(57)【要約】      （修正有）【課題】異なる波長の電磁波用のセンサを同じ半導体基板上にセットし、高感度で電磁波検出を行なう。【解決手段】センシング部２０と、センシング部２０へ電荷を供給する電荷供給部１６と、センシング部２０と電荷供給部１６との間に形成される電荷供給調節部ＩＣＧ２と、センシング部２０からの電荷を蓄積する電荷蓄積部１７と、センシング部２０と電荷蓄積部１７の間の電荷転送調節部ＴＧ１と、電荷蓄積部１７の電荷に対応しる出力部２１とを備え、第１のセットと第２のセットが同一半導体基板上に形成され、第１のセットのセンシング部２０は第１の電磁波を受けて第１の電磁波の強さに応じた電荷を発生し、第１の電磁波と異なる波長の第２の電磁波を受けて該第２の電磁波の強さに応じて出力する電磁波感応素子が第２のセットに対応して半導体基板上にマウントされ、第２のセットのセンシング部は電磁波感応素子１３０の力に応じてポテンシャルを変化させる。【選択図】図２
2012013475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センシング部と、
前記センシング部へ電荷を供給する電荷供給部と、
前記センシング部と前記電荷供給部との間に形成される電荷供給調節部と、
前記センシング部から転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記センシング部と前記電荷蓄積部との間に形成される電荷転送調節部と、
前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に対応する出力を生成する出力部と、を備えてなる、第１のセット及び第２のセットが同一の半導体基板上に形成され、
前記第１のセットの前記センシング部は第１の電磁波を受けて該第１の電磁波の強さに応じた前記電荷を発生し、
前記第１の電磁波と異なる波長の第２の電磁波を受けて該第２の電磁波の強さに応じた出力を発生させる電磁波感応素子が前記第２のセットに対応して前記半導体基板上にマウントされ、前記第２のセットのセンシング部は該電磁波感応素子の出力に応じてそのポテンシャルを変化させる、ことを特徴とする複数の電磁波を検出する複合検出装置。
【請求項２】
前記第２のセットにおける前記電荷供給調節部の電位を調整し、前記電磁波感応素子の出力がゼロのとき、前記センシング部から前記電荷蓄積部へ転送される電荷量を所定量に調節する、ことを特徴とする請求項１に記載の複合検出装置。
【請求項３】
前記第１の電磁波は可視光線であり、前記第２の電磁波は紫外線である、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の複合検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は複合検出装置に関する。更に詳しくは、波長の異なる複数種類の電磁波（例えば可視光線と紫外線）を同時に検出可能とする複合検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イメージングを伴う火災センサにおいては、通常時のイメージと火災発生時のイメージとの差分をとることで火災の発生を感知できる。火災時には紫外線を伴う火炎が発生することがあり、この火炎のイメージは可視光線のみを検出するセンサからは得られない。
他方、紫外線センサのみで火災センサを構成すると、通常時のイメージを形成することが困難である。
そこで、紫外線を検出可能なセンサを可視光線用センサと併用することが望まれる。
可視光センサとしてはＣＣＤカメラを始め各種のセンサが提案されている。また、紫外線用センサとしてはＡｌＧａＮ、ＺｎＯやダイヤモンド等のワイドギャップ半導体（フォトダイオード）を用いるものが提案されている。非特許文献１にはＧａＮ系の紫外線アレイセンサを既存のＣＭＯSの読み出し回路にフリップチップ技術を用いて接合することが開示されている。
本発明に関連する技術を開示する文献として非特許文献１及び非特許文献２も参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＷＯ  ２００９／０８１８９０  Ａ１
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Opto-electronics Review 10(4), 251-260(2002)
【非特許文献２】Abstract book of 2nd International Symposium on Advanced Plasma Science and its Application for Nitrides and Nanomaterials, p.108  （March 7-10, 2010, Nagoya）10a-B06OB
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
火災センサには小型化及び軽量化の要請があるところ、可視光センサと紫外線センサとをワンチップ化したものは提供されていない。
照明器具としての蛍光灯からは微量の紫外線が放出されているので、かかるバックグランドとしての紫外線の影響を排除する見地から紫外線センサには高い感度が要求される。
フォトダイオードを用いて紫外線等の電磁波を検出するシステムでは、光を受けたフォトダイオードの発生する電流を増幅してこれを検出している。従って、電流が流れることに起因する雑音の問題を内包している。換言すれば高い感度での検出が困難である。
勿論、外部に電流増幅器を接続することにより検出感度の向上を図ることができるが、装置が大型化するので製造コストの観点から好ましくない。また、外部電流増幅器は可視光センサと紫外線センサとをワンチップ上にマウントする上でも制約となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねてきたところ、いわゆるフローティングディフュージョンの技術を利用して雑音を除去することに気がついた。フローティングディフュージョンの技術を利用した可視光線の検出も確立されているので（特許文献１参照）、この可視光線用のデバイス構造を紫外線用フォトダイオードの出力検出にそのまま利用できれば、装置の簡素化及びコンパクト化の要請を満足できる。
【０００７】
この発明の第１の局面は、本発明者の上記知見を敷衍したものであり、次のように規定される。
センシング部と、
前記センシング部へ電荷を供給する電荷供給部と、
前記センシング部と前記電荷供給部との間に形成される電荷供給調節部と、
前記センシング部から転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
前記センシング部と前記電荷蓄積部との間に形成される電荷転送調節部と、
前記電荷蓄積部に蓄積された電荷に対応する出力を生成する出力部と、を備えてなる、第１のセット及び第２のセットが同一の半導体基板上に形成され、
前記第１のセットの前記センシング部は第１の電磁波を受けて該第１の電磁波の強さに応じた前記電荷を発生し、
前記第１の電磁波と異なる波長の第２の電磁波を受けて該第２の電磁波の強さに応じた出力を発生させる電磁波感応素子が前記第２のセットに対応して前記半導体基板上にマウントされ、前記第２のセットのセンシング部は該電磁波感応素子での出力に応じてそのポテンシャルを変化させる、ことを特徴とする複数の電磁波を検出する複合検出装置。
【０００８】
このように構成される第１の局面の複合検出装置において、第１のセットはいわゆるフローティングディフュージョン技術を利用した光検出装置として、そのセンシング部を例えば透明材料で被覆することにより可視光が検出可能である。
その第２のセットはいわゆる物理・化学現象測定装置としてセンシング部の環境変化を電荷量に変換してその変化を特定する。ここに、電磁波感応素子の発生する出力（第２の電磁波の強さに対応して発生した電荷による電位）を検出対象物理量とすれば、電磁波感応素子の出力をセンシング部のポテンシャル変化に変換し、もってフローティングディフュージョン技術を利用して、何ら電流を伴うことなく、高感度に当該電磁波感応素子の出力を特定できる。
ここに、第１のセット、第２のセット及び電磁波感応素子を同一の半導体基板上に配置することにより、異なる波長の電磁波のセンサをワンチップ上にまとめることができる。
更には、第１のセット及び第２のセットの構成を同じくすることにより、装置の簡素化及びコンパクト化を達成できる。
【０００９】
第１の電磁波と第２の電磁波は任意に選択可能であるが、第１のセットは第１の電磁波を直接測定するので、そのセンシング部を構成する半導体基板の特性に依存する。シリコンで基板を形成するときは第１の電磁波として可視光線から近赤外線領域を選択することが好ましい。
これに対し、電磁波感応素子はそのバンドギャップを調整することにより任意の波長の電磁波に対応可能である。
この発明の複合検出装置を火災センサとして利用するときには、第１の電磁波として可視光線を採用し、第２の電磁波として紫外線を採用することが好ましい。
【００１０】
第１のセットにおいてはそのセンシング部のポテンシャルを固定し、センシング部を構成する電荷井戸が電荷で満杯に充填された状態にし、第１の電磁波を受けたときに生成する電荷をセンシング部から電荷蓄積部へ転送し、転送された電荷量から第１の電磁波の強さを特定することができる。また、センシング部に対応する電荷井戸の電荷を空にしておいて、第１の電磁波を受けたときに蓄積される電荷を読み出してもよい。
これに対し、第２のセットでは、センシング部に印加される電磁波感応素子の出力（電荷量）に応じてセンシング部のポテンシャルが変化する。電磁波感応素子の出力がゼロ（第２の電磁波の強さがゼロ、電磁波感応素子のシャッタが閉められた状態に対応）のときのポテンシャルＰ０と電磁波感応素子が何らかの出力（第１の出力、検出された第２の電磁波の第１の強さの対応）のときのポテンシャルＰ１との差分から電荷蓄積部へ転送される電荷量が特定される。電荷蓄積部へ蓄積された電荷量を任意の方法で電圧に変換し、もって電磁波感応素子の出力（即ち、第２の電磁波の強さ）を特定する。
【００１１】
第２のセットのセンシング部には電磁波感応素子の出力変化と電荷移動量の変化（センシング部に蓄積される電荷量の変化）との間に図１の関係がある。高感度の測定を実行するには、図１の関係において、傾斜の大きい領域を用いる必要があり、そのためには、当該領域において下側の部分に電磁波感応素子がシャッタ状態時の移動電荷量をセットすることが好ましい。
センシング部の特性は温度等の関係で経時変化するおそれがあるので、電磁波感応素子の出力とセンシング部のポテンシャルとの関係も変化するおそれがある。例えば、電磁波感応素子がシャッタ状態のポテンシャルＰ０の位置が設定値より深くなると、センシング部に蓄積される電荷量が大きくなる。その結果、図１の関係において大傾斜領域の上側の部分が利用されることとなり、感度低下と測定範囲の減縮をまねきかねない。
【００１２】
センシング部に蓄積される電荷量はセンシング部のポテンシャルと電荷転送調節部のポテンシャルとの差により規定される。そこで、この発明の第２の局面では、電荷転送調節部の電位（即ち、そのポテンシャル）を調整することにより、センシング部のポテンシャルが変化しても、センシング部に蓄積される電荷量を常に好適な量に調整することとした。例えば、電磁波感応素子がシャッタ状態のポテンシャルＰ０の位置が設定値より深くなったときには、電荷転送調節部の電位を調節してそのポテンシャルを下げ、もってセンシング部に蓄積される電荷量を調節し、その量が常に図１の関係において大傾斜部分の下側領域に位置するようにする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電磁波感応素子の出力と電荷量との関係を示す特性図である。
【図２】この発明の実施の形態の複合検出装置の構成を示す模式図である。
【図３】紫外線検出部の等価回路を示す。
【図４】紫外線検出部の出力特性をしめすチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明の実施の形態を説明する。
図２は実施の形態の複合検出装置１の構成を示す模式図である。
この複合検出装置１は可視光検出部１０と紫外線検出部１００とを備える。図中の符号３はシリコン基板であり、このシリコン基板３の表面に可視光検出部１０と紫外線検出部１００とが作り込まれている。なお、可視光検出部１０と紫外線検出部１００とはフォローティングディフュージョン（以下、「ＦＤ」と省略することがある）技術を利用した電荷読み出し装置（第１のセット１１及び第２のセット１１１）を備える。両者において同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。同一の要素を採用することにより、製造工数の削減及び装置の簡素化を達成できる。
図中の符号５はレンズである。
【００１５】
（可視光検出部１０）
まず、可視光検出部１０について説明する。
この可視光検出部１０は、可視光測定装置として例えば特許文献１で紹介されているような第１のセット１１から構成される。
第１のセット１１はＭＯＳ構造を備える。シリコン基板３の表面にｐウェル１５が形成され、ｐウェル１５中にｎ+領域１６、１７及び１８が更に形成される。ｐ型、ｎ型の導電型を調整するには汎用的な方法によりそれぞれの不純物を基板３に対してドープする。
第１のｎ+領域１６は電荷供給部であり、この電荷供給部１６には電荷供給電極ＩＤ１が接続される。第２のｎ+領域１７は電荷蓄積部であり、この電荷蓄積部１７にはＦＤ電極ＦＤ１が接続され、ＦＤ電極ＦＤ１は出力回路２１に接続される。この出力回路２１は基板３のｎ領域に形成されて、第１のセット１１とあわせてＣＭＯＳ構造を構成する。出力回路２１は、電荷蓄積部１７に蓄積される電荷量変化にともなる容量変化を電圧信号に変換して出力する。第３のｎ+領域１８はドレイン部であり、リセットゲートＲＧ１を介して電荷蓄積部１７に蓄積された電荷を転送し、電荷を外部へ放出する。そのためのアース電極も基板３のｎ領域に形成されている。
【００１６】
センシング部２０の表面には酸化シリコンからなる絶縁膜２１が積層され、さらにその上に直接窒化シリコンからなる透光性の保護膜２３が積層されている。センシング２０を構成するｐウェルの表面にはｎ型の薄い埋め込みチャネル領域を形成することが好ましい。
このように構成された可視光検出部１０によれば、レンズ５を通して入射された光のうち、可視光成分の強さに応じてセンシング部２０に電荷(電子)が発生し、その電荷がＴＧ１を介して電荷蓄積部１７へ転送され、出力回路２１に読みだされて電圧信号として出力される。
【００１７】
（紫外線検出部１００）
紫外線検検出部１００は第２のセット１１１と紫外線感応素子１３０とを備えてなる。
第２のセット１１１は、センシング電極１２５を除き、第１のセット１１と同一の構成である。図例上、同一の要素には同一の参照番号を付している。なお、電極に関してはＩＤ１とＩＤ２、ＩＣＧ１とＩＣＧ２、ＴＧ１とＴＧ２、ＦＤ１とＦＤ２、ＲＧ１とＲＧ２とは同一の構造である。
センシング電極１２５は第２のセット１１１のセンシング部２０を構成する保護膜２３の全表面を被覆し、センシング部２０へ可視光が届かないようにすることが好ましい。なお、保護膜２３は省略可能である。
【００１８】
紫外線感応素子１３０にはIII族窒化物系化合物半導体からなるフォトダイオードを用いた。この素子１３０を、図２に示すように、フリップチップ形式に基板３にマウントする。即ち、素子１３０のｎ型電極がｐウェル１１５にバンプ１３１で接続され、そのｐ型電極がｎ領域１１６にバンプ１３３で接続される。ｎ領域１１６は第２のセット１１１のセンシング電極１２５に接続される。
図３には紫外線検出部１００の等価回路を示す。
【００１９】
レンズ５を通して光を受けた紫外線感応素子１３０は受光光に含まれる紫外線成分に応じた電荷を発生させ、その電荷量に応じた電位が領域１１６を介してセンシング電極１２５に生じる。
センシング電極１２５の電位に応じ、第２のセット１１１のセンシング部２０のポテンシャルが変化する。このポテンシャルの変化をフローティングディフュージョンの技術により電荷蓄積部１７に蓄積される電荷量に変換し、更に出力回路２１により出力信号とする。
即ち、ゲート電極ＴＧ２の電位を調節してセンシング部２０から電荷蓄積部１７への電荷の転送を禁止した状態で、電荷供給調節部ＩＣＧ２の電位を調節して電荷供給部１６より電荷をセンシング部２０へ注入する。その後、電荷供給部１６からの電荷供給を停止するとともに、電荷供給調整部ＩＣＧの電位を下げてセンシング部２０の電荷をすり切る。これのより、センシング部２０にはそのポテンシャル深さに応じた電荷が蓄積される。次に、ゲート電極ＴＧ２の電位を上げてセンシング部２０に蓄積された電荷を電荷蓄積部１７へ転送してその電荷量を出力回路２１で読み出す。
【００２０】
図４は紫外線検出部１００の出力結果を示す。
図４Ａはブランク（紫外線の照射なし）のときの出力（Ｖsig）を示し、図４Ｂは紫外線（波長：３２５ｎｍ）を５１０μＷ／ｃｍ３の強さで照射したときの出力（Ｖsig）を示す。
この結果より、紫外線検出部１００を用いることにより紫外線の検出が可能なことがわかる。
【００２１】
このように構成された可視光線検出部１０及び紫外線検出部１００をシリコン基板３上にマトリックス状に配置することにより、それぞれの出力に基づき、可視光のイメージ及び紫外光のイメージを同時に形成することが可能となる。
紫外線検出部１００において紫外線感応素子１３０の出力は電位であるので（電流を検出するものではない）、ノイズの影響を受け難く、高感度の検出が可能となる。
【００２２】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【符号の説明】
【００２３】
１    複合検出装置
３  半導体基板
１０  可視光検出部
１１  第１のセット
１６、ＩＤ１，ＩＤ２  電荷供給部
ＩＣＧ１，ＩＣＧ２  電荷供給調節部
１７，ＦＤ１，ＦＤ２  電荷蓄積部
２０  センシング部
ＴＧ１，ＴＧ２  電荷転送調節部
２１  出力回路
１３０  紫外線感応素子
【図１】
2012013475.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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