(57)【要約】【課題】  固定パターンノイズの小さい高感度な熱型赤外線固体撮像装置を提供する。【解決手段】  赤外線を吸収し、熱に変換する赤外線吸収部と、赤外線吸収部の温度の変化を、複数の感熱抵抗体を用いて検出する温度検出部とを備える。温度検出部は、温度の上昇に伴い抵抗値が増加する正の感熱抵抗体３１と、正の感熱抵抗体３１と直列に接続され、温度の上昇に伴い抵抗値が減少する負の感熱抵抗体３２と、正の感熱抵抗体と負の感熱抵抗体との抵抗分割部３４の電位を検出する読み出し回路とを備える。抵抗分割部３４は出力端子３５と電気的に接続されている。また、２つの感熱抵抗体をそれぞれ固定抵抗体と直列に逆順で接続し、各抵抗分割部の電位の差を差動増幅器で増幅してもよい。また、赤外線の受光によって温度が変化しない温度一定部を備え、温度変化部の抵抗分割部との電位の差を増幅する構成をとってもよい。【選択図】  図１
2005188970.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体から放射される赤外線を用いて画像を撮像する、半導体基板と前記半導体基板上に複数の単位画素が配列された撮像領域とを備える熱型赤外線固体撮像装置であって、
前記単位画素は、
前記赤外線を吸収し、熱に変換する赤外線吸収部と、
前記赤外線吸収部の温度の変化を、複数の感熱抵抗体を用いて検出する温度検出部とを備える
ことを特徴とする熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項２】
前記温度検出部は、
前記温度の上昇に伴い抵抗値が増加する正の感熱抵抗体と、
前記正の感熱抵抗体と直列に接続され、前記温度の上昇に伴い抵抗値が減少する負の感熱抵抗体とを備え、
前記単位画素は、さらに、
前記正の感熱抵抗体と前記負の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する読み出し回路を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項３】
前記温度検出部は、
第１の固定抵抗体と、
前記第１の固定抵抗体と同一材料からなる第２の固定抵抗体と、
前記第１の固定抵抗体と直列に接続される第１の感熱抵抗体と、
前記第２の固定抵抗体と直列に接続され、前記第１の感熱抵抗体と同一材料からなる第２の感熱抵抗体とを備え、
前記第１の固定抵抗体と前記第１の感熱抵抗体との接続順序は、前記第２の固定抵抗体と前記第２の感熱抵抗体との接続順序と電位の高い方から逆順であり、
前記単位画素は、さらに、
前記第１の固定抵抗体と前記第１の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第１の読み出し回路と、
前記第２の固定抵抗体と前記第２の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第２の読み出し回路とを備え、
さらに、撮像領域外に、前記第１および第２の読み出し回路の出力電位をそれぞれ入力し、前記２つの出力電位の差を増幅する差動増幅器を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項４】
前記第１および第２の感熱抵抗体は、負の感熱抵抗体である
ことを特徴とする請求項３に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項５】
前記温度検出部は、
前記赤外線の受光によって温度が変化する温度変化部と、
前記赤外線の受光によって温度が変化しない温度一定部とを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項６】
前記温度変化部は、
第１の正の感熱抵抗体と、
前記第１の正の感熱抵抗体と直列に接続された第１の負の感熱抵抗体とを備え、
前記温度一定部は、
前記第１の正の感熱抵抗体と同一材料からなる第２の正の感熱抵抗体と、
前記第２の正の感熱抵抗体と直列に接続された、前記第１の負の感熱抵抗体と同一材料からなる第２の負の感熱抵抗体とを備え、
前記第１の正の感熱抵抗体と前記第１の負の感熱抵抗体との直列に接続される順序は、前記第２の正の感熱抵抗体と前記第２の負の感熱抵抗体との接続順序と電位の高い方から同順であり、
前記単位画素は、さらに、
前記第１の正の感熱抵抗体と前記第１の負の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第１の読み出し回路と、
前記第２の正の感熱抵抗体と前記第２の負の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第２の読み出し回路とを備え、
さらに、撮像領域外に、前記第１および第２の読み出し回路の出力電位をそれぞれ入力し、前記２つの出力電位の差を増幅する差動増幅器を備える
ことを特徴とする請求項５に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項７】
前記温度検出部は、
前記赤外線の受光によって温度が変化する、第１および第２の温度変化部を備え、
前記第１の温度変化部は、
第１の正の感熱抵抗体と、
前記第１の正の感熱抵抗体と直列に接続された、第１の負の感熱抵抗体とを備え、
前記第２の温度変化部は、
前記第１の正の感熱抵抗体と同一材料からなる第２の正の感熱抵抗体と、
前記第２の正の感熱抵抗体と直列に接続された、前記第１の負の感熱抵抗体と同一材料からなる第２の負の感熱抵抗体とを備え、
前記第１の正の感熱抵抗体と前記第１の負の感熱抵抗体との直列に接続される順序は、前記第２の正の感熱抵抗体と前記第２の負の感熱抵抗体との接続順序と電位の高い方から逆順であり、
前記単位画素は、さらに、
前記第１の正の感熱抵抗体と前記第１の負の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第１の読み出し回路と、
前記第２の正の感熱抵抗体と前記第２の負の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第２の読み出し回路とを備え、
さらに、撮像領域外に、前記第１および第２の読み出し回路の出力電位をそれぞれ入力し、前記２つの出力電位の差を増幅する差動増幅器を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項８】
前記温度一定部は、
第１の感熱抵抗体と、
前記第１の感熱抵抗体と同一材料からなる第２の感熱抵抗体とを備え、
前記温度変化部は、
前記第１の感熱抵抗体に直列に接続され、前記第１の感熱抵抗体と同一材料からなる第３の感熱抵抗体と、
前記第２の感熱抵抗体に直列に接続され、前記第１の感熱抵抗体と同一材料からなる第４の感熱抵抗体とを備え、
前記第１の感熱抵抗体と前記第３の感熱抵抗体との接続順序は、前記第２の感熱抵抗体と前記第４の感熱抵抗体との接続順序と電位の高い方から逆順であり、
前記単位画素は、さらに、
前記第１の感熱抵抗体と前記第３の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第１の読み出し回路と、
前記第２の感熱抵抗体と前記第４の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第２の読み出し回路とを備え、
さらに、撮像領域外に、前記第１および第２の読み出し回路の出力電位をそれぞれ入力し、前記２つの出力電位の差を増幅する差動増幅器を備える
ことを特徴とする請求項５に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項９】
前記第１から第４の感熱抵抗体は、すべて負の感熱抵抗体である
ことを特徴とする請求項８に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項１０】
前記負の感熱抵抗体は、ｐ−ｎ接合ダイオードまたはトランジスタである
ことを特徴とする請求項２、４、６、７および９のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項１１】
さらに、前記半導体基板の上部に空間によって隔てられて設置されたメンブレンと、
前記メンブレンを前記半導体基板との間を空間によって隔てて上部に支える、前記メンブレンと同一材料からなる少なくとも１本の支持脚とを備え、
前記温度検出部および前記赤外線吸収部は、前記メンブレンの上部に設置されている
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項１２】
前記メンブレンが、前記半導体基板中に形成された空間の上部に設置されている
ことを特徴とする請求項１１に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項１３】
さらに、前記半導体基板の上部に空間によって隔てられて設置されたメンブレンと、
前記メンブレンを前記半導体基板との間を空間によって隔てて上部に支える、前記メンブレンと同一材料からなる少なくとも１本の支持脚とを備え、
前記温度変化部および前記赤外線吸収部は、前記メンブレンの上部に設置されている、
ことを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項１４】
前記温度一定部は、前記半導体基板に密着して、または内部に形成されている
ことを特徴とする請求項５、６、８および９に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項１５】
前記読み出し回路は、前記メンブレン直下の前記半導体基板上に形成されている
ことを特徴とする請求項１３または１４に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項１６】
前記空間は、希ガスで充填されている
ことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項１７】
前記空間は、１気圧未満の低圧状態である
ことを特徴とする請求項１１〜１３および１６のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項１８】
さらに、前記半導体基板の上部の少なくとも一部に設置され、光学共振構造を形成するために前記赤外線を反射させる赤外線反射膜を備える
ことを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像装置。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の熱型赤外線固体撮像装置を搭載した赤外線カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、監視カメラなどに使用される熱型赤外線固体撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を検出する赤外線検出素子に適用されている赤外線の検出原理には、数多くの方式が提案されており、大別すると二種類存在する。一つは、赤外線と固体材料の光電効果によって赤外線吸収を直接電気信号に変換する量子型赤外線検出器であり、ショットキーバリア接合を利用した光導電型センサーや光電子倍増官や光電管に代表される光電子放出型などが存在する。もう一つは赤外線を赤外線吸収体によって一度熱に変換し、その温度変化を温度による物性の変化が大きい材料によって検出する熱型赤外線検出器である。量子型赤外線検出器は赤外線吸収による固体の状態間遷移の光電効果を赤外線検出の基本原理としているため、状態間エネルギーギャップは室温の熱エネルギー程度である。そのため、量子型検出器の撮像領域は通常液体窒素などにより冷却されなくてはならない。一方、熱型赤外線センサーは赤外線の吸収により発生する熱を利用するため室温においても赤外線を検出することができる。
【０００３】
近年、防犯やセキュリティー分野において暗視野においても物体を検知することのできる赤外線検出器に対するニーズから、量子型赤外線検出器に比べて小型で安価な熱型赤外線撮像装置の需要は拡大の一途をたどっている。特にシリコンプロセスで製造され、画素が二次元的に配列された熱型赤外線撮像装置は、周辺回路とワン・チップ化ができるという長所を有し、小型監視カメラや自動車に搭載される暗視カメラなどの画像入力素子として注目されている。熱型赤外線検出の原理は多く、代表的なものに温度変化によって抵抗が変わる材料を熱検知材料として用いた抵抗ボロメータ型赤外線検出器がある。これは、抵抗体の抵抗が温度によって変化することを利用した装置である。
【０００４】
図１１は、温度で熱型赤外線検出器である抵抗値が変化するボロメータを用いた二次元固体撮像装置の従来の画素の構造の一例を示す斜視図である。熱型赤外線固体撮像装置２００では、例えばシリコンなどの半導体からなる基板１の上にボロメータ薄膜２を含む赤外線検出部３が空間を隔てて設けられている。２本の支持脚４および５が、赤外線検出部３をシリコン基板１から浮かせて持ち上げている。金属配線６および７は、ボロメータ薄膜２に電流を流すためのものであり、検出回路により電流のＯＮ、ＯＦＦが制御される。赤外線は赤外線検出部３が存在する側から入射し、赤外線検出部３で吸収される。吸収された赤外線のエネルギーは熱に変換され、赤外線検出部３の温度を上昇させる。温度上昇の量は入射する赤外線の量に依存する。温度上昇の量はボロメータ薄膜２の抵抗値の変化を測定することで知ることができるので、被写体が放射している赤外線の量をボロメータの抵抗値の変化から知ることができる。
【０００５】
図１２は、従来の抵抗ボロメータ型赤外線撮像素子の検出部回路の概略を示している。２種類の抵抗体８および９が直列に接続されており、これらが電源とコンタクト１０によって電気的に接続されている。抵抗９は温度可変抵抗であり、抵抗８は固定抵抗である。可変抵抗９の抵抗値をＲｖ、固定抵抗８の抵抗値をＲｃとし、電源へのコンタクトである１０に印加される一定電圧をＶｄとすると、これらの直列に接続された抵抗８および９に電圧が印加されると抵抗分割部１１の電位Ｖは、
Ｖ＝[Ｒｖ／（Ｒｃ＋Ｒｖ）]Ｖｄ・・・・（１）
となる。抵抗分割部１１は出力端子１２に電気的に接続されている。金属ボロメータの場合、温度の上昇に伴い、可変抵抗９の抵抗値は上昇する。逆に負の温度抵抗係数をもつ半導体からなる場合、可変抵抗９の抵抗値は減少する。これらの変化は、式（１）により出力電圧の変化として検出することができる。通常、出力端子１２の前段にはオペアンプなどの増幅器が備えられている。
【０００６】
熱型赤外線検出器の感度である温度分解能を向上させるためには、画素構成において大きく分けて二つの要素がある。一つの要素は、温度変化に対する抵抗の変化が大きな材料からなるボロメータ薄膜を用いることである。ボロメータ薄膜の材料としては、一般的に酸化バナジウム系の材料や多晶質シリコンなどが用いられている。しかし、これらの材料よりも温度特性の大きい、赤外線撮像装置に適した材料は見つかっておらず、赤外線検出部の感熱材料の温度特性の向上の停滞が、赤外線検出器の高感度化を止めている原因の一つである。
【０００７】
もう一つの要素は、入射する赤外線エネルギーが赤外線検出部の温度上昇に高効率で使われる構造をもたせることである。ボロメータ薄膜の抵抗温度係数が同じであれば、赤外線検出部の温度上昇が大きいほど、同じ量の赤外線入射で得られる抵抗変化が大きくなり、感度が高くなるが、温度上昇を高くするためには赤外線検出部３から逃げる熱をできるだけ小さくすることが効果的であり、このために支持脚４および５は熱抵抗を出来るだけ小さくするように設計されている。
【０００８】
また、撮像素子のフレーム時間に比べて赤外線検出部３の温度時定数が短くなるように赤外線検出部３の熱容量を小さくすることも重要である。また、赤外線を受ける部分となる赤外線検出部３の面積を大きくすることも感度を高めるのに有効である。しかし、従来の構造では、１つの赤外線検出部３からの熱が二本の支持脚４および５を通じて逃げていくので、赤外線検出部３の温度が十分に上昇せず、高感度化を阻害している。
【０００９】
上記の特有の問題を解決する方法として、例えば特許文献１に記載された従来技術がある。この従来技術について図１３にしたがって説明する。図１３は、抵抗ボロメータ型赤外線撮像素子が二次元に配列された熱型赤外線固体撮像装置の画素の構造の一例を示す断面図である。図１３において、熱型赤外線固体撮像装置２０１では、シリコンなどの半導体からなる基板２０の上にボロメータ薄膜２１を含む赤外線検出部２２が空洞部２３を隔てて設けられている。シリコン基板２０の上に絶縁膜２４が設けられ、熱抵抗の大きな１本の支持脚２５によって基板２０の空洞部２３上に浮いて支えられている。赤外線検出部２２は、下から絶縁膜２４、金属配線２６、絶縁膜２７、ボロメータ膜２１とそれに接続される金属配線２８、および絶縁膜２９が順次積層された５層構造からなる。１本の支持脚２５の内部に、ボロメータ薄膜２１に電流を流すための複数の金属配線２６および２８が配置されている。
【特許文献１】特開平１０−３３２４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
抵抗ボロメータ型赤外線撮像素子は、入射する赤外線による、赤外線検出部の温度上昇を抵抗の変化によって検出するものである。熱型赤外線検出器の感度である温度分解能を向上させるためには、画素構成において大きく分けて二つの要素がある。
一つは、温度変化に対する抵抗の変化が大きな材料からなるボロメータ薄膜を用いることである。ボロメータ薄膜の材料としては、一般的に負の抵抗温度係数をもつ酸化バナジウム系の材料やポリシリコン、正の抵抗温度係数をもつ金属ボロメータなどが用いられている。しかし、これらの材料よりも、温度特性の大きい、赤外線撮像装置に適した材料は見つかっておらず、赤外線検出部の感熱材料の温度特性の向上は停滞しているといえる。
【００１１】
もう一つは、入射する赤外線エネルギーが赤外線検出部の温度上昇に高効率で使われる構造をもつことである。ボロメータ薄膜の抵抗温度係数が同じであれば、赤外線検出部の温度上昇が大きいほど、同じ量の赤外線入射で得られる抵抗変化が大きくなり、感度が高くなるが、温度上昇を高くするためには赤外線検出部から逃げる熱をできるだけ小さくすることが効果的であり、このために支持脚は熱抵抗を出来るだけ小さくするように設計されている。抵抗温度係数の大きな抵抗ボロメータ薄膜の開発が停滞していることから、赤外線撮像素子の感度向上に対しては、複雑で且つ非常に小さな支持脚が必要となっている。熱抵抗は熱の流れる方向に対して、長さに比例し断面積に反比例することから、より優れた断熱特性を得るためにはより長く細い支持脚で赤外線検出部を基板から浮かして持ち上げなければならない。断熱性の優れた素子構造は、プロセスの困難さやコストといった観点からトレードオフなっている。
【００１２】
そこで本発明は、赤外線検出部に複数の検出原理を複合することにより、より高感度な熱型赤外線撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明に係る熱型赤外線固体撮像装置は、被写体から放射される赤外線を用いて画像を撮像する、半導体基板と前記半導体基板上に複数の単位画素が配列された撮像領域とを備える熱型赤外線固体撮像装置であって、前記単位画素は、前記赤外線を吸収し、熱に変換する赤外線吸収部と、前記赤外線吸収部の温度の変化を、複数の感熱抵抗体を用いて検出する温度検出部とを備えることを特徴とする。
【００１４】
さらに、前記温度検出部は、前記温度の上昇に伴い抵抗値が増加する正の感熱抵抗体と、前記正の感熱抵抗体と直列に接続され、前記温度の上昇に伴い抵抗値が減少する負の感熱抵抗体とを備え、前記単位画素は、さらに、前記正の感熱抵抗体と前記負の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する読み出し回路を備えることを特徴とする。
この構成によれば、赤外線検出器の感度が大きくなる。
【００１５】
また、前記温度検出部は、第１の固定抵抗体と、前記第１の固定抵抗体と同一材料からなる第２の固定抵抗体と、前記第１の固定抵抗体と直列に接続される第１の感熱抵抗体と、前記第２の固定抵抗体と直列に接続され、前記第１の感熱抵抗体と同一材料からなる第２の感熱抵抗体とを備え、前記第１の固定抵抗体と前記第１の感熱抵抗体との接続順序は、前記第２の固定抵抗体と前記第２の感熱抵抗体との接続順序と電位の高い方から逆順であり、前記単位画素は、さらに、前記第１の固定抵抗体と前記第１の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第１の読み出し回路と、前記第２の固定抵抗体と前記第２の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第２の読み出し回路とを備え、さらに、撮像領域外に、前記第１および第２の読み出し回路の出力電位をそれぞれ入力し、前記２つの出力電位の差を増幅する差動増幅器を備えることを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、固定系ノイズを小さくし、出力感度を大きくすることができる。
さらに、前記半導体基板の上部に空間によって隔てられて設置されたメンブレンと、前記メンブレンを前記半導体基板との間を空間によって隔てて上部に支える、前記メンブレンと同一材料からなる少なくとも１本の支持脚とを備え、前記温度検出部および前記赤外線吸収部は、前記メンブレンの上部に設置されていることを特徴とする。
この構成によれば、赤外線検出器の断熱特性が優れているため、より感度が大きくなる。
【００１７】
また、前記メンブレンが、前記半導体基板中に形成された空間の上部に設置されていることを特徴とする。
この構成によれば、赤外線検出器の断熱特性が優れているため、感度が大きくなる。
【００１８】
また、前記温度検出部は、前記赤外線の受光によって温度が変化する温度変化部と、前記赤外線の受光によって温度が変化しない温度一定部とを備えることを特徴とする。
さらに、前記温度変化部は、第１の正の感熱抵抗体と、前記第１の正の感熱抵抗体と直列に接続された第１の負の感熱抵抗体とを備え、前記温度一定部は、前記第１の正の感熱抵抗体と同一材料からなる第２の正の感熱抵抗体と、前記第２の正の感熱抵抗体と直列に接続された、前記第１の負の感熱抵抗体と同一材料からなる第２の負の感熱抵抗体とを備え、前記第１の正の感熱抵抗体と前記第１の負の感熱抵抗体との直列に接続される順序は、前記第２の正の感熱抵抗体と前記第２の負の感熱抵抗体との接続順序と電位の高い方から同順であり、前記単位画素は、さらに、前記第１の正の感熱抵抗体と前記第１の負の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第１の読み出し回路と、前記第２の正の感熱抵抗体と前記第２の負の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第２の読み出し回路とを備え、さらに、撮像領域外に、前記第１および第２の読み出し回路の出力電位をそれぞれ入力し、前記２つの出力電位の差を増幅する差動増幅器を備えることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、固定系ノイズが除去できるため、赤外線検出器の感度を大きくすることができる。
また、前記温度検出部は、前記赤外線の受光によって温度が変化する、第１および第２の温度変化部を備え、前記第１の温度変化部は、第１の正の感熱抵抗体と、前記第１の正の感熱抵抗体と直列に接続された、第１の負の感熱抵抗体とを備え、前記第２の温度変化部は、前記第１の正の感熱抵抗体と同一材料からなる第２の正の感熱抵抗体と、前記第２の正の感熱抵抗体と直列に接続された、前記第１の負の感熱抵抗体と同一材料からなる第２の負の感熱抵抗体とを備え、前記第１の正の感熱抵抗体と前記第１の負の感熱抵抗体との直列に接続される順序は、前記第２の正の感熱抵抗体と前記第２の負の感熱抵抗体との接続順序と電位の高い方から逆順であり、前記単位画素は、さらに、前記第１の正の感熱抵抗体と前記第１の負の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第１の読み出し回路と、前記第２の正の感熱抵抗体と前記第２の負の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第２の読み出し回路とを備え、さらに、撮像領域外に、前記第１および第２の読み出し回路の出力電位をそれぞれ入力し、前記２つの出力電位の差を増幅する差動増幅器を備えることを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、赤外線検出器の感度を大きくすることができる。
また、前記温度一定部は、第１の感熱抵抗体と、前記第１の感熱抵抗体と同一材料からなる第２の感熱抵抗体とを備え、前記温度変化部は、前記第１の感熱抵抗体に直列に接続され、前記第１の感熱抵抗体と同一材料からなる第３の感熱抵抗体と、前記第２の感熱抵抗体に直列に接続され、前記第１の感熱抵抗体と同一材料からなる第４の感熱抵抗体とを備え、前記第１の感熱抵抗体と前記第３の感熱抵抗体との接続順序は、前記第２の感熱抵抗体と前記第４の感熱抵抗体との接続順序と電位の高い方から逆順であり、前記単位画素は、さらに、前記第１の感熱抵抗体と前記第３の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第１の読み出し回路と、前記第２の感熱抵抗体と前記第４の感熱抵抗体との抵抗分割部の電位を検出する第２の読み出し回路とを備え、さらに、撮像領域外に、前記第１および第２の読み出し回路の出力電位をそれぞれ入力し、前記２つの出力電位の差を増幅する差動増幅器を備えることを特徴とする。
【００２１】
さらに、前記第１から第４の感熱抵抗体は、すべて負の感熱抵抗体であることを特徴とする。
この構成によれば、低コスト且つ簡便なプロセスで製造できる感度の大きな赤外線検出器を提供できる。
さらに、前記半導体基板の上部に空間によって隔てられて設置されたメンブレンと、前記メンブレンを前記半導体基板との間を空間によって隔てて上部に支える、前記メンブレンと同一材料からなる少なくとも１本の支持脚とを備え、前記温度変化部および前記赤外線吸収部は、前記メンブレンの上部に設置されていることを特徴とする。
この構成によれば、赤外線検出器の断熱特性が優れているため、感度を大きくすることができる。
【００２２】
さらに、前記温度一定部は、前記半導体基板に密着して、または内部に形成されていることを特徴とする。
さらに、前記読み出し回路は、前記メンブレン直下の前記半導体基板上に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば開口率を増加させることができる。
【００２３】
さらに、前記負の感熱抵抗体は、ｐ−ｎ接合ダイオードまたはトランジスタであることを特徴とする。
この構成によれば、低コスト且つ簡便なプロセスで製造できる感度の大きな赤外線検出器を提供できる。
【００２４】
さらに、前記半導体基板の上部の少なくとも一部に設置され、光学共振構造を形成するために前記赤外線を反射させる赤外線反射膜を備えることを特徴とする。
これにより、赤外線の吸収効率を上げられることから、赤外線検出器の感度が大きくなる。
【００２５】
さらに、前記空間は希ガスで充填されていることを特徴とする。
この構成によれば、赤外線検出器の断熱特性を向上させることができる。
さらに、前記空間は１気圧未満の低圧状態であることを特徴とする。
この構成によれば、赤外線検出器の断熱特性を向上させることができる。
また、本発明に係る赤外線カメラは、本発明に係る熱型赤外線固体撮像装置を搭載したことを特徴とする。
【００２６】
本赤外線カメラにより高精細高画質の赤外線イメージを得ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る熱検知構造を有する熱型赤外線固体撮像装置によれば、二種類以上の熱検知原理を組み合わせることにより、赤外線撮像装置の感度を向上させると同時に開口率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明を行う。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る抵抗ボロメータ型赤外線撮像素子は、抵抗温度係数が正の抵抗体を温度検出材料とする抵抗ボロメータと、負の抵抗温度係数をもつ感熱抵抗体を温度検出材料とするサーミスタを結合することにより、赤外線吸収による温度変化をより高感度に検出する新しい熱型赤外線固体撮像装置を提供する。
【００２９】
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像素子の画素部における検出回路の概略図を示している。正の抵抗温度係数をもつ正の感熱抵抗体３１および負の抵抗温度係数をもつ負の感熱抵抗体３２が直列で接続されており、電源電圧Ｖｄがコンタクト３３を通して直列に接続された感熱抵抗体３１および３２に印加される。印加された電圧は感熱抵抗体３１および３２によって抵抗分割され、抵抗分割部３４が出力端子３５と電気的に接続されている。感熱抵抗体３１および３２の直列に接続される順序は、例として図１には、コンタクト３３の側から正の感熱抵抗体３１、負の感熱抵抗体３２の順としているが、負の感熱抵抗体３２、正の感熱抵抗体３１の順に接続されても同様の効果を得ることができる。今、感熱抵抗体３１の抵抗値をＲ（＋）、感熱抵抗体３２の抵抗値をＲ（−）とすると、抵抗分割部３４の電位Ｖ１は、
Ｖ１＝[Ｒ（＋）／（Ｒ（＋）＋Ｒ（−））]Ｖｄ・・・・（２）
となる。
【００３０】
図１２に示している１種類の感熱抵抗体のみを用いた抵抗ボロメータ型赤外線検出器の出力端子に接続された抵抗分割部１１の電位Ｖは式（１）で与えられている。今、図１２で示されている感熱抵抗体９が図１に示す正の感熱抵抗体３１と同一材料であり、且つその抵抗値をＲ（＋）とすると式（１）は、
Ｖ＝[Ｒ（＋）／（Ｒｃ＋Ｒ（＋））]Ｖｄ・・・・（３）
となる。
【００３１】
式（３）は分子および分母にＲ（＋）が存在し、適切なＲｃを選ばなければならない。例えばＲｃがゼロであれば、温度による出力変化は検出されない。また、Ｒｃが大きすぎる場合であっても温度変化による出力変化を検出することができなくなる。よって、最も感度が大きくなるようなＲｃとＲ（＋）の抵抗値の比およびＲｃとＲ（＋）の抵抗の絶対値を選ばなくてはならない。同様に、式（２）においても、温度変化を顕著に検出するために適切なＲ（＋）とＲ（−）を選ばなくてはならない。温度がＴからＴ＋ΔＴに変化し
たとき、Ｒ（＋）がＲ（＋）＋ΔＲ（＋）に変化し、Ｒ（−）がＲ（−）−ΔＲ（−）に
変化すると仮定する。図１２の構造および本発明の実施の形態１に係る熱型赤外線固体撮像装置の出力は、ＲｃおよびＲ（＋）が等しいと仮定すると、温度変化に伴って
[[R(+)+ΔR(+)]ΔR(+)]／[２R(+)[２R(+)+ΔR(+)]]・・・・（４）
分だけ式（３）で表される従来のボロメータの出力を上回る。よって、（２）式で表現されるボロメータの感度が最も大きくなる条件は（４）式を数値解析的に解くことによって決定されるＲ（＋）とＲ（−）のときである。
【００３２】
（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る熱型赤外線固体撮像素子の画素部における検出回路の概略図を示している。感熱抵抗体４１および４３が固定抵抗４２および４４と直列に接続されている。これらの直列抵抗体の接続順序は、電源電圧とのコンタクト４５側から感熱抵抗体４１、固定抵抗４２の接続順序の場合、もう一つの組み合わせである直列抵抗体は、コンタクト４５側から固定抵抗４４、感熱抵抗４３の順に接続される。接続順序が逆順のこれらの直列抵抗体の抵抗分割部が画素内もしくは、画素外にある差動増幅器４７で増幅されるかもしくは差分積分器で時間に対して積分される。
【００３３】
一般的に二次元に配列された画素において、プロセスに起因する、抵抗ボロメータ薄膜の抵抗温度係数が画素間で異なる領域が発生する。これが画素間の固定パターンノイズと呼ばれるもので、実施の形態１の構成においては、画素内で固定パターンノイズを除去することができず、読み出し後よりも以降の回路構成で固定パターンノイズを除去している。しかし、本発明の実施の形態２の構成によれば、空間的に隣接する領域で同一材料の感熱抵抗体４１および４３を作るため、両感熱抵抗体４１および４３の温度特性のばらつきは空間的に離れた感熱抵抗体との温度特性差に比べると非常に小さい。この感熱抵抗体４１で発生する固定パターンノイズと感熱抵抗体４４で発生する固定パターンノイズはほぼ等しく、差分増幅によってこれらのノイズを除去することができる。これにより、固定パターンノイズを減少させることができるので、赤外線検出器の感度を大きくすることができる。
【００３４】
（実施の形態３）
また、さらに高感度を達成させるには、これらの読み出し回路は、断熱されていなければならない。図３は、犠牲層エッチングにより生成した断熱特性に優れた中空構造をもつメンブレン上に温度検出部が備えられている断面図を示している。熱型赤外線固体撮像装置２０２では、シリコン基板５１上に空間５２を隔ててメンブレンである絶縁膜５３が存在し、メンブレン５３は熱抵抗の大きな材料からなる支持脚５４で中空に支えられており、その上部に抵抗ボロメータ薄膜層５５、赤外線吸収部５６の順で積層している。読み出しトランジスタ５７は、シリコン基板５１上にこれらと隣接して設置されている。
この構成によれば、赤外線検出器の感度が大きくなる。
【００３５】
（実施の形態４）
また、図４は温度検出部であるメンブレンの斜視図である。温度検出部からの熱の流出を抑制するためには、温度検出部の熱コンダクタンスを小さくしなければならない。このため熱型赤外線固体撮像装置２０３には、熱抵抗の大きい材料からなるメンブレン５８が支持脚５９によってシリコン基板６０から空間を隔てて支えられている。熱コンダクタンスを小さくするためには支持脚５９の長さが長く、断面積が小さいほうが有利である。一般的に熱コンダクタンスは、熱の流れに垂直な面の面積に比例し、長さに反比例する。よって、より低熱コンダクタンスを実現するためには、支持脚の全断面積をできるだけ小さく、また長さを長くしたほうがよい。さらに感度を向上させるために、メンブレン５８直下のシリコン基板６０上に赤外線反射防止膜などを備え、熱吸収体と反射防止膜との距離を光学共振構造にすることで、赤外線の吸収が多くなり、温度検出部の温度上昇が大きくなる。また、シリコン基板またはSOI基板にTMAHなどでウェットエッチングをし、空洞部を形成する。その上部に温度検出部を形成することで、断熱中空構造を作ることが可能である。これら熱コンダクタンスの小さい断熱特性に優れたメンブレン上に本発明に係る赤外線検出回路を形成すれば、より高感度な赤外線撮像装置が提供できる。
【００３６】
（実施の形態５）
図５は、実施の形態５に係る熱型赤外線固体撮像素子の画素部における検出回路の概略図を示している。本実施の形態５は、実施の形態１の構成と類似している。正の感熱抵抗体６１と負の感熱抵抗体６２が直列に接続されており、これと電源とのコンタクト６３側から同順に正の感熱抵抗体６４と負の感熱抵抗体６５が直列に接続されている。ただし感熱抵抗６４および６５は赤外線入射に際して温度上昇を起こさない温度一定部に形成されている。温度一定部は赤外線吸収体と接しないように設置され、熱コンダクタンスを大きくし、赤外線入射に伴う温度変化を抑えるために、シリコン基板に密着した構成が望ましい。
【００３７】
また、メンブレン直下のシリコン基板に密着する構造で温度一定部を形成すると、画素の開口率を減少させずに温度一定部を設置できる。図５は一例であるが、正の感熱抵抗体と負の感熱抵抗体の接続する順番が入れ替わっても同様の効果がある。直列に接続された二組の感熱抵抗体の抵抗分割部６６ａおよび６６ｂが差動増幅器６７または時間に対する差分積分器に電気的に接続されている。正の感熱抵抗体６１および６４は同一材料からなり、負の感熱抵抗体６２および６５は同一材料から構成される。これにより、材料の不均一性から発生する固定パターンノイズや、プロセス起因の固定パターンノイズの差分を取ることにより除去することが出来る。
【００３８】
（実施の形態６）
図６は、実施の形態６に係る熱型赤外線固体撮像素子の画素部における検出回路の概略図を示している。正の感熱抵抗体７１と負の感熱抵抗体７２が直列に接続されており、これと電源とのコンタクト７３側から逆順に正の感熱抵抗体７５と負の感熱抵抗体７４が直列に接続されている。図６は一例であるが、正の感熱抵抗体と負の感熱抵抗体の接続する順番が入れ替わっても同様の効果がある。直列に接続された二組の感熱抵抗体の抵抗分割部７６ａおよび７６ｂが差動増幅器７７または時間に対する差分積分器に電気的に接続されている。正の感熱抵抗体７１および７５は同一材料からなり、負の感熱抵抗体７２および７４は同一材料から構成される
感熱抵抗体７１および７２の抵抗分割部７６ｂの電位は温度変化部の温度の上昇に伴い減少する。その感度は正負一方の特性を有する感熱抵抗体と固定抵抗を直列に接続した構造よりも大きい。一方、感熱抵抗体７４および７５からなる抵抗分割部７６ａの電位は温度変化部の温度の上昇に伴い上昇する。この電位差を差動増幅器７７または差分積分器により増幅して出力することにより高感度化が行える。
【００３９】
（実施の形態７）
図７は、実施の形態７に係る熱型赤外線固体撮像素子の画素部における検出回路の概略図を示している。同一材料からなる４つの感熱抵抗体８１、８２、８３および８４を有し、それぞれ、抵抗体８１および８２が直列に接続され、抵抗体８３および８４が直列に接続されている。感熱抵抗体８１、８２、８３および８４は同一材料からなり、感熱抵抗体８２および８３は赤外線入射時においても温度が変化しない温度一定部に設置されている。これらの感熱抵抗体の抵抗温度係数は負であっても正であっても効果は同じである。同一の材料で作ることにより、抵抗値の制御や温度特性のばらつきなどを小さくすることができるだけでなく、製造プロセスを簡便化することが可能となる。
【００４０】
直列に接続された二組の感熱抵抗体８１および８２と、８３および８４とのそれぞれの抵抗分割部８６ｂおよび８６ａが差動増幅器８７または時間に対する差分積分器に電気的に接続されている。感熱抵抗体８１および８２の抵抗分割部８６ｂの電位は温度変化部の温度の上昇に伴い減少する。その感度は正負一方の特性を有する感熱抵抗体と固定抵抗を直列に接続した構造と同等である。一方、感熱抵抗体８３および８４からなる抵抗分割部８６ａの電位は温度変化部の温度の上昇に伴い上昇する。この電位差を差動増幅器８７または差分積分器により増幅して出力することにより高感度化が行える。温度一定部は赤外線吸収体と接しないように設置され、熱コンダクタンスを大きくし、赤外線入射に伴う温度変化を抑えるために、シリコン基板に密着した構成が望ましい。
【００４１】
（実施の形態８）
図８は、実施の形態８に係る差動増幅型または差分積分型検出素子の画素の断面図を示している。熱型赤外線固体撮像装置２０４は、半導体基板９０上に読み出し回路のトランジスタ９８、温度一定部９５、およびメンブレン９１を支えるための支持脚９２を備える。半導体基板９０側から温度一定部９５、赤外線反射膜９６、空洞部９７、メンブレン９１、温度変化部９３および赤外線吸収体９４の順序で積層された多層化構造となっている。メンブレン９１直下のシリコン基板９０に密着する構造で温度一定部９５を形成すると、画素の開口率を減少させずに温度一定部９５を設置できる。
【００４２】
また、読み出しトランジスタ９８など読み出し回路もメンブレン９１直下の半導体基板９０に形成することで、より開口率を向上させることができ、微細化することが可能である。温度一定部９５は赤外線が照射されても熱伝導率の高い材料と大きい面積で接触していれば、熱が一方の熱浴に流出するため、温度が変化しない。正しくは、基板温度と常に等しい。よって、温度一定部９５は半導体基板９０上または、基板９０内に形成する。また、赤外線吸収体９４と赤外線反射膜９６とは光学共振構造の関係にある。温度変化部９３と温度一定部９５は支持脚９２に沿って存在する金属線もしくは、抵抗体によって電気的に接続されている。感熱抵抗体８１、８２、８３および８４は同一材料であり、且つ温度一定部９５と温度変化部９３から得られる信号の差分をとることによって、各抵抗体の材料の不均一性によって発生する固定パターンノイズや、プロセス起因の固定パターンノイズを除去することが出来る。
【００４３】
この構成において、全ての感熱抵抗体をp-n接合ダイオードかMOSトランジスタを使用する。p-n接合ダイオードのダイオード電流やMOSトランジスタのチャンネル電流は温度によって大きく変化する。さらにp-n接合ダイオードやトランジスタはCMOSプロセスで容易にしかも低コストで形成できることから、製造プロセスの簡便化および低コスト化を実現することができる。
【００４４】
また、本発明の実施の形態１〜８に係る構成は、すべて断熱構造を作ることが望ましく、メンブレンとシリコン基板との間の空間は空気ではなく、アルゴンやネオンなどの希ガスを使う。
図９は希ガスと空気の熱伝導率と圧力の関係を示している。曲線１００は希ガスの熱伝導率と圧力の関係を示しており、曲線１０１は空気の熱伝導率と圧力の関係を示している。低圧条件下では、曲線１００および１０１は近接しているが、気圧の増加に伴い、両者の熱伝導率は単調に増加するが、空気の方が希ガスの熱電度率よりも大きくなることがわかる。この結果から、より優れた断熱特性を実現させ、感度を向上させるためには、低圧の希ガス封止を行うことが好ましい。また、気体の熱伝導率は気体分子もしくは気体原子の質量の逆数に比例していることから、さらに優れた断熱特性を実現させるためには、原子量の大きな希ガスの低圧封止を行うことが好ましい。
【００４５】
（実施の形態９）
図１０は、前述の熱型赤外線固体撮像装置のいずれかを搭載した赤外線カメラのブロック図である。赤外線カメラ４００は、レンズ３０４、熱型赤外線固体撮像装置３００、駆動回路３０１、信号処理部３０２、および外部インターフェイス部３０３を備えている。レンズ３０４を通過した光は、熱型赤外線固体撮像装置３００に入る。信号処理部３０２は、駆動回路３０１を通して熱型赤外線固体撮像装置３００を駆動し、熱型赤外線固体撮像装置３００からの出力信号を取り込む。信号処理部３０２で処理された信号は、外部インターフェイス部３０３を通して外部に出力される。
【００４６】
本発明の赤外線固体撮像装置を搭載した赤外線カメラは、高画質高精細の遠赤外線画像を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係る熱型赤外線固体撮像装置は、暗視カメラ、監視カメラ等に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る抵抗ボロメータ型赤外線固体撮像素子の画素内の検出回路の構成を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る抵抗ボロメータ型赤外線固体撮像素子の画素内の検出回路の構成を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る抵抗ボロメータ型赤外線固体撮像素子の構造の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態４に係る抵抗ボロメータ型赤外線固体撮像素子の構造の一例を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態５に係る抵抗ボロメータ型赤外線固体撮像素子の画素内の検出回路の構成を示す概略図である。
【図６】本発明の実施の形態６に係る抵抗ボロメータ型赤外線固体撮像素子の画素内の検出回路の構成を示す概略図である。
【図７】本発明の実施の形態７に係る抵抗ボロメータ型赤外線固体撮像素子の画素内の検出回路の構成を示す概略図である。
【図８】本発明の実施の形態８に係る抵抗ボロメータ型赤外線固体撮像素子の構造の一例を示す断面図である。
【図９】希ガスと空気の熱伝導率と圧力の関係を示した相関図である。
【図１０】本発明の実施の形態９に係る赤外線カメラの構成を示すブロック図である。
【図１１】従来の抵抗ボロメータ型赤外線固体撮像素子の構造の一例を示す斜視図である。
【図１２】従来の抵抗ボロメータ型赤外線固体撮像素子の画素内の検出回路の構成を示す概略図である。
【図１３】従来の抵抗ボロメータ型赤外線固体撮像素子の構造の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１、２０、５１、６０、９０  シリコン基板
２、２１  抵抗ボロメータ薄膜
３、５３、５８、９１  メンブレン
４、５、５４、５９、９２  支持脚
６、７、２６、２８  金属配線
８、４２、４４  固定抵抗体
９、４１、４３、８１、８２、８３、８４  感熱抵抗体
１０、２５、３３、４５、６３、７３、８５  コンタクト
１１、３４、４６ａ、４６ｂ、６６ａ、６６ｂ、７６ａ、７６ｂ、８６ａ、８６ｂ  抵抗分割部
１２、３５  出力端子
２２  熱検出部
２３、５２、９７  空洞部
２４、２７、２９  絶縁体
３１、６１、６４、７１、７５  正の感熱抵抗体
３２、６２、６５、７２、７４  負の感熱抵抗体
４７、６７、７７、８７  差動増幅器または差分積分器
５５、９３  温度変化部
５６、９４  赤外線吸収体
５７、９８  読み出しトランジスタ
９５  温度一定部
９６  赤外線反射膜
１００  希ガスの場合の曲線
１０１  空気の場合の曲線
２００、２０１、２０２、２０３、２０４、３００  熱型赤外線固体撮像装置
３０１    駆動回路
３０２    信号処理部
３０３    外部インターフェイス部
３０４    レンズ
４００    赤外線カメラ
【図１】
2005188970.tif 000003
【図２】
2005188970.tif 000004
【図３】
2005188970.tif 000005
【図４】
2005188970.tif 000006
【図５】
2005188970.tif 000007
【図６】
2005188970.tif 000008
【図７】
2005188970.tif 000009
【図８】
2005188970.tif 000010
【図９】
2005188970.tif 000011
【図１０】
2005188970.tif 000012
【図１１】
2005188970.tif 000013
【図１２】
2005188970.tif 000014
【図１３】
2005188970.tif 000015