項１に記載の熱検出器。
【請求項６】
前記赤外線センサは、ボロメータを有する、請求項１に記載の熱検出器。
【請求項７】
前記ボロメータは、前記１つ以上の導電性の支持構造と電気的に接続した薄膜熱検出抵抗を有する、請求項６に記載の熱検出器。
【請求項８】
前記薄膜熱検出抵抗は、酸化バナジウム、ＹＢａＣｕＯ、ポリシリコン及びチタニウムの１つ以上を有する、請求項７に記載の熱検出器。
【請求項９】
前記ボロメータは、吸収層を有する、請求項６に記載の熱検出器。
【請求項１０】
前記吸収層は、金属、合金、誘電体、及び半導体の１つ以上を有する、請求項９に記載の熱検出器。
【請求項１１】
前記１つ以上の導電性の支持構造は、前記赤外線センサを熱的に分離し、単位表面積あたり約１Ｗ／（Ｋｍ2）より低い熱伝導率を有する、請求項１に記載の熱検出器。
【請求項１２】
化学的検出デバイス、工業プロセス制御デバイス、エンジン監視デバイス、流出物監視デバイス、環境監視デバイス、温度計測デバイス、圧力計測デバイス、爆発物検出デバイス、イメージングデバイス、医療監視デバイスの１つ以上と組み合わされる、請求項１に記載の熱検出器。
【請求項１３】
赤外線を検出する熱検出器であって、
間隙を介する層状の第１及び第２の薄膜ミラー構造によって少なくとも一部が規定される共振光空洞と、
赤外線センサであって、前記第１及び第２の薄膜ミラー構造の間に動作可能なように配置され、前記共振光空洞に受信された赤外線が少なくとも前記赤外線センサの一部に衝突するように１つ以上の導電性の支持構造によって前記共振光空洞内部に懸吊される赤外線センサと、を有し、
前記赤外線センサの一部は、２５パーセント以下の吸収率を有する、
ことを特徴とする熱検出器。
【請求項１４】
前記赤外線センサは、約１０％より少ない吸収率を有する、請求項１３に記載の熱検出器。
【請求項１５】
前記赤外線センサは、ボロメータを有する、請求項１３に記載の熱検出器。
【請求項１６】
前記１つ以上の導電性の支持構造は、前記赤外線センサを熱的に分離し、約１Ｗ／Ｋ／ｍ2より低い熱伝導を有する、請求項１３に記載の熱検出器。
【請求項１７】
前記赤外線センサは、約１００ナノメールよりも薄い膜厚を有する薄膜を有する、請求項１３に記載の熱検出器。
【請求項１８】
前記１つ以上の導電性の支持構造は、分離する層と導電性の層とを有する薄膜構造を有する、請求項１３に記載の熱検出器。
【請求項１９】
間隙を介する第１及び第２の薄膜ミラー構造によって少なくとも一部が規定される共振光空洞と、前記共振光空洞内部に懸吊される赤外線センサとを提供するステップと、
赤外線を前記共振光空洞に入射して、前記赤外線センサとカップリングさせるステップと、
前記赤外線が前記赤外線センサとカップリングしたことにより生じた前記赤外線センサの変化を測定するステップと、
を有することを特徴とする赤外線検出方法。
【請求項２０】
前記赤外線センサは、ボロメータを有する、請求項１９に記載の赤外線検出方法。
【請求項２１】
前記赤外線センサの変化を測定するステップは、前記赤外線センサの少なくとも一部の抵抗値の変化を測定するステップを含む、請求項１９に記載の赤外線検出方法。
【請求項２２】
赤外線を検出する熱検出器の製造方法であって、
間隙を介する第１及び第２の薄膜ミラー構造によって少なくとも一部が規定される共振光空洞を形成するステップと、
前記共振光空洞内部に赤外線センサを懸吊するステップと、
前記センサによる前記光空洞の共振波長の吸収が２５パーセントよりも大きくなるように前記光空洞内部に前記赤外線センサの配置するステップと、
を有することを特徴とする熱検出器の製造方法。
【請求項２３】
前記共振光空洞に真空を提供するステップを有する、請求項２２に記載の熱検出器の製造方法。
【請求項２４】
前記共振光空洞内部に赤外線センサをつるすステップは、ボロメータ構造を形成するステップを有する、請求項２２に記載の熱検出器の製造方法。
【請求項２５】
前記センサによる前記光空洞の共振波長の吸収が７５パーセントよりも大きい、請求項２２に記載の熱検出器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００６年１２月８日に出願された米国仮出願６０／８７３６５０号の優先権を主張し、その出願の全ての内容は、全ての趣旨を参照することによって、本出願に包含される。
【０００２】
政府の権利
この発明は、陸軍研究局によって授与された補助番号ＤＡＡＤ１９−０３−１−３０４３に基づき、政府の援助を得て発明されたものである。
【０００３】
本発明は、赤外線検出器及び赤外線検出方法に関する。特に、本発明は、高感度な非冷却熱検出器であって、標準黒体の放射限界（the  standard  blackbody  radiation  limit）以下の雑音レベルで機能する熱検出器に関する。本発明に係る熱検器は、マイクロボロメータベースの検出器のほかに強誘電体検出器及び熱電検出器をも包含する。本明細書で説明する技術は、ある条件の下では、フォトン（ｐｎジャンクション及び光伝導体など）検出器でも有効である。
【背景技術】
【０００４】
熱検出器は、光エネルギを吸収し、得られた熱を、吸収した光の量又は種類と関係する有用な電気信号に変換するセンサを含む。おそらく、もっとも広く知られた最新の熱検出器には、マイクロボロメータがある。マイクロボロメータは、中赤外線（ＭＷＩＲ：３〜５ミクロン程度の波長に相当）、又は遠赤外線（ＬＷＩＲ：８〜１４ミクロン程度）の広い帯域に亘る赤外線の光を吸収して、熱を抵抗値の変化に変換する。このデバイスは、業務用の非冷却イメージングカメラで広く普及している。マイクロボロメータの基本的な構造は、薄い支持梁によって下層の基板と接続された小型マイクロマシンセンサ・プレートを含む。支持梁の熱伝導率が低いので、光を少し吸収すると、センサ・プレートの温度が大幅に上昇する。センサ・プレートは、抵抗温度係数（ＴＣＲ、temperature  coefficient  of  resistance）が大きい材料で構成された抵抗を含む。ＴＣＲ材料として使用する一般的な材料の１つとして、当初は１９８０年代にマイクロボロメータ用に開発された酸化バナジウムがある。パルス状、又は連続的なバイアス電流を抵抗に印加し、光エネルギの吸収が電圧応答を通して測定される。一般的な他の熱検出器の技術として、ゼーベック効果を使用して光からの熱を電圧に変換する熱電検出器と、吸収した光の熱によって強誘電体材料の内部極性を介して電圧信号を誘導する焦電検出器とがある。
【０００５】
熱検出器の性能を制限し得るさまざまな雑音源がある。バイアスされた単独ピクセル（single-pixel）検出器に、もっとも影響を与える雑音に、ジョンソン雑音、１／ｆ雑音、及び熱雑音がある。熱雑音は、検出器を出入する量子のエネルギの変動による雑音である。量子は、固体の状態が熱伝導の中心となる場合にはフォノンとして現れ、放射が熱伝導の中心となる場合にはフォトンとして現れる。従来、放射熱の伝導は、根本的な雑音限界（noise  limit）として考えられてきた。これは、他の全ての雑音源が技術革新によって減少した場合でも、プランクの法則のためフォトンの変動が残るためである。
【０００６】
最新の広帯域の温度検出デバイスには、放射雑音を考慮する必要がある領域において作動するものもある。例として、熱伝導が低い支持体を有するマイクロボロメータを説明する米国特許公報２００２／０１３９９３３号及び２００１／００２８０３５号が挙げられる。実施形態の１つとして、他の多くの材料よりも放射線放出が低い材料を検出器の背面材料に選択することが提案されている。
【０００７】
放射限界（radiation  limit）は、以前から考えられてきたよりもきびしくはない。放射熱伝導は、放射率に正比例して、放射率は、キルヒホッフの法則を通じて吸収率と等しくなる。このため、吸収率が低い構造では、吸収率を大きくするように最適化されている通常の温度検出器よりも、バックグラウンドの放射との相互作用を小さくできる。一般的な検出器では、吸収を低くすると、受信する光信号が吸収と同じ量だけ減少するので、性能を上げることにはならない。バックグラウンドの他の吸収を低く維持したまま、１００％近い効率で光信号と検出器のセンサとがカップリングする場合には、従来の熱放射雑音は、数桁のオーダで減少できる。
【０００８】
熱検出器の多くは、広帯域で動作する。最新のデバイスの多くは、下に反射体を有し、デバイスを通り抜けた光を再度吸収することになる。この構造におけるボロメータと基板との間の間隙は、１／４波長程度であり、広帯域に亘って強くカップリングする。ある面では、基板を加えたボロメータ全体は、高吸収の分散型「ミラー」として考えることができる。外部のエタロンを一体化したさまざまな狭帯域検出器が提案されている。おそらくはもっとも進んだものが、Ｃｏｌｅ等によって発明された米国特許第７０１５４５７号及び５５５０３７３号によって説明される。干渉よりも散乱によって波長の差異を区分する、マルチスペクトルボロメータの概念は、Ｌｅｅ等によって発明された米国特許第５６２９５２１号において説明される。フィルタ一体化する検出器は、Ｋｏｓｋｉｎｅｎによって発明された米国特許第５５８９６８９号、Ｔａｉ等によって発明された米国出願２００５／００１７１７７号、そしてＳｅｒｉａｌ等によって発明された米国特許第１１８０５２４０号において説明される。
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、黒体放射の雑音限界をはるかに超えて機能する高感度な熱検出器を提供する。本発明に係る熱検出器は、光空洞の内部に配置されるマイクロボロメータ・プレーンなどのような低放射率（低吸収率）センサを有する。光空洞は、少なくとも部分的には薄膜ミラー構造によって規定される。好適には、センサの吸収率を空洞ミラーの反射率と一致させることによって、放射とセンサとのカップリングを最適化する。また好適には、ミラーの湾曲を最適化して、センサによって集められる放射量を最大化しながらセンサの面積を最小化する。共振における放射は、１００％の効率でセンサとカップリングし、共振を外れた放射は、四方に反射する。有利には、その方向（すなわち、光空洞の光軸でない方向）からセンサへ向かう放射は、センサの吸収特性が減少するため、センサとの相互作用は、最小限になる。本発明に係る狭帯域温度検出器は、１つの方向且つ１つのスペクトル帯の信号をほぼ１００％獲得することができる一方、他の全ての方向且つスペクトル帯から生じる放射雑音は、ほとんど受け入れない。
【００１０】
本発明に係る熱検出器は、広帯域且つ熱放射限界を下回る雑音レベルを有する。マイクロボロメータベースの熱検出器の現在の最新技術では、熱放射雑音の雑音電力は通常、検出器の面積によって数ピコワットから数１０ピコワットまで変化する。本発明に係るマイクロボロメータベースの熱検出器は、最先端の検出器よりも一桁良い雑音電力を実現する。
【００１１】
また、本発明に係る熱検出器は、好適には超低熱伝導の支持構造を利用して、面積が大きいデバイスや小さな単独ピクセルのために、サブ放射限界感度（sub-radiation  limit  sensitivity）を提供する。１つの実施形態では、誘電構造層と導電体とを有する支持体が好適に使用される。最新技術では、これらの支持体は、１００ｋΩ以下のオーダの抵抗値を有する抵抗で、１０-9Ｗ／Ｋの熱伝導率を有することができる。通常、同じ材料を使用するときは、熱伝導率を高くすると電気抵抗が低くなる。好適な支持体の材料には、二酸化ケイ素のような熱伝導率が低い誘電体、ニッケルと鉄との合金（ＮｉＦｅ）のような金属合金などがある。連続的にバイアスする読み出しと、低ジョンソン雑音、低１／ｆ雑音において同様な読み出しを使用する検出器においては、熱伝導率が低い支持体構造を使用して標準黒体の放射限界を超える感度を実現できる。しかしながら、プラスにバイアスされた読み出しを使用して最大感度において小さいピクセルと互換性があるアレイを得るためには、サーモスイッチング及び／又はインタフェース接点を使用するといった、より進歩した支持体構造が好適に使用される。感度のよい読み出しのためには、例えば空洞の光共振のスペクトルの位置、又は回折し、伝播し、屈折し、センサから反射するパターンのスペクトルの位置を読み出しのための光プローブによって探知することによるなどの光学的な方法を使用する。光学的な技術は、イメージングアレイに用いるのが難しい一方、電気的な読み出し雑音を減少・除去させることに優位性を有している。
【００１２】
好適には、本発明に係るセンサは、薄膜を有するが、これは、放射率のためだけでなく、時定数を最適化するためでもある。熱放射限界で作動するためには、熱伝導率は、極めて小さくしなければならないが、一方でセンサの時定数が好ましくないほど高い値になってしまう。これを回避するためには、センサ薄膜は、好適には、数１０ナノメートル以下の膜厚に薄くされる。このようにして、標準的なフレームレートの検出は、実現できる。なお、化学的な検出や天文学などのような応用される分野において、時定数が大きいことは、必ずしも不利にはならない。したがって、必要な膜厚は、所望の時定数、センサの面積、使用される材料に応じたものになる。
【００１３】
典型的なセンサの材料は、ＶＯXとＳｉＯ2とを有する。ＶＯXは、８０年代中頃から使用されている業界標準のＴＣＲ材料の１つであり、その結果として特性が良く、高いＴＣＲ応答を有する。ＳｉＯ2は、エッチング停止材料及び構造体の材料として使用される。ＶＯXは、ＬＷＩＲにおいて最小限の吸収性を有するように堆積でき、１０ミクロン近辺で強い吸収性を有するＳｉＯ2は、膜厚を選択して、その波長付近の所望の放射率を与えるように堆積できる。他の材料は、他の波長又は波長の調整が可能なデバイスに使用できる。例えば、一般に薄い金属は、ＳｉＯ2と比べてＬＷＩＲ又はＭＷＩＲに亘って、より均一な吸収性を有するので、光空洞共振の全ての範囲で正確にカップリングできる。このため、調整可能なデバイスが要求される場合に、吸収材として使用できる。支持体としては、低熱伝導率の金属と、導電率の熱伝導率に対する比率が高い導電層とを有することが好適である。典型的な材料は、構造的な支持材料として二酸化ケイ素を含み、導電体としてスパッタされたＮｉＦｅを含む。
【００１４】
本発明は、高感度のイメージングケミカルライン（imaging  chemical  lines）などのピクセル構造も提供する。ピクセル構造は、最新のマイクロボロメータベースの検出器よりも少なくとも１桁低い等価雑音電力（ＮＥＰ）を有し、本発明の検出器における放射バックグラウンドとの相互作用を減少する。
【００１５】
さらに本発明に係る熱検出器は、ミラーとセンサとの相対的な間隔を制御する静電アクチュエータを使用することによって、調整可能なように製造できる。
【００１６】
本発明の１つの態様において、赤外線を検出する熱検出器が提供される。熱検出器は、間隙を介する層状の第１及び第２の薄膜ミラー構造によって少なくとも一部が規定される共振光空洞と、第１及び第２の薄膜ミラー構造の間に動作可能なように配置される、共振光空洞に受信された赤外線が少なくとも赤外線センサの表面部分に衝突するように１つ以上の導電性の支持梁によって共振光空洞内部に懸吊される赤外線センサと、を有する。光空洞は、２つのセンサを含むことができる。
【００１７】
本発明の他の態様において、赤外線を検出する熱検出器が提供される。熱検出器は、間隙を介する層状の第１及び第２の薄膜ミラー構造によって少なくとも一部が規定される共振光空洞と、第１及び第２の薄膜ミラー構造の間に動作可能なように配置され、共振光空洞に受信された赤外線が少なくとも赤外線センサの一部に衝突するように１つ以上の導電性の支持梁によって共振光空洞内部に懸吊される赤外線センサと、を有し、その赤外線センサの一部は、２５パーセント以下の吸収率を有する。好適には、その赤外線センサの部分は、室温で約８ミクロンから約１４ミクロの範囲内で２５パーセント以下の吸収率を有する。この波長範囲は、バックグラウンドの温度が高いときは短波方向に移動できる。
【００１８】
本発明の他の態様において、赤外線を検出する方法が提供される。その方法は、間隙を介する第１及び第２の薄膜ミラー構造によって少なくとも一部が規定される共振光空洞と、共振光空洞内部に懸吊される赤外線センサとを提供するステップと、赤外線を共振光空洞に入射して、赤外線センサとカップリングさせるステップと、赤外線が赤外線センサとカップリングしたことにより生じた赤外線センサの変化を測定するステップと、を有する。
【００１９】
本発明のさらに他の態様において、赤外線を検出する熱検出器を製造する方法が提供される。その方法は、間隙を介する第１及び第２の薄膜ミラー構造によって少なくとも一部が規定される構造共振光空洞を形成するステップと、共振光空洞内部に赤外線センサを懸吊するステップと、センサによる光空洞の共振波長の吸収が２５パーセントよりも大きくなるように光空洞内部に赤外線センサの配置するステップと、を有する。
【００２０】
本願に組み込まれ、本願の一部を構成する添付図面は、本発明のいくつかの態様を説明し、実施形態の説明とともに本発明の概念を説明する働きをする。図面の簡単な説明は、以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ガウス光空洞と、中央に位置する本発明に係る吸収センサとを有する超高感度且つ狭帯域の温度検出器の一例を概略的に示す図である。センサは、低い放射率を有するため、光空洞の周波数帯域及び光空洞の方向の放射にもっとも強い作用を有する。
【図２】本発明に係る空洞エンハンスト（cavity-enhanced）吸収センサの層の構造と厚さとの一例を示す表である。
【図３】図２の表の層構造と同様の層構造を有する、本発明に係るサブ放射限界検出器の共振光空洞の吸収度−波長の関係を示すグラフである。
【図４】Ｇｅ／ＳｒＦ2を含むミラー構造を有する、本発明に係る共振光空洞の層構造を示した表である。この光空洞構造では、センサは、光空洞の中央に位置する。
【図５】図４の表の共振光空洞の吸収度−波長の関係を示すグラフである。
【図６】透過性が良い物体における放射率と吸収率との変化の観念を概略的に示す図である。
【図７】１０ミクロンに最適化された光空洞内にクロムを有する、本発明に係る熱検出器の吸収財検出能−波長の関係を示すグラフである。
【図８】本発明に係る熱検出器の一例を概略的に示す図である。
【図９】図８の熱検出器のセンサ構造を概略的に示す図である。
【図１０】図８の熱検出器の平面図である。
【図１１】ミラー構造とセンサ構造とを示す、図８の熱検出器の部分分解図である。
【図１２】第１のミラー構造と第２のミラー構造とセンサ構造とを示す、図８の熱検出器の分解図である。
【図１３】本発明に係る熱検出器の他の例を概略的に示す図である。
【図１４】本発明に係る熱検出器の他の例を概略的に示す図である。
【図１５】本発明に係る熱検出器の他の例を概略的に示す図である。
【図１６】図１５の熱検出器の平面図である。
【図１７】図１５の熱検出器のセンサ構造の平面図である。
【図１８】本発明に係るフォトン検出器の一例を概略的に示す図である。
【図１９】Ｇｅ／ＳｒＦ2を有するミラー構造を有する、本発明に係る共振光空洞の層構造を示した表である。この光空洞構造では、センサは、光空洞の中央に位置しない。
【図２０】図１９の表の共振光空洞の吸収度−波長の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下で説明する本発明の実施形態は、全てを網羅するものでもなく、以下の詳細な説明で開示される明確な構造に本発明を限定することを意図するものでもない。むしろ、実施形態は、他の当業者が本発明の本質及び実施を正当に評価し、理解するように選択して説明されている。
【００２３】
放射限界（radiation  limit）が熱検出器の最終的な能力を決定することは、広く知られている。全ての他の雑音が無視できるレベルまで削減、減少した場合でさえも、検出器、検出器の周囲、及びバックグラウンドの間をフォトンが移動することにより、検出電力に非常に小さな変動が生じる。したがって、本発明は、検出器のセンサ部と検出器の周囲とがほとんど相互作用しないように、十分に低い放射率（吸収）を有する検出器を提供する。通常は、雑音に従ってセンサの信号応答も減少するため、これは実現できない。しかしながら、適切に整合させた光空洞の内部にセンサが配置された場合には、一方向且つ一周波数帯における光は、１００％又は１００％近くセンサとカップリングする。空洞の光軸の方向における他の波長の放射は、空洞に受け入れられず、他の方向からのいかなる波長の放射も低吸収のセンサ素子への相互作用が弱くなる。よく冷却された狭帯域のアンチモン化インジウムフォトン検出器又は水銀カドミウムテルル（ＭＣＴ）フォトン検出器とほぼ同等に、非冷却の狭帯域検出器を機能させることによって、この種のデバイスでは、放射雑音限界を２以上のオーダで下げることができる。この技術は、波長が固定された検出器及び調整可能な検出器の双方で利用できる。調整可能な検出器がTalghader等により発明され、２００７年５月２２日に出願された発明の名称を「調整可能なようにされた赤外線空洞熱検出器（Tunable  Finesse  Infrared  Cavity  Thermal  Detectors）」という米国特許１０／８０５２４０号で説明されている。この特許の開示の全ては、全体の開示及び全体の趣旨を参照することによって本願に包含される。
【００２４】
標準的な放射雑音限界を超えて検出することを、ある程度まで広範な共振で動作するように拡張できる。しかしながら、帯域を広げるほど効率が下がることになる。広範な応答を得るためには、ミラーの反射を低くして、センサの吸収を高くする。このように変更することにより、センサとバックグラウンドとの相互作用が増加し、デバイスの最終的な能力を下げる。通常の場合では、ＭＷＩＲ又はＬＷＩＲの全体をカバーするようにすると、性能の向上はほとんど望めない。１つのミラーを全体的に取り除き、センサを良く吸収するようにして、最新のマイクロボロメータに共通する構造を模倣することができる。この構造では、基板や他の層からの反射によって、余分な放射をセンサにカップリングする（米国特許５０２１６６３号、５２８６９７６号及び米国特許公報２００２／０１７８３７号等を参照）。このようなデバイスは、従来の黒体限界（blackbody  limit）に近い放射雑音を有する。
【００２５】
半波長の倍数で隔てられた２つの平行のミラーが、その波長に伝送ピークを有するファブリ・ペロー共振器を形成することは周知である。高伝送につながる、この同じ干渉現象を使用して放射を共振空洞内の吸収層にカップリングすることもできる。低吸収層が高フィネス共振器内部の最大電界強度に配置される場合には、吸収材の材料を通る多くのパスが作られるため、共振における放射は、非常によく吸収される。共振ではない放射は、光空洞受け入れられず、吸収材との相互作用は、ほとんど生じない。
【００２６】
本明細書で使用する用語、光空洞（optical  cavity）は、第１のミラー構造と、第２のミラー構造と、ミラー構造間の領域とを少なくとも有するファブリ・ペロー型の干渉計をいう。ミラー間の領域とミラーとは、反射層に加えて、吸収層、位相調整層、センサ層、及び／又は他の層を含むことができる。ミラー間の領域はまた、好適には、真空空間とするが、本発明に係るフォトン検出器で使用するような固体の層を含むことができる。本明細書で説明される光空洞は、共振光空洞を有する。すなわち、このような光空洞は、光空洞内に共振における積極的な干渉を生じさせるが、有害な干渉とは対照的なものである。これは、ミラー構造の間にある光空洞のスペースが近似的には共振波長の半波長の倍数であることを意味する。
【００２７】
図１は、ガウス光空洞１２と、第１のミラー構造１６と、第２のミラー構造１８との間の中央の吸収材１４（センサ）と、を有する、本発明に係る典型的なデバイス１０をそれぞれ概略的に示す図である。中央の吸収材１４は、支持部材２０によって、光空洞１２内に配置されている。図示されるように、ミラー１６は、湾曲構造を有し、ミラー１８は、平坦な構造を有する。しかしながら、湾曲構造と平坦な構造とを含む、所望の任意のミラー構造をミラー１６、１８として使用できる。好適には、中央の層の吸収性を補完するミラーの反射率を使用できる。センサの吸収が減少すると、ミラーの反射率を増加させて、放射によって必要なパスの数が得られるようにしなければならない。したがって、適正に配置されたミラーに低吸収材を用いると、共振が鋭くなる。
【００２８】
図２は、本発明に係る熱検出器のようなデバイスとともに使用できる、遠赤外線（ＬＷＩＲ）空洞の典型的な層構造を示す表である。図２の層構造に関してシミュレーションしたスペクトルを図３に示す。ミラーに使用する典型的な材料は、ゲルマニウムとフッ化ストロンチウムとである。一方、中央の層は、ドープされてパス当たりおよそ０．５％の所望の吸収率を得るようにされた硫化亜鉛である。このような低い吸収率は、簡単に得えることができる。吸収性のある材料を選択して、とても薄くすることも可能であり、透過性である材料を選択して所望の吸収レベルが得られるまで不純物をドープすることも可能である。一例として、単一のＺｎＳ層は、本発明に係るセンサの層として使用でき、センサとして機能し、吸収材として機能し、そして構造材料として機能する。無論、これらの機能は、複数の層によって提供できる。
【００２９】
中赤外線（３〜５ミクロン）又は遠赤外線（８〜１４ミクロン）において、透過性を有する半導体（例えば、Ｇｅ、ＺｎＳ）上に制御された吸収体を形成する方法の１つとして、半導体をドープする方法がある。ドープすることにより、自由キャリアと入射する赤外線フォトンとの相互作用をフォノンが介在することができる。この処理は、多くの要素が含まれているので、結果として生じる吸収係数は、帯間遷移ほど大きくはないが、これは、期待されるものでもなく、必要なものでもない。自由キャリアの吸収率は、波長依存性αfree〜λpを有する。ここでｐは、通常は２〜３であり、音響フォノン、光学フォノン、又はキャリアと光との相互作用を介在する不純物の組合せによるものである。この波長依存性は、ＬＷＩＲ（又はＭＷＩＲ）に亘るカップリングにおける偏移を引き起こすが、システムが所望の帯域の中央に最適化されている場合には、性能は、基本的には変化しない。ドープをすることなく本質的に吸収性を有する層には、二酸化ケイ素のような誘電体、又はクロムのような薄い金属が含まれる。
【００３０】
本発明において、低吸収層が配置された光学空洞は、１つの波長で、基本的には投射する放射の１００％が吸収材とカップリングするように配置できる。空洞は、実質的には他の全ての放射を受け入れない。しかしながら、これは、光空洞の光軸の方向に沿った光のみに関する。また他の方向の放射を吸収する方法は、熱検出器の性能にとって重要である。方向の影響は、ｆ／４システムにおける性能向上において合計１００程度の要因の中で５つ程度の要因を提供できる。その一方、スペクトル空洞特性（指向性及び波長選択性）は、標準的なケミカルライン（a  standard  chemical  line）において２０程度の要因を提供する。吸収層は、約１％又は適宜１％より低くできるので、空洞の光軸以外の方向から吸収材に入射する放射は、システムにさらに入射することはない。したがって、光軸から外れた放射は、ほとんど吸収されない。言い換えると、光空洞の配置による特定方向且つ特定スペクトル帯域以外の全ての方向及び波長の吸収は、抑制される。
【００３１】
熱放出に関するステファン・ボルツマンの放射電力の方程式は、次の通りである。
【００３２】
Prad = 2AεσT4
【００３３】
ここで、Ａは素子の面積を表し（上部と下部を含む２つの要因）、εは、放射率を表し、σは、ステファン・ボルツマン定数を表し、Ｔは温度を表す。放射された電力は、放射率に正比例する。吸収率は、キルヒホッフの法則によって放射率と等しくなるので、全ての波長で透過する仮想の物体は、その温度に関わらず、いかなる熱放射も放射しないことになる。一方、吸収が弱い材質は、いくらかの熱放射を放射することになり、吸収が強い材質は、図６に示すようにεがほぼ１の黒体のように放射することになる。キルヒホッフの法則によれば、波長、分極、又は方向による物体の吸収率の変化は、物体の放射率の変化にもまた影響を与える。したがって、基本的な物理法則に従うと、１つの波長帯域のみ吸収し且つ１つの領域の方向からのみ吸収するシステムは、同一帯域且つ同一方向の放射のみ放射することになる。
【００３４】
低吸収・低放出の概念は、センサ構造そのものに関してだけでなく、光空洞及び光空洞内でのセンサの位置の特徴である。簡単な例でこのことを説明できる。図４は、Ｇｅ／ＳｒＦ2多層構造を有するミラーを有するファブリ・ペロー共振器の層構造を示す表である。空洞は、１０ミクロン程度の共振となるように配置され、ミラーは、半波長離されている。ミラーは、高い反射性を有し、下部のミラーの反射率は、ほぼ１００％となる。空洞の中央の層は、指数が大きい最内部のＧｅ層（innermost  high  index  Ge  layers）と、指数が小さい真空（low  index  vacuum）とを含む（モーメントのためのＺｎＳセンサ層は無視する）。光空洞内部の共振波長の光は、光空洞（ミラー構造の間の隙間）の中央で強度最大となる定常波を形成することとなる。中央の層の低−高−低指数プロファイルによって、中央において強度が最小になる状態を生じる。したがって、放射は、光空洞の中心に配置されたセンサと非常によいカップリングをすることになる。共振を外れた波長を受け入れずに、多くの放射がセンサとカップリングするためには、吸収率が低いことが必要となる。これは、センサが吸収した光と検出器システムの波長とをプロットした図５によって説明される。
【００３５】
定常波のパターンは、ミラーの近傍で最小となる。しかしながら、図１９に示すように他の同様の層構造を有するミラーの近傍にセンサを配置した場合は、ＺｎＳ層は、良いカップリングを得るために、より大きい屈折指数の虚部（much  larger  imaginary  part  of  the  index  of refraction）を有する必要がある。スペクトルは、図２０に示す。吸収層がミラーの近傍に配置されるときは、赤外線が透過しやすい半導体よりも、Ｃｒ、Ｐｄ材質のような本質的に赤外線（ＩＲ）の吸収性が高い材質が好ましい。これは、大きな「ｋ」を有する材質をドープすることは難しく、不可能なためである。共振におけるカップリングは、ほぼ１００％となり、共振を外れたときは、ほぼ０となる。中央に配置されたセンサと、ミラーの近傍に配置されたセンサの双方は、支持体と読み出しとを適正に配置することによって、従来の放射限界を超える検出を実現できる。
【００３６】
検出器の性能を定量化するために、熱検出器の雑音を考える必要がある。図１に示した光空洞の中央のプレートと同様の光空洞の中央のプレートが、酸化バナジウム（ＶＯｘ）の抵抗層を含み、導電性の支持体によって、外部と接続されているとする。雑音の変動は、ジョンソン雑音、１／ｆ雑音、そして熱雑音（フォノンとフォトンの双方）を含む、いくつかの雑音源から生じる。ジョンソン雑音は、抵抗内部の帯電したキャリアと、熱放出分布の極めて長い波尾からのフォトンとの相互作用に起因する。ジョンソン二乗平均平方根電圧雑音は、次の式で表される。
【００３７】
【数１】
2010512507.tif 000003
【００３８】
ここで、ｋは、ボルツマン定数であり、Ｔは、温度であり、Ｒは、抵抗値であり、Ｂは電圧測定のバンド幅である。信号を検出するために、雑音の電力とほぼ等しい電力を受信する必要がある。これは、等価雑音電力（ＮＥＰ）といわれる性能指数である。等価雑音電力は、次のように定義される。
【００３９】
【数２】
2010512507.tif 000004
【００４０】
ここで、ＲVは、Ｖ／Ｗにおける検出器の応答性である。ピーク応答周波数におけるマイクロボロメータセンサでは、ＲV＝αＶb／Ｇである。ここで、αは、抵抗の温度係数（ＴＣＲ）であり、Ｖbは、バイアス電圧であり、Ｇは、熱導電率である。α＝０．０２／Ｋの標準的なＴＣＲであり、マイクロボロメータの抵抗値がＲ＝２５ｋΩであり、フレーム毎に１回２５０μｓの間０．２Ｖの読み出しバイアス印加されるとすると、室温のジョンソン雑音限界のＮＥＰは０．３３ｐＷとなる。
【００４１】
次に大きな雑音源は、１／ｆ雑音である。この雑音の原因は、よく理解されていないが、通常は、システム毎に異なる。１／ｆ二乗平均平方根電圧雑音は、次の式で表される。
【００４２】
【数３】
2010512507.tif 000005
【００４３】
ここでｋは、１／ｆ雑音のパラメータであり、ｆ1は、ボロメータのピクセルを再較正する間の時間（ボロメータ内で使用しているモードに依存するステアリングタイム（staring  time）、又はチョッピングタイム（chopping  time）に相当する）であり、ｆ2は、電気的な読み出しのバンド幅に相当する（ｆ2〜／Δｔread）。先のジョンソン雑音の式においては、Ｂ＝ｆ1−ｆ2である。他の全ての変数は、上述の通りである。１／ｆ雑音限界のＮＥＰを計算するために、それぞれのパラメータを、ｆ1＝３０Ｈｚ、ｆ2＝４ｋＨｚとして、通常のＶＯX値に、ｋ＝１０-13を使用すると、ＮＥＰは０．０３５ｐＷとなる。
【００４４】
もっとも根本的な雑音源は、熱伝導雑音（thermal  conductance  noise）である。熱伝導雑音は、完璧に隔離されたセンサに出入する熱伝導の離散性に起因する。この離散性は、システムにおいて導通熱伝導（conduction  heat  transfer）が支配的な場合のフォノンの変動と、放射熱伝導が支配的な場合のフォトンの変動とのいずれにも起因し得る。いずれの場合も、この雑音は次の式で表される。
【００４５】
【数４】
2010512507.tif 000006
【００４６】
ここでＮＥＰは、等価雑音電力であり、Ｇは、熱伝導であり、Ｃは、センサの熱容量である（マイクロボロメータのバンド幅がＢ＝１／４τ、τ＝Ｃ／Ｇは、検出器のプレートの時定数であると仮定する）。放射熱伝導は、ボロメータの性能を最終的に制限すると通常考えられている。放射で制限されるデバイスの熱導電率を見積もるために、ステファン・ボルツマンの放射電力の方程式を微分して次の式を得る。
【００４７】
Grad = 4(2A)εσT3
【００４８】
マイクロボロメータのセンサのプレートの大きさが１００μｍ×１００μｍであり、Ｔ＝３００Ｋであり、放射率が１であるとすると、Ｇｒａｄ＝１．５×１０-8Ｗ／Ｋとなる。センサのプレートの吸収がε＝０．０１のように下がると、Ｇｒａｄ〜１０-10Ｗ／Ｋと、値がとても小さくなり、放射熱伝導は、熱支持体からの伝導変動と比べて、非常に小さくなる。
【００４９】
熱伝導率を削減できるレベルは、支持体の抵抗値に依存する。例えば、高い抵抗値の支持体では、Ｇｒａｄ〜１０-10Ｗ／Ｋを実現できる。しかしながら、従来の非冷却デバイスにおいては、熱伝導率をこのような低い値にする必要はなかった。これは、ジョンソン雑音のような他の雑音と黒体の放射限界とがとても高かったので、このように低い伝導率は必要なかったためである。
【００５０】
Ｇｓｕｐを約１０-9Ｗ／Ｋと仮定すると、熱伝導率で制限される構造における等価雑音電力は、ＮＥＰ＝０．３８ｐＷとなる。熱雑音、ジョンソン雑音及び１／ｆ雑音の寄与を合計すると、ＮＥＰ＝０．５０ｐＷとなる。この性能のレベルは、最良の冷却ＭＣＴ検出器のレベルに近づく。アレイの代わりに単一のピクセルが必要な場合（例えば、イメージングではなく、化学的検出器へ適用する場合）は、ボロメータの抵抗値を高くすることで、さらに良い性能を得ることができる。支持体の腕部内の大きな抵抗値を２．５ＭΩとすると、従来の材料と標準的な支持体とを使用することによって、１０-9Ｗ／Ｋとすることができる。しかしながら、読み出し速度は、低下する。デバイスは、ｆ1〜３０Ｈｚ、ｆ2〜３０Ｈｚなどで全てのフレームを読み出す必要がある。デバイス内で消費する電力を減少させ、ＮＥＰを改良するとともに、バイアス電圧を増加できるときは、ジョンソン雑音と１／ｆ雑音とは、ほぼ同じか小さくなる。
【００５１】
マイクロボロメータの特性上重要な数値は、センサの面積と雑音とに対する応答性を標準化する検出能Ｄ*である。
【００５２】
【数５】
2010512507.tif 000007
【００５３】
ここで、Ａは、放射の下の有効面積であり、Ｖn／√Δｆは、単位周波数バンド幅当たりの総ノイズ電圧である。
【００５４】
放射で限界される温度センサの標準的且つ基本的な検出能の限界は、次の式で与えられる。
【００５５】
【数６】
2010512507.tif 000008
【００５６】
ここで、εは、放射率であり、Ｔ1は、センサの温度であり、Ｔ2は、バックグラウンドの温度である。しかしながら、この式では、放射率は、方向と波長との双方において一定であると仮定している。図７において、本発明に係るデバイスのシミュレーションは、標準大気圧のブローデンライン（broadened  line、Δν〜４ｃｍ-1）よりもいくらか大きく（Δν〜６ｃｍ-1）なっている。ここで、黒体の変動の方程式は、ｆ／４レンズの方向の１つの放射率と、他の方向の相当に小さい放射率とを立体角によって一体化される。これは、本発明に係る光空洞の空間幅（spatial  extent）とレンズの空間幅とを一致させた光空洞の中に配置された低吸収材料の場合に相当する。さらに、光空洞のスペクトル範囲は、バックグラウンドとの相互作用を減少させる。光空洞は、共振ではほぼ１００％の光とセンサをカップリングする。光空洞は、共振を外れるとバックグランドへ光をはねつけ、ミラーは、キルヒホッフの法則に従って、サーマルライト（thermal  light）をセンサにほとんど与えない。高い反射性を有するデバイスは、放射率がとても小さいためである。数学的には、これは、光空洞の共振スペクトル帯域のみによってプランクの法則を（光空洞の方向に）一体化することを意味する。これから、スペクトルのバンド幅の平方根として算出されるＮＰＥが導かれる。実際には、狭い共振の極限（limit  of  narrow  resonances）をプランクの法則に乗じるのではなく空洞の通過帯域吸収（cavity  passband  absorption）をプランクの法則に乗じるが、これら２つの方法は、同様な結果を与える。スペクトル効果と空間効果とを結合することによって、放射雑音は急激に減少する。図７は、ＬＷＩＲの６ｃｍ-1の共振で放射を制限される超高感度デバイスの検出能を示す。大気線（atmospheric  line)検出器は、スペクトル幅を減らしているので、やや高めの検出能を有することになる。
【００５７】
サブ放射限界センサ（sub-radiation  limit  sensor）のＮＥＰは、フィルタを有する通常のマイクロボロメータのＮＥＰより非常に優れているが、速度は、制限される。マイクロボロメータの時定数は、τ＝Ｃ／Ｇであり、Ｃは，熱容量であり、Ｇは、熱伝導率である。熱放射限界を減らすことは、熱伝導率を減らすことになる。したがって、熱容量を減らして、通常のフレーム率である３０Ｈｚでのτを維持しなければならない。これはピクセルのサイズを減らすことにより可能である。ビームは、空洞の往復を何度もするので、ピクセルのサイズが平行板空洞内の波長に相当する場合は、大きな回折とカップリング損失がある。この問題を回避するいくつかの方法がある。もっとも簡単な方法は、ピクセルのサイズを維持し、ボロメータの薄膜（センサ）の膜厚をナノメータのスケールの厚さにすることである。これには、薄膜の応力を制御する必要があるが、構造を変更する必要はない。第２の方法は、ボロメータの薄膜を覆うスポットサイズを形成するのに適する、ガウスの光空洞を使用することである。空洞が光に焦点を合わせることによって、ボロメータの面積を非常に小さくできる。このような配置では、回折は生ずるが、空洞のミラーは、回折した波面と一致するように形成（湾曲）され、回折した波面をボロメータの薄膜に戻すように方向を変える。この種の空洞は、多くのレーザで、ビームのサイズを利得領域に一致させるために使用する。ミラーには、応力形成ミラー（stress-shaped  mirrors）、調整可能なミラー（tunable  mirrors）、又はコーティングされたマイクロレンズのようなものを含むことができる、回折損失を回避する第３の方法は、ボロメータの薄膜を変更してサブ波長の格子（sub-wavelength  grating）とすることである。これによって、ボロメータの薄膜の面積及び／又は膜厚を減らさずに、かなりの部分をボロメータの薄膜から除去できる。サブ波長格子の光学特性は、反射や透過と同じように、所望の吸収の大きさに変えることができる。
【００５８】
本発明に係るセンサ構造では、これらの方法の任意の組合せを使用できる。例えば、適当なガウス空洞内の１０ミクロンのボロメータ薄膜を仮定する。プレートの膜厚が５０ナノメータであり、窒化ケイ素のような一般的な素材でシステムが形成される場合に、熱容量は、１０-11Ｊ／Ｋのオーダとなり、Ｇが１０-9Ｗ／Ｋ程度であるとすると、時定数は、τ＝１０ｍｓに維持できる。検出器のサイズが３５ミクロンの増加した場合は、好適には、プレートを、同じように薄くするか、格子状にすることができる。
【００５９】
マイクロボロメータの支持体において低い熱伝導を達成するための問題の１つは、高い導電性を維持する必要性があることである。高導電率σと、低熱伝導率κを同時に実現することは困難であり、ウィーデマン・フランツ則によって、導体では難しい。σ／κの比率が高い材料として、熱電気材料と、ＮｉＦｅのような合金の材料とがある。上述した雑音計算において、単独ピクセル（single-pixel）のボロメータの抵抗値は、２．５ＭΩと仮定している。このようなデバイスの支持体は、大きな損失を信号に生じさせることなく、支持体当たりの抵抗値を約１００ｋΩかそれ以上にすることができる。ＮｉＦｅ導体を有する二酸化ケイ素の支持体を仮定すると（これらの素材の比較的標準的な値を使用する）、０．５５μｍの断面積を有する２ｍｍの長さの梁は、５×１０-10Ｗ／Ｋの熱導電率を有することができる。
【００６０】
本発明の好適な実施形態では、電気的な（光学的な）読み出し機能は、全てのフレーム時間に亘って行われ、バンド幅を最小限にする。例えば、プラスのバイアスを使用して、単一のフレームの間に配列された全ての行と列を連続的に読みたい場合は、標準的な限界を超える検出は、より難しくなる。電気的なバンド幅が増えるため、ジョンソン雑音が増加し、ＮＥＰが著しく低下する。これを避けるために、支持体のＲsupが１ｋΩより小さい抵抗値を有する約２５ｋΩのＲplate、などの低抵抗プレートを使用できるが、達成可能な熱伝導率は、従来の材料では１０-8Ｗ／Ｋのオーダの値に制限されることになる。この問題を回避するための、いくつかの方法がある。１つの方法は、電気的な読み出しの間だけボロメータに接続する熱スイッチを作ることである。熱スイッチは、切断と応答度制御とをする熱検出器において提案、実証されている。電気的なサイクルがオフとなる間に熱的に分離するために電気的に接続をラッチする熱スイッチは、熱電冷却器とともに使用される。熱スイッチを使用して、電気的にオフとなるサイクルの間に熱的に分離するために電気接続をラッチすることは、マイクロボロメータに適用できる。ピクセルは、追加的なリード線、高電圧、及び電圧制御回路とともに提供される。静摩擦の問題は、２電圧ステップ作動の方法を使用して対処する。
【００６１】
本発明に係る熱検出器２２の一例を図８に概略的に示す。図に示すように、熱検出器２２は、第１のミラー構造２４と、第２のミラー構造２６と、支持梁３０、３１によって光空洞内に支持されたセンサ構造２８とを含む。センサ構造２８は、センサ部分２９と、支持構造３０、３１とを含む。第２のミラー構造２６は、入射する放射を第２のミラー構造に貫通させ、光空洞に入射させる絞り３２を含む。
【００６２】
熱検出器２２を製造するプロセスの一例は、好適には３つの基板から開始する。公知の半導体プロセス技術と微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）製造技術とを使用して本発明に係る温度検出器を製造できる。プロセスを簡単にするために、モノリシックでない構造（non-monolithic  structure）が説明されている。いくつかの実施形態では、ウェハの代わりに誘電体を積層することができる。費用対効果や入手しやすさからシリコンが選択されるが、処理や波長を考慮してゲルマニウムや石英といった他の材料も同様に使用できる。センサ構造の一例の断面図を図９に示し、その平面図を図１０に示す。センサ構造２８は、センサ部２９と支持構造３０、３１とを含む。センサ構造２８は、第１の誘電層３４と、吸収層３６と、第２の誘電層３８と、ＴＣＲ（センサ）層４０と、基板４２とを含む。これらの層の一部又は全ては、省略し、結合し（例えば、センサと吸収との共通層、誘電体と吸収との共通層）、付加する（例えば、ＴＣＲ材料の上に保護用誘電層を置くことができる）ことができる。典型的なプロセスにおいて、センサ層、吸収層をデバイスの全域に亘って均一にすることが考えられる。しかしながら、代替的には、結合されたセンサ／吸収構造の放射率が、標準的な黒体の放射限界より小さくなるように特に配置され、光信号の方向で光空洞と吸収−カップリングする（他の方向では光学的にほとんどカップリングしない）ように、センサと吸収材とをパターンできる。１つの例では、誘電材料は、吸収材としても機能する二酸化ケイ素とし、ＴＣＲの材料は、酸化バナジウム（ＶＯX）とする。ＶＯXは、現在の業界標準であるため選択されているが、他のさまざまなＴＣＲ材料を使用できる。センサをパターンしたのちに、支持層を堆積し、パターンする。支持体は、熱伝導が非常に低くなるように配置される。図示された実施形態では、二酸化ケイ素である第１の層４４と、ＮｉＦｅである第２の層４６とは、支持体３０、３１のそれぞれの構造的な層及び導電層として使用される層３４の上に配置される。２つの支持梁が図示されているが、１つ（２つのＮｉＦｅラインを有する）、３つ、又は４つ（１以上は、ＳｉＯ2のみ）などの支持梁を使用できる。
【００６３】
センサと支持部とが終了すると、デバイスの領域の下部の基板は、通常知られたボッシュ法などのウェットエッチ又はドライエッチによってエッチングされる。この実施形態においては、センサ下部の基板部分を除去することによって、不必要な反射やシリコンでの吸収を防ぐ。これらの処理にエッチング停止層、又は保護層が必要な場合は、上記のデバイスの堆積に加えることができる。例えば、ボッシュ法では、ＳｉＯ2誘電体をエッチング停止層として使用できる。
【００６４】
図１１には、第２のミラー構造２６及びセンサ構造２８の分解図が示される。第２のミラー構造２６は、適当な膜厚のスペーサ５２とともに基板５０の上に堆積された分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造を含む。センサ構造２８のリード線を利用できるように、スペーサ５２は、センサ構造２８のデバイスの領域を取り囲むようにパターンされる。ＤＢＲ構造４８は、Ｇｅ及びＺｎＳなどの1/4波長層を含むことができる。なお、1/4波長層を使用しないことによって、よりよいスペクトル特性（吸収−周波数プロットの対象性の向上など）を得ることができる。スペーサ５２は、薄いエポキシ樹脂など、多くの半導体プロセスの１つのプロセスを使用して基板５０と接合できる。スペーサ５２を使用して第２のミラー構造５２とセンサとの間の所望の距離を形成する。多くの場合、この間隔を使用して、一般的な半波長光共振空洞、又は半波長光の倍数の共振空洞を規定する。上述のように、デバイス領域の下部の基板は、好適にはウェットエッチ又はドライエッチ（追加のＳｉＯ2エッチング停止層とその除去が必要なボッシュ法など）によって除去して、基板の反射と吸収とを取り除く。
【００６５】
図１２に示す第１のミラー構造２４もまた、好適にはＤＢＲ５４、又は同じ様に反射性が良いコーティングで表面を覆う。多くの場合、第１のミラー構造２４の反射性をほぼ１００％とするように選択して、損失を最小限にし、信号の方向以外の方向との不要なカップリングを最小限にし、また調整可能なデバイスでは有用なチューニングバンド幅を広げるようにする。好適には、ＤＢＲをパターンして、ＤＢＲの周りの領域の基板を所定の深さまでオーバーエッチングする。そして、第１のミラー構造とセンサ構造とがはっきりとした間隔を空けるように、第１のミラー構造２４は、センサ構造２８の下部の対応する領域５６に挿入できる。この場合も先と同様に、好適には、この間隔は、半波長の一般的な空洞幅（全ての構造を含む）、又は所望の共振周波数（又は調整可能なデバイスの場合は、始めの共振周波数）の半波長の倍数の空洞幅を規定するように選択する。
【００６６】
熱検出器では、上部のミラー層とセンサ層とを結合でき、さらに放射雑音限界を超える性能を有する。そのためには、吸収体とセンサとの結合は、デバイスの面積当たりの黒体の放射限界と比べて低い放射率となるように特に配置し、支持体と読み出しとは、黒体の放射限界を下回る他の雑音源を減少させるように配置する必要がある。このような構造は、Talghader等によって発明された米国特許出願１１／８０５２４０号に説明され、雑音を低下するように配置された支持体と読み出しとを有することを除き、本明細書に記載されたデバイスと類似する。しかしながら、この構成には性能的な側面がある。第１に、吸収材／センサ結合によって上部のミラーに余分な体積が加わることにより、時定数が増加する。これを軽減する方法は、米国特許出願１１／８０５２４０号で説明されるように、特別な材料と誘電体とを使用することによって、上部のミラーを薄くして、ほぼ最良な光軸外・非共振吸収特性とすることができる。第２に、２層の光空洞によって、光軸以外の方向からの光が増加して効率を落とす可能性がある。これらの側面があるが、ＮＥＰを著しく改良することができる。
【００６７】
上述の通り、光コーティングの配置によって、光空洞内のさまざまな位置にセンサ・プレートを配置できる。例えば、センサを２つのミラーの等距離の間に配置した場合、少量のドープをされた半導体は、吸収体及び／又はＴＣＲ材料と同様な働きをすることができる。センサ・プレートが上部のミラー、又は下部のミラーに近接する場合は、薄い金属層は、光カップリングとして働かせることができる。
【００６８】
図１３の熱検出器に示すように、センサが平坦な下部ミラーに近接し、空洞が湾曲した上部ミラーを有するときは、特に興味深い。熱検出器６０は、図８に示す熱検出器２２と同様に、第１のミラー構造２４と、センサ構造２８と、第２のミラー６２と、スペーサ６８とをそれぞれ含む。第２のミラー構造２８は、本明細書で述べたように、層状にされたミラー構造を有することができる。この場合、第２のミラー構造６２の湾曲部が、平坦な第１のミラー構造２４と共に半球状の空洞を形成するように配置される（すなわち、第２のミラー構造６２の湾曲部の半径が、第１のミラー構造２４と第２のミラー構造７３との間の距離に一致する）場合は、低ｆ／＃光は、平坦なミラー構造を有する他の形態よりも光空洞に一致させることができる。入力信号の角度範囲によってセンサのスペクトル解像度が著しく低下するまでは、スペクトル幅４ｃｍ-1の標準的な大気化学ライン（atmospheric  chemical  line）を検出する通常の平坦‐平坦構造のミラーでは、最高の状態でｆ／４レンズを使用することができる。したがって、使用に適したｆ／＃によって、第２のミラー構造６２の湾曲部の半径を介して、放射線の角拡散（すなわち波面の形状）に一致させることによって、ＮＥＰを著しく低下させることができる。第１のミラー構造２４の近傍にセンサを配置する構造によって、空洞内の放射線の伝播距離がほぼ等しくなる。より具体的には、センサは、例えばλ／１０に満たないような、第１のミラー構造２４と距離との間に波長と比べて短い間隔を空けて配置される。湾曲したミラーと、低ｆ／＃光（low  f/#  optics）と、特定のセンサ配置とを使用することによって、平坦−平坦型ミラーを有する空洞と比較して共振波長に対するサイズを小さくすることができる。
【００６９】
図１４に本発明に係る他の例となる熱検出器７０を示す。熱検出器７０は、第１のミラー構造７２と、第２のミラー構造７４と、センサ構造２８とを有する。第１のミラー構造は、多層の堆積７６とスペーサ８０とを有する。第２のミラー構造は、多層の堆積８２とスペーサ８６とを有する。湾曲−湾曲型の空洞の性能は、最小長を増加させたこと以外は湾曲−平坦型の空洞と同様であるが、これによって、別の共振をＤＢＲのスペクトル幅に取り入れることができる。このようなミラーを使用することによって、上部ミラーと下部ミラーとの光構造及び電極構造をほぼ等しくして、同じウェハから切り出せるように製造工程を簡素化することが可能となる。
【００７０】
本発明に係る熱検出器は、調整可能なように形成できる。これは、圧電、静電気、磁性などの多くの種類のマイクロメカニカルアクチュエータによってさまざまに形成できる。静電に基づいた例となる本発明に係る熱検出器８８を図１５に示すが、図１３に示した熱検出器６０と同様である。図１６は、検出器８８の平面図を示し、図１７は、センサ２８の平面図を示す。製造工程は、ほぼ同じであるが、アクチュエータと上部ミラーの支持体とをパターンする追加的なステップを含むことになる。支持体に備えられたアクチュエータ電極は、任意のものである。アクチュエータ電圧Ｖ2は、図示されるようにセンサ素子に直接印加できるが、分離した電極に印加することもできる。ＴＣＲ層及び／又は吸収体層に直接印加する場合は、読み出しバイアスは、印加電圧を考慮する必要がある。例えばアクチュエータ電圧は、（Ｖ１−Ｖ２）＝（Ｖ３−Ｖ２）＝２０Ｖであるが、読み出すためにデバイスを０．０２Ｖバイアスする必要があるときは、Ｖ２の一方を０Ｖに設定し、他方を０．０２Ｖに設定し、Ｖ１とＶ３とを２０Ｖにセットする。電位差Ｖ１−Ｖ２とＶ３−Ｖ２とは、同一ではないが、大きさとタイミングをそれぞれ調整して光スペクトル特性を維持できる。また、アクチュエータ電圧は、継続的にもダイナミック（時間を決めたステップやパルスなど）にも印加できる。ある場合では、上部ミラー、下部ミラー、及びセンサの層をアクチュエータ電極として使用できる。例えば、ミラーのギャップに面したＧｅ層の表面と、ＴＣＲ層とは、アクチュエータ電極として使用できる。
【００７１】
多くの場合、不必要に誘電体を充電する原因となるので、誘電体は電極の間に配置しないことが好ましい。センサ構造の領域は、誘電体下部に金属電極を配置し、センサ上部のアクチュエータ電極と直接接続することもできる。なお、検出器を読み出すために、センサの左側電極と右側電極との間に電位差を生じさせる必要もある。これによって、上部ミラー及び下部ミラーと検出器との位置にわずかな傾きが生じ得る。しかしながら、電位差は、アクチュエータ電圧と比較してとても小さいため、この傾きは、極めて高度な空洞処理の場合を除き、光特性に影響を与えない。
【００７２】
放射限界を超える検出器の多くの応用が赤外線非冷却デバイスとして期待されるが、その概念は、赤外線フォトン検出器に同様によく当てはまる。基本的には、本発明は、狭帯域検出器によって熱バックグラウンドを減少させるものであるから、バックグラウンドが制限された検出器に本明細書の概念を使用できる。フォトン検出器において、限界雑音が熱バックグラウンドになるレベルまで検出器を冷却することができる。検出器の電子正孔吸収領域をパスあたりの吸収を小さくするように配置して、この電子正孔吸収領域を空洞内に配置する場合は、バックグラウンド限界は、減少する。したがって、バックグラウンド限界性能を保持するために、デバイスの雑音が新しいバックグラウンド限界を下回るように、さらにデバイスを冷却する必要がある。一般的な条件は、この処理は、標準的な低温シールドデバイス及び低温フィルタデバイスとほとんど異ならない。しかし、局地的に冷却できるマイクロ冷却器を開発して、まわりのシステムよりも非常に低い温度に冷却する（あるいは、何らかの方法でまわりの領域を加熱する）電子正孔生成領域を形成する必要がある。この種のフォトン検出器は、本明細書に記載された手法を確実且つ有効に使用できる。
【００７３】
本発明に係るフォトン検出器９０の一例を図１８に概略的に示す。検出器９０は、第１のミラー構造９４とオプションであるマイクロ冷却器９６とを有する基板９２を含む。アクティブ領域９８は、第１のミラー構造９４の上に形成される。アクティブ領域９８は、ｎタイプ層とｐタイプ層とを有し、その層間にインタフェース領域１０４を有する。インタフェース領域は、低バンドギャップの電子正孔吸収領域を有する。フォトン検出器９０はまた、第２のミラー構造１０６と、第１の接点１０８と、第２の接点１１０とを含む。本実施形態のセンサは、吸収性の電子正孔吸収領域１０４を含む。光空洞は、ミラー９４と１０４との間の領域と、ミラー９４、１０４とを含む。フォトン検出器９０は、電子正孔対領域１０４で赤外線光を吸収する通常の光検出器とほとんど同じ方法で作動するが、このデバイスにおいては、空洞共振の光のみを著しく吸収することのみが異なる。このデバイスにおいては、センサのまわりの領域は、好適にはまわりの素子よりも冷却されるので、空洞の吸収を減らすことにより放射限界を減らすことになる。フォトン検出器９０は、１つのミラーとデバイスの残りとの間にギャップと電極とを取り入れることによって調整可能なように形成できる。
【００７４】
本発明に係る温度検出器は、化学検出デバイス、産業用プロセス制御デバイス、エンジン監視デバイス、流出物監視デバイス、環境監視デバイス、温度計測デバイス、圧力計測デバイス、爆発物検出デバイス、イメージングデバイス、医療監視デバイスなどにおいて使用できる。このようなシステムにおいて、検出器は、フィルタと赤外線検出器、単色光分光器と赤外線検出器、又は、格子状／回折構造と赤外線検出器と置き換えることができる。これらの応用の操作上の概念は、読み出し放出／吸収スペクトルのスペクトル強度が変動することであるが、この変動は、本発明に係る検出器を使用して測定し、強度、強度比、又は化学的濃度、温度、圧力を評価する線幅などの関連する信号に変換できる。
【００７５】
本発明の他の実施形態は、本明細書の検討事項に基づき、また本明細書に開示された本発明の実施から当業者には明らかであろう。本明細書に記載された概念及び実施形態におけるさまざまな省略、修正及び変更は、特許請求の範囲に示された本発明の真の範囲及び精神から逸脱することなしに、当業者は成すことができる。
【００７６】
参考文献
以下の参考文献は、その全ての開示及び目的をそれぞれ本明細書に参照されることによって包含される。
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5.「光学入門（Introduction to Optics）」
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K. Cao、W. Liu、J.J. Talghader著
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12.「金属‐半導体‐金属ナノ構造における効率的な光吸収（Efficient light absorption in metal-semiconductor-metal nanostructures）」
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Applied Physics Letters, vol. 85, no. 2, pp. 194-196, 2004.
13.「熱チョッパーが統合された熱イメージングシステム（Thermal imaging system with integrated thermal chopper）」
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U.S. Patent No. 5,486,698 (23 January 1996).
14.「熱赤外線検出器のための調整可能な応答度（Adjustable responsivity for thermal infrared detectors ）」
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16.「静電作動信号ブリッジを有する高感度ボロメータ構造（A highly sensitive bolometer structure with an electrostatic-actuated signal bridge）」
T.S. Kim、H. C. Lee著
Transactions on Electron Devices, vol. 53, no. 9, pp. 2392-2400, 2006.
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18.「単極単投オーミックＲＦ‐ＭＥＭＳスイッチの作動のためのソフトランディング波形（A soft-landing waveform for actuation of a single- pole single-throw Ohmic RF MEMS switch）」
D. A. Czaplewski、H. Sumali、J. E. Massad、J. D. Kuppers、I. Reines、W. D. Cowan、C. P. Tigges著
J. , Microelectromech Syst., vol. 15, pp. 1586-1594, 2006.
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年8月13日(2009.8.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線を検出する熱検出器であって、
間隙を介する層状の第１及び第２の薄膜ミラー構造によって少なくとも一部が規定される共振光空洞と、
赤外線センサであって、前記第１及び第２の薄膜ミラー構造の間に動作可能なように配置され、前記共振光空洞に受信された赤外線が前記赤外線センサの少なくとも表面部分に衝突するように１つ以上の支持梁によって前記共振光空洞内部に懸吊され、前記共振光空洞とともに吸収カップリングされる赤外線センサであって、前記赤外線センサの前記吸収は、方向と波長とによって異なる赤外線センサと、
を有することを特徴とする熱検出器。
【請求項２】
前記１つ以上の支持梁は、１つ以上の導電性の支持梁を有し、前記１つ以上の導電性の支持梁は、前記赤外線センサと熱的に分離され、単位表面積あたり約１Ｗ／（Ｋｍ2）の黒体放射限界より低い熱伝導率を有する、請求項１に記載の熱検出器。
【請求項３】
赤外線を検出する熱検出器であって、
間隙を介する層状の第１及び第２の薄膜ミラー構造によって少なくとも一部が規定され、光軸及び共振波長を有する共振光空洞と、
赤外線センサであって、前記第１及び第２の薄膜ミラー構造の間に動作可能なように配置され、前記共振光空洞に受信された赤外線が前記赤外線センサの少なくとも表面部分に衝突するように１つ以上の支持梁によって前記共振光空洞内部に懸吊される赤外線センサであって、前記赤外線センサの前記少なくとも表面部分は、前記共振光空洞とともに吸収カップリングされ、前記赤外線センサの前記少なくとも部分の前記吸収は、方向と波長とによって異なり、前記赤外線センサの前記少なくとも表面部分は、前記光軸以外の方向及び前記共振波長以外の波長で２５パーセント以下の吸収を有する赤外線センサと、
を有することを特徴とする熱検出器。
【請求項４】
前記１つ以上の支持梁は、１つ以上の導電性の支持梁を有し、前記１つ以上の導電性の支持梁は、前記赤外線センサと熱的に分離され、単位表面積あたり約１Ｗ／Ｋ／ｍ2より低い熱伝導率を有する、請求項３に記載の熱検出器。
【請求項５】
間隙を介する第１及び第２の薄膜ミラー構造によって少なくとも一部が規定される共振光空洞と、前記共振光空洞内部に懸吊される赤外線センサとを提供するステップと、
赤外線を前記共振光空洞に入射して、前記赤外線センサと吸収カップリングさせるステップであって、前記赤外線センサによる赤外線の吸収は、方向と波長とによって異なるステップと、
前記赤外線センサとカップリングした前記赤外線により生じた前記赤外線センサの変化を測定するステップと、
を有することを特徴とする赤外線検出方法。
【請求項６】
赤外線を検出する熱検出器の製造方法であって、
間隙を介する第１及び第２の薄膜ミラー構造によって少なくとも一部が規定される共振光空洞を形成するステップと、
前記共振光空洞内部に赤外線センサを懸吊するステップと、
前記赤外線センサが前記共振光空洞とともに吸収カップリングされるように前記光空洞内部に前記赤外線センサを配置するステップであって、前記赤外線センサの前記吸収は、方向と波長とによって異なり、前記センサによる前記光空洞の共振波長の前記吸収は、２５パーセントより大きいステップと、
を有することを特徴とする熱検出器の製造方法。
【請求項７】
前記共振光空洞内部に赤外線センサを懸吊するステップは、ボロメータ構造を形成するステップを有する、請求項６に記載の熱検出器の製造方法。
【請求項８】
前記センサによる前記光空洞の前記共振波長の前記吸収は、７５パーセントより大きい、請求項６に記載の熱検出器の製造方法。
【請求項９】
赤外線を検出する熱検出器であって、
間隙を介する層状の第１及び第２の薄膜ミラーによって少なくとも一部が規定され、光軸を有する共振光空洞と、
赤外線センサであって、前記第１及び第２の薄膜ミラーの間に動作可能なように配置され、結合された物理的に付着した構造を有し、前記赤外線センサの熱伝導が黒体と比較して少なくなるように、前記赤外線センサ及び前記物理的に付着した構造の放射率は、光軸方向が他の方向より相互作用が大きくなる赤外線センサと、
を有することを特徴とする熱検出器。
【請求項１０】
前記赤外線センサは、前記第１及び第２の薄膜ミラーの１つと一体化される、請求項９に記載の熱検出器。
【国際調査報告】
2010512507.tif 000029