JP4257989B2 - 赤外線検出装置及びそれを用いた赤外線検出器アレイ - Google Patents
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Description
【０００１】
【技術分野】
この発明は、入射赤外線を感知する赤外線検出器の特に信号読み出し回路に関するものである。また、この検出器を平面アレイ状に配置した赤外線検出器アレイに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
赤外線検出器は、物体から放射される赤外線を検出素子（検出部）が吸収することで、検出素子温度を上昇させ、検出器を構成する検出素子の温度上昇分の特性変化を検出することで、物体の温度情報を検知するものである。
【０００３】
従来のボロメータ型赤外線検出器の一例を説明するために、検出器を構成する検出素子部の概略斜視図を図１０に示す。ボロメータ型赤外線検出器は、入射赤外線を感知する熱型赤外線検出器の一方式で、検出器を構成する抵抗体の温度上昇による抵抗変化分を電流、電圧等に変換して物体の温度情報を検知するものである。図において、１０１は抵抗体で、温度による抵抗変化率の大きい材料を用いており、この抵抗体１０１の温度を効率的に上昇させ、かつ上昇した検出素子温度を低下させないよう、シリコン基板１０３上にマイクロマシニング技術を用いて、熱絶縁構造１０４（空洞部）が形成されている。１０２は信号を検出素子から外部に取り出すための電極配線である。
【０００４】
また、熱型赤外線検出器には、半導体の接合ダイオードの順方向電圧の変化を利用したものも提案されている。図１１に接合ダイオード型の赤外線検出器を説明するための回路図を示す。１０５は接合ダイオードで、ここでは４個接続されており、このダイオード１０５には定電流源１０６により一定電流が流れる。物体からの光（ＩＲ）がダイオード１０５に照射されると、ダイオードの順方向の電圧が変化するので、信号出力線１０７でその変位量を検知することで、物体の温度情報を得ることができる。これらの順方向電圧の変化量は抵抗変化率の大きい材料を用いたボロメータ型と比べ変化量が小さいため、感度の面で劣る。しかし信号読み出し回路と共にシリコンＩＣプロセスを使って作り込むことができる利点がある。またボロメータのような特性の不安定性やウエハ面内の不均一性がほとんどないという利点もある。また感度に関しては複数個ダイオードを連結することで増加させることができる。
【０００５】
上記説明した、熱型赤外線検出器を複数個２次元に並べた赤外線検出器アレイは固体撮像素子として暗視カメラ等に利用されている。赤外線検出器アレイの性能は雑音等価温度差（ＮＥＴＤ：Ｎｏｉｓｅ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ、以下ＮＥＴＤと称する）で表される。これは各検出器間の信号の雑音と温度感度の比であるので、ＮＥＴＤを改善するためには温度感度の上昇以外に雑音の抑制が重要である。
【０００６】
雑音は検出器または検出器を構成する検出素子および読み出し回路で発生するが、不要な信号帯域を制限することで雑音が効果的に抑制される。信号帯域の制限方法として代表的なものに積分回路があげられる。図１２は、量子型赤外線検出器にゲート変調回路（積分回路の一つ）を用いた例について説明するための図である。図において、１１１は量子型の検出素子で、光が入射すると検出素子１１１で発生したキャリアは負荷抵抗１１２を伝わり、ノード１１３の電圧を変化させる。電気的容量１１４は予めリセットスイッチ１１５により、ある電圧に充電されている。ノード１１３の変化はＭＯＳＦＥＴ１１７の電流を変化させるため電気的容量１１４から放電される電流量が変化する。ある一定期間放電したときの信号出力線１１６の電流値変化は検出素子１１１で発生するキャリア量すなわち光の入射に応じて変化し、その変化量はノード１１３の電圧変化量と電気的容量１１４の大きさ、放電時間、ＭＯＳＦＥＴ１１７の相互コンダクタンスで決まる。一方、この時の放電時間が信号の帯域を決めるため、放電時間を長くするほど帯域を制限し雑音を押さえることができる。
【０００７】
上記のように、量子型検出器では、ゲート変調による積分回路を用いることにより、雑音抑制を図っていたが、このような手法を熱型検出器に利用した場合、検出器温度が変化すると出力変動が大きく変化し、本来の目的である入射赤外線による検出素子の微少な温度変化を読み出せないといった問題が発生する。
【０００８】
本発明は上記のようなため、問題を解決するためになされたもので、熱型赤外線検出器に量子型で用いた雑音抑制手法を適用することが可能な検出器を提供するものである。すなわち、検出素子以外に検出器全体の温度を検知するセンサを使って検出器温度による出力変動の抑制された出力の得られる検出器を提供することを特徴とする。さらに、このような赤外線検出器を１次元または２次元アレイ状に配置した赤外線検出器アレイを提供することを目的とする。
【０００９】
発明の開示
本発明の第１の発明に係る第１の赤外線検出器は、シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部の形成された断熱構造を有する複数の接合ダイオードが直列に連結された第１の接合ダイオード群からなる熱型赤外線検出素子部と、前記第１の接合ダイオード群のカソードに接続された第１の定電流源と、ゲートが前記第１の接合ダイオード群のカソードに接続され、入射された赤外線量に応じて変化する前記熱型赤外線検出素子部の出力をゲート電圧とするデプレッション型のＭＯＳＦＥＴと、前記シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された断熱構造をもたない前記第１の接合ダイオード群と同数の接合ダイオードが直列に連結された第２の接合ダイオード群からなり、その出力を前記ＭＯＳＦＥＴのソース電圧とするために前記第２の接合ダイオード群のカソードが前記ＭＯＳＦＥＴのソースに接続された温度検出素子部と、前記第２の接合ダイオード群のカソードに接続された第２の定電流源と、前記ＭＯＳＦＥＴのドレインに一端が接続され、他端が接地された電気的容量部と、前記電気的容量部の一端に接続されたスイッチと、を備え、前記スイッチを介して前記電気的容量部が充電され、前記ゲートと前記ソース間の電圧変動を前記電気的容量部の放電量の変化分として出力するので、断熱構造をもたない第２の温度検出素子部の出力は検出器自身の温度変動であり、これにより、赤外線の真の検知部である、第１の熱型赤外線検出素子部の出力を補正することが可能となり、雑音の抑制された高性能な検出器を得ることが可能となる。
【００１０】
また、上記赤外線検出器において、熱型赤外線検出素子部は、接合ダイオードが複数個連結された第１のダイオード群からなり、温度検出素子部は、接合ダイオードが複数個連結された第２のダイオード群からなることを規定したので、検出器の周辺回路とともにシリコンＩＣプロセスで簡便に作り込むことが可能となる。
また、上記赤外線検出器において、前記第２の接合ダイオード群の上方に赤外線を遮光する遮光部を有していてもよい。
また、上記赤外線検出器において、断熱構造をもたない複数の接合ダイオードが直列に連結された前記第２の接合ダイオード群に代えて、その下方に空洞部の形成された断熱構造を有する複数の接合ダイオードが直列に連結された第２の接合ダイオード群を有していてもよい。
また、上記赤外線検出器において、前記第１のダイオード群の接合ダイオードの数と、前記第２のダイオード群の接合ダイオードの数が同じであってもよいし、ことなっていてもよい。したがって、ＭＯＳＦＥＴとしてエンハンストメント型も使用可能であり、設計の自由度が向上する。
【００１１】
本発明の第２の発明に係る第２の赤外線検出器は、シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部の形成された断熱構造を有する複数の接合ダイオードが直列に連結された第１の接合ダイオード群からなる熱型赤外線検出素子部と、前記第１の接合ダイオード群のカソードに接続された第１の定電流源と、ベースが前記第１の接合ダイオード群のカソードに接続され、入射された赤外線量に応じて変化する前記熱型赤外線検出素子部の出力をベース電圧とするバイポーラトランジスタと、前記シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された断熱構造をもたない前記第１の接合ダイオード群より１個多い数の接合ダイオードが直列に連結された第２の接合ダイオード群からなり、その出力を前記バイポーラトランジスタのエミッタ電圧とするために前記第２の接合ダイオード群のカソードが前記バイポーラトランジスタのエミッタに接続された温度検出素子部と、前記第２の接合ダイオード群のカソードに接続された第２の定電流源と、前記バイポーラトランジスタのコレクタに一端が接続され、他端が接地された電気的容量部と、前記電気的容量部の一端に接続されたスイッチと、を備え、前記スイッチを介して前記電気的容量部が充電され、前記ベースと前記エミッタ間の電圧変動を前記電気的容量部の放電量の変化分として出力するので、断熱構造をもたない温度検出素子部の出力は検出器自身の温度変動であり、これにより、赤外線の真の検知部である、熱型赤外線検出素子部の出力を補正することが可能となり、雑音の抑制された高性能な検出器を得ることが可能となる。
【００１２】
また、上記第２の発明による赤外線検出器において、熱型赤外線検出素子部は接合ダイオードが複数個連結された第１のダイオード群からなり、温度検出素子部は接合ダイオードが複数個連結された第２のダイオード群からなるので、検出器の周辺回路とともにシリコンＩＣプロセスで簡便に作り込むことが可能となる。
また、上記第２の発明による赤外線検出器において、前記第２の接合ダイオード群の上方に赤外線を遮光する遮光部を有していてもよい。
また、上記第２の発明による赤外線検出器において、断熱構造をもたない複数の接合ダイオードが直列に連結された前記第２の接合ダイオード群に代えて、その下方に空洞部の形成された断熱構造を有する複数の接合ダイオードが直列に連結された第２の接合ダイオード群を有していてもよい。
【００１３】
本発明の第３の発明に係る赤外線検出器アレイは、上記第１、第２の発明に係る赤外線検出器を１次元または２次元アレイ状に配置したので、検出器毎に温度補正のされた出力（画像）を得ることができ、高性能な赤外線検出器アレイを得ることができる。
【００１４】
本発明の第４の発明に係る第２の赤外線検出器アレイは、シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部の形成された第１の熱型赤外線検出素子部を１次元または２次元アレイ状に配置し、前記アレイの列毎にシリコン基板上に絶縁層を介して形成された第２の温度検出素子部と電気的容量とを配置し、前記各列の第１の赤外線検出素子部の出力をゲート電圧とし、同じ列の前記第２の温度検出素子部の出力をソース電圧とするＭＯＳＦＥＴを列毎に備え、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間の電圧変動により放電した前記電気的容量の電圧を読み出し信号として出力するので、検出器毎に温度補正部を有するものより、構成が簡便で、列毎に温度補正のされた出力（画像）を容易に得ることができ、高性能な赤外線検出器アレイを得ることができる。
【００１５】
発明を実施するための最良の形態 本発明の第１の発明においては、一検出器の構成として、シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部が形成され断熱構造を有する第１の熱型赤外線検出素子部と、同様にシリコン基板上に絶縁層を介して形成され、断熱構造をもたない第２の温度検出素子部とを形成し、この第２の素子部は実際入射された赤外線を検出する機能をもたず、検出器全体の温度変動を検知するように動作させる。入射された赤外線量に応じて変化した前記第１の熱型赤外線検出素子部の出力をゲート電圧とし、第２の温度検出素子部の出力をソース電圧とするＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース電圧変動を温度補正のされた信号とし、この信号をＭＯＳＦＥＴに接続された電気的容量部の放電量の変化分として出力するように構成した。これにより、赤外線の真の検知部である、第１の熱型赤外線検出素子部の出力を補正することが可能となり、雑音の抑制された高性能な検出器を得ることが可能となる。
【００１６】
また、上記赤外線検出器において、第１の熱型赤外線検出素子部及び第２の温度検出素子部を接合ダイオードが複数個連結されたダイオード群で構成したので、検出器の周辺回路とともにシリコンＩＣプロセスで簡便に作り込むことが可能となる。さらに、第１、第２の検出素子部を構成するダイオード群のダイオードの数が異なるようにすることで、ＭＯＳＦＥＴとしてエンハンストメント型の使用を可能とした。
【００１７】
一方、上記第１の発明による赤外線検出器において、第１の熱型赤外線検出素子部及び第２の温度検出素子部を抵抗体で構成し、抵抗の温度係数の高いものを選ぶことにより感度の高い検出器を得ることが容易となった。さらに、第１、第２の検出素子部を構成する抵抗体が同じ抵抗値とすることで、ＭＯＳＦＥＴとしてデプレッション型の使用を可能とした。
【００１８】
本発明の第２の発明に係る第２の赤外線検出器は、一検出器の構成として、シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部が形成され断熱構造を有する第１の熱型赤外線検出素子部と、同様にシリコン基板上に絶縁層を介して形成され、断熱構造をもたない第２の温度検出素子部とを形成し、この第２の素子部は実際入射された赤外線を検出する機能をもたず、検出器全体の温度変動を検知するように動作させる。入射された赤外線量に応じて変化した前記第１の熱型赤外線検出素子部の出力をベース電圧とし、第２の温度検出素子部の出力をエミッタ電圧とするバイポーラトランジスタのベースエミッタ電圧変動を温度補正のされた信号とし、この信号をバイポーラトランジスタに接続された電気的容量部の放電量の変化分として出力するように構成した。これにより、赤外線の真の検知部である、第１の熱型赤外線検出素子部の出力を補正することが可能となり、雑音の抑制された高性能な検出器を得ることが可能となる。
【００１９】
また、上記第２の発明による赤外線検出器は、第１の熱型赤外線検出素子部及び第２の温度検出素子部を、接合ダイオードが複数個連結されたダイオード群で構成したので、検出器の周辺回路とともにシリコンＩＣプロセスで簡便に作り込むことが可能となる。また、第１の熱型赤外線検出素子部及び第２の温度検出素子部を、抵抗体で構成したので、抵抗の温度係数の高いものを選べば感度の高い検出器を得ることが容易になる。
【００２０】
本発明の第３の発明に係る第１の赤外線検出器アレイは、上記第１、第２の発明に係る赤外線検出器を１次元または２次元アレイ状に配置し、垂直シフトレジスタ、水平シフトレジスタにより、順次読み出すようにしたので、検出器毎に温度補正のされた出力（画像）を得ることができ、高性能な赤外線検出器アレイを得ることができる。
【００２１】
本発明の第４の発明に係る第２の赤外線検出器アレイは、シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部の形成され断熱構造を有する第１の熱型赤外線検出素子部を１次元または２次元アレイ状に配置し、前記アレイの列毎にシリコン基板上に絶縁層を介して形成された断熱構造をもたない第２の温度検出素子部と電気的容量とを配置し、前記各列の第１の赤外線検出素子部の出力をゲート電圧とし、同じ列の前記第２の温度検出素子部の出力をソース電圧とするＭＯＳＦＥＴを列毎に備え、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間の電圧変動により放電した前記電気的容量の電圧を読み出し信号として出力するので、第２の温度検出素子部は実際入射された赤外線検出の機能をもたず、列毎のあるいはアレイ全体の温度変動を検出し出力するので、検出器毎に温度補正部を有するものより、構成が簡便で、列毎に温度補正のされた出力（画像）を容易に得ることができ、高性能な赤外線検出器アレイを得ることができる。
以下、この発明の実施例を図について説明する。
【００２２】
【実施例１】
図１は、本発明の第１の実施例を説明するための検出器回路図である。図において、１は赤外線受光部（受光素子）で、接合ダイオードを４個連結してある。これらのダイオードは断熱構造が施されており、入射赤外線に対して効果的な温度上昇が行われる。２は検出器全体の温度変動の出力への影響を抑制するための補償部で、１と同様にダイオードを４個連結してある。２は断熱構造が施されていないため赤外線が入射してもほとんど温度変化しない。それぞれのダイオード群１、２は順方向バイアス状態で、定電流源３、４により、一定電流が流れる。ダイオードの両端にかかる電圧はダイオードの温度によって変動する。そのためダイオード群１、２は同一検出器内に作り込まれているため、検出器全体の温度が変動した場合、各ダイオードの温度による電圧変動幅は同じになる。５はＭＯＳＦＥＴ、６は電気的容量、７はリセットスイッチ、８は信号出力線である。受光部１に赤外線が入射するとノード９の電圧は増加し、ＭＯＳＦＥＴ５のゲート・ソース間の電圧が変化する。予めリセットスイッチ７を通して充電された電気的容量６は、ＭＯＳＦＥＴ５を介して放電するが、放電電流量はノード９の電圧つまり入射赤外線の量に応じて変化する。結果として放電を開始してからある時間ｔｉｎｔ経過したときの信号出力線８の電圧は、入射赤外線の量で変化する。この時の信号出力の帯域は１／２ｔｉｎｔで表され、放電時間が長いほど帯域は制限され雑音は小さくなる。ある放電時間後の信号出力電圧は定電流電源３のしきい値電圧や相互コンダクタンスと電気的容量６の容量値を適当に選べば、所望の値に調整することができる。
【００２３】
この実施例では赤外線が入射するとＭＯＳＦＥＴ５のゲート電圧のみが変動するが、検出器全体の温度が変動してもソースはゲート電圧と同じように変化するため、すなわち、ソース電圧はダイオード群１と同様に変動するダイオード群２の変動に依存するため、ゲート・ソース間電圧は変化しない。このため検出器の温度変動による出力変動を効果的に押さえることができる。
【００２４】
図２に、本発明の実施例１による赤外線検出器の断面構造の一部を模式的に示したものである。図中（ａ）は構造の一例で、シリコン基板１１上に例えば多結晶シリコンあるいは非晶質シリコンからなる台座１２を形成し、この台座を覆うように例えばＳｉＯ２や窒化シリコンからなる絶縁層１３を形成する。その際に、ダイオード群１、２および配線等（図示せず）を作り込む。ダイオード群１側の絶縁層に台座に到達するホール（図示せず）を形成し、このホールを介してＫＯＨ等のエッチャントにより、ダイオード群１の下方の台座を除去し、空洞部１２ｂを得る。一方、ダイオード群２の下方はエッチングされないため、断熱構造となる空洞は形成されず、台座部１２ａ残る。
【００２５】
図２中（ｂ）は他の構造の一例で、基板としてＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を用いる。ＳＯＩ基板１４はシリコン基板上にＳｉＯ２からなる絶縁膜が形成されたものである。ＳＯＩ自身が低雑音であるため、高性能な検出器を作成するのに非常に有効である。ＳＯＩ基板を用いた場合の製造工程の一例について説明する。ＳＯＩ基板１４上にダイオード群１、２及び配線等（図示せず）を形成し、これを覆うようにさらに絶縁膜（保護膜）１３を形成する。その上に、ダイオード群１の周囲をエッチングするためのレジストをパターニングし、ドライエッチングを施す。すると、ダイオード群１の周囲にホールが形成され、そのホールを介してさらに下方のシリコン基板がエッチングされ、空洞部１５を形成する。
【００２６】
図中（ｃ）はダイオード群２の上方に遮光部１６を設けたものである。ダイオード群２を（ａ）のダイオード群１と同様に下方に空洞部を設け断熱構造を有するものにして、遮蔽部を設けて赤外線の影響を除くようにしてもよい。また、（ａ）（ｂ）のような断熱構造を有しないダイオード群２とし、これは赤外線センサとしては鈍感であるが、その影響をさらに除去するためにこのような遮光部１６を設けてもよい。
【００２７】
【実施例２】
上記実施例１では、ＭＯＳＦＥＴ５として、デプレッション型ＭＯＳＦＥＴを用いた例について説明したが、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。図３は、本発明の第２の実施例を説明するための検出器回路図である。図において、２１は赤外線受光部で、接合ダイオードを例えば３個連結してある。ダイオード群２１はダイオード群２よりもダイオードが１つ少ないので、ダイオード１つ分の電圧差がＭＯＳＦＥＴ２０のソース・ドレイン間で発生する。そのため、エンハンスメント型でも放電が可能になり、ＭＯＳＦＥＴ２０にエンハンスメント型を用いることが可能となる。
【００２８】
上記実施例２では、実施例１（図１）において、個々の接合ダイオードと、定電流電源３、４とは全く同じ物で、同じ電流を流しており、ダイオード群２１とダイオード群２とで、その個数を１つ変えた例について説明したが、ダイオード群２１とダイオード群２との間での個数の差は１に限定されるものではない。また、実施例１（図１）において、接合ダイオード群１、２の接合面積の大きさを変更したり、定電流電源３、４の電流値をそれぞれ調整することで５のＭＯＳＦＥＴをエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ２０にすることも可能である。
【００２９】
【実施例３】
上記実施例２では、実施例１のＭＯＳＦＥＴ５として、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ２０を用いる例について説明したが、バイポーラトランジスタ１２を用いることもできる。図４は、本発明の第３の実施例を説明するための検出器回路図である。図において、２２は積分用ＭＯＳＦＥＴをバイポーラトランジスタとしたもので、この方法は特に検出器をダイオードにした場合に有利である。受光部２１の接合ダイオードは実施例２と同様に接合ダイオードを３個連結してある。これらのダイオードは断熱構造が施されており、入射赤外線に対して効果的な温度上昇が行われる。２には接合ダイオードを４個連結してある。こちらは断熱構造が施されていないため赤外線が入射してもほとんど温度変化しない。第１の実施例では検出器全体の温度が変動してもゲートとソースの電圧が同時に動くため検出器温度に対する補正がほぼ行われるが、積分用ＭＯＳＦＥＴ５の電流値が温度により変動するため、わずかに温度変動による影響が出てしまう。しかし第４図による本実施例ではバイポーラトランジスタ２２を使用しているため、ダイオード群２１とダイオード群２とのダイオード連結数の違いによるエミッタ・コレクタ間の電圧の温度変動分をバイポーラトランジスタの温度変動が補い、温度変動による信号出力変動が全く無くなる。
【００３０】
【実施例４】
上記実施例１乃至３においては受光部に接合ダイオードを用いた熱型赤外線検出器の例について説明したが、本実施例では受光部の温度検出材料をボロメータとした例について説明する。
【００３１】
図５は、本発明の第４の実施例を説明するための検出器回路図である。図において、３１は赤外線受光部（受光素子）で、抵抗体からなり、断熱構造が施されており、入射赤外線に対して効果的な温度上昇が行われる。３２は検出器全体の温度変動の出力への影響を抑制するための補償部で、抵抗体３１と同一の材料からなる抵抗体である。抵抗体３２は断熱構造が施されていないため赤外線が入射してもほとんど温度変化しない。動作原理は実施例１と同様である。それぞれの抵抗体３１、３２には、定電流源３、４により一定電流が流れる。抵抗体の両端にかかる電圧は抵抗体の温度によって変動する。抵抗体３１、３２は同一検出器内に作り込まれているため、検出器全体の温度が変動した場合、各抵抗体の温度による電圧変動幅は同じになる。抵抗体３１に赤外線が入射するとノード９の電圧は変化し、ＭＯＳＦＥＴ５のゲート・ソース間の電圧が変化する。予めリセットスイッチ７を通して充電された電気的容量６は、ＭＯＳＦＥＴ５を介して放電するが、放電電流量はノード９の電圧つまり入射赤外線の量に応じて変化する。結果として放電を開始してからある時間ｔｉｎｔ経過したときの信号出力線８の電圧は、入射赤外線の量で変化する。この時の信号出力の帯域は１／２ｔｉｎｔで表され、放電時間が長いほど帯域は制限され雑音は小さくなる。ある放電時間後の信号出力電圧は定電流電源３のしきい値電圧や相互コンダクタンスと電気的容量６の容量値を適当に選べば、所望の値に調整することができる。
【００３２】
この実施例では赤外線が入射するとＭＯＳＦＥＴ５のゲート電圧のみが変動するが、検出器全体の温度が変動してもソースはゲート電圧と同じように変化するため、すなわち、ソース電圧は抵抗体３１と同様に変動する抵抗体３２の変動に依存するため、ゲート・ソース間電圧は変化しない。このため検出器の温度変動による出力変動を効果的に押さえることができる。
上記のように、ボロメータ型でも実施例１の接合ダイオード型と同様に検出器温度変動による出力変動を押さえることができる。
【００３３】
【実施例５】
上記実施例４では、ＭＯＳＦＥＴ５として、デプレッション型ＭＯＳＦＥＴを用いた例について説明したが、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。図６は、本発明の第５の実施例を説明するための検出器回路図である。図において、３１は赤外線受光部で、抵抗体３１からなり、３３は抵抗体で、抵抗体３１とはその抵抗値、すなわち長さや幅が異なる。２０はエンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴである。この時は４抵抗体３１、３２の長さや幅の比を調整することで積分用ＭＯＳＦＥＴ２０のゲートソース間の電圧を調整する。あるいは、抵抗体３１と抵抗体３３とを全く同じものとし、定電流源３４と３５の電流値を調整しても同様に、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート・ソース間の電圧を調整できる。これにより、エンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴ２０を用いても、電気的容量６の放電が可能となり、実施例４と同様の効果、すなわち、このため検出器の温度変動による出力変動を効果的に押さえることができる。
【００３４】
【実施例６】
接合ダイオード型の実施例３と同様に、抵抗体を用いたボロメータ型においても積分用トランジスタをバイポーラトランジスタ１２に変更することは可能であることは言うまでもない。この時の回路図を図７に示す。
なお、上記実施例２〜６においては、実施例１の図２で説明したような製造工程に順じて同様に検出器が製造される。
また、上記実施例１〜６においては、電気的容量の放電を利用していたが、電気的容量を充電するような動作でも同様な効果が得られる。
【００３５】
【実施例７】
上記実施例１〜６で構成された、検出器の温度変動の抑制された出力の得られる赤外線検出器を、１次元、あるいは２次元に配置して、赤外線固体撮像素子に適用することができる。
【００３６】
図８は、本発明の第７の実施例を説明するための、２次元状に配置した検出器アレイの構成を示した図である。図中（ａ）において、各検出器１０１１ａ、１０１１ｂ…は二次元アレイ状に配置し、それぞれ水平シフトレジスタ１００２に接続される垂直信号線１００４に接続されて列をなし、垂直シフトレジスタ１００１に接続される水平信号線１００５に接続されて行をなす。また、１００３はバッファである。各検出器の構成を図中（ｂ）に示す。検出器の主要部Ａは例えば、実施例２（図３）で説明した検出器からなり、信号出力がサンプルホールド４１を介して水平信号線１００４へと出力される。
【００３７】
垂直シフトレジスタ１００１により、アレイ状に配置された検出器のある行が選択される。選択された行の検出器は、すでに電気的容量６が充電され、リセットスイッチ７が開放されており、検出器全体の温度変動の補正された出力が電気的容量６の変化分として、サンプルホールド４１へ出力される。垂直シフトレジスタ１００１による１行の選択期間中に、水平シフトレジスタ１００２により各列が順次選択され、選択された行・列の出力信号がサンプルホールド４１から順次読み出される。読み出された出力信号は、バッファを介して外部へ出力される。
【００３８】
上記の構成により、それぞれの画素に対応する検出器からの出力信号は、検出器の温度変動が補正され、雑音の抑制された信号であるので、赤外線検出器アレイとして、高性能なものが提供できる。
【００３９】
なお、上記実施例では検出器Ａ部を実施例２のものである例について説明したが、他の実施例１、３〜５のものであっても、同様の効果を奏することは言うまでもない。
また、本実施例は２次元アレイ状に配置したものについて説明したが、１次元に配置したものであってもよい。
【００４０】
【実施例８】
上記実施例７では、各画素毎に検出器（画素）分の温度補正用の回路を設けた例について示したが、アレイ状に配置した場合は、この温度補正用の回路を列毎に設けてもよい。この場合、温度補正は列毎になるため上記実施例７よりも補正の精度は劣るが、レイアウトが容易となり、製造工程も実施例７より簡便である。
【００４１】
図９は、本発明の第８の実施例を説明するための、２次元状に配置した検出器アレイの構成を示した図である。図において、２０１１ａ、２０１１ｂ…は赤外線検出器で、接合ダイオードを複数個連結したものからなり、検出器の順方向の信号は、垂直信号線２００４を介して、積分用ＭＯＳＦＥＴ２０５１のゲートに入る。他方向は、垂直シフトレジスタ２００１に接続された水平信号線２００５に接続される。２０２１ａ、２０２１ｂ、…はそれぞれの列の検出器の温度補正部で、検出器２０１１ａ、２０１１ｂ、…と同様に複数個連結された接合ダイオードからなる。２０６１ａ、２０６１ｂ、…は検出器２０１１ａ、…と温度補成部２０２１ａ、…用の定電流源、２０７１ａ、２０７１ｂ、…は放電用の電気容量である。２００２は水平シフトレジスタ、２００３はバッファ、２００７はサンプルホールドである。
【００４２】
次に動作について説明する。放電用の電気容量２０７１、…をある電圧に充電した後、垂直シフトレジスタ２００１により、ある行が選択される。検出器２０１１、…には電流が流れ、積分用ＭＯＳＦＥＴ２０５１、…のゲートソース間に所定の電圧が発生し、電気容量２０７１、…からの放電が始まる。垂直シフトレジスタ２００１の選択が解除されると、電気容量２０７１、…の放電が止まり、電気容量２０７１、…の電圧を水平シフトレジスタ２００２により、順次読み出す。以下、垂直シフトレジスタ２００１により、順次行を選択して同様の動作を繰り返すことで、全ての画素に相当する検出器の信号を読み出すことができる。読み出された信号はサンプルホールド２００７、バッファ２００３を介して外部へ出力される。
【００４３】
上記のような構成により、列毎に温度補正回路を有するので、それぞれの画素に対応する検出器からの出力信号は、検出器の温度変動が列毎に補正され、雑音の抑制された信号であるので、赤外線検出器アレイとして、高性能なものが提供できる。
なお、上記実施例では検出器２０１１ａ、…と温度補正部２０６１ａ、…とについては複数個連結された接合ダイオードを用い、積分用ＭＯＳＦＥＴ２０５１ａ、…を用いた例について説明したが、これらの関係は実施例１〜６で説明した組み合わせであっても、同様の効果を奏することは言うまでもない。例えば、検出器２０１１ａ、…と温度補正部２０６１ａ、…とについては個数の異なる接合ダイオードや抵抗値の異なる抵抗体を用い、２０５１ａ、…についてはバイポーラトランジスタを用いるような組合わせであってもよい。
また、本実施例は２次元アレイ状に配置したものについて説明したが、１次元に配置したものであってもよい。
【００４４】
【産業上の利用可能性】
この発明による赤外線検出器及び検出器アレイは暗視カメラ等に利用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の第１の実施例による接合ダイオードを用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図２】 図２は第１の実施例による検出器要部の断面模式図で、図中（ａ）と（ｂ）はダイオード群１の下方の空洞部（断熱構造）の形成の異なる例、（ｃ）はダイオード群２の上方に遮光部を設けた例である。
【図３】 図３は、本発明の第２の実施例による接合ダイオードを用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図４】 図４は、本発明の第３の実施例による接合ダイオードを用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図５】 図５は、本発明の第４の実施例による抵抗体を用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図６】 図６は、本発明の第５の実施例による抵抗体を用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図７】 図７は、本発明の第６の実施例による抵抗体を用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図８】 図８は、本発明の第７の実施例による赤外線検出器アレイの構成を説明するための図で、図中（ａ）は全体構成図、図中（ｂ）は一検出器分の構成を示したものである。
【図９】 図９は、本発明の第８の実施例による赤外線検出器アレイの構成を説明するための図である。
【図１０】 図１０は、従来技術のボロメータを用いた熱型赤外線検出器の構造を説明するための模式的斜視図である。
【図１１】 図１１は従来技術の接合トランジスタを用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図１２】 図１２は従来技術の量子型の赤外線検出器を説明するための回路図で、信号帯域を制限するための積分回路を設けたものである。
【符号の説明】
１：赤外線受光部（受光素子）、２：補償部、３、４：定電流源、５：ＭＯＳＦＥＴ、６：電気的容量、７：リセットスイッチ、８：信号出力、９：ノード
【技術分野】
この発明は、入射赤外線を感知する赤外線検出器の特に信号読み出し回路に関するものである。また、この検出器を平面アレイ状に配置した赤外線検出器アレイに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
赤外線検出器は、物体から放射される赤外線を検出素子（検出部）が吸収することで、検出素子温度を上昇させ、検出器を構成する検出素子の温度上昇分の特性変化を検出することで、物体の温度情報を検知するものである。
【０００３】
従来のボロメータ型赤外線検出器の一例を説明するために、検出器を構成する検出素子部の概略斜視図を図１０に示す。ボロメータ型赤外線検出器は、入射赤外線を感知する熱型赤外線検出器の一方式で、検出器を構成する抵抗体の温度上昇による抵抗変化分を電流、電圧等に変換して物体の温度情報を検知するものである。図において、１０１は抵抗体で、温度による抵抗変化率の大きい材料を用いており、この抵抗体１０１の温度を効率的に上昇させ、かつ上昇した検出素子温度を低下させないよう、シリコン基板１０３上にマイクロマシニング技術を用いて、熱絶縁構造１０４（空洞部）が形成されている。１０２は信号を検出素子から外部に取り出すための電極配線である。
【０００４】
また、熱型赤外線検出器には、半導体の接合ダイオードの順方向電圧の変化を利用したものも提案されている。図１１に接合ダイオード型の赤外線検出器を説明するための回路図を示す。１０５は接合ダイオードで、ここでは４個接続されており、このダイオード１０５には定電流源１０６により一定電流が流れる。物体からの光（ＩＲ）がダイオード１０５に照射されると、ダイオードの順方向の電圧が変化するので、信号出力線１０７でその変位量を検知することで、物体の温度情報を得ることができる。これらの順方向電圧の変化量は抵抗変化率の大きい材料を用いたボロメータ型と比べ変化量が小さいため、感度の面で劣る。しかし信号読み出し回路と共にシリコンＩＣプロセスを使って作り込むことができる利点がある。またボロメータのような特性の不安定性やウエハ面内の不均一性がほとんどないという利点もある。また感度に関しては複数個ダイオードを連結することで増加させることができる。
【０００５】
上記説明した、熱型赤外線検出器を複数個２次元に並べた赤外線検出器アレイは固体撮像素子として暗視カメラ等に利用されている。赤外線検出器アレイの性能は雑音等価温度差（ＮＥＴＤ：Ｎｏｉｓｅ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ、以下ＮＥＴＤと称する）で表される。これは各検出器間の信号の雑音と温度感度の比であるので、ＮＥＴＤを改善するためには温度感度の上昇以外に雑音の抑制が重要である。
【０００６】
雑音は検出器または検出器を構成する検出素子および読み出し回路で発生するが、不要な信号帯域を制限することで雑音が効果的に抑制される。信号帯域の制限方法として代表的なものに積分回路があげられる。図１２は、量子型赤外線検出器にゲート変調回路（積分回路の一つ）を用いた例について説明するための図である。図において、１１１は量子型の検出素子で、光が入射すると検出素子１１１で発生したキャリアは負荷抵抗１１２を伝わり、ノード１１３の電圧を変化させる。電気的容量１１４は予めリセットスイッチ１１５により、ある電圧に充電されている。ノード１１３の変化はＭＯＳＦＥＴ１１７の電流を変化させるため電気的容量１１４から放電される電流量が変化する。ある一定期間放電したときの信号出力線１１６の電流値変化は検出素子１１１で発生するキャリア量すなわち光の入射に応じて変化し、その変化量はノード１１３の電圧変化量と電気的容量１１４の大きさ、放電時間、ＭＯＳＦＥＴ１１７の相互コンダクタンスで決まる。一方、この時の放電時間が信号の帯域を決めるため、放電時間を長くするほど帯域を制限し雑音を押さえることができる。
【０００７】
上記のように、量子型検出器では、ゲート変調による積分回路を用いることにより、雑音抑制を図っていたが、このような手法を熱型検出器に利用した場合、検出器温度が変化すると出力変動が大きく変化し、本来の目的である入射赤外線による検出素子の微少な温度変化を読み出せないといった問題が発生する。
【０００８】
本発明は上記のようなため、問題を解決するためになされたもので、熱型赤外線検出器に量子型で用いた雑音抑制手法を適用することが可能な検出器を提供するものである。すなわち、検出素子以外に検出器全体の温度を検知するセンサを使って検出器温度による出力変動の抑制された出力の得られる検出器を提供することを特徴とする。さらに、このような赤外線検出器を１次元または２次元アレイ状に配置した赤外線検出器アレイを提供することを目的とする。
【０００９】
発明の開示
本発明の第１の発明に係る第１の赤外線検出器は、シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部の形成された断熱構造を有する複数の接合ダイオードが直列に連結された第１の接合ダイオード群からなる熱型赤外線検出素子部と、前記第１の接合ダイオード群のカソードに接続された第１の定電流源と、ゲートが前記第１の接合ダイオード群のカソードに接続され、入射された赤外線量に応じて変化する前記熱型赤外線検出素子部の出力をゲート電圧とするデプレッション型のＭＯＳＦＥＴと、前記シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された断熱構造をもたない前記第１の接合ダイオード群と同数の接合ダイオードが直列に連結された第２の接合ダイオード群からなり、その出力を前記ＭＯＳＦＥＴのソース電圧とするために前記第２の接合ダイオード群のカソードが前記ＭＯＳＦＥＴのソースに接続された温度検出素子部と、前記第２の接合ダイオード群のカソードに接続された第２の定電流源と、前記ＭＯＳＦＥＴのドレインに一端が接続され、他端が接地された電気的容量部と、前記電気的容量部の一端に接続されたスイッチと、を備え、前記スイッチを介して前記電気的容量部が充電され、前記ゲートと前記ソース間の電圧変動を前記電気的容量部の放電量の変化分として出力するので、断熱構造をもたない第２の温度検出素子部の出力は検出器自身の温度変動であり、これにより、赤外線の真の検知部である、第１の熱型赤外線検出素子部の出力を補正することが可能となり、雑音の抑制された高性能な検出器を得ることが可能となる。
【００１０】
また、上記赤外線検出器において、熱型赤外線検出素子部は、接合ダイオードが複数個連結された第１のダイオード群からなり、温度検出素子部は、接合ダイオードが複数個連結された第２のダイオード群からなることを規定したので、検出器の周辺回路とともにシリコンＩＣプロセスで簡便に作り込むことが可能となる。
また、上記赤外線検出器において、前記第２の接合ダイオード群の上方に赤外線を遮光する遮光部を有していてもよい。
また、上記赤外線検出器において、断熱構造をもたない複数の接合ダイオードが直列に連結された前記第２の接合ダイオード群に代えて、その下方に空洞部の形成された断熱構造を有する複数の接合ダイオードが直列に連結された第２の接合ダイオード群を有していてもよい。
また、上記赤外線検出器において、前記第１のダイオード群の接合ダイオードの数と、前記第２のダイオード群の接合ダイオードの数が同じであってもよいし、ことなっていてもよい。したがって、ＭＯＳＦＥＴとしてエンハンストメント型も使用可能であり、設計の自由度が向上する。
【００１１】
本発明の第２の発明に係る第２の赤外線検出器は、シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部の形成された断熱構造を有する複数の接合ダイオードが直列に連結された第１の接合ダイオード群からなる熱型赤外線検出素子部と、前記第１の接合ダイオード群のカソードに接続された第１の定電流源と、ベースが前記第１の接合ダイオード群のカソードに接続され、入射された赤外線量に応じて変化する前記熱型赤外線検出素子部の出力をベース電圧とするバイポーラトランジスタと、前記シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された断熱構造をもたない前記第１の接合ダイオード群より１個多い数の接合ダイオードが直列に連結された第２の接合ダイオード群からなり、その出力を前記バイポーラトランジスタのエミッタ電圧とするために前記第２の接合ダイオード群のカソードが前記バイポーラトランジスタのエミッタに接続された温度検出素子部と、前記第２の接合ダイオード群のカソードに接続された第２の定電流源と、前記バイポーラトランジスタのコレクタに一端が接続され、他端が接地された電気的容量部と、前記電気的容量部の一端に接続されたスイッチと、を備え、前記スイッチを介して前記電気的容量部が充電され、前記ベースと前記エミッタ間の電圧変動を前記電気的容量部の放電量の変化分として出力するので、断熱構造をもたない温度検出素子部の出力は検出器自身の温度変動であり、これにより、赤外線の真の検知部である、熱型赤外線検出素子部の出力を補正することが可能となり、雑音の抑制された高性能な検出器を得ることが可能となる。
【００１２】
また、上記第２の発明による赤外線検出器において、熱型赤外線検出素子部は接合ダイオードが複数個連結された第１のダイオード群からなり、温度検出素子部は接合ダイオードが複数個連結された第２のダイオード群からなるので、検出器の周辺回路とともにシリコンＩＣプロセスで簡便に作り込むことが可能となる。
また、上記第２の発明による赤外線検出器において、前記第２の接合ダイオード群の上方に赤外線を遮光する遮光部を有していてもよい。
また、上記第２の発明による赤外線検出器において、断熱構造をもたない複数の接合ダイオードが直列に連結された前記第２の接合ダイオード群に代えて、その下方に空洞部の形成された断熱構造を有する複数の接合ダイオードが直列に連結された第２の接合ダイオード群を有していてもよい。
【００１３】
本発明の第３の発明に係る赤外線検出器アレイは、上記第１、第２の発明に係る赤外線検出器を１次元または２次元アレイ状に配置したので、検出器毎に温度補正のされた出力（画像）を得ることができ、高性能な赤外線検出器アレイを得ることができる。
【００１４】
本発明の第４の発明に係る第２の赤外線検出器アレイは、シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部の形成された第１の熱型赤外線検出素子部を１次元または２次元アレイ状に配置し、前記アレイの列毎にシリコン基板上に絶縁層を介して形成された第２の温度検出素子部と電気的容量とを配置し、前記各列の第１の赤外線検出素子部の出力をゲート電圧とし、同じ列の前記第２の温度検出素子部の出力をソース電圧とするＭＯＳＦＥＴを列毎に備え、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間の電圧変動により放電した前記電気的容量の電圧を読み出し信号として出力するので、検出器毎に温度補正部を有するものより、構成が簡便で、列毎に温度補正のされた出力（画像）を容易に得ることができ、高性能な赤外線検出器アレイを得ることができる。
【００１５】
発明を実施するための最良の形態 本発明の第１の発明においては、一検出器の構成として、シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部が形成され断熱構造を有する第１の熱型赤外線検出素子部と、同様にシリコン基板上に絶縁層を介して形成され、断熱構造をもたない第２の温度検出素子部とを形成し、この第２の素子部は実際入射された赤外線を検出する機能をもたず、検出器全体の温度変動を検知するように動作させる。入射された赤外線量に応じて変化した前記第１の熱型赤外線検出素子部の出力をゲート電圧とし、第２の温度検出素子部の出力をソース電圧とするＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース電圧変動を温度補正のされた信号とし、この信号をＭＯＳＦＥＴに接続された電気的容量部の放電量の変化分として出力するように構成した。これにより、赤外線の真の検知部である、第１の熱型赤外線検出素子部の出力を補正することが可能となり、雑音の抑制された高性能な検出器を得ることが可能となる。
【００１６】
また、上記赤外線検出器において、第１の熱型赤外線検出素子部及び第２の温度検出素子部を接合ダイオードが複数個連結されたダイオード群で構成したので、検出器の周辺回路とともにシリコンＩＣプロセスで簡便に作り込むことが可能となる。さらに、第１、第２の検出素子部を構成するダイオード群のダイオードの数が異なるようにすることで、ＭＯＳＦＥＴとしてエンハンストメント型の使用を可能とした。
【００１７】
一方、上記第１の発明による赤外線検出器において、第１の熱型赤外線検出素子部及び第２の温度検出素子部を抵抗体で構成し、抵抗の温度係数の高いものを選ぶことにより感度の高い検出器を得ることが容易となった。さらに、第１、第２の検出素子部を構成する抵抗体が同じ抵抗値とすることで、ＭＯＳＦＥＴとしてデプレッション型の使用を可能とした。
【００１８】
本発明の第２の発明に係る第２の赤外線検出器は、一検出器の構成として、シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部が形成され断熱構造を有する第１の熱型赤外線検出素子部と、同様にシリコン基板上に絶縁層を介して形成され、断熱構造をもたない第２の温度検出素子部とを形成し、この第２の素子部は実際入射された赤外線を検出する機能をもたず、検出器全体の温度変動を検知するように動作させる。入射された赤外線量に応じて変化した前記第１の熱型赤外線検出素子部の出力をベース電圧とし、第２の温度検出素子部の出力をエミッタ電圧とするバイポーラトランジスタのベースエミッタ電圧変動を温度補正のされた信号とし、この信号をバイポーラトランジスタに接続された電気的容量部の放電量の変化分として出力するように構成した。これにより、赤外線の真の検知部である、第１の熱型赤外線検出素子部の出力を補正することが可能となり、雑音の抑制された高性能な検出器を得ることが可能となる。
【００１９】
また、上記第２の発明による赤外線検出器は、第１の熱型赤外線検出素子部及び第２の温度検出素子部を、接合ダイオードが複数個連結されたダイオード群で構成したので、検出器の周辺回路とともにシリコンＩＣプロセスで簡便に作り込むことが可能となる。また、第１の熱型赤外線検出素子部及び第２の温度検出素子部を、抵抗体で構成したので、抵抗の温度係数の高いものを選べば感度の高い検出器を得ることが容易になる。
【００２０】
本発明の第３の発明に係る第１の赤外線検出器アレイは、上記第１、第２の発明に係る赤外線検出器を１次元または２次元アレイ状に配置し、垂直シフトレジスタ、水平シフトレジスタにより、順次読み出すようにしたので、検出器毎に温度補正のされた出力（画像）を得ることができ、高性能な赤外線検出器アレイを得ることができる。
【００２１】
本発明の第４の発明に係る第２の赤外線検出器アレイは、シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部の形成され断熱構造を有する第１の熱型赤外線検出素子部を１次元または２次元アレイ状に配置し、前記アレイの列毎にシリコン基板上に絶縁層を介して形成された断熱構造をもたない第２の温度検出素子部と電気的容量とを配置し、前記各列の第１の赤外線検出素子部の出力をゲート電圧とし、同じ列の前記第２の温度検出素子部の出力をソース電圧とするＭＯＳＦＥＴを列毎に備え、前記ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間の電圧変動により放電した前記電気的容量の電圧を読み出し信号として出力するので、第２の温度検出素子部は実際入射された赤外線検出の機能をもたず、列毎のあるいはアレイ全体の温度変動を検出し出力するので、検出器毎に温度補正部を有するものより、構成が簡便で、列毎に温度補正のされた出力（画像）を容易に得ることができ、高性能な赤外線検出器アレイを得ることができる。
以下、この発明の実施例を図について説明する。
【００２２】
【実施例１】
図１は、本発明の第１の実施例を説明するための検出器回路図である。図において、１は赤外線受光部（受光素子）で、接合ダイオードを４個連結してある。これらのダイオードは断熱構造が施されており、入射赤外線に対して効果的な温度上昇が行われる。２は検出器全体の温度変動の出力への影響を抑制するための補償部で、１と同様にダイオードを４個連結してある。２は断熱構造が施されていないため赤外線が入射してもほとんど温度変化しない。それぞれのダイオード群１、２は順方向バイアス状態で、定電流源３、４により、一定電流が流れる。ダイオードの両端にかかる電圧はダイオードの温度によって変動する。そのためダイオード群１、２は同一検出器内に作り込まれているため、検出器全体の温度が変動した場合、各ダイオードの温度による電圧変動幅は同じになる。５はＭＯＳＦＥＴ、６は電気的容量、７はリセットスイッチ、８は信号出力線である。受光部１に赤外線が入射するとノード９の電圧は増加し、ＭＯＳＦＥＴ５のゲート・ソース間の電圧が変化する。予めリセットスイッチ７を通して充電された電気的容量６は、ＭＯＳＦＥＴ５を介して放電するが、放電電流量はノード９の電圧つまり入射赤外線の量に応じて変化する。結果として放電を開始してからある時間ｔｉｎｔ経過したときの信号出力線８の電圧は、入射赤外線の量で変化する。この時の信号出力の帯域は１／２ｔｉｎｔで表され、放電時間が長いほど帯域は制限され雑音は小さくなる。ある放電時間後の信号出力電圧は定電流電源３のしきい値電圧や相互コンダクタンスと電気的容量６の容量値を適当に選べば、所望の値に調整することができる。
【００２３】
この実施例では赤外線が入射するとＭＯＳＦＥＴ５のゲート電圧のみが変動するが、検出器全体の温度が変動してもソースはゲート電圧と同じように変化するため、すなわち、ソース電圧はダイオード群１と同様に変動するダイオード群２の変動に依存するため、ゲート・ソース間電圧は変化しない。このため検出器の温度変動による出力変動を効果的に押さえることができる。
【００２４】
図２に、本発明の実施例１による赤外線検出器の断面構造の一部を模式的に示したものである。図中（ａ）は構造の一例で、シリコン基板１１上に例えば多結晶シリコンあるいは非晶質シリコンからなる台座１２を形成し、この台座を覆うように例えばＳｉＯ２や窒化シリコンからなる絶縁層１３を形成する。その際に、ダイオード群１、２および配線等（図示せず）を作り込む。ダイオード群１側の絶縁層に台座に到達するホール（図示せず）を形成し、このホールを介してＫＯＨ等のエッチャントにより、ダイオード群１の下方の台座を除去し、空洞部１２ｂを得る。一方、ダイオード群２の下方はエッチングされないため、断熱構造となる空洞は形成されず、台座部１２ａ残る。
【００２５】
図２中（ｂ）は他の構造の一例で、基板としてＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を用いる。ＳＯＩ基板１４はシリコン基板上にＳｉＯ２からなる絶縁膜が形成されたものである。ＳＯＩ自身が低雑音であるため、高性能な検出器を作成するのに非常に有効である。ＳＯＩ基板を用いた場合の製造工程の一例について説明する。ＳＯＩ基板１４上にダイオード群１、２及び配線等（図示せず）を形成し、これを覆うようにさらに絶縁膜（保護膜）１３を形成する。その上に、ダイオード群１の周囲をエッチングするためのレジストをパターニングし、ドライエッチングを施す。すると、ダイオード群１の周囲にホールが形成され、そのホールを介してさらに下方のシリコン基板がエッチングされ、空洞部１５を形成する。
【００２６】
図中（ｃ）はダイオード群２の上方に遮光部１６を設けたものである。ダイオード群２を（ａ）のダイオード群１と同様に下方に空洞部を設け断熱構造を有するものにして、遮蔽部を設けて赤外線の影響を除くようにしてもよい。また、（ａ）（ｂ）のような断熱構造を有しないダイオード群２とし、これは赤外線センサとしては鈍感であるが、その影響をさらに除去するためにこのような遮光部１６を設けてもよい。
【００２７】
【実施例２】
上記実施例１では、ＭＯＳＦＥＴ５として、デプレッション型ＭＯＳＦＥＴを用いた例について説明したが、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。図３は、本発明の第２の実施例を説明するための検出器回路図である。図において、２１は赤外線受光部で、接合ダイオードを例えば３個連結してある。ダイオード群２１はダイオード群２よりもダイオードが１つ少ないので、ダイオード１つ分の電圧差がＭＯＳＦＥＴ２０のソース・ドレイン間で発生する。そのため、エンハンスメント型でも放電が可能になり、ＭＯＳＦＥＴ２０にエンハンスメント型を用いることが可能となる。
【００２８】
上記実施例２では、実施例１（図１）において、個々の接合ダイオードと、定電流電源３、４とは全く同じ物で、同じ電流を流しており、ダイオード群２１とダイオード群２とで、その個数を１つ変えた例について説明したが、ダイオード群２１とダイオード群２との間での個数の差は１に限定されるものではない。また、実施例１（図１）において、接合ダイオード群１、２の接合面積の大きさを変更したり、定電流電源３、４の電流値をそれぞれ調整することで５のＭＯＳＦＥＴをエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ２０にすることも可能である。
【００２９】
【実施例３】
上記実施例２では、実施例１のＭＯＳＦＥＴ５として、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ２０を用いる例について説明したが、バイポーラトランジスタ１２を用いることもできる。図４は、本発明の第３の実施例を説明するための検出器回路図である。図において、２２は積分用ＭＯＳＦＥＴをバイポーラトランジスタとしたもので、この方法は特に検出器をダイオードにした場合に有利である。受光部２１の接合ダイオードは実施例２と同様に接合ダイオードを３個連結してある。これらのダイオードは断熱構造が施されており、入射赤外線に対して効果的な温度上昇が行われる。２には接合ダイオードを４個連結してある。こちらは断熱構造が施されていないため赤外線が入射してもほとんど温度変化しない。第１の実施例では検出器全体の温度が変動してもゲートとソースの電圧が同時に動くため検出器温度に対する補正がほぼ行われるが、積分用ＭＯＳＦＥＴ５の電流値が温度により変動するため、わずかに温度変動による影響が出てしまう。しかし第４図による本実施例ではバイポーラトランジスタ２２を使用しているため、ダイオード群２１とダイオード群２とのダイオード連結数の違いによるエミッタ・コレクタ間の電圧の温度変動分をバイポーラトランジスタの温度変動が補い、温度変動による信号出力変動が全く無くなる。
【００３０】
【実施例４】
上記実施例１乃至３においては受光部に接合ダイオードを用いた熱型赤外線検出器の例について説明したが、本実施例では受光部の温度検出材料をボロメータとした例について説明する。
【００３１】
図５は、本発明の第４の実施例を説明するための検出器回路図である。図において、３１は赤外線受光部（受光素子）で、抵抗体からなり、断熱構造が施されており、入射赤外線に対して効果的な温度上昇が行われる。３２は検出器全体の温度変動の出力への影響を抑制するための補償部で、抵抗体３１と同一の材料からなる抵抗体である。抵抗体３２は断熱構造が施されていないため赤外線が入射してもほとんど温度変化しない。動作原理は実施例１と同様である。それぞれの抵抗体３１、３２には、定電流源３、４により一定電流が流れる。抵抗体の両端にかかる電圧は抵抗体の温度によって変動する。抵抗体３１、３２は同一検出器内に作り込まれているため、検出器全体の温度が変動した場合、各抵抗体の温度による電圧変動幅は同じになる。抵抗体３１に赤外線が入射するとノード９の電圧は変化し、ＭＯＳＦＥＴ５のゲート・ソース間の電圧が変化する。予めリセットスイッチ７を通して充電された電気的容量６は、ＭＯＳＦＥＴ５を介して放電するが、放電電流量はノード９の電圧つまり入射赤外線の量に応じて変化する。結果として放電を開始してからある時間ｔｉｎｔ経過したときの信号出力線８の電圧は、入射赤外線の量で変化する。この時の信号出力の帯域は１／２ｔｉｎｔで表され、放電時間が長いほど帯域は制限され雑音は小さくなる。ある放電時間後の信号出力電圧は定電流電源３のしきい値電圧や相互コンダクタンスと電気的容量６の容量値を適当に選べば、所望の値に調整することができる。
【００３２】
この実施例では赤外線が入射するとＭＯＳＦＥＴ５のゲート電圧のみが変動するが、検出器全体の温度が変動してもソースはゲート電圧と同じように変化するため、すなわち、ソース電圧は抵抗体３１と同様に変動する抵抗体３２の変動に依存するため、ゲート・ソース間電圧は変化しない。このため検出器の温度変動による出力変動を効果的に押さえることができる。
上記のように、ボロメータ型でも実施例１の接合ダイオード型と同様に検出器温度変動による出力変動を押さえることができる。
【００３３】
【実施例５】
上記実施例４では、ＭＯＳＦＥＴ５として、デプレッション型ＭＯＳＦＥＴを用いた例について説明したが、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴを用いることもできる。図６は、本発明の第５の実施例を説明するための検出器回路図である。図において、３１は赤外線受光部で、抵抗体３１からなり、３３は抵抗体で、抵抗体３１とはその抵抗値、すなわち長さや幅が異なる。２０はエンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴである。この時は４抵抗体３１、３２の長さや幅の比を調整することで積分用ＭＯＳＦＥＴ２０のゲートソース間の電圧を調整する。あるいは、抵抗体３１と抵抗体３３とを全く同じものとし、定電流源３４と３５の電流値を調整しても同様に、ＭＯＳＦＥＴ２０のゲート・ソース間の電圧を調整できる。これにより、エンハンスメント型のＭＯＳＦＥＴ２０を用いても、電気的容量６の放電が可能となり、実施例４と同様の効果、すなわち、このため検出器の温度変動による出力変動を効果的に押さえることができる。
【００３４】
【実施例６】
接合ダイオード型の実施例３と同様に、抵抗体を用いたボロメータ型においても積分用トランジスタをバイポーラトランジスタ１２に変更することは可能であることは言うまでもない。この時の回路図を図７に示す。
なお、上記実施例２〜６においては、実施例１の図２で説明したような製造工程に順じて同様に検出器が製造される。
また、上記実施例１〜６においては、電気的容量の放電を利用していたが、電気的容量を充電するような動作でも同様な効果が得られる。
【００３５】
【実施例７】
上記実施例１〜６で構成された、検出器の温度変動の抑制された出力の得られる赤外線検出器を、１次元、あるいは２次元に配置して、赤外線固体撮像素子に適用することができる。
【００３６】
図８は、本発明の第７の実施例を説明するための、２次元状に配置した検出器アレイの構成を示した図である。図中（ａ）において、各検出器１０１１ａ、１０１１ｂ…は二次元アレイ状に配置し、それぞれ水平シフトレジスタ１００２に接続される垂直信号線１００４に接続されて列をなし、垂直シフトレジスタ１００１に接続される水平信号線１００５に接続されて行をなす。また、１００３はバッファである。各検出器の構成を図中（ｂ）に示す。検出器の主要部Ａは例えば、実施例２（図３）で説明した検出器からなり、信号出力がサンプルホールド４１を介して水平信号線１００４へと出力される。
【００３７】
垂直シフトレジスタ１００１により、アレイ状に配置された検出器のある行が選択される。選択された行の検出器は、すでに電気的容量６が充電され、リセットスイッチ７が開放されており、検出器全体の温度変動の補正された出力が電気的容量６の変化分として、サンプルホールド４１へ出力される。垂直シフトレジスタ１００１による１行の選択期間中に、水平シフトレジスタ１００２により各列が順次選択され、選択された行・列の出力信号がサンプルホールド４１から順次読み出される。読み出された出力信号は、バッファを介して外部へ出力される。
【００３８】
上記の構成により、それぞれの画素に対応する検出器からの出力信号は、検出器の温度変動が補正され、雑音の抑制された信号であるので、赤外線検出器アレイとして、高性能なものが提供できる。
【００３９】
なお、上記実施例では検出器Ａ部を実施例２のものである例について説明したが、他の実施例１、３〜５のものであっても、同様の効果を奏することは言うまでもない。
また、本実施例は２次元アレイ状に配置したものについて説明したが、１次元に配置したものであってもよい。
【００４０】
【実施例８】
上記実施例７では、各画素毎に検出器（画素）分の温度補正用の回路を設けた例について示したが、アレイ状に配置した場合は、この温度補正用の回路を列毎に設けてもよい。この場合、温度補正は列毎になるため上記実施例７よりも補正の精度は劣るが、レイアウトが容易となり、製造工程も実施例７より簡便である。
【００４１】
図９は、本発明の第８の実施例を説明するための、２次元状に配置した検出器アレイの構成を示した図である。図において、２０１１ａ、２０１１ｂ…は赤外線検出器で、接合ダイオードを複数個連結したものからなり、検出器の順方向の信号は、垂直信号線２００４を介して、積分用ＭＯＳＦＥＴ２０５１のゲートに入る。他方向は、垂直シフトレジスタ２００１に接続された水平信号線２００５に接続される。２０２１ａ、２０２１ｂ、…はそれぞれの列の検出器の温度補正部で、検出器２０１１ａ、２０１１ｂ、…と同様に複数個連結された接合ダイオードからなる。２０６１ａ、２０６１ｂ、…は検出器２０１１ａ、…と温度補成部２０２１ａ、…用の定電流源、２０７１ａ、２０７１ｂ、…は放電用の電気容量である。２００２は水平シフトレジスタ、２００３はバッファ、２００７はサンプルホールドである。
【００４２】
次に動作について説明する。放電用の電気容量２０７１、…をある電圧に充電した後、垂直シフトレジスタ２００１により、ある行が選択される。検出器２０１１、…には電流が流れ、積分用ＭＯＳＦＥＴ２０５１、…のゲートソース間に所定の電圧が発生し、電気容量２０７１、…からの放電が始まる。垂直シフトレジスタ２００１の選択が解除されると、電気容量２０７１、…の放電が止まり、電気容量２０７１、…の電圧を水平シフトレジスタ２００２により、順次読み出す。以下、垂直シフトレジスタ２００１により、順次行を選択して同様の動作を繰り返すことで、全ての画素に相当する検出器の信号を読み出すことができる。読み出された信号はサンプルホールド２００７、バッファ２００３を介して外部へ出力される。
【００４３】
上記のような構成により、列毎に温度補正回路を有するので、それぞれの画素に対応する検出器からの出力信号は、検出器の温度変動が列毎に補正され、雑音の抑制された信号であるので、赤外線検出器アレイとして、高性能なものが提供できる。
なお、上記実施例では検出器２０１１ａ、…と温度補正部２０６１ａ、…とについては複数個連結された接合ダイオードを用い、積分用ＭＯＳＦＥＴ２０５１ａ、…を用いた例について説明したが、これらの関係は実施例１〜６で説明した組み合わせであっても、同様の効果を奏することは言うまでもない。例えば、検出器２０１１ａ、…と温度補正部２０６１ａ、…とについては個数の異なる接合ダイオードや抵抗値の異なる抵抗体を用い、２０５１ａ、…についてはバイポーラトランジスタを用いるような組合わせであってもよい。
また、本実施例は２次元アレイ状に配置したものについて説明したが、１次元に配置したものであってもよい。
【００４４】
【産業上の利用可能性】
この発明による赤外線検出器及び検出器アレイは暗視カメラ等に利用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の第１の実施例による接合ダイオードを用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図２】 図２は第１の実施例による検出器要部の断面模式図で、図中（ａ）と（ｂ）はダイオード群１の下方の空洞部（断熱構造）の形成の異なる例、（ｃ）はダイオード群２の上方に遮光部を設けた例である。
【図３】 図３は、本発明の第２の実施例による接合ダイオードを用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図４】 図４は、本発明の第３の実施例による接合ダイオードを用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図５】 図５は、本発明の第４の実施例による抵抗体を用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図６】 図６は、本発明の第５の実施例による抵抗体を用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図７】 図７は、本発明の第６の実施例による抵抗体を用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図８】 図８は、本発明の第７の実施例による赤外線検出器アレイの構成を説明するための図で、図中（ａ）は全体構成図、図中（ｂ）は一検出器分の構成を示したものである。
【図９】 図９は、本発明の第８の実施例による赤外線検出器アレイの構成を説明するための図である。
【図１０】 図１０は、従来技術のボロメータを用いた熱型赤外線検出器の構造を説明するための模式的斜視図である。
【図１１】 図１１は従来技術の接合トランジスタを用いた熱型赤外線検出器の構成を説明するための回路図である。
【図１２】 図１２は従来技術の量子型の赤外線検出器を説明するための回路図で、信号帯域を制限するための積分回路を設けたものである。
【符号の説明】
１：赤外線受光部（受光素子）、２：補償部、３、４：定電流源、５：ＭＯＳＦＥＴ、６：電気的容量、７：リセットスイッチ、８：信号出力、９：ノード
Claims (7)
- シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部の形成された断熱構造を有する複数の接合ダイオードが直列に連結された第１の接合ダイオード群からなる熱型赤外線検出素子部と、
前記第１の接合ダイオード群のカソードに接続された第１の定電流源と、
ゲートが前記第１の接合ダイオード群のカソードに接続され、入射された赤外線量に応じて変化する前記熱型赤外線検出素子部の出力をゲート電圧とするデプレッション型のＭＯＳＦＥＴと、
前記シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された断熱構造をもたない前記第１の接合ダイオード群と同数の接合ダイオードが直列に連結された第２の接合ダイオード群からなり、その出力を前記ＭＯＳＦＥＴのソース電圧とするために前記第２の接合ダイオード群のカソードが前記ＭＯＳＦＥＴのソースに接続された温度検出素子部と、
前記第２の接合ダイオード群のカソードに接続された第２の定電流源と、
前記ＭＯＳＦＥＴのドレインに一端が接続され、他端が接地された電気的容量部と、
前記電気的容量部の一端に接続されたスイッチと、
を備え、
前記スイッチを介して前記電気的容量部が充電され、前記ゲートと前記ソース間の電圧変動を前記電気的容量部の放電量の変化分として出力することを特徴とする赤外線検出器。 - 前記第２の接合ダイオード群の上方に赤外線を遮光する遮光部を有する請求項１記載の赤外線検出器。
- 断熱構造をもたない複数の接合ダイオードが直列に連結された前記第２の接合ダイオード群に代えて、その下方に空洞部の形成された断熱構造を有する複数の接合ダイオードが直列に連結された第２の接合ダイオード群を有する請求項２記載の赤外線検出器。
- シリコン基板上に絶縁層を介して形成され、その下方に空洞部の形成された断熱構造を有する複数の接合ダイオードが直列に連結された第１の接合ダイオード群からなる熱型赤外線検出素子部と、
前記第１の接合ダイオード群のカソードに接続された第１の定電流源と、
ベースが前記第１の接合ダイオード群のカソードに接続され、入射された赤外線量に応じて変化する前記熱型赤外線検出素子部の出力をベース電圧とするバイポーラトランジスタと、
前記シリコン基板上に絶縁膜を介して形成された断熱構造をもたない前記第１の接合ダイオード群より１個多い数の接合ダイオードが直列に連結された第２の接合ダイオード群からなり、その出力を前記バイポーラトランジスタのエミッタ電圧とするために前記第２の接合ダイオード群のカソードが前記バイポーラトランジスタのエミッタに接続された温度検出素子部と、
前記第２の接合ダイオード群のカソードに接続された第２の定電流源と、
前記バイポーラトランジスタのコレクタに一端が接続され、他端が接地された電気的容量部と、
前記電気的容量部の一端に接続されたスイッチと、
を備え、
前記スイッチを介して前記電気的容量部が充電され、
前記ベースと前記エミッタ間の電圧変動を前記電気的容量部の放電量の変化分として出力することを特徴とする赤外線検出器。 - 前記第２の接合ダイオード群の上方に赤外線を遮光する遮光部を有する請求項４記載の赤外線検出器。
- 断熱構造をもたない複数の接合ダイオードが直列に連結された前記第２の接合ダイオード群に代えて、その下方に空洞部の形成された断熱構造を有する複数の接合ダイオードが直列に連結された第２の接合ダイオード群を有する請求項５記載の赤外線検出器。
- 請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載の赤外線検出器を１次元または２次元アレイ状に配置したことを特徴とする赤外線検出器アレイ。
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