JP2009250818A - 赤外線検出素子及び赤外線検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】遠赤外領域を含む広い波長領域に感度を有する電子放出型の赤外線検出素子と赤外線検出装置を提供する。
【解決手段】基板と、半導体素子を含む温度検知部を有してなり、支持脚を介して基板から離れて保持された赤外線検知部と、電子を放出する電子放出部と、を備え、半導体素子の温度変化に対応する電流電圧特性の変化に応じて電子放出部から放出される電子の放出量が変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、赤外線検出素子とそれを用いた赤外線検出装置に関する。

防犯、医療、各種検査、車載応用など様々な分野において、可視検出器および赤外検出器が用いられている。特に微弱光検出の分野において、感度の高いセンサは、光電子増倍管などの電子放出型の検出器である。例えば、イメージ・インテンシファイアは光電変換面とマルチチャンネルプレートの組み合わせで構成されており、光電変換面からの出力電子をマルチチャンネルプレートが低雑音で数万倍に増幅している。センサとして超高感度化に寄与しているのは、真空中での電子の増倍機能を持つマルチチャンネルプレートである。

電子放出型センサの光電変換面としては化合物半導体を使用したものがあり、可視光領域で非常に高感度である（特許文献１参照）。このほか、遠赤外領域の光電変換面としては焦電体を使用したものがある。この光電変換面では、真空中に保持された焦電体の両端にパルス電圧を印加することにより分極方向を変化させ、電子放出させる。焦電体の自発分極値は温度依存性を有するので、焦電体の温度変化に応じた電子放出が得られる（特許文献２参照）。
特開平０９−２１３２０５号公報（２頁９４行〜３頁３６行、図１） 特開平１０−４８０４２号公報（２頁６９行〜３頁６１行、図１）

しかしながら、化合物半導体等を使用した光電変換面では、可視−近赤外領域では非常に高感度であるが遠赤外領域を検知することは出来ない。また、焦電体の光電変換面では遠赤外領域を検知できるが、焦電体自身が赤外吸収部かつ電子放出面であるので、高感度化のための低熱容量化、薄膜化が困難である。また、焦電体という特殊な材料を使用しなくてはならない。

そこで、本発明は、遠赤外領域を含む広い波長領域に感度を有する電子放出型の赤外線検出素子と赤外線検出装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る赤外線検出素子は、基板と、半導体素子を含む温度検知部を有してなり、支持脚を介して基板から離れて保持された赤外線検知部と、電子を放出する電子放出部と、を備え、前記半導体素子の温度変化に対応する電流電圧特性の変化に応じて前記電子放出部から放出される電子の放出量が変化することを特徴とする。

以上のように構成された本発明に係る赤外線検出素子は、前記半導体素子の温度変化に対応する電流電圧特性の変化に応じて前記電子放出部から放出される電子の放出量が変化するので、遠赤外領域を含む広い波長領域に感度を有する電子放出型の赤外線検出素子と赤外線検出装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態の赤外線検出器について説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１の電子放出型赤外線検出器の構成を概念的に示す模式図である。本実施形態１において、温度検知部は直列接続されたダイオード１によって構成されている。なお、温度検知部には赤外線吸収部が接合されていてもよい。また、接地された基板３には電界によって先端から電子を放出する電界放射型の微小な電子放出部２が形成され、電子放出部２の近くにゲート電極５が設けられている。このゲート電極５は、微小電子放出部２の先端に高電界を印加するために設けられており、その中央部に開口部が形成されて、微小電子放出部２から真空中に放出された電子を通過させる。

実施形態１では、このゲート電極５に、定電流駆動しているダイオード１の正電位側の端子が接続され、真空中で高電界を印加することにより微小電子放出部２からトンネル効果により固体内の電子が真空中に放出される。実施の形態１の電子放出型赤外線検出器では、以上のように配置された温度検知部を構成するダイオード１、微小電子放出部２及びゲート電極５によって、赤外線検出素子が構成される。なお、温度検知部には赤外線吸収部が接合されている場合には、赤外線検出素子は赤外線吸収部を含む。

この微小電子放出部２としては、指向性が高く、数ｎｍの直径のカーボンナノチューブ等を用いることができる。効率良く、微小電子放出部２の先端に高電界を印加する為に、微小電子放出部２の鋭い先端を有することが好ましい。また、微小電子放出部２としては、カーボンナノチューブ以外にシリコン、ダイヤモンド、モリブデン、タングステン、金、チタンなどを用いることができる。

そして、赤外線検出素子から赤外線吸収量に応じて放出される電子を検出するために、ゲート電極５を挟んで微小電子放出部２に対向するように、マルチチャンネルプレート６が設けられる。マルチチャンネルプレート６は、微小電子放出部２から放出された放出電子を二次電子放出により増倍して、増倍された電子をアノード電極７に入射する。以上のように配置された赤外線検出素子（ダイオード１、微小電子放出部２及びゲート電極５）と、マルチチャンネルプレート６とアノード電極７とが真空容器１５中に保持されて実施の形態１の電子放出型赤外線検出器が構成される。

以上のように構成された実施の形態１の電子放出型赤外線検出器において、直列接続されたダイオード１に定電流源４を接続して、赤外線検出器の駆動時には、一定の順方向電流を流す。この状態で、ダイオード１に、赤外領域の光を透過する赤外線透過窓１６を通った光線が入射すると、赤外線の吸収によってダイオード１の温度が変化する。これにより、ダイオード１の順方向電圧が変化して、直列接続されたダイオード１の正電位側の端子と接続されているゲート電極５に印加される電圧も変化する。

微小電子放出部２からの電子放出量は、微小電子放出部２とゲート電極５の間の電圧に依存する為、ゲート電極５に印加される電圧が変化すると微小電子放出部２からの電子放出量が変化する。よって、検知部である直列接続されたダイオード１の赤外線吸収による温度変化により、微小電子放出部２からの電子放出量が変化する。

微小電子放出部２から放出された電子は、マルチチャンネルプレート６によって、数万倍に増倍され、アノード電極７からアノード電流として取り出される。
このようにして、実施形態１の電子放出型赤外線検出器では、温度変化に対応するダイオード１の電流電圧特性の変化に基づくアノード電極７から出力されるアノード電流の変化を電流計８によって検出して、入射された赤外線量を検出する。

以上のように構成された実施の形態１の電子放出型赤外線検出器は、赤外線吸収量に応じた温度変化により微小電子放出部２から電子放出量を変化させて入射された赤外線量を検出しているので、高感度な電子放出型赤外線検出器が実現できる。

実施の形態２．
図２は、本発明に係る実施の形態２の電子放出型赤外線検出器の構成を概念的に示す模式図である。本実施の形態２の電子放出型赤外線検出器は、基板としてｐ型シリコン基板９を用いて、そのｐ型シリコン基板９にＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ電界効果トランジスタ）を形成して、そのドレイン領域に微小電子放出部２を形成した点が実施形態１とは異なっている。

具体的には、ｐ型シリコン基板９に、２つのｎ型シリコン領域１０，１１である拡散層が分離して形成され、ＭＯＳＦＥＴのゲート酸化膜１２、ゲート電極１３が形成されている。一方のｎ型シリコン領域１０はドレイン領域であり、他方のｎ型シリコン領域１１はソース領域である。そして、このＭＯＳＦＥＴのドレイン領域（ｎ型シリコン領域１０）に微小電子放出部２が形成され、ソース領域は接地される。また、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極１３には、ＭＯＳＦＥＴの動作と非動作（選択および非選択）を切り替えるパルス電圧印加手段１４が接続される。これにより、例えば、アレイ状に赤外線検出器を配置した時に各素子の選択と非選択のスイッチングが可能になる。

以上のように構成された実施の形態２の電子放出型赤外線検出器において、ＭＯＳＦＥＴがＯＦＦのときは、微小電子放出部２からの電子放出は起こらない。ＭＯＳＦＥＴがＯＮの時には、ドレイン−ソース間に電流が流れ、微小電子放出部２から電子放出される。このときの放出電子量は、微小電子放出部２のゲート電極５に印加されたダイオード１の順方向電圧により制御される。

以上のように構成された実施の形態２の電子放出型赤外線検出器は、実施の形態１と同様の作用・効果を有し、さらに、検出器を動作状態と非動作状態を切り替えることができる。

以上の実施の形態２の電子放出型赤外線検出器では、ダイオード１の正電位端をゲート電極５に接続し、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極１３にパルス電圧印加手段１４を接続した。
しかしながら、本発明では、微小電子放出部２のゲート電極５にパルス電圧印加手段１４を接続し、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極１３にダイオード１の正電位端を接続してもよい。

このようにしても、ゲート電極５に接続されたパルス電圧印加手段１４によって動作および非動作(選択および非選択)が制御され、ゲート電極１３に接続されたダイオード１の正電位端の電位によってドレイン電流が制御され、微小電子放出部２から放出される放出電子量がゲート電極１３に印加されたダイオード１の順方向電圧により制御される。

実施の形態３．
本発明に係る実施の形態３の電子放出型赤外線検出装置は、実施形態１の赤外線検出素子（それぞれダイオード、微小電子放出部及びゲート電極を含む）がマトリクス状に配置された赤外線検出素子アレイを含む電子放出型赤外線検出装置である。図３〜図５に示すように、赤外線検出素子はそれぞれ赤外線入射領域と電子放出領域とを含む。
なお、以下の説明において、画素というときは、各赤外線検出素子における赤外線入射領域を示す。

図３は、本実施の形態３の電子放出型赤外線検出装置の斜視図である。図４は、図３の１つの赤外線検出素子の部分を拡大して示す平面図であり、直列接続されたダイオード１の上に赤外線吸収部２４が設けられている。図４では、理解を容易にする為に、赤外線吸収部２４を透視して表示している。図５は、図４中に示すＡ−Ａ’断面を矢印方向から見た断面図であり、一つの赤外線検出素子内で隣接する赤外線入射領域と電子放出領域の断面を模式的に示している。

実施の形態３において、ダイオードを含む温度検知部１７と赤外線吸収部２４とを有する赤外線検知部は、支持脚２０のみによって基板３と接続されることにより、基板３と熱的に分離された構造となっている。なお、赤外線吸収部２４は温度検知部と一部で繋がっている他は離間されて支持されている。また、支持脚２０には、温度検知部１７のダイオード１（ダイオード直列回路）と電子放出領域の第１ゲート５とを接続する配線が形成されている。図中、１８の符号を付して示すものは、基板配線であり、２２は基板配線１８と支持脚配線とを接続するコンタクトである。

温度検知部１７は、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の埋め込み酸化膜１９の上に作製されたダイオード１を感温素子として構成され、このダイオード１が熱電気変換素子として機能する。また、基板３の埋め込み酸化膜１９の下はエッチングによりキャビティ２１が形成されており、支持脚２０によって基板３から離間して温度検知部（ダイオード１）が支持され、温度検知部から基板３への熱伝導が低減される。この構造はマイクロマシニング技術を用いて作製することができ、温度検知部分に直列接続して作製されたダイオード１の正電位側の端子は、図４に示すように、微小電子放出部２上のゲート電極５に接続されている。

また、上述したように、一つの赤外線検知部素子は、微小電子放出部２が形成された電子放出領域と、ダイオード１が形成された赤外線入射領域に分けられる。この実施形態３では、電子放出領域において、微小電子放出部２の上を除いて絶縁膜２３が形成されて微小電子放出部２の上方には電子が放射される空間が形成されている。そして、その空間内に開口部が位置するように、ゲート電極５が絶縁膜２３に一部が埋設されて保持される。この構成により、図５に示すように、電子は上方向に向かって放出される。

尚、この実施形態３では、赤外線は上方向から入射するように構成した。しかしながら、本発明では、下方向（基板３側）から入射するようにしてもよい。すなわち、基板３をシリコン基板とすると、シリコンは遠赤外領域の光を透過するため下方向からの赤外線入射でも赤外検知は可能である。また、赤外線入射領域の基板３は完全に除去して貫通させても良い。

また、実施形態１で説明したように、直列接続されたダイオード１には定電流源４が接続されて、一定の順方向電流が流される。

以上のように構成された実施の形態３の電子放出型赤外線検出装置において、赤外線が入射されると、各赤外線検出素子に入射される赤外線量に応じて各赤外線検出素子のダイオード１の温度がそれぞれ変化し、ダイオード１の順方向電圧が変化する。これにより、各赤外線検出素子に入射される赤外線量に応じてゲート電極５に印加される電圧もそれぞれ変化する。各赤外線検出素子における微小電子放出部２からの電子放出量は、微小電子放出部２とゲート電極５の間の電圧にそれぞれ依存して変化する。

したがって、マルチチャンネルプレート等によって、各赤外線検出素子における微小電子放出部２からの放出された電子を増倍して、検出することにより、高感度の赤外線イメージセンサが実現できる。

実施の形態４．
本発明に係る実施の形態４の電子放出型赤外線検出装置は、実施形態２の赤外線検出素子がマトリクス状に配置された赤外線検出素子アレイを含む電子放出型赤外線検出装置である。図６は、実施の形態４の電子放出型赤外線検出装置における１つの赤外線検出素子部分の断面図である。図６に示すように、本実施の形態４の電子放出型赤外線検出装置は、各赤外線検出素子において、電子放出領域の構成が異なる他は、実施の形態３の電子放出型赤外線検出装置と同様に構成される。

すなわち、実施形態４では、ｐ型シリコン基板９に、ＭＯＳＦＥＴ(ＭＯＳ電界効果トランジスタ)が形成されている。このＭＯＳＦＥＴのｎ型シリコン領域１０からなるドレイン領域（拡散領域）に微小電子放出部２が形成され、ドレイン領域から離れて形成されたｎ型シリコン領域１１からなるソース領域（拡散領域）は接地される。

また、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極１３は、ソース領域とドレイン領域の間の基板上に絶縁膜２３を介して形成され、そのＭＯＳＦＥＴのゲート電極１３にはパルス電圧印加手段(図示しない)が接続される。ここで、実施形態４では、電子放出領域において、微小電子放出部２の上を除いて絶縁膜２３が形成されて微小電子放出部２の上方には電子が放射される空間が形成されており、その空間内に開口部が位置するように、ゲート電極５が絶縁膜２３に一部が埋設されて保持される。

以上のように構成された実施形態４の赤外線検出装置では、パルス電圧印加手段によってＭＯＳＦＥＴの動作および非動作（選択および非選択）を切り替えることにより、各赤外線検出素子の駆動および非駆動状態（選択および非選択）を制御できる。
すなわち、ＭＯＳＦＥＴがＯＮの時には、ドレイン−ソース間に電流が流れ、微小電子放出部２から電子が放出され、その放出電子量は、ゲート電極５に印加されたダイオード１の順方向電圧（赤外線照射量）に応じて変化する。なお、ＭＯＳＦＥＴがＯＦＦのときは、微小電子放出部２からの電子放出は起こらない。

以上のように構成された実施形態４の赤外線検出装置は、実施形態３の赤外線検出装置と同様の作用効果を有しかつ各赤外線検出素子の駆動および非駆動状態（選択および非選択）を制御できる。

以上の実施形態４の赤外線検出装置では、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極１３にはパルス電圧印加手段を接続し、ゲート電極５にダイオードの正電位端を接続するようにした。
しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴのゲート電極１３にダイオードの正電位端を接続し、ゲート電極５にパルス電圧印加手段を接続するようにしてもよい。このようにしても、パルス電圧印加手段によって、各赤外線検出素子の駆動および非駆動状態（選択および非選択）を制御でき、微小電子放出部２から放出される放出電子量をダイオード１の順方向電圧により制御できる。

実施の形態５．
本発明に係る実施形態５の電子放出型赤外線検出装置は、赤外線吸収部２４の構成が実施の形態３と異なっている他は、実施形態５の電子放出型赤外線検出装置と同様に構成される。図７は、本発明の実施の形態５の電子放出型赤外線検出装置における１つの赤外線検出素子部分の断面図である。

具体的には、本実施の形態５では、赤外線吸収部２４が温度検知部と離間されて支持された構造体でなく温度検知部上にのみ赤外線吸収部２４を形成している。この赤外線吸収部２４を構成する赤外線吸収膜は、例えば、微小電子放出部２をカーボンナノチューブにより構成する場合には、同じカーボンナノチューブで構成することができる。これは、カーボンナノチューブは、赤外線吸収率も高いため赤外線吸収膜としても用いることができるためである。このように、本実施形態５では、例えば、カーボンナノチューブ等の微小電子放出部２を構成する材料と赤外線吸収部２４を構成する材料を共通化でき、微小電子放出部２と赤外線吸収部２４を作製する工程を同じにすることができる。

実施の形態６．
本発明に係る実施形態６の電子放出型赤外線検出装置は、各赤外線検知素子における電子放出領域の構成が実施の形態３と異なっている他は、実施の形態３の電子放出型赤外線検出装置と同様に構成される。すなわち、各赤外線検知素子における赤外線検知部の構成は、実施形態３の電子放出型赤外線検出装置と同様である。図８は、本発明の実施の形態６にかかる電子放出型赤外線検出装置の１つの赤外線検知素子部分の断面を示す。

具体的には、本実施形態６の電子放出型赤外線検出装置では、温度検知部１７と赤外線吸収部２４とを有する赤外線検知部を基板３の上面側（一方の主面側）に形成し、電子放出部２及びゲート電極５等の電子放出部を構成する要素を基板３の下面側（他方の主面側）に形成している。そして、基板３には上面から下面に貫通する貫通孔が形成され、その貫通孔に形成された配線導体が形成されて、上面側で支持脚２０に形成された配線が貫通孔に形成された貫通配線に接続される。また、貫通配線は、基板３の下面側でゲート電極５に接続されている。尚、図８において、符号１８により示すものは、支持脚の配線に接続された配線導体であり、絶縁膜２３に埋設されて、支持脚配線と貫通配線とを接続している。

このように、実施形態６の電子放出型赤外線検出装置では、赤外線検知部を基板３の上面側に設け、電子放出部を基板３の下面側に設けているので、基板３の上面に占める赤外線吸収部の面積率を大きくできる。
したがって、実施形態６の電子放出型赤外線検出装置は、小型でかつ赤外線検出感度を高くできる。

実施の形態７．
本発明に係る実施形態７の電子放出型赤外線検出器は、電子放出部２と赤外線検知部の構成が実施形態１の電子放出型赤外線検出器と異なっている他は、実施形態１の電子放出型赤外線検出器と同様に構成される。図９は、本発明に係る実施の形態７の電子放出型赤外線検出器の構成を概念的に示す模式図である。

具体的には、実施形態７の電子放出型赤外線検出器においては、ｐ型シリコン基板９の一方の面に、拡散層であるｎ型シリコン領域１０が形成されて、ｐｎ接合ダイオードができる。そして、このｎ型拡散領域であるｎ型シリコン領域１０上に微小電子放出部２が形成され、その微小電子放出部２の上方に実施形態１と同様にゲート電極５、マルチチャンネルプレート６及びアノード電極７が順に形成される。

以上のように構成された実施形態７の電子放出型赤外線検出器において、ゲート電極５を正の電圧を印加すると、微小電子放出部２が正電位となり、微小電子放出部２の直下のｐｎ接合は逆バイアスされる。以上の構成の実施形態７の電子放出型赤外線検出器では、微小電子放出部２の直下のｐｎ接合における逆方向飽和電流の温度依存性に基づいて赤外線を検出している。

すなわち、微小電子放出部２の直下のｐｎ接合ダイオードに、赤外領域の光を透過する赤外線透過窓１６を通った光線が入射すると、赤外線の吸収によってｐｎ接合ダイオードの温度が変化して、ｐｎ接合ダイオードの温度が変化する。ｐｎ接合の逆方向飽和電流が変化する。このｐｎ接合ダイオードの逆方向飽和電流は、拡散電流が支配的になるため、温度上昇に対して指数関数的に変化するので、温度変化に対して極めて敏感である。

実施形態７の電子放出型赤外線検出器では、ｐｎ接合ダイオードの温度に依存する逆方向飽和電流の電子が、トンネル効果により微小電子放出部２から真空中に放出され、微小電子放出部２から放出された電子がマルチチャンネルプレート６によって、数万倍に増倍され、アノード電極７からアノード電流として取り出される。

なお、本実施形態７では、ｐｎ接合ダイオードの温度変化を利用するものであるから、このｐｎ接合ダイオードは十分を低熱容量化することが好ましく、これにより高感度にできる。

また、実施形態７の電子放出型赤外線検出器では、基板の一方の面に電子放出部２を形成し、基板の他方の面から検出すべき赤外線を入射させることができるので、赤外線吸収部の面積率を大きくでき、小型でかつ赤外線検出感度を高くできる。

実施の形態８．
本発明に係る実施形態８の電子放出型赤外線検出器は、図１０に示すように、実施形態７の電子放出型赤外線検出器において、ゲート電極５を設けることなく構成したものである。実施形態８の電子放出型赤外線検出器は、ゲート電極５を設けていない点を除いて、実施形態７の電子放出型赤外線検出器と同様に構成される。

すなわち、本実施形態８の電子放出型赤外線検出器では、マルチチャンネルプレート６入力側電極の電圧によって微小電子放出部２の直下のｐｎ接合ダイオードに逆バイアスが印加されて、微小電子放出部２先端に十分電界集中が生じるように構成している。

以上のような構成により、本実施形態８の電子放出型赤外線検出器では、微小電子放出部２をマルチチャンネルプレート６の入力部に十分近づける事ができ、小型化が可能であり、かつゲート電極５を取り除くことができるので、構成を簡単にできる。

実施の形態９．
本発明に係る実施形態９の電子放出型赤外線検出器は、実施の形態７と同様、微小電子放出部２の直下のｐｎ接合における逆方向飽和電流の温度依存性に基づいて赤外線を検出するものである。

この実施形態９の電子放出型赤外線検出器は、赤外線吸収部２４、温度検知部及び電子放出部２が一体化されており、その一体化された部分全体（赤外線検出構造体）が支持脚２０により基板３から離れて保持されている。

具体的には、図１１に示すように、ｐ型シリコン層９０の一方の面側に、ｎ型シリコン領域１０が形成され、そのｎ型シリコン領域１０に微小電子放出部２が形成されている。また、電子放出領域において微小電子放出部２の上を除いて絶縁膜２３が形成されて微小電子放出部２の上方には電子が放射される空間が形成されている。そして、その空間内に開口部が位置するように、ゲート電極５が絶縁膜２３に一部が埋設されて保持される。そしてさらに、赤外線吸収部２４が微小電子放出部２から放出される電子の進路を妨げないように、絶縁膜２３に接合されている。

以上の赤外線検出構造体は、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板の埋め込み酸化膜１９の上に、熱電気変換素子として機能するＰＮ接合ダイオード等を順次形成して、埋め込み酸化膜１９の下の基板３部分をエッチングにより除去してキャビティ２１を形成することにより作製することができる。

実施形態９の電子放出型赤外線検出器において、電子は上方向に向かって放出され、その上に配置されるマルチチャンネルプレートで増倍されて、その増倍された２次電子がアノード電極７によって検出される。

本実施形態９では、赤外線は上方向から入射するように構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、基板３として遠赤外領域を透過するシリコンを用いるか、赤外線が通過する貫通孔を設ける等により、赤外線が下方向（基板３側）から入射するように構成してもよい。

以上のように構成された実施形態９の電子放出型赤外線検出器において、赤外線吸収部２４の赤外線の吸収によってｐｎ接合ダイオードの温度が変化し、ｐｎ接合の逆方向飽和電流が変化する。そしてその逆方向飽和電流の電子が、トンネル効果により微小電子放出部２から真空中に放出され、マルチチャンネルプレートで増倍された後、アノード電極７によって検出される。
以上のようにして、赤外線の照射量に応じた電流が検出できる。

実施の形態１０．
本発明に係る実施の形態１０の電子放出型赤外線検出器は、図１２に示すように、実施形態９の電子放出型赤外線検出器において、ゲート電極５を除いて構成した以外は、実施形態９の電子放出型赤外線検出器と同様に構成されている。

すなわち、本実施形態１０の電子放出型赤外線検出器では、マルチチャンネルプレートの入力側電極の電圧によって微小電子放出部２の直下のｐｎ接合ダイオードに逆バイアスが印加されて、微小電子放出部２先端に十分電界集中が生じるように構成している。

以上のような構成により、本実施形態１０の電子放出型赤外線検出器では、微小電子放出部２をマルチチャンネルプレート６の入力部に十分近づける事ができ、小型化が可能であり、かつゲート電極５を取り除くことができるので、構成を簡単にできる。

実施の形態１１．
本発明に係る実施の形態１１の電子放出型赤外線検出器は、実施形態９の電子放出型赤外線検出器において、ｐｎ接合ダイオードに代えてＭＯＳ電界効果トランジスタを用いて構成した以外は、実施形態９の電子放出型赤外線検出器と同様に構成される。

具体的には、図１３に示すように、ドレイン領域とソース領域となる２つのｎ型シリコン領域１０，１１が形成され、ソース領域とドレイン領域の間の基板上に絶縁膜２３を介してゲート電極１３が形成される。そして、実施形態１１では、微小電子放出部２の上を除いて絶縁膜２３が形成されて微小電子放出部２の上方には電子が放射される空間が確保され、その空間内に開口部が位置するように、ゲート電極５が絶縁膜２３に一部が埋設されて保持される。そしてさらに、実施形態９と同様にして、赤外線吸収部２４が微小電子放出部２から放出される電子の進路を妨げないように、絶縁膜２３に接合されている。

以上のように構成された実施形態１１の赤外線検出装置では、感温素子であるＭＯＳＦＥＴをゲート電極１３に印加するゲート電圧によりサブスレッショルド領域で動作させる。そうすると、サブスレッショルド領域では、拡散電流が支配的であるため、ドレイン−ソース間の電流は温度に対して敏感に変化し、その電流に対応する放出量の電子が微小電子放出部２によって真空中に放出される。

したがって、実施形態１１の電子放出型赤外線検出器において、微小電子放出部２によって真空中に放出される電子を、その上に配置されるマルチチャンネルプレートで増倍して、その増倍された２次電子をアノード電極７によって検出することにより、入射される赤外線を検出することができる。

実施の形態１２．
本発明に係る実施の形態１２の電子放出型赤外線検出器は、図１４に示すように、実施形態１１の電子放出型赤外線検出器において、ゲート電極５を除いて構成した以外は、実施形態１１の電子放出型赤外線検出器と同様に構成されている。

すなわち、本実施形態１２の電子放出型赤外線検出器では、マルチチャンネルプレート６入力側電極の電圧によって微小電子放出部２先端に十分に電界集中させてゲート電極５を取り除いたものである。以上のような構成によっても実施形態１１の電子放出型赤外線検出器と同様の動作をさせることができ、かつ構成を簡単にできる。

以上の実施の形態７〜１２の電子放出型赤外線検出器を複数配列して、実施の形態３等で説明した電子放出型赤外線検出装置を構成することができることは言うまでもない。

本発明にかかる赤外線検出器の感温素子となるダイオード又はＭＯＳ電界効果トランジスタは、標準ＣＭＯＳプロセスで製造できるため、特性ばらつきも小さくできる。

本発明に係る実施の形態１の電子放出型赤外線検出器の構成を概念的に示す模式図である。 本発明に係る実施の形態２の電子放出型赤外線検出器の構成を概念的に示す模式図である。 本発明に係る実施の形態３の電子放出型赤外線検出装置の斜視図である。 図３の１つの赤外線検出素子の部分を拡大して示す平面図である。 図４のＡ−Ａ’線についての断面図であり、 本発明に係る実施の形態４の電子放出型赤外線検出装置における１つの赤外線検出素子部分の断面図である。 本発明に係る実施の形態５の電子放出型赤外線検出装置における１つの赤外線検出素子部分の断面図である。 本発明に係る実施の形態６の電子放出型赤外線検出装置における１つの赤外線検出素子部分の断面図である。 本発明に係る実施の形態７の電子放出型赤外線検出器の構成を概念的に示す模式図である。 本発明に係る実施の形態８の電子放出型赤外線検出器の構成を概念的に示す模式図である。 本発明に係る実施の形態９の電子放出型赤外線検出器における１つの赤外線検出素子部分の断面図である。 本発明に係る実施の形態１０の電子放出型赤外線検出器における１つの赤外線検出素子部分の断面図である。 本発明に係る実施の形態１１の電子放出型赤外線検出器における１つの赤外線検出素子部分の断面図である。 本発明に係る実施の形態１２の電子放出型赤外線検出器における１つの赤外線検出素子部分の断面図である。

符号の説明

１ ダイオード、２ 電子放出部、３ 基板、４ 定電流源、５ ゲート電極、６ マルチチャンネルプレート、７ アノード電極、８ 電流計、９ ｐ型シリコン基板、１０，１１ ｎ型シリコン領域、１２ ＭＯＳＦＥＴのゲート酸化膜、１３ ゲート電極、１４ パルス電圧印加手段、１５ 真空容器、１６ 赤外線透過窓、１７ 温度検知部、１８ 配線、１９ 埋め込み酸化膜、２０ 支持脚、２１ キャビティ、２２ コンタクト、２３ 絶縁膜、２４ 赤外線吸収部、９０ ｐ型シリコン層。

Claims (14)

1. 基板と、
   半導体素子を含む温度検知部を有してなり、支持脚を介して基板から離れて保持された赤外線検知部と、
   電子を放出する電子放出部と、を備え、
   前記半導体素子の温度変化に対応する電流電圧特性の変化に応じて前記電子放出部から放出される電子の放出量が変化することを特徴とする赤外線検出素子。
2. 前記半導体素子として、１又は２以上の直列接続されたダイオードを含む請求項１記載の赤外線検出素子。
3. 前記電子放出部から放出された電子を通過させる開口部を有する第１ゲート電極をさらに含み、前記第１ゲート電極に前記ダイオードの正電位端が接続された請求項２に記載の赤外線検出素子。
4. 前記基板は、ソース領域、ドレイン領域及び前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記基板上に絶縁膜を介して第２ゲート電極とを含むＭＯＳ電界効果トランジスタを有し、前記電子放出部が前記ドレイン領域上に設けられた請求項２又は３に記載の赤外線検出素子。
5. 前記基板は、ソース領域、ドレイン領域及び前記ソース領域と前記ドレイン領域の間の前記基板上に絶縁膜を介して第２ゲート電極とを含むＭＯＳ電界効果トランジスタを有し、前記電子放出部が前記ドレイン領域上に設けられ、かつ前記第２ゲート電極に前記ダイオードの正電位端が接続された請求項２に記載の赤外線検出素子。
6. 前記温度検知部には赤外線吸収部が接続されており、前記電子放出部と前記赤外線吸収部とが共通の材料により形成されている請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載の赤外線検出素子。
7. 前記赤外線検知部が前記基板の一方の面側に形成され、かつ前記電子放出部と前記第１ゲート電極が、前記基板の他方の面側に形成されており、前記半導体素子と前記第１ゲート電極とが前記基板に形成された貫通孔に設けられた貫通配線によって接続された請求項３記載の赤外線検出素子。
8. 前記電子放出部が前記ダイオードのカソードに接続された請求項２又は３に記載の赤外線検出素子。
9. 前記電子放出部が前記ダイオードを構成するｎ型領域に設けられた請求項８に記載の赤外線検出素子。
10. 前記半導体素子としてＭＯＳ電界効果トランジスタを含み、前記電子放出部が前記ＭＯＳ電界効果トランジスタのドレインに接続された請求項１記載の赤外線検出素子。
11. 前記電子放出部が前記ＭＯＳ電界効果トランジスタのドレイン領域に設けられた請求項１０記載の赤外線検出素子。
12. 前記ＭＯＳ電界効果トランジスタのゲート電極とは別のゲート電極をさらに含み、その別のゲート電極が前記電子放出部から放出された電子を通過させる開口部を有する請求項１０又は１１に記載の赤外線検出素子。
13. 請求項１〜１２のうちのいずれか１つに記載の赤外線検出素子と、前記電子放出部から放出される電子を増倍する電子増倍部とを有する赤外線検出装置。
14. 請求項１〜１２のうちのいずれか１つに記載の赤外線検出素子が配列されてなる赤外線検知アレイと、前記各赤外線検出素子の電子放出部から放出される電子をそれぞれ増倍する複数のチャンネルを有するマルチチャンネルプレートとを含む赤外線検出装置。

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