JP2004527731A - ボロメータアレイ用の高吸収広帯域ピクセル - Google Patents

Abstract

マイクロボロメータアレイは、金属アブソーバ層を有し、かつ基板反射器と共振ギャップを有する二酸化ケイ素の薄いプラットフォームを備えるピクセルを有する。酸化バナジウムのピクセル抵抗器は、反対側の縁に対する金属接点で低い全抵抗を有する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明はサーマルイメージングに関し、より詳細には、ボロメータのアレイ用の改良型ピクセルまたはセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
暗視および関連する応用例は、ウォームボディによって放射された赤外放射を検出器のアレイで受け、検出器のアレイの電気出力信号を可視イメージに変換することによって実現することができる。セル、素子、またはピクセルと呼ばれる個々の検出器は、非常に小さくしなければならない。個々の検出器はまた、広帯域の赤外線スペクトルにわたって放射に敏感であり、周囲温度でノイズが最小となり、高感度で動作し、かつ安価に製造できるべきである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
半導体基板上の非冷却ボロメータのアレイにより、室温赤外線撮像の有望な手法が提供される。そのようなアレイはまた、いくつかの異なる点で欠点も有する。広帯域幅は達成が難しく、個々のピクセルの構造および材料中の多数の干渉因子の影響を受けやすい。アレイが極低温まで冷却されていないとき、有用な信号をノイズが圧倒する可能性がある。わずかな温度差に対する感度が良好であることは、入射放射の吸収が高いことを必要とし、このことはしばしば、他の設計目標にとっては有害である。ボロメータアレイを構築するのにナノテクノロジー技法が利用されているが、動作目標を満たすために、特に多数の個々のイメージ素子またはピクセルを有するアレイの場合、製造コストが高くなり、歩留まりが低くなる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明によるボロメータのアレイは、イメージに寄与する温度範囲を増加させるために、赤外線スペクトルでの広い帯域幅を有する。本発明によるボロメータのアレイは、温度差に対する感度を向上させるために、高い吸収を有する。競合する因子間の、構造、材料、および製造の平衡の兼ね合いは、製造コストを削減するように行われる。
【０００５】
これらの目標や他の目標は、基板から所定のギャップだけ分離した、吸収材料の高分離プラットフォーム構造を有する薄いボロメータピクセルの非冷却アレイで達成される。反射層は効率および帯域幅を向上させることができる。アレイはまた、比較的低い全抵抗を有すると共に非常に小さい温度差で大きい抵抗の変化を維持する材料の成形抵抗も含むことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、本発明に従って構築された、ピクセルを有する代表的な赤外線撮像検出器１００の様式化した図である。矢印１１０は、ウォームボディによって生成され、従来の設計の赤外線撮像光学系１２０まで伝わる赤外放射を表す。パッケージ１３０は、赤外線波長に対して透過的な、放射１１０を透過するウィンドウエリア１３１を有する。多くの応用例では、感度とピクセル間の分離とを増やし、汚染および劣化を低減するために、シーリングパッケージ１３０を備えてそこから大気を排気することが望ましい。
【０００７】
パッケージ１３０内の長方形ボロメータアレイ１４０は、シリコンの基板１４１、あるいは適切な電気的特性および微細加工特性を有する類似の材料の上に製作される。典型的なアレイの寸法は、一辺が約５〜１５ｍｍである。暗視画像装置などの多くの応用例では、アレイ１４０は周囲温度、たとえば約−４０℃から＋１００℃の範囲内で動作する。しかし、アレイを冷却し、または宇宙空間などの環境内でアレイを動作させることにより、ずっと低い温度、たとえば約２Ｋから２０Ｋ未満でアレイを動作させることが可能である。行／列配線１４２は、２００などの個々のピクセルの温度を表す電気信号を読み出し、さらに、ピクセル信号を時間多重化するために掃引信号を導入することもできる。
【０００８】
検出器１５０は、ピクセル信号の積算、増幅、多重化解除などの従来の機能を実施する。ユニット１６０は、処理された信号を受け取り、可視イメージを閲覧者に提示する。他の実施形態では、１つまたは複数の連続するイメージを表す信号を格納し、または信号の他の処理を行うレコーダまたは他の装置によって、ユニット１５０を置換または強化することができる。したがって、用語「表示（ｄｉｓｐｌａｙ）」は広い意味に理解すべきである。ピクセル信号を多重化し、かつ／またはユニット１６０に対するイメージの表示または処理を制御するために、スキャンジェネレータ１７０を含めることができる。システム１００は本発明の例示的環境を表す。他のシステムも可能である。
【０００９】
図２に、図１のアレイ１４０の基板１４１上に構築されたボロメータピクセル２００のうちの１つの細部を示す。図３に、図２の直線３−３’に沿った断面図を示す。図が見やすいように、直線３−３’の平面内の構成要素だけを図示する。このようなピクセルは、マイクロボロメータと呼ばれることもある。ピクセルのサイズが、通常は約５０ｕｍ四方以下であることにより、１２０×１６０ピクセル以上の焦点面撮像アレイで使用し、かつ最大３０／秒のフレーム速度でリアルタイムにイメージを生成するのに適した高速な応答時間が得られる。ピクセルのアレイ全体は一般に、シリコンまたは他の適切な材料のウェハを微細加工することによって現位置で製作される。犠牲層により、材料の所望の場所を切り取ることが可能になる。
【００１０】
プラットフォーム２１０は入射赤外放射１１０を吸収し、感知できる温度変化を生じる（術語として、用語「ピクセル」が、このプラットフォームだけに適用されることもある。本明細書ではこの慣習を用いない）。プラットフォーム２１０は、基板１４１および隣接するピクセルから熱的に可能な限り分離される。中心エリアまたは中心体２１１はほぼ長方形の形状を有し、その結果、アレイ１４０内にピクセルを互いに近接して並べることができる。この点により、プラットフォーム形状が決定されるので、用語「長方形」は、正方形、平行四辺形、台形、さらには六角形などの平面上に実質上並べることのできる他の形状を含むように、広い意味で理解しなければならない。プラットフォーム２１０はまた、基板１４１および隣接するピクセルからの、中心体２１１の熱的な分離を向上させるように、機械的に支持するのに実施可能な範囲でできるだけ長く、かつ薄いアーム２１２も含む。隣接するピクセルを互いにより近接して配置することを可能にし、アレイの充填比を向上させるように、アームは折りたたまれる。
【００１１】
ボロメータの中心体の主な動作機能は、検出できる温度変化を生じることなので、ボロメータの中心体はアブソーバを含まなければならない。中心体２１１は、下層２１１Ａおよび上層２１１Ｂの２つの別々の層を有する。図２で部分的に切断して示す層２１１Ｂは二酸化ケイ素であり、層２１１Ｂは約０．２ｕｍの厚さでよい。二酸化ケイ素は伝導率が非常に低く、屈折率が低い（ｎ｜１．５）ので、好ましい。下層２１１Ａはそれほど重要ではなく、厚さ０．１ｕｍ程度の二酸化ケイ素または窒化シリコンの層でよい。中心体２１１の全厚は非常に薄く、約０．５ｕｍ未満であり、好ましい厚さは約０．３ｕｍであり、技術的に可能ならばさらに薄くするのが好ましい。そのような薄いアブソーバプラットフォームを使用することにより、入射放射に対して広い相対エリアを与えると共に、小さい全体積および全質量を介してリアルタイムイメージングについての応答時間を短縮することによって効率が改善される。しかし、二酸化ケイ素（および窒化シリコンも）は良好なアブソーバであるが、この薄さにより、放射を吸収するプラットフォームの容量が減少する。層２１１Ａの下、すなわちプラットフォーム２１０の下面に金属層２１３を製作することにより、大幅に厚さを追加することなく、すなわち薄いプラットフォームの利点を維持しながら、この容量が復元される。金属層２１３は、金属が広帯域の吸収特性を有するという点で、さらに有利である。この層の厚さは、使用する特定の金属に依存する。ニッケルクロム（Ｎｉ：Ｃｒ、ニクロム）の場合、約１００Åの厚さが適切な特性を有し、全体のプラットフォームの厚さに加えられる厚さは数パーセントだけである。このような金属層の温度特性は、この目的では金属層の電気面積抵抗によって特徴付けられることが観測されている。約３６０±２００Ω／ｓｑｕａｒｅのフィルムが好ましい。中心体２１１での吸収は実際、主に中心体の底部に位置するこの層で生じる（以下で説明する検出器材料２２２の吸収は、一般に無視できる）。
【００１２】
入射放射の一部は、金属層２１３が存在しても、プラットフォーム２１０を通じて基板１４１まで通過する。反射性金属層２１４は、通常はＮｉ：Ｃｒの５００Åフィルムであり、この入射放射の一部が可能な限り多く中心体２１１に戻るように基板１４１の頂部に形成される。次いで反射熱の大部分が吸収され、したがってピクセルの全効率が向上する。吸収は、プラットフォーム２１０の下側に、反射器２１４に直接対向する金属層２１３を配置することによって向上する。
【００１３】
基板からプラットフォーム２１０を適切に離間することにより、所望の波長帯にわたって吸収を向上させることによってピクセル効率がさらに向上する。プラットフォームから基板（実際には反射器２１４）までのギャップ２１５が当該の波長に関して選択された深さを有する場合、その帯域内の放射はギャップで共振し、それによって層２１４から反射した放射の、中心体２１１内への吸収が向上する。所望の帯域８ｕｍから１２ｕｍを有する例示的検出器では、ギャップ２１５は１．８±０．３ｕｍの範囲の深さを有する。別の例では、さまざまな波長帯で、０．８〜２．５ｕｍの範囲のギャップを使用することができる。
【００１４】
ピクセル２００の２つの対向するコーナのピラー２１６は、アーム２１２によってプラットフォーム２１０に対する機械的支持を与える。
ボロメータの検出器と呼ばれることもある抵抗器２２０がプラットフォーム２１０上に形成され、その結果、プラットフォーム２１０で吸収された赤外線が抵抗器を熱し、抵抗器の温度に比例して抵抗器の抵抗が変化する。抵抗器２２０は、入射放射のさまざまな輝度に対して信号の変化が最大となるように、温度に対して高い抵抗変化率（温度係数）を有する。温度係数は使用する材料に依存する。酸化バナジウムは適切な特性を有する。全抵抗は、抵抗器の材料と形状のどちらにも依存する。抵抗体２２１は、より低い全抵抗値を実現し、かつ良好な熱的接触のためにプラットフォームボディ２１１の温度に対して可能な限り多くの体積を露出する目的で、プラットフォームボディ２１１の形状と合致する長方形の形状を有する。適切には、薄い構造を損なわないように、または高電圧ＣＭＯＳ回路を必要としないように十分低い電圧で、低い抵抗により、十分に大きい読出し電流が生成される。さらに、低い抵抗により抵抗器の体積が大きくなり、それによって抵抗器内の１／ｆ雑音の密度が低くなる。この形状により、より薄い層を用いて所望の低い抵抗も可能となり、それによってその光学的特性が向上する。すなわち、抵抗器材料は赤外線をあまり吸収しないので、プラットフォームボディ２１０の残りが可能な限り効率的に入射放射を吸収することができるように、抵抗器は可能な限り透過的であるべきである。５０ｎｍから１００ｎｍの範囲の厚さの場合、混合酸化バナジウム（ＶＯ_x）は約５０〜４００ｋΩ／ｓｑｕａｒｅの面積抵抗を有し、抵抗体２２１の全抵抗は、約１００ｋΩの抵抗を有する図３の特定の実施形態と同じ範囲にある。
【００１５】
抵抗器アーム２２２は、プラットフォームアーム２１２の形状に従う。接点２２３および２２４は、適切な時に抵抗器２２０を導体２３０に接続する。この実施形態では、接点２３１は、抵抗器２２０の一端を連続的に供給電圧に結合する。他端の接点２２４は、基板１４１に形成されたＦＥＴ（図示せず）に結合され、アドレス線２３３にも結合される。アレイ１４０のピクセルの各行が導体２３３上の電圧によって順次アドレス指定されるとき、行中のすべてのＦＥＴがオンになり、信号線２３４が、その行中のすべての抵抗器２２０に接続される。その行中の各抵抗器の温度によって決定される電流は、信号導体２３４を通じて、図１の検出回路１５０まで流れる。検出回路１５０も、ピクセル２００と共に基板１４１に形成することができる。
【００１６】
図４は、別のピクセル実施形態４００の上面図である。ピクセル４００は、指摘のある場合を除いて、ピクセル２００の機能および特性を共有する。
１４０などのイメージングアレイでは、アレイの充填比を最大にすることが重要である。すなわち、アブソーバプラットフォームのエリアは、可能な限り多くの合計ピクセルエリアを占有すべきである。可能な限り多くの入射放射を吸収することにより、アレイがより敏感になる。この目的で、プラットフォームボディ４１１の対向するコーナを切除して、必要なピラーの寸法を収容した。プラットフォームボディ４１１の形状は長方形のままであるが、それによって、各ピクセルの吸収面４１６の全エリアを著しく縮小することなく、アレイの充填比が向上する。ある技術では埋込みピラーが可能であり、さらに高い充填比が可能となる。
【００１７】
抵抗器４２０は、抵抗器２２０についての前述の望ましい特性を向上させる構成を有する。アーム２２２の長く薄い構成は、望ましくない高い抵抗をもたらす。しかし、アームは高抵抗率または何らかの温度依存性を有する必要がないので、アーム４２２はニッケルクロム（Ｎｉ：Ｃｒ）などの金属または他の低抵抗率材料から製作される。抵抗体が高抵抗率材料であっても全抵抗を低く維持するために、アーム４２２の低抵抗率材料がプラットフォームボディ４１１上に延び、抵抗体４２１の両側に沿って抵抗器接点４２３を形成する。図４の場合のように、対向する各辺のうちの２つが他よりも長い場合、最長の対向する辺に沿って接点４２３を配置することにより、ボディ４２１の全抵抗が最小となる。次いで抵抗体を単一の連続的シートとして構成することにより、所与の抵抗器材料について全抵抗が最小となる。
【００１８】
図５は、図２〜４に示したボロメータピクセルの、広範囲の赤外線波長にわたる相対的応答５１０を示すグラフ５００である。グラフ５００は、６ｕｍから約１８ｕｍの波長にわたって、最大出力に対する電気的出力信号によって校正されている。動物およびその環境内の一般的構造を撮像するのに有用な波長は、可視光から遠赤外線の範囲である。したがって、赤外線検出器の帯域幅が広くなるほど、イメージは正確となる。
【００１９】
曲線５１０は、熱放射（｜３００Ｋ）が頂点に達する基準帯域８〜１２ｕｍにわたって、ピクセル２００が相対的応答＞９６％を有することを実証している。その有用な応答は、７ｕｍから１８ｕｍ超まで依然として＞９０％である。全範囲にわたる変動は低く、応答は短波長に向かって滑らかに降下する。２０ｕｍよりも長い波長での応答は、一般に問題ではない。ギャップ２１５のサイズを調節することにより、望むならさまざまな波長で応答を強調することができる。
【００２０】
曲線５２０は、従来の厚さ約０．８ｕｍの窒化シリコンプラットフォームを有するベースラインピクセルを表す。このピクセルは、従来の波長範囲８〜１２ｕｍに制限された応答を有し、その範囲で７８％の吸収率を有する。応答は８ｕｍより下で急速に降下し、急激に頂点に達し、次いで１２ｕｍを超えて広範にわたって変動する。曲線５３０は、ベースラインピクセルよりも厚さが薄いが、その他は同様であるピクセルを示す。この吸収率はより良好であるが、帯域の終り８ｕｍでより急激に降下し、さらに急激に頂点に達する。曲線５４０は、窒化シリコンプラットフォームボディおよび５００オームの底部アブソーバを有する薄いピクセルの応答を示す。吸収率は同じ帯域にわたって９２％まで増加し、より短い波長に向かってさらに延びる。しかし依然として著しいピークは存在する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明によるピクセルを有する赤外線画像装置を示す図である。
【図２】図１のピクセルのうちの１つの等角投影図である。
【図３】図２の直線３−３’に沿った断面図である。
【図４】本発明による別のピクセルの上面図である。
【図５】図２〜４のピクセルの波長応答と、従来のピクセルの典型的な応答のグラフである。

Claims (26)

1. 温度感応抵抗器と、温度感応抵抗器と接触し、少なくとも１つの支持アームによって基板の上に懸架されたプラットフォームボディとを有するマイクロボロメータピクセルであって、プラットフォームボディが約０．５ｕｍ以下の厚さを有し、吸収を向上させる金属層を含むマイクロボロメータピクセル。
2. 前記プラットフォームボディが０．３ｕｍ以下の厚さを有する請求項１に記載のピクセル。
3. 前記プラットフォームボディが二酸化ケイ素の層をさらに含む請求項１に記載のピクセル。
4. 前記プラットフォームボディが、前記二酸化ケイ素層の下にある別の層をさらに含む請求項３に記載のピクセル。
5. 前記別の層が二酸化ケイ素である請求項４に記載のピクセル。
6. 前記別の層が窒化シリコンである請求項４に記載のピクセル。
7. 前記抵抗器が前記別の層の上にあり、かつ前記二酸化ケイ素層の下にある請求項４に記載のピクセル。
8. 前記金属層が、前記プラットフォームの下面に配設される請求項１に記載の方法。
9. 前記金属がニッケルクロムである請求項８に記載のピクセル。
10. 前記金属が厚さ約１００Åを有する請求項８に記載のピクセル。
11. 前記プラットフォームの下の前記基板上に反射層をさらに含む請求項１に記載のピクセル。
12. 前記反射層がニッケルクロムである請求項１１に記載のピクセル。
13. 前記反射層が前記プラットフォーム中の金属層と直接対向する請求項１１に記載のピクセル。
14. 前記プラットフォームボディが、約０．８ｕｍから２．５ｕｍの範囲の深さを有するギャップだけ基板から分離される請求項１に記載のピクセル。
15. 前記ギャップの深さが約１．８ｕｍである請求項１４に記載のピクセル。
16. 前記ピクセルが、約６ｕｍから１８ｕｍの波長範囲内の入射放射を感知するように適合される請求項１４に記載のピクセル。
17. 前記抵抗器が、比較的高い温度係数と比較的低い全抵抗を共に有する請求項１に記載のピクセル。
18. 前記抵抗器が、ほぼ長方形の形状を有するボディ部分を含む請求項１７に記載のピクセル。
19. 前記抵抗器が、前記１つのプラットフォームアーム上に配設された少なくとも１つのアームを有する請求項１７に記載のピクセル。
20. 前記抵抗器アームが、前記抵抗器のボディの抵抗率よりも低い抵抗率を有する請求項１９に記載のピクセル。
21. 約６ｕｍから１８ｕｍの範囲の赤外放射に対する撮像検出器であって、共通基板上にピクセルのアレイを備え、各ピクセルが、
    約０．５ｕｍ以下の厚さを有し、金属層を有し、約０．８から２．５ｕｍの範囲のギャップだけ基板から分離した、熱的に分離したアブソーバプラットフォームと、
    プラットフォーム上に配設された温度依存抵抗器と、
    基板上の反射層と、
    抵抗器に電気的に結合された１組の導体とを備える撮像検出器。
22. 前記導体のうち少なくとも一部に結合された検出回路をさらに備える請求項２１に記載の検出器。
23. 前記検出回路が前記基板上に配設される請求項２２に記載の検出器。
24. イメージディスプレイをさらに備える請求項２２に記載の検出器。
25. 前記アレイ中のピクセルを走査する検出回路に結合されたスキャンジェネレータをさらに備える請求項２４に記載の検出器。
26. 前記スキャンジェネレータが前記イメージディスプレイにさらに結合される請求項２５に記載の検出器。

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