(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度変化を電気信号の変化として出力する感熱体として電界効果トランジスタを含む画素が複数個アレイ状に配置されてなる検出器アレイと、
前記電界効果トランジスタと接続され、ソース接地増幅回路を形成する所定の負荷と、
前記ソース接地増幅回路の出力信号を読み出す信号読み出し回路とを備え、
前記検出器アレイ外部に、前記電界効果トランジスタとは別の電界効果トランジスタと負荷とで構成されるソース接地増幅回路を配置し、前記検出器アレイ外部のソース接地増幅回路から、前記検出器アレイの行毎に、前記検出器アレイ内の電界効果トランジスタのソース-ゲート間電圧を供給し、
前記別の電界効果トランジスタのドレイン電極とゲート電極の間に、前記別の電界効果トランジスタのドレイン電圧をゲート電圧から前記別の電界効果トランジスタのしきい値電圧だけ低い電圧に設定する降圧回路を配置し、
前記降圧回路は電界効果トランジスタを有し、
さらに、基板に設けられた凹部上の中空に保持された検出部を備え、
前記別の電界効果トランジスタ、および、前記降圧回路の電界効果トランジスタを前記検出部に配置することで、前記降圧回路が降圧する電圧は、前記別の電界効果トランジスタのしきい値電圧と、温度によらず同じであり、
赤外線の検知動作時において前記電界効果トランジスタはピンチオフ状態で動作するようにバイアスされる、
ことを特徴とする赤外線固体撮像装置。
【請求項２】
温度変化を電気信号の変化として出力する感熱体として電界効果トランジスタを含む画素が複数個アレイ状に配置されてなる検出器アレイと、
前記電界効果トランジスタと接続され、ソース接地増幅回路を形成する所定の負荷と、
前記ソース接地増幅回路の出力信号を読み出す信号読み出し回路とを備え、
前記電界効果トランジスタのドレイン電極とゲート電極の間に前記電界効果トランジスタのドレイン電圧をゲート電圧から前記電界効果トランジスタのしきい値電圧だけ低い電圧に設定する降圧回路を配置し、
前記降圧回路は電界効果トランジスタを有し、
さらに、前記電界効果トランジスタのソース電極と接地電位との間にスイッチ素子が接続され、
さらに、基板に設けられた凹部上の中空に保持された、少なくとも一つの検出部を備え、
前記感熱体としての電界効果トランジスタ、および、前記降圧回路の電界効果トランジスタを、前記少なくとも一つの検出部のうちのいずれか一つ、または異なる検出部に配置することで、前記降圧回路が降圧する電圧は、前記電界効果トランジスタのしきい値電圧と、温度によらず同じであり、
赤外線の検知動作時において前記電界効果トランジスタはピンチオフ状態で動作するようにバイアスされ、
前記検出器アレイ内の電界効果トランジスタのソース-ゲート間電圧が前記検出器アレイの画素毎に設定される
ことを特徴とする赤外線固体撮像装置。
【請求項３】
前記電界効果トランジスタのドレイン電極とゲート電極の間にスイッチを配置し、さらに、前記電界効果トランジスタのゲート電極と接地電位との間に容量素子が接続されたることを特徴とする請求項２記載の赤外線固体撮像装置。
【請求項４】
前記電界効果トランジスタのドレイン電極とゲート電極の間にバッファ回路を配置したことを特徴とする請求項２または３記載の赤外線固体撮像装置。
【請求項５】
前記検出器アレイ内の電界効果トランジスタおよび前記検出器アレイ外部の別の電界効果トランジスタはMOSFET、JFETまたはMESFETで構成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の赤外線固体撮像装置。
【請求項６】
前記所定の負荷は、抵抗素子または定電流源であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の赤外線固体撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、感熱体である電界効果トランジスタをアレイ状に配置し、かつその電界効果トランジスタを含むソース接地増幅回路を搭載した赤外線固体撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の赤外線固体撮像装置として、感熱体である電界効果トランジスタをアレイ状に配置し、線形領域または飽和領域で動作する電界効果トランジスタを含むソース接地増幅回路を搭載するものがある（例えば特許文献１、非特許文献１等参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２５８５６２号公報
【非特許文献１】Fabrication and Characterization of Integrated Uncooled Infrared Sensor Arrays Using a-Si Thin-Film Transistors as Active Elements, Liang Dong., Ruifeng Yue, Litian Liu, JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS Vol14 No5 (2005) pp. 1167-1177
【非特許文献２】Design and fabrication of single-chip a-Si TFT-based uncooled infrared sensors, Liang Dong., Ruifeng Yue, Litian Liu, Su Xia, Sensors and Actuators A 116 (2004) pp. 257-263
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような赤外線固体撮像装置では、感熱体である電界効果トランジスタを含むソース接地増幅回路において、電界効果トランジスタを線形領域（非特許文献１参照）または飽和領域（非特許文献２参照）で動作させていた。そのため、電界効果トランジスタのソース−ドレイン間電流の温度変化量が少なく、赤外線固体撮像装置の温度検出感度が低いという課題があった。
【０００５】
また、アレイ内全ての電界効果トランジスタにおけるゲート-ソース間電圧を一律に設定していたので、電界効果トランジスタのしきい値電圧のばらつきにより、温度検出感度のばらつきが大きいという課題があった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、感熱体である電界効果トランジスタをアレイ状に配置し、電界効果トランジスタを含むソース接地増幅回路を備えた赤外線固体撮像装置において、温度検出感度が高く、かつ温度検出感度のばらつきを小さくした赤外線固体撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
赤外線固体撮像装置は、温度変化を電気信号の変化として出力する感熱体として電界効果トランジスタを含む画素が複数個アレイ状に配置されてなる検出器アレイと、電界効果トランジスタと接続され、ソース接地増幅回路を形成する所定の負荷と、ソース接地増幅回路の出力信号を読み出す信号読み出し回路とを備える。検出器アレイ外部に、電界効果トランジスタとは別の電界効果トランジスタと負荷とで構成されるソース接地増幅回路を配置し、検出器アレイ外部のソース接地増幅回路から、前記検出器アレイの行毎に、検出器アレイ内の電界効果トランジスタのソース-ゲート間電圧を供給する。別の電界効果トランジスタのドレイン電極とゲート電極の間に、別の電界効果トランジスタのドレイン電圧をゲート電圧から別の電界効果トランジスタのしきい値電圧だけ低い電圧に設定する降圧回路を配置する。降圧回路は電界効果トランジスタを有する。さらに、赤外線固体撮像装置は、基板に設けられた凹部上の中空に保持された検出部を備える。別の電界効果トランジスタ、および、降圧回路の電界効果トランジスタを、基板に設けられた凹部上の中空に保持された検出部に配置することで、降圧回路が降圧する電圧は、電界効果トランジスタのしきい値電圧と、温度によらず同じである。赤外線の検知動作時において電界効果トランジスタはピンチオフ状態で動作するようにバイアスされる。
【０００８】
赤外線固体撮像装置は、温度変化を電気信号の変化として出力する感熱体として電界効果トランジスタを含む画素が複数個アレイ状に配置されてなる検出器アレイと、電界効果トランジスタと接続され、ソース接地増幅回路を形成する所定の負荷と、ソース接地増幅回路の出力信号を読み出す信号読み出し回路とを備える。電界効果トランジスタのドレイン電極とゲート電極の間に電界効果トランジスタのドレイン電圧をゲート電圧から電界効果トランジスタのしきい値電圧だけ低い電圧に設定する降圧回路を配置する。降圧回路は電界効果トランジスタを有する。さらに、電界効果トランジスタのソース電極と接地電位との間にスイッチ素子が接続される。赤外線固体撮像装置は、さらに、基板に設けられた凹部上の中空に保持された、少なくとも一つの検出部を備える。感熱体としての電界効果トランジスタ、および、降圧回路の電界効果トランジスタを、少なくとも一つの検出部のうちのいずれか一つ、または異なる検出部に配置することで、降圧回路が降圧する電圧は、電界効果トランジスタのしきい値電圧と、温度によらず同じである。赤外線の検知動作時において電界効果トランジスタはピンチオフ状態で動作するようにバイアスされる。検出器アレイ内の電界効果トランジスタのソース-ゲート間電圧が検出器アレイの画素毎に設定される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、感熱体である電界効果トランジスタをアレイ状に配置し、かつ電界効果トランジスタを含むソース接地増幅回路において、電界効果トランジスタをピンチオフ状態で動作させる。その結果、電界効果トランジスタを含むソース接地増幅回路において、電界効果トランジスタのソース−ドレイン間電流が温度に対してほぼ線形に変化し、かつ、出力電圧の温度変化が該ゲート−ソース間電圧に対してピンチオフ点で極大となる。このため、信号読み出しが容易となり、かつ、出力電圧の温度変化を大きくすることができる。よって、簡単な構成の信号処理回路で温度検出感度が高い赤外線固体撮像装置を提供できる。また、ダイオード接続した電界効果トランジスタにおいて、ゲート-ソース間電圧をしきい値電圧よりも充分に大きく設定する。これにより、電界効果トランジスタがピンチオフ状態で動作する。さらに、負荷に加わる電圧を大きく、および／または、電界効果トランジスタの利得定数を小さくすることによっても、出力電圧の温度変化が大きくなり、温度検出感度が高い赤外線固体撮像装置を提供できる。また、感熱体としての電界効果トランジスタのしきい値電圧が温度変化しても、当該電界効果トランジスタのピンチオフ状態を維持できる。
【００１０】
また、アレイ内全ての電界効果トランジスタにおけるゲート-ソース間電圧を、行ごとまたは画素ごとに設定することにより、該電界効果トランジスタのしきい値電圧ばらつきによる、温度検出感度のばらつきを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
実施の形態１．
１．１  赤外線固体撮像装置
図１に、赤外線固体撮像装置の斜視図を示す。赤外線固体撮像装置３００は、基板３０１上に検出器５０３を複数個配列した検出器アレイ５０２と、各検出器５０３が出力した電気信号を処理して外部に出力する信号処理回路５０９とを備える。検出器５０３と信号処理回路５０９は、垂直信号線３０２および水平信号線３０３によって接続されている。
【００１３】
図２は、１つの検出器５０３の平面図であって、わかりやすく説明するために、赤外線吸収量を増大させるための傘構造（後述）および保護膜は省略してある。１つの検出器５０３が１つの画素に相当する。
【００１４】
図３は、図２に示す検出器５０３をＡ−Ａ線で切断したときの断面図である。検出器５０３は、検出部５０４と、基板３０１上に設けられた凹部５０６上で検出部５０４を中空に保持する支持脚５０５と、検出部５０４上に設置された傘構造５０７とを含む。検出部５０４には配線層３０４と感熱体である検知膜２００が設置されている。支持脚５０５にも配線層３０４が設けられ、その配線層３０４により信号処理回路５０９と検知膜２００とが電気的に接続されている。検知膜２００は電界効果トランジスタで構成される。
【００１５】
次に、検出器５０３の温度検出原理について述べる。赤外線固体撮像装置３００の撮像対象となる被写体が発した赤外線が、検出器アレイ５０２内の検出器５０３に入射すると、検出部５０４の温度が上昇する。このとき、温度変化に応じて検知膜２００の電気特性が変化する。この検知膜２００の電気特性の変化を信号処理回路５０９で、検出器ごとに読み取って外部に出力することで、被写体の熱画像を得ることができる。基板３０１と検出部５０４は支持脚５０５によって接続されているので、支持脚５０５の熱コンダクタンスが小さいほど検出部５０４の温度変化が大きくなり、検出器５０３の温度感度が高くなる。
【００１６】
１．１．１  ソース接地増幅回路
図４（ａ）および図４（ｂ）に、本実施の形態の赤外線固体撮像装置３００において温度検出に用いるソース接地増幅回路の構成を示す。感熱体として、ソース接地された電界効果トランジスタ６０１を用いている。ソース接地増幅回路は、電源とグランド間に接続された負荷７０４と電界効果トランジスタ６０１の直列回路を含む。図４の例では、電界効果トランジスタ６０１のみが検出部５０４上に設けられる。図４（ａ）は、電界効果トランジスタ６０１がＮＭＯＳ（Negative Metal Oxide Semiconductor）トランジスタである場合の例を示し、図４（ｂ）は、電界効果トランジスタ６０１がＰＭＯＳ（Positive Metal Oxide Semiconductor）トランジスタである場合の例を示す。なお、図４（ｃ）には、従来の線形領域または飽和領域で動作する電界効果トランジスタを有するソース接地増幅回路の構成を示している。
【００１７】
ここで、図４（ａ）に示すソース接地増幅回路の温度感度について考察する。負荷７０４は抵抗素子であり、電界効果トランジスタ６０１がＮＭＯＳトランジスタの場合を考える。ＮＭＯＳトランジスタの電流-電圧特性は、線形領域では式（１）で示され、飽和領域では式（２）で示される。
【数１】
0005339747.tif 000002
【数２】
0005339747.tif 000003
【００１８】
ここで、Idsはドレイン-ソース間電流、Ｗはゲート幅、Ｌはゲート長、μは移動度、Coxはゲート容量、Vgsはゲート-ソース間電圧、Vthはしきい値電圧、Vdsはドレイン-ソース間電圧である。
【００１９】
次式（３）が成り立つとき、ＮＭＯＳトランジスタの動作状態は線形領域にあり、電流電圧特性は式（１）に従う。同様に、式（４）が成り立つとき、ＮＭＯＳトランジスタの動作状態は飽和領域にあり、電流電圧特性は式（２）に従う。
【００２０】
【数３】
0005339747.tif 000004
【数４】
0005339747.tif 000005
【００２１】
次式（５）は、式（３）の線形領域と式（４）の飽和領域の境界での状態を示し、式（５）で示される動作点を「ピンチオフ点」、そのような状態を「ピンチオフ状態」と呼ぶ。このときのドレイン電圧がピンチオフ電圧Vpsである。
【数５】
0005339747.tif 000006
【００２２】
電源電圧をVdd、負荷抵抗値をR、信号処理回路５０９への出力電圧をVoutとすると、図４（ａ）に示すソース接地増幅回路において、以下の式（６）が成り立つ。
【数６】
0005339747.tif 000007
【００２３】
式（６）の両辺を温度Ｔで微分すると、Voutの温度変化に関し次式（７）が得られる。
【数７】
0005339747.tif 000008
【００２４】
式（７）に式（１）または式（２）を代入すると、以下の式（８）または式（９）が得られる。
【００２５】
【数８】
0005339747.tif 000009
【数９】
0005339747.tif 000010
【００２６】
上式において、βは電界効果トランジスタの利得定数である。なお、図４（ａ）の回路においてVout＝Vdsであり、この関係を式（８）の導出に用いた。
【００２７】
式（１）または式（８）に式（５）を代入すると、それぞれ式（２）または式（９）を得る。すなわち、ピンチオフ点において、線形領域の式と飽和領域の式から得られる結果は同じとなる。
【００２８】
図５（ａ）に、Vth＝0.7V、β＝50μA/V2、R＝20kΩ、Vdd＝3Vとして、ソース接地増幅回路における出力電圧Voutの温度変化（ｄＶout/ｄＴ）とゲート−ソース間電圧Vgsの関係を実際のデバイスを用いて測定した結果を示している。さらに、図５（ａ）には、式（８）および式（９）を用いて出力電圧Voutの温度変化（ｄＶout/ｄＴ）とゲート−ソース間電圧Vgsの関係をシミュレーションした結果も示している。図５（ａ）では、式（８）を用いて求めた線形領域のグラフと、式（９）を用いて求めた飽和領域のグラフとの交点において、出力電圧Voutの温度変化の測定結果が最大になっている。すなわち、図４（ａ）に示した本実施の形態におけるソース接地増幅回路では、線形領域と飽和領域の境界であるピンチオフ点において、出力電圧Voutの温度変化（ｄＶout/ｄＴ）が最大となる。
【００２９】
さらに、式（１）、式（２）、式（５）、式（６）、式（８）および、式（９）より、電源電圧Vddが高く、負荷抵抗Rが小さく、ＮＭＯＳトランジスタのゲート電極幅Ｗ／長さＬ比が小さくなるほど、出力電圧Voutの温度変化（ｄＶout/ｄＴ）が大きくなることが分かる。
【００３０】
以上より、図４（ａ）に示した本実施の形態の赤外線固体撮像装置３００において、温度検出に用いるソース接地増幅回路では、図４（ｃ）に示す従来の線形領域または飽和領域で動作する電界効果トランジスタを有するソース接地増幅回路と異なり、電界効果トランジスタのソース−ドレイン間電流Ｉdsが温度に対してほぼ線形に変化し、かつ、出力電圧Voutの温度変化（ｄＶout/ｄＴ）がゲート−ソース間電圧Vgsに対して極大点をもつ。よって、信号読み出しが容易であり、かつ、出力電圧の温度変化を大きくすることができる。その結果、従来よりも信号処理回路５０９の構成が簡単で、かつ、温度検出感度が高い赤外線センサを提供することができる。
【００３１】
なお、上記の説明については、図４（ａ）に示すような感熱体であるＭＯＳトランジスタがＮＭＯＳトランジスタである場合を示したが、図４（ｂ）に示すようなＰＭＯＳトランジスタの場合であっても同様の議論が成り立つことは言うまでも無い。
【００３２】
次に負荷７０４が定電流源の場合について検討する。
理想的な定電流源は、外部のインピーダンスに関係無く一定の電流を供給し、かつ、内部のインピーダンスが無限大である。そのため、負荷７０４が理想的な定電流源の場合、負荷７０４が抵抗素子の場合の式（１）から式（６）までは、同様に成り立つが、式（７）から式（９）までにおいては、Ｒ→∞、かつ、ｄＩds／ｄＴ→０として考える必要がある。このとき、出力電圧Voutの温度変化とゲート−ソース間電圧Vgsの関係は、図５（ｂ）に示すようなデルタ関数の特性を示す。
【００３３】
ただし、現実のデバイスにおいては、理想的な定電流源ではなく、理想に近い定電流源を用いざるを得ない場合が多い。理想に近い定電流源は、外部のインピーダンスに影響されて若干変動するもののほぼ一定の電流を供給し、かつ、内部のインピーダンスがかなり大きいが有限である。そのため、負荷７０４が理想に近い定電流源の場合、負荷７０４が抵抗の場合の式（１）から式（６）までは、同様に成り立つが、式（７）から式（９）までにおいては、Ｒが非常に大きく、かつ、ｄＩds／ｄＴが充分に小さいものとして考える必要がある。このとき、Voutの温度変化とVgsの関係は、図５（ｃ）に示すように、図５（ｂ）のデルタ関数の特性を鈍らせた特性を持つ。
【００３４】
よって、前述の説明では、負荷７０４を抵抗素子としたが、負荷７０４が定電流源の場合でも同様の議論が成り立つことが理解できる。
【００３５】
１．１．２  アレイ構成
図６は、感熱体である電界効果トランジスタ６０１がアレイ状に配置された本実施の形態の赤外線固体撮像装置３００の構成を示した図である。図６（ａ）および図６（ｂ）はそれぞれ、図４（ａ）および図４（ｂ）に示したソース接地回路を用いたときの構成を示す。図６では一例として２画素×２画素アレイの場合を示したが、これ以外のアレイサイズも可能であることは言うまでもない。
【００３６】
信号処理回路５０９は、特定の一行を選択し、その選択行にある全ての電界効果トランジスタ６０１が、ピンチオフ状態になるようなゲート-ソース間電圧を供給する。この場合、選択されていない残りの行においては、電界効果トランジスタ６０１がオフするようなゲート-ソース間電圧を供給する。負荷７０４と電界効果トランジスタ６０１の接続点での電圧が信号処理回路５０９を経由して外部へ出力される。選択行の各画素の出力信号を順次読み出し、その選択行を逐次変更していくことによって、アレイ内の全画素の出力信号を順次読み出し、被写体の温度分布を電気信号の分布として取得することができる。この電気信号の分布をカメラで画像に変換して、モニタに写し出す。
【００３７】
以上のように図６に示す本実施の形態の赤外線固体撮像装置において温度検出に用いるソース接地増幅回路では、感熱体である電界効果トランジスタが、ピンチオフ状態で動作するため、図４（ｃ）に示す線形領域または飽和領域で動作する従来の電界効果トランジスタを有するソース接地増幅回路と異なり、電界効果トランジスタのソース−ドレイン間電流が温度に対してほぼ線形に変化し、かつ、出力電圧の温度変化がゲート−ソース間電圧に対して極大点をもつ。よって、信号読み出しが容易であり、かつ、出力電圧の温度変化を大きくすることができる。その結果、従来よりも信号処理回路５０９の構成が簡単で、かつ、温度検出感度が高い赤外線固体撮像装置を提供することができる。また、従来では、アレイ内全ての電界効果トランジスタ６０１におけるゲート−ソース間電圧を一律に設定していた。これに対して、本実施の形態においては、行ごとに設定する。このため、電界効果トランジスタ６０１のしきい値電圧のばらつきによる、温度検出感度のばらつきを抑制することができる。その結果、温度検出感度のばらつきが小さい赤外線固体撮像装置を提供することができる。
【００３８】
なお、本実施の形態では、図６のように負荷７０４を列ごとに設置する場合を示したが、図７に示すように、負荷７０４をひとつにまとめてもよい。このことは、以後の実施の形態２〜４においても同様である。
【００３９】
１．１．３  ゲート-ソース間電圧の供給方法の別の例
信号処理回路５０９が特定の一行を選択して、その行にある全ての電界効果トランジスタ６０１が、ピンチオフ状態になるようなゲート-ソース間電圧を供給する方法として、直流電圧を直接供給する方法に代わり、図８〜図１０に示すように、ソース接地増幅回路から、その出力電圧を、ゲート-ソース間電圧として供給してもよい。これによって、回路内部においてピンチオフ状態になるようなゲート-ソース間電圧を発生させることができ、外部からの電圧調整が不要となる。
【００４０】
図８（ａ）、図９（ａ）、図１０（ａ）はそれぞれ、アレイ状に配置される、感熱体である電界効果トランジスタがＮＭＯＳトランジスタである場合の供給方法の例を説明した図である。図８（ｂ）、図９（ｂ）、図１０（ｂ）はそれぞれ、アレイ状に配置される、感熱体である電界効果トランジスタがＰＭＯＳトランジスタである場合の供給方法の例を説明した図である。
【００４１】
図８においてゲート-ソース間電圧を供給するソース接地増幅回路５０は、電源と接地間に、直列に接続された負荷７０４と電界効果トランジスタ６０１を含む。電界効果トランジスタ６０１はゲートとドレインが接続され、ダイオード接続されている。
【００４２】
図９においてゲート-ソース間電圧を供給するソース接地増幅回路５２は、電源と接地間に、直列に接続された負荷７０４と電界効果トランジスタ６０１とを含み、さらに電界効果トランジスタ６０１のゲート−ドレイン間（ノードＡとノードＢの間）に、付加回路７０８が配置される。この付加回路７０８は、図１２Ａに示す回路中のいずれかの回路である。
【００４３】
図１０（ａ）においてゲート-ソース間電圧を供給するソース接地増幅回路５４は、電源と接地間に、直列に接続された負荷７０４とＮＭＯＳ電界効果トランジスタ６０１とを含み、さらにＮＭＯＳ電界効果トランジスタ６０１のゲートがコンデンサ７０６を介して接地に接続されている。図１０（ｂ）は、電界効果トランジスタ６０１がＰＭＯＳトランジスタである場合の例であり、ＰＭＯＳ電界効果トランジスタ６０１のゲートがコンデンサを介して電源に接続されている。図１０（ａ）、（ｂ）において、電界効果トランジスタ６０１のゲート−ドレイン間（ノードＡとノードＢの間）には付加回路７０８が配置される。この付加回路７０８は、図１２Ｂに示す回路中のいずれかの回路である。
【００４４】
図８〜図１０において、検出器アレイ５０２外に設置されたソース接地増幅回路５０、５２、５４に含まれる電界効果トランジスタ６０１は、入射赤外線によって温度変化しない検出部５０４上に設置される。なぜならば、検出器アレイ５０２外に設置されたソース接地増幅回路に含まれる電界効果トランジスタ６０１の温度が、入射赤外線によって変化すると、供給するゲート-ソース間電圧が変化して、検出器アレイ５０２内の電界効果トランジスタ６０１がピンチオフ状態とならないからである。入射赤外線によって温度変化しない検出部５０４を実現するには、検出部５０４を遮光する、検出部５０４に赤外線反射膜を設ける、赤外線吸収が少ない膜で検出部５０４を構成する、といった方法がある。
【００４５】
また、図８〜図１０において、ゲート-ソース間電圧を供給するソース接地増幅回路５０、５２、５４は１つだけ設けられ、１つのソース接地増幅回路５０、５２、５４から、その出力電圧がアレイ内の電界効果トランジスタ６０１に行毎に供給されていた。しかしながら、ソース接地増幅回路５０、５２、５４は、図１１に示すように検出器アレイ５０２の行毎に設けてもよい。各行の電界効果トランジスタ６０１へは、各行に設けられたソース接地増幅回路５０、５２、５４から出力電圧が供給される。
【００４６】
なお、図８〜図１０、図１２Ａ及び図１２Ｂに示した回路の動作の詳細については、後述の実施の形態２〜４において説明する。
【００４７】
１．２  製造方法
図１３を参照して、本実施の形態における赤外線固体撮像装置の製造方法を説明する。なお、図１３は各製造工程における検出器５０３の断面構造の変化を示す。
【００４８】
最初に、基板３０１として、シリコン支持基板４００上に、シリコン酸化膜層４０１、シリコン層４０２を順次積層した、いわゆるＳＯＩ基板を準備する（図１３（ａ）参照）。次に、ＬＯＣＯＳ分離法もしくはトレンチ分離法によって、所定の位置に分離酸化膜３０５を形成する（図１３（ｂ）参照）。次に、図１で示した信号処理回路５０９（図１３には図示せず）および検出器アレイ５０２を形成する領域の、シリコン支持基板４００もしくはシリコン層４０２に不純物を注入し、ダイオード、電界効果トランジスタ（感熱体２００）、容量等を形成する（図１３（ｃ）参照）。次に、全面に絶縁膜３０６を堆積する（図１３（ｄ）参照）。次に、配線層３０４を形成する（図１３（ｅ）参照）。そして、絶縁膜３０６上に保護膜を形成し、続いて、絶縁膜の所定の位置にエッチング孔５０８を開口し、例えばシリコンから成る犠牲層３０８を堆積する。次に、傘構造５０７を形成する（図１３（ｆ）参照）。最後に、エッチング孔５０８から、例えばフッ化キセノンなどのエッチャントを導入して、犠牲層３０８を除去し、シリコン支持基板４００の内部に凹部５０６を形成する（図１３（ｇ）参照）。このようにして、絶縁膜から成る支持脚５０５によって凹部５０６内で中空に支持された検出部５０４および傘構造５０７を備える赤外線センサを完成する。なお、上記の製造方法は以下の実施の形態に対しても同様に適用できる。
【００４９】
実施の形態２．
赤外線固体撮像装置の別の構成例を示す。なお、本実施の形態の固体撮像装置の構成、外観については実施の形態１の図１ないし図３に示したものと同じである。本実施の形態における検出器５０３の温度検出原理についても実施の形態１のものと同じである。
【００５０】
２．１  ソース接地増幅回路
図１４は、本発明の実施の形態の赤外線固体撮像装置において温度検出に用いる、ソース接地増幅回路の構成を示した図である。感熱体として、ソース接地した電界効果トランジスタ６０１を用いている。図１４の例では、電界効果トランジスタ６０１のみが検出部５０４上にある。図１４（ａ）は電界効果トランジスタ６０１がＮＭＯＳトランジスタの場合であり、図１４（ｂ）は電界効果トランジスタ６０１がＰＭＯＳトランジスタの場合の構成を示す。本実施形態では、感熱体である電界効果トランジスタ６０１がダイオード接続されている点が実施の形態１と異なる。
【００５１】
本実施形態のソース接地増幅回路の温度感度について定性的に考察する。負荷７０４が抵抗素子であって、電界効果トランジスタ６０１がＮＭＯＳトランジスタの場合を考える。ＮＭＯＳトランジスタの電流-電圧特性は、実施の形態１で示したように線形領域では式（１）、飽和領域では式（２）で表される。
【００５２】
信号処理回路５０９への出力電圧Voutの温度変化すなわち温度感度を最大とするために、ＮＭＯＳトランジスタをピンチオフ点で動作させる方法を考える。ＮＭＯＳトランジスタはダイオード接続されているので、以下の式（１０）が成り立つ。
【数１０】
0005339747.tif 000011
【００５３】
ダイオード接続の条件式（１０）とピンチオフ点の条件式（５）とを参照すると、ＮＭＯＳトランジスタではVth＞０であるから、飽和領域の条件式（４）が満たされる。そのため、ダイオード接続のとき、ＮＭＯＳトランジスタの動作状態は常に飽和領域にあり、電流-電圧特性は式（２）、出力電圧Voutの温度変化（ｄＶout/ｄＴ）は式（９）でそれぞれ得られる。このとき、図５（ａ）に示すグラフおよび式（９）より、しきい値電圧Vthがゲート−ソース間電圧Vgsに比べて小さくなるにつれ、ＮＭＯＳトランジスタの動作点がピンチオフ点に近づき、出力電圧Voutの温度変化が大きくなっていく。すなわち、ゲート−ソース間電圧Vgsがしきい値電圧Vthに比べて充分大きいとき、ダイオード接続時の条件式（１０）とピンチオフ点の条件式（５）がほぼ等しくなり、出力電圧Voutの温度変化が最大となる。ゲート−ソース間電圧Vgsがしきい値電圧Vthに比べて充分大きくなるには、ゲート−ソース間電圧Vgsをしきい値電圧Vthに対して増加させるか、または、しきい値電圧Vthを接地電位（０V）に近づければよい。
【００５４】
本実施形態では、式（５）においてしきい値電圧Vthを０と見なせる程度に、ゲート−ソース間電圧Vgsがしきい値電圧Vthに比べて充分大きくなるように、ゲート−ソース間電圧Vgsとしきい値電圧Vthとの間の関係を調整する。ここで、充分大きいとは、例えば、ゲート−ソース間電圧Vgsに対するしきい値電圧Vthの比が１／１００以下になるような両電圧間の関係をいう。
【００５５】
ゲート−ソース間電圧Vgsがしきい値電圧Vthに比べて充分大きければ、出力電圧Voutの温度変化（温度感度）が最大となる。そのため、温度変化により出力電圧Voutすなわちドレイン−ソース間電圧Vdsが変化しても、ゲート-ドレイン間のフィードバックによってゲート−ソース間電圧Vgsが自動的に調整されるので、電界効果トランジスタ６０１はピンチオフ状態を継続することができる。これに対して、図４（ａ）および図４（ｂ）に示した実施の形態１のソース接地増幅回路においては、温度感度が最大となるようにゲート−ソース間電圧Vgsを調節して外部から供給する必要がある。
【００５６】
以上より、図１４に示した本実施の形態の赤外線固体撮像装置３００において温度検出に用いるソース接地増幅回路では、従来の線形領域または飽和領域で動作する電界効果トランジスタを有するソース接地増幅回路と異なり、電界効果トランジスタのソース-ドレイン間電流が温度に対してほぼ線形に変化し、かつ、出力電圧の温度変化がゲート-ソース間電圧に対して極大点をもつ。このため、信号読み出しが容易であり、かつ、出力電圧の温度変化を大きくすることができる。その結果、従来よりも信号処理回路の構成を簡単にでき、かつ、温度検出感度が高い赤外線固体撮像装置を提供することができる。
【００５７】
上記の考察は、ＭＯＳトランジスタがＮ型である場合に対して行ったが、Ｐ型である場合でも同様の議論が成り立つことは言うまでも無い。ＰＭＯＳの場合、図１４（ｂ）に示す回路となる。さらに、本実施の形態においては、負荷７０４が抵抗素子の場合を示したが、負荷７０４が定電流源の場合も、実施の形態１と同様の議論が成り立つ。
【００５８】
２．２  アレイ構成
図１５は、ダイオード接続された電界効果トランジスタがアレイ状に配置された本実施形態の赤外線固体撮像装置の構成を示した図である。図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、それぞれ、図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示したソース接地回路を用いたときの構成を示す。ただし、図１５（ａ）および図１５（ｂ）では、図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示した構成に加えて、スイッチ素子７０７が追加されている。スイッチ素子７０７としては通常はダイオードを用いるが、トランジスタ、サイリスタなどの他のデバイスであってもよい。スイッチ素子７０７を検出部５０４上に配置してもよい。図１４（ａ）および図１４（ｂ）では２画素×２画素アレイの場合を示したが、これ以外のアレイサイズも可能であることは言うまでもない。
【００５９】
信号処理回路５０９が特定の一行を選択すると、その行にある全てのスイッチ素子７０７がオンして通電する。このとき、選択されていない残りの行では、スイッチ素子７０７がオフするので、通電しない。信号処理回路５０９を経由して、負荷７０４と電界効果トランジスタ６０１の接続点の電圧が外部へ出力される。選択行の各画素の出力信号を順次読み出し、選択行を逐次変更することによって、アレイ内の全画素の出力信号を順次読み出し、被写体の温度分布を電気信号の分布として取得することができる。この電気信号の分布をカメラで画像に変換して、モニタに写し出す。
【００６０】
図１５に示した本実施の形態の赤外線固体撮像装置３００において、温度検出に用いる図１４に示すソース接地増幅回路では、感熱体である電界効果トランジスタが、図４（ｃ）に示す線形領域または飽和領域で動作する、従来の電界効果トランジスタを有するソース接地増幅回路と異なり、電界効果トランジスタのソース−ドレイン間電流が温度に対してほぼ線形に変化し、かつ、出力電圧の温度変化がゲート−ソース間電圧に対して極大点をもつ。よって、信号読み出しが容易であり、かつ、出力電圧の温度変化を大きくすることができる。その結果、従来よりも信号処理回路５０９の構成が簡単で、かつ、温度検出感度が高い赤外線固体撮像装置を提供することができる。また、本実施の形態においては、従来のようにアレイ内全ての電界効果トランジスタ６０１におけるゲート-ソース間電圧を一律に設定するのではなく、画素ごとに設定する。そのため、電界効果トランジスタ６０１のしきい値電圧のばらつきによる、温度検出感度のばらつきを抑制することができる。その結果、温度検出感度のばらつきが小さい赤外線固体撮像装置を提供することができる。
【００６１】
なお、本実施の形態では、図１５のように負荷７０４を列ごとに設置する場合を示したが、実施の形態１で示したのと同様に、負荷７０４をひとつにまとめてもよい。
【００６２】
なお、本実施の形態における赤外線固体撮像装置は、実施の形態１において図１３を参照して説明した方法と同様の方法で製造できる。
【００６３】
実施の形態３．
赤外線固体撮像装置の別の構成例を示す。なお、本実施の形態の固体撮像装置の構成、外観については実施の形態１の図１ないし図３に示したものと同じである。本実施の形態における検出器５０３の温度検出原理についても実施の形態１のものと同じである。
【００６４】
３．１  ソース接地増幅回路
図１６は、本実施の形態の赤外線固体撮像装置において温度検出に用いるソース接地増幅回路の構成を示した図である。感熱体としてソース接地した電界効果トランジスタ６０１を用いている。図１６では、電界効果トランジスタ６０１のみが検出部５０４上にある。図１６（ａ）は電界効果トランジスタ６０１がＮＭＯＳトランジスタの場合であり、図１６（ｂ）は電界効果トランジスタ６０１がＰＭＯＳトランジスタの場合の構成を示す。以上の点においては実施の形態１と同様である。
【００６５】
本実施の形態においては、実施の形態２と同様に、電界効果トランジスタ６０１がダイオード接続され、また、少なくとも付加回路７０８（後述）が図１２Ａ（ｃ）の場合には、ゲート−ソース間電圧Vgsがしきい値電圧Vthに比べて充分大きい必要がある。しかし、実施の形態２と異なり、電界効果トランジスタ６０１のドレイン−ゲート間（ノードＡとノードＢの間）に付加回路７０８を配置している。
【００６６】
付加回路７０８は降圧回路および／またはバッファを含む。降圧回路はその両端において所定の大きさの電圧降下（ここではVth）を与える回路である（詳細は後述する。）。ゲート−ソース間電圧Vgsをしきい値電圧Vthに比べて充分大きくする代わりに、降圧回路を用いて、電界効果トランジスタ６０１のドレイン電圧をゲート電圧よりVthだけ低くすることによっても、ピンチオフ点の条件式（５）が満たされる。そのため、図１６の本実施の形態におけるソース接地増幅回路は、実施の形態２における図１４に示すソース接地増幅回路と等価となり、温度変化も同じとなる。さらに、温度変化により出力電圧Voutすなわちドレイン−ソース間電圧Vdsが変化しても、ゲート-ドレイン間のフィードバックによってゲート−ソース間電圧Vgsが自動的に調整されるので、電界効果トランジスタ６０１はピンチオフ状態を継続することができる。
【００６７】
以上より、図１６に示した本実施の形態の赤外線固体撮像装置３００において温度検出に用いるソース接地増幅回路では、従来の線形領域または飽和領域で動作する電界効果トランジスタを有するソース接地増幅回路と異なり、電界効果トランジスタのソース-ドレイン間電流が温度に対してほぼ線形に変化し、かつ、出力電圧の温度変化がゲート-ソース間電圧に対して極大点をもつ。よって、信号読み出しが容易であり、かつ、出力電圧の温度変化を大きくすることができる。その結果、従来よりも信号処理回路５０９の構成が簡単で、かつ、温度検出感度が高い赤外線センサを提供することができる。
【００６８】
図１２Ａを参照して降圧回路の具体例を説明する。降圧回路は、例えば、図１２Ａ（ａ）に示すように、ダイオード接続したＮＭＯＳトランジスタ７０１とスイッチ７０５（リセット回路）で構成できる。図１２Ａ（ａ）中のノードＡおよびノードＢが、図１６中のノードＡおよびノードＢに対応して接続される。図１２Ａ（ａ）において、スイッチ７０５をオンすると、ＮＭＯＳトランジスタ７０１のドレイン電位（ノードＡの電位）は、図１６のＮＭＯＳトランジスタ６０１が式（３）を満たすようにリセットされる。その後、スイッチ７０５をオフすると、図１２Ａ（ａ）のＮＭＯＳトランジスタ７０１のソース−ドレイン間に電流が流れる。その結果、図１２Ａ（ａ）中のノードＡの電位は(Vds+Vth)、および、ノードＢの電位はVdsとなる。これにより、降圧回路６０２は、ノードＡからノードＢの向きに、Vthだけ電圧降下する。すなわち、図１６のＮＭＯＳトランジスタ６０１が式（５）を満たすピンチオフ状態になる。ただし、スイッチ７０５を切断した状態では、ノードＡの電位は降下することはあっても上昇することは無い。そのため、出力電圧の読み出し前には、スイッチ７０５を接続することにより、図１６のＮＭＯＳトランジスタ６０１が式（３）を満たすように、ノードＡの電位をリセットする必要がある。
【００６９】
ところで、降圧回路の電界効果トランジスタ７０１および感熱体である電界効果トランジスタ６０１がともにダイオード接続したＮＭＯＳトランジスタである場合、降圧回路の電界効果トランジスタ７０１、および、感熱体である電界効果トランジスタ６０１を両方とも、凹部５０６上で中空に保持した検出部５０４上に配置してもよい。これにより、両トランジスタのしきい値電圧Vthの温度変化を同じにできる。これにより、周囲の環境温度が変動しても、電界効果トランジスタ６０１のしきい値電圧の温度変化に追随して、降圧回路６０２での電圧降下も温度変化するので、電界効果トランジスタ６０１はピンチオフ状態を継続することができる。降圧回路の電界効果トランジスタ７０１および感熱体である電界効果トランジスタ６０１を配置する検出部５０４は、同一であっても別々であってもよい。
【００７０】
本実施の形態においては、ＭＯＳトランジスタがＮ型の場合を示したが、Ｐ型についても同様の議論が成り立つことは言うまでも無い。ＰＭＯＳの場合、図１６（ｂ）の回路となる。この場合、降圧回路を、例えば、図１２Ａ（ｂ）に示すように、ダイオード接続したPＭＯＳトランジスタ７０１およびスイッチ７０５で構成することができる。
【００７１】
また、図１６のノードＡ、および、ノードＢに、図１２Ａ（ｃ）のバッファ６０３を接続してもよい。この場合、電界効果トランジスタ６０１のゲートソース間電圧Vgsをフィードバックする際には、ソース接地増幅回路ではなく、バッファ６０３が電力を供給する。そのため、ドレイン−ゲート間のフィードバック動作が、出力電圧Voutの温度変化および雑音電圧に与える影響を低減できる。
【００７２】
また、付加回路７０８として、図１２Ａ（ｄ）および図１２Ａ（ｅ）に示すように、図１２Ａ（ａ）、（ｂ）に示す降圧回路と図１２Ａ（ｃ）に示すバッファ６０３とを組み合わせても良い。この構成によっても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００７３】
さらに、本実施の形態においては、負荷７０４が抵抗素子の場合を示したが、負荷７０４が定電流源の場合でも、実施の形態１と同様の議論が成り立つ。
【００７４】
３．２  アレイ構成
図１７は、感熱体である電界効果トランジスタ６０１がアレイ状に配置された本実施の形態の赤外線固体撮像装置３００の構成を示した図である。図１７（ａ）および図１７（ｂ）はそれぞれ、図１６（ａ）および図１６（ｂ）に示したソース接地回路を用いたときの構成を示す。ただし、図１７（ａ）および図１７（ｂ）では、各画素においてスイッチ素子７０７が追加されている。スイッチ素子７０７として通常ダイオードを用いるが、トランジスタ、サイリスタなどの他のデバイスであってもよい。スイッチ素子７０７を検出部５０４上に配置してもよい。図１７（ａ）および図１７（ｂ）では２画素×２画素アレイの場合を示したが、これ以外のアレイサイズも可能であることは言うまでもない。
【００７５】
信号処理回路５０９が特定の一行を選択すると、その行にある全てのスイッチ素子７０７がオンして通電する。このとき、選択されていない残りの行では、スイッチ素子７０７がオフするので通電しない。信号処理回路５０９を経由して、負荷７０４と電界効果トランジスタ６０１の接続点の電圧が外部へ出力される。選択行の各画素の出力信号を順次読み出し、選択行を逐次変更することによって、アレイ内の全画素の出力信号を順次読み出し、被写体の温度分布を電気信号の分布として取得することができる。この電気信号の分布をカメラで画像に変換して、モニタに写し出す。
【００７６】
図１７に示した本実施の形態の赤外線固体撮像装置において温度検出に用いるソース接地増幅回路では、線形領域または飽和領域で動作する、従来の電界効果トランジスタを有するソース接地増幅回路（図４（ｃ）参照）と異なり、電界効果トランジスタのソース-ドレイン間電流が温度に対してほぼ線形に変化し、かつ、出力電圧の温度変化が該ゲート-ソース間電圧に対して極大点をもつ。よって、信号読み出しが容易であり、かつ、出力電圧の温度変化を大きくすることができる。その結果、従来よりも信号処理回路５０９の構成が簡単で、かつ、温度検出感度が高い赤外線固体撮像装置を提供することができる。また、本実施の形態では、画素毎に付加回路７０８を設け、これにより電界効果トランジスタ６０１におけるゲート-ソース間電圧を画素毎に設定している。つまり、従来のようにアレイ内全ての電界効果トランジスタ６０１におけるゲート-ソース間電圧を一律に設定するのではなく、画素ごとに設定している。そのため、該電界効果トランジスタ６０１のしきい値電圧のばらつきによる、温度検出感度のばらつきを抑制することができる。その結果、温度検出感度のばらつきが小さい赤外線固体撮像装置を提供することができる。
【００７７】
なお、本実施の形態では、図１７のように負荷７０４を列ごとに設置する場合を示したが、実施の形態１で示したのと同様に、負荷７０４をひとつにまとめてもよい。
【００７８】
なお、本実施の形態における赤外線固体撮像装置の製造方法は、実施の形態１において図１３を参照して説明した方法と同じである。
【００７９】
実施の形態４．
赤外線固体撮像装置の別の構成例を示す。なお、本実施の形態の固体撮像装置の構成、外観については実施の形態１の図１ないし図３に示したものと同じである。本実施の形態における検出器５０３の温度検出原理についても実施の形態１のものと同じである。
【００８０】
４．１  ソース接地増幅回路
図１８に、本実施の形態における温度検出に用いるソース接地増幅回路の構成を示す。ソース接地した電界効果トランジスタ６０１が感熱体として用いられている。図１８では、電界効果トランジスタ６０１のみが検出部５０４上にある。図１８（ａ）は電界効果トランジスタ６０１がＮＭＯＳトランジスタの場合の構成であり、図１８（ｂ）は電界効果トランジスタ６０１がＰＭＯＳトランジスタの場合の構成である。
【００８１】
本実施の形態においては、実施の形態２と同様に、電界効果トランジスタ６０１がダイオード接続され、また、少なくとも付加回路７０８（後述）が図１２Ｂ（ａ）および図１２Ｂ（ｄ）の場合には、ゲート−ソース間電圧Vgsがしきい値電圧Vthに比べて充分に大きい必要がある。また、実施の形態３と同様に、電界効果トランジスタ６０１のドレイン-ゲート間に付加回路７０８を配置している。実施の形態３と異なる点は、付加回路７０８が必ずスイッチを含み、選択的に降圧回路および／またはバッファを含む点、さらには、電界効果トランジスタ６０１のゲート電極に容量素子７０６が接続されている点である。
【００８２】
図１８（ａ）に示すソース接地増幅回路において、付加回路７０８として図１２Ｂ（ａ）に示す回路すなわちスイッチ７１０が挿入された場合のソース接地増幅回路の動作を説明する。
【００８３】
スイッチ７１０がオンすると、ピンチオフ点の条件式（５）が満たされる。そのため、図１８（ａ）に示すソース接地増幅回路は、図１４（ａ）に示す実施の形態２におけるソース接地増幅回路と等価となり、同様の温度変化を行う。さらに、温度変化により出力電圧Voutすなわちドレイン−ソース間電圧Vdsが変化しても、ゲート-ドレイン間のフィードバックによってゲート−ソース間電圧Vgsが自動的に調整されるので、電界効果トランジスタ６０１はピンチオフ状態を継続することができる。
【００８４】
また、スイッチ７１０がオフすると、ゲート-ドレイン間のフィードバックが行われない。すなわち、温度変化により出力電圧Voutすなわちドレイン−ソース間電圧Vdsが変化しても、容量素子７０６によってゲート−ソース間電圧Vgsが一定に保持される。ゲート-ドレイン間のフィードバックは、出力電圧Voutの温度変化を減じるようにゲート−ソース間電圧Vgsを調整するため、スイッチ７１０をオフすることにより、ゲート−ソース間電圧Vgsを一定に保持し、出力電圧Voutの温度変化を大きくすることができる。
【００８５】
そのため、出力電圧の読み出し前にスイッチ７１０をオフし、出力電圧の読み出し後にスイッチ７０５をオンすることで、ピンチオフ状態の継続と、ゲート−ソース間電圧Vgsの持続的な印加による出力電圧Voutの温度変化（検出感度）の増大が達成できる。
【００８６】
以上のように、図１８（ａ）に示したソース接地増幅回路は、従来の線形領域または飽和領域で動作する電界効果トランジスタを有するソース接地増幅回路と異なり、電界効果トランジスタのソース-ドレイン間電流が温度に対してほぼ線形に変化し、かつ、出力電圧の温度変化が該ゲート-ソース間電圧に対して極大点をもつ。よって、信号読み出しが容易であり、かつ、出力電圧の温度変化を大きくすることができる。その結果、従来よりも信号処理回路５０９の構成が簡単で、かつ、温度検出感度が高い赤外線センサを提供することができる。
【００８７】
本実施の形態においては、ゲート−ソース間電圧Vgsをしきい値電圧Vthに比べて充分大きくする代わりに、実施の形態３で示した降圧回路を組み込むこともできる。降圧回路は、例えば図１２Ｂ（ｂ）に示すように、ダイオード接続したＮＭＯＳトランジスタ７０１およびスイッチ（リセット回路）７０５とスイッチ７１０で構成できる。または、図１２Ｂ（ｄ）に示すように、バッファ６０３とスイッチ７１０を配置することもできる。さらに、本実施の形態においては、図１２Ｂ（ｅ）に示すように、降圧回路およびバッファ６０３を共に配置することもできる。
【００８８】
上記の説明においては、ＭＯＳトランジスタがＮ型の場合を示したが、Ｐ型についても同様の議論が成り立つことは言うまでも無い。ＰＭＯＳの場合、図１８（ｂ）の回路となる。さらに、ゲート−ソース間電圧Vgsをしきい値電圧Vthに比べて充分大きくする代わりに、実施の形態３で示した降圧回路を組み込むこともできる。降圧回路は、例えば図１２Ｂ（ｃ）に示すように、ダイオード接続したPＭＯＳトランジスタ７０１およびスイッチ（リセット回路）７０５とスイッチ７１０で構成できる。または、図１２Ｂ（ｄ）に示すように、バッファ６０３とスイッチ７１０を配置することもできる。さらに、図１２Ｂ（ｆ）に示すように、降圧回路およびバッファ６０３を共に配置することもできる。
【００８９】
さらに、本実施の形態においては、負荷７０４が抵抗素子の場合を示したが、負荷７０４が定電流源の場合も、実施の形態１と同様の議論が成り立つ。
【００９０】
４．２  アレイ構成
図１９は、感熱体である電界効果トランジスタ６０１がアレイ状に配置された本実施の形態の赤外線固体撮像装置の構成を示した図である。図１９（ａ）および図１９（ｂ）はそれぞれ、図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示したソース接地回路を用いたときの構成を示す。ただし、図１９では、各画素においてスイッチ素子７０７が追加されている。通常スイッチ素子７０７としてダイオードを用いるが、トランジスタ、サイリスタなどの他のデバイスであってもよい。スイッチ素子７０７を検出部５０４上に配置してもよい。図１８では２画素×２画素アレイの場合を示したが、これ以外のアレイサイズも可能であることは言うまでもない。
【００９１】
信号処理回路５０９が特定の一行を選択して、その行にある全てのスイッチ素子７０７がスイッチオンして、通電する。このとき、選択されていない残りの行では、スイッチ素子７０７がスイッチオフするので、通電しない。信号処理回路５０９を経由して、負荷７０４と電界効果トランジスタ６０１の中点の出力を外部へ出力する。選択行の各画素の出力信号を順次読み出し、選択行を逐次変更することによって、アレイ内の全画素の出力信号を順次読み出し、被写体の温度分布を電気信号の分布として取得することができる。この電気信号の分布をカメラで画像に変換して、モニタに写し出す。
【００９２】
以上のように、図１９に示した本実施の形態の赤外線固体撮像装置において、温度検出に用いるソース接地増幅回路では、線形領域または飽和領域で動作する、従来の電界効果トランジスタを有するソース接地増幅回路（図４（ｃ）参照）と異なり、電界効果トランジスタのソース-ドレイン間電流が温度に対してほぼ線形に変化し、かつ、出力電圧の温度変化が該ゲート-ソース間電圧に対して極大点をもつ。よって、信号読み出しが容易であり、かつ、出力電圧の温度変化を大きくすることができる。その結果、従来よりも信号処理回路５０９の構成が簡単で、かつ、温度検出感度が高い赤外線固体撮像装置を提供することができる。また、本実施の形態では、画素毎に付加回路７０８を設け、これにより電界効果トランジスタ６０１におけるゲート-ソース間電圧を画素毎に設定している。つまり、従来のようにアレイ内全ての電界効果トランジスタ６０１におけるゲート-ソース間電圧を一律に設定するのではなく、画素ごとに設定している。そのため、電界効果トランジスタ６０１のしきい値電圧のばらつきによる、温度検出感度のばらつきを抑制することができる。その結果、温度検出感度のばらつきが小さい赤外線固体撮像装置を提供することができる。
【００９３】
なお、本実施の形態では、図１９のように負荷７０４を列ごとに設置する場合を示したが、実施の形態１で示したのと同様に、負荷７０４をひとつにまとめてもよい。
【００９４】
また、本実施の形態における赤外線固体撮像装置は、実施の形態１において図１３を参照して説明した方法と同様の方法で製造できる。
【００９５】
（変形例）
上記の実施の形態１〜４における赤外線固体撮像装置において、図２０に示すように、赤外線吸収量を増大させるための傘構造５０７がなくてもよい。その場合であっても、同様の効果が得られることは、言うまでもない。傘構造５０７が無い場合、図１３に示した赤外線固体撮像装置の製造方法において、図１３（ｆ）で、エッチング孔５０８を開口するが、犠牲層３０８を堆積せず、傘構造５０７を形成しない。さらに、図１３（ｇ）は図２０で読み替えられる。
【００９６】
また、実施の形態１〜４では、電界効果トランジスタ６０１がＭＯＳＦＥＴである場合を示したが、ＪＦＥＴ（Junction FET）、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor FET）についても同様の議論が成り立つことは言うまでもない。
【００９７】
また、実施の形態１〜４における赤外線固体撮像装置は、図２および図３のように、非冷却型の赤外線固体撮像装置などのMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスで用いられる中空構造の場合を示したが、通常の半導体装置で用いられる非中空構造の場合にも適用できることは、言うまでもない。非中空構造の場合、中空構造の場合に比べて温度感度は劣る。
【００９８】
さらに、実施の形態１〜４における赤外線固体撮像装置において、負荷に加わる電圧（すなわちIds×R）を大きくすることで、式（８）及び式（９）より、温度感度が向上することは言うまでもない。また、ｄβ／ｄＴおよびｄＶth／ｄＴは共に負であるから、電界効果トランジスタの利得定数βを小さくすることで、温度感度を向上できる。これらのことは式（８）及び式（９）から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】発明の実施の形態１における赤外線固体撮像装置の斜視図である。
【図２】発明の実施の形態１における赤外線固体撮像装置の検出器の平面図である。
【図３】発明の実施の形態１における赤外線固体撮像装置の検出器の断面図である。
【図４】（ａ）実施の形態１の赤外線固体撮像装置におけるソース接地増幅回路の回路図、（ｂ）実施の形態１における赤外線固体撮像装置のソース接地増幅回路（別の例）の回路図、及び（ｃ）従来の赤外線固体撮像装置のソース接地増幅回路の回路図である。
【図５】実施の形態１におけるソース接地増幅回路の出力電圧の温度特性を示す図である（（ａ）負荷が抵抗素子の場合、（ｂ）負荷が理想的な低電流源の場合、（ｃ）負荷が現実の低電流源の場合）。
【図６】本発明の実施の形態１における、電界効果トランジスタがアレイ状に配置された赤外線固体撮像装置の構成図
【図７】本発明の実施の形態１における、電界効果トランジスタがアレイ状に配置された赤外線固体撮像装置の別の構成例を説明した図
【図８】感熱体である電界効果トランジスタのゲート−ソース間電圧を供給するための回路を説明した図（例１）
【図９】感熱体である電界効果トランジスタのゲート−ソース間電圧を供給するための回路を説明した図（例２）
【図１０】感熱体である電界効果トランジスタのゲート−ソース間電圧を供給するための回路を説明した図（例３）
【図１１】感熱体である電界効果トランジスタのゲート−ソース間電圧を供給するための回路を説明した図（例４）
【図１２Ａ】電界効果トランジスタのゲート−ドレイン間に接続される付加回路の例を示した図
【図１２Ｂ】電界効果トランジスタのゲート−ドレイン間に接続される付加回路の例を示した図
【図１３】本発明の実施の形態における赤外線センサの製造工程を説明した図である。
【図１４】本発明の実施の形態２の赤外線固体撮像装置におけるソース接地増幅回路の回路図
【図１５】本発明の実施の形態２における、電界効果トランジスタがアレイ状に配置された赤外線固体撮像装置の構成図
【図１６】本発明の実施の形態３の赤外線固体撮像装置におけるソース接地増幅回路の回路図
【図１７】実施の形態３における、電界効果トランジスタがアレイ状に配置された赤外線固体撮像装置の構成図
【図１８】本発明の実施の形態４の赤外線固体撮像装置におけるソース接地増幅回路の回路図
【図１９】実施の形態４における、電界効果トランジスタがアレイ状に配置された赤外線固体撮像装置の構成図
【図２０】実施の形態１〜４における傘構造がない赤外線固体撮像装置の断面図である。
【符号の説明】
【０１００】
５０，５２，５４  ソース接地増幅回路、２００  感熱体、３００  赤外線固体撮像装置、３０１  基板、３０２  垂直信号線、３０３  水平信号線、３０４  配線層、３０５  分離酸化膜、３０６  絶縁膜、３０７  保護膜、３０８  犠牲層、４００  シリコン支持基板、４０１  シリコン酸化膜層、４０２  シリコン層、５０２  検出器アレイ、５０３  検出器、５０４  検出部、５０５  支持脚、５０６  凹部、５０７  傘構造、５０８  エッチング孔、５０９  信号処理回路、６０１  電界効果トランジスタ、６０２  降圧回路、６０３  バッファ、７０４  負荷、７０５  スイッチ、７０６  電気容量  ７０７  スイッチ素子  ７０８  付加回路
【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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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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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