(57)【要約】【課題】熱型の赤外線検出素子において、中空構造を用いずに赤外線検出部から基板への熱伝導を抑制し、赤外線入射時に効率よく赤外線検出部を温度変化させることで、感度の向上を図る。【解決手段】基板１１と、基板上に形成され、空間部を内包する熱絶縁層１２と、熱絶縁層１２上に形成され、温度変化により赤外線を検出する熱型の赤外線検出層１４と、を備える構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成され、空間部を内包する熱絶縁層と、
前記熱絶縁層上に形成され、温度変化により赤外線を検出する熱型の赤外線検出層と、を備える
赤外線検出素子。
【請求項２】
前記熱絶縁層は、０．０１μｍ以上１μｍ以下の粒径の粒子より成る請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記熱絶縁層は、０．０１μｍ以上１μｍ以下の径からなる孔部を備える請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記赤外線検出層の上下に、第１の電極及び第２の電極を有する請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
前記赤外線検出層が、焦電材料より成る請求項４記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
前記第１の電極及び第２の電極のうち少なくともいずれかが、空間部を有する請求項４記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
前記第１の電極及び第２の電極のうち少なくともいずれかに設ける空間部の径が、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項６記載の赤外線検出素子。
【請求項８】
前記基板と前記第１の電極との間に、ＳｉＯ２もしくはＭｇＯからなる中間層が設けられる請求項５記載の赤外線検出素子。
【請求項９】
前記熱絶縁層は、前記基板側に近いほど空間部が大きい疎の状態とされ、前記赤外線検出層側に近いほど空間部が小さい密の状態とされる請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項１０】
前記熱絶縁層は、空間部の大きさの異なる２層以上として構成される請求項９記載の赤外線検出素子。
【請求項１１】
基板上に、前記熱絶縁層及び前記赤外線検出層を含む前記赤外線検出素子が複数形成され、
前記複数の赤外線検出素子の間が、少なくとも前記熱絶縁層の表面に至る深さの分離溝により区分される請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項１２】
複数の熱型の赤外線検出素子と、前記赤外線検出素子に赤外線を集光する集光部と、前記赤外線検出素子において赤外線照射によって生じる温度変化による出力を信号に変換して赤外線像を得る信号処理回路と、を備え、
前記赤外線検出素子は、
基板と、
前記基板上に形成され、空間部を内包する熱絶縁層と、
前記熱絶縁層上に形成され、温度変化により赤外線を検出する熱型の赤外線検出層と、を有する
赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を受光して検出する赤外線検出素子及び赤外線検出装置に関する。特に、温度変化により赤外線を検出する熱型の赤外線検出素子及び赤外線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を検出するセンサは、動作原理から大きく量子型と熱型と呼ばれる２種類に大別される。特に入射した赤外線を吸収し、受光素子の温度が変化することで赤外線を検知する熱型の赤外線検出素子は、冷却が不要であるという利点を有する。このため、近年では赤外線撮像装置(サーモグラフィ)のイメージャとしてや、エコ製品に搭載される人感センサとして利用されるようになってきている。
【０００３】
この熱型の赤外線検出素子は、対象物の表面から放射された赤外線を吸収し、赤外線検出層の温度を変化させる。この温度変化によって赤外線検出層の抵抗値が変化したり電荷が発生したりするため、これら抵抗値変化や発生した電荷を検出することで、センサとしての役割を果たしている。つまり、この赤外線検出層の温度変化が、センサとしての感度の向上に大きく関係している。このため熱型の赤外線検出素子においては、いかに効率よく赤外線を吸収するかという研究とともに、吸収したエネルギーをいかに赤外線検出層の温度変化に用いるかという研究がなされている。
【０００４】
例えば、下記の特許文献１に開示の赤外線センサでは、赤外線受光部と基板の間にブリッジ構造を設けることで、赤外線受光部を基板から離間させていわば空中に浮かぶ中空構造としている。この赤外線センサは、図１２に示すように、半導体基板１０１上に、平面が角形の薄板状とされた赤外線検出部１２１が中空構造で形成される。この例では、赤外線検出部１２１は、チタン膜とその上面を覆う窒化シリコン膜（図示省略）とから成り、これらチタン膜と窒化シリコン膜がそれぞれ、熱電変換層、赤外線吸収層（共に図示省略）として構成される。そしてその対角線上の角部から配線を兼ねるＬ字型に延在する支持部１２４が設けられ、その端部は半導体基板１０１上の電極１０１Ａ上に接続される。また赤外線検出部１２１の四隅及びＬ字型の支持部１２４の屈曲部１２４Ｃにはそれぞれ支柱１２５〜１２８が形成されて、赤外線検出部１２１が空隙部Ｍを介して半導体基板１０１上に支持される。この例では、中空構造とすることに加え、支持部１２４の熱コンダクタンスを低下させることで、熱が半導体基板１０１に逃げにくい構造としている。
【０００５】
また、特許文献２においては、図１３にその平面構成図、図１４に図１３のＡＡ’線上の断面構成図を示すように、シリコン基板２０６上に形成した赤外線検出部２１０の下部を凹状にエッチングすることで中空構造２０７を形成する構成が提案されている。この場合、赤外線検出部２１０は、埋め込みＳｉＯ２層２０９上に形成した単結晶Ｓｉ層２０８内のｐｎ接合により構成され、配線層２１７により信号が導出される。この例においても支持部２１１は空隙２１９により平面Ｌ字型とされ、赤外線検出部２１０の周囲に延在してシリコン基板２０６上に接続されるブリッジ構造とされる。この例では更に、支持部２１１の断面積を縮小することで、熱の逃げを抑制する構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３６０８２９８号公報
【特許文献２】特許第３７６３８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら上述した特許文献１及び２に開示の例では、両者とも熱伝導を抑制する目的で赤外線検出部と基板との距離を大きくするために、支持部をＬ字型として赤外線検出部の周囲に設けることで、その距離を確保している。このため、基板上に形成できる赤外線の受光面積が相対的に小さくなってしまうという課題がある。特に、赤外線検出部を１次元アレイ状又は２次元アレイ状に並べてイメージャを構成する場合は、画素同士の隙間に加え、赤外線検出部と支持部との隙間も必要となってしまうこととなる。赤外線像の画素数を上げて解像度を高める場合は画素サイズの微小化が必要であるが、画素サイズが小さくなればなるほど、赤外線検出部の面積に対する隙間の割合は大きくなり、検出の効率は下がってしまうという不都合も生じる。更に、このような中空構造の製造方法は、支持部を形成するプラズマエッチングに加え、赤外線検出部を浮かすための犠牲層の成膜と、その犠牲層を除去するウェットエッチングが必要となり、コストの増加に繋がるという問題もある。
【０００８】
上記課題に鑑みて本発明は、熱型の赤外線検出素子で赤外線検出を行うにあたり、中空構造を用いずに赤外線検出部から基板への熱伝導を抑制し、赤外線入射時に効率よく赤外線検出部を温度変化させることで、感度の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明による赤外線検出素子は、基板と、基板上に形成され、空間部を内包する熱絶縁層と、熱絶縁層上に形成され、温度変化により赤外線を検出する熱型の赤外線検出層と、を有する構成とする。
【００１０】
また、本発明による赤外線検出装置は、複数の熱型の赤外線検出素子と、これら赤外線検出素子に赤外線を集光する集光部と、赤外線検出素子において赤外線照射によって生じる温度変化による出力を信号に変換して赤外線像を得る信号処理回路と、を備える。そして、前記赤外線検出素子として、上述の本発明構成の赤外線検出素子を用いる構成とする。
【００１１】
上述したように、本発明の赤外線検出素子及びこれを用いた赤外線検出装置においては、基板と赤外線検出層との間に、空間部を内包する熱絶縁層を介在させる構成とする。このため、赤外線検出層から基板への熱伝導を低減化し、より高い感度で赤外線を検出することが可能となる。
【００１２】
このように空間部を内包する熱絶縁層としては、例えばナノサイズの粒子を充填して成る層や多孔質材料等が利用可能である。また、結晶成長条件を選定することによっても容易に適度な大きさの空間部を内包する熱絶縁層を形成することができる。更に、空間部の大きさや密度は、粒子の径や多孔質材料の選定、結晶成長条件を調整することなどにより精度良く制御することが可能である。また、より熱伝導率の低い材料より構成することで、空気に近い熱伝導率を実現できる。このため、前述の特許文献１及び２に記載された赤外線検出素子のように、赤外線検出層の下部に中空構造を設ける場合と同程度に熱伝導を抑制することが可能であり、中空構造とする場合と同程度に感度を高めることが可能である。
【００１３】
またこのように中空構造と同程度の熱伝導率を達成する一方で、その製造にあたっては、犠牲層や支柱構造の形成、犠牲層除去という工程を経る必要がない。したがって、従来と比べて製造工程が簡略化され、製造コストの低減化を図ることができる。
【００１４】
更に、中空構造とする場合のように、赤外線検出層の横方向に延在するブリッジ構造を設ける必要がない。このため、同面積の基板内における赤外線検出層の受光面積の割合を高めることができる。よって、この受光面積の割合の増加と、熱伝導の低減化との効果により、従来に比して感度を増大化することが可能である。特に、数百から数十万程度の赤外線検出素子を画素として配列して赤外線像を検出する場合に、画素を微小化しても基板上の受光面積の割合が従来よりも高いため、より感度のよい赤外線撮像装置を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の赤外線検出素子及び赤外線検出装置によれば、基板と赤外線検出層との間に空間部を内包する熱絶縁層を設けることによって、入射された赤外線から受け取った熱が基板へ逃げることを抑制し、赤外線の検出感度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る赤外線検出素子の概略断面構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る赤外線検出素子の第１の基本構成の概略断面構成図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る赤外線検出素子の第２の基本構成の概略断面構成図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る赤外線検出素子の第１の変形例の要部の概略断面構成図である。
【図５】図４に示す赤外線検出素子を用いた赤外線検出装置の概略平面構成図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る赤外線検出素子の第２の変形例の概略断面構成図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る赤外線検出素子の第３の変形例の概略断面構成図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る赤外線検出素子の第４の変形例の概略断面構成図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る赤外線検出素子の第５の変形例の概略断面構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る赤外線検出素子の第５の変形例の他の例の概略断面構成図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る赤外線検出装置の概略構成図である。
【図１２】従来の赤外線センサの斜視構成図である。
【図１３】従来の赤外線センサの他の例の平面構成図である。
【図１４】図１３に示す従来の赤外線センサのＡＡ’線上の断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態とする）の赤外線検出素子及び赤外線検出装置の例を説明する。ただし、本発明は以下に示す例に限定されるものではない。例えば、以下の例では赤外線検出装置として赤外線検出素子を２次元状に配列した撮像装置を例に挙げ説明するが、これに限定されず、赤外線検出素子を１次元状、または３次元状に積層する場合も含むものである。説明は下記の順序で行う。
１．赤外線検出素子の実施形態
（１）赤外線検出素子の基本構成
（１−１）赤外線検出素子の第１の基本構成（粒子より成る熱絶縁層を設ける構成）
（１−２）赤外線検出素子の第２の基本構成（孔部を有する熱絶縁層を設ける構成）
（２）赤外線検出素子の第１の変形例（赤外線検出層に隣接して電極を設ける構成）
（３）赤外線検出素子の第２の変形例（空間部を有する電極を設ける構成）
（４）赤外線検出素子の第３の変形例（中間層を設ける構成）
（５）赤外線検出素子の第４の変形例（熱絶縁層に空間部の大きさが異なる領域を設ける構成）
（６）赤外線検出素子の第５の変形例（素子分離構成）
２．赤外線検出装置の実施形態
【００１８】
［１．赤外線検出素子の実施形態］
（１）赤外線検出素子の基本構成
図１は、本発明の実施形態に係る熱型の赤外線検出素子の基本構成を示す断面図である。図１に示す赤外線検出素子１００は、基板１と、この上に形成される熱絶縁層２と、熱型の赤外線検出層５と、を有する構成である。そして熱絶縁層２は、多孔質や繊維質の材料、粒子等より構成することで、空間部２ａを内包することを特徴とする。赤外線検出層５に赤外線が入射したとき、そのエネルギーは赤外線検出層５にて吸収され、温度変化をもたらすが、その熱の一部は基板１に逃げてしまう。図１に示すように基板１と赤外線検出層５との間に空間部２ａを内包する熱絶縁層２を配することによって、このような熱の逃げを抑制することができるので、赤外線の検出感度を高めることができる。
【００１９】
ここで基板１の材料としては、例えばＳｉウェハや、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板、またＭｇＯ単結晶等の、赤外線検出層５の特性に影響を与えない材料であれば特に限定されない。また、赤外線検出層５としては、熱型の赤外線検出を行うものであれば特に限定されず、ゼーベック効果を生じさせる熱電対を接続したサーモパイル型や、温度上昇による抵抗値の変化を利用したマイクロボロメータ等の材料を利用可能である。また、焦電素子の自発分極の変化により、表面電荷を発生させる焦電型の材料も用いることができる。
【００２０】
一方、熱絶縁層２に用いる材料としては、熱伝導率の低い材料が適している。一般に、例えば単結晶シリコンの熱伝導率は約１５０［Ｗ／ｍ・Ｋ］、アルミニウムでは約２３８［Ｗ／ｍ・Ｋ］である。これに対し、温度３００［Ｋ］での空気は約０．０２［Ｗ／ｍ・Ｋ］と、非常に差が大きい。一方、比較的熱伝導率の低い材料としては、ＳｉＯ２（１．３５［Ｗ／ｍ・Ｋ］）やセラミック（１．４［Ｗ／ｍ・Ｋ］）等が挙げられる。
【００２１】
本実施形態では、熱絶縁層２に熱伝導率が１〜２［Ｗ／ｍ・Ｋ］と比較的低い材料を用い、且つ、空間部２ａを内包させることで、熱伝導率を約０．０３［Ｗ／ｍ・Ｋ］まで低く抑えることができる。これにより、基板１への熱の逃げを抑制できる。
【００２２】
このように、熱伝導率が１［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上２［Ｗ／ｍ・Ｋ］以下の材料を用いて空気の熱伝導率に近づけるには、熱絶縁層２の気孔率を５０％以上とすることが好ましい。ここで気孔率Ｐは、その物体の体積をＶ、真密度をｄ、質量をｍとすると、
Ｐ＝{１−ｍ／（Ｖ×ｄ）}×１００
として表すことができる。
【００２３】
なお、気孔率は高い程好ましいが、高すぎると強度を保持することができず、振動の原因となったり変形を生じたりする恐れがある。振動が発生するとノイズの増大化を招く原因となる。また、熱絶縁層２が変形するとこの上の赤外線検出層５の形状、特に表面平坦性に影響して、受光面積が変化してしまう恐れがある。複数の赤外線検出素子１００を並列して設けて赤外線像を検出する場合、一部の受光面積が変化すると素子間の特性のばらつきの原因となってしまう。このような不都合を避けるためには、熱絶縁層２の気孔率を９０％以下とすることが好ましく、７５％以下とすることがより好ましい。
【００２４】
なお、熱絶縁層２中の空間部の形状はばらつきがあってもよく、不定形であってもよい。次に、代表的な基本構成として、熱絶縁層２を粒子より成る構成とする場合と、孔部（ナノポア）を有する構成とする場合とを、それぞれ説明する。
【００２５】
（１−１）赤外線検出素子の第１の基本構成（粒子より成る熱絶縁層を設ける構成）
図２に示す赤外線検出素子１０は、基板１１上に、ナノサイズの粒子１２ｂを適度な密度で積層することで空間部１２ａを内包する熱絶縁層１２を設ける。そして、この上に赤外線検出層１５を設ける構成とする場合を示す。図２において、基板１１及び赤外線検出層１５は、図１に示す基板１及び赤外線検出層５と同様の材料より構成とし得る。熱絶縁層１２の粒子１２ｂの材料としては、セラミックやＳｉＯ２等が挙げられ、その他絶縁性で低熱伝導率の材料であれば特に限定されない。
【００２６】
粒子１２ｂの粒径は、０．０１μｍ以上１μｍ以下であればよい。ここで粒径とは、粒子１２ｂがほぼ球形の場合は直径とし、その他の形状の場合は外径の平均とする。粒径が０．０１μｍ未満であると空間部１２ａの大きさも０．０１μｍ未満となる領域が多くなり、十分な熱絶縁性を得ることが難しい。このため、粒径は０．０１μｍ以上とすることが好ましい。一方、粒径が１μｍを超えると、表面の凹凸が赤外線検出層１５の平坦性に影響を及ぼす恐れがある。
【００２７】
特に、受光領域の一辺及び膜厚が１０μｍ以下程度の微小な赤外線検出層１５を形成する場合に、その表面平坦性が問題となる。赤外線検出層１５の表面平坦性が悪いと、複数の赤外線検出素子１０を設ける場合に、素子間で受光面積のばらつきを生じ、結果的に感度のばらつきも生じる恐れがある。このため、粒径の上限は１μｍ以下とすることが好ましい。なお、異なる粒径の粒子１２ｂが含まれる場合は、粒径の平均が０．０１μｍ以上１μｍ以下であればよい。また、粒子１２ｂの形状が球状以外の多面体状や不定形である場合は、外径の平均が０．０１μｍ以上１μｍ以下であればよい。
【００２８】
このような粒子１２ｂより成る熱絶縁層１２の形成は、例えば以下の方法により行うことができる。先ず、セラミックやＳｉＯ２から成り、粒径が０．０１μｍ以上１μｍ以下のナノサイズの粒子１２ｂを液状の分散媒に分散させた懸濁液を調製し、この分散媒を基板１１に塗布する。その後加熱等の蒸発処理を施すことで分散媒を除去する。懸濁液の粘度や粒子１２ｂの密度を適宜選定することで、基板１１上に粒子１２ｂのみを所望の密度で、且つ目的とする厚さとして成膜することができる。
【００２９】
また他の成膜方法としては、粒子１２ｂを空気やＮ２等のガスと混合してエアロゾル状とし、基板１１に向けて高速噴射することによって、基板１１上に所定の密度で付着させることができ、噴射条件を選定することで適切な厚さとして形成することができる。このように粒子１２ｂを付着形成することによって、ナノサイズの粒子１２ｂ同士の隙間が空間部１２ａとなり、熱伝導性の低い熱絶縁層１３を形成することができる。また、中空構造とする場合のように赤外線検出素子１０の周囲に支持部を設ける必要がなく、受光面積の割合を高めることができる。また、犠牲層成膜、除去等の製造工程が不要となり、製造工程が簡略化され、コストの低減化を図ることもできる。
【００３０】
（１−２）赤外線検出素子の第２の基本構成（孔部を有する熱絶縁層を設ける構成）
次に、孔部を有する熱絶縁層を設ける場合について、その断面構成図及び要部の拡大断面図を示す図３を参照して説明する。この例では、図３に示すように、基板２１上に、空間部として孔部２２ａを有する熱絶縁層２２を設け、その上に赤外線検出層２５を形成して赤外線検出素子２０を構成する。これら基板２１、熱絶縁層２２及び赤外線検出層２５の材料は図１及び図２に示す例と同様の材料を用いることができる。
【００３１】
この熱絶縁層２２中に設ける孔部２２ａの大きさとしては、例えば０．０１μｍ以上１μｍ以下の径とすることができる。この場合の径とは、図２において説明した粒径と同様に、孔部２２ａが球状である場合は直径とし、その他の多角形や不定形の場合は内径の平均とする。孔部２２ａの径が０．０１μｍ未満である場合は、十分な熱絶縁性を得ることが難しい。また、径が１μｍを超える場合は、赤外線検出層２５の平坦性に影響し、受光面積にばらつきを生じる恐れがある。したがって、孔部２２ａの径は０．０１μｍ以上１μｍ以下とすることが好ましい。なお、孔部２２ａの径にばらつきがある場合は、平均径が０．０１μｍ以上１μｍ以下であればよい。
【００３２】
また、孔部２２ａが円筒形や角柱等の柱状で、その延在方向がほぼ膜厚方向である場合は、その長手方向の長さは１μｍを超えていてもよい。この場合は、その長手方向と直交する断面の外径（ばらつきがある場合は平均値）が０．０１μｍ以上１μｍ以下であればよい。０．０１μｍ以上とすることで、熱絶縁性が十分得られ、また１μｍ以下とすることで、赤外線検出層２５の平坦性への影響を抑えることが可能である。
【００３３】
このような大きさの孔部２２ａを熱絶縁層２２中に内包させることによって、粒子より構成する例と同様に、空気と同程度の熱伝導率とすることが可能であり、中空構造とする場合と同程度の熱絶縁性を実現できる。また、受光面積の割合を高めることが可能である。
【００３４】
なお、孔部２２ａを内包する熱絶縁層２２の形成方法としては、例えばＳｉＯ２をＣＶＤによって成膜し、柱状に結晶成長させる方法が挙げられる。この場合、０．０１μｍ以上１μｍ以下程度のナノサイズの孔部２２ａをＳｉＯ２より成る熱絶縁層２２中に形成することができる。または電子ビームＰＶＤ（物理気相成長）によって、シリカ等のセラミック結晶中にナノサイズの孔部２２ａを有する熱絶縁層２２を形成することも可能である。この場合も、中空構造を設ける従来構造のように犠牲層の形成、除去が不要であり、製造工程が簡略化され、コストの低減化を図ることができる。
【００３５】
（２）赤外線検出素子の第１の変形例（赤外線検出層に隣接して電極層を設ける構成）
次に、赤外線検出層の上下に電極を設ける例について説明する。図４に示すように、この赤外線検出素子３０は、基板３１上に、空間部３２ａを有する熱絶縁層３２と、第１の電極３４と、赤外線検出層３５と、第２の電極３６と、がこの順に積層されて構成される。熱型の赤外線検出材料の中でも焦電材料は、赤外線を吸収して温度変化が起こると自発分極が変化し、表面電荷を発生させる性質を持つ。このため、焦電型とする場合は、赤外線検出層３５を第１の電極３４と第２の電極３６とで挟み込む必要がある。この例においても、基板３１、熱絶縁層３２は前述の図１〜図３に示す例と同様の材料、構成とすることができる。赤外線検出層３５の材料としては、焦電型の材料、すなわち赤外線を吸収して温度が上昇することにより自発分極の値が変化するものであればよい。例えば、無機材料としてはチタン酸鉛やタンタル酸リチウム、有機材料としては、三硫化グリシン（ＴＧＳ）、ポリビニリデンジフロライド等が知られている。
【００３６】
また、第１の電極３４の材料としては、この上に形成される赤外線検出層３５を焦電材料とする場合は、その結晶配向性を良好にする導電性の材料を用いることが好ましい。このためには、少なくともこの第１の電極３４の最表面層に、結晶配向性を有するＰｔ等の導電性材料を用いることが好ましい。また、第２の電極３６の材料は、導電性で赤外線反射率が低く、また蓄熱性の低い材料であることが好ましく、Ｃｒ、Ｐｔ等を用いることができる。第１及び第２の電極３４及び３６はスパッタ等により形成される。
【００３７】
また、図４に示す例では、第１の電極３４の一端が熱絶縁層３２の側面上に基板３１に向かって延在し、基板３１と熱絶縁層３２との間に形成される端子導出部３４ａに接続される。また、第１の電極３４が延在する側とは離間する他端において、第２の電極３６も同様に基板３１側に延在し、基板３１と熱絶縁層３２との間で、端子導出部３４ａと異なる位置に形成される端子導出部３６ａに接続される。端子導出部３４ａ及び３６ａは、例えば一方が接地され、他方が図示しない電圧変換器やスイッチング回路等に接続されて、各赤外線検出層３５の表面に発生した電荷が信号として取り出される。
【００３８】
なお、前述の特許文献１に記載されている熱電変換層を赤外線検出層として用いる場合や、特許文献２に記載されているｐｎ接合を利用する場合においても、同様に電極配線が必要であり、同様の端子導出構造とすることが可能である。これらの場合は、第１の電極３４は熱伝導率が低い導電性材料であることが好ましく、第２の電極３６は赤外線吸収率のよい導電性材料であればよい。
【００３９】
いずれの場合であっても、図４に示すように、基板３１と第１の電極３４との間に空間部を内包する熱絶縁層３２を設けることによって、第１の電極３４から基板３１への熱の逃げを効率よく抑制することができ、感度の低下を抑制することができる。またこの場合も、赤外線検出素子３０の周囲に支持部を兼ねる配線導出部を設ける必要がなく、受光面積の割合を高めることができる。また、その製造にあたって犠牲層の形成、除去の工程が不要であり、製造工程が簡略化され、コストの低減化を図ることもできる。
【００４０】
なお、第２の電極３６の延在する部分では、第１の電極３４及び赤外線検出層３５の側面と、第２の電極３６の延在部との間に、例えば熱絶縁層３２と同材料より成る絶縁層３２ｃを形成してもよい。また、図示しないが犠牲層成膜及びエッチング除去等によって、第１の電極３４及び赤外線検出層３５の側面と、第２の電極３６の延在部との間に空間部を設ける構成としてもよい。また、図４においては各素子間をＲＩＥ（異方性エッチング）等により基板３１上で分離して形成し、いわば素子間に空間部を設ける例を示すが、これに限定されない。例えば素子間に熱絶縁層３２と同様に空間部を内包する材料を形成してもよく、その他熱伝導率が低く絶縁性の材料より成る素子分離層が形成されていてもよい。更に、熱絶縁層３２は、複数の赤外線検出素子３０に跨って共通に設けられていてもよい。このように、赤外線検出素子３０の間に絶縁層等が形成される場合は、赤外線検出素子３０の振動を抑え、また機械的強度を高めることが可能である。
【００４１】
図５は、図４に示す例と同様の構成の赤外線検出素子３０（３０ａ１，３０ａ２，・・・３０ｂ１，・・・３０ｃ１，・・・，４０ｍｎ）をｍ×ｎ行にアレイ状に配列し、ｍ×ｎ個に多画素化した赤外線撮像装置２００の概略平面図である。このように、ｍ、ｎをそれぞれ数十〜数百として、２次元状に数百〜数十万個の赤外線検出素子３０を配列することで、高画素数で解像度の高い赤外線像を撮像することが可能である。また、図示しないが１×ｎの１次元状にアレイ化してもよく、３次元状に積層形成することも可能である。
【００４２】
（３）赤外線検出素子の第２の変形例（空間部を有する電極を設ける構成）
次に、図６を参照して、空間部を有する電極を設ける第２の変形例について説明する。この場合、基板４１上に、熱絶縁層４２、空間部を有する第１の電極４４、赤外線検出層４５、空間部を有する第２の電極３６がこの順に積層されて赤外線検出素子４０が構成される。
【００４３】
前述の図４に示す例のように、第１の電極４４及び第２の電極４６に用いる材料はＣｒ，Ｐｔなどの金属が好ましいが、その熱伝導率はＣｒで約９４［Ｗ／ｍ・Ｋ］、Ｐｔで約７０［Ｗ／ｍ・Ｋ］と比較的大きい。その上、第１及び第２の電極４４及び４６の一部は、図６においては図示を省略しているが、図４に示す例のように一端が基板４１に接続される。そのため、赤外線検出層４５からのトータルの熱の逃げを考えた場合、熱絶縁層４２から基板４１への直接的な熱伝導とともに、第１及び第２の電極４４及び４６の端子導出部（図示せず）を介した間接的な熱伝導も大きな影響を及ぼす恐れがある。そこで、第１の電極４４、第２の電極４６の少なくともいずれか（図６に示す例では両方）に空間部４４ａ、４６ａを内包させることで、熱伝導率を低減させることができる。これにより、配線を介しての基板４１への熱の逃げを抑制し、感度を向上させることができる。
【００４４】
なお、このような空間部４４ａ、４６ａを内包する電極の材料としては、例えばナノサイズのＣｒ、Ｐｔ等の導電性粒子を適度な密度で積層する構成が挙げられる。その形成方法としては、図２に示す例と同様に、分散媒にナノサイズの導電性粒子を分散させてから熱絶縁層４２上に塗布した後、加熱等によって分散媒を除去する方法が挙げられる。これら空間部４４ａ、４６ａの径は５ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。径が５ｎｍ未満である場合は有意な熱絶縁の効果が得られない。また径が１００ｎｍを超える場合は導電性が不十分となる恐れがあるためである。
【００４５】
なお、空間部４４ａ、４６ａを内包する電極材料は、赤外線検出層４５の上下の層の少なくともいずれかであればよい。例えば焦電材料より成る赤外線検出層４５を設ける場合は、第１の電極４４として、結晶配向性に良好なＰｔとし、第２の電極４６のみを空間部４６ａを内包する電極材料としてもよい。またもちろん、第１の電極４４のみを空間部４４ａを内包する電極材料とすることも可能である。
【００４６】
このように、第１の電極４４と第２の電極４６の少なくともいずれかを空間部４４ａ、４６ａを内包する構成とすることによって、赤外線検出層４５の配線を介しての基板４１等への熱の逃げを抑制し、より高い感度で赤外線を検出することが可能となる。またこの場合においても、熱絶縁層４２を設けることで、従来の中空構造とする場合と同様に熱伝導率を抑え、受光面積の割合を高めると共に、犠牲層成膜等の工程を不要とし、製造工程が簡略化されるので、コストの低減化を図ることが可能である。
【００４７】
（４）赤外線検出素子の第３の変形例（中間層を設ける構成）
次に、熱絶縁層と赤外線検出層との間に中間層を設ける第３の変形例について説明する。図７に示すように、この赤外線検出素子５０は、基板５１上に、空間部５２ａを内包する熱絶縁層５２と、中間層５３と、第１の電極５４と、赤外線検出層５５と、第２の電極５６とがこの順に形成されて構成される。基板５１、熱絶縁層５２、第１の電極５４、赤外線検出層５５及び第２の電極５６は、図４に示す例と同様の材料、形成方法により形成し得る。
【００４８】
中間層５３の材料としては、ＳｉＯ２又はＭｇＯが利用可能であり、ＣＶＤやスパッタ等により形成される。これら材料より成る中間層５３を成膜後に平坦化処理を行うことで、中間層５３の表面の最大高さＲｙを０〜２５ｎｍに抑えることができる。平坦化処理の条件の一例としては、例えば希釈したシリカ系スラリー、平均粒径約０．１μｍ、ｐＨ約１１、研磨時間約６００ｓのＣＭＰが挙げられ、この条件とする場合、処理後の表面の最大高さＲｙを２５ｎｍ以下とすることが可能である。赤外線検出層５５を焦電材料より構成する場合は、このように中間層５３を設けてその表面を平坦化することで、焦電材料の結晶の配向性が揃いやすくなり、焦電効率を高めることができるという利点を有する。またこの例においても、上述の各例と同様に、空間部５２ａを内包する熱絶縁層５２を設けることで、上述の各例と同様に、基板５１への熱の逃げを抑制して感度を向上させることができる。更に、中空構造を設ける場合と比べて受光面積の割合を高めることができ、且つ、犠牲層形成等の工程を不要とし、製造工程が簡略化され、コストの低減化を図ることができる。
【００４９】
（５）赤外線検出素子の第４の変形例（熱絶縁層に空間部の大きさが異なる領域を設ける構成）
次に、熱絶縁層に内包する空間部の大きさが異なる領域を設ける第４の変形例について図８を参照して説明する。図８に示すようにこの場合、基板６１上に、例えば比較的径が大きい空間部６２Ａａを内包する第１の熱絶縁層６２Ａと、この空間部６２Ａａより径が小さい空間部６２Ｂａを内包する第２の熱絶縁層６２Ｂとがこの順に形成される。そして、第２の熱絶縁層６２Ｂの上に、第１の電極６４、赤外線検出層６５及び第２の電極６６が形成されて、赤外線検出素子６０が構成される。
【００５０】
これら基板６１、第１及び第２の熱絶縁層６２Ａ及び６２Ｂ、第１の電極６４、赤外線検出層６５及び第２の電極６６は、図４において説明した例と同様の材料を用いて構成することができる。
【００５１】
上述したように、赤外線検出層６５に焦電材料を用いる場合、高い焦電効率を得るためには、赤外線検出層６５の配向性が揃っていることが好ましく、そのために赤外線検出層６５の下層の表面が平坦であることが好ましい。このため第４の変形例においては、空間部６２Ａａ及び６２Ｂａの径が異なる第１及び第２の熱絶縁層６２Ａ及び６２Ｂを設ける。そして特に、上部に位置する層ほど、すなわちこの場合は空間部６２Ｂａの径をより小さくして、いわば気孔率が低い密の層とすることを特徴とする。具体的には、図２に示す第１の基本構成の場合は粒子１２ｂの粒径を、また図３に示す例では空間部である孔部２２ａの径を上層ほど小さくすればよい。空間部６２Ａａ、６２Ｂａの大きさにばらつきがあるときは、平均径を上層でより小さくすればよい。
【００５２】
いずれの場合でも、最上層において空間部６２Ｂａの径（粒子１２ｂとする場合は粒径）を２５ｎｍ以下とすれば、段差（最大高さＲｙ）を２５ｎｍ以下に抑えることが可能である。このような構成とすることで、最上層の表面の段差（最大高さＲｙ）を小さくすることができ、この上に形成する赤外線検出層６５の結晶配向性を高めることができる。なお、図８においては、空間部の径の異なる熱絶縁層を２層設ける場合を示すが、これに限定されず、３層以上としてもよい。更に、層を分けずに、成膜プロセス中の成膜条件を変化させることで、１つの熱絶縁層であっても、内包される空間部の径を少しずつ小さくして疎から密に徐々に変化させて、上部になるほど密な状態になるように形成してもよい。成膜条件の一例としては、例えば成膜レートが挙げられる。成膜レートが速いと表面の最大高さが大きく、遅いと表面の最大高さが小さくなる。このことを利用して、成膜レートを徐々に遅くすることで、下部では成長層表面の最大高さを大きく比較的疎の状態とし、上部では成長層表面の最大高さを小さく比較的密の状態とすることができる。このような成膜方法によれば、下層から上層にかけて徐々に疎から密に変化するように成膜することが可能である。
【００５３】
このような構成とすることで、特に赤外線検出層６５を焦電材料より構成する場合に、その結晶の配向性の低下が抑制されるので、感度の低下を抑制ないし回避することができる。第１の熱絶縁層６２Ａ、第２の熱絶縁層６２Ｂを設けて赤外線検出層６５から基板６１への熱の逃げを抑制することと相俟って、赤外線検出の感度を高めることが可能となる。またこの場合においても、中空構造を設ける場合と比べて受光面積の割合を高めることができ、且つ、犠牲層形成等の工程を不要とし、製造工程が簡略化され、コストの低減化を図ることができる。
【００５４】
（６）赤外線検出素子の第５の変形例（素子分離構成）
次に、図９及び図１０を参照して素子分離構成の各例について説明する。図９及び図１０においては、一例として前述の図７において説明した中間層を設ける場合を示す。図９に示すように、この赤外線検出素子７０においては、基板７１上に、空間部７２ａを内包する熱絶縁層７２と、中間層７３と、第１の電極７４と、赤外線検出層７５と、第２の電極７６とがこの順に形成されて成る。そして各素子の間の分離溝７７は、基板７１と熱絶縁層７２との界面まで形成される。一方、図１０に示す赤外線検出素子８０は、基板８１上に、空間部８２ａを内包する熱絶縁層８２と、中間層８３と、第１の電極８４と、赤外線検出層８５と、第２の電極８６とがこの順に形成されて成る。そして各素子の間の分離溝８７は、熱絶縁層８２と中間層８３との界面まで形成される。図９及び図１０に示す例において、基板７１及び８１及び各層の材料及び形成方法は、図７に示す例と同様とすることができる。
【００５５】
このように、赤外線検出素子７０又は８０の各素子間の分離、すなわち２次元アレイ状に配列して赤外線像を撮像する構成とする場合の画素の分離は、図９に示すように基板７１の表面まで、また図１０に示すように熱絶縁層８２の表面までのいずれでもよい。図１０に示すように熱絶縁層８２の表面までとする場合でも、隣の画素への熱の伝達経路は、熱絶縁層８２を介することになり、基板８１への熱の逃げだけでなく、画素間の熱の逃げをも十分に抑制することが可能である。
【００５６】
なお、素子間分離による画素の切り分けは、図９及び図１０に示す例に限定されず、他の例も同様である。図１〜図３、図６に示す例においても、熱絶縁層２，１２，２２，４２の表面までの分離溝を形成することで、素子の分離すなわち画素の切り分けが可能である。また、図４に示す例においても、第１の電極及び第２の電極３６の延在部である端子導出部３４ａ、３６ａを形成する領域では基板３１まで熱絶縁層３２を分離し、端子導出部３４ａ、３６ａを設けない領域では熱絶縁層３２を連続的に形成してもよい。更に、図８に示す例において熱絶縁層６２の膜厚の途中までの分離溝、例えば比較的疎の領域までの深さの素子分離溝を形成し、これにより画素の切り分けを行ってもよい。
【００５７】
いずれの場合においても、熱絶縁層２、１２、・・・、８２を設けることにより、赤外線検出層５、１５、・・・８５から基板１、１１、・・・８１への熱の逃げのみならず、画素間の熱の逃げをも抑制することができる。したがって、画素間クロストークの低減化を図ることが可能となる。
【００５８】
２．赤外線検出装置の実施形態
次に、本発明の赤外線検出装置の実施の形態について説明する。図１１は、この赤外線検出装置３００の基本構成を示す概略構成図である。この赤外線検出装置３００は、前述した実施形態の各例を含む本発明構成の赤外線検出素子９０と、この赤外線検出素子９０に外部の赤外光を集光する集光部９１とを備える。また、赤外線検出素子９０からの出力を信号に変換して赤外線像による映像（画像）信号を得る信号処理回路９３を備える。図示しないが、その他例えば赤外線検出層として焦電材料を用いる場合は、赤外線検出素子９０への赤外線照射によって得られる電荷の出力を制御し、すなわち電荷の蓄積、放電等を制御する電荷制御部を設けてもよい。
【００５９】
集光部９１は、撮像対象からの赤外線等を集光し、結像させるものであれば、特に限定されない。１枚のレンズであってもよいし、２枚以上のレンズを含むレンズ群であってもよく、また一画素や複数の画素に対応するマイクロレンズが配列されたレンズアレイを含んで構成してもよい。赤外線集光用のレンズ材料としてはＧｅレンズやＳｉレンズ等が挙げられる。
【００６０】
集光部９１によって集光された赤外線は、赤外線検出素子９０において受光されるが、撮像対象が停止していると受光量の変化による温度変化が生じず、電荷が発生しなくなったり、抵抗変化が生じなくなったりしてしまい、画像が取得できない。このため、赤外線検出素子９０と撮像対象との間に、入射する赤外線を周期的に制御するチョッパーを設けてもよい。この場合は、図示しない制御部及び駆動回路によりチョッパーを駆動することで赤外線を変調し、特定の角周波数の赤外線を赤外線検出素子７０に入射させる。これにより、撮像対象が停止している場合でも、得られる赤外線量に対応して温度変化が生じ、画像に応じた電荷を発生させて映像信号（画像信号）を得ることができる。
【００６１】
チョッパーとしては、例えば機械的に開閉するシャッター機構や、液晶シャッターのように赤外線の透過領域と遮断領域とを電気的に制御する機構等が利用できる。なお、チョッパー（シャッター）の駆動周期は撮像系のフレームレートに対応する。３０ｆｐｓであれば３０Ｈｚで動作させることが基本であるが、６０、１２０、２４０Ｈｚのように２倍速、４倍速、８倍速でシャッターを動作させてもよい。このようにして平均化した出力をフレームレート毎に出せば、突発的なノイズが平均化されてキャンセルされ、安定した出力データを得ることが可能である。また、昨今のＴＶの高倍速フレームレートにも対応可能である。なお、赤外線検出装置３００を移動体に設ける場合等、静止した撮像対象の検出を除外できる場合は、チョッパーを設けずに直接赤外線検出を行う構成とすることも可能である。
【００６２】
このようにして撮像対象の画像に対応して発生した抵抗値変化量や電荷は、不図示の制御部に設けられるスタートパルスやクロックパルス等のタイミングジェネレータにより、チョッパーと同期して画素毎に順次制御されて信号処理回路９３に出力される。
【００６３】
信号処理回路９３は、電荷電圧変換回路、ノイズ補正回路、アナログデジタル変換回路等を有し、赤外線検出素子９０からの出力信号に対して例えば相関二重サンプリング等の信号処理が行われる。映像信号は、図示しないが必要に応じてメモリ等の記録媒体に記録され、また液晶ディスプレイ等のモニターに表示される。
【００６４】
上述したように、本発明の赤外線検出装置３００に用いる赤外線検出素子９０は、基板上に、空間部を内包する熱絶縁層を介して赤外線検出層が設けられる構成とする。これにより、赤外線検出層の受光領域から基板への熱の逃げを抑制し、赤外線検出感度を高めることが可能である。また、中空構造を設ける場合と比べて受光面積の割合を高めることができ、且つ、犠牲層形成等の工程を不要とし、製造工程が簡略化され、コストの低減化を図ることができる。更に、多数の赤外線検出素子の間の画素の切り分けを少なくとも熱絶縁層の表面までの分離溝により行うことで、画素間の熱の逃げをも抑制し、画素間クロストークの低減化を図ることができる。
【００６５】
以上、本発明の赤外線検出素子及び赤外線検出装置の実施形態において、主として焦電センサの例を挙げて説明を行っているが、熱型の赤外線検出を行うものであれば抵抗型マイクロボロメータやサーモパイルタイプも適用されるのはいうまでもない。
【００６６】
また、本発明は上述の各例に示す構成に限定されるものではない。例えば最表面に赤外線吸収層を設けるとか、電極の下部に接合性を改善する下地層を設ける等、その他の構成を付加することが可能であり、本発明構成を逸脱しない範囲で種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００・・・赤外線検出素子、１，１１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１・・・基板、２，１２，２２，３２，４２，５２，６２Ａ，６２Ｂ，７２，８２・・・熱絶縁層、３２ｃ・・・絶縁層、２ａ，１２ａ，２２ａ，３２ａ，４２ａ，５２ａ，６２Ａａ，６２Ｂａ，７２ａ，８２ａ・・・空間部、１２ｂ・・・粒子、５３，７３，８３・・・中間層、３４，４４，５４，６４，７４、８４・・・第１の電極、３４ａ，３６ａ・・・端子導出部、４４ａ，４６ａ・・・空間部、５，１５，２５，３５，４５，５５，６５，７５，８５・・・赤外線検出層、３６，４６，５６，６６，７６，８６・・・第２の電極、７７，８７・・・分離溝、９１・・・集光レンズ、９３・・・信号処理回路、２００，３００・・・赤外線検出装置
【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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