(57)【要約】【課題】熱型赤外線固体撮像素子のNETD低減による性能向上を実現する熱型赤外線固体撮像素子を提供する。【解決手段】熱型赤外線固体撮像素子は、断熱構造と赤外線吸収構造を有した温度検出素子を含む画素を２次元配列してなる画素アレイと、画素アレイの各画素に対して温度検出素子の電位を逆バイアスとなる所定電位に設定するリセット動作を行い、リセット動作から所定の蓄積時間経過後に出力を読み出す手段と、断熱構造及び／又は赤外線吸収構造を有しない参照画素の列と、各参照画素に対して行毎に異なる蓄積時間を付与し、各参照画素に対してリセット動作を行い、リセット動作後異なる蓄積時間経過後に各参照画素から出力を読み出す手段と、各参照画素から読み出した出力を基準電圧と比較する比較回路とを備える。画素アレイの画素に対する所定の蓄積時間は比較回路の出力に基づき決定される。【選択図】図１
2009168611.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断熱構造と赤外線吸収構造を有した温度検出素子を含む画素を２次元配列してなる画素アレイと、
前記画素アレイの各画素に対して、前記温度検出素子の電位を逆バイアスとなる所定電位に設定するリセット動作を行い、該リセット動作から所定の蓄積時間経過後に該画素から出力を読み出す手段と、
断熱構造及び／又は赤外線吸収構造を有しない点を除き、前記画素アレイの画素と同一の構成を有する参照画素の列と、
各参照画素に対して、行毎に異なる蓄積時間を付与し、前記参照画素に含まれる温度検出素子の電位を逆バイアスとなる所定電位に設定するリセット動作を行い、該リセット動作後前記異なる蓄積時間経過後に各参照画素から出力を読み出す手段と、
前記参照画素から読み出した出力を基準電圧と比較し、比較結果を出力する比較回路とを備え、
前記比較回路の出力に基づき、前記画素アレイにおける画素に対する前記所定の蓄積時間が決定される
ことを特徴とする赤外線固体撮像素子。
【請求項２】
断熱構造及び／又は赤外線吸収構造を有しない点を除き、前記画素アレイの画素と同一の構成を有する第２の参照画素の列と、
各第２の参照画素に含まれる温度検出素子の電位を逆バイアスとなる所定電位に設定するリセット動作を行い、該リセット動作後前記所定の蓄積時間経過後に各第２の参照画素から出力を読み出す手段と、
該第２の参照画素からの出力と前記画素アレイの画素との出力とを減算し、その減算結果を出力する手段と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項３】
前記参照画素から出力を読み出す手段は、各参照画素に対して、所定の単位時間ずつ異ならせた蓄積時間を付与する、ことを特徴とする請求項１または２記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項４】
前記比較回路からの出力に基づき、各参照画素の飽和現象の発生を判定し、飽和現象が発生していない参照画素に対して付与された蓄積時間の中で最大のものが、前記所定の蓄積時間として決定される、ことを特徴とする請求項１または２記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項５】
前記温度検出素子は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に形成されたＰＮ接合ダイオードまたはショットキーダイオードであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射赤外線による温度変化を２次元配列された半導体センサで検出する熱型赤外線固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な熱型赤外線固体撮像素子では、断熱構造を有する画素を２次元に配列し、入射した赤外線によって画素の温度が変化することを利用して赤外線像を撮像する。非冷却型の熱型赤外線固体撮像素子の場合、画素を構成する温度センサには、ポリシリコン、アモルファスシリコン、炭化ケイ素や酸化バナジウム等のボロメータの他、ダイオードやトランジスタ等の半導体素子を用いたものが知られている。特に、ダイオード等の半導体素子は、電気特性や温度依存性のバラツキが固体等で非常に小さいため、各画素の特性を均一にする上で有利である。
【０００３】
従来の一般的な熱型赤外線固体撮像素子では、画素が２次元に配列されており、行毎に駆動線に接続され、列毎に信号線に接続されている。垂直走査回路により各駆動線が順に選択され、選択された駆動線を介して電源から画素に通電される。画素からの出力は信号線を介して列毎に形成される積分回路に伝えられ、積分回路で積分及び増幅され、出力端子へ出力される（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また、非冷却型の熱型赤外線固体撮像素子では、前述のように、入射した赤外線による画素の微小な温度変化を検知するものであるが、環境温度の変化に伴い、素子温度が変化すると、その素子温度変化の影響の方が、検知すべき、入射赤外線による寄与に比べ、はるかに大きいものとなる。その為、一般には、素子温度を恒温制御するペルチェ素子を用い、素子温度の一定化を行っている。しかしながら、このペルチェ素子を用いて恒温制御を行うことは、消費電流の増大を招くとともに、素子の小型化の障害となる。このため、ペルチェ素子を用いない構成が望まれる。
【０００５】
しかしながら、ペルチェ素子を用いない場合、入射赤外線による寄与に比べはるかに大きな影響を与える素子温度（環境温度）の変化に起因し、素子の出力レベルが大きく変動する。この変動は、素子出力ダイナミックレンジにおける飽和現象や、素子の出力を赤外線カメラで受ける際のカメラ上のアナログ・デジタル変換回路における飽和現象を引き起こす要因となり、素子の動作を不能とする。このように、ペルチェ素子を用いないようにするためには、素子温度が素子動作温度範囲内で変動した場合に発生する素子出力レベルの変動を、素子出力ダイナミックレンジならびにカメラ上のアナログ・デジタル変換回路の入力レンジから逸脱しないよう、抑制することが必要である。これまでの非冷却型の熱型赤外線固体撮像素子において、ペルチェ素子の不要化の取組みとしては、特許文献１にあるような、参照画素である光学的無感度画素の出力を減算する手法が提案されている。
【０００６】
一方、可視のイメージセンサとしては、昨今ＣＭＯＳイメージセンサの特性向上が著しく、脚光を浴びている。非特許文献２に示されているように、フォトダイオードをセンサとし、単位画素内には、このフォトダイオードに加え、増幅ＭＯＳトランジスタ、選択ＭＯＳトランジスタ、リセットＭＯＳトランジスタ、転送ＭＯＳトランジスタの４個のＭＯＳトランジスタを形成した構成となっている。非特許文献２に同じく示されているように、フォトダイオードとしては、埋め込みフォトダイオードを採用し、暗電流の低減を実現し、転送ＭＯＳトランジスタによる“電荷完全転送”の方式によりリセットノイズの問題を解決し、特性向上が図られている。このようなＣＭＯＳイメージセンサにおいては、いわゆるＡＰＳ（Active Pixel Sensor）方式と呼ばれる、フォトダイオードにおいて発生したキャリアを単位画素内で蓄積（これは積分動作と等価といえる）し、単位画素内に形成される増幅ＭＯＳトランジスタで増幅し、列読み出し回路で読み出す方式が一般に用いられている。本方式では、まず、単位画素内に形成されるリセットＭＯＳトランジスタにより、蓄積容量（容量素子として直接設けられること無く、寄生容量で構成される場合が多い）の蓄積電荷をリセットし、その後、１フレーム期間の間、フォトダイオードにおいて発生したキャリアを蓄積した後、列読み出し回路で読み出していく。１フレーム期間といった長い蓄積時間、すなわち、積分時間により、ノイズ抑制効果が甘受され、良好な特性を得ることができている。
【０００７】
【特許文献１】特開2004-364241号公報
【非特許文献１】石川等、「従来のシリコンＩＣプロセスを用いた低コスト３２０ｘ２４０非冷却ＩＲＦＰＡ」、Part of the SPIE Conference on Infrared Technology and Applications XXV, 1999年4月発行、Vol.3698、p.556頁から564頁
【非特許文献２】太田淳監修、「ＣＭＯＳイメージセンサの最新動向」、２００７年4月発行、５２頁から５３頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のように、従来の一般的な熱型赤外線固体撮像素子では、一つの列に接続される全ての画素で、列毎に形成される積分回路を共有し、順次読み出し動作を行っていく。このため、積分回路の積分時間に対する許容可能な最大時間は、１フレーム期間を行数（例えば、列数320、行数240の撮像素子では、行数は240個）で除した値となる。よって、積分によるノイズ低減効果は限定されたものとなっている。
【０００９】
熱型赤外線固体撮像素子では、その特性指標として、温度分解能を示すNETD値（雑音等価温度差、Noise Equivalent Temperature Difference）と呼ばれる指標が用いられ、このNETD値を向上することが望まれている。NETD値は、撮像素子のノイズ値を温度感度値で除して求められるため、ノイズ値の低減がNETD値の低減（NETD値が低いほど温度分解能が良い・高性能であることを示す）に寄与する。よって、NETD値の低減化に対して、積分によるノイズ低減効果の向上が重要な課題となる。さらに、前述のように、ペルチェ素子の不要化による、消費電流の低減、素子の小型化の実現も重要な課題となっている。
【００１０】
以上のように、熱型赤外線固体撮像素子のNETD低減という性能向上と、ペルチェ素子を用いずに恒温制御の不要化による、消費電流の低減、素子の小型化とを、同時実現する熱型赤外線固体撮像素子の提供が重要課題となっている。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、第１の目的とするところは、熱型赤外線固体撮像素子のNETD低減による性能向上を実現する熱型赤外線固体撮像素子を提供することにある。また、第２の目的は、ペルチェ素子による恒温制御を不要とする熱型赤外線固体撮像素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る熱型赤外線固体撮像素子は、断熱構造と赤外線吸収構造を有した温度検出素子を含む画素を２次元配列してなる画素アレイと、画素アレイの各画素に対して、温度検出素子の電位を逆バイアスとなる所定電位に設定するリセット動作を行い、リセット動作から所定の蓄積時間経過後に該画素から出力を読み出す手段と、断熱構造及び／又は赤外線吸収構造を有しない点を除き、前記画素アレイの画素と同一の構成を有する参照画素の列と、各参照画素に対して行毎に異なる蓄積時間を付与し、参照画素に含まれる温度検出素子の電位を逆バイアスとなる所定電位に設定するリセット動作を行い、リセット動作後異なる蓄積時間経過後に各参照画素から出力を読み出す手段と、参照画素から読み出した出力を基準電圧と比較し、比較結果を出力する比較回路とを備える。画素アレイにおける画素に対する所定の蓄積時間は比較回路の出力に基づき決定される。
【００１３】
熱型赤外線固体撮像素子は、断熱構造及び／又は赤外線吸収構造を有しない点を除き、前記画素アレイの画素と同一の構成を有する第２の参照画素の列と、各第２の参照画素に含まれる温度検出素子の電位を逆バイアスとなる所定電位に設定するリセット動作を行い、該リセット動作後前記所定の蓄積時間経過後に各第２の参照画素から出力を読み出す手段と、第２の参照画素からの出力と画素アレイの画素との出力とを減算し、その減算結果を出力する手段とをさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、画素内で蓄積動作を行うことで最大で１フレーム期間の長い期間、蓄積（積分）動作が可能となる。このため、より高いノイズの低減効果が得られ、熱型赤外線固体撮像素子のNETD値を向上させることができる。さらに、参照画素からの出力を用いて画素の飽和現象の発生を判定し、飽和現象の発生の状態に基づき、蓄積時間を設定することから、室温での温度感度を最大限に高く設定することが可能となる。これにより、高温動作時においても、温度検出素子の飽和現象が発生せず、かつ、読み出し動作が正常に行われる蓄積時間を設定できる。その際、１フレーム期間といった短時間で蓄積時間を設定できるため、電源投入時や環境温度の変化発生時における素子の動作安定までの応答性を高速化できる。また、画素アレイ内の画素の出力から参照画素からの出力を減算したものを出力とすることで、環境温度に影響されず、入射した赤外線による変動分のみを出力することができ、恒温制御のためのペルチェ素子を設ける必要がなくなる。これにより、ペルチェ素子の搭載に起因する消費電流の増加、小型化の困難性等の問題を解決できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付の図面を参照し、本発明に係る熱型赤外線固体撮像素子の実施の形態を説明する。
【００１６】
１．熱型赤外線固体撮像素子の構成
図１は、本発明にかかる熱型赤外線固体撮像素子の具体的な実施形態の構成を示した図である。
【００１７】
熱型赤外線固体撮像素子は、２次元的に配列された複数の画素１０６からななる画素アレイを含む。１つの画素１０６は、ダイオード２３と、増幅ＭＯＳトランジスタ２６と、選択ＭＯＳトランジスタ３０とを含む。ダイオード２３は、例えばPN接合ダイオードまたはショットキーダイオードであり、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板上に形成され、その逆バイアス電流が温度検出に用いられる。ダイオード２３は、支持脚構造と中空部を有する断熱構造（詳細は後述）を有する。
【００１８】
ダイオード２３の第１の電極（陰極）は支持脚構造の第１の抵抗２４を介して、増幅ＭＯＳトランジスタ２６のゲート電極に接続される。ダイオード２３の第２の電極（陽極）は支持脚構造の第２の抵抗２５を介し、第１の行リセット線１０４に接続される。増幅ＭＯＳトランジスタ２６のソース電極は選択ＭＯＳトランジスタ３０のドレイン電極に接続される。選択ＭＯＳトランジスタ３０のゲート電極は行選択線１０５に接続され、ソース電極は列信号線１０９に接続される。増幅ＭＯＳトランジスタ２６のドレイン電極は電源線１１０に接続される。電源線１１０には例えば１０Ｖといった正電圧が印加される。
【００１９】
第１の行リセット線１０４及び行選択線１０５はそれぞれ第１及び第２の垂直走査回路１１７、１１８により駆動される。
【００２０】
列信号線１０９には、列毎に、電流源１０７およびサンプルホールド回路１０２が接続され、これらの回路により列信号線１０９の電位が読み出される。電流源１０７およびサンプルホールド回路１０２が「列読み出し回路」を構成する。
【００２１】
増幅ＭＯＳトランジスタ２６の出力は、選択ＭＯＳトランジスタ３０を介して、列信号線１０９に接続される列読み出し回路により読み出される。第１の行リセット線１０４に印加される電圧値の設定により、まず、ダイオード２３を順バイアス動作させることによりリセット動作を行う。その後、ダイオード２３を逆バイアス動作させることにより蓄積動作を行う。
【００２２】
熱型赤外線固体撮像素子は、上記構成に加えてさらに、断熱構造及び／又は赤外線吸収構造を有しないダイオード（以下「参照ダイオード」という。）２３ａ、２３ｂを含む画素（以下「参照画素」という。）１０３、１０８の列を含む。参照画素は、断熱構造及び赤外線吸収構造を有するダイオードを含む画素（以下「検出画素」という。）１０６と同一の単位画素構造で構成される。参照ダイオード２３ａ、２３ｂは赤外線吸収構造及び／または断熱構造を有しないため、赤外線には反応せず、周囲の環境温度変化にのみ応じた電流を出力する。
【００２３】
第１の参照画素１０８は検出画素１０６と同様の構成を有する。第１の参照画素１０８において、参照ダイオード２３ｂの第２の電極は、支持脚構造の第２の抵抗２５を介し、第１の行リセット線１０４とは電気的に接続されていない、第２の行リセット線１１１に接続される。第２の行リセット線１１１は第３の垂直走査回路１１９により駆動される。
【００２４】
第２の参照画素１０３は検出画素１０６と同様の構成を有する。第２の参照画素１０３において、参照ダイオード２３ａの第２の電極は、支持脚造の第２の抵抗２５を介し、第１の行リセット線１０４に接続される。
【００２５】
第２の参照画素１０３列に接続されたサンプルホールド回路１０２の出力と、検出画素１０６列に接続された各サンプルホールド回路１０２の出力とは、差動増幅回路１０１に入力され、減算処理される。差動増幅回路１０１の出力は、水平走査回路１００の制御に基づき出力端子１１５から出力される。
【００２６】
第１の参照画素１０８列に接続されたサンプルホールド回路１０２の出力は、比較回路１１３に入力され、基準電圧と比較される。比較回路１１３の出力は判定信号出力端子１１４から出力される。
【００２７】
本実施形態では、各画素１０３、１０６、１０８に含まれるＭＯＳトランジスタ２６、３０はすべてＮＭＯＳトランジスタで構成されるとして説明するが、ＰＭＯＳトランジスタで構成されてもよい。
【００２８】
（ダイオードの構造）
図２を参照し、温度検出用のダイオード２３の断熱構造を説明する。ダイオード２３は、図２に示すように、支持脚構造１１０１と、中空構造１１０３とを備える断熱構造を有する。PN接合ダイオードまたはショットキーダイオードの逆バイアス電流は、ダイオードの温度が7〜8℃程度上昇すると、その電流量が２倍になる温度依存性を有しており、温度センサとして良好な特性を有している。
【００２９】
次に、図３を参照し、本実施形態でダイオード２３として使用可能なPN接合ダイオードの層構造を説明する。ダイオードはＳＯＩ基板上完全分離PN接合ダイオードである。すなわち、シリコン基板４２内に酸化膜層４１が形成され、その上のＳＯＩ層３９にダイオードが形成され、素子間は完全分離膜３８により分離される。Ｐ＋層３４とＮ−層４０の縦方向の接合によりダイオードが形成されている。Ｐ＋層３４とＮ−層４０にはそれぞれ電極コンタクト３５、３６が接続される。導電型を逆にし、Ｎ＋層とＰ−層の縦方向の接合により形成しても良い。また、図４のように、Ｐ＋層３４とＮ−層４０の横方向の接合により形成されたＳＯＩ基板上完全分離PN接合ダイオードを用いても良い。導電型を逆にし、Ｎ＋層とＰ−層の横方向の接合により形成しても良い。なお、これらの図では、簡単の為、断熱構造を形成していない状態を示している。図５に、本実施形態でダイオード２３として使用可能なショットキーダイオードの構造を示す。金属４６とＮ型またはＰ型シリコン４０との仕事関数の組み合わせにより、逆バイアス電流値が決まることから、所望の電流値に合わせて、金属の種類及びシリコンの導電型の選択を行えば良い。金属４６の代わりに、金属シリサイド膜を用いても良い。
【００３０】
図６に、PN接合ダイオードまたはショットキーダイオードの逆バイアス電流の特性を示す。同図に示すように、これらのダイオードは電流電圧特性及びその温度特性を有する。これらのダイオードの逆バイアス電流は、数百fA〜数十pAの低電流量の定電流源として動作可能であり、画素内の増幅ＭＯＳトランジスタ２６のゲートに形成される微小な蓄積容量(数〜数百fF)に、最大で１フレーム期間（例えば30Hz動作では33.3msec、60Hz動作では16.7msec）の間、電荷の蓄積を行うことが可能である。例えば、15pAの定電流源を、30fFの蓄積容量で16.7msecの期間、蓄積すると、蓄積ノード（増幅トランジスタ２６のゲート）の電位低下は約8.4Vとなる。蓄積ノードの電位、すなわち、増幅トランジスタ２６のゲート電位が約8.4V低下することにより、選択ＭＯＳトランジスタ３０のオンにより読み出しが行われる際には、増幅ＭＯＳトランジスタ２６のソースフォロワ動作（ゲイン＝約１）により、列信号線１０９の電位も約8.4V変動することとなる。
【００３１】
２．熱型赤外線固体撮像素子の動作
図１に示す熱型赤外線固体撮像素子の動作を説明する。画素に入射した赤外線によりダイオード２３の温度が変化する。この温度変化にともないダイオード２３の電流量が変化し、増幅ＭＯＳトランジスタ２６のゲート電極（蓄積ノード）の電位変動値が変化する。この蓄積ノードの電位変動に伴い、列信号線１０９の電位が変動する。その列信号線１０９の電位変動が、電流源１０７とサンプルホールド回路１０２で構成される、列読み出し回路により読み出される。このようにして熱型赤外線固体撮像素子としての動作が実現される。
【００３２】
差動増幅回路１０１は、上記のようにして読み出された検出画素１０６の出力信号から、参照画素１０３の出力信号を減算処理する。減算処理した結果は出力端子１１５を介して出力される。このように、差動増幅回路１０１にて、検出画素１０６からの出力信号から、参照画素１０３からの出力信号を減じることで、環境温度に影響されず、画素１０６に入射した赤外線による温度変動成分のみの抽出を可能とする。
【００３３】
上記動作を実現するため、従来の可視ＣＭＯＳイメージセンサで用いられている、いわゆるＡＰＳ（Active Pixel Sensor）方式と呼ばれる読み出し方式と同様の方式を適用し、画素内で積分動作と等価となる蓄積動作を行わせる。具体的には、画素において、リセット動作と読み出し動作が行われる。リセット動作では、増幅ＭＯＳトランジスタ２６のゲート電極（蓄積ノード）を所定の高い電位に設定し、その後、ダイオード２３を逆バイアスする。この状態で、画素１０６に赤外線が入射するとダイオード２３にキャリアが発生し、電流が流れることによって放電し、増幅ＭＯＳトランジスタ２６のゲート（蓄積ノード）の電位が下がってゆく。このときに流れる放電電流は入射した赤外線の強度に依存する。読み出し動作では、選択トランジスタ３０がオンされ、列信号線１０９の電位が読み出される。すなわち、リセット動作後、一定時間が経過した時点で、読み出し動作が行われ、画素に接続された列信号線１０９の電位が読み出される。
【００３４】
以下、図７を参照し、リセット動作と読み出し動作を詳細に説明する。図７は、画素アレイにおけるｍ行目、ｎ列目の画素に関する、各配線への印加電圧タイミングの例を示した図である。
【００３５】
まず、図７（ａ）に示すように、リセット動作において、第１の行リセット線１０４に例えば１０Ｖといった正電圧を印加し、ダイオード２３を順バイアス動作させる。これにより、増幅ＭＯＳトランジスタ２６のゲート電極（蓄積ノード）の電位が約１０Ｖに設定される。その後、第１の行リセット線１０４に例えば０Ｖを印加し、ダイオード２３を逆バイアス動作させる（蓄積動作）。すなわち、１フレーム期間以内の所定時間、ダイオード２３の逆バイアス電流による蓄積動作を行う。このとき、増幅ＭＯＳトランジスタ２６のゲート電極電位は、図７（ｃ）に示すように変位する。その後、図７（ｂ）に示すように、行選択線１０５に例えば１０Ｖを印加して選択ＭＯＳトランジスタ３０をオンさせることにより、行選択を行い、各列の読み出し回路にて、列信号線１０９の電位を読み出す（図７（ｄ）参照）（読み出し動作）。リセット動作を行った後、読み出し動作を行うまでの動作（蓄積動作）は積分動作と等価であり、この蓄積動作の時間（蓄積時間）は、最大１フレーム期間に設定することができる。
【００３６】
以上のように、本実施形態では、積分時間と等価である蓄積時間を最大１フレーム期間とできることにより、積分動作と等価な蓄積動作によるノイズ低減効果を向上でき、温度センサのノイズを低減でき、熱型赤外線固体撮像素子のＮＥＴＤ値の改善（低減）できる。この場合、単位画素においては、温度センサとしてのダイオード１個に加え、ＭＯＳトランジスタ２個を形成するだけで良く、可視ＣＭＯＳイメージセンサでＡＰＳ方式を適用した場合に必要なリセットＭＯＳトランジスタを設ける必要がないので、回路構成を簡単にでき、チップ面積の縮小、素子の製造コストの低減、ならびに、素子を用いて作製するカメラの体積縮小及びコストの低減を実現できる。
【００３７】
また、本実施形態では、差動増幅回路１０１により検出画素１０６の信号出力から参照画素１０３の信号出力が減算処理され、この減算処理された信号が出力される。この減算処理により、検出画素１０６の信号出力から参照画素１０３の信号出力が差し引かれ、これにより、環境温度に影響されず、入射赤外線による撮像素子の温度上昇に起因した信号出力の変動分および自己発熱成分のみが抽出可能となる（なお、自己発熱成分については、本発明では温度センサに流れる電流量が微小であるため、自己発熱量は低く無視できる。）。よって、環境温度の変化にともなう撮像素子の出力の変動の影響を排除できるため、ペルチェ素子を設ける必要がなくなり、ペルチェ素子を設けることに起因する種々の問題を解決できる。
【００３８】
（蓄積時間の設定）
蓄積時間（積分時間）を設定する際の基本的な考え方について説明する。
【００３９】
温度センサであるダイオードの特性は、前述のように、素子の温度が７〜８度Ｃ程度上昇すると、その電流量が２倍になる温度依存性を有する。従って、高温の環境下で素子を動作させた場合、例えば７０度Ｃで動作させた場合、ダイオードからの電流量は、常温（ここでは２７度Ｃ）での電流量に比べ、４０〜７０倍の電流量となる。前述の例で考えれば、１５pAの定電流源を、３０fFの蓄積容量で１６．７msecの期間、蓄積する場合、蓄積ノード（増幅ＭＯＳトランジスタ２６のゲート電極）の電位低下は、室温で約８．４Vとなり、リセット時の初期電位を、前述の例での１０Vとして考えると、蓄積ノードの電位は約１．６Vとなる。一方、７０度Ｃでは、４０〜７０倍の電流量となる為、蓄積開始後、室温時の１／７０〜１／４０の蓄積時間で、室温での蓄積ノード電位１．６Vに到達することとなり、その後、約０Vに到達し、温度センサであるダイオードの端子間電圧が約０Vとなることにより、飽和してしまうこととなる。このような飽和現象が発生すると正確な温度検知（すなわち、赤外線検知）が不可能となる。従って、高温動作時にこの飽和現象を回避する必要がある。そのためには、まず電流量を減少させる手法が考えられる。つまり、素子の動作温度範囲での最高温度にて流れる電流量で蓄積した際、飽和現象が発生しないよう、電流量を設定すれば、より低温で動作した場合は、電流量が減少するため、素子の動作温度範囲全範囲で、飽和現象が回避可能となる。しかしながら、この方法では、最も使用頻度が高く、重要である室温での動作において、室温での電流量が低く設定されてしまうため、室温での温度感度が低くなってしまい、室温での素子のNETD値が悪く（高く）なってしまうという問題がある。
【００４０】
そこで、本実施形態では、室温での動作特性を最大限に高くするように以下のようにして蓄積時間（積分時間）を設定する。
【００４１】
具体的には、比較回路１１３により、第１の参照画素１０８の出力を基準電圧と比較し、その比較結果を判定信号出力端子１１４から出力する。そして、判定信号出力端子１１４からの出力（以下「判定信号出力」という。）に基づき適切な蓄積時間を決定する。以下により具体的に説明する。
【００４２】
第２の行リセット線１１１に対して、行毎に異なる蓄積時間を与える。その後、各行の第１の参照画素から得られる出力に基づき、飽和現象の発生の有無を判断し、飽和現象の発生しない蓄積時間であって最大のものを、実際に用いる蓄積時間として採用する。第２の行リセット線のそれぞれには、最大可能蓄積時間から最小可能蓄積時間まで段階的に変化変させた蓄積時間が印加される。図８を参照し、この印加タイミングを具体的に説明する。
【００４３】
例えば、図８（ａ）に示すように、第１行目の第２の行リセット線１１１の蓄積時間は、最大積分時間Ti_max（例えば、約1フレーム期間の時間）に設定される。第２行目の第２の行リセット線１１１の蓄積時間は、（Ti_max−Δｔ×１）に設定される。以下同様にして、第３行目の第２の行リセット線の蓄積時間は、（Ti_max−Δｔ×２）に、第４行目の第２の行リセット線の蓄積時間は、（Ti_max−Δｔ×３）といった蓄積時間がそれぞれ設定される。
【００４４】
例えば、図８（ｂ）に示すように、蓄積時間をTi_maxとしている第１行目、蓄積時間を（Ti_max−Δｔ×１）としている第２行目においては、判定信号出力１１４はローレベルとなる。ローレベルは飽和現象が発生していることを示す。一方、蓄積時間を（Ti_max−Δｔ×２）としている第３行目、蓄積時間を（Ti_max−Δｔ×３）としている第４行目においては、判定信号出力１１４はハイレベルとなる。ハイレベルは、飽和現象が発生していないことを示す。
【００４５】
判定信号出力１１４は、本熱型赤外線固体撮像素子が搭載される赤外線カメラに入力され、赤外線カメラの判定部（図示せず）により判定信号出力１１４が監視される。判定信号出力１１４がハイレベルとなっている場合、すなわち、第１の参照画素１０８に対するサンプルホールド回路１０２ｂの出力が基準電圧より高い電圧値となっている場合（飽和現象が発生していない場合）、赤外線カメラの判定部（例えば後述のＤＳＰ）により、最大の蓄積時間Ti_detとして、（Ti_max−Δｔ×２）を抽出する。この抽出された蓄積時間Ti_detを蓄積時間としたリセットタイミングを、第１の行リセット線１０４のタイミングに反映させ、２次元配列画素アレイおよび第２の参照画素１０３の蓄積時間をTi_detとして読み出しが行われるようにする（図８（ｃ）参照）。例えば、最大の蓄積時間Ti_detの情報が熱型赤外線固体撮像素子内の第１の行リセット線１０４及び行選択線１０５を駆動する垂直走査回路１１７、１１８に送られ、リセット及び読み出しタイミングが制御される。なお、赤外線カメラ内で実行される上記の監視動作やタイミング設定動作は、赤外線固体撮像素子上で実行しても良い。また、比較回路１１３の比較判定精度が充分高くない場合は、判定結果がローレベルからハイレベルに移行する際、ローレベルとハイレベルが混在する遷移期間が存在する場合がある。このような場合は、前後複数行の結果をも考慮することにより、完全にハイレベルに移行したことを確認すれば問題ない。
【００４６】
本手法により、高温動作時において前述の飽和現象の発生を防止できる。さらに、読み出し動作が正常に行われる積分時間を、１フレーム期間といった短時間で抽出でき、その抽出した蓄積時間を、２次元配列画素アレイの駆動に反映させることにより、飽和現象が発生せず、かつ、読み出し動作の正常実施が実現され、かつ、室温で最大限高い温度感度を達成できる。
【００４７】
３．変形例
列読み出し回路について、前述のようにサンプルホールド回路１０２で、読み出し電位をサンプルホールドし、水平走査回路１００により順次出力する構成とした。列読み出し回路はこの構成に限定されず、例えば、図９に示すように、画素からの出力を積分回路１１６により行選択期間（１フレーム期間を行数で除した時間）の間、積分を行った後、サンプルホールド回路１０２にてサンプルホールドを行い、水平走査回路１００の制御に基づき差動増幅回路１０１を介して順次出力する構成でも良い。
【００４８】
増幅ＭＯＳトランジスタ２６及び選択ＭＯＳトランジスタ３０は、本領域を選択的にＳＯＩ基板のＳＯＩ層を除去し、シリコン基板領域とし、通常のシリコン基板上に形成されたＭＯＳトランジスタとしても良い。ここで、列読み出し回路等の周辺回路については、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層を除去し、シリコン基板上にＭＯＳトランジスタを形成し、回路を作製してもよい。または、ＳＯＩ層の除去を行わず、ＳＯＩ基板上に形成しても良い。この場合、図１０に示すように、ＭＯＳトランジスタのバックゲート電極はフローティングとしておいて良い。なお、トランジスタ動作時に発生する基板電流によるホールがフローティング状態のバックゲートに蓄積され、電位変動が起こる、フローティングボディー効果と呼ばれる動作不良が懸念されるが、読み出し動作時においてトランジスタに流れる電流は０．１〜１０μＡ程度と低く、基板電流の発生量は少なく、フローティングボディー効果は問題にならないと考えられる。または、図１１に示すようにソース電極５２とバックゲート電極５８を同電位とした構造としても良い。
【００４９】
図１２に、温度検出用画素の別の構成例を示す。温度センサである断熱構造を有するダイオード２３の電極の極性を逆にして接続している。この構成の場合、リセット動作において、第１の行リセット線１０４に対して例えば０Ｖを印加してダイオード２３を順バイアス動作させ、第１の行リセット線１０４の電位を約０Ｖに設定する。蓄積動作においては、第１の行リセット線１０４に対して正電圧（例えば1０Ｖ）を印加し、ダイオード２３を逆バイアス動作させることとなる。
【００５０】
４．赤外線カメラ
図１３に、上述の赤外線固体撮像素子を搭載する赤外線カメラの構成例を示す。同図に示す赤外線カメラは、赤外線固体撮像素子６１と、被写体から発せられた赤外線を赤外線固体撮像素子６１上に結像するレンズ５９と、赤外線固体撮像素子６１上への露光を制御するシャッタ６１と、赤外線固体撮像素子６１の出力端子から出力された画像信号を増幅する増幅回路６２と、増幅回路６２のアナログ画像信号をデジタル画像信号に変換するA/Dコンバータ６３と、A/Dコンバータ６３から出力されたデジタル画像信号について各種処理を行うためのデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）及びメモリ６４と、処理された信号をアナログ信号に変換する機能とアンプ機能を兼ね備えたデジタル・アナログ変換回路兼増幅回路６５とを備えている。赤外線カメラは撮像した画像をモニタ６７に出力することができる。
【００５１】
５．まとめ
本実施形態によれば、画素内で積分動作を行い、その際、最大で１フレーム期間となる長い蓄積時間により蓄積動作（積分動作）が可能となるため、ノイズを大幅に低減でき、熱型赤外線固体撮像素子のNETD値を改善できる。すなわち、従来の熱型赤外線固体撮像素子では、列毎に形成された積分回路を各列に接続された全画素で共有していた為、積分時間が短時間になるという問題があった。例えば、列数320、行数240の撮像素子を考えると、従来の熱型赤外線固体撮像素子の積分時間は、行選択時間である、（1フレーム期間／240）であり、60Hz動作の場合、最大積分時間は、16.7msec/240=69.6μsecとなる。一方、本発明では、1フレーム期間16.7msecが最大蓄積（積分）時間となり、従来の積分時間の240倍に拡大できる。雑音帯域幅は積分時間に反比例することから、従来に比べ、雑音帯域幅を1/240に低減できる。従って、例えば、熱雑音のノイズ電圧値をｒｍｓ値にて１／√240〜1／15.5にでき、顕著なノイズ低減効果が得られる。
【００５２】
また、本実施形態では、参照画素の出力と検出画素の出力の差分をとることで、素子の環境温度の変動による素子出力への影響を排除している。これにより、ペルチェ素子を不要とし、ペルチェ素子搭載に起因する種々の問題を解決できる。
【００５３】
また、本実施形態の撮像素子は、異なる蓄積時間を与えて測定した各行の参照画素からの出力と基準値の比較結果を出力する。この比較結果を参照することで画素の飽和状態を判定し、その判定結果に基づき蓄積時間を設定する。これにより、上記蓄積時間を撮像素子の使用環境において最大限の温度感度を得られるような値に設定することができ、また、その際、１フレーム期間程度といった短時間で設定できる。よって、電源投入時や環境温度の変化発生時における素子の動作安定までの応答性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１の熱型赤外線固体撮像素子の全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態に用いるダイオードの構造例を示す断面図（ａ）及び斜視図（ｂ）である。
【図３】本発明の実施形態に用いるＳＯＩ基板上に形成したＰＮ接合ダイオードの構成を示す図（縦方向接合ＰＮ接合ダイオード）である。
【図４】本発明の実施形態に用いるＳＯＩ基板上に形成したＰＮ接合ダイオードの構成を示す図（横方向接合ＰＮ接合ダイオード）である。
【図５】本発明の実施形態に用いるＳＯＩ基板上に形成したショットキーダイオードの構成を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に用いるダイオードの逆バイアス電流特性とその温度依存性を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態１における電圧印加タイミングを示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１における第１の参照画素列に対する電圧印加タイミングを示す図である。
【図９】本発明の実施の形態１による熱型赤外線固体撮像素子の変形例の構成図である。
【図１０】本発明の実施形態に用いる、画素内に形成するＭＯＳトランジスタを、ＳＯＩ基板上に形成した例（バックゲートコンタクト無しの場合）を説明するための図である。
【図１１】本発明に用いる、画素内に形成するＭＯＳトランジスタを、ＳＯＩ基板上に形成した例（バックゲート・ソース同電位コンタクト形成の場合）を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施の形態１による熱型赤外線固体撮像素子の単位画素構成の変形例を示す図である。
【図１３】本発明の熱型赤外線固体撮像素子を搭載する赤外線カメラのブロック図である。
【符号の説明】
【００５５】
２３  断熱構造を有するダイオード、２３ａ、２３ｂ  断熱構造を有しないダイオード（参照ダイオード）、２４  支持脚構造の第１の抵抗、２５  支持脚構造の第２の抵抗、２６  増幅ＭＯＳトランジスタ、２７  列信号線、２８ 電源線、２９  単位画素、３０  選択ＭＯＳトランジスタ、３１  第１の行配線、３２  第２の行配線、３４  Ｐ＋層、３５  Ｐ型電極コンタクト、  ３６  Ｎ型電極コンタクト、  ３７  Ｎ＋層、  ３８  完全分離酸化膜、  ３９  ＳＯＩ層、  ４０  Ｎ−層、  ４１  シリコン酸化膜層、  ４２  シリコン基板、  ４６  金属または金属シリサイド、  ４７  金属側電極コンタクト、  ４８  Ｎ層、  ５１  Ｎ＋層、  ５２  ソース電極コンタクト、  ５３  ゲート電極、  ５４  ドレイン電極コンタクト、  ５５  Ｎ＋層、  ５６  Ｐ−層、  ５７  Ｐ＋層、  ５８  バックゲート電極コンタクト、５９  レンズ、  ６０  シャッタ、  ６１  熱型赤外線固体撮像素子、  ６２  増幅回路、  ６３  アナログ・デジタル変換回路、  ６４  デジタルシグナルプロセッサ、メモリ、  ６５  デジタル・アナログ変換回路兼増幅回路、  ６６  赤外線カメラ、  ６７  モニタ、１００  水平走査回路、１０１  差動増幅回路、１０２  サンプルホールド回路、１０３  第２の参照画素列、１０４  第１の行リセット線、１０５  行選択線、１０６  単位画素、  １０７  電流源、  １０８  第１の参照画素列、  １０９  列信号線、  １１０  電源線、  １１１  １行目の第２の行リセット線、  １１３  比較回路、  １１４  判定信号出力端子、  １１５  出力端子、１１６  積分回路、  １１７  第１の垂直走査回路、  １１８  第２の垂直走査回路、  １１９  第３の垂直走査回路、  ９０２  ダイオード（温度センサ）、  １１０１  支持脚、  １１０２  シリコン基板、  １１０３  中空部、  １１０４  配線、  １１０６  赤外線吸収構造
【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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