JP2000046652A - 赤外線検知装置、赤外線検知方法、および、赤外線検知装置製造方法 - Google Patents

赤外線検知装置、赤外線検知方法、および、赤外線検知装置製造方法

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JP2000046652A
JP2000046652A JP10216701A JP21670198A JP2000046652A JP 2000046652 A JP2000046652 A JP 2000046652A JP 10216701 A JP10216701 A JP 10216701A JP 21670198 A JP21670198 A JP 21670198A JP 2000046652 A JP2000046652 A JP 2000046652A
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infrared
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infrared light
cooling
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Michiharu Ito
道春 伊藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 MCT結晶を用いた赤外線検知装置の素子感
度を向上させる。 【解決手段】 無反射膜11を透過して入射された赤外
線は、遮光膜10によってその一部だけが透過され、無
反射膜8および保護膜6を介して受光部1aに到達す
る。受光部1aによって光電変換により発生したキャリ
アは、電極7によって収集され、ボンディングワイヤ1
2を介して出力される。受光部1aが形成されたMCT
1は、接着剤3によってサファイア基板4に接着されて
いる。また、サファイア基板4の裏面にはCr膜20が
形成され、この面を下にして冷却部13上に載置されて
いる。このような構成において、受光部1aからの出力
を得る場合には、冷却部13に液体窒素14を満たして
サファイア基板4を冷却するとともに、Cr膜20の両
端に形成されたボンディングワイヤ21から所定の電流
を通じてCr膜20を発熱させることにより受光部1a
が100K〜150Kの範囲の所定の温度となるように
設定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は赤外線検知装置、赤
外線検知方法、および、赤外線検知装置製造方法に関
し、特に、MCT結晶を用いた赤外線検知装置、赤外線
検知方法、および、赤外線検知装置製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来において、赤外領域の波長を検知す
る赤外線検知装置は、例えば、製造ラインにおける検査
選別装置等に利用されていた。
【0003】近年では、可視光線とは異なる判別力を利
用して、例えば、森林・海洋汚染などの調査にも赤外線
検知装置が利用されるようになってきた。ところで、赤
外線検知装置には、その動作原理や構成によっていくつ
かの種類があるが、HgCdTe(以下、MCT(Merc
ury Cadmium Tellurium )と呼ぶ)結晶を用いた赤外線
検知装置は、その素子感度が高いことから多くの分野に
利用されるようになってきた。
【0004】図8は、MCT結晶を用いた従来の赤外線
検知装置の構成例の断面を示す断面図である。この図に
示すように、MCT1の一方の面には、保護膜2が形成
されており、この保護膜2は接着剤3によってサファイ
ア基板4に接着されている。
【0005】サファイア基板4は冷却部13上に載置さ
れている。冷却部13の内部には液体窒素が満たされて
おり、受光部1aを冷却する。MCT1の表(おもて)
面の受光部1a上には、保護膜6が形成されている。な
お、この保護膜6および保護膜2は、化学的に活性化さ
れているMCT1の表面が経年変化することを防止し、
赤外線検知素子(以下、適宜「素子」と略記する)の受
光感度を安定させる。
【0006】電極7は、受光部1aを囲繞するように形
成され、入射された赤外線によって発生したキャリアを
収集する。無反射膜8,11は、赤外線が反射されるこ
とを防止し、入射された赤外線が受光部1aに高い比率
で到達するようにする。
【0007】遮光膜10は、入射された赤外線の一部を
遮光する。ボンディングワイヤ12は、電極7に接続さ
れ、光電変換されて得られた電気信号を取り出す。
【0008】図9〜図12は、図8に示す赤外線検知装
置(冷却部13は除く)の製造工程を示す図である。図
9(A)に示すように、製造工程の最初の段階では、M
CT1に対して研磨処理が施される。
【0009】そして、研磨処理が終了すると、図9
(B)に示すように、MCT1の裏面(素子が形成され
る面に対向する面)に対して、例えば、スパッタ・ 電子
ビーム蒸着などによって保護膜2が形成される。
【0010】保護膜2が形成されたMCT1は、図9
(C)に示すように、アラルダイト等の接着剤3によっ
て、絶縁部材であるサファイア基板4に接着される。続
いて、図10(D)に示すように、MCT1の厚さが1
2μm程度になるように研磨処理が施される。なお、こ
の研磨処理は、先ず、物理的な研磨処理によりMCT1
の厚さが18μm程度になるまで研磨され、続いて、エ
ッチングなどの化学的な研磨処理によりMCT1の厚さ
が12μm程度になるように研磨される。
【0011】次に、図10(E)に示すように、MCT
1の表面にフォトレジスト膜5が塗布された後、露光処
理等により素子のパターンが転写される。続いて、図1
0(F)に示すように、エッチング処理が施され、素子
(櫛状の部分)以外の領域が除去される。
【0012】続いて、図11(G)に示すように、MC
T1の表面(素子が形成される面)に対して保護膜6
が、例えば、電解処理等によって形成される。続いて、
図11(H)に示すように、MCT1の受光部1a(櫛
を構成する矩形の中央部の数十μm〜数百μmの領域)
以外の部分がエッチング処理により除去される。
【0013】続いて、図11(I)に示すように、MC
T1の受光部1a以外の領域に対して電極7となる金属
(例えば、金、ニッケル、または、インジウム等)が蒸
着される。
【0014】続いて、図12(J)に示すように、MC
T1の表面に対してZnS(硫化亜鉛)を蒸着し、無反
射膜8を形成する。続いて、図12(K)に示すよう
に、受光部1aの中央部と電極7を覆うマスク9を形成
する。そして、アルミニウムとクロムなどを蒸着させ、
マスク9以外の部分に対して遮光膜を形成する。
【0015】続いて、図12(L)に示すように、マス
ク9を除去すると、受光部1aの中央部と電極7以外の
領域に形成された遮光膜10が姿を現す。ここで、受光
部1aのうち、遮光膜10によって覆われていない部分
は赤外線が入射される入射面1bとなる。
【0016】そして、最後に、図12(M)に示すよう
に、MCT1の表面に対してZnSを蒸着し、無反射膜
を形成する。以上のようにして形成された赤外線検知装
置は、MCT1がナローバンドな(バンドギャップが狭
い)物質であることから、液体窒素などによって77K
〜80K程度に冷却されて使用されていた。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年では、
赤外線検知装置の更なる高感度化が要求されるようにな
り、そのような要求に応えるために、従来においては、
例えば、受光部1aと、入射面1b(遮光膜10の透過
部)の面積の比率を適宜調節することにより、キャリア
のライフタイムを最適化し、もって、素子の感度を向上
させる手法が用いられていた。
【0018】しかしながら、このような手法だけによる
素子感度の向上には限界があるという問題点があった。
また、保護膜6や無反射膜8,11の材質を精選するこ
とにより、赤外線の透過率を向上させ、素子の感度を向
上させるといったアプローチもなされていた。
【0019】しかしながら、前述の場合と同様に、この
ような手法だけによる素子感度の向上には限界があると
いう問題点があった。本発明はこのような点に鑑みてな
されたものであり、素子感度の高い赤外線検知装置を提
供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明では上記課題を解
決するために、図1に示すMCT結晶を用いた赤外線検
知装置において、赤外線受光部1aを冷却する冷却手段
(冷却部13および液体窒素14)と、前記冷却手段に
よる前記赤外線受光部1aの冷却温度を制御する制御手
段(Cr膜20)と、前記赤外線受光部1aによって検
知された信号を出力する出力手段(ボンディングワイヤ
12)と、を有し、前記制御手段は、前記赤外線受光部
1aの温度が100Kから150Kの範囲内の所定の温
度になるように制御することを特徴とする赤外線検知装
置が提供される。
【0021】ここで、冷却手段である液体窒素14は、
赤外線受光部1aを冷却する。制御手段であるCr膜2
0は、外部から供給される電流によって発熱し、冷却手
段による赤外線受光部1aの冷却温度を制御する。出力
手段であるボンディングワイヤ12は、赤外線受光部1
aによって検知された信号を出力する。そして、制御手
段は、赤外線受光部1aの温度が100Kから150K
の範囲内の所定の温度になるように制御する。
【0022】また、図2に示すMCT結晶を用いた赤外
線検知装置の製造方法において、絶縁基板の片面に金属
膜を蒸着する工程(図2(A))と、絶縁基板の金属膜
が蒸着された面の裏面に対して赤外線受光部を形成する
工程(図2(B),(C))と、を有することを特徴と
する赤外線検知装置製造方法が提供される。
【0023】ここで、図2(A)に示す工程では、絶縁
基板の片面に金属膜が蒸着される。図2(B),(C)
に示す工程では、絶縁基板の金属膜が蒸着された面の裏
面に対して赤外線受光部が形成される。
【0024】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態の構
成例の断面を示す断面図である。
【0025】なお、この図において、図8と対応する部
分には、同一の符号を付してあるのでその説明は適宜省
略する。この実施の形態では、図8に示す従来例と比較
して、Cr(Chromium)膜20(制御手段)がサファイ
ア基板4と冷却部13との間のに新たに形成されてい
る。また、Cr膜20の両端には、ボンディングワイヤ
21が接続されている。その他の構成は、図8の場合と
同様である。
【0026】Cr膜20は、赤外線検知素子(図11に
示す櫛状部を構成する略矩形部分)に対応した略矩形の
形状を有しており、サファイア基板4の各赤外線検知素
子に対向する位置に形成されている。なお、この膜厚は
数μm程度である。
【0027】ボンディングワイヤ21は、Cr膜20の
長手方向の両端に接続されており、これらのボンディン
グワイヤ21に所定の電圧を印加することにより、Cr
膜20に所定の電流を通じてこれを発熱させ、赤外線検
知素子の受光部1aの温度を制御する。
【0028】図2は、図1に示す実施の形態の製造工程
を示す図である。この図に示すように、本実施の形態の
製造工程では、先ず、図2(A)に示すように、サファ
イア基板4の裏面の各赤外線検知素子に対向する位置に
略矩形のCr膜20が蒸着される。
【0029】なお、この例では、説明を簡略化するため
に形成される赤外線検知素子の数を“3”としたが、実
際には素子の数は“100”程度である。しかしなが
ら、本発明はそのような場合のみに限定されるものでは
ない。
【0030】Cr膜20が蒸着されたサファイア基板4
は、図2(B)に示すように、MCT1と接着剤によっ
て接着される。そして、図2(C)に示すように、エッ
チング処理が施され、赤外線検知素子以外の領域が除去
される。
【0031】なお、それ以降の工程は、図11〜図12
に示す場合と同様であるので、その説明は省略する。次
に、以上の工程によって製造された赤外線検知装置を実
際に使用する場合の構成例を図3を参照して説明する。
【0032】この図において、赤外線検知装置30は、
図1に示す実施の形態(但し、冷却部13および液体窒
素14は除く)に対応している。図4にその一部を拡大
して示すように、赤外線検知装置30は、コバールガラ
ス等によって形成された内筒31の頂部に載置されてい
る。
【0033】同じく図4に示すように、赤外線検知装置
30の各素子に接続されているボンディングワイヤ12
(出力手段)は、内筒頂部31aから内筒側部31bに
向かって伸びているAu(Aurum (Gold))膜32に接
続されている。
【0034】内筒31の内部には、図3に示すように液
体窒素(冷却手段)などの冷媒を循環させるための冷媒
循環部33が形成されている。また、内筒31の外部
は、外筒34によって囲繞されている。なお、この外筒
34の側部(外筒側部34b)は、コバール等によって
構成されており、また、外筒頂部34aは赤外線を透過
するゲルマニウム等によって構成されている。更に、内
筒31と外筒34の間の空間は赤外線の透過率を向上さ
せるために真空状態にされている。
【0035】内筒31の底部付近には、セラミック等に
よって構成されている基板35が内筒31と垂直になる
ように具備されている。この基板35の上面にはAu膜
32に対応する数だけ導体パターン37が形成されてお
り、これらの導体パターン37と内筒側部31bのAu
膜32とは、Au線36によって相互に接続されてい
る。
【0036】抵抗38は、Cr膜20に接続されたもの
(電流制御手段)と、赤外線検知素子に接続されたもの
とに分かれ、Cr膜20に接続された抵抗は、これらに
流れる電流が所定の値となるように調節する。また、赤
外線検知素子に接続された抵抗は、素子に過大な電流が
流れることを防止する。
【0037】次に、図5を参照して図1に示す実施の形
態の電気的な構成について説明する。図5は、図1に示
す実施の形態の電気的な等価回路である。なお、この図
では、説明を簡略化するために、赤外線検知素子40と
Cr膜20がそれぞれ1つだけ記載してある。
【0038】この図に示すように、Cr膜20は赤外線
検知素子40の裏面に形成されており、電源電圧Vが抵
抗R1との間で分圧された電圧が印加され、所定の電流
が流れている。いま、流れる電流をIとし、また、Cr
膜20の電気抵抗をrとすると、Cr膜20からはI2
rに対応する熱が発生する。
【0039】このようにして発生した熱は、サファイア
基板4を介して赤外線検知素子40に伝達され、その温
度を制御する。赤外線検知素子40からの出力信号は、
保護抵抗としての抵抗R2を介して出力される。
【0040】次に、図6を参照して、以上の実施の形態
の動作について説明する。図6は、赤外線検知装置30
の動作温度と素子感度の実測値を各素子毎にプロットし
た図である。
【0041】この図から明らかなように、赤外線検知装
置30は、素子毎に若干のばらつきはあるものの、10
0K〜150Kの範囲内にその感度のピークがある。従
来においては、温度が低い程、素子が発生するノイズレ
ベルが低くなることから、冷媒である液体窒素の沸点温
度77K〜80K付近が最も感度がよいと考えられてい
た。
【0042】しかしながら、素子の温度をその感度がピ
ークとなる付近(100K〜150Kの範囲内)に設定
した場合、実際には、温度上昇によるノイズレベルの増
加分よりも、素子感度の増加分の方が大きいので、結果
的に素子感度が向上することになる。
【0043】本発明の実施の形態では、このような実測
結果に基づき、素子の温度を個別に制御してその感度が
ピークとなるように設定してある。即ち、図5に示す等
価回路を参照して説明すると、本発明の実施の形態で
は、各赤外線検知素子40の近傍に形成されているCr
膜20からの発熱量を、抵抗R1の抵抗値を適宜変更し
て制御し、各赤外線検知素子40の感度がピークとなる
温度に設定してある。
【0044】従って、素子の感度がばらつきを有する場
合でも、抵抗R1を個別に調節することで個々の素子を
最適な温度に設定することが可能となる。なお、以上の
実施の形態では、略矩形のCr膜20を素子数分だけ設
けるようにしたが、例えば、2つの素子に対して1つだ
けCr膜20を設けるようにしてもよいし、または、全
ての素子に対して1つだけ設けるようにしてもよい。こ
のように素子数よりもCr膜20の数を減らすことによ
り、抵抗R1の調節にかかる手間を省略することが可能
となる。
【0045】ところで、エッチングや蒸着などのプロセ
スにおいて、近接した位置に形成される素子は近似した
物理的(または化学的)条件下で形成されるので、その
特性も近しいものとなる。従って、近接した複数の素子
の温度を1つのCr膜20によって制御するようにして
も、個別に素子の温度を制御する場合に比べて多少劣る
ものの、ある程度の好結果を得ることができる。
【0046】なお、蒸着する金属としてはCrの代わり
に、例えば、Pt(Platinum)などを用いることも可能
である。要は、電気抵抗が高く蒸着が可能な金属であれ
ばよい。
【0047】また、図7に示すように、サファイア基板
4の裏面に断熱部材50を設けて温度勾配を発生させる
ようにし、この断熱部材50の素材の種類と厚さとを適
宜選択することにより、素子の温度が100K〜150
K付近になるようにしてもよい。
【0048】そのような実施の形態によれば、更に簡単
な構成により素子の感度を向上させることが可能とな
る。更に、サファイア基板4の代わりにセラミック基板
などを用いるようにしてもよい。なお、厚さが300μ
m以下のサファイア基板4を用いた場合であって、検知
の対象となる赤外線の波長が10μm以下の場合には、
受光部1aを透過した入射光を反射して受光部1aに再
入射させることが可能となるので、セラミック基板を用
いた場合に比較して素子の感度を向上させることが可能
となる。
【0049】なお、以上の実施の形態においては、冷却
媒体として液体窒素を用いるようにしたが、例えば、液
体ヘリウム等を用いてもよいことは言うまでもない。ま
た、ペルチェ素子などを用いて冷却してもよいことは勿
論である。
【0050】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、MCT
結晶を用いた赤外線検知装置において、赤外線受光部の
温度が100K〜150Kの範囲の所定の温度になるよ
うに制御するようにしたので、素子の感度を向上させる
ことが可能となる。
【0051】また、本発明では、絶縁基板の一方の面に
金属膜を蒸着させ、金属膜が蒸着された面の裏面に赤外
線受光部を形成するようにしたので、金属膜に所定の電
流を流すことにより、感度を向上させることが可能な赤
外線検知装置を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の構成例の断面を示す断面
図である。
【図2】図1に示す実施の形態の製造工程を示す図であ
る。
【図3】図1に示す実施の形態を実際に使用する場合に
装着される筐体の断面を示す断面図である。
【図4】図3に示す筐体の一部を拡大して示した図であ
る。
【図5】図1に示す実施の形態の電気的な等価回路であ
る。
【図6】図1に示す実施の形態の素子感度と動作温度と
の実測値を示すグラフである。
【図7】本発明の他の実施の形態の構成例の断面を示す
断面図である。
【図8】MCT結晶を用いた従来の赤外線検知装置の構
成例の断面を示す断面図である。
【図9】図8に示す赤外線検知装置の製造工程を示す図
である。
【図10】図8に示す赤外線検知装置の製造工程を示す
図である。
【図11】図8に示す赤外線検知装置の製造工程を示す
図である。
【図12】図8に示す赤外線検知装置の製造工程を示す
図である。
【符号の説明】
1 MCT 1a 受光部 1b 入射面 2 保護膜 3 接着剤 4 サファイア基板 6 保護膜 7 電極 8 無反射膜 10 遮光膜 11 無反射膜 12 ボンディングワイヤ 13 冷却部 14 液体窒素 21 ボンディングワイヤ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 MCT結晶を用いた赤外線検知装置にお
    いて、 赤外線受光部を冷却する冷却手段と、 前記冷却手段による前記赤外線受光部の冷却温度を制御
    する制御手段と、 前記赤外線受光部によって検知された信号を出力する出
    力手段と、を有し、 前記制御手段は、前記赤外線受光部の温度が100Kか
    ら150Kの範囲の所定の温度になるように制御するこ
    とを特徴とする赤外線検知装置。
  2. 【請求項2】 前記制御手段は、前記冷却手段と前記赤
    外線受光部との間の所定の位置に配置された断熱部材で
    あることを特徴とする請求項1記載の赤外線検知装置。
  3. 【請求項3】 前記制御手段は、前記赤外線受光部の近
    傍に形成された発熱部材であり、前記発熱部材に所定の
    電流を通じることにより、前記赤外線受光部が所定の温
    度になるように制御することを特徴とする請求項1記載
    の赤外線検知装置。
  4. 【請求項4】 前記発熱部材は、前記赤外線受光部が載
    置された絶縁基板の裏面に形成された金属膜であり、前
    記金属膜に電流を通じることにより、前記赤外線受光部
    が所定の温度になるように制御することを特徴とする請
    求項3記載の赤外線検知装置。
  5. 【請求項5】 複数の前記赤外線受光部を有し、 前記金属膜は、前記各赤外線受光部毎に形成され、 前記金属膜にそれぞれ流れる電流を制御する電流制御手
    段を更に有することを特徴とする請求項4記載の赤外線
    検知装置。
  6. 【請求項6】 前記電流制御手段は、前記各赤外線受光
    部の感度が最大となるように最適化されていることを特
    徴とする請求項5記載の赤外線検知装置。
  7. 【請求項7】 MCT結晶を用いた赤外線検知方法にお
    いて、 赤外線受光部の温度が100Kから150Kの範囲の所
    定の温度になるように制御することを特徴とする赤外線
    検知方法。
  8. 【請求項8】 MCT結晶を用いた赤外線検知装置の製
    造方法において、 絶縁基板の片面に金属膜を蒸着する工程と、 前記絶縁基板の金属膜が蒸着された面の裏面に対して赤
    外線受光部を形成する工程と、 を有することを特徴とする赤外線検知装置製造方法。
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