JP2002521646A - デュアル帯域幅ボロメータ - Google Patents

デュアル帯域幅ボロメータ

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JP2002521646A
JP2002521646A JP2000504607A JP2000504607A JP2002521646A JP 2002521646 A JP2002521646 A JP 2002521646A JP 2000504607 A JP2000504607 A JP 2000504607A JP 2000504607 A JP2000504607 A JP 2000504607A JP 2002521646 A JP2002521646 A JP 2002521646A
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コール，バーレット・イー
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ハネウエル・インコーポレーテッド
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    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
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    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
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Abstract

(57)【要約】 高い充填率を有し、ピクセルの同一表面領域を通る可視光線と赤外線を検出するための二重の機能をもつアレイのピクセル。赤外線は導電性酸化物層により吸収される。この吸収層は熱検出層を加熱し、熱検出層はそれによって赤外線の入射を示す。導電性酸化物から作られる赤外線反射層は、吸収層を通ってくる赤外線を反射し、吸収層に戻す。可視光線はピクセルの光学的に透明なすべての層を通って、アレイの各ピクセルの基板に設置された可視光線検出器に進むことができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 背景 本発明は、検出器、特にボロメータに関するものである。さらに詳細には、本
発明は可視光線検出能力を有するボロメータに関するものである。
【０００２】発明の概要 本発明は、集積回路の形態をした、可視光線と赤外線の両用検出器である。可
視光線を通すことができる厚い金属酸化物反射体と薄い金属酸化物吸収体を使う
ことにより、９０パーセントの吸収を達成する光学的に透明な赤外線ボロメータ
である。従来のデュアル帯域幅ボロメータは、材料が不透明なので、高いピクセ
ル充填率を実現することは不可能であった。本発明は、可視光線検出器アレイの
上にボロメータ・アレイを組み入れ、その結果、可視光線がボロメータ・アレイ
を通ってもう一方のアレイへ進むことができて、最大の赤外線ピクセル充填率と
感度を達成し、さらに可視光線が可視光線検出器に進むようにする手法である。
【０００３】実施形態の説明 図１ａは、本ボロメータ・ピクセル１０の切開側面図であるが、原寸には比例
していない。シリコン基板１１に電荷結合素子（ＣＣＤ）感知ピクセル１２が形
成されている。基板１１に組み入れ可能でありさえすれば、他のあらゆる種類の
可視光線感知ピクセルを使うことができる。赤外線検出ピクセル１０は可視光線
検出器１２の上方に定置され、ビア１５を介して基板１１の電子回路と接触して
いる。検出器１２と基板１１の一部の上に平坦化層１３が形成されている。層１
３は、入射してくる可視光線の約９６パーセントを通すＳｉＯ2 からなり、接点
１５用ビア１４を有している。平坦化層１３の上には、薄膜の組成特性と所要の
性能に応じて１０００ないし５０００オングストロームの厚さを有する反射体層
１６が設置される。反射体層１６はインジウム酸化第１スズ（ＩＴＯ）からなり
、層１６に入射する可視光線に対して約８０パーセントの透過率を示し、赤外線
の８０パーセントを反射する。
【０００４】 層１６の上方に、あるいは隣接して、低Ｑ値のファブリー・ペロー干渉フィル
タとして機能する空洞があり、このフィルタは、すなわちＩＴＯ層１６と、層２
０に形成されてＩＴＯ層１６から離れて配置されたＩＴＯ層２２との間の１ない
し２マイクロメートルのギャップ、すなわち間隔２３を有する。間隔２３はギャ
ップの寸法を示し、この寸法は、強化されて検出される赤外線波長の放射１７を
最大にするように製作時に調整される。層１６と層２２との間のボリュームは空
洞２６を形成する。ＩＴＯ層１６は赤外線１７に対して反射体であり、可視光線
１８を通す。
【０００５】 基板１１に入る接点１５用のビア１４が平坦化層１３に形成されている。接点
１５は、基板１１に隣接する他の層にある電子回路に接続することができ、Ｎｉ
Ｃｒで構成することもできる。接点１５を不動態化保護し、空洞２６用に層２０
と層２１を支持する支柱を形成するために、窒化シリコン１９、あるいは他の疑
似の物質が接点１５の周りに形成される。接点１５の周辺および窒化シリコン１
９の上に、やはり窒化シリコンからなる層２０が設置される。層２０の上にはＳ
ｉ3 Ｎ4 あるいはＳｉＯ2 からなる層２１が形成されている。層２０と層２１は
可視光線１８と赤外線１７の入射領域へ広がっている。層２０は可視光線１８に
対して９０パーセントを超える透過率を有する。層２１は可視光線１８に対して
９０パーセントを超える透過率を有する。これらの層が連続していることを破線
３３で表す。同様に、破線２４で示すように接点１５は赤外線１７および可視光
線１８の入射領域へ延び出している。第１ｂ図を見れば、層２０の上に接点１５
の構造が延びているのがわかる。シーン感知装置などの様々な応用例では複数の
ピクセル１０に対しては、この構造が繰り返され、第１ｂ図を越えて広がってい
る。第１ｂ図は、層２１をなくし、光線の入射方向から見たピクセル１０の構造
の平面図である。
【０００６】 ＶＯx （ｘは１ないし３でよい）、あるいは抵抗の温度係数（ＴＣＲ）の平衡
が高い適切な検出材料から作られるピクセル層２５が層２０の上に形成されてい
る。ピクセル２５は第１ｂ図にも示されている。接点１５は層２５の一部の上に
載せられ、ＶＯx 層２５に接続されている。層２５は薄膜の膜厚と化学量論に応
じて５０パーセント以上の可視光線透過率を有する。層２１は接点１５と層２５
の上に設置あるいは形成される。層２０の空洞２６側の面にＩＴＯ層２２が形成
されている。層２２の厚さは約１００オングストロームであり、２００オングス
トローム未満にすべきである。層２２は可視光線１８に対して８０パーセントを
超える透過率を有する。センサ層２５は赤外線１７を受けると加熱され、抵抗率
が変化する。その抵抗率の変化の結果、層２５を通る電流と層２５両端の電圧降
下、あるいはそのいずれかが変化し、これにより赤外線信号がセンサ・ピクセル
１０に入射したことを示す。ピクセル検出器層２５は抵抗の温度係数、すなわち ＴＣＲ＝（１／Ｒ）（ｄＲ／ｄｔ） の高いＶＯx 材料でできており、したがって層２５は、吸収層２２により加熱さ
れる検出層２５の温度に依存する信号を付与するトランスジューサである。
【０００７】 層１６と層２２は代わりにインジウム酸化第１スズ、あるいは酸化亜鉛、ある
いはスズ酸カドミウムから構成されてもよい。層１６と層２２は同じ材料である
必要はない。層２５は代わりにＶＯ2 あるいは他の高ＴＣＲの半導体薄膜から構
成されてもよい。基板１１は代わりにＩｎＳｂあるいはＨｇＣｄＴｅから構成さ
れてもよい。同様に、その他の層と構成要素は他の材料でできていてもよく、異
なる厚さと形態を有していてもよい。開示の実施形態は本発明の単に具体的な例
である。
【０００８】 赤外線センサ２５と可視光線センサ１２が横に並んでいるのではなく、互いに
重なっているピクセル１０の配置の結果、ＣＣＤピクセル１２付き赤外線ピクセ
ル２５の充填率とコロケーションが最大となり、ＣＣＤピクセル１２も最大充填
率を有することができる。従来技術では、吸収体層２２と反射体層１６は赤外線
ボロメータ用非透過材料（Ｃｒ、ＮｉＣｒ、Ａｕなど）から作られるので、本ピ
クセル１２は実現不可能である。層１６と層２２にＩＴＯあるいは他の導電性酸
化物を用いることにより、０．６ないし０．８ミクロンのＣＣＤ波長で高い光透
過率を、かつ８ないし１２ミクロンの波長で高い赤外線吸収率を付与し、一体化
されたアレイのための各ピクセル構成要素の感度と性能を最大にする。
【０００９】 厚いＩＴＯ薄膜１６（１ミクロン未満の範囲で）は、バルク様の性質を有し、
広い赤外線波長帯域にわたって赤外線１７を９０パーセントまで反射し（図２に
曲線２７で示されるように）、しかも可視光線１８の全スペクトルを通す（図２
に曲線２８で示されるように）能力があるため、コールド・ミラーとして使用す
ることができる。左の縦座標は曲線２８のための透過率の百分率（％Ｔ）を示す
。右の縦座標は曲線２７のための反射の百分率（％Ｒ）を示す。横座標は曲線２
７と曲線２８のために対数目盛に基づいて０．１ミクロンから１０ミクロンまで
の波長を示す。線２９はＣＣＤセンサ１２に適する中央波長を示す。線３０はボ
ロメータ・ピクセル２５に適する中央波長を示す。
【００１０】 吸収層２２用として、ＩＴＯ薄膜は１０-3から１０-4オーム・センチメートル
程度の抵抗率を有する。ピクセルの赤外線吸収率を９０パーセントまで最適化す
るためには、他の検出器薄膜の光学的性質にもよるが、３００ないし６００オー
ム／スクエア程度の抵抗率を有する吸収層２２がピクセル２５の下にあるのが好
ましい。約１００オングストロームの厚さを有する薄いＩＴＯ薄膜２２を堆積す
ることによりこの抵抗率を達成することができる。かかる薄膜２２は良好な光伝
送と約６００オーム／スクエアのシート抵抗を有し、ピクセル２５にとって好ま
しい９０パーセントを超える平均吸収率を呈する。
【００１１】 図３の曲線３１を見れば、赤外線１７に対して９０パーセントの反射率をもつ
ＩＴＯ層１６と約６００オーム／スクエアの適正な抵抗をもつＩＴＯ吸収体層２
２を有する本検出器１０の計算赤外線性能がわかる。この検出器性能は、空洞２
６の２ミクロンのギャップ２３と、２００ナノメートルのＳｉ3 Ｎ4 層２０と、
５０ないし１００ナノメートルの厚いＶＯx 赤外線検出器ピクセル層２５と、３
００ナノメートルのＳｉ3 Ｎ4 層２１を有する検出器１０のものである。赤外線
検出層２５のための層２２の吸収率は、曲線３１で示されるように、８ないし１
２ミクロンの長波長の赤外線帯域全体にわたって８０パーセント以上である。曲
線３１と同じデュアル帯域幅検出器ピクセル１０ではあるが、基板反射を全く想
定しておらず、空洞２６のいかなる大きさのギャップ２３にも適すＩＴＯ反射体
層１６がなく、６００オーム／スクエアの適正な抵抗をもつ吸収体層２２を有す
るデュアル帯域幅検出器ピクセル１０向けには、薄いＩＴＯ吸収体層２２は、可
視光線１８のほとんどすべてを通し、かつ第３図の曲線３２で示すように赤外線
１７のほぼ５０パーセントを吸収する。第３図のグラフの縦座標は層２２による
吸収の百分率を示し、横座標軸は吸収される赤外線１７の波長をミクロンで示す
。
【００１２】 デュアル帯域幅ボロメータは、２つの異なる赤外線帯域幅の輻射線、紫外線、
あるいは他の帯域幅の輻射線、あるいはさまざまな帯域幅の輻射線のいかなる組
み合わせをも感知するようすることができる。さらに、ボロメータと検出器、あ
るいはそのいずれかが冷却されてもよいし、冷却されなくてもよい。本発明は焦
電、熱電、その他の型の検出器あるいは検出器層を組み合わせたものを含むこと
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本ボロメータ・ピクセルの種々の図である。
【図２】 典型的な厚さのインジウム酸化第１スズ薄膜の可視光線帯域幅と
赤外線帯域幅での透過特性と反射特性のグラフである。
【図３】 反射体がある時とない時のインジウム酸化第１スズ吸収体の吸収
性能を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB02 AB04 BA04 BA12 BA34 BB30 BE08 2G066 AA04 BA09 BA14 BA23 CA02 CA16 4M118 AA10 AB10 BA05 BA10 BA16 CA14 CA35 CB05 CB09 CB13 GA10 GD14

Claims (34)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 デュアル帯域幅ボロメータにおいて、基板と、 前記基板に形成される可視光線検出器と、 前記基板から第１の距離にあって、可視光線を通し、温度変化を検出する検出
    器層と、 前記基板に面している前記検出器層の表面に設置され、可視光線を通し、少な
    くとも一部で赤外線を吸収する吸収体層と を含むボロメータ。
  2. 【請求項２】 可視光線が前記検出器層と前記吸収体層を通って、前記可視
    光線検出器に進む請求項１に記載のデュアル帯域幅ボロメータ。
  3. 【請求項３】 赤外線が前記検出器層を通り、 前記吸収体層が赤外線を受けると温度が変化し、その温度変化により前記検出
    器層の温度が変化する請求項２に記載のデュアル帯域幅ボロメータ。
  4. 【請求項４】 デュアル帯域幅ボロメータにおいて、前記可視光線検出器と
    前記基板の上に設置され、可視光線を通し、赤外線を反射する反射体層をさらに
    含み、前記赤外線が前記検出器層と前記吸収体層を通って、前記吸収体層に戻り
    、前記吸収体層が前記反射体層により反射される赤外線を受けると温度がさらに
    変化し、それにより次に検出器層の温度がさらに変化する請求項３に記載のボロ
    メータ。
  5. 【請求項５】 前記検出器層に設置された、前記検出器層の温度変化を示す
    信号を伝送するための少なくとも１つの導電性接点と、 前記検出器層上に形成された保護層と をさらに含む請求項４に記載のデュアル帯域幅ボロメータ。
  6. 【請求項６】 前記吸収体層が導電性酸化物からなり、 前記反射体層が導電性酸化物からなる請求項５に記載のデュアル帯域幅ボロメ
    ータ。
  7. 【請求項７】 前記吸収体層の厚さが２００オングストローム未満であり、 前記反射体層の厚さが８００オングストロームを超える請求項６に記載のデュ
    アル帯域幅ボロメータ。
  8. 【請求項８】 前記検出器層が酸化バナジウムからなる請求項７に記載のデ
    ュアル帯域幅ボロメータ。
  9. 【請求項９】 導電性酸化物がインジウム酸化第１スズである請求項８に記
    載のデュアル帯域幅ボロメータ。
  10. 【請求項１０】 前記保護層がＳｉ3 Ｎ4 あるいはＳｉＯ2 からなり、 前記基板がシリコンを含有する請求項９に記載のデュアル帯域幅ボロメータ。
  11. 【請求項１１】 前記検出器層と前記吸収体層の間に設置され、可視光線と
    赤外線を通す界面層と、 前記可視光線検出器と前記基板上に設置される平坦化層であって、前記平坦化
    層の上に前記反射体層が設置され、可視光線を通す平坦化層と をさらに含む請求項１０に記載のデュアル帯域幅ボロメータ。
  12. 【請求項１２】 前記界面層が窒化シリコンを含有し、 前記平坦化層が二酸化ケイ素を含有する請求項１１に記載のデュアル帯域幅ボ
    ロメータ。
  13. 【請求項１３】 前記吸収体層と前記反射体層の間の空間が、赤外線用干渉
    フィルタを形成する空洞である請求項１２に記載のデュアル帯域幅ボロメータ。
  14. 【請求項１４】 第１の距離は１ないし３ミクロンである請求項１３に記載
    のデュアル帯域幅ボロメータ。
  15. 【請求項１５】 前記保護層と前記界面層が、前記平坦化層のビア内で前記
    基板上に設置される支柱により支持される請求項１４に記載のデュアル帯域幅ボ
    ロメータ。
  16. 【請求項１６】 前記可視光線検出器が電荷結合素子である請求項１２に記
    載のデュアル帯域幅ボロメータ。
  17. 【請求項１７】 少なくとも１つの導電性接点が、前記検出器層から支柱へ
    延び、かつ支柱を経て前記基板上へ延びている請求項１６に記載のデュアル帯域
    幅ボロメータ。
  18. 【請求項１８】 基板と、 前記基板上に設置された可視光線検出器と、 前記可視光線検出器と前記基板上に設置され、可視光線を通し、赤外線を反射
    する反射体層と、 前記反射体層から第１の距離に設置され、可視光線を通し、前記吸収体層に熱
    を加える赤外線を吸収する吸収層と、 前記吸収体層上に設置され、検出器層と前記反射体層の間に前記吸収体が設置
    されている、前記吸収体層からの熱を検出するための検出器層と を含むデュアル帯域幅ボロメータ。
  19. 【請求項１９】 前記反射体層が導電性酸化物からなり、 前記吸収体層は導電性酸化物からなる請求項１８に記載のデュアル帯域幅ボロ
    メータ。
  20. 【請求項２０】 基板上に複数のピクセルを有するデュアル帯域幅ボロメー
    タにおいて、各ピクセルが、 前記基板上に設置され、可視光線を検出する第１の検出手段と、 前記基板から第１の距離に設置され、可視光線を通し、前記吸収手段に熱を加
    える赤外線を吸収する吸収手段と、 前記吸収手段に隣接して設置され、前記吸収手段からの熱を検出する第２の検
    出手段と を含むボロメータ。
  21. 【請求項２１】 前記各ピクセルがさらに、前記第１の検出手段および／ま
    たは前記基板上に前記吸収手段から第１の距離に設置され、可視光線を通し、前
    記吸収手段に赤外線を反射する反射手段を含む請求項２０に記載のデュアル帯域
    幅ボロメータ。
  22. 【請求項２２】 前記吸収手段が導電性酸化物からなり、 前記反射手段が導電性酸化物からなる請求項２０に記載のデュアル帯域幅ボロ
    メータ。
  23. 【請求項２３】 第１の距離、および前記吸収手段と前記反射手段の間の相
    当する空洞が、前記吸収手段による赤外線の吸収を高めるための干渉フィルタを
    構成する請求項２２に記載のデュアル帯域幅ボロメータ。
  24. 【請求項２４】 基板と、 前記基板に形成された第１の帯域幅の放射検出器と、 前記基板から第１の距離にあり、第１の帯域幅の放射を通し、温度変化を検出
    するための第２の帯域幅の放射を検出する放射検出器層と、 前記基板に面する前記検出器層の表面上に設置され、第１の帯域幅の放射を通
    し、第２の帯域幅の放射を少なくとも一部で吸収する吸収体層と を含むデュアル帯域幅センサ。
  25. 【請求項２５】 第１の帯域幅の放射が、前記第２の帯域幅の放射検出器層
    と前記吸収体層を通って、前記第１の帯域幅の放射検出器に進む請求項２４に記
    載のデュアル帯域幅センサ。
  26. 【請求項２６】 第２の帯域幅の放射が前記検出器層を通り、 前記吸収体層が第２の帯域幅の放射を受けて温度が変化し、この温度変化によ
    り前記検出器層の温度が変化する請求項２５に記載のデュアル帯域幅センサ。
  27. 【請求項２７】 デュアル帯域幅センサにおいて、前記第１の帯域幅の放射
    検出器と前記基板の上に設置され、第１の帯域幅の放射を通し、第２の帯域幅の
    放射を反射する反射体層をさらに含み、前記第２の帯域幅の放射が前記検出器層
    と前記吸収体層を通って、前記吸収体層に戻り、前記吸収体層が前記反射体層に
    より反射される第２の帯域幅の放射を受けて温度がさらに変化し、それにより次
    に検出器層の温度がさらに変化する請求項２６に記載のセンサ。
  28. 【請求項２８】 前記検出器層の上に設置された、前記検出器層の温度変化
    を示す信号を送るための少なくとも１つの導電性接点と、 前記検出器層の上に形成された保護層とをさらに含む請求項２７に記載のデュ
    アル帯域幅センサ。
  29. 【請求項２９】 前記吸収体層が導電性酸化物からなり、 前記反射体層が導電性酸化物からなる請求項２８に記載のデュアル帯域幅セン
    サ。
  30. 【請求項３０】 前記吸収体層の厚さが２００オングストローム未満であり
    、 前記反射体層の厚さが８００オングストロームを超える請求項２９に記載のデ
    ュアル帯域幅センサ。
  31. 【請求項３１】 前記検出器層と前記吸収体層の間に設置され、第１の帯域
    幅の放射と第２の帯域幅の放射を通す界面層と、 前記第１の帯域幅の放射検出器と前記基板上に設置され、前記平坦化層の上に
    前記反射体層が設置され、第１の帯域幅の放射を通す平坦化層と をさらに含む請求項３０に記載のデュアル帯域幅センサ。
  32. 【請求項３２】 前記吸収体層と前記反射体層の間の空間が、第２の帯域幅
    の放射用干渉フィルタを形成する空洞である請求項３１に記載のデュアル帯域幅
    センサ。
  33. 【請求項３３】 第２の帯域幅の放射検出器層と吸収体層を通って第１の帯
    域幅の放射検出器に進む第１の帯域幅の放射を受け取るステップと、および 第２の帯域幅の放射検出器層を加熱する吸収体層により少なくとも一部は吸収
    される、第２の帯域幅の放射検出器層を通る第２の帯域幅の放射を受け取るステ
    ップと を含む複数の帯域幅の放射を検出する方法。
  34. 【請求項３４】 吸収体層を通って吸収体層に戻る第２の帯域幅の放射を反
    射することをさらに含む請求項３３に記載の放射検出方法。
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