JP2000065637A - 赤外検出素子とその製造方法 - Google Patents
赤外検出素子とその製造方法Info
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- JP2000065637A JP2000065637A JP10233847A JP23384798A JP2000065637A JP 2000065637 A JP2000065637 A JP 2000065637A JP 10233847 A JP10233847 A JP 10233847A JP 23384798 A JP23384798 A JP 23384798A JP 2000065637 A JP2000065637 A JP 2000065637A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 製造プロセスが容易で量産化に適し、素子の
応用発展性にも優れた赤外検出素子とその製造方法を実
現する。 【解決手段】 ＳＯＩ基板上に、高濃度不純物のドープ
領域により形成された測温部兼赤外線吸収部を設けたこ
とを特徴とする。
応用発展性にも優れた赤外検出素子とその製造方法を実
現する。 【解決手段】 ＳＯＩ基板上に、高濃度不純物のドープ
領域により形成された測温部兼赤外線吸収部を設けたこ
とを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、赤外検出素子とそ
の製造方法に関するものであり、詳しくは、Ｓｉ単結晶
を用いた赤外検出素子に関する。
の製造方法に関するものであり、詳しくは、Ｓｉ単結晶
を用いた赤外検出素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から用いられている赤外検出素子の
一種に、薄膜ボロメータがある。薄膜ボロメータは、主
に金属酸化膜等のセラミックスを測温抵抗体としたもの
であって、ハードマスク等を用いて基板上に抵抗パター
ンを成形するとともに電極を形成し、更に吸収材等を塗
布することにより製造されている。
一種に、薄膜ボロメータがある。薄膜ボロメータは、主
に金属酸化膜等のセラミックスを測温抵抗体としたもの
であって、ハードマスク等を用いて基板上に抵抗パター
ンを成形するとともに電極を形成し、更に吸収材等を塗
布することにより製造されている。
【０００３】このような構成の薄膜ボロメータで重要な
要素は測温抵抗体の物性であり、いかに抵抗温度係数が
高くて雑音の少ない膜を形成できるかが重要な技術要素
となる。測温抵抗体の性質は物質の組成比等が変われば
大きく変化してしまう。また、雑音に関しては、出荷時
に測定して良品を選別している。一方、このような抵抗
体は、一般に抵抗率が非常に高く、感度を向上させるた
めに、高い電圧をかけることができる反面、抵抗値のバ
ラツキが大きく、昇圧回路が必要になる。
要素は測温抵抗体の物性であり、いかに抵抗温度係数が
高くて雑音の少ない膜を形成できるかが重要な技術要素
となる。測温抵抗体の性質は物質の組成比等が変われば
大きく変化してしまう。また、雑音に関しては、出荷時
に測定して良品を選別している。一方、このような抵抗
体は、一般に抵抗率が非常に高く、感度を向上させるた
めに、高い電圧をかけることができる反面、抵抗値のバ
ラツキが大きく、昇圧回路が必要になる。
【０００４】熱型の検出器である薄膜ボロメータは、照
射された被測定赤外線の放射束を吸収体で受けて熱に変
換し、その温度変化をそれぞれの測温抵抗体で電気信号
に変換し、放射照度を測定する。この際、吸収体で変換
された熱を効率よく温度変化に変換することが重要であ
り、そのために、測温部と基板の間の熱コンダクタンス
を極力小さな構造としなければならない。また、応答速
度を高めるためには、熱容量は小さくなくてはならな
い。
射された被測定赤外線の放射束を吸収体で受けて熱に変
換し、その温度変化をそれぞれの測温抵抗体で電気信号
に変換し、放射照度を測定する。この際、吸収体で変換
された熱を効率よく温度変化に変換することが重要であ
り、そのために、測温部と基板の間の熱コンダクタンス
を極力小さな構造としなければならない。また、応答速
度を高めるためには、熱容量は小さくなくてはならな
い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来の
製法では、熱コンダクタンスを改善するために複雑なパ
ターニングをすることは困難であり、また、吸収材を塗
布することにより、熱コンダクタンス、熱容量が劣化し
てしまう。すなわち、薄膜ボロメータの性能は測温抵抗
体の物性値に大きく依存することから成膜条件で大きく
変化してしまい、専用の成膜装置が必要となる。また、
吸収に関しては吸収材に依存するので、熱コンダクタン
ス、熱容量の改善は困難である。さらに、ハードマスク
の使用や吸収材の塗布などは自動化が困難であり、これ
ら製造工程でのバラツキが素子間の性能のバラツキに影
響する。
製法では、熱コンダクタンスを改善するために複雑なパ
ターニングをすることは困難であり、また、吸収材を塗
布することにより、熱コンダクタンス、熱容量が劣化し
てしまう。すなわち、薄膜ボロメータの性能は測温抵抗
体の物性値に大きく依存することから成膜条件で大きく
変化してしまい、専用の成膜装置が必要となる。また、
吸収に関しては吸収材に依存するので、熱コンダクタン
ス、熱容量の改善は困難である。さらに、ハードマスク
の使用や吸収材の塗布などは自動化が困難であり、これ
ら製造工程でのバラツキが素子間の性能のバラツキに影
響する。
【０００６】本発明はこのような問題点に着目したもの
であり、その目的は、製造プロセスが容易で量産化に適
し、素子の応用発展性にも優れた赤外検出素子とその製
造方法を実現することにある。
であり、その目的は、製造プロセスが容易で量産化に適
し、素子の応用発展性にも優れた赤外検出素子とその製
造方法を実現することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１は、Ｓ
ＯＩ基板上に、高濃度不純物のドープ領域により形成さ
れた測温部兼赤外線吸収部を設けたことを特徴とする。
これにより、一般的な半導体製造プロセスを用いること
ができ、品質の安定した素子を高い歩留まりで生産でき
る。
ＯＩ基板上に、高濃度不純物のドープ領域により形成さ
れた測温部兼赤外線吸収部を設けたことを特徴とする。
これにより、一般的な半導体製造プロセスを用いること
ができ、品質の安定した素子を高い歩留まりで生産でき
る。
【０００８】本発明の請求項２は、請求項１記載の赤外
検出素子において、測温部兼赤外線吸収部が蛇行状パタ
ーンとして形成されたことを特徴とする。これにより、
測温部としての抵抗値を大きくでき、赤外線吸収部とし
ての受光面積を大きくできる。
検出素子において、測温部兼赤外線吸収部が蛇行状パタ
ーンとして形成されたことを特徴とする。これにより、
測温部としての抵抗値を大きくでき、赤外線吸収部とし
ての受光面積を大きくできる。
【０００９】本発明の請求項３は、請求項２記載の赤外
検出素子において、測温部兼赤外線吸収部の下部に中空
部が形成されたことを特徴とする。これにより、測温部
兼赤外線吸収部はＳＯＩ基板から熱的にほぼ絶縁分離さ
れることになって熱コンダクタンスは極めて小さくな
り、熱容量特性を大幅に改善できる。
検出素子において、測温部兼赤外線吸収部の下部に中空
部が形成されたことを特徴とする。これにより、測温部
兼赤外線吸収部はＳＯＩ基板から熱的にほぼ絶縁分離さ
れることになって熱コンダクタンスは極めて小さくな
り、熱容量特性を大幅に改善できる。
【００１０】本発明の請求項４は、請求項１〜３記載の
赤外検出素子において、測温部兼赤外線吸収部における
赤外線の入射角がブリュスター角になるようにＶ字構造
に形成されたことを特徴とする。これにより、応答速度
を落とすことなく赤外線応答感度を十分向上させること
ができる。
赤外検出素子において、測温部兼赤外線吸収部における
赤外線の入射角がブリュスター角になるようにＶ字構造
に形成されたことを特徴とする。これにより、応答速度
を落とすことなく赤外線応答感度を十分向上させること
ができる。
【００１１】本発明の請求項５は、請求項１〜４記載の
赤外検出素子において、測温部兼赤外線吸収部の抵抗値
変化を静電容量結合により検出することを特徴とする。
これにより、信号取り出し用のリード線が不要になるこ
とからリード線を介しての熱損失が防止でき、高感度の
赤外検出素子が得られる。
赤外検出素子において、測温部兼赤外線吸収部の抵抗値
変化を静電容量結合により検出することを特徴とする。
これにより、信号取り出し用のリード線が不要になるこ
とからリード線を介しての熱損失が防止でき、高感度の
赤外検出素子が得られる。
【００１２】本発明の請求項６の赤外検出素子の製造方
法は、ＳＯＩ基板の裏面にＳｉ酸化膜を形成する工程
と、ＳＯＩ基板の活性層に高濃度不純物をドープする工
程と、ＳＯＩ基板の活性層に金属層を形成する工程と、
前記金属層を電極パターンに形成する工程と、ＳＯＩ基
板裏面のＳｉ酸化膜をマスクにして異方性エッチングを
行い測温部兼赤外線吸収部の下部に中空部を形成する工
程と、前記高濃度不純物ドープ領域を測温部兼赤外線吸
収部に形成する工程、とを含むことを特徴とする。これ
により、既存の半導体製造プロセスを用いることがで
き、量産化が実現できる。
法は、ＳＯＩ基板の裏面にＳｉ酸化膜を形成する工程
と、ＳＯＩ基板の活性層に高濃度不純物をドープする工
程と、ＳＯＩ基板の活性層に金属層を形成する工程と、
前記金属層を電極パターンに形成する工程と、ＳＯＩ基
板裏面のＳｉ酸化膜をマスクにして異方性エッチングを
行い測温部兼赤外線吸収部の下部に中空部を形成する工
程と、前記高濃度不純物ドープ領域を測温部兼赤外線吸
収部に形成する工程、とを含むことを特徴とする。これ
により、既存の半導体製造プロセスを用いることがで
き、量産化が実現できる。
【００１３】本発明の請求項７の赤外検出素子の製造方
法は、ｎ型のＳｉ基板上に高濃度不純物をドープしたＳ
ｉ単結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、Ｓｉ単
結晶層を測温部兼赤外線吸収部に形成するとともにその
下部に中空部を形成する工程、とを含むことを特徴とす
る。これにより、既存の半導体製造プロセスを用いた表
面からの加工のみで素子を実現でき、製造全体の作業工
数を削減できる。
法は、ｎ型のＳｉ基板上に高濃度不純物をドープしたＳ
ｉ単結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、Ｓｉ単
結晶層を測温部兼赤外線吸収部に形成するとともにその
下部に中空部を形成する工程、とを含むことを特徴とす
る。これにより、既存の半導体製造プロセスを用いた表
面からの加工のみで素子を実現でき、製造全体の作業工
数を削減できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明を説明
する。図１は、ＳＯＩ（Silicon on insulator）基板上
に不純物としてBoronをドーピングしたＳｉ単結晶抵抗
体のノイズと抵抗温度係数の抵抗率依存性の特性例図で
ある。ボロメータの検出能は、温度係数に比例し、ノイ
ズに反比例する。従って図１のグラフから、抵抗率は５
×１０-3Ωcm以下が適していることが解る。なお、抵抗
率５×１０-3Ωcm以下は、Boron濃度に換算するとおよ
そ５×１０19／ｃｍ3以上になる。また、図２は、赤外
領域での吸収係数の抵抗率依存性の特性例図である。図
２から明らかなように抵抗率が小さいほど赤外領域での
吸収係数は大きい。
する。図１は、ＳＯＩ（Silicon on insulator）基板上
に不純物としてBoronをドーピングしたＳｉ単結晶抵抗
体のノイズと抵抗温度係数の抵抗率依存性の特性例図で
ある。ボロメータの検出能は、温度係数に比例し、ノイ
ズに反比例する。従って図１のグラフから、抵抗率は５
×１０-3Ωcm以下が適していることが解る。なお、抵抗
率５×１０-3Ωcm以下は、Boron濃度に換算するとおよ
そ５×１０19／ｃｍ3以上になる。また、図２は、赤外
領域での吸収係数の抵抗率依存性の特性例図である。図
２から明らかなように抵抗率が小さいほど赤外領域での
吸収係数は大きい。
【００１５】しかし、測温抵抗体としてはある程度の抵
抗値を持たないと測定が困難であり、かつ微小バイアス
電圧でも過度の電流が流れてしまい、自己発熱や電流ノ
イズが発生してしまう。そこで、本発明では、測温抵抗
体を蛇行状に形成し、抵抗値を上げるようにした。ま
た、測温抵抗体は、電極の取り出し部分を除いて基板か
ら分離させ、それが自立するのに必要最低限の厚さにす
ることによって最も熱コンダクタンスが小さくなり、か
つ熱容量が改善できる。
抗値を持たないと測定が困難であり、かつ微小バイアス
電圧でも過度の電流が流れてしまい、自己発熱や電流ノ
イズが発生してしまう。そこで、本発明では、測温抵抗
体を蛇行状に形成し、抵抗値を上げるようにした。ま
た、測温抵抗体は、電極の取り出し部分を除いて基板か
ら分離させ、それが自立するのに必要最低限の厚さにす
ることによって最も熱コンダクタンスが小さくなり、か
つ熱容量が改善できる。
【００１６】図３は本発明の実施の形態の一例を一部を
切断して示す構成図である。図において、ＳＯＩ基板１
を構成するＳｉ基板２の表面にはＳｉ酸化膜３が形成さ
れ、Ｓｉ酸化膜３の上にはＳｉ活性層４が形成されてい
るが、本実施例ではこのＳｉ活性層４に高濃度（およそ
５×１０19／ｃｍ3）の不純物としてボロンをドープし
て蛇行状の測温部兼赤外線吸収部（図ではＳｉボロメー
タ部と表記）５を形成している。測温部兼赤外線吸収部
５の両端にはＡｌ電極部６，７が設けられている。測温
部兼赤外線吸収部５の下部のＳｉ基板２とＳｉ酸化膜３
は選択的に除去されて中空部８が形成されている。試作
例の各部の寸法は、測温部兼赤外線吸収部５の領域が４
００μｍ×４００μｍ、測温部兼赤外線吸収部５の蛇行
状パターンのライン幅が２０μｍ、測温部兼赤外線吸収
部５の蛇行状パターンのライン間隔が１０μｍであり、
測温部兼赤外線吸収部５の蛇行状パターンのＡｌ電極部
６，７間の抵抗値は５０７０Ωになっている。
切断して示す構成図である。図において、ＳＯＩ基板１
を構成するＳｉ基板２の表面にはＳｉ酸化膜３が形成さ
れ、Ｓｉ酸化膜３の上にはＳｉ活性層４が形成されてい
るが、本実施例ではこのＳｉ活性層４に高濃度（およそ
５×１０19／ｃｍ3）の不純物としてボロンをドープし
て蛇行状の測温部兼赤外線吸収部（図ではＳｉボロメー
タ部と表記）５を形成している。測温部兼赤外線吸収部
５の両端にはＡｌ電極部６，７が設けられている。測温
部兼赤外線吸収部５の下部のＳｉ基板２とＳｉ酸化膜３
は選択的に除去されて中空部８が形成されている。試作
例の各部の寸法は、測温部兼赤外線吸収部５の領域が４
００μｍ×４００μｍ、測温部兼赤外線吸収部５の蛇行
状パターンのライン幅が２０μｍ、測温部兼赤外線吸収
部５の蛇行状パターンのライン間隔が１０μｍであり、
測温部兼赤外線吸収部５の蛇行状パターンのＡｌ電極部
６，７間の抵抗値は５０７０Ωになっている。
【００１７】このような構造の赤外検出素子は、一般的
な半導体製造プロセスを用いて製造することができ、品
質の安定した素子を高い歩留まりで生産できる。また、
測温部兼赤外線吸収部５を蛇行状パターンにしているの
で、測温部としての抵抗値を大きくでき、赤外線を吸収
するための受光面積を大きくできる。そして、測温部兼
赤外線吸収部５の下部に中空部８を形成しているので、
測温部兼赤外線吸収部５をＳＯＩ基板１から熱的にほぼ
絶縁分離することができ、熱コンダクタンスは極めて小
さくなり、熱容量特性を大幅に改善できる。
な半導体製造プロセスを用いて製造することができ、品
質の安定した素子を高い歩留まりで生産できる。また、
測温部兼赤外線吸収部５を蛇行状パターンにしているの
で、測温部としての抵抗値を大きくでき、赤外線を吸収
するための受光面積を大きくできる。そして、測温部兼
赤外線吸収部５の下部に中空部８を形成しているので、
測温部兼赤外線吸収部５をＳＯＩ基板１から熱的にほぼ
絶縁分離することができ、熱コンダクタンスは極めて小
さくなり、熱容量特性を大幅に改善できる。
【００１８】図３の構造の赤外検出素子は、例えば以下
のような工程で製造する。 ＳＯＩ基板１の裏面にのエッチング工程におけるマ
スク用の図示しないＳｉ酸化膜を成膜する。 ＳＯＩ基板１のＳｉ活性層４に不純物（例えばボロ
ン）をドープし、電極用の金属（例えばＡｌ）を蒸着し
て電極６，７としてパターニングする。 ＳＯＩ基板１の裏側のＳｉ酸化膜をパターニングし、
中間のＳｉ酸化膜３をエッチングストップ層として用
い、ヒドラジン等のアルカリ溶液でＳｉ基板２に対する
異方性エッチングを行って中空部８（ダイアフラム）を
形成する。 ダイアフラム８の多層構造による応力の変形を避ける
ため、ダイアフラム裏面側のＳｉ酸化膜３を弗酸系のエ
ッチング液で除去する。 図示しないフォトレジスト膜をマスクとし、中間のＳ
ｉ酸化膜層３をエッチストップ層として、ドライエッチ
ング装置によりＳｉ活性層４を加工し、レジストを除去
してボンディングする。
のような工程で製造する。 ＳＯＩ基板１の裏面にのエッチング工程におけるマ
スク用の図示しないＳｉ酸化膜を成膜する。 ＳＯＩ基板１のＳｉ活性層４に不純物（例えばボロ
ン）をドープし、電極用の金属（例えばＡｌ）を蒸着し
て電極６，７としてパターニングする。 ＳＯＩ基板１の裏側のＳｉ酸化膜をパターニングし、
中間のＳｉ酸化膜３をエッチングストップ層として用
い、ヒドラジン等のアルカリ溶液でＳｉ基板２に対する
異方性エッチングを行って中空部８（ダイアフラム）を
形成する。 ダイアフラム８の多層構造による応力の変形を避ける
ため、ダイアフラム裏面側のＳｉ酸化膜３を弗酸系のエ
ッチング液で除去する。 図示しないフォトレジスト膜をマスクとし、中間のＳ
ｉ酸化膜層３をエッチストップ層として、ドライエッチ
ング装置によりＳｉ活性層４を加工し、レジストを除去
してボンディングする。
【００１９】この素子を真空中測定した結果、ノイズは
ほぼジョンソンノイズまで低減し、抵抗温度係数は０．
１９％／Ｋ、ブリッジ電圧３．０Ｖで、比検出能Ｄ＊＝
２×１０7 ｃｍ√Ｈｚ／Ｗ （ａｔ １０Ｈｚ）を得
た。
ほぼジョンソンノイズまで低減し、抵抗温度係数は０．
１９％／Ｋ、ブリッジ電圧３．０Ｖで、比検出能Ｄ＊＝
２×１０7 ｃｍ√Ｈｚ／Ｗ （ａｔ １０Ｈｚ）を得
た。
【００２０】図４は本発明の実施形態の他の例を示す構
成図である。図において、ｎ型のＳｉ基板９上には高濃
度不純物をドープしたＳｉ単結晶層をエピタキシャル成
長させた後に蛇行状パターンに形成した測温部兼赤外線
吸収部１０が形成され、この測温部兼赤外線吸収部１０
の両端には電極取り出し部１１，１２が形成されてい
る。測温部兼赤外線吸収部１０の下部には中空部１３が
形成されていて、測温部兼赤外線吸収部１０は梁状にな
っている。これら測温部兼赤外線吸収部１０および電極
取り出し部１１，１２以外のＳｉ基板９の表面にはＳｉ
酸化膜１４が形成されている。
成図である。図において、ｎ型のＳｉ基板９上には高濃
度不純物をドープしたＳｉ単結晶層をエピタキシャル成
長させた後に蛇行状パターンに形成した測温部兼赤外線
吸収部１０が形成され、この測温部兼赤外線吸収部１０
の両端には電極取り出し部１１，１２が形成されてい
る。測温部兼赤外線吸収部１０の下部には中空部１３が
形成されていて、測温部兼赤外線吸収部１０は梁状にな
っている。これら測温部兼赤外線吸収部１０および電極
取り出し部１１，１２以外のＳｉ基板９の表面にはＳｉ
酸化膜１４が形成されている。
【００２１】このような構造の赤外検出素子も、図3の
素子と同様に一般的な半導体製造プロセスを用いて製造
することができ、品質の安定した素子を高い歩留まりで
生産できる。また、測温部兼赤外線吸収部１０も図3と
同様に蛇行状パターンにしているので、測温部としての
抵抗値を大きくでき、赤外線を吸収するための受光面積
を大きくできる。そして、測温部兼赤外線吸収部１０の
下部にも図3と同様に中空部１３を形成しているので、
測温部兼赤外線吸収部１０をＳｉ基板１０から熱的にほ
ぼ絶縁分離することができ、熱コンダクタンスは極めて
小さくなり、熱容量特性を大幅に改善できる。
素子と同様に一般的な半導体製造プロセスを用いて製造
することができ、品質の安定した素子を高い歩留まりで
生産できる。また、測温部兼赤外線吸収部１０も図3と
同様に蛇行状パターンにしているので、測温部としての
抵抗値を大きくでき、赤外線を吸収するための受光面積
を大きくできる。そして、測温部兼赤外線吸収部１０の
下部にも図3と同様に中空部１３を形成しているので、
測温部兼赤外線吸収部１０をＳｉ基板１０から熱的にほ
ぼ絶縁分離することができ、熱コンダクタンスは極めて
小さくなり、熱容量特性を大幅に改善できる。
【００２２】図４の構造の赤外検出素子は、例えば以下
のような工程で製造する。 ｎ型Ｓｉ基板９上に不純物を高濃度にドープしたＳｉ
単結晶層をエピタキシャル成長させる。 図示しないフォトレジスト膜をマスクにし、ドライエ
ッチング装置により測温部兼赤外線吸収部１０の形成に
関与しない高濃度Ｓｉ単結晶層の不要な部分を除去す
る。 ｎ型Ｓｉ基板９上にＳｉ酸化膜１４を成膜し、異方性
エッチング用とコンタクト用のホールを形成する。 Ａｕ−Ｃｒのようなで用いるアルカリ溶液に耐える
金属を蒸着し電極としてパターニングする。 Ｓｉ酸化膜１４と高濃度Ｓｉ単結晶層をエッチングス
トップ層として用い、ヒドラジン等のアルカリ溶液でｎ
型Ｓｉ基板９に対する異方性エッチングを行い、蛇行状
パターンの梁よりなる測温部兼赤外線吸収部１０を形成
してボンディングする。
のような工程で製造する。 ｎ型Ｓｉ基板９上に不純物を高濃度にドープしたＳｉ
単結晶層をエピタキシャル成長させる。 図示しないフォトレジスト膜をマスクにし、ドライエ
ッチング装置により測温部兼赤外線吸収部１０の形成に
関与しない高濃度Ｓｉ単結晶層の不要な部分を除去す
る。 ｎ型Ｓｉ基板９上にＳｉ酸化膜１４を成膜し、異方性
エッチング用とコンタクト用のホールを形成する。 Ａｕ−Ｃｒのようなで用いるアルカリ溶液に耐える
金属を蒸着し電極としてパターニングする。 Ｓｉ酸化膜１４と高濃度Ｓｉ単結晶層をエッチングス
トップ層として用い、ヒドラジン等のアルカリ溶液でｎ
型Ｓｉ基板９に対する異方性エッチングを行い、蛇行状
パターンの梁よりなる測温部兼赤外線吸収部１０を形成
してボンディングする。
【００２３】図4の構造の素子は、全製造工程をｎ型Ｓ
ｉ基板９の表面からの処理のみで行えるので、図3の構
造の製造工程よりも簡略化できる。
ｉ基板９の表面からの処理のみで行えるので、図3の構
造の製造工程よりも簡略化できる。
【００２４】また、これらの実施例に共通する効果とし
て、半導体製造プロセスを用いることから、増幅回路を
素子と同一の基板上に作り込んだり、アレイ化にして撮
像素子として用いることができるなどの発展性も得られ
る。
て、半導体製造プロセスを用いることから、増幅回路を
素子と同一の基板上に作り込んだり、アレイ化にして撮
像素子として用いることができるなどの発展性も得られ
る。
【００２５】ところで、図４の構造によれば、Ｓｉ層１
０に高濃度の不純物をドープしているので、Ｓｉ表面の
反射率は約５０％となり、光を熱に変換する効率が低下
することになる。反射率を抑えるためには、金黒などの
吸収剤を表面に付着させる方法が一般的であるが、熱容
量が増加して赤外検出素子の応答速度が遅くなるという
新たな問題が発生する。
０に高濃度の不純物をドープしているので、Ｓｉ表面の
反射率は約５０％となり、光を熱に変換する効率が低下
することになる。反射率を抑えるためには、金黒などの
吸収剤を表面に付着させる方法が一般的であるが、熱容
量が増加して赤外検出素子の応答速度が遅くなるという
新たな問題が発生する。
【００２６】しかし、このような問題は、以下に説明す
るように、赤外線吸収部における赤外線の入射角がブリ
ュスター角（Brewster angle or polarizing angle）に
なるように構造体を作ることで解決できる。
るように、赤外線吸収部における赤外線の入射角がブリ
ュスター角（Brewster angle or polarizing angle）に
なるように構造体を作ることで解決できる。
【００２７】図５に赤外線吸収部における赤外線の入射
角がブリュスター角になるように構成された赤外検出素
子の構造例を示す。Ｓｉ基板１５上に赤外線の入射角が
図中のブリュスター角θBになるように高濃度に不純物
をドーピングした赤外吸収層を兼ねる測温抵抗体（以下
測温部兼赤外線吸収部という）１６を形成して、その下
部が中空１７となるようにする。この測温部兼赤外線吸
収部１６の両端２ヵ所に電極取り出し部１８を形成し
て、この部分から外部にリード線１９を引き出す。
角がブリュスター角になるように構成された赤外検出素
子の構造例を示す。Ｓｉ基板１５上に赤外線の入射角が
図中のブリュスター角θBになるように高濃度に不純物
をドーピングした赤外吸収層を兼ねる測温抵抗体（以下
測温部兼赤外線吸収部という）１６を形成して、その下
部が中空１７となるようにする。この測温部兼赤外線吸
収部１６の両端２ヵ所に電極取り出し部１８を形成し
て、この部分から外部にリード線１９を引き出す。
【００２８】図６に空気または真空中に対するＳｉのエ
ネルギー反射率の関係を示す。入射角を増加させていく
とｓ偏光の反射率Ｒsは上昇していくのに対して、ｐ偏
光の反射率Ｒpはブリュスター角θBまで減少していく。
Ｓｉの屈折率ｎ1＝３.４、空気の屈折率ｎ0＝１.０とす
ると、ブリュスター角θBは、 θB＝ｔａｎ-1（ｎ1／ｎ0）＝７６.３゜ が求められる。物質のエネルギー反射率は、反射率Ｒs
と反射率Ｒpの平均値で近似できる。ｐ偏光のみの赤外
線を入射すると、図5のＶ字構造の赤外線検出素子は図
４の平面構造に対して約３倍の検出感度が得られる。
ネルギー反射率の関係を示す。入射角を増加させていく
とｓ偏光の反射率Ｒsは上昇していくのに対して、ｐ偏
光の反射率Ｒpはブリュスター角θBまで減少していく。
Ｓｉの屈折率ｎ1＝３.４、空気の屈折率ｎ0＝１.０とす
ると、ブリュスター角θBは、 θB＝ｔａｎ-1（ｎ1／ｎ0）＝７６.３゜ が求められる。物質のエネルギー反射率は、反射率Ｒs
と反射率Ｒpの平均値で近似できる。ｐ偏光のみの赤外
線を入射すると、図5のＶ字構造の赤外線検出素子は図
４の平面構造に対して約３倍の検出感度が得られる。
【００２９】図5の素子の動作は以下のようになる。 １．ｐ偏光のみの赤外線がブリュスター角θBで測温部
兼赤外線吸収部１６に入射する。 ２．赤外線のパワーに応じて、測温部兼赤外線吸収部１
６が温度上昇する。 ３．温度上昇によって、測温部兼赤外線吸収部１６の抵
抗値が変化する。 ４．電極取り出し部１８からリード線１９を介して抵抗
率変化を測定する。 ５．抵抗率変化から、赤外線のパワーを求める。
兼赤外線吸収部１６に入射する。 ２．赤外線のパワーに応じて、測温部兼赤外線吸収部１
６が温度上昇する。 ３．温度上昇によって、測温部兼赤外線吸収部１６の抵
抗値が変化する。 ４．電極取り出し部１８からリード線１９を介して抵抗
率変化を測定する。 ５．抵抗率変化から、赤外線のパワーを求める。
【００３０】このように、図5の構造によれば、赤外線
（ｐ偏光）を有効に受光できるように受光部への入射角
をｐ偏光反射率が最も低くなるブリュスター角としてい
るので、応答速度を落とすことなく赤外線応答感度を図
４の構造と比較して約３倍向上させることができる。ま
た、吸収物質を付加していないので、熱容量変化がなく
て赤外検出素子の応答速度が低下することがなく、Ｓｉ
半導体製造プロセス整合性も維持できる。
（ｐ偏光）を有効に受光できるように受光部への入射角
をｐ偏光反射率が最も低くなるブリュスター角としてい
るので、応答速度を落とすことなく赤外線応答感度を図
４の構造と比較して約３倍向上させることができる。ま
た、吸収物質を付加していないので、熱容量変化がなく
て赤外検出素子の応答速度が低下することがなく、Ｓｉ
半導体製造プロセス整合性も維持できる。
【００３１】なお、上記各実施例では、信号の取り出し
をリード線を介して行うので、リード線からの熱の逃げ
による感度低下が問題になる場合がある。このような問
題は、以下に説明するように、測温部兼赤外線吸収部の
抵抗値の変化を静電容量結合による検出する構造にする
ことで解決できる。
をリード線を介して行うので、リード線からの熱の逃げ
による感度低下が問題になる場合がある。このような問
題は、以下に説明するように、測温部兼赤外線吸収部の
抵抗値の変化を静電容量結合による検出する構造にする
ことで解決できる。
【００３２】図７に測温部兼赤外線吸収部の抵抗値の変
化を静電容量結合により検出するように構成された赤外
検出素子の構造例を示す。図７において、絶縁基板２０
上には信号取り出し電極２１が形成され、この信号取り
出し電極２１と対向するようにＳｉ酸化膜やＳｉ窒化膜
などによりダイアフラム２２が形成されている。そし
て、ダイアフラム２２の上部には測温部兼赤外線吸収部
２３が形成されている。これにより、信号取り出し電極
２１と測温部兼赤外線吸収部２３は熱的に遮断されるこ
とになり、熱コンダクタンスは低くなっている。
化を静電容量結合により検出するように構成された赤外
検出素子の構造例を示す。図７において、絶縁基板２０
上には信号取り出し電極２１が形成され、この信号取り
出し電極２１と対向するようにＳｉ酸化膜やＳｉ窒化膜
などによりダイアフラム２２が形成されている。そし
て、ダイアフラム２２の上部には測温部兼赤外線吸収部
２３が形成されている。これにより、信号取り出し電極
２１と測温部兼赤外線吸収部２３は熱的に遮断されるこ
とになり、熱コンダクタンスは低くなっている。
【００３３】図８は図７の赤外検出素子の等価回路例図
であり、測温部兼赤外線吸収部２３とダイアフラム２２
により形成される静電容量とリファレンス抵抗２４とで
交流ブリッジを形成し、測温部兼赤外線吸収部２３の抵
抗値変化分をインピーダンスの変化として検出する例を
示している。
であり、測温部兼赤外線吸収部２３とダイアフラム２２
により形成される静電容量とリファレンス抵抗２４とで
交流ブリッジを形成し、測温部兼赤外線吸収部２３の抵
抗値変化分をインピーダンスの変化として検出する例を
示している。
【００３４】なお、図７の赤外検出素子を発振回路に組
み込んで、測温部兼赤外線吸収部２３の抵抗値変化を発
振周波数変化として検出することも可能である。
み込んで、測温部兼赤外線吸収部２３の抵抗値変化を発
振周波数変化として検出することも可能である。
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
製造プロセスが容易で量産化に適し、素子の応用発展性
にも優れた赤外検出素子とその製造方法が実現できる。
製造プロセスが容易で量産化に適し、素子の応用発展性
にも優れた赤外検出素子とその製造方法が実現できる。
【図１】Ｓｉ単結晶抵抗体のノイズと抵抗温度係数の抵
抗率依存性の特性例図である。
抗率依存性の特性例図である。
【図２】赤外領域での吸収係数の抵抗率依存性の特性例
図である。
図である。
【図３】本発明の実施の形態の一例を一部を切断して示
す構成図である。
す構成図である。
【図４】本発明の実施形態の他の例を示す構成図であ
る。
る。
【図５】本発明の実施形態の他の例を示す構成図であ
る。
る。
【図６】空気または真空中に対するＳｉのエネルギー反
射率の関係を示す特性例図である。
射率の関係を示す特性例図である。
【図７】本発明の実施形態の他の例を示す構成図であ
る。
る。
【図８】図７の赤外検出素子の等価回路例図である。
１ ＳＯＩ基板 ２ Ｓｉ基板 ３，１４ Ｓｉ酸化膜 ４ Ｓｉ活性層 ５，１０，１６，２３ 測温部兼赤外線吸収部 ６，７ Ａｌ電極部 ８，１３，１７ 中空部 ９，１５ ｎ型Ｓｉ基板 １１，１８ 電極取り出し部 １９ リード線 ２０ 絶縁基板 ２１ 電極 ２２ ダイアフラム ２４ リファレンス抵抗
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山岸 秀章 東京都武蔵野市中町２丁目９番32号 横河 電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2G065 AB02 BA12 BB48 BC01 BC07 BE08 DA20
Claims (7)
- 【請求項１】 ＳＯＩ基板上に、高濃度不純物のドープ
領域により形成された測温部兼赤外線吸収部を設けたこ
とを特徴とする赤外検出素子。 - 【請求項２】 測温部兼赤外線吸収部が蛇行状パターン
として形成されたことを特徴とする請求項１記載の赤外
検出素子。 - 【請求項３】 測温部兼赤外線吸収部の下部に中空部が
形成されたことを特徴とする請求項２記載の赤外検出素
子。 - 【請求項４】 測温部兼赤外線吸収部における赤外線の
入射角がブリュスター角になるようにＶ字構造に形成さ
れたことを特徴とする請求項１〜３記載の赤外検出素
子。 - 【請求項５】 測温部兼赤外線吸収部の抵抗値変化を静
電容量結合により検出することを特徴とする請求項１〜
４記載の赤外検出素子。 - 【請求項６】 ＳＯＩ基板の裏面にＳｉ酸化膜を形成す
る工程と、 ＳＯＩ基板の活性層に高濃度不純物をドープする工程
と、 ＳＯＩ基板の活性層に金属層を形成する工程と、 前記金属層を電極パターンに形成する工程と、 ＳＯＩ基板裏面のＳｉ酸化膜をマスクにして異方性エッ
チングを行い測温部兼赤外線吸収部の下部に中空部を形
成する工程と、 前記高濃度不純物ドープ領域を測温部兼赤外線吸収部に
形成する工程、とを含む赤外検出素子の製造方法。 - 【請求項７】 ｎ型のＳｉ基板上に高濃度不純物をドー
プしたＳｉ単結晶層をエピタキシャル成長させる工程
と、 Ｓｉ単結晶層を測温部兼赤外線吸収部に形成するととも
にその下部に中空部を形成する工程、とを含む赤外検出
素子の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10233847A JP2000065637A (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 赤外検出素子とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10233847A JP2000065637A (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 赤外検出素子とその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000065637A true JP2000065637A (ja) | 2000-03-03 |
Family
ID=16961511
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10233847A Pending JP2000065637A (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 赤外検出素子とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000065637A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6953931B2 (en) | 2001-10-17 | 2005-10-11 | Nec Corporation | Bolometer type infrared detector |
| WO2019171488A1 (ja) * | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Tdk株式会社 | 電磁波センサ |
-
1998
- 1998-08-20 JP JP10233847A patent/JP2000065637A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6953931B2 (en) | 2001-10-17 | 2005-10-11 | Nec Corporation | Bolometer type infrared detector |
| WO2019171488A1 (ja) * | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Tdk株式会社 | 電磁波センサ |
| CN111886483A (zh) * | 2018-03-07 | 2020-11-03 | Tdk株式会社 | 电磁波传感器 |
| JPWO2019171488A1 (ja) * | 2018-03-07 | 2021-03-11 | Tdk株式会社 | 電磁波センサ |
| US11243118B2 (en) | 2018-03-07 | 2022-02-08 | Tdk Corporation | Electromagnetic wave sensor |
| JP7188436B2 (ja) | 2018-03-07 | 2022-12-13 | Tdk株式会社 | 電磁波センサ |
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