(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の一主面に形成され、周囲を前記半導体基板に囲まれた方形の空洞部と、
前記半導体基板から前記空洞部上を経由して形成された低熱伝導性のダイアフラムまたはメンブレンと、
前記空洞内に対向する二つの周辺から当距離に設けられた凸部であって、前記ダイアフラムまたはメンブレンを途中で支持する支持部と、
一端に温接点が、他端に冷接点が設けられた複数の赤外線検知部と、
少なくとも前記温接点の設置部分上に配設された赤外線吸収領域と、
を備え、
前記赤外線検知部は、前記温接点が前記ダイアフラムまたはメンブレン上における前記空洞上に設置され、かつ、前記冷接点が前記ダイアフラムまたはメンブレン上における前記空洞部周辺の半導体基板上および前記支持部上に設置され、前記支持部上には複数の冷接点が集まる冷接点集合部位が設けられ、
前記空洞部分に設けられた前記支持部によって、前記ダイアフラムまたはメンブレンが複数の部分に分けられ、
前記支持部によって分けられた前記ダイアフラムまたはメンブレンのそれぞれの部分毎に、前記半導体基板上および前記支持部上を前記冷接点の設置位置として、上記各部分毎に前記半導体基板側および前記支持部側の両側から両者の中間部に向かって前記赤外線検知部が延びるように、複数の前記赤外線検知部が設けられており、
前記冷接点集合部位を介して周辺部に設けた全体の赤外線検知部が直列に接続されていることを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】
前記空洞部分の中央部に設けられた１つの前記支持部によって、前記ダイアフラムまたはメンブレンが４つの辺に分けられ、それぞれの辺毎に、前記空洞部周辺の半導体基板と前記支持部とをそれぞれ前記冷接点の設置位置として、各辺毎に前記半導体基板側および前記支持部側の両側から両者の中間部に向かって前記赤外線検知部が延びるように、複数の赤外線検知部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
複数個の前記温接点が所定範囲にまとめて設置されるように前記赤外線検知部が配置され、かつ、その温接点の集合個所が複数個所に設置され、前記赤外線吸収領域がそれぞれの集合個所毎に分割して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線を検出するセンサ用の赤外線検出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記赤外線検出素子には、冷却を必要とする量子型と冷却を必要としない熱型の２種類がある。量子型素子は応答速度が速く感度が優れているという特徴を有する反面、冷却（例えば液体窒素温度までの冷却）工程及び良質の化合物半導体を必要とするため、コストが高くなるという問題を有している。一方、熱型赤外線検出素子は、常温で利用できるためコストが著しく低いという利点を有するが、応答速度と感度の点で量子型に劣るという問題点がある。
【０００３】
熱型赤外線検出素子には、温度の時間変化に比例して発生する出力信号を利用する焦電型、熱容量の小さい熱電対を複数組直列に接続し熱起電力を測定するサ−モパイル型、温度変化に対応する金属または半導体の電気抵抗の変化を利用するボロメ−タ型がある。しかし、これらの熱型赤外線検出素子は応答速度が遅いため、高速応答用の素子としては、専ら量子型の赤外線検出素子が利用されている。
【０００４】
熱型赤外線検出素子の一例を示すものして、図５は、マイクロマシニングにより表面形成された従来のサ−モパイル型赤外線検出素子の平面図（ａ）と、そのＧ−Ｇ′線断面図（ｂ）である。半導体基板１上に形成された空洞２を介してダイアフラム３が配置され、ダイアフラム３上にｐ型半導体４とｎ型半導体５からなる熱電対を、金属電極６により直列に複数組接続し、サ−モパイル素子を形成している。出力信号は温接点７と冷接点８間の温度差に比例するため、温接点７と冷接点８の熱分離性をよくするように、マイクロマシニングにより、エッチング穴９からエッチングして冷接点８下部以外の半導体基板１を除去し、ダイアフラム３をシリコン基板から分離するように、ダイアフラム下部に熱分離用の空洞２が形成されている。そして、熱分離梁部１０が半導体基板と熱的に接している冷接点８の集合部位で半導体基板１に支持されている。さらに、温接点７上に絶縁層１１を挟んで熱吸収領域１２が形成されている。
【０００５】
このように、半導体の微細化技術やマイクロマシニング技術の発展により、素子の微細化や熱分離構造、すなわち、半導体基板１から空洞２を介して熱的に分離されたダイアフラム３の構造形成が可能になっている。
【０００６】
ここで、図５のサ−モパイル素子を例として熱型赤外線検出素子の応答速度について検討する。熱型赤外線検出素子の応答速度は、素子の熱時定数と電気的時定数で決まるが、熱型赤外線検出素子においては一般的に、熱時定数に対して電気的時定数が小さいため、熱時定数が応答速度に大きく影響を与える。熱時定数τは（式１）に示すように素子の熱容量Ｃと熱抵抗Ｒthの積で記述される。
【０００７】
τ＝Ｒth・Ｃ………（１）
同様に素子の出力信号Ｓは下記（式２）に示すようにサ−モパイルの感度Ｒと熱エネルギ−Ｐ（入射した赤外線エネルギ−が素子の温度上昇に１００％変換されるときは入射赤外線エネルギ−）の積か、あるいは熱電対の組数ｎ、半導体材料のゼ−ベック係数α、及び冷接点８と温接点７の温度差ΔＴの積で表わすことができる。ここで、温度差ΔＴは、熱抵抗Ｒthと熱エネルギ−Ｐの積になることから、感度は熱電対の組数ｎ、半導体材料のゼ−ベック計数α及び熱抵抗Ｒthの積になる。
【０００８】
Ｓ＝Ｒ・Ｐ＝ｎ・α・ΔＴ＝ｎ・α・Ｒth・Ｐ……（２）
いま素子のダイアフラムなどの膜の厚さと、それぞれの熱電対の幅が一定として、素子のサイズが１／κになったときの応答速度と感度、出力信号の関係について近似的に考えると、（表１）のような関係になる。
【０００９】
【表１】
0003775830.tif 000002
【００１０】
（表１）から明らかなように、素子の縮小によりサイズが１／κになれば、熱時定数は（１／κ）2に出力信号は（１／κ）3になり、素子サイズが１／２になると熱時定数が１／４になり応答速度は４倍になる。しかし出力信号は１／８に低下することがわかる。この結果、応答速度の改善にもかかわらず、本来、感度が低いとされる熱型赤外線検出素子の出力信号がさらに低下することになる。このことが高速応答用として熱型赤外線検出素子が利用され難い一要因となっている。さらに、光学系と被検出体のサイズの関係と入射赤外線エネルギ−が熱吸収領域の面積に比例することから、素子の大きさを徒らに小さくすると、素子の出力信号が小さくなるから、感度の低い熱型赤外線検出素子のサイズの縮小化には問題点が残っていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の熱型赤外線検出素子では冷接点が素子の外側すなわち周辺部に位置しているため、出力信号を確保して応答速度を向上することが難しく、応答速度が要求される赤外線検出素子としては高価な量子型素子を利用している。安価で応答速度の速い熱型赤外線検出素子の実用化が可能であれば、赤外線検出の高速化として有望なものとなりうる。しかし、熱型赤外線検出素子の応答速度の向上については、以下のような点で技術的な問題があった。
（１）熱型赤外線検出素子サイズの縮小により応答速度は改善されるが、出力信号の低下が著しい。
（２）感度の低下に加えて、素子サイズと光学系の焦点距離の商と、被検出体のサイズと被検出体と素子までの距離の商との相互関係から、素子サイズの縮小化には限界があり大幅の縮小ができない。
（３）熱型赤外線検出素子の冷接点が素子の周囲に配置されているところから、素子の熱分離用ダイアフラムの支持点間の距離が長く、機械的強度が低下するため、応答速度と関連するダイアフラムの厚さをあまり薄くすることができない。本発明は上記のような問題点に着目してなされたもので、熱型赤外線検出素子の応答速度を向上し、出力信号の低下を抑えることが可能な赤外線検出素子を提供することを目的としている。
以下、熱型赤外線検出素子を単に赤外線検出素子と記載する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
以上述べた課題を解決するため、本発明においては、半導体基板の一主面に形成され、周囲を前記半導体基板に囲まれた方形の空洞部と、前記半導体基板から前記空洞部上を経由して形成された低熱伝導性のダイアフラムまたはメンブレンと、前記空洞内に対向する二つの周辺から当距離に設けられた凸部であって、前記ダイアフラムまたはメンブレンを途中で支持する支持部と、一端に温接点が、他端に冷接点が設けられた複数の赤外線検知部と、少なくとも前記温接点の設置部分上に配設された赤外線吸収領域と、を備え、前記赤外線検知部は、前記温接点が前記ダイアフラムまたはメンブレン上における前記空洞上に設置され、かつ、前記冷接点が前記ダイアフラムまたはメンブレン上における前記空洞部周辺の半導体基板上および前記支持部上に設置され、前記支持部上には複数の冷接点が集まる冷接点集合部位が設けられ、前記空洞部分に設けられた前記支持部によって、前記ダイアフラムまたはメンブレンが複数の部分に分けられ、前記支持部によって分けられた前記ダイアフラムまたはメンブレンのそれぞれの部分毎に、前記半導体基板上および前記支持部上を前記冷接点の設置位置として、上記各部分毎に前記半導体基板側および前記支持部側の両側から両者の中間部に向かって前記赤外線検知部が延びるように、複数の前記赤外線検知部が設けられており、前記冷接点集合部位を介して周辺部に設けた全体の赤外線検知部が直列に接続されるように構成している。上記の構成により、素子の熱容量と熱抵抗を低減して熱時定数を小さくし応答速度を向上させている。なお、出力信号の低下対策としては、電気的に直列接続すること、及びサーモパイルの組数の増大により対応するものである。
【００１３】
すなわち、熱抵抗の低減については温接点と冷接点の距離を短縮し熱伝導の幅を広くしている。熱容量の低減については熱吸収領域の面積を減少させている。これにより熱時定数を低減され、素子の応答速度の向上が図られる。このような冷接点を素子の内外側、すなわち、素子の中央部及び外縁部の両側に配置し、熱容量と熱抵抗の低減により熱時定数を小さくすることによって、赤外線検出素子の応答速度の向上が可能となる。
【００１４】
熱分離用として用いるダイアフラムまたはメンブレンの支持点が素子の中央部に位置することにより、支持点間の距離が短縮し素子の機械的強度が増加するから、ダイアフラムの厚さを薄くすることができ、また熱容量の低減によって素子の応答速度の向上が可能となる。熱吸収層と素子の中央部の冷接点の集合部位を複数個所に設けることにより、熱容量と熱抵抗をさらに低減することができ応答速度の向上が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の赤外線検出素子を実施の形態に応じて図面により説明する。
図１は、この発明の実施の形態１を示す図で、表面のマイクロマシニングにより作成されたサ−モパイル型赤外線検出素子の平面図（ａ）と断面図（ｂ）が示されている。素子の中央部と外縁部の両側に半導体基板１と熱的に接する冷接点８を有するサ−モパイル型赤外線検出素子は、半導体基板１上に空洞２を介してダイアフラム３が形成され、ダイアフラム上にｐ型半導体４とｎ型半導体５からなる熱電対を金属電極６で直列に複数組接続して形成されている。出力信号は温接点７と冷接点８間の温度差に比例するため、温接点７と冷接点８の熱分離をよくするように冷接点８下部以外のシリコン基板を表面マイクロマシニング技術により、エッチング穴９からエッチングにより除去し、ダイアフラム３をシリコン基板から分離し、ダイアフラム下部に熱分離用の空洞２が形成されている。そして、熱分離梁部１０が半導体基板と熱的に接している冷接点の集合部位で半導体基板１に支持されている。ここで、熱分離梁部１０またはダイアフラムの半導体基板１との支持点個所は何個所でもかまわない。しかし、素子の機械的強度と熱抵抗を考慮して熱分離梁部１０の配設数を決める必要がある。さらに、温接点７上に絶縁層１１を挟んで熱吸収領域１２が形成され、サ−モパイル型赤外線検出素子が形成される。ここでは、サ−モパイル型素子について示したが、熱電対の代わりに抵抗体を用いるボロメ−タ型素子でもよい。
【００１６】
ここで、応答速度の向上と出力信号について、図１に示した本発明の実施の形態１と、図５の従来技術との比較を近似的に検討する。いま、素子のダイアフラムの厚さとそれぞれの熱電対の幅が一定として、光学系と被検出体のサイズとの関係から赤外線検出素子に許されるサイズが一定（ダイアフラムの１辺の長さをｄ）として考える。比較を容易にするため、図５と図１の熱吸収領域の面積を、何れもダイアフラム面積ｄ2の１／４とする。図１の内側の冷接点集合部位のサイズを０．３ｄとすると、（式１）と（式２）の関係と（表１）から図１の素子と図５の従来の素子の熱時定数の比は、下記の（表２）に示すように約４：１になる。この結果、本発明の実施の形態１の素子の応答速度は、従来の素子の４倍速くなるが出力信号は約１／２になる。
【００１７】
【表２】
0003775830.tif 000003
【００１８】
上記のように、応答速度が４倍に増加する一方で、出力信号の減少は、１／２程度にとどめることができた。
【００１９】
図２は、本発明の実施の形態２を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ）、（ｃ）であり、実施の形態１における素子中央部の冷接点の集合部位を２個所にしたものである。冷接点の集合部位は複数個所であれば何個所でもよい。熱吸収領域の面積を同一とすると、本実施の形態は、実施の形態１に比べて冷接点８と温接点間７間の距離が短縮されるため、熱抵抗が小さくなり応答速度が速くなる。構成は実施の形態１に準じている。冷接点部はダイアフラムの支持部を兼ねているため素子の機械的強度の向上につながっている。このため、機械的強度を所定値に固定すればダイアフラムの厚さが薄くでき、応答速度と出力信号の両者の向上を図ることができる。
【００２０】
図３は、本発明の実施の形態３の平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。本実施の形態は、実施の形態１における熱吸収領域を複数個に分割した場合のサ−モパイル素子を示している。熱吸収層を分割にすることにより、実施の形態１よりも熱容量を著しく小さくできる。この結果、実施の形態１の素子より応答速度が向上する。
【００２１】
図４は、本発明の実施の形態４の平面図（ａ）と断面図（ｂ）、（ｃ）で、本実施の形態は、素子内側に複数個所の冷接点集合部位を有し、かつ熱吸収領域が複数個所に分割されている場合である。図４ではサ−モパイル素子の冷接点集合部位が４個所、熱吸収領域が５個所に分割した構成のサ−モパイル素子を示しているが、それぞれの分割は、複数個所であれば何個所であってもよく、実施の形態３と比較して、熱容量を小さくすることができ、熱吸収領域の面積の総和が大きくなるため、応答速度と出力信号を同時に向上させることができる。また、複数個のダイアフラム支持部を有することから、素子の機械的強度が向上する。応答速度の検討結果を（表３）にまとめている。ここで、ダイアフラムの大きさ、熱吸収領域の面積、使用材料の膜厚が図５の場合と同一と仮定して近似的に検討する。また、冷接点集合部位のサイズを０．２５ｄとする。
【００２２】
【表３】
0003775830.tif 000004
【００２３】
（表３）によれば、図４に示した実施の形態４の素子の応答は、図５の素子に比べて７．５倍に向上し、出力信号の低下が約１／３に押さえられている。ダイアフラムの支持部が４個所であることから、機械的強度を同一レベルにすると、使用材料の膜厚を薄くすることができ、応答速度と出力信号の両者を共に向上させることができる。
【００２４】
なお、上記各実施の形態は、単素子のみへの適用に限定されることなくアレイの構成にも適用することが可能である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の実施により、素子の周辺部のみならず、中央部にも冷接点部を設けることにより、冷接点と温接点間の距離が短縮され、熱時定数を小さくすることができる。この結果、出力信号のレベルを確保して応答速度を速くした熱型赤外線検出素子を低原価で提供することができる。また、ダイアフラムの支持部を素子の中央部に具備することにより素子の機械的強度が増大する。
実施の形態２における特有の効果は、実施の形態１に比べて冷接点と温接点間の距離がさらに短縮され、応答速度の向上が可能となる。また、支持部の距離が短縮されるため素子の機械的強度が増加する。
実施の形態３における特有の効果は、実施の形態１に比べて熱吸収領域が分割されているため、熱容量の著しい低減が図られ熱時定数を小さくできる。
実施の形態５における特有の効果は、熱吸収領域が分割され、熱容量の著しい低減により熱時定数を小さくすることができると同時に、熱吸収領域の面積を確保し、出力信号の低下の割合を小さくしている。また、支持部の距離が短縮されるため素子の機械的強度が増加する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る赤外線検出素子の実施の形態１の平面図と断面図である。
【図２】本発明に係る赤外線検出素子の実施の形態２の平面図と断面図である。
【図３】本発明に係る赤外線検出素子の実施の形態３の平面図と断面図である。
【図４】本発明に係る赤外線検出素子の実施の形態４の平面図と断面図である。
【図５】本発明に係る赤外線検出素子の実施の形態５の平面図と断面図である。
【符号の説明】
１…半導体基板                  ２…空洞
３…ダイヤフラム                ４…ｐ型半導体
５…ｎ型半導体                  ６…金属電極
７…温接点                      ８…冷接点
９…エッチング穴              １０…熱分離梁部
１１…絶縁層                    １２…熱吸収層
【図１】
0003775830.tif 000005
【図２】
0003775830.tif 000006
【図３】
0003775830.tif 000007
【図４】
0003775830.tif 000008
【図５】
0003775830.tif 000009