JP2007309877A - 赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線を透過するゲルマニウム窓の必要を排した赤外線検出器を提供する。
【解決手段】赤外線検出器１０は、シリコン基板１の一方の面に赤外線検出素子を備え、赤外線検出素子は、シリコン基板１の他方の面から入射し且つシリコン基板１を透過した赤外線７を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は赤外線検出器に関し、特に強誘電体の焦電性を利用した赤外線検出器に関する。

近年、自動車の夜間走行における安全性向上等を目指し、赤外光を検出できる安価なエリアセンサーに対する要望が高まっている。従来の赤外線検出器の一例を、図５を参照して説明する。

図５は、従来の赤外線検出器５０の構造を模式的に示している。赤外線検出器５０において、シリコン基板５１上に、強誘電体の焦電性を利用した赤外線検出素子等を備える検出部５２が設けられ、シリコン基板５１は筐体５３に納められている。筐体５３は、ゲルマニウム窓５４を有し、これが赤外線５６の入射する赤外線入射領域となっている。

ゲルマニウム窓５４は赤外領域における光透過率の高いゲルマニウムからなる。このため、外部から入射される赤外線５６は、ゲルマニウム窓５４を通過して検出部５２に到達する。検出部５２では、赤外線検出素子が、照射された赤外線に応じて信号を出力する。

尚、筐体５３内部の空間５４は真空状態にされている。このため、赤外線の照射によって温度が上昇した検出部５２から熱が逃げにくくなっており、検出部５２の赤外線に対する感度が向上している。
特開平１０−１３２６５４号公報

しかしながら、従来の赤外線検出器５０において必要とされるゲルマニウム窓５４を構成するゲルマニウムは、高価な材料である。このことは、赤外線検出器を安価に提供することを困難にする原因となっており、その解決が課題であった。

このことに鑑みて、本発明は、ゲルマニウム窓が不要な赤外線検出器を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明に係る赤外線検出器は、シリコン基板の一方の面に赤外線検出素子を備え、赤外線検出素子は、シリコン基板の他方の面から入射し且つシリコン基板を透過した赤外線を検出する。

本発明の赤外線検出器によると、従来用いられていたゲルマニウム窓の機能をシリコン基板事態が果たすことにより、ゲルマニウム窓が不要になっている。このように、高価な材料であるため高コスト化の一因となっていたゲルマニウムの必要を排することにより、本発明の赤外線検出器は、より安価になっている。

尚、赤外線を入射させるための開口を有し且つシリコン基板を内部に搭載するための筐体を更に備え、シリコン基板は、他方の面によって開口を覆うように筐体に搭載されていることが好ましい。

このようにすると、従来であれば筐体の開口を覆っていたゲルマニウム窓を不要とする構造の一例が具体的に実現する。

また、赤外線検出素子とシリコン基板との間に、断熱構造を備えることが好ましい。これにより、赤外線検出素子から、赤外線検出素子に比べて熱容量の大きいシリコン基板へと熱が逃げるのを抑制することができる。このため、赤外線による赤外線検出素子の温度上昇効率が改善し、より感度の高い赤外線検出器とすることができる。

また、断熱構造は、真空にされた空隙であることが好ましい。このようにすると、断熱構造として絶縁膜等を備える構造に比べて高い断熱性を得ることができる。このため、より高い感度の赤外線検出器を得ることができる。

また、シリコン基板には不純物が導入されており、当該導入された不純物の濃度は、赤外線の波長に基づく所定の濃度以下であることが好ましい。

このようにすると、シリコン基板を透過する際の赤外線の吸収率を抑制することができる。これは、シリコン基板に対する赤外線の吸収は、不純物のドープされたシリコンにおけるエネルギー準位及び赤外線の波長に依存する現象であり、不純物濃度の規定によってエネルギー準位が制御可能であることによる。赤外線の吸収率が低いほど、シリコン基板を透過して赤外線検出素子に到達する赤外線が増えるため、赤外線検出器の感度向上のために有益である。

また、赤外線の波長が４μｍ以上であり、所定の濃度は１×１０¹⁴ｃｍ³ 以下であることが好ましい。

このように、不純物濃度が１×１０¹⁴ｃｍ³ 以下であるシリコン基板を用いると、波長４μｍ以上の赤外線について、シリコン基板による吸収を抑制することができる。ここで、２５℃の物体は波長４μｍ以上のスペクトルをもって赤外線を放射する。このため、２５℃程度の物体を撮像するための赤外線検出器において、シリコン基板が前記のような不純物の濃度を有するようにすると、撮像する物体が放射した赤外線を効率良く検出することができる。

また、他方の面に反射防止膜が形成されていることが好ましい。このようにすると、シリコン基板の他方の面において赤外線が反射されるのを抑制することができるため、シリコン基板を透過して赤外線検出素子に到達する赤外線の量を増加することができる。この結果、赤外線検出器の感度が向上する。

本発明の赤外線検出器によると、ゲルマニウム窓を用いることが不要になっているため、高価な材料であるゲルマニウムのコストを削減し、安価な赤外線検出器を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る赤外線検出器について、図面を参照しながら説明する。本実施形態において一例として説明する赤外線検出器は、２５℃（約３００Ｋ）程度の物体を撮像することを目的としたエリアセンサーである。２５℃の物体から放射される赤外線スペクトルは、Plancの法則により計算することができ、およそ４μｍの波長を下限としている。そのため、本実施形態の赤外線検出器は、波長４μｍ又はそれより長い波長の赤外線を検出可能であることを要する。

図１に、本実施形態の赤外線検出器１０を模式的な断面図として示す。ここに示すように、シリコン基板１の一方の面に赤外線検出素子等を含む検出部２が形成されると共に、他方の面には赤外線反射防止膜５が形成され、このようなシリコン基板１が筐体３に取り付けられている。筐体３には、赤外線の入射する領域として開口６が設けられており、シリコン基板１はフェイスダウンの状態、つまり、検出部２に対して裏側にあたる赤外線反射防止膜５の側が開口６から外側に露出するように筐体３の内部に取り付けられている。

図５に示す従来の赤外線検出器の構造において、筐体が有する赤外線入射のための開口は、ゲルマニウム窓５４によって覆われていた。これに対し、本実施形態の赤外線検出器１０の場合、開口６は、検出部２を筐体３の内側に向けたシリコン基板１によって覆われる構造となっており、ゲルマニウム窓は用いていない。

このような構造の赤外線検出器１０において、赤外線７は開口６から入射し、赤外線反射防止膜５及びシリコン基板１を透過して検出部２に照射される。この結果、検出部２において温度が上昇するため、焦電効果を利用して赤外線を検出することができる。

尚、筐体３内部のシリコン基板１との間の内部空間４は真空にされている。このようにして、赤外線が照射されて温度の上昇した検出部２から熱が逃げるのを真空の断熱作用によって抑制し、検出部２の温度低下を抑えている。

また、赤外線反射防止膜５は、シリコン基板１に赤外線が入射する際に反射されるのを抑制する機能を有する。このような反射の抑制により、検出部２に到達する赤外線量が増加するため、赤外線検出器１０の感度が向上する。

以上のように、赤外線検出器１０は、ゲルマニウム窓を必要としない構造となっている。ゲルマニウムは高価な材料であるから、これを使用する必要を排することにより、従来よりも低コストな赤外線検出器となっている。

ここで、赤外線検出器１０において、シリコン基板１が有する不純物は、低濃度である方が好ましい。より詳しくは、１×１０¹⁴ｃｍ^-3以下であることが好ましい。この理由について、以下に説明する。

図２に、ｎ型不純物濃度Ｎ_D ＝１×１０¹²〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲及びｐ型不純物濃度Ｎ_A ＝１×１０¹²〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲について、シリコンのフェルミ準位Ｅ_F と真性フェルミ準位Ｅ_i との差Ｅ_F −Ｅ_i の温度（Ｋ）に関係する挙動を計算した結果が示されている。また、伝導帯準位Ｅｃ及び価電子帯準位Ｅｖについて、それぞれ温度変化が示されている。

本発明の赤外線検出器１０は、波長４μｍ以上の赤外線を撮像対象として検出できる必要がある。このためには、波長４μｍの赤外線が検出部２に到達するように、シリコン基板１による赤外線の吸収を抑制しなければならない。

波長４μｍの赤外線は０．３１ｅＶのエネルギーを有するため、例えばｎ型シリコンからなるシリコン基板１の場合、Ｅ_F −Ｅ_i とＥｃとの差は０．３１ｅＶ以上必要である。これが０．３１ｅＶに満たない場合、波長４μｍの赤外線はシリコン基板１において吸収されることになる。波長が４μｍよりも大きい場合エネルギーは０．３１ｅＶよりも小さくなるから、本実施形態の場合、波長４μｍの赤外線について考えれば十分である。

同様に、ｐ型シリコンかなるシリコン基板１を用いた場合、Ｅ_F −Ｅ_i とＥｖの差が０．３１ｅＶ以上であることが必要である。

ここで、赤外線検出器１０の動作環境温度を０℃以上で且つ１２５℃以下とすると、図２から、前記の条件を満たす不純物濃度を読み取ることができる。つまり、０℃以上で且つ１２５℃以下の範囲において、Ｅ_F −Ｅ_i とＥｃとの差が０．３１ｅＶ以上であるｎ型不純物濃度Ｎ_D の濃度、又は、Ｅ_F −Ｅ_i とＥｖとの差が０．３１ｅＶ以上であるｐ型不純物濃度Ｎ_A の濃度を読み取ればよい。

図２には、Ｅｃ−０．３１を示す基準線Ｌ₁ 及びＥｖ＋０．３１を示す基準線Ｌ₂ を示しており、ｐ型及びｎ型のいずれの不純物の場合にも、前記の条件を満たすのは不純物濃度が１×１０¹³ｃｍ^-3以下の場合であることが分かる。

また、動作温度を拡大するためには不純物濃度を更に低くすればよいことも分かる。例えば、−２０℃までの環境において動作させるためには不純物濃度は２×１０¹³ｃｍ^-3以下であれば良い。更に、−５０℃まで動作温度を下げるのであれば、１×１０¹³ｃｍ^-3以下の不純物濃度とすれば良い。

また、ここでは波長４μｍを基準に、それ以上の長さの波長を有する赤外線を検出する場合を説明したが、他の波長を基準とする場合にも、同様にして不純物濃度の範囲を求めることができる。つまり、それぞれの波長の赤外線が有するエネルギーを求め、その値を４μｍの場合の０．３１ｅＶに置き換えて図２から読み取ればよい。これにより、波長４μｍ以上の赤外線を検出する場合に限らず、基板における不純物濃度を決定することができる。

また、赤外線検出器１０において、シリコン基板１を赤外線が透過する際の吸収を抑制するため、シリコン基板１の厚さは薄い方が好ましい。これは、シリコン基板１による赤外線の吸収率をα、入射光強度をＩ₀ 、シリコン基板１の厚さをｄとした場合、光の透過強度はＩ₀ exp（−α・ｄ）という式に従って低下するからである。

このことから、本実施形態の赤外線検出器１０において、検出する赤外線の波長は下限が４μｍ程度であるから、シリコン基板１の厚さを７．５μｍとしている。これは、後に説明するように検出部２を形成した後、シリコン基板１の裏面をグラインダーによって削る等の方法により薄膜化して実現している。

以上のように、不純物濃度を低くすると共に厚さを薄くしたシリコン基板１を用いて窓無しの構造を実現することにより、ゲルマニウムに比べて赤外線の吸収率の高いシリコンを透過させて赤外線を検知する本実施形態の赤外線検出器１０においても、実用上十分な感度を得ることができる。

次に、赤外線検出器１０の検出部２の詳細な構造について、図３を参照して説明する。図３には、検出部２に形成されているｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Feild Effect Transistor ）２５及び強誘電体キャパシタ２６等を示している。

より詳しくは、まず、シリコン基板１中にボロンを注入することによってｐ型領域１１が形成され、ｐ型領域１１は、二酸化シリコンを用いて形成されたシャロートレンチアイソレーション１２によって素子分離されている。また、ｐ型領域１１上には、ソース領域及びドレイン領域となる２つのｎ型領域１３がリンを注入することによって形成されている。

更に、２つのｎ型領域１３に挟まれたｐ型領域１１上に、例えば二酸化シリコンからなるゲート絶縁膜１４が形成され、その上には例えばポリシリコンからなるゲート電極１５が形成されている。また、ゲート電極１５の側壁を覆うサイドウォール１６が設けられている。

このように、検出部２において、ソース領域及びドレイン領域であるｎ型領域１３、ゲート絶縁膜１４及びゲート電極１５を含むｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴ２５が形成されている。

ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴ２５を覆うように、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等を用いて二酸化シリコン膜である第１の層間絶縁膜１７が堆積され、更にその上に、窒化シリコン膜１９が形成されている。該窒化シリコン膜１９は、後に形成する強誘電体膜２１を高温焼結する際に、ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴ２５を構成する材料が酸化されることを防ぐ機能を有する。

次に、窒化シリコン膜１９上に、プラチナからなる下部電極２０、強誘電体膜２１及びプラチナからなる上部電極２２が下からこの順に積層して形成され、強誘電体キャパシタ２６が構成される。このような強誘電体キャパシタは、焦電効果により赤外線を検出する赤外線検出素子として機能する。

本実施形態においては、強誘電体膜２１は、チタン酸バリウムのチタンの２０％をスズによって置換した物質であるＢａＴｉ_0.8 Ｓｎ_0.2 Ｏ₃ （ＢＴＳ）を用いて形成する。ＢＴＳは、例えば、各構成金属を含む有機金属材料をキシレン等の溶剤により溶解してスピン塗布し、大気中又は酸素中において８００℃の加熱処理を行なうことによって焼結して形成することができる。

また、強誘電体キャパシタ２６下方の領域において、窒化シリコン膜１９直下の第１の層間絶縁膜１７が一部除去された空隙１８を設けている。この空隙１８は、図１に示すシリコン基板１と筐体３との間の内部空間４と同様に、真空状態にされている。これによって、赤外線の照射により加熱された強誘電体キャパシタ２６からシリコン基板１に向かって熱が逃げるのを抑制し、赤外線検出の感度を向上している。赤外線の検出については、後に更に説明する。

尚、空隙１８を形成するには、まず、窒化シリコン膜１９を形成する前にこの領域にポリシリコン膜を配置しておく。続いて、窒化シリコン膜１９及び強誘電体キャパシタを形成した後に、該ポリシリコン膜上の構成材料（窒化シリコン膜１９及び強誘電体キャパシタ２６等）を貫通する貫通孔を開口し、該貫通孔からＸｅＦ₂ 等の腐食性ガスを用いるエッチングを行なってポリシリコン膜を除去する。

また、ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴ２５及び強誘電体キャパシタ２６の上には、第２の層間絶縁膜２３が形成されている。更に、アルミニウムからなる配線２４により、ｎ型領域１３及び上部電極２２等に対する結線が行なわれている。

図１にも示したように、赤外線検出器１０において、赤外線７は、シリコン基板１の検出部２とは反対側の面から入射してシリコン基板１を透過し、検出部２に備えられた強誘電体キャパシタ２６等に照射される。

以上に説明したＭＯＳ−ＦＥＴ２５及び強誘電体キャパシタ２６を一組含むように、一つの画素が構成される。このような画素は、検出部２において二次元マトリクスにアレイ化され、エリアセンサーを構成する。

図４には、３行３列の二次元マトリクスに画素３０１が配列されたエリアセンサーの平面的な回路構成を示している。画素３０１は、図３のｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴ２５に相当する選択トランジスタ３１０と、図３の強誘電体キャパシタ２６に相当する強誘電体キャパシタ３１１とを備える。

強誘電体キャパシタ３１１は、一端が選択トランジスタ３１０のドレインに接続されると共に、他端は接地されている。

また、選択トランジスタ３１０は、ソースが信号線３１２に接続されると共に、ゲートが走査線３１３に接続されている。

また、信号線３１２は、一端がリファレンスキャパシタ３２１を介して電源線３２２に接続されていると共に、他端は増幅器３２３を介して外部出力端子３２４に接続されている。

画素アレイに対し、シリコン基板１を透過した赤外線が照射されると、図３に示す強誘電体キャパシタ２６（図４における強誘電体キャパシタ３１１）及び窒化シリコン膜１９が赤外線を吸収して加熱される。このため、強誘電体キャパシタ３１１において、焦電効果による電荷が発生する。

ここで、所定の走査線３１３に選択パルスを印加することにより、対応する選択された画素の選択トランジスタ３１０がオンになり、電荷の一部がリファレンスキャパシタ３２１に移動する。このとき、直列接続された状態となっている強誘電体キャパシタ３１１とリファレンスキャパシタ３２１との中点である信号線３１２には、焦電効果によって発生した電荷量に依存した電位が誘起される。このような信号線電位は、増幅器３２３によって増幅され、外部出力端子３２４を通じて外部に出力される。

このような動作を画素の行ごとに行なうことにより、二次元画像情報を得ることができる。

尚、本実施形態においては、シリコン基板上に焦電型の赤外線検出素子を設けた場合を一例として説明した。しかし、焦電型には限らず、他の方式及び構造の赤外線検出素子を用いることも可能である。例えば、ｐｎ接合を有するシリコンダイオード、化合物半導体又は強相関材料を用いた赤外線検出素子であっても良い。

本発明によると、高価な材料であるゲルマニウムの使用を不要としていることから、赤外線検出器のコストダウンに有用である。

図１は、本発明の一実施形態に係る赤外線検出器１０の断面構成を模式的に説明する図である。 図２は、シリコンのフェルミ準位Ｅ_F と真性フェルミ準位Ｅ_i の差Ｅ_F −Ｅ_i と、温度との関係を示す図である。 図３は、赤外線検出器１０の検出部２の構造を説明する図である。 図４は、赤外線検出器１０が備える回路の構成を示す図である。 図５は、従来の赤外線検出器５０の断面構成を説明する図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 検出部
３ 筐体
４ 内部空間
５ 赤外線反射防止膜
１０ 赤外線検出器
１１ ｐ型領域
１２ シャロートレンチアイソレーション
１３ ｎ型領域
１４ ゲート絶縁膜
１５ ゲート電極
１６ サイドウォール
１７ 第１の層間絶縁膜
１８ 空隙
１９ 窒化シリコン膜
２０ 下部電極
２１ 強誘電体膜
２２ 上部電極
２３ 第２の層間絶縁膜
２４ 配線
２５ ｎ型ＭＯＳ−ＦＥＴ
２６ 強誘電体キャパシタ
３０１ 画素
３１０ 選択トランジスタ
３１１ 強誘電体キャパシタ
３１２ 信号線
３１３ 走査線
３２１ リファレンスキャパシタ
３２２ 電源線
３２３ 増幅器
３２４ 外部出力端子

Claims (7)

1. シリコン基板の一方の面に赤外線検出素子を備え、
   前記赤外線検出素子は、前記シリコン基板の他方の面から入射し且つ前記シリコン基板を透過した赤外線を検出することを特徴とする赤外線検出器。
2. 前記赤外線を入射させるための開口を有し且つ前記シリコン基板を内部に搭載するための筐体を更に備え、
   前記シリコン基板は、前記他方の面によって前記開口を覆うように前記筐体に搭載されていることを特徴とする赤外線検出器。
3. 請求項１又は２において、
   前記赤外線検出素子と前記シリコン基板との間に、断熱構造を備えることを特徴とする赤外線検出器。
4. 請求項３において、
   前記断熱構造は、真空にされた空隙であることを特徴とする赤外線検出器。
5. 請求項１〜４のいずれか一つにおいて、
   前記シリコン基板には不純物が導入されており、当該導入された不純物の濃度は、前記赤外線の波長に基づく所定の濃度以下であることを特徴とする赤外線検出器。
6. 請求項５において、
   前記赤外線の波長が４μｍ以上であり、
   前記所定の濃度は１×１０¹⁴ｃｍ³ 以下であることを特徴とする赤外線検出器。
7. 請求項１〜６のいずれか一つにおいて、
   前記他方の面に反射防止膜が形成されていることを特徴とする赤外線検出器。

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