JP2003101880A

JP2003101880A - 熱型赤外線イメージセンサ

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Publication number: JP2003101880A
Application number: JP2001285478A
Authority: JP
Inventors: Naoya Mashio; 尚哉真塩; Keitaro Shigenaka; 圭太郎重中; Ikuo Fujiwara; 郁夫藤原; Hideyuki Funaki; 英之舟木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2003-04-04
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: JP3825662B2

Abstract

(57)【要約】【課題】検出部の駆動電圧を低減すると共に、非選択
時の検出部におけるリーク電流を低減する。【解決手段】複数の半導体素子を直列接続して形成さ
れた熱型赤外線検出器を２次元配置してなる熱型赤外線
イメージセンサであって、各々の検出器１０４における
複数の半導体素子のうちの１つは動作電圧が高くリーク
電流が小さいｐｎ接合ダイオード１０３で、残りは動作
電圧が低くリーク電流が大きいゲート・ドレイン短絡の
ＭＯＳＦＥＴ１０４である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線を熱として
感知する熱型赤外線検出器（画素）を２次元配置した赤
外線イメージセンサに係わり、特に複数個のダイオード
素子を直列接続して熱型赤外線検出器を構成した熱型赤
外線イメージセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、赤外線を熱として感知する熱型赤
外線検出器の中で、検出部に半導体接合素子を含むｐｎ
接合ダイオード型熱型赤外線検出器がある。この検出器
では、ｐｎ接合の順方向電流を固定した際の順方向電圧
の温度依存性から、検出器に照射された赤外線強度を計
測することができる。従って、複数の検出器を２次元配
置しておくことによって、被写体の温度分布を知ること
が可能となる。

【０００３】図６は、Ｓｉダイオード１０３を検出部に
用いた従来例のｐｎ接合ダイオード型熱型赤外線検出器
の概略図を示す。この検出器は、Ｓｉの製造ラインを用
いて全て作製できるので、製造コストを安価にできると
いう利点がある。また、ｐｎ接合ダイオード型の利点と
して、検出器を２次元に配置したイメージセンサにおい
ては非選択時にはダイオードには逆電圧が印加される
が、そのときのリーク電流を極めて小さくすることがで
きる。

【０００４】ところで、ｐｎ接合ダイオード型の熱型赤
外線検出器では、赤外線受光感度が直列に接続したダイ
オード数に比例するので、感度を増すためにはダイオー
ド数を増やす必要がある。ダイオード数の増加により検
出部の駆動電圧も増加することになり、例えば図７の順
方向電圧印加時の電流−電圧特性に示すように、ダイオ
ード８個では８Ｖ程度の電圧が必要となる。このような
駆動電圧の上昇により周辺回路部（駆動部、信号読み出
し部）の耐圧が必要となるために、周辺回路部の高速動
作が困難となり、結果としてイメージセンサの画素数が
制限されてしまう。また、消費電力の増大を招き、周辺
回路部での発熱増加のためにペルチェなどの温調機構が
必要となる。

【０００５】上記の問題を解決するために、図６のｐｎ
接合ダイオードをＭＯＳＦＥＴからなるダイオードに置
き換えた検出器もある。特に、ＭＯＳ構造では、チャネ
ル濃度を変えることにより電圧しきい値を低減すること
ができ、駆動電圧を低く設定することが可能である。し
かしながら、電圧しきい値を低くすると、イメージセン
サにおいて非選択時の逆電圧印加によるリーク電流が増
大し、選択画素の検出感度の低下の原因となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、赤外
線検出部にｐｎ接合ダイオードを用いる場合には、感度
向上のために多数のダイオード数が必要となり、高い駆
動電圧となってしまう。また、ｐｎ接合ダイオードの替
わりにＭＯＳＦＥＴからなるダイオードを用いて駆動電
圧を下げることはできるが、この場合は非選択時のリー
ク電流も増大してしまい高感度化が困難となる。

【０００７】本発明は、上記事情を考慮して成されたも
ので、その目的とするところは、検出部の駆動電圧を低
減すると共に、非選択時の検出部におけるリーク電流を
低減することを可能とした熱型赤外線イメージセンサを
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】（構成）上記課題を解決
するために本発明は次のような構成を採用している。

【０００９】即ち本発明は、複数の熱型赤外線検出画素
を２次元配置してなる熱型赤外線イメージセンサであっ
て、前記各検出画素はそれぞれ複数の半導体素子を直列
接続して形成され、各々の検出画素における複数の半導
体素子のうちの一部は他よりも動作電圧が高くリーク電
流が小さいものであることを特徴とする。

【００１０】また本発明は、複数の半導体素子を直列接
続して形成された熱型赤外線検出画素を２次元配置して
なる熱型赤外線イメージセンサであって、各々の検出画
素における複数の半導体素子のうちの１つは他よりも動
作電圧が高くリーク電流が小さいダイオード素子で、残
りは動作電圧が低くリーク電流が大きいダイオード素子
であることを特徴とする。

【００１１】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものが挙げられる。

【００１２】(1) 動作電圧が高くリーク電流が小さいダ
イオード素子はｐｎ接合ダイオードであり、動作電圧が
低くリーク電流が大きいダイオード素子はゲートとドレ
インを接続したＭＯＳＦＥＴであること。

【００１３】(2) 動作電圧が高くリーク電流が小さいダ
イオード素子は、ゲートとドレインを接続したＥタイプ
のＭＯＳＦＥＴであり、動作電圧が低くリーク電流が大
きいダイオード素子は、ゲートとドレインを接続したＤ
タイプのＭＯＳＦＥＴであること。

【００１４】(3) 各検出画素を構成する複数のダイオー
ド素子は、当該検出画素の検出信号を読み出す際の選択
時に順バイアスされ、当該検出画素の非選択時には逆バ
イアスされるものであること。

【００１５】(4) 各検出画素は、Ｓｉ基板上に熱的に分
離して形成された島状の半導体領域に形成されること。

【００１６】（作用）本発明によれば、リーク電流は大
きいが動作電圧の低いダイオードを複数個直列接続する
ことにより、駆動電圧の上昇を抑えながら検出感度を稼
ぐことができる。そして、直列接続する複数のダイオー
ドのうちの一部（又は一つ）を動作電圧は高いがリーク
電流の小さいものとすることにより、全体のリーク電流
を低減することができる。これにより、リーク電流を減
らしながら感度の向上をはかることが可能となる。

【００１７】たとえば、直列接続する複数のダイオード
のうちの一部（又は一つ）をｐｎ接合ダイオードで形成
し、残りをゲートとドレインが接続されたＭＯＳＦＥＴ
で形成することにより、ＭＯＳＦＥＴからなるダイオー
ドで感度を稼ぎ、ｐｎ接合ダイオードでリークの低減を
はかることができる。同様に、直列接続する複数のダイ
オードのうちの一部（又は一つ）をＥタイプのＭＯＳＦ
ＥＴで形成し、残りをＤタイプのＭＯＳＦＥＴで形成す
ることにより、ＤタイプＭＯＳＦＥＴで感度を稼ぎ、Ｅ
タイプのＭＯＳＦＥＴでリークの低減をはかることが可
能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。

【００１９】図１は、本発明の第１の実施形態に係わる
熱型赤外線イメージセンサの全体構成を示す回路図であ
る。図では、説明を簡単にするために２行２列の２×２
画素構成を示しているが、より多数行，多数列のｍ×ｎ
画素構成に適用できるのは勿論のことである。

【００２０】入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検
出画素１が半導体基板上に２次元的に配置されて撮像領
域３を構成している。撮像領域３の内部には、複数本の
行選択線４（４−１，４−２）と複数本の垂直信号線５
（５−１，５−２）が配置されている。

【００２１】画素選択のために、行選択回路４０と水平
アドレス回路６が撮像領域３の行方向と列方向に各々隣
接配置され、行選択回路４０には行選択線４が接続さ
れ、水平アドレス回路６には水平選択線７（７−１，７
−２）が接続されている。画素出力電圧を得るための定
電流源として、各列の垂直信号線５には負荷ＭＯＳトラ
ンジスタ８（８−１，８−２）が接続されている。負荷
ＭＯＳトランジスタ８のソースには基板電圧Ｖｓが印加
されている。

【００２２】行選択回路４０により選択された行選択線
４には電源電圧Ｖｄが印加され、行選択回路４０により
選択されない行選択線にはＶｓが印加される。その結
果、選択された行の赤外線検出画素１内部のｐｎ接合が
順バイアスとなりバイアス電流が流れ、画素内部のｐｎ
接合の温度と順バイアス電流とにより動作点が決まり、
各列の垂直信号線５に画素信号出力電圧が発生する。こ
のとき、行選択回路４０によって選択されない画素１の
ｐｎ接合は逆バイアスとなる。即ち、画素内部のｐｎ接
合は画素選択の機能を持っている。

【００２３】垂直信号線５に発生する電圧は、極めて低
電圧でありこの信号電圧を読み出すために、列毎に増幅
読み出し回路９が配置されており、各列の垂直信号線５
は各列の増幅トランジスタ１０のゲートに接続されてい
る。増幅トランジスタ１０のドレイン側には、電流増幅
した信号電流を積分し蓄積するための蓄積容量１２が接
続されている。信号電流を積分する蓄積時間は、行選択
回路４０により行選択線４に印加される行選択パルスに
より決定される。蓄積容量１２には、該蓄積容量１２の
電圧をリセットするためのリセットトランジスタ１３が
接続され、水平選択トランジスタ１４による信号電圧の
読み出しが完了した後にリセット動作を行うようになっ
ている。

【００２４】図２（ａ）は、本実施形態に係わる熱型赤
外線イメージセンサの１画素構成を示す断面図である。
赤外線検出部にゲートとドレインを接続したｎ型ＭＯＳ
ＦＥＴ（以下、単にｎ型ＭＯＳＦＥＴと記す）とｐｎ接
合ダイオードを用いた例である。

【００２５】Ｓｉ基板１００上に酸化膜１０１を介して
Ｓｉ層を形成したＳＯＩ基板が用いられ、酸化膜１０１
上に選択的に残したＳｉ層にはｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０２
及びｐｎ接合ダイオード１０３が配置されている。ｎ型
ＭＯＳＦＥＴ１０２は、ｎ型拡散層１０２ａ，ゲート電
極１０２ｂ及びｐ型ウェル層１０２ｃにより形成され、
ｐｎ接合ダイオード１０３は、ｎ型拡散層１０３ａ及び
ｐ型拡散層１０３ｂにより形成される。また、これらの
ダイオードを形成した基板上には絶縁酸化膜１０５が形
成されている。そして、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０２，ｐｎ
接合ダイオード１０３，酸化膜１０１及び絶縁酸化膜１
０５によって、画素となる検出部１０４が構成されてい
る。

【００２６】検出部１０４は絶縁酸化膜１０５と酸化膜
１０１からなる支持脚１０７によりＳｉ基板１００に接
続しており、分離溝１０６及び空洞１０８によりＳｉ基
板１００とは熱的に分離されている。このように、検出
部１０４及び支持部１０７が中空構造１０８上に設けら
れることにより、入射赤外線による検出部１０４の温度
の変調を効率良く行う構造になっている。

【００２７】図２（ｂ）は、検出部１０４を正面から見
た図である。一例としてｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０２を３
個、ｐｎ接合ダイオード１０３を１個配置した場合を示
している。各々のダイオードは配線１０９で直列に接続
されている。ｐｎ接合ダイオード１０３のｐ型拡散層１
０３ｂは前段のｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０２のｎ型拡散層１
０３ａに接続されており、ｎ型拡散層１０３ａは次段の
ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０２のｎ型拡散層１０２ａ及びゲー
ト電極１０２ｂに配線１０９を介して接続されている。

【００２８】上記の構造を回路図で示したのが図３であ
り、１個のｐｎ接合ダイオード１０３と複数個のＭＯＳ
ＦＥＴ１０２が直列接続されている。また、ダイオード
を例えば８個（当該ＭＯＳＦＥＴ７個とｐｎ接合ダイオ
ード１個）を用いた場合の、温度Ｔ１，Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ
２）のときの検出部における電圧−電流特性を図４に示
す。この図から分かるように、ダイオードを８個用いた
場合でも、必要な電圧は４Ｖ程度となる。

【００２９】ここで、動作時の電流を一定にした際のｎ
型ＭＯＳＦＥＴの電圧降下をＶm 、ＭＯＳＦＥＴの数を
Ｎm 、ｐｎ接合ダイオードの電圧降下をＶd とした時
の、総電圧降下Ｖddは次のようになる。

【００３０】Ｖdd＝Ｖd ＋Ｎm ×Ｖm …（１）感度向上のためにはＮm を増やす必要があるが、その際
にはｎ型ＭＯＳＦＥＴのｐ型ウェル濃度を調整すること
によりＶm を低下させればよい。その際には飽和電流値
は低減してしまうが、動作電流がそれ以下の場合には問
題ない。また、非選択時のリーク電流はｐｎ接合ダイオ
ードの逆電圧特性のように極めて少ない値となるので、
選択画素の感度には影響を及ぼさない。

【００３１】図５にトータルのダイオード数が８個で、
ｐｎ接合ダイオードとＭＯＳＦＥＴの割合を変えた場合
の特性を示す。なお、ｐｎ接合ダイオードの電圧降下を
１Ｖ、ＭＯＳＦＥＴの電圧降下を０．３Ｖとした。

【００３２】図５の（a1）に示すように、全てがｐｎ接
合ダイオードである場合（図６の従来例と同じ）、（a
2）に示すように動作電流Ｉo での動作電圧は、１×８
＝８Ｖである。また、（b1）に示すように、半数をｐｎ
接合ダイオードにした場合、（b2）に示すように動作電
流Ｉo での動作電圧は、１×４＋０．３×４＝５．２Ｖ
となる。さらに、（c1）に示すように、１つのみがｐｎ
接合ダイオードの場合、（c2）に示すように動作電流Ｉ
ｏでの動作電圧は、１＋０．３×７＝３．１Ｖとなる。

【００３３】また、図５から分かるように、動作電流Ｉ
o での傾きはどのケースにおいても同様となる。即ち、
感度は一定であり、ｐｎ接合ダイオードの数が少ないほ
ど動作電圧が低くなる。従って、本実施形態のようにｐ
ｎ接合ダイオードを１個、他をＭＯＳＦＥＴで構成する
ことにより、高い感度を保持しながら動作電圧の低減が
可能となる。

【００３４】一方、複数のダイオードを直列接続した場
合、全体のリーク電流は最もリーク電流が小さいダイオ
ードで規定されることになる。図５の例では、（ａ）の
場合も（ｃ）の場合も全体のリーク電流はｐｎ接合ダイ
オードに１Ｖを印加したときの電流となり、何れの場合
も同じとなる。従って、本実施形態のように１個のｐｎ
接合ダイオードと多数のＭＯＳＦＥＴを用いた場合、リ
ーク電流の大きいＭＯＳＦＥＴを用いているにも拘わら
ず、逆バイアスによるリーク電流を十分に小さくするこ
とができる。

【００３５】このように本実施形態によれば、Ｓｉ基板
上に熱分離して配置される検出部１０４を、１個のｐｎ
接合ダイオード１０３と複数個のＭＯＳＦＥＴ１０２で
構成することにより、検出部１０４の駆動電圧を低減す
ると共に、非選択時の検出部１０４におけるリーク電流
を低減することができる。これにより、高感度，高精度
の検出器１０４を用いて熱型赤外線イメージセンサを実
現できることになり、製造コストの低減をはかることも
できる。

【００３６】また、検出器１０４にしきい値の異なる複
数の半導体素子を含んでいるので、感度検出の役割であ
るＭＯＳＦＥＴ１０２での電圧降下を減少することによ
り検出部１０４の駆動電圧を低減でき、同時に非選択時
のリーク電流を減少する役割を持つｐｎ接合ダイオード
１０３によって選択している検出部の感度低下を防ぐこ
とができる。

【００３７】また、検出部１０４を構成する半導体素子
としてＭＯＳＦＥＴを用いているので、ウェル濃度及び
チャネル濃度の調節により検出部１０４の駆動電圧の設
定が容易となる。さらに、検出部を構成する半導体素子
は複数のＭＯＳＦＥＴと１つのｐｎ接合ダイオードであ
り、素子構成は極めて簡単であり、その製造に特殊な工
程を要することもない。

【００３８】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れるものではない。実施形態では、動作電圧が高くリー
ク電流の小さい素子としてｐｎ接合ダイオードを用いた
が、この代わりに、しきい値の高いゲート・ドレイン短
絡のｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いることにより非選択時のリ
ーク電流を低減することも可能である。このときの作用
は、ｐｎ接合ダイオードを用いた場合と同様である。Ｍ
ＯＳＦＥＴのみで構成する場合、動作電圧が高くリーク
電流の小さい素子としてゲート・ドレイン短絡のＥタイ
プのＭＯＳＦＥＴを用い、動作電圧が低くリーク電流の
大きい素子としてゲート・ドレイン短絡のＤタイプのＭ
ＯＳＦＥＴを用いればよい。

【００３９】また、実施形態では、動作電圧が低くリー
ク電流の小さい素子としてゲート・ドレイン短絡のｎ型
ＭＯＳＦＥＴを用いたが、この代わりにゲート・ドレイ
ン短絡のｐ型ＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。さらに、温
度により電気特性が変化し、構造を変えることによりあ
る動作電流における電圧降下が変化する素子であれば用
いることが可能である。また、非選択時の低リーク素子
としてはｐｎ接合ダイオードを用いたが、低リーク素子
であるならば同じ方法でこの検出器に使用可能である。

【００４０】また、実施形態では、動作電圧が高くリー
ク電流の小さい素子を１つ、残りを動作電圧が低くリー
ク電流の大きい素子としたが、動作電圧が高くリーク電
流の小さい素子はかならずしも１個に限るものではな
く、２個又はそれ以上にしてもよい。但し、動作電圧が
高くリーク電流の小さい素子が多くなるほど本発明の効
果が小さくなるので、あまり多くすることは望ましくな
い。

【００４１】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、赤
外線検出画素を構成する複数の熱型赤外線検出器のうち
の一部を他よりも動作電圧が高くリーク電流が小さい半
導体素子で構成することにより、検出部の駆動電圧を低
減すると共に、非選択時の検出部におけるリーク電流を
低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係わる熱型赤外線イメー
ジセンサの全体構成を示す回路図。

【図２】図１の熱型赤外線イメージセンサの１画素構成
を示す断面図と平面図。

【図３】図１の熱型赤外線イメージセンサに用いた赤外
線検出部の回路構成を示す図。

【図４】温度Ｔ１，Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）をパラメータと
したときの検出部における電圧−電流特性を示す図。

【図５】実施形態における動作電圧低減の様子を説明す
るための図。

【図６】従来の熱型赤外線イメージセンサの一例の回路
構成を示す図。

【図７】温度Ｔ１，Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）をパラメータと
したときの従来の検出部における電圧−電流特性を示す
図。

【符号の説明】

１…赤外線検出画素２…半導体基板３…撮像領域４…行選択線５…垂直信号線６…水平アドレス回路７…水平選択線８…負荷ＭＯＳトランジスタ９…増幅読み出し回路１０…増幅トランジスタ１２…蓄積容量１３…リセットトランジスタ４０…行選択回路１００…Ｓｉ基板１０１…酸化膜１０２…ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０２ａ…ｎ型拡散層１０２ｂ…ゲート電極１０２ｃ…ｐ型ウェル層１０３…ｐｎ接合ダイオード１０３ａ…ｎ型拡散層１０３ｂ…ｐ型拡散層１０４…検出部１０５…絶縁酸化膜１０６…分離溝１０７…支持脚１０８…空洞１０９…配線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｈ０１Ｌ 37/00 37/00 27/14 Ｋ (72)発明者藤原郁夫神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者舟木英之神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内Ｆターム(参考） 2G065 AB02 BA02 BA14 BA34 BC02 BE08 CA30 DA18 2G066 BA55 BA60 BB20 CA02 4M118 AB01 BA14 CA03 CA07 CB12 DD09 FA06 FA08 5C024 AX06 CX41 GX03 GY31 HX40 HX41

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の熱型赤外線検出画素を２次元配置し
てなる熱型赤外線イメージセンサであって、前記各検出画素はそれぞれ複数の半導体素子を直列接続
して形成され、各々の検出画素における前記複数の半導
体素子のうちの一部は他よりも動作電圧が高くリーク電
流が小さいものであることを特徴とする熱型赤外線イメ
ージセンサ。
【請求項２】複数の半導体素子を直列接続して形成され
た熱型赤外線検出画素を２次元配置してなる熱型赤外線
イメージセンサであって、各々の検出画素における複数の半導体素子のうちの１つ
は他よりも動作電圧が高くリーク電流が小さいダイオー
ド素子で、残りは動作電圧が低くリーク電流が大きいダ
イオード素子であることを特徴とする熱型赤外線イメー
ジセンサ。
【請求項３】前記動作電圧が高くリーク電流が小さいダ
イオード素子はｐｎ接合ダイオードであり、前記動作電
圧が低くリーク電流が大きいダイオード素子はゲートと
ドレインを接続したＭＯＳＦＥＴであることを特徴とす
る請求項２記載の熱型赤外線イメージセンサ。
【請求項４】前記動作電圧が高くリーク電流が小さいダ
イオード素子はゲートとドレインを接続したＥタイプの
ＭＯＳＦＥＴであり、前記動作電圧が低くリーク電流が
大きいダイオード素子はゲートとドレインを接続したＤ
タイプのＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項２
記載の熱型赤外線イメージセンサ。
【請求項５】前記各検出画素を構成する前記複数のダイ
オード素子は、当該検出画素の検出信号を読み出す際の
選択時に順バイアスされ、当該検出画素の非選択時には
逆バイアスされるものであることを特徴とする請求項２
〜４の何れかに記載の熱型赤外線イメージセンサ。