JP2003121255A - ボロメータ型赤外線検出器 - Google Patents
ボロメータ型赤外線検出器Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
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Abstract
(57)【要約】
【課題】自己発熱による温度ドリフトを抑制し、かつ、
ノイズによる特性劣化の無い構造のボロメータ型赤外線
検出素子の提供。 【解決手段】少なくとも支持膜３、ボロメータ薄膜４、
ボロメータ薄膜の抵抗変化を読み出すための電極６、保
護膜５とからなり、基板９から梁２によって浮かせて支
持されたダイアフラム構造を有するボロメータ型赤外線
検出器において、ボロメータ薄膜４を複数の短冊状に形
成し、各々のボロメータ薄膜４を電極６により直列に接
続することにより、ボロメータ抵抗を高くして自己発熱
による温度ドリフトを抑制すると共に、体積効果による
１／ｆノイズの増加を防止する。
ノイズによる特性劣化の無い構造のボロメータ型赤外線
検出素子の提供。 【解決手段】少なくとも支持膜３、ボロメータ薄膜４、
ボロメータ薄膜の抵抗変化を読み出すための電極６、保
護膜５とからなり、基板９から梁２によって浮かせて支
持されたダイアフラム構造を有するボロメータ型赤外線
検出器において、ボロメータ薄膜４を複数の短冊状に形
成し、各々のボロメータ薄膜４を電極６により直列に接
続することにより、ボロメータ抵抗を高くして自己発熱
による温度ドリフトを抑制すると共に、体積効果による
１／ｆノイズの増加を防止する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱分離構造を有す
るボロメータ型赤外線検出器に関し、特に、温度ドリフ
トとノイズを抑制することができる高性能化のボロメー
タ型赤外線検出器に関する。
るボロメータ型赤外線検出器に関し、特に、温度ドリフ
トとノイズを抑制することができる高性能化のボロメー
タ型赤外線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】赤外線検出器は、半導体等のバンド構造
を利用した量子型と、熱による材料物性値（抵抗、誘電
率等）の変化を利用した熱型に大きく分けられる。前者
は高感度ではあるが動作原理上冷却を必要としている。
それに対し後者は、特に冷却を必要としていないため非
冷却型とも呼ばれ、製作コストや維持コストの面で量子
型に比べ有利な点が多く、赤外線検出器の主流となりつ
つある。
を利用した量子型と、熱による材料物性値（抵抗、誘電
率等）の変化を利用した熱型に大きく分けられる。前者
は高感度ではあるが動作原理上冷却を必要としている。
それに対し後者は、特に冷却を必要としていないため非
冷却型とも呼ばれ、製作コストや維持コストの面で量子
型に比べ有利な点が多く、赤外線検出器の主流となりつ
つある。
【０００３】熱型赤外線検出器には、ボロメータ型、焦
電型及び熱電対型があり、いずれも検出器の感度を高く
するため一般には熱分離構造、いわゆるダイアフラム構
造を有している。このなかでもボロメータ型の赤外線検
出器は比較的特性に優れ、特にボロメータ材料として酸
化バナジウム（ＶＯ２）を用いたものは、ＳＰＩＥ（１
９９６年、２７４６巻、２３頁）にも述べられているよ
うに、二次元に配列され赤外画像検出素子として用いら
れている。ここでは、その一画素を例にとって、ボロメ
ータ型赤外線検出器の典型的な構造を説明する。図３
は、従来のボロメータ型赤外線検出器の構造を示す平面
図であり、図４は、Ｂ−Ｂ′線における断面図である。
電型及び熱電対型があり、いずれも検出器の感度を高く
するため一般には熱分離構造、いわゆるダイアフラム構
造を有している。このなかでもボロメータ型の赤外線検
出器は比較的特性に優れ、特にボロメータ材料として酸
化バナジウム（ＶＯ２）を用いたものは、ＳＰＩＥ（１
９９６年、２７４６巻、２３頁）にも述べられているよ
うに、二次元に配列され赤外画像検出素子として用いら
れている。ここでは、その一画素を例にとって、ボロメ
ータ型赤外線検出器の典型的な構造を説明する。図３
は、従来のボロメータ型赤外線検出器の構造を示す平面
図であり、図４は、Ｂ−Ｂ′線における断面図である。
【０００４】図３及び図４に示すように、ボロメータ型
赤外線検出器は一般に、熱電変換部分１とそれを支える
梁２とからなり、熱電変換部１は梁２によって支えられ
ているダイアフラム構造となっている。このダイアフラ
ム構造は、支持膜３、熱電材料としてのボロメータ薄膜
４、ボロメータ薄膜４の抵抗変化を検出するための電極
６、及び保護膜５よりなり、これらはキャビティ８によ
り基板９から熱的に分離されている。
赤外線検出器は一般に、熱電変換部分１とそれを支える
梁２とからなり、熱電変換部１は梁２によって支えられ
ているダイアフラム構造となっている。このダイアフラ
ム構造は、支持膜３、熱電材料としてのボロメータ薄膜
４、ボロメータ薄膜４の抵抗変化を検出するための電極
６、及び保護膜５よりなり、これらはキャビティ８によ
り基板９から熱的に分離されている。
【０００５】ダイアフラム構造は、基板９上に犠牲層を
堆積し、さらに支持膜３、ボロメータ薄膜４を堆積、パ
ターニング、電極６を形成、保護膜５を堆積し、各層を
所望の形状にドライエッチング等でパターニングして熱
電変換部１の周りに犠牲層を露出させ、最後に熱電変換
部１の周りからエッチングにより犠牲層を除去すること
により形成される。犠牲層が除去された部分であるキャ
ビティ８は完全に空隙になっており、熱電変換部１を梁
２で吊っている構造となっている。特に図には示されて
いないが、梁２の先端は基板９に接地している。ボロメ
ータ薄膜４の相対する２辺は電極６と接触しており、こ
れらの電極６は梁２を経由して信号処理回路に接続さ
れ、赤外線を吸収することでダイアフラムの温度が上昇
し、それによって生じたボロメータ薄膜４の抵抗変化を
電気信号として取り出している。
堆積し、さらに支持膜３、ボロメータ薄膜４を堆積、パ
ターニング、電極６を形成、保護膜５を堆積し、各層を
所望の形状にドライエッチング等でパターニングして熱
電変換部１の周りに犠牲層を露出させ、最後に熱電変換
部１の周りからエッチングにより犠牲層を除去すること
により形成される。犠牲層が除去された部分であるキャ
ビティ８は完全に空隙になっており、熱電変換部１を梁
２で吊っている構造となっている。特に図には示されて
いないが、梁２の先端は基板９に接地している。ボロメ
ータ薄膜４の相対する２辺は電極６と接触しており、こ
れらの電極６は梁２を経由して信号処理回路に接続さ
れ、赤外線を吸収することでダイアフラムの温度が上昇
し、それによって生じたボロメータ薄膜４の抵抗変化を
電気信号として取り出している。
【０００６】また、ＴｉやＹＢＣＯ（イットリウムバリ
ウム銅酸化物）などの比抵抗の低いボロメータ材料を用
いた場合は、電極とボロメータ材料が一体化できる利点
はあるものの、素子としての抵抗値を所望の値に制御す
るために、図５に示すようにダイアフラム上でメアンダ
ー構造を採用する必要がある。この例はＳＰＩＥ（１９
９３年、２０２０巻、２頁）に述べられている。メアン
ダー構造の幅は狭く、折り返し回数も多くなっている
が、低抵抗の材料を用いているため、形状が与える電気
的な影響（たとえば折り返し部分での電流密度の不均一
性など）はあまり問題にはならないと思われる。
ウム銅酸化物）などの比抵抗の低いボロメータ材料を用
いた場合は、電極とボロメータ材料が一体化できる利点
はあるものの、素子としての抵抗値を所望の値に制御す
るために、図５に示すようにダイアフラム上でメアンダ
ー構造を採用する必要がある。この例はＳＰＩＥ（１９
９３年、２０２０巻、２頁）に述べられている。メアン
ダー構造の幅は狭く、折り返し回数も多くなっている
が、低抵抗の材料を用いているため、形状が与える電気
的な影響（たとえば折り返し部分での電流密度の不均一
性など）はあまり問題にはならないと思われる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前述したボロメータ型
赤外線検出器は、赤外線を吸収することでダイアフラム
の温度が上昇し、それによって生じたボロメータの抵抗
変化を電気信号として読み出しているが、実際に動作時
にはバイアスを印加することでボロメータに電流が流
れ、ジュール熱による自己発熱によりダイアフラム温度
は上昇する。このジュール熱による温度上昇は動作時の
温度ドリフトの原因となり、ボロメータの抵抗変化によ
る電気信号に大きく影響を与えるため、極力抑えること
が必要である。そのためにボロメータ抵抗は高い方が望
ましく、１００ｋΩ程度にするのが適当である。
赤外線検出器は、赤外線を吸収することでダイアフラム
の温度が上昇し、それによって生じたボロメータの抵抗
変化を電気信号として読み出しているが、実際に動作時
にはバイアスを印加することでボロメータに電流が流
れ、ジュール熱による自己発熱によりダイアフラム温度
は上昇する。このジュール熱による温度上昇は動作時の
温度ドリフトの原因となり、ボロメータの抵抗変化によ
る電気信号に大きく影響を与えるため、極力抑えること
が必要である。そのためにボロメータ抵抗は高い方が望
ましく、１００ｋΩ程度にするのが適当である。
【０００８】抵抗温度係数（ＴＣＲ）が−２％／Ｋ程度
の比較的高い値が得られる材料であり、通常ボロメータ
型赤外線検出器に用いられているＶＯ２は、厚さ約１０
００Å（１００ｎｍ）でシート抵抗は１０〜２０ｋΩで
ある。温度ドリフトの影響を軽減するためにボロメータ
抵抗として１００ｋΩを得るには、ボロメータ形状を改
善し、現状の１／５から１／１０程度まで薄膜化するか
細線化する方法が考えられる。これにより温度ドリフト
は改善される。
の比較的高い値が得られる材料であり、通常ボロメータ
型赤外線検出器に用いられているＶＯ２は、厚さ約１０
００Å（１００ｎｍ）でシート抵抗は１０〜２０ｋΩで
ある。温度ドリフトの影響を軽減するためにボロメータ
抵抗として１００ｋΩを得るには、ボロメータ形状を改
善し、現状の１／５から１／１０程度まで薄膜化するか
細線化する方法が考えられる。これにより温度ドリフト
は改善される。
【０００９】一方、ボロメータ型赤外線検出器のノイズ
は１／ｆノイズが支配的と言われており、１／ｆノイズ
の大きさＳｖは次式で表される。
は１／ｆノイズが支配的と言われており、１／ｆノイズ
の大きさＳｖは次式で表される。
【００１０】
【数１】
【００１１】ここでＶは電圧である。その１／ｆノイズ
の係数であるＫ値はボロメータ材料の体積あるいはキャ
リア数に依存すると言われている。即ち体積が大きい方
が、あるいは比抵抗が小さい方が（キャリア数が多い方
が）Ｋ値が小さくなり性能的には優れたものとなる。し
かしながら、上述した方法で抵抗を高くし温度ドリフト
を改善しても体積効果によりノイズ特性が大幅に劣化
し、最終的に性能の優れたものは得られない。また材料
自体を改良し、高比抵抗化を図ったとしてもキャリア数
の効果によりノイズ特性の劣化は免れない。
の係数であるＫ値はボロメータ材料の体積あるいはキャ
リア数に依存すると言われている。即ち体積が大きい方
が、あるいは比抵抗が小さい方が（キャリア数が多い方
が）Ｋ値が小さくなり性能的には優れたものとなる。し
かしながら、上述した方法で抵抗を高くし温度ドリフト
を改善しても体積効果によりノイズ特性が大幅に劣化
し、最終的に性能の優れたものは得られない。また材料
自体を改良し、高比抵抗化を図ったとしてもキャリア数
の効果によりノイズ特性の劣化は免れない。
【００１２】従って、ボロメータの体積をほとんど変化
させずに抵抗だけを高くする方法が求められる。これを
実現する方法としては、従来の技術で図５により示した
メアンダー構造が考えられる。図６には通常のＶＯ２を
用いてボロメータ薄膜４をメアンダー構造にし、電極６
で配線した状態を示した。図５と比較してボロメータの
比抵抗が高いため、メアンダー構造の幅は広く折り返し
回数は少なくなっている。
させずに抵抗だけを高くする方法が求められる。これを
実現する方法としては、従来の技術で図５により示した
メアンダー構造が考えられる。図６には通常のＶＯ２を
用いてボロメータ薄膜４をメアンダー構造にし、電極６
で配線した状態を示した。図５と比較してボロメータの
比抵抗が高いため、メアンダー構造の幅は広く折り返し
回数は少なくなっている。
【００１３】この構造では、図３と比較してボロメータ
の全体の体積はほとんど変わらず、抵抗のみが１００ｋ
Ω程度になるように調整しているものの、折り返し（曲
がり）の部分では特に電流密度が不均一になり、動作に
寄与する有効体積は減少している。従ってＫ値に関して
もボロメータの体積から想定される値に対して２〜３倍
劣化する問題が生じている。また、曲がりの内側部分に
電流が集中して高温になり、動作に悪影響を与えること
も懸念される。
の全体の体積はほとんど変わらず、抵抗のみが１００ｋ
Ω程度になるように調整しているものの、折り返し（曲
がり）の部分では特に電流密度が不均一になり、動作に
寄与する有効体積は減少している。従ってＫ値に関して
もボロメータの体積から想定される値に対して２〜３倍
劣化する問題が生じている。また、曲がりの内側部分に
電流が集中して高温になり、動作に悪影響を与えること
も懸念される。
【００１４】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであって、その主たる目的は、自己発熱による温度ド
リフトを抑制し、かつ、ノイズによる特性劣化の無い構
造のボロメータ型赤外線検出素子を提供することにあ
る。
のであって、その主たる目的は、自己発熱による温度ド
リフトを抑制し、かつ、ノイズによる特性劣化の無い構
造のボロメータ型赤外線検出素子を提供することにあ
る。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のボロメータ型赤外線検出器は、支持膜と、
前記支持膜上に設けられたボロメータ薄膜と、前記ボロ
メータ薄膜上に設けられた保護膜とからなる熱電変換部
が、基板から梁によって浮かせて支持されたダイアフラ
ム構造を有するボロメータ型赤外線検出器において、前
記ボロメータ薄膜が短冊状に分割された複数の素子で構
成され、前記短冊状の複数の素子が、短冊の長手方向の
端部に設けた電極により直列に接続されているものであ
る。
め、本発明のボロメータ型赤外線検出器は、支持膜と、
前記支持膜上に設けられたボロメータ薄膜と、前記ボロ
メータ薄膜上に設けられた保護膜とからなる熱電変換部
が、基板から梁によって浮かせて支持されたダイアフラ
ム構造を有するボロメータ型赤外線検出器において、前
記ボロメータ薄膜が短冊状に分割された複数の素子で構
成され、前記短冊状の複数の素子が、短冊の長手方向の
端部に設けた電極により直列に接続されているものであ
る。
【００１６】本発明においては、前記短冊状の素子の数
が、前記ボロメータ薄膜で発生するジュール熱の許容値
を参照して設定されることが好ましい。
が、前記ボロメータ薄膜で発生するジュール熱の許容値
を参照して設定されることが好ましい。
【００１７】また、本発明においては、前記ボロメータ
薄膜が、幅の異なる複数の前記素子からなる構成とする
ことができる。
薄膜が、幅の異なる複数の前記素子からなる構成とする
ことができる。
【００１８】また、本発明においては、上記ボロメータ
型赤外線検出器を、信号読み出し回路基板上に２次元に
配列して形成する構成とすることができる。
型赤外線検出器を、信号読み出し回路基板上に２次元に
配列して形成する構成とすることができる。
【００１９】すなわち、本発明では、ボロメータ薄膜を
図１に示すように短冊状に加工して配列し、それらを電
極により直列に接続した構造としている。従って、ボロ
メータ薄膜の成膜条件や膜厚は従来と全く同様としたま
まボロメータ抵抗の高抵抗化を図ることができ、動作時
のジュール熱による温度上昇を抑え、温度ドリフトの影
響を抑制することが可能となる。更に、本発明の構造で
は、ボロメータの体積は、動作に寄与する電流が流れる
有効体積を考慮しても従来構造とほぼ同等であるため、
ボロメータ抵抗が高くなってもＫ値が増加することはな
く、１／ｆノイズを低く抑えることができる。
図１に示すように短冊状に加工して配列し、それらを電
極により直列に接続した構造としている。従って、ボロ
メータ薄膜の成膜条件や膜厚は従来と全く同様としたま
まボロメータ抵抗の高抵抗化を図ることができ、動作時
のジュール熱による温度上昇を抑え、温度ドリフトの影
響を抑制することが可能となる。更に、本発明の構造で
は、ボロメータの体積は、動作に寄与する電流が流れる
有効体積を考慮しても従来構造とほぼ同等であるため、
ボロメータ抵抗が高くなってもＫ値が増加することはな
く、１／ｆノイズを低く抑えることができる。
【００２０】上記構造を用いることにより、ノイズ特性
を劣化させることなくボロメータ抵抗を１桁程度高くす
ることができ、温度ドリフトを抑えたボロメータ型赤外
線検出器を得ることができる。
を劣化させることなくボロメータ抵抗を１桁程度高くす
ることができ、温度ドリフトを抑えたボロメータ型赤外
線検出器を得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
るボロメータ型赤外線検出器の構造、製造方法、動作、
特性について、図１及び図２を用いて具体的に説明す
る。図１は、本発明の一実施の形態に係るボロメータ型
赤外線検出器の構造を示す平面図であり、図２は、図１
のＡ−Ａ′線における断面図である。なお、本実施形態
では、ボロメータ材料としてＶＯ２を用いた場合につい
て示す。
るボロメータ型赤外線検出器の構造、製造方法、動作、
特性について、図１及び図２を用いて具体的に説明す
る。図１は、本発明の一実施の形態に係るボロメータ型
赤外線検出器の構造を示す平面図であり、図２は、図１
のＡ−Ａ′線における断面図である。なお、本実施形態
では、ボロメータ材料としてＶＯ２を用いた場合につい
て示す。
【００２２】図１に示すように、本実施形態のボロメー
タ型赤外線検出器は、熱電変換部１であるダイアフラム
を２本の梁２で支えている形状である。特に図には示さ
れていないが、梁２の先端は基板９に接地されている。
ボロメータ薄膜４はダイアフラム内で３本の短冊状に配
列され、それらは電極６により電気的に直列に接続され
ている。ボロメータ薄膜４の熱による抵抗変化は、梁２
中にある電極６を経由して外部に取り出すことができ
る。また、図２に示すように、熱電変換部１及び梁２は
キャビティ８により中空に浮いており、基板９から熱的
に分離されている。
タ型赤外線検出器は、熱電変換部１であるダイアフラム
を２本の梁２で支えている形状である。特に図には示さ
れていないが、梁２の先端は基板９に接地されている。
ボロメータ薄膜４はダイアフラム内で３本の短冊状に配
列され、それらは電極６により電気的に直列に接続され
ている。ボロメータ薄膜４の熱による抵抗変化は、梁２
中にある電極６を経由して外部に取り出すことができ
る。また、図２に示すように、熱電変換部１及び梁２は
キャビティ８により中空に浮いており、基板９から熱的
に分離されている。
【００２３】なお、本実施形態では、熱電変換部１の大
きさを３０μｍ□、中に含まれる短冊状の各ボロメータ
薄膜４の幅を９μｍ、間隔を０．５μｍとし、梁２は幅
２μｍ、梁２の中の電極６は幅１μｍとした。また熱電
変換部１と梁２間の貫通孔７の幅（スリット幅）を１μ
ｍとした。
きさを３０μｍ□、中に含まれる短冊状の各ボロメータ
薄膜４の幅を９μｍ、間隔を０．５μｍとし、梁２は幅
２μｍ、梁２の中の電極６は幅１μｍとした。また熱電
変換部１と梁２間の貫通孔７の幅（スリット幅）を１μ
ｍとした。
【００２４】次に、本実施形態のボロメータ型赤外線検
出器の製造方法について述べる。まず、基板９上に犠牲
層（特に図示されていない）としてポリイミドを２〜３
μｍ程度塗布し、電気的配線に係わる加工をした後に焼
き締めを行う。次に、支持膜３を３００ｎｍ程度、ボロ
メータ薄膜４を１００ｎｍ程度堆積し、ボロメータ薄膜
４のみ、３本の短冊状にドライエッチングで加工する。
各短冊の大きさは幅９μｍ、長さ２８μｍで間隔０．５
μｍである。次に、電極６を各短冊状のボロメータが電
気的に直列に接続され、それらの抵抗変化が梁２を介し
て外部に読み出されるように加工した後、全面に保護膜
５を３００ｎｍ程度堆積する。ここでは支持膜３、保護
膜５としてシリコン窒化膜、電極６としてはチタンを用
いている。次に、熱電変換部１、梁２の部分を残して周
囲の保護膜５、支持膜３を犠牲層に到達するまでドライ
エッチングにより除去し、貫通孔（スリット）７を形成
する。最後に犠牲層であるポリイミドを貫通孔７を通し
てアッシングにより除去し、キャビティ８を形成し素子
は完成する。
出器の製造方法について述べる。まず、基板９上に犠牲
層（特に図示されていない）としてポリイミドを２〜３
μｍ程度塗布し、電気的配線に係わる加工をした後に焼
き締めを行う。次に、支持膜３を３００ｎｍ程度、ボロ
メータ薄膜４を１００ｎｍ程度堆積し、ボロメータ薄膜
４のみ、３本の短冊状にドライエッチングで加工する。
各短冊の大きさは幅９μｍ、長さ２８μｍで間隔０．５
μｍである。次に、電極６を各短冊状のボロメータが電
気的に直列に接続され、それらの抵抗変化が梁２を介し
て外部に読み出されるように加工した後、全面に保護膜
５を３００ｎｍ程度堆積する。ここでは支持膜３、保護
膜５としてシリコン窒化膜、電極６としてはチタンを用
いている。次に、熱電変換部１、梁２の部分を残して周
囲の保護膜５、支持膜３を犠牲層に到達するまでドライ
エッチングにより除去し、貫通孔（スリット）７を形成
する。最後に犠牲層であるポリイミドを貫通孔７を通し
てアッシングにより除去し、キャビティ８を形成し素子
は完成する。
【００２５】上記方法で形成したボロメータ型赤外線検
出器の動作及び特性について簡単に説明する。赤外線が
ダイアフラム構造の上面より入射すると、シリコン窒化
膜である支持膜３、保護膜５で吸収され、熱電変換部１
の温度が上昇し、ボロメータ薄膜４の抵抗は変化する。
ここではボロメータ薄膜４として一般的なシート抵抗１
２ｋΩ、抵抗温度係数−２％／ＫのＶＯ２を用いてい
る。この温度上昇により変化した抵抗を電極６を介して
外部へ読み出すことにより、入射赤外線の量を検出す
る。実際には抵抗変化を読み出すために、電極６の両端
にバイアス電圧を印加しており、そこに流れる電流量に
よって変化を読み取っている。
出器の動作及び特性について簡単に説明する。赤外線が
ダイアフラム構造の上面より入射すると、シリコン窒化
膜である支持膜３、保護膜５で吸収され、熱電変換部１
の温度が上昇し、ボロメータ薄膜４の抵抗は変化する。
ここではボロメータ薄膜４として一般的なシート抵抗１
２ｋΩ、抵抗温度係数−２％／ＫのＶＯ２を用いてい
る。この温度上昇により変化した抵抗を電極６を介して
外部へ読み出すことにより、入射赤外線の量を検出す
る。実際には抵抗変化を読み出すために、電極６の両端
にバイアス電圧を印加しており、そこに流れる電流量に
よって変化を読み取っている。
【００２６】その際、バイアス電圧印加によるジュール
熱（Ｗ＝Ｖ２／Ｒ）により自己発熱を起こし、一般にこ
れが多い場合にはダイアフラムの温度が時間的に変動し
温度ドリフトの原因となり、入射赤外線による温度上昇
に影響をあたえる。しかしながら本実施形態の構造の場
合、シート抵抗１２ｋΩのＶＯ２を３本短冊状になら
べ、それらを直列に接続することでボロメータ抵抗を１
０８ｋΩにしている。従って、従来に比べてジュール熱
による自己発熱を１桁下げることができ、安定した動作
が可能となる。
熱（Ｗ＝Ｖ２／Ｒ）により自己発熱を起こし、一般にこ
れが多い場合にはダイアフラムの温度が時間的に変動し
温度ドリフトの原因となり、入射赤外線による温度上昇
に影響をあたえる。しかしながら本実施形態の構造の場
合、シート抵抗１２ｋΩのＶＯ２を３本短冊状になら
べ、それらを直列に接続することでボロメータ抵抗を１
０８ｋΩにしている。従って、従来に比べてジュール熱
による自己発熱を１桁下げることができ、安定した動作
が可能となる。
【００２７】また、ボロメータ型赤外線検出器の感度
は、主にボロメータ薄膜４の抵抗温度係数と梁２の熱コ
ンダクタンスで決まるが、素子全体の性能を考えるとノ
イズも重要な要素となる。前述したように、ボロメータ
型赤外線検出器のノイズは１／ｆノイズが支配的であ
り、ボロメータ材料の体積あるいはキャリア数の逆数に
比例するＫ値は小さい方が性能的には優れている。本実
施形態の構造では、３本の短冊状のボロメータ薄膜を形
成することで、従来と同等の比抵抗、同等の膜厚のボロ
メータ薄膜で、１０８ｋΩとボロメータ全体の高抵抗化
を図りながらも、従来と同等の体積を得ることができ、
Ｋ値に関しても従来と遜色のない３×１０− １３程度の
低い値を得ることができる。このようにノイズを増加さ
せずに高抵抗化が可能となる構造を提供している。
は、主にボロメータ薄膜４の抵抗温度係数と梁２の熱コ
ンダクタンスで決まるが、素子全体の性能を考えるとノ
イズも重要な要素となる。前述したように、ボロメータ
型赤外線検出器のノイズは１／ｆノイズが支配的であ
り、ボロメータ材料の体積あるいはキャリア数の逆数に
比例するＫ値は小さい方が性能的には優れている。本実
施形態の構造では、３本の短冊状のボロメータ薄膜を形
成することで、従来と同等の比抵抗、同等の膜厚のボロ
メータ薄膜で、１０８ｋΩとボロメータ全体の高抵抗化
を図りながらも、従来と同等の体積を得ることができ、
Ｋ値に関しても従来と遜色のない３×１０− １３程度の
低い値を得ることができる。このようにノイズを増加さ
せずに高抵抗化が可能となる構造を提供している。
【００２８】そして、上記構造のボロメータ型赤外線検
出器を信号読み出し回路基板上に２次元に配列すること
で、２次元のアレイセンサも比較的容易に実現できる。
出器を信号読み出し回路基板上に２次元に配列すること
で、２次元のアレイセンサも比較的容易に実現できる。
【００２９】なお、本実施形態では、ボロメータ薄膜４
を３本並置した構造を示したが、本発明は上記構造に限
定されるものではなく、ボロメータ型赤外線検出器に求
められる性能に応じてその本数及び幅は適宜変更するこ
とができる。例えば、本実施形態ではボロメータ抵抗と
して約１００ｋΩの例を示したが、シート抵抗が１０〜
２０ｋΩで比較的Ｋ値の小さい膜を用い、短冊の本数や
幅を調整することで、ノイズを低いレベルに保ちなが
ら、更に高いボロメータ抵抗を得ることも可能となる。
を３本並置した構造を示したが、本発明は上記構造に限
定されるものではなく、ボロメータ型赤外線検出器に求
められる性能に応じてその本数及び幅は適宜変更するこ
とができる。例えば、本実施形態ではボロメータ抵抗と
して約１００ｋΩの例を示したが、シート抵抗が１０〜
２０ｋΩで比較的Ｋ値の小さい膜を用い、短冊の本数や
幅を調整することで、ノイズを低いレベルに保ちなが
ら、更に高いボロメータ抵抗を得ることも可能となる。
【００３０】また、図１では略同一形状のボロメータ薄
膜４を並置した例を示しているが、各々のボロメータ薄
膜４を異なる形状としてもよく、例えば、図７に示すよ
うに、両端側で狭く、中央部で広い構造とすることもで
きる。このようにボロメータ薄膜４の幅を変えることに
より、体積を変えることなく直列抵抗を調整することが
できる。
膜４を並置した例を示しているが、各々のボロメータ薄
膜４を異なる形状としてもよく、例えば、図７に示すよ
うに、両端側で狭く、中央部で広い構造とすることもで
きる。このようにボロメータ薄膜４の幅を変えることに
より、体積を変えることなく直列抵抗を調整することが
できる。
【００３１】また、本実施形態では、支持膜３や保護膜
５としてシリコン窒化膜、ボロメータ薄膜４として酸化
バナジウムを用いた例を示したが、材料はこれらに限定
されるものではなく、例えば、支持膜３や保護膜５とし
てシリコン酸化膜、ボロメータ薄膜４としてアモルファ
スシリコン等を用いてもよく、このような材料を用いて
も本発明の効果を得ることができる。
５としてシリコン窒化膜、ボロメータ薄膜４として酸化
バナジウムを用いた例を示したが、材料はこれらに限定
されるものではなく、例えば、支持膜３や保護膜５とし
てシリコン酸化膜、ボロメータ薄膜４としてアモルファ
スシリコン等を用いてもよく、このような材料を用いて
も本発明の効果を得ることができる。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の構造によ
れば、ボロメータ薄膜を複数の短冊状に分割し、かつ、
それらを低抵抗の電極により直列に接続しているため、
ノイズを低いレベルに保ちながらボロメータ抵抗を高く
することが可能となり、低抵抗のボロメータの比べて自
己発熱等による特性劣化を抑えた高性能なボロメータ型
赤外線検出器を得ることができる。
れば、ボロメータ薄膜を複数の短冊状に分割し、かつ、
それらを低抵抗の電極により直列に接続しているため、
ノイズを低いレベルに保ちながらボロメータ抵抗を高く
することが可能となり、低抵抗のボロメータの比べて自
己発熱等による特性劣化を抑えた高性能なボロメータ型
赤外線検出器を得ることができる。
【００３３】また、本発明の構造では、各々のボロメー
タ薄膜は屈曲部のない直線的な形状で形成されているた
め、高抵抗化を図るためにボロメータ薄膜を屈曲させた
従来のメアンダー構造に比べ、電流集中による悪影響を
抑制することができる。
タ薄膜は屈曲部のない直線的な形状で形成されているた
め、高抵抗化を図るためにボロメータ薄膜を屈曲させた
従来のメアンダー構造に比べ、電流集中による悪影響を
抑制することができる。
【図１】本発明の一実施形態に係るボロメータ型赤外線
検出器の１画素の構造を示す平面図である。
検出器の１画素の構造を示す平面図である。
【図２】図１に示す本発明の一実施形態に係るボロメー
タ型赤外線検出器のＡ−Ａ′断面図である。
タ型赤外線検出器のＡ−Ａ′断面図である。
【図３】従来のボロメータ型赤外線検出器の１画素の平
面図である。
面図である。
【図４】図３に示す従来のボロメータ型赤外線検出器の
Ｂ−Ｂ′断面図である。
Ｂ−Ｂ′断面図である。
【図５】従来の低抵抗ボロメータ材料を用いたメアンダ
ー構造のボロメータ型赤外線検出器の平面図である。
ー構造のボロメータ型赤外線検出器の平面図である。
【図６】従来のＶＯ２を用いたメアンダー構造のボロメ
ータ型赤外線検出器の平面図である。
ータ型赤外線検出器の平面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るボロメータ型赤外線
検出器の他の構造を示す平面図である。
検出器の他の構造を示す平面図である。
１ 熱電変換部
２ 梁
３ 支持膜
４ ボロメータ薄膜
４ａ 低抵抗ボロメータ薄膜
５ 保護膜
６ 電極
７ 貫通孔
８ キャビティ
９ 基板
─────────────────────────────────────────────────────
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 27/146 Ｈ０１Ｌ 27/14 Ｋ
37/00 Ｃ
Ｆターム(参考） 2G065 AB02 BA12 BA34 BC02 BE08
CA12 CA21
2G066 BA09 BA55 BB07 BB09 BB11
CA02
4M118 AA05 AA10 AB01 BA05 BA30
CA15 CA19 CA32 CB06 CB14
GA10
Claims (4)
- 【請求項１】支持膜と、前記支持膜上に設けられたボロ
メータ薄膜と、前記ボロメータ薄膜上に設けられた保護
膜とからなる熱電変換部が、基板から梁によって浮かせ
て支持されたダイアフラム構造を有するボロメータ型赤
外線検出器において、 前記ボロメータ薄膜が短冊状に分割された複数の素子で
構成され、前記短冊状の複数の素子が、短冊の長手方向
の端部に設けた電極により直列に接続されていることを
特徴とするボロメータ型赤外線検出器。 - 【請求項２】前記短冊状の素子の数が、前記ボロメータ
薄膜で発生するジュール熱の許容値を参照して設定され
ることを特徴とする請求項１記載のボロメータ型赤外線
検出器。 - 【請求項３】前記ボロメータ薄膜が、幅の異なる複数の
前記素子により構成されることを特徴とする請求項１又
は２に記載のボロメータ型赤外線検出器。 - 【請求項４】請求項１乃至３のいずれか一に記載のボロ
メータ型赤外線検出器を、信号読み出し回路基板上に２
次元に配列して形成したことを特徴とするボロメータ型
赤外線検出器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001319125A JP3859479B2 (ja) | 2001-10-17 | 2001-10-17 | ボロメータ型赤外線検出器 |
| US10/271,720 US6953931B2 (en) | 2001-10-17 | 2002-10-17 | Bolometer type infrared detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001319125A JP3859479B2 (ja) | 2001-10-17 | 2001-10-17 | ボロメータ型赤外線検出器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003121255A true JP2003121255A (ja) | 2003-04-23 |
| JP3859479B2 JP3859479B2 (ja) | 2006-12-20 |
Family
ID=19136712
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001319125A Expired - Lifetime JP3859479B2 (ja) | 2001-10-17 | 2001-10-17 | ボロメータ型赤外線検出器 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6953931B2 (ja) |
| JP (1) | JP3859479B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007033160A (ja) * | 2005-07-25 | 2007-02-08 | Nec Corp | ボロメータ型赤外線検知素子及び検知器 |
| JP2008519972A (ja) * | 2004-11-12 | 2008-06-12 | キネテイツク・リミテツド | 赤外線検出器 |
| US7544940B2 (en) | 2004-05-24 | 2009-06-09 | Nec Electronics Corporation | Semiconductor device including vanadium oxide sensor element with restricted current density |
| JP2009141661A (ja) * | 2007-12-06 | 2009-06-25 | Optical Comb Inc | 電磁波検出素子及び電磁波検出装置 |
| JP2015531872A (ja) * | 2012-08-31 | 2015-11-05 | ロベルト・ボッシュ・ゲゼルシャフト・ミト・ベシュレンクテル・ハフツングＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ Ｇｍｂｈ | 蛇行ｉｒセンサ |
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|---|---|---|---|---|
| US8981296B2 (en) | 2007-11-06 | 2015-03-17 | Honeywell International Inc. | Terahertz dispersive spectrometer system |
| US20090114822A1 (en) * | 2007-11-06 | 2009-05-07 | Honeywell International Inc. | Terahertz dispersive spectrometer system |
| JP5625232B2 (ja) * | 2008-10-23 | 2014-11-19 | 日本電気株式会社 | 熱型赤外線固体撮像素子 |
| NL2005378A (en) * | 2009-12-18 | 2011-06-21 | Asml Netherlands Bv | Lithographic apparatus and method. |
| US8404127B2 (en) * | 2010-07-06 | 2013-03-26 | University Of Electronic Science And Technology Of China | Electrode material and applications thereof |
| US10107689B2 (en) * | 2013-08-09 | 2018-10-23 | Semitec Corporation | Infrared temperature sensor and device using infrared temperature sensor |
| US20150362374A1 (en) * | 2014-06-16 | 2015-12-17 | The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Atomic Layer Deposition of Vanadium Oxide for Microbolometer and Imager |
| FR3023974B1 (fr) | 2014-07-18 | 2016-07-22 | Ulis | Procede de fabrication d'un dispositif comprenant un boitier hermetique sous vide et un getter |
| WO2016106083A1 (en) * | 2014-12-23 | 2016-06-30 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | Optical frequency-selective absorber-based infrared detector, methods, and applications |
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|---|---|---|---|---|
| DE2920901C3 (de) * | 1979-05-23 | 1982-03-18 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh, 8225 Traunreut | Bolometer |
| US5479018A (en) * | 1989-05-08 | 1995-12-26 | Westinghouse Electric Corp. | Back surface illuminated infrared detector |
| DE3919265A1 (de) * | 1989-06-13 | 1990-12-20 | Krupp Atlas Elektronik Gmbh | Opto-elektronische ausblickbaugruppe |
| JP2988981B2 (ja) | 1990-08-08 | 1999-12-13 | オリンパス光学工業株式会社 | 手術用顕微鏡用ドレープ |
| JP3097591B2 (ja) | 1997-03-31 | 2000-10-10 | 日本電気株式会社 | 熱型赤外線検出素子 |
| JP2000065637A (ja) | 1998-08-20 | 2000-03-03 | Yokogawa Electric Corp | 赤外検出素子とその製造方法 |
| JP2000346704A (ja) | 1999-06-02 | 2000-12-15 | Mitsubishi Electric Corp | ボロメーター型赤外線検出素子 |
| US6690014B1 (en) * | 2000-04-25 | 2004-02-10 | Raytheon Company | Microbolometer and method for forming |
| JP3783834B2 (ja) * | 2000-04-26 | 2006-06-07 | 三菱電機株式会社 | 赤外線検知素子の製造方法 |
| US6737648B2 (en) * | 2000-11-22 | 2004-05-18 | Carnegie Mellon University | Micromachined infrared sensitive pixel and infrared imager including same |
-
2001
- 2001-10-17 JP JP2001319125A patent/JP3859479B2/ja not_active Expired - Lifetime
-
2002
- 2002-10-17 US US10/271,720 patent/US6953931B2/en not_active Expired - Lifetime
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| US7544940B2 (en) | 2004-05-24 | 2009-06-09 | Nec Electronics Corporation | Semiconductor device including vanadium oxide sensor element with restricted current density |
| JP2008519972A (ja) * | 2004-11-12 | 2008-06-12 | キネテイツク・リミテツド | 赤外線検出器 |
| JP2007033160A (ja) * | 2005-07-25 | 2007-02-08 | Nec Corp | ボロメータ型赤外線検知素子及び検知器 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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