(57)【要約】【課題】所望の温度（例えば、室温付近）において、検知感度の高い熱型光センサおよび熱型光センサの作製方法を提供すること。【解決手段】本発明の一実施形態に係る熱型光センサは、互いに対向する、上部電極２３および下部電極２５との間に挟まれたＫＴＮ結晶膜２４と、上部電極２３と下部電極２５とに電気的に接続され、誘電率の変化を静電容量の変化として検出する容量検出部２６とを備える。【選択図】図１
2007248140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する、上部電極および下部電極との間に挟まれた誘電体結晶であって、所定の波長の光を吸収すると、温度が変化して誘電率が変化する誘電体結晶と、
前記上部電極と前記下部電極とに電気的に接続され、前記誘電率の変化を静電容量の変化として検出する容量検出手段とを備え、
前記誘電体結晶は、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）結晶もしくはＫｙＬｉ1-ｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）結晶であることを特徴とする熱型光センサ。
【請求項２】
前記所定の波長の光は、０．７μｍ〜１ｍｍの波長の光であることを特徴とする請求項１記載の熱型光センサ。
【請求項３】
前記下部電極は、半導体基板もしくは熱酸化膜付半導体基板上に形成されることを特徴とする請求項１または２記載の熱型光センサ。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の熱型光センサを備え、
前記誘電体結晶は、マトリックス状に配置された複数の画素セルを有していることを特徴とする熱型光２次元イメージセンサ。
【請求項５】
所定の波長の光を吸収すると、温度が変化して誘電率が変化する誘電体結晶を、下部電極上に液相エピタキシー法により形成する工程と、
前記誘電体結晶上に上部電極を形成する工程と、
前記誘電率の変化を静電容量の変化として検出する容量検出手段と、前記上部電極および前記下部電極とを電気的に接続する工程とを有し、
前記誘電体結晶は、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）結晶もしくはＫｙＬｉ1-ｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）結晶であることを特徴とする熱型光センサの作製方法。
【請求項６】
半導体基板もしくは熱酸化膜付半導体基板上に第１の電極が積層された第１の積層体と、所定の波長の光を吸収すると、温度が変化して誘電率が変化する誘電体結晶上に第２の電極が積層された第２の積層体とを用意する工程と、
前記第１の電極および前記第２の電極を接するようにして、前記第１の積層体と前記第２の積層体を貼り合わせる工程であって、前記張り合わせにより、前記第１の電極および前記第２の電極が下部電極となる工程と、
前記誘電体結晶の、前記第２の電極側と対向する面に、上部電極を形成する工程と、
前記誘電率の変化を静電容量の変化として検出する容量検出手段と、前記上部電極および前記下部電極とを電気的に接続する工程とを有し、
前記誘電体結晶は、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）結晶もしくはＫｙＬｉ1-ｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）結晶であることを特徴とする熱型光センサの作製方法。
【請求項７】
前記所定の波長の光は、０．７μｍ〜１ｍｍの波長の光であることを特徴とする請求項５または６記載の熱型光センサの作製方法。
【請求項８】
所定の波長の光を吸収すると、温度が変化して誘電率が変化する誘電体結晶を、下部電極上に液相エピタキシー法により形成する工程と、
前記誘電体結晶上にマスクを施してエッチングを行うことにより、前記誘電体結晶上にマトリックス状に配置された複数の画素セルを形成する工程と、
前記複数の画素セルを有する誘電体結晶上に上部電極を形成する工程と、
前記誘電率の変化を静電容量の変化として検出する容量検出手段と、前記上部電極および前記下部電極とを電気的に接続する工程とを有し、
前記誘電体結晶は、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）結晶もしくはＫｙＬｉ1-ｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）結晶であることを特徴とする熱型光２次元イメージセンサの作製方法。
【請求項９】
半導体基板もしくは熱酸化膜付半導体基板上に第１の電極が積層された第１の積層体と、所定の波長の光を吸収すると、温度が変化して誘電率が変化する誘電体結晶上に第２の電極が積層された第２の積層体とを用意する工程と、
前記第１の電極および前記第２の電極を接するようにして、前記第１の積層体と前記第２の積層体を貼り合わせる工程であって、前記張り合わせにより、前記第１の電極および前記第２の電極が下部電極となる工程と、
前記誘電体結晶の、前記第２の電極側と対向する面にマスクを施してエッチングを行うことにより、前記誘電体結晶上にマトリックス状に配置された複数の画素セルを形成する工程と、
前記複数の画素セルを有する誘電体結晶上に上部電極を形成する工程と、
前記誘電率の変化を静電容量の変化として検出する容量検出手段と、前記上部電極および前記下部電極とを電気的に接続する工程とを有し、
前記誘電体結晶は、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）結晶もしくはＫｙＬｉ1-ｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）結晶であることを特徴とする熱型光２次元イメージセンサの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱型光センサおよび熱型光センサの作製方法に関し、より詳細には、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３もしくはＫｙＬｉ1-ｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ３の組成を有する誘電体結晶を用いて、対象物体から放出される波長０．７μｍから１ｍｍの光強度を検出する熱型光センサおよび熱型光センサの作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線およびテラヘルツ波とはその波長の可視光線よりも長く、マイクロ波よりも短い電磁波の総称で、電磁波の波長範囲は０．７６μｍから１ｍｍ程度までであり、この波長を用いた光センサの需要は拡大を続けている。特に、室温の物体や人体からは１０μｍ付近の赤外線が輻射されており、これを測定することにより、これらの存在や温度分布といった情報が非接触で得られるため、セキュリティ用の侵入警戒器や自動扉などに応用されている。
【０００３】
このうち、デバイス別では、大別して、赤外線センサは、量子型、熱型にわけられる。量子型赤外線センサについては、検出感度が高く、応答速度が速いなどの特徴を持っている。しかし、量子型は高感度を有するものの冷却の必要性があるため、冷却機構を設ける必要があり、その分装置は大きくなってしまう。よって、量子型赤外線センサは携帯性に非常に劣る。
【０００４】
一方、熱型センサは、感度、応答速度は量子型に比べると低いけれども、冷却の必要がないため常温で使用でき携帯性に優れた特徴を有する。熱型センサは、主に、サーモパイル、パイロ、サーミスタ、ボロメータ、ゴーレイセルにわけられる。
【０００５】
サーモパイルは、熱起電力を利用したもので、無電源、機械強度大、直流応答、安価である長所を有するものの、応答性が比較的小さいという問題点を有する。パイロは、焦電効果を利用したもので、無電源、高速応答が可能、安価である特徴を有するものの振動影響が大きく、また、直流光不感応のためチョッパーが必要という問題点を有する。サーミスタは電気抵抗の温度変化を検出して、機械強度大、直流応答である特徴を有する。ゴーレイセルは、不活性ガスの熱膨張膜変位の光学検知のため感度が大きいものの非常に壊れやすい。
【０００６】
熱型センサの中でも、誘電率の温度依存性を検知する誘電ボロメータは、センサ感度が高い上に、チョッパーの必要がない等の優れた特徴を有しており、実用的見地から非常に注目されている。特に、パイロと比較してチョッパーが必要ないなどの優れた特徴を有しているため実用化が特に望まれている。誘電ボロメータの場合、室温付近での誘電率の温度変化が大きいことがセンサとして必要である。また、テラヘルツ波の検出にも有効である。
【０００７】
【非特許文献１】Hong Zhu, et al.“Application of Ferroelectric BST Thin Film Prepared by MOD for Uncooled Infrared Sensor of Dielectric Bolometer Mode”,Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan,Vol.120-E,No.12,(2000)554-558.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
例えば、非特許文献１に示されるように誘電体特性が比較的優れたＢＳＴ（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３）のスパッタ薄膜材料を用いた誘電ボロメータが報告されている。しかしながら、非特許文献１では、作製した膜について、完全に単結晶化せずグレイン化してしまうことは避けられず、単結晶と比べてその誘電特性は劣る。これは、誘電ボロメータの感度が向上しない原因となる。例えば、一般的に知られている事実として、スパッタ膜とバルク結晶とを比較すると、キュリー温度（Ｔｃ）での誘電率はバルク結晶の方が大きく、Ｔｃ付近の誘電率の温度依存性はバルク結晶の方が極めて大きい。
【０００９】
このように、非特許文献１では、誘電ボロメータに用いる誘電体材料は、スパッタ薄膜であり、その一部しか結晶にならない、すなわち、マイクロドメインが生じてしまい均一な結晶にならないので、誘電率の温度依存性が本来のものから小さくなってしまう。よって、感度の向上が見込めず、従来では、より良好な感度の誘電ボロメータが望まれていた。
【００１０】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、所望の温度（例えば、室温付近）において、検知感度の高い熱型光センサおよび熱型光センサの作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、互いに対向する、上部電極および下部電極との間に挟まれた誘電体結晶であって、所定の波長の光を吸収すると、温度が変化して誘電率が変化する誘電体結晶と、前記上部電極と前記下部電極とに電気的に接続され、前記誘電率の変化を静電容量の変化として検出する容量検出手段とを備え、前記誘電体結晶は、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）結晶もしくはＫｙＬｉ1-ｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）結晶であることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記所定の波長の光は、０．７μｍ〜１ｍｍの波長の光であることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記下部電極は、半導体基板もしくは熱酸化膜付半導体基板上に形成されることを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱型光センサを備え、
前記誘電体結晶は、マトリックス状に配置された複数の画素セルを有していることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明は、所定の波長の光を吸収すると、温度が変化して誘電率が変化する誘電体結晶を、下部電極上に液相エピタキシー法により形成する工程と、前記誘電体結晶上に上部電極を形成する工程と、前記誘電率の変化を静電容量の変化として検出する容量検出手段と、前記上部電極および前記下部電極とを電気的に接続する工程とを有し、前記誘電体結晶は、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）結晶もしくはＫｙＬｉ1-ｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）結晶であることを特徴とする。
【００１６】
請求項６記載の発明は、半導体基板もしくは熱酸化膜付半導体基板上に第１の電極が積層された第１の積層体と、所定の波長の光を吸収すると、温度が変化して誘電率が変化する誘電体結晶上に第２の電極が積層された第２の積層体とを用意する工程と、前記第１の電極および前記第２の電極を接するようにして、前記第１の積層体と前記第２の積層体を貼り合わせる工程であって、前記張り合わせにより、前記第１の電極および前記第２の電極が下部電極となる工程と、前記誘電体結晶の、前記第２の電極側と対向する面に、上部電極を形成する工程と、前記誘電率の変化を静電容量の変化として検出する容量検出手段と、前記上部電極および前記下部電極とを電気的に接続する工程とを有し、前記誘電体結晶は、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）結晶もしくはＫｙＬｉ1-ｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）結晶であることを特徴とする。
【００１７】
請求項７記載の発明は、請求項５または６記載の発明において、前記所定の波長の光は、０．７μｍ〜１ｍｍの波長の光であることを特徴とする。
【００１８】
請求項８記載の発明は、所定の波長の光を吸収すると、温度が変化して誘電率が変化する誘電体結晶を、下部電極上に液相エピタキシー法により形成する工程と、前記誘電体結晶上にマスクを施してエッチングを行うことにより、前記誘電体結晶上にマトリックス状に配置された複数の画素セルを形成する工程と、前記複数の画素セルを有する誘電体結晶上に上部電極を形成する工程と、前記誘電率の変化を静電容量の変化として検出する容量検出手段と、前記上部電極および前記下部電極とを電気的に接続する工程とを有し、前記誘電体結晶は、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）結晶もしくはＫｙＬｉ1-ｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）結晶であることを特徴とする。
【００１９】
請求項９記載の発明は、半導体基板もしくは熱酸化膜付半導体基板上に第１の電極が積層された第１の積層体と、所定の波長の光を吸収すると、温度が変化して誘電率が変化する誘電体結晶上に第２の電極が積層された第２の積層体とを用意する工程と、前記第１の電極および前記第２の電極を接するようにして、前記第１の積層体と前記第２の積層体を貼り合わせる工程であって、前記張り合わせにより、前記第１の電極および前記第２の電極が下部電極となる工程と、前記誘電体結晶の、前記第２の電極側と対向する面にマスクを施してエッチングを行うことにより、前記誘電体結晶上にマトリックス状に配置された複数の画素セルを形成する工程と、前記複数の画素セルを有する誘電体結晶上に上部電極を形成する工程と、前記誘電率の変化を静電容量の変化として検出する容量検出手段と、前記上部電極および前記下部電極とを電気的に接続する工程とを有し、前記誘電体結晶は、ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１）結晶もしくはＫｙＬｉ1-ｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）結晶であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、誘電率の温度依存性が極めて高いＫＴＮ結晶もしくはＫＬＴＮ結晶を用いることにより、高感度な熱型光センサやイメージングセンサを実現することが可能となる。また、検知方法として、チョッパーが不要なため、携帯性に優れたセンサを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。  
本発明の一実施形態に係る熱型光センサは、誘電率の温度依存性が大きい強誘電体結晶を備えることを特徴とする。すなわち、本発明の一実施形態では、誘電率の温度依存性において、その傾きの正負が所定の温度（例えば、相転移温度）で変わる、強誘電体結晶を用いている。例えば、所定の温度付近において、該所定の温度までは誘電率が増加し、所定の温度を超えると誘電率が減少するような材料である。この誘電率の温度変化は大きければおおきほど、すなわち、上記傾きは急峻なほど好ましい。
【００２２】
本発明の一実施形態では、熱型光センサを作製した際に、用いる強誘電体材料の誘電率の温度依存性（誘電特性とも呼ぶ）を、該強誘電体材料のバルク結晶に対する誘電特性と等しくすることが理想であり、上記バルク結晶に対する誘電特性になるべく近づけることが重要である。従来では、上述のように、スパッタ薄膜を用いているので完全に結晶化せずグレイン化してしまうことから、実際の（装置作製後の）誘電率の温度依存性は、材料本来の誘電率の温度依存性から低下してしまうが、本発明の一実施形態では、上述のように、装置作製後の強誘電体材料の誘電特性を、バルク結晶に対する誘電特性になるべく近づけるようにしているので、上記低下を抑えることができる。また、これに加えて、上述のように、誘電率の温度依存性がより大きい強誘電体材料を用いることが好ましいことは言うまでも無い。よって、検知感度を向上することができる。
【００２３】
なお、本発明の一実施形態では、センサに用いられる強誘電体が基板上に形成された際に、バルク結晶の誘電特性とほぼ同じにする、もしくはバルク結晶の誘電特性になるべく近づけることが重要であって、その形態は本質ではない。すなわち、薄膜であっても厚膜であっても、上記誘電特性が実現できればいずれであっても良い。
【００２４】
本発明の一実施形態では、このような強誘電体結晶として、ペロブスカイト構造を有するＫＴＮ（ＫＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１））もしくはＫＬＴＮ（ＫｙＬｉ1-ｙＴａ1-ｘＮｂｘＯ３（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１））結晶が好ましく用いられる。
【００２５】
これらは、強誘電体結晶の中でも、極めて優れた強誘電特性を示す。すなわち、強誘電相転移が、Ｔｃ付近で比較的広い温度範囲で、非常に高くかつ鋭い誘電ピークを有して発生する。そのＴｃは、Ｔａ／Ｎｂ比を変化させることにより約０Ｋから４００Ｋにおよぶ。よって、適当にＴａ／Ｎｂ比を選択すれば、Ｔｃを室温付近に設定することは可能であるため、室温付近でセンサ動作が可能となる。すなわち、Ｔａ／Ｎｂ比を制御することによってＴｃを所望の温度に設定することができるので、使いたい環境温度に応じてセンサの動作温度を設定することができる。
【００２６】
図１に、実際に作製されたＫＴａ0.63Ｎｂ0.37Ｏ3の誘電率の温度依存性を示す。２０℃付近にＴｃをもち、誘電率はこの温度にて極大となる。このグラフより約０℃から２０℃の温度範囲における（Δε／Ｔ）は平均して７５０Ｋ-1となる。従って、バイアスレベルを１Ｖ／１μｍであると仮定すれば、誘起される焦電係数Ｐ（Ｐ＝ε0・Ｅ・Δε／Ｔ）は、６６０ｎＣ／ｃｍ2Ｋに達する。この値は、ＬｉＴａＯ３の単結晶の焦電係数の最高値の８倍程度である。
【００２７】
本発明の一実施形態では、強誘電体結晶が所望の電磁波（例えば波長０．７μｍ〜１ｍｍの光（赤外線やテラヘルツ波））を吸収することにより強誘電体結晶の温度が変化し、該温度変化に応じた誘電率変化を静電容量変化として検出するわけだが、より検知感度を増すためには、温度変化に対する誘電率の変化率は大きければ大きい程（誘電率の温度依存性が大きければ大きい程）好ましい。このために、本発明の一実施形態では、誘電率の温度依存性が大きい材料であるＫＴＮもしくはＫＬＴＮが好ましく用いられるのである。すなわち、本発明の一実施形態においてＫＴＮもしくはＫＬＴＮを用いる目的のひとつは、その高い誘電率の温度依存性を利用して、より高精度に静電容量の検出を行うためである。
【００２８】
また、ＫＴＮもしくはＫＬＴＮを用いる別の目的は、熱型光センサを所望の温度、特に室温において動作可能にすることである。すなわち、ＫＴＮもしくはＫＬＴＮを用いれば、Ｔａ／Ｎｂ比を変えることによって室温付近にＴｃを設定することができるので、熱型光センサを室温付近において動作させることができるのである。そして、所望の動作温度に応じてＴａ／Ｎｂ比を制御してセンサを作製することにより、動作温度を広範囲に設定することができるので、動作温度の自由度を増すことができる。
【００２９】
さらに、ＫＴＮもしくはＫＬＴＮであれば、結晶、もしくはグレイン化などを抑えた結晶として熱型光センサに適用することができるので、本来有している、高い誘電率の温度依存性を損なうことなくセンサを動作することができるので、良好な検知感度を有する熱型光センサを実現することができる。
【００３０】
このように、本発明の一実施形態において、センサ部（温度センサ）に用いられる強誘電体結晶としてＫＴＮもしくはＫＬＴＮを用いることにより、検知感度を大きくすることができる。さらに、チョッパなどの部材を必要としないので、携帯性にも優れた熱型光センサを提供することができる。
【００３１】
また、本発明の一実施形態に係る熱型光センサは、さらなる高感度を実現するために、温度センサの光照射部の裏面を除去するために、シリコン基板に代表される半導体基板もしくは熱酸化膜付半導体基板を用いても良い。すなわち、上記半導体基板上もしくは熱酸化膜付半導体基板上に温度センサを設けるようにしても良い。温度センサに含まれるＫＴＮ結晶もしくはＫＬＴＮ結晶の厚さとしては、０．１μｍから１ｍｍが望ましい。
【００３２】
また、本発明の一実施形態では、ＫＴＮ結晶もしくはＫＬＴＮ結晶などの、本発明の一実施形態に係る強誘電体結晶を、ＬＰＥ膜や結晶張り合わせなどの方法により異種基板上に形成することにより、バルク結晶に近い優れた強誘電特性を利用することができる。
【００３３】
さらに、本発明の一実施形態では、叙述の熱型光センサを２次元アレイ状に配置して、同時に動作させることにより物体のイメージングを実現しても良い。
【００３４】
（第１の実施形態）  
以下に、本実施形態に係る液相エピタキシー（ＬＰＥ）により形成したＫＴＮ膜を用いた図２に示すような熱型光センサについて説明する。  
図２において、シリコン基板２１上に、熱酸化膜としてのシリコン酸化膜２２が形成されている。シリコン酸化膜２２上には、下部電極２３が形成されえおり、下部電極２３上には、強誘電体結晶薄膜としてのＫＴＮ結晶膜２４が形成されており、該ＫＴＮ結晶膜２４上には上部電極２５が形成されている。なお、本実施形態では、下部電極として白金電極を、また上部電極としてＴｉ／Ｐｔ電極を用いているがこれに限定されず、誘電ボロメータの下部電極および上部電極として一般に用いられる材料であればいずれであっても良い。
【００３５】
なお、本実施形態では、シリコン基板２１上に熱酸化膜としてのシリコン酸化膜２２が形成されているが、このシリコン酸化膜２２は形成しなくても良い。この場合は、シリコン基板２１上に下部電極２３が形成されることになる。
【００３６】
本実施形態では、下部電極２３、ＫＴＮ結晶膜２４、および上部電極２５の積層体が光検出容量部となる。
【００３７】
シリコン基板２１における、光検出容量部の下方部には、開口部２０が形成されている。図２では、開口部２０は、シリコン酸化膜２２が露出するように形成されているが、シリコン酸化膜２２が露出しないように形成しても良い。すなわち、開口部２０の底部からシリコン酸化膜２２が露出しても良いし、開口部２０の底部とシリコン酸化膜２２との間に所定の厚さのシリコン基板２１が残るようにしても良い。
【００３８】
また、光検出容量部に隣接して、電圧印加部と検出用トランジスタとを有する電気回路部としての容量検出部２６が形成されており、光検出容量部に含まれる下部電極２３および上部電極２５と容量検出部２６とは、不図示の配線によって電気的に接続されている。この容量検出部２６は、図２のように、シリコン基板２１とは別個に形成しても良いし、シリコン基板２１上に形成しても良い。ＫＴＮ結晶膜２４は、光吸収により温度が変化し、誘電率が変化する。この誘電率の変化により光検出容量部の静電容量値も変化する。容量検出部２６は、この静電容量値の変化を検出して、上記光吸収された波長の光を検知する。
【００３９】
このような構成により、波長０．７μｍ〜１ｍｍの光を光検出容量部に含まれるＫＴＮ結晶膜２４が吸収すると、ＫＴＮ結晶膜２４の温度が変化し、該温度変化により誘電率が変化し、該誘電率の変化を容量検出部２６により静電容量の変化として検出する。該静電容量の変化の検出により、上記ＫＴＮ結晶膜２４にて吸収された波長の光を検知する。
【００４０】
以下で、本実施形態に係る熱型光センサの作製方法を説明する。  
まず、図３に示すように、約５０００Å程度の厚さの下部電極２３用白金を１ｍｍ厚みの２インチウェハサイズの、熱酸化膜つきシリコン基板２１（シリコン酸化膜２２が形成されたシリコン基板２１）上に蒸着などの方法により形成する。本実施形態では、Ｔａ（タンタル）／Ｎｂ（ニオブ）比＝２およびＫ（カリウム）／（Ｔａ＋Ｎｂ）比＝１に調整した組成比率を有する炭酸カリウム、酸化タンタル、酸化ニオブを攪拌混合したのち白金るつぼに入れ、約１２００℃に電気炉内にて加熱溶解する。この溶解塩に、上述した下部電極２３としての白金電極を形成した熱酸化膜つきシリコン基板２１を約１分間浸漬して、１．５μｍ厚のＫＴＮのＬＰＥ膜（ＫＴＮ結晶膜２４）を得る。すなわち、本実施形態では、ＫＴＮ結晶膜２４を、ＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：液相エピタキシー）により形成している。このＬＰＥ膜に関して、Ｘ線構造解析を用いてほぼバルクに近い回折パターンを確認し、結晶性がバルクに近いことを確認した。
【００４１】
次に、下部電極２３をひきだすため、ポリマなどでマスキングし、ドライエッチング法により一部のＫＴＮ結晶膜２４（ＬＰＥ膜）を取り除く。続いて、残ったシリコン基板２１上のＫＴＮ結晶膜２４に上部電極２５として図４に示すように、Ｔｉ／Ｐｔ電極を形成する。さらに、熱型光センサの感度を向上させるために、図５のように、センサ部を保護しながら、センサ部の裏側を異方性エッチングして除去して、開口部２０を形成する。続いて、電圧印加部と検出用トランジスタとを具備した電気回路部としての容量検出部２６を形成し、該容量検出部２６と、上述の熱型光センサ用の電極である下部電極２３および上部電極２５とを図６に示すようにワイヤーボンディング法により金属細線２７を用いて接続する。このようにして、図２に示す構造を有する熱型光センサを作製することができる。以上説明したように、ＬＰＥ法によりバルク結晶に誘電特性が極めて近いＫＴＮ膜を用いた高感度な熱型光センサを実現している。
【００４２】
（第２の実施形態）  
本実施形態に係る液相エピタキシー（ＬＰＥ）により形成したＫＬＴＮ膜を用いた熱型光センサについて説明する。なお、本実施形態では、第１の実施形態にて説明した熱型光センサと同様の構成であるので、その詳細な説明は省略する。本実施形態と第１の実施形態とで異なるのは、光検出容量部が有する強誘電体結晶が、ＫＴＮではなく、ＫＬＴＮである点である。
【００４３】
まず、下部電極２３用の白金を１ｍｍ厚みの２インチウェハサイズの熱酸化膜つきシリコン基板２１上に約５０００Å程度蒸着などの方法により形成する。Ｔａ（タンタル）／Ｎｂ（ニオブ）比＝２およびＫ（カリウム）／（Ｔａ＋Ｎｂ）比＝１、Ｌｉ／Ｋ比＝０．１に調整した組成比率を有する炭酸カリウム、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化リチウムを攪拌混合したのち白金るつぼに入れ、約１２００℃に電気炉内にて加熱溶解する。この溶解塩に、上述した下部電極２３としての白金電極を形成した熱酸化膜つきシリコン基板２１を約１分間浸漬して、１．５μｍ厚のＫＬＴＮのＬＰＥ膜（ＫＴＮ結晶膜２４に相当）を得る。続いて、第１の実施形態と同様の手法にて、電圧印加部と検出用トランジスタを具備した容量検出部２６を形成して、本実施形態に係るＫＬＴＮ膜を用いた高感度な熱型光センサを実現している。
【００４４】
（第３の実施形態）  
以下に、本実施形態に係る、張り合わせにより形成したＫＴＮ膜を用いた熱型光センサについて説明する。第１および第２の実施形態では、ＫＴＮ結晶膜やＫＬＴＮ結晶膜を、下部電極上にＬＰＥ法により直接形成している。これに対して、本実施形態では、シリコン基板２１上にＫＴＮ結晶膜やＫＬＴＮ結晶膜を直接形成するのではなく、別個に作製されたＫＴＮ結晶膜やＫＬＴＮ結晶膜を、シリコン基板２１上に設けている。
【００４５】
まず、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、３０μｍ厚程度の電極２３ａ、２３ｂ用の金ないしは白金を、各々１ｍｍ厚の熱酸化膜つきシリコン基板２１（シリコン酸化膜２２が形成されたシリコン基板２１）上および１ｍｍ厚のＴｃ＝４０℃を有するＫＴＮ結晶膜（ＫＴＮ−１）２４ａ上に蒸着法ないしはスパッタ法により形成する。このようにして、シリコン基板２１、シリコン酸化膜２２、電極２３ａが積層された第１の積層体（図７（ａ））、および、ＫＴＮ結晶膜（ＫＴＮ−１）２４ａ、電極２３ｂが積層された第２の積層体（図７（ｂ））が得られる。なお、ＫＴＮ結晶膜（ＫＴＮ−１）２４ａは、通常のＫＴＮの作製方法によって作製すれば良い。
【００４６】
この電極２３ａおよび電極２３ｂは、後述するように、後に下部電極２３となる。よって、電極２３ａと電極２３ｂとは同じ材料を用いるのが好ましいが、異なる材料を用いても良い。すなわち、本実施形態で重要なことは、センサの完成時に、ＫＴＮ結晶膜２４が静電容量を持つようＫＴＮ結晶膜２４を挟むように電極を設けることであり、これを実現できるのであれば、電極２３ａと電極２３ｂとは異なる材料であっても良いのである。
【００４７】
続いて、研磨により、鏡面に近い平面まで電極２３ａおよび２３ｂを研磨する。さらに、図８に示すように、第１の積層体および第２の積層体を、電極２３ａと電極２３ｂとを貼り合わせるようにして密着し、加熱処理をして、第１の積層体と第２の積層体とを貼り合わせる。この加熱処理によって、電極２３ａと電極２３ｂとは一体となり、下部電極２３となる。
【００４８】
続いて、図９に示すように、シリコン基板上にはりあわされたＫＴＮ結晶膜（ＫＴＮ−１）２４ａを、約１．５μｍ厚まで研磨する。これにより、ＫＴＮ結晶膜（ＫＴＮ−１）２４ａは、図２に示したＫＴＮ結晶膜２４となる。さらに、第１の実施形態と同様の手法にて、電圧印加部と検出用トランジスタを具備した容量検出部２４を形成して、高感度な熱型光センサを作製する。
【００４９】
本実施形態では、第１および第２の実施形態と異なり、高温プロセスが必要とされていないので、簡易で安価の方法で熱型光センサを実現できる。
【００５０】
（第４の実施形態）  
本実施形態に係る張り合わせにより形成したＫＬＴＮ膜を用いた熱型光センサについて説明する。なお、本実施形態では、第３の実施形態にて説明した方法と同様の方法であるので、その詳細な説明は省略する。本実施形態と第３の実施形態とで異なるのは、光検出容量部が有する強誘電体結晶が、ＫＴＮではなく、ＫＬＴＮである点である。
【００５１】
まず、第３の実施形態と同様に、３０μｍ厚程度の電極２３ａ、２３ｂ用の金ないしは白金を、１ｍｍ厚の熱酸化膜つきシリコン基板２１（シリコン酸化膜２２が形成されたシリコン２１）基板上および１ｍｍ厚のＴｃ＝４０℃を有するＫＬＴＮ結晶（ＫＬＴＮ−１）に形成する。このようにして、シリコン基板２１、シリコン酸化膜２２、電極２３ａが積層された第１の積層体、および、ＫＬＴＮ結晶膜（ＫＬＴＮ−１）、電極２３ｂが積層された第２の積層体が得られる。
【００５２】
続いて、研磨により、鏡面に近い平面まで電極２３ａ、２３ｂを研磨する。さらに、電極２３ａと電極２３ｂとを貼り合わせるように密着して加熱処理して、第１の積層体と第２の積層体とを貼り合わせる。このとき、第３の実施形態と同様に、電極２３ａと２３ｂとは一体化して下部電極２３となる。続いて、ＫＬＴＮ結晶膜（ＫＴＬＮ−１）を、約１．５μｍ厚まで研磨する。続いて、第１の実施形態と同様の手法にて、電圧印加部と検出用トランジスタとを具備した容量検出部２６を形成して、ＫＬＴＮ膜を用いた高感度な熱型光センサを作製する。
【００５３】
（第５の実施形態）  
本実施形態では、第１〜第４の実施形態に示された熱型光センサを画素セルとし、２次元状に配列した２次元センサアレイを特徴とした２次元イメージセンサについて説明する。
【００５４】
まず、第１〜第４の実施形態に記載された方法で下部電極２３を具備した熱酸化膜つきシリコン基板２１上にＫＴＮ結晶膜２４（もしくはＫＬＴＮ結晶膜）を作製する。続いて、図１０に示すように、ＫＴＮ結晶膜２４上に、３０μｍ角の大きさで１０×１０画素数をマスキングし、ドライエッチング法により不必要な部分を取り除くことによって、ＫＴＮ結晶膜２４に対して２次元アレイ部を形成する。図１０において、符号１０１は画素セル、符号１０２はエッチングされたＫＴＮ結晶、符号１０３はシリコン酸化膜である。
【００５５】
さらに、２次元アレイ部が形成されたＫＴＮ結晶膜２４上に上部電極２５としてＴｉ／Ｐｔ電極を形成する。また、熱型光センサの感度を向上させるために、センサ部の裏側を異方性エッチングして除去して開口部２０を形成する。続いて、電圧印加部と検出用トランジスタとを具備した電気回路部としての容量検出部２６を形成し、該容量検出部２６と、上述の熱型光センサ用の電極である下部電極２３および上部電極２５とを電気的に接続する。このようにして、図１１のように２次元イメージセンサを作製する。なお、図１１において、符号１１７は、図１０にて説明した２次元アレイ部である。
【００５６】
以上説明してきたように本発明にかかる熱型光センサにより、室温動作で小型の熱型光イメージセンサが実現されることによりサーモグラフィーを得ることができる。これは、セキュリティ用侵入警戒、自動車の暗視野での運転補助、自動扉など広い範囲での応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の一実施形態に係る、ＫＴａ0.63Ｎｂ0.37Ｏ3の誘電率の温度依存性を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る、熱型光センサの構造を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る、酸化膜付シリコン基板に下部電極が形成されたことを示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る、酸化膜付シリコン基板に下部電極、ＫＴＮ−ＬＰＥ膜、上部電極が形成されたことを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る、電極引き出しのために一部のＫＴＮ−ＬＰＥ膜、および上部電極がドライエッチングにより除去されたことを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る、容量検出部に結線された熱型光センサの構造を示す図である。
【図７】（ａ）は、本発明の一実施形態に係る、下部電極が酸化膜付シリコン基板に形成されたことを示す図であり、（ｂ）は、上部電極がＫＴＮ結晶に形成されたことを示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る、下部電極付シリコン基板と上部電極付ＫＴＮ結晶とが張り合わされたことを示す図である。
【図９】図８記載のＫＴＮ結晶が研磨により薄層化されたことを示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る、２次元アレイ部を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る、２次元イメージセンサの構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
２０  開口部
２１  シリコン基板
２２  シリコン酸化膜
２３  下部電極
２４  ＫＴＮ結晶膜
２５  上部電極
２６  容量検出部
２７  金属細線
【図１】
2007248140.tif 000003
【図２】
2007248140.tif 000004
【図３】
2007248140.tif 000005
【図４】
2007248140.tif 000006
【図５】
2007248140.tif 000007
【図６】
2007248140.tif 000008
【図７】
2007248140.tif 000009
【図８】
2007248140.tif 000010
【図９】
2007248140.tif 000011
【図１０】
2007248140.tif 000012
【図１１】
2007248140.tif 000013