JP4597677B2 - ２つの重複する検出器を備える一体化ハウジングを有する電磁放射検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、２つの重複する検出器を備え、第１非冷却検出器が波長の第１範囲を検出し、第２非冷却検出器が波長の第２範囲を検出する、電磁放射検出装置に関する。

既知の多スペクトル検出システム、すなわち、数種類の異なる波長範囲を検出できるシステムは、並列させ、または、重複させることができる。したがって、赤外線分野では、多スペクトルシステムは、組成がｘにより変化するＣｄ_ｘＨｇ_１−ｘＴｅのエピタキシャル層の積層から達成され、これらの層は、赤外線放射を透過する基板の上にエピタキシー成長される。吸収帯は、検出層の組成によって決まる。これらの層において達成される検出器は、光起電型であり、低温下で、約１〜１２ミクロンの間の波長範囲、従って可視放射スペクトル外で、作動する。

赤外線および可視分野では、検出システムは、２台のカメラを使用して達成され、各カメラが、それぞれ赤外線および可視スペクトル帯を探査する。これらの赤外線カメラは、ＩｎＳｂまたはＣｄ_ｘＨｇ_１−ｘＴｅ製の冷却検出器によって形成されており、赤外線スペクトルの第２帯ならびに第２帯および第３帯をそれぞれ検出する。可視カメラは、電荷結合素子（ＣＣＤ：Charge Coupled Device）型のコンポーネントによって達成することができる。

他のシステムでは、冷却赤外線Ｃｄ_ｘＨｇ_１−ｘＴｅ検出器とシリコン可視検出器を並列して用いている。観測現場から発生する放射は、２つのビームに分割され、次いで、各型の検出器に集中される。これらのシステムでは、冷却型の、したがって、実施するのが比較的高価で複雑な、赤外線検出器を使用している。

米国特許第６，１０７，６１８号には、隣接または重複できる可視検出器と赤外線検出器とを備える、多スペクトルシステムが記載されている。

米国特許第６，３２０，１８９号には、ボロメータ検出器と光検出器とを使用する、多スペクトル赤外線／可視検出装置が記載されており、ボロメータ検出器と光検出器は、同一の感知ユニットを形成すべく互いに重複して組み合わされている。この検出装置は、赤外線放射に感応する素子および電極等の能動素子を支持するように設計された柱が設けられた、マイクロブリッジを備え、マイクロブリッジは、マイクロブリッジの下に配置されるとともに光検出器が収納される、マルチプレクサ回路に接続される。

本発明の目的は、寸法が小さく、同一の入射ビームから、ビームを２つに分割することなく、２つの検出器の性能を最大限に活用して、２つの波長範囲を検出することが可能な検出装置、を提供することである。

本発明によると、この目的は、第１検出器が保護ハウジングの内部に配置され、保護ハウジングの少なくとも頂壁が第２検出器を備えることにより、達成される。

本発明の第１の発展によると、第１範囲の波長は、第２範囲の波長より高い。

本発明の第２の発展によると、ハウジングは、電子処理回路によって形成される基部を備え、その上に第１検出器が搭載される。

好適な一実施形態によると、波長の第１範囲は、赤外線範囲に含まれる。

本発明の別の特性によると、波長の第２範囲は、可視または紫外線範囲に含まれる。

本発明の別の実施形態によると、検出装置は、同一の保護ハウジングの内部に配置される、複数の第１検出器を備える。ハウジングの壁は、好ましくは、各第１検出器の上方に配置される複数の網状領域を備え、各網状領域が第２検出器を備える。

電磁放射検出装置は、超小型電子技術の分野で使用される技術によって、有利に達成される。電磁放射検出装置は、２つの重複する検出器を備える。第１非冷却検出器は、波長の第１範囲を検出し、第２非冷却検出器は、波長の第２範囲を検出する。

第１非冷却検出器は、好ましくは、赤外線範囲に含まれる波長の第１範囲を検出する。第１検出器は、保護ハウジングの内部に配置される。第１検出器は、例えば、熱伝対、ダイオード、または、好ましくは例えば図１に示されるような既知の型のボロメータ等の、非冷却の温度検出器によって、形成することができる。

図１において、ボロメータ１は、周囲温度で作動し、少なくとも１つの感知素子２を備え、感知素子２は薄い層状であり、電子処理回路３に接続されている。回路３は、例えば、シリコン技術による、ＣＭＯＳまたはＣＣＤ型の薄い層状とすることができる。回路３と感知素子２は、平行に配置される。感知素子２は、８μｍ〜１４μｍまたは３μｍ〜５μｍの波長範囲に含まれる赤外線放射によって加熱されるように設計されており、赤外線放射は、検出装置により観測される物体の温度および放射性質の特徴を示す。

感知素子２の温度が上昇することによって、感知素子２の電気的性質の１つに変化が生じる。この変化は、例えば、パイロ電気効果による電荷の出現、誘電定数の変動による静電容量の変化、または感知素子が半導体もしくは金属である場合には、感知素子の抵抗の変化となり得る。感知素子２は、低い発熱量を呈し、温度変化を電気的変化へ有利に転換するものでなければならない。

感知素子２は、例えば、ｐもしくはｎ型の、低もしくは高抵抗率を有する多結晶または非結晶シリコン、あるいは半導体の相で堆積された酸化バナジウムの形、とすることができる。金属の感知素子は、例えば、ニッケル製、窒化チタン（ＴｉＮ）製、チタン製、またはプラチナ製とすることができる。感知素子２を、感知素子のマトリックスに換えることもできる。

感知素子２の電気的性質の変化は、電極４によって測定される。電極は、サポート素子５間のマイクロブリッジを形成する感知素子２の表面上に配置される。サポート素子５は、釘の形状であり、同時に電極４と電子処理回路３の間の結合素子を形成し、電極４間の感知素子２の電気的性質を、回路３によって測定することを可能とする。サポート素子５は、金属接続６によって回路３に接続され、金属接続６は、回路と絶縁サポート７の境界面に配置され、絶縁サポート７自体は、回路３の表面上に配置されている。絶縁サポート７の上に反射器９を配置して、赤外線放射を感知素子に反射させ、最大限の検出を確保することができる。

ボロメータの性能を向上させるために、密封した保護ハウジング８の内部にボロメータを配置してマイクロカプセル化を行い、真空または熱伝導性の低いガス中に保つことが知られている。保護ハウジング８の基部は、好ましくは、回路３によって形成され、その上にボロメータ１が搭載される。ハウジング８は、その頂部に、ボロメータによって検出される波長範囲が透過する窓も備える。

保護ハウジング８は、マイクロテクノロジーに適応される通常のマイクロエレクトロニクス技術によって、達成することができる。したがって、保護ハウジング８のカバーを形成するとともに空洞１２に接するように設計されている第１層１０を、犠牲層の上に堆積し、その後、犠牲層をエッチングにより除去して、空洞１２を形成する。ハウジング８のカバーと基部の間に通気孔１３を配設し、これにより、ボロメータを制御された雰囲気中または真空中に置く。次いで、封止層１１を第１層１０上に真空圧で堆積し、空洞１２を密封する。

本発明によれば、第１検出器の保護ハウジング８の少なくとも頂壁は、波長の第２範囲を検出する第２検出器３０を備える。頂壁自体は、好ましくは、第２検出器により形成される。第１検出器が検出する第１範囲の波長は、好ましくは、第２範囲の波長より高い。波長の第２範囲は、好ましくは、可視、紫外、またはＸ線の範囲に含まれ、第２検出器は、例えば、光起電性、光伝導性、またはフォトトランジスタ、の検出器とすることができる。

図２に示される第１の実施形態によれば、第２検出器３０は、可視波長を検出するｐｉｎまたはｎｉｐ型のフォトダイオードである。フォトダイオードは、保護ハウジング８のカバーを形成し、保護ハウジング８の基部は、例えば、電子処理回路３によって形成される。第２検出器は、保護ハウジングの頂壁および側壁を構成する。ハウジング８のカバーの第１層１０は、ｐ型またはｎ型にドープされた半導体材料製の層である。第１層１０は、第２真性層（ｉ）１４で覆われ、第２真性層（ｉ）１４自体は、第３層１５で覆われ、第３層１５は、第１層１０がｐ型ドープの場合はｎ型ドープ、または第１層１０がｎ型ドープの場合はｐ型ドープされている。

可視放射による点灯によって、フォトダイオードが吸収する光エネルギーに比例した多数のキャリアが、フォトダイオード内に発生し、吸収した光を電気信号に転換する。そして、電気信号は、電子処理回路３により測定され、電子処理回路３は、電気信号を蓄積し、処理する。フォトダイオードと回路３の間の接続は、２つの電極によって達成される。

フォトダイオードの第１オーム接触は、第１層１０とサポート素子５の間に配置される金属電極１７によって、確保される。サポート素子５は、第１層１０と電子処理回路３の間の接続素子としても作用する。第２オーム接触は、第３層１５の一部の上に配置される透明電極１６によって達成され、これにより、層１５の第２の上部は開放されたままになる。電極が透明なので、電極で層１５を完全に覆うこともでき、これは、例えばアルミニウム製の電極等の不透明電極では不可能である。透明電極１６は、少なくとも１つのパッド１８によって、電子処理回路３と接続されており、パッド１８は、電極１６と回路３の間の電気接続を確実にする。パッド１８は、ハウジング８の底部において、透明電極１６と回路３の境界面に配置されている。金属電極１７によって行われる、層１０と回路３の第１オーム接触も、サポート素子５を介して行う代わりに、第２オーム接触と同様に、回路３と直接行うこともできる。

層１０および１５は、好ましくは、ｐもしくはｎ型のａ‐Ｓｉ：Ｈまたはａ‐ＳｉＣ：Ｈ製で、厚さは０．０１μｍと１μｍの間である。層１４は、ａ‐Ｓｉ：Ｈまたはａ‐ＳｉＧｅ：Ｈ製で、厚さは０．０５μｍと５μｍの間である。透明電極１６は、アクティブカソードスパッタリングで堆積したＺｎＯ、ＳｎＯ_２、またはＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）等の導電性酸化物によって達成することができる。ｐｉｎ型フォトダイオードは、単色または多色とすることができ、ｐｎ、アバランシェ、またはショットキーのフォトダイオードに換えることもできる。

本検出装置は、同一の入射ビームからの２つの異なる波長範囲を、ビームを２つに分けることなく、検出するという利点を提供する。２つの波長範囲の検出は、第１範囲については感知素子２のレベルで、第２範囲については保護ハウジングのレベルで行われる。第２検出器を構成する材料は、第２波長範囲の放射（ｐｉｎ型フォトダイオードの場合、可視）は完全に吸収するが、第１波長範囲の放射(ボロメータの場合、赤外線)は透過させ、その結果、温度の上昇が起こり、次いで感知素子２の電気量が変化する。

図３に示される代わりの実施形態によれば、検出装置は、同一の保護ハウジング８の内部に配置される、複数の第１検出器を備える。第１検出器は、上記のものと同じ型のボロメータ１であり、保護ハウジングのカバーは、第２検出器３０を形成するｐｉｎ型フォトダイオードにより形成される。この場合、透明電極１６は、全てのフォトダイオードに共通とすることができ、パッド１８によって回路３に接続される。ｐ型ドープまたはｎ型ドープ第１層１０と回路３の間の接続は、金属電極１７により行われ、金属電極１７は、第１層１０の下に配置されるとともに各第１検出器の各サポート素子５に接続されている。薄膜微細構造の使用により、回路３に対して、ボロメータ検出器の効果的な熱絶縁を達成することが可能となる。

保護ハウジング８は、各第１検出器の上方に配置される複数の網状領域を備えることもでき、各領域が第２検出器を備える。したがって、ｐ型ドープもしくはｎ型ドープ第１層１０、またはｎ型ドープもしくはｐ型ドープ第３層１５にエッチングを行って、各第１検出器の上方の領域を絶縁し、かつ各第１検出器の上方のｐｉｎまたはｎｉｐ型フォトダイオードを画定するようにしてもよい。

図４に示される別の実施形態では、ｐｉｎ型フォトダイオードは、回路３により形成される基部に対向する、保護ハウジング８の頂壁のみを構成する。ハウジングは、側壁１９も備え、側壁１９は頂壁を支え、フォトダイオードとともに、ハウジング８のカバーを形成する。フォトダイオードの第１層１０は、網状とすることができる。この場合、通気孔１３は、図４に示すように、ハウジング８のカバーの頂部に配置することもできる。

第２検出器３０は、図５に示されるもの等の、単数または複数のフォトトランジスタとすることもできる。フォトトランジスタは、可視範囲での検出を行い、第１金属層２０を備え、第１金属層２０は、層を２つの部分に分離する絶縁領域２１を備え、その１つの部分は、第１メタライゼーション領域２２を形成し、もう１つの部分は、第１領域２２から絶縁されている第２メタライゼーション領域２３を形成する。ａ‐Ｓｉ：Ｈまたはａ‐ＳｉＣ：Ｈ製のｎ＋型ドープ第２半導体層２４は、第１メタライゼーション領域２２上に配置されてフォトトランジスタのソース２４ａを構成し、第２メタライゼーション領域２３上に配置されてフォトトランジスタのドレイン２４ｂを構成する。この構造は、絶縁領域２１およびメタライゼーションの一部を覆う、絶縁領域２５を備える。

ａ‐Ｓｉ：Ｈまたはａ‐ＳｉＧｅ：Ｈ製の第３半導体層２６は、真性層を形成し、第２層２４を覆う。第４絶縁層２７は、第３層２６の上に配置される。第４層２７は、第３層２６を、第４層２７の一部の上に配置されるゲート２８から絶縁するように設計されるとともに、第２波長範囲を透過する導電材料から作られる。

トランジスタのドレイン２４ｂおよびソース２４ａは、サポート素子５に接続され、サポート素子５は、ボロメータ１のフォトトランジスタおよび感知素子２の両方に極性を与える。可視または紫外線放射の検出の場合、第２層２４の厚さは、０．０１μｍと１μｍの間であり、一方、第３層２６の厚さは、約０．０５μｍである。Ｘ線の検出の場合、真性層２６を形成する材料、例えばＣｄＴｅ、の厚さは、約数百μｍである。

特定の実施形態によると、本発明による検出装置を製造する工程は、次の通りである。

−少なくとも１つの、マイクロボロメータ感知素子またはマイクロブリッジを、第１犠牲層の上に製造する。第１犠牲層は、例えばポリイミド製で厚さが１μｍと５μｍの間であり、この厚さは、好ましくは検出される波長の４分の１に等しい。検出器マトリックスを形成するための、複数の感知素子を実現することができる。

−厚さが０．２μｍと５μｍの間の、ポリイミド製の犠牲層を堆積する。

−通常の堆積およびエッチング技術により、サポート素子５および接続素子を製造する。これらは、感知素子のマトリックスまたは数個のボロメータの集合的保護に関する限り、補強の機能も果たす。金属サポート素子５は、好ましくは、チタン、窒化チタン、プラチナ、アルミニウム、金、タングステン、ニッケル、およびクロームから選ばれ、カソードスパッタリング、ＣＶＤ法、または蒸着により堆積した層で作られる。その後、これらの素子の形状が、化学もしくはプラズマによるエッチング法によって、または、リフトオフと呼ばれる、樹脂を使用する局所堆積法によって、得られる。

−集合ハウジングの場合はマトリックスの周囲の、または、個別ハウジングの場合は検出器の周囲の、第１および第２犠牲層全体を、ドライエッチングする。ドライエッチングは、無線周波数または電磁波による、酸素を用いたプラズマ法によって、またはオゾン発生器によって、行われる。

−保護ハウジングおよびＵＶ−可視検出器の壁を形成する層の堆積を、通気孔を発生させながら行う。ハウジングおよび検出器の壁を形成する層の厚さは、０．０１μｍと１０μｍの間である。堆積は、ＰＥＣＶＤ（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法、スパッタリング法、または高温フィラメントによって行われる。

−通気孔を介して、保護ハウジングの内部の、第１および第２の残りの層全体を、前記と同じ方法によってドライエッチングし、空洞１２を形成する。

−空洞の密封と空洞１２の気圧の制御を同時に行うことを可能にする、密閉層を堆積する。図２の実施形態では、この層は、透明電極１６により形成されており、厚さが０．５μｍと５μｍの間の金属材料製とすることができる。また、これは、蒸着またはスパッタリングにより堆積された反射防止層を含んでもよい。

−必要に応じて、追加的な反射防止層の堆積を行う。

−通常の切断技術によって、装置を分離する。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。従って、第１および第２検出器は、並べて配置された数個の検出器を備える配列状、または、２次元もしくはモザイクのネットワーク状で達成することもできる。

他の利点および特性は、以下に示される本発明の特定の実施形態の説明から、より明らかになるが、説明は、非限定の例示のみを目的とし、添付の図面に代表される。
図１は、従来技術による赤外線検出器の、模式的な断面描写である。 図２は、本発明による、可視フォトダイオードを備える検出装置のいくつかの実施形態の、模式的な断面描写である。 図３は、本発明による、可視フォトダイオードを備える検出装置のいくつかの実施形態の、模式的な断面描写である。 図４は、本発明による、可視フォトダイオードを備える検出装置のいくつかの実施形態の、模式的な断面描写である。 図５は、本発明による検出装置のフォトトランジスタの一実施形態の描写である。

Claims (9)

1. 波長の第１範囲を検出する非冷却式の第１検出器と、波長の第２範囲を検出する非冷却式の第２検出器（３０）との２つの重複した検出器を備える、電磁放出検出装置であって、
   前記第１検出器は、保護ハウジング（８）の内部に配置され、
   前記保護ハウジング（８）の少なくとも頂壁が、前記第２検出器（３０）を備えるとともに、
   当該電磁放出検出装置は、前記第１検出器のサポート素子（５）をさらに備えており、
   前記サポート素子（５）は、前記第１検出器と、前記第１検出器が搭載されてハウジング（８）に対する基部を形成する電子処理回路（３）との間における電気接続素子を構成し、
   さらに、前記サポート素子（５）は、前記第２検出器（３０）と前記電子処理回路（３）との間における電気接続素子をも構成するとともに、
   前記保護ハウジング（８）の内部には、複数の第１検出器が配置され、
   前記保護ハウジング（８）の前記頂壁は、前記複数の第１検出器のそれぞれの上方に配置される複数の網状領域を備え、
   前記複数の網状領域のそれぞれに第２検出器（３０）が配置される、
   ことを特徴とする電磁放射検出装置。
2. 前記第１範囲の波長は、前記第２範囲の波長より高いことを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 少なくとも前記保護ハウジング（８）の頂壁が、前記第２検出器（３０）で形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の検出装置。
4. 前記第２検出器（３０）は、前記保護ハウジング（８）の前記頂壁および側壁を形成することを特徴とする請求項３に記載の検出装置。
5. 波長の前記第１範囲は、赤外線範囲に含まれることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の検出装置。
6. 前記第１検出器は、ボロメータ（１）、熱電対、またはダイオードであることを特徴とする請求項５に記載の検出装置。
7. 波長の前記第２範囲は、可視または紫外線範囲に含まれることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の検出装置。
8. 前記第２検出器（３０）は、光起電性、光導電性、またはフォトトランジスタの検出器であることを特徴とする請求項７に記載の検出装置。
9. 波長の前記第２範囲は、Ｘ線範囲に含まれることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の検出装置。

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