(57)【要約】【課題】出力電圧の高出力化を図れ且つＳ／Ｎ比の向上を図ることが可能な焦電型赤外線センサを提供する。【解決手段】焦電型赤外線センサ１０は、基板１の一表面側に設けられたダイアフラム部２の一面側に複数の受光部３を備えている。各受光部３の各々は、ダイアフラム部２の厚み方向において互いに対向する第１電極３１と第２電極３２との間に焦電体薄膜３３を有する複数個の受光エレメント３ａを有し且つ当該複数個の受光エレメント３ａが直列接続されている。要するに、各受光部３の各々は、複数個の受光エレメント３ａに分割され直列接続されている。また、複数の受光部３は、逆直列に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の一表面側に設けられたダイアフラム部の一面側に複数の受光部を備えた焦電型赤外線センサであって、前記各受光部の各々は、前記ダイアフラム部の厚み方向において互いに対向する第１電極と第２電極との間に焦電体薄膜を有する複数個の受光エレメントを有し且つ前記複数個の前記受光エレメントが直列接続されてなり、前記複数の前記受光部は、逆直列に接続されてなることを特徴とする焦電型赤外線センサ。
【請求項２】
前記複数の前記受光部の配置は、１行２列、２行２列、１行４列のいずれかのマトリクス状であることを特徴とする請求項１記載の焦電型赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦電型赤外線センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、赤外線検出装置として、焦電素子と、焦電素子がゲートに接続されるインピーダンス変換用の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）と、この電界効果トランジスタのゲート電位を設定するための抵抗とを用いたものが広く知られている。
【０００３】
上述の焦電素子としては、周囲環境（使用環境）の温度変化によるノイズを低減するために、１枚の焦電体基板に２個の受光部（赤外線受光部）を形成したデュアル素子（デュアルタイプの焦電素子）が広く実用化されている。また、焦電素子としては、１枚の焦電体基板に４個の受光部を形成したクワッド素子（クワッドタイプの焦電素子）も広く実用化されている。なお、焦電素子としては、１枚の焦電体基板に１個の受光部を形成したシングル素子（シングルタイプの焦電素子）も実用化されている。
【０００４】
また、従来から、ＭＥＭＳ（micro electro mechanicalsystems）製造技術を利用して製造された焦電型赤外線センサ（ＭＥＭＳ赤外線センサとも呼ばれている）が知られている。ＭＥＭＳ製造技術としては、バルクマイクロマシニング技術、表面マイクロマシニング技術などがある。
【０００５】
この種の焦電型赤外線センサとしては、例えば、シリコン基板の一表面側に薄肉部が形成され、薄肉部上にアルミニウムの薄膜からなる下部電極が形成され、下部電極上にポリ尿素の薄膜からなる焦電体が形成され、焦電体上にアルミニウムの薄膜からなる上部電極が形成されてなる赤外線センサが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−１７４５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の焦電型赤外線センサは、薄肉部上に、下部電極と焦電体と上部電極とで構成される受光部が１つであるが、薄肉部上に２個の受光部を設けてデュアルタイプの焦電型赤外線センサとすることや、薄肉部上に４個の受光部を設けてクワッドタイプの焦電型赤外線センサとすることが考えられる。
【０００８】
しかしながら、このようなデュアルタイプあるいはクワッドタイプの焦電型赤外線センサでは、受光部における焦電体の膜厚が薄いので、焦電体の抵抗値が低く、１つの受光部あたりの出力電圧が低くなってしまう。
【０００９】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、出力電圧の高出力化を図れ且つＳ／Ｎ比の向上を図ることが可能な焦電型赤外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の焦電型赤外線センサは、基板の一表面側に設けられたダイアフラム部の一面側に複数の受光部を備えた焦電型赤外線センサであって、前記各受光部の各々は、前記ダイアフラム部の厚み方向において互いに対向する第１電極と第２電極との間に焦電体薄膜を有する複数個の受光エレメントを有し且つ前記複数個の前記受光エレメントが直列接続されてなり、前記複数の前記受光部は、逆直列に接続されてなることを特徴とする。
【００１１】
この焦電型赤外線センサにおいて、前記複数の前記受光部の配置は、１行２列、２行２列、１行４列のいずれかのマトリクス状であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の焦電型赤外線センサにおいては、出力電圧の高出力化を図れ且つＳ／Ｎ比の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は実施形態１の焦電型赤外線センサの概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’概略断面図である。
【図２】実施形態１の焦電型赤外線センサを用いた赤外線検出器の回路図である。
【図３】（ａ）は実施形態２の焦電型赤外線センサの概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’概略断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ’概略断面図である。
【図４】実施形態２の焦電型赤外線センサを用いた赤外線検出器の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施形態１）
以下では、図１に基づいて本実施形態の焦電型赤外線センサ１０を説明する。
【００１５】
焦電型赤外線センサ１０は、基板１の一表面側に設けられたダイアフラム部２の一面側に複数（ここでは、２つ）の受光部３を備えている。
【００１６】
各受光部３の各々は、ダイアフラム部２の厚み方向において互いに対向する第１電極３１と第２電極３２との間に焦電体薄膜３３を有する複数個（ここでは、８個）の受光エレメント３ａを有し且つ当該複数個の受光エレメント３ａが直列接続されている。要するに、各受光部３の各々は、複数個の受光エレメント３ａに分割され直列接続されている。互いに直列接続される受光エレメント３ａどうしは、一方の受光エレメント３ａの第２電極３２と他方の受光エレメント３ａの第１電極３１とが、第１配線３４を介して電気的に接続されている。ここで、受光部３は、電気的には各受光エレメント３ａの各々が極性のあるコンデンサであり、図２中に示すように直列接続されている。
【００１７】
また、複数の受光部３は、逆直列に接続されている。互いに逆直列に接続される受光部３どうしは、第２配線３５を介して電気的に接続されている。ここにおいて、複数の受光部３の配置は、１行２列のマトリクス状である。要するに、本実施形態の焦電型赤外線センサ１０は、２つの受光部３が逆直列に接続されたデュアルタイプの焦電型赤外線センサである。ここで、２つの受光部３は、逆直列回路において互いに接続される２つの受光エレメント３ａの第２電極３２どうしが接続されている。
【００１８】
基板１としては、一表面が（１００）面の単結晶のシリコン基板を用いている。また、基板１は、シリコン基板に限らず、例えば、ＭｇＯ基板などを用いてもよい。
【００１９】
ダイアフラム部２は、基板１の上記一表面側に形成された薄膜２０の一部により形成されている。ここにおいて、薄膜２０は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜からなる。焦電型赤外線センサの製造時には、基板１の上記一表面側にシリコン酸化膜を熱酸化法によって形成し、続いて、シリコン窒化膜をＣＶＤ法によって形成した後で、基板１の所定領域を他表面側からエッチングして基板１に空洞部１１を形成することによって、ダイアフラム部２を形成している。なお、ダイアフラム部２の積層構造や材料は、特に限定するものではない。
【００２０】
焦電型赤外線センサ１０は、基板１の上記一表面側に、一対のパッド４，４が設けられており、複数の受光部３の逆直列回路の出力電圧を一対のパッド４，４から取り出すことが可能となっている。一対のパッド４，４は、薄膜２０の上記一部以外の部分の上に形成されている。要するに、一対のパッド４，４は、薄膜２０において空洞部１１の投影領域の外側に配置してある。一対のパッド４，４と、複数の受光部３の逆直列回路とは、一対の第３配線３６を介して電気的に接続されている。
【００２１】
受光エレメント３ａは、第１電極３１がダイアフラム部２の上記一面上に形成され、第１電極３１におけるダイアフラム部２側とは反対側に焦電体薄膜３３が形成され、焦電体薄膜３３における第１電極３１側とは反対側に第２電極３２が形成されている。
【００２２】
焦電体薄膜３３の材料としては、鉛系の酸化物強誘電体の一種であるＰＺＴ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）を採用しているが、鉛系の酸化物強誘電体は、ＰＺＴに限らず、例えば、ＰＺＴ−ＰＬＴ（：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3−（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）、ＰＬＴ（：（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ3）やＰＺＴ−ＰＭＮ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3−Ｐｂ（Ｍｎ，Ｎｂ）Ｏ3）などやその他の不純物を添加したＰＺＴ系強誘電体などを採用してもよい。
【００２３】
焦電体薄膜３３の形成にあたっては、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法などによって基板１の上記一表面側の全面に焦電体薄膜３３を成膜してから、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して所定の形状にパターニングすればよい。
【００２４】
第１電極３１は、第３配線３６と同時に形成してある。第１電極３１および第３配線３６の材料としては、焦電体薄膜３３との格子整合性の良い導電性材料を採用することが好ましく、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕなどを採用することができる。ただし、本実施形態では、第１電極３１とダイアフラム部２との密着性を改善するために、第１電極３１が、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕなどに比べてダイアフラム部２との密着性のよい材料（例えば、Ｔｉ、Ｃｒなど）からなる密着層を備えていることが好ましい。一例を挙げれば、第１電極３１は、ダイアフラム部２上のＴｉ膜と当該Ｔｉ膜上のＰｔ膜とで構成することが好ましい。
【００２５】
第１電極３１および第３配線３６の形成にあたっては、基板１の上記一表面側に薄膜２０を形成した後で、基板１の上記一表面側の全面に、第１電極３１および第３配線３６の基礎となる第１導電層をスパッタ法、ＣＶＤ法、蒸着法などにより成膜し、その後、この第１導電層上に上述の焦電体薄膜３３を形成し、その後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第１導電層をパターニングすることによって、それぞれ第１導電層の一部からなる第１電極３１および第３配線３６を形成すればよい。
【００２６】
なお、焦電型赤外線センサ１０は、第１電極３１の直下に、シリコンに比べて焦電体薄膜３３との格子整合性の良い材料からなる緩衝層（図示せず）を形成するようにしてもよい。これにより、焦電体薄膜３３の結晶性および性能（ここでは、焦電係数γ）の向上を図れ、且つ、デバイス特性（ここでは、性能指数や、応答速度など）の向上を図れることが可能となる。なお、緩衝層の材料としては、例えば、ＳｒＲｕＯ3を採用することができるが、これに限らず、例えば、ＰｂＴｉＯ3、ＭｇＯ、ＬａＮｉＯ３などを採用してもよい。
【００２７】
第２電極３２は、第１配線３４および第２配線３５と同時に形成してある。ここで、第２電極３２、第１配線３４および第２配線３５は、Ｔｉ膜とＰｔ膜との積層膜により構成してある。この場合、第２電極３２、第１配線３４および第２配線３５は、第１電極３１と同様、Ｔｉ膜に代えてＣｒ膜を採用してもよいし、Ｐｔ膜に代えて、Ａｕ膜、Ａｌ膜、Ｃｕ膜のいずれかを採用してもよい。第２電極３２上には、ＮｉＣｒ膜、Ｎｉ膜、金黒膜などからなる赤外線吸収膜（図示せず）を設けることが好ましい。第２電極３２の材料としては、ＮｉＣｒ、Ｎｉ、金黒などの、導電性を有する赤外線吸収材料を採用してもよい。これにより、第２電極３２は、赤外線吸収膜を兼ねることとなる。
【００２８】
また、ダイアフラム部２の上記一面側には、各受光エレメント３ａでの第１電極３１と第２電極３３との短絡を防止する絶縁層５が形成されている。絶縁層５は、例えば、ＢＰＳＧ膜などにより構成することができる。絶縁層５の材料は、特に限定するものではない。なお、絶縁層５は、第２電極３２と焦電体薄膜３３との接するエリアを規定し、且つ、第２電極３２に電気的に接続される第２配線３４ないし第３配線３５と第１電極３１との短絡を防止するように、パターニングされている。
【００２９】
第２電極３２、第１配線３４および第２配線３５の形成にあたっては、基板１の上記一表面側に上述のパターニングされた絶縁層５を形成した後、第２電極３２、第１配線３４および第２配線３５の基礎となる第２導電層を形成し、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第２導電層をパターニングすることによって、それぞれ第２導電層の一部からなる第２電極３２、第１配線３４および第２配線３５を形成すればよい。
【００３０】
空洞部１１の形成にあたっては、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術などを利用して基板１の他表面側のシリコン酸化膜（図示せず）をパターニングし、その後、シリコン酸化膜およびレジスト層をマスクとして、基板１を他表面側からエッチングすればよい。
【００３１】
以上説明した本実施形態の焦電型赤外線センサ１０は、上述の説明から分かるように、ＭＥＭＳ製造技術を利用して製造することができる。ここにおいて、焦電型赤外線センサ１０の製造にあたっては、空洞部１１を形成する工程が終了するまでをウェハレベルで行ってから（つまり、シリコンウェハに多数の焦電型赤外線センサ１０を形成してから）、ダイシング工程を行うことで個々の焦電型赤外線センサ１０に分割するようにしている。
【００３２】
本実施形態の焦電型赤外線センサ１０では、各受光部３の各々が、ダイアフラム部２の厚み方向において互いに対向する第１電極３１と第２電極３２との間に焦電体薄膜３３を有する複数個の受光エレメント３ａを有し且つ当該複数個の受光エレメント３ａが直列接続されてなり、複数の受光部３が、逆直列に接続されているので、出力電圧の高出力化を図れ且つＳ／Ｎ比の向上を図ることが可能となる。出力電圧については、受光部３をＮ（２以上の整数）分割することでＮ個の受光エレメント３ａを有することによって、Ｎ個の受光エレメント３ａを合わせた受光面積の受光エレメントを１つだけ設ける場合に比べて、Ｎ倍の出力電圧を得ることが可能となる。
【００３３】
ここで、例えば図２に示すように、焦電型赤外線センサ１０を用いた赤外線検出器２０としては、焦電型赤外線センサ１０と、この焦電型赤外線センサ１０がゲートに接続される電界効果トランジスタ７とを備えたものが好ましい。この赤外線検出器２０は、焦電型赤外線センサ１０および電界効果トランジスタ７が、１つのパッケージ８内に収納されていることが好ましい。パッケージ８としては、例えば、キャンパッケージを採用することができ、焦電型赤外線センサ１０への赤外線の入射を可能とするための赤外線透過部材（図示せず）として、例えば、シリコンやゲルマニウムなどの赤外線透過材料により形成された平板状やレンズ状のものを用いることができる。なお、赤外線透過部材は、キャンパッケージにおける焦電型赤外線センサ１０の前方の開口部を閉塞するように、配置される。
【００３４】
また、本実施形態の焦電型赤外線センサ１０では、複数の受光部３が、１行２列のマトリクス状に配置されていることにより、環境温度の変化などによる２つ受光部３でのノイズ（暗雑音など）が相殺されるので、誤検知を防止することが可能となる。
【００３５】
（実施形態２）
以下では、図３に基づいて本実施形態の焦電型赤外線センサ１０を説明する。
【００３６】
本実施形態の焦電型赤外線センサ１０は、受光部４の数が４つである点などが実施形態１と相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を適宜省略する。
【００３７】
各受光部３の各々は、ダイアフラム部２の厚み方向において互いに対向する第１電極３１と第２電極３２との間に焦電体薄膜３３を有する複数個（ここでは、４個）の受光エレメント３ａを有し且つ当該複数個の受光エレメント３ａが直列接続されている。ここで、受光部３は、電気的には各受光エレメント３ａの各々が極性のあるコンデンサであり、図４中に示すように直列接続されている。
【００３８】
複数の受光部３の配置は、２行２列のマトリクス状である。要するに、本実施形態の焦電型赤外線センサ１０は、４つの受光部３が逆直列に接続されたクワッドタイプの焦電型赤外線センサである。ここで、互いに逆直列に接続される２つの受光部３の組については、逆直列回路において互いに接続される２つの受光エレメント３ａの第２電極３２どうし、あるいは、第１電極３１どうしが接続されている。なお、図３（ａ）の左上の受光部３と左下の受光部３との組では、第２電極３２どうしが接続され、左下の受光部３と右下の受光部３との組では、第１電極３１どうしが接続され、右下の受光部３と右上の受光部３との組では、第２電極３２どうしが接続されている。
【００３９】
本実施形態の焦電型赤外線センサ１０では、実施形態１と同様、各受光部３の各々が、ダイアフラム部２の厚み方向において互いに対向する第１電極３１と第２電極３２との間に焦電体薄膜３３を有する複数個の受光エレメント３ａを有し且つ当該複数個の受光エレメント３ａが直列接続されてなり、複数の受光部３が、逆直列に接続されている。これにより、本実施形態の焦電型赤外線センサ１０は、出力電圧の高出力化を図れ且つＳ／Ｎ比の向上を図ることが可能となる。
【００４０】
ここで、例えば図４に示すように、焦電型赤外線センサ１０を用いた赤外線検出器２０としては、焦電型赤外線センサ１０と、この焦電型赤外線センサ１０がゲートに接続される電界効果トランジスタ７とを備えたものが好ましい。この赤外線検出器２０は、焦電型赤外線センサ１０および電界効果トランジスタ７が、１つのパッケージ８内に収納されていることが好ましい。
【００４１】
また、本実施形態の焦電型赤外線センサ１０では、複数の受光部３が、２行２列のマトリクス状に配置されていることにより、環境温度の変化などによる受光部３でのノイズ（暗雑音など）が相殺されるので、誤検知を防止することができる。焦電型赤外線センサ１０は、複数の受光部３の配置を、１行４列のマトリクス状としたクワッドタイプの焦電型赤外線センサでもよく、この場合も、環境温度の変化などによる受光部３でのノイズ（暗雑音など）が相殺されるので、誤検知を防止することが可能となる。
【符号の説明】
【００４２】
１  基板
２  ダイアフラム部
３  受光部
３ａ  受光エレメント
１０  焦電型赤外線センサ
２０  赤外線検出器
３１  第１電極
３２  焦電体薄膜
３３  第２電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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