JP2010185708A - ボロメータ型赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線の吸収効率を高めることで赤外線の検出感度を高めた、ボロメータ型赤外線センサを提供する。
【解決手段】ボロメータ型赤外線センサの構造を、赤外線を受光して発熱する受光面（Ｂ１−Ｂ１、Ｂ２−Ｂ２、Ｂ３−Ｂ３、Ｂ４−Ｂ４で囲まれた領域）と、前記受光面上に形成された入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターン３と、を具備し、パターン３が複数の層により構成され、パターン３が前記受光面の略全領域を占める構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明はボロメータ型赤外線センサに関し、特に赤外線の吸収率を向上する構造に関するものである。

ボロメータ型赤外線センサは、赤外線を吸収して発熱する受光面と、その上に形成された入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターンを持つ。受光面が赤外線を吸収すると、その温度が上昇し、それにより上記パターンの電気抵抗値が変化する。その抵抗値の変化を電気信号として測定し、それにより赤外線を検出する（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された赤外線センサの上面図であり、図６はそのＡ−Ａ断面図である。図５、図６に示した赤外線センサにおいて、吸収膜１５は受光面、パターン１３は入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターン（以下、パターンと称する）である。パターン１３の下部には絶縁層１２とキャビティ１６を挟んで反射膜１９を形成する。入射した赤外線の一部は、吸収膜１５で吸収され熱に変換される。一部の赤外線は吸収されずに透過し、反射膜１９に到達する。そして反射膜１９によって反射された赤外線が、再び吸収膜１５に照射され、吸収される。このように反射膜１９によって赤外線の吸収効率を高めることにより、赤外線の検出感度を高めている。

特許第３１３２１９７号公報。

しかしながら、吸収膜１５で吸収されずに透過する赤外線は、反射膜１９によって反射して吸収膜１５に再び照射されるまでに、その一部が絶縁層１８によって吸収され、減衰する。さらに、その減衰した赤外線は、吸収膜１５に到達する前に、その一部がパターン１３によって再び反射する。パターン１３の受光面に占める面積が増すほど、上記のパターン１３による反射も増加する。従来の構造よると、このような赤外線吸収のロスが生じる。

上記の赤外線吸収のロスは、吸収膜と反射膜との間に異種材料および空隙が存在するために生じている。そこで、本発明では、入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターンによって受光面の略全領域を占めることで、上記パターン自体に反射膜の機能を代替させ、上記反射膜と上記異種材料および上記空隙を除去し、上記の赤外線吸収のロスを低減した。

その構造は、赤外線を受光して発熱する受光面と、前記受光面上に形成された入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターンと、を具備し、前記パターンが複数の層により構成され、前記パターンが前記受光面の略全領域を占める構造である。

または、前記パターンを構成する複数の層のうちの一層によって占められる前記受光面の領域が、他の層によって占めることができない前記受光面の領域を占めることにより、前記パターンが前記受光面の略全領域を占める構造である。

または、前記パターンが二層により構成され、前記パターンの二層の間に電気絶縁性のある絶縁層を有し、前記パターンの二層が前記絶縁層の外縁部を回り込んで電気的に接続するかまたは前記絶縁層の一部に設けられた空隙を通して接続する構造である。

上記構造により、入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターンによって受光面の略全領域を占めることで、上記パターン自体に反射膜の機能を代替させ、反射膜を用いた場合以上に赤外線を吸収できる。吸収層を透過した赤外線は減衰されることなく、上記パターンにより反射され、上記吸収層にて再度吸収される。そのため、吸収される赤外線の割合が高まり、赤外線の検出感度が高まる。

本発明の実施例を示す上面図である。 図１に示した実施例上面図のＡ−Ａ断面図である。 図１に示した実施例上面図中のパターン３の一層目３ａを示す図である。 図１に示した実施例上面図中のパターン３の二層目３ｂを示す図である。 従来例の上面図である。 図５に示した従来例上面図のＡ−Ａ断面図である。

図１は本発明の実施例を示す上面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。Ｂ１−Ｂ１、Ｂ２−Ｂ２、Ｂ３−Ｂ３、Ｂ４−Ｂ４で囲まれた矩形領域が受光面の領域であり、入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターン３（以下、パターン３と称する）がその１００％の領域を占めている。

基板１の上には絶縁層２がある。絶縁層２の上には、図３に示す入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターン３の一層目３ａ（以下、パターン３の一層目３ａと記する）がある。そして、パターン３の一層目３ａの上に絶縁層４がある。その絶縁層４の上には、図４に示す入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターン３の二層目３ｂ（以下、パターン３の二層目３ｂと記す）があり、パターン３の二層目３ｂの上に吸収膜５がある。パターン３の下部の基板１の一部にはキャビティ６がある。また、パターン３の一層目３ａとパターン３の二層目３ｂとは、絶縁層４の外縁部を回り込んで接続部１０で接続する。このとき、パターン３の一層目３ａで占めることができない受光面の領域は、絶縁層４を介して３パターン３の二層目３ｂによって占められる。これにより、パターン３が受光面の１００％の領域を占める。

基板１としては、半導体プロセス、ＭＥＭＳプロセスにて用いることができる基板であればどのような基板でも良い。パターン３の材料としては、温度変化に依存して電気抵抗値が変化し、かつ赤外線透過率の低い材料を用いる。そのような材料としては、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｎｉ等の金属を用いる。絶縁層２および４の材料としては、電気絶縁性の高い酸化物、窒化物、有機物等の材料を用いる。吸収膜５としては、赤外線吸収率の高い酸化物、窒化物、有機物、電気伝導性を低くした赤外線吸収率の高い金属薄膜、炭化物等で形成した薄膜、またはそれらを複数積層した多層膜を用いる。

センサ上方から入射した赤外線は、パターン３に到達する前に、その一部が吸収膜５または絶縁層４によって吸収される。絶縁層４は吸収膜５とパターン３に熱的に接続しており、絶縁層４における赤外線の吸収は吸収膜５における吸収と同様に受光面の温度上昇に寄与する。以下、吸収膜５とパターン３の各層間の絶縁層（ここでは絶縁層４）とをまとめて吸収層と呼ぶ。吸収層を透過してパターン３に到達した赤外線は、パターン３によって反射し、その一部が再び吸収層によって吸収される。

例えば、吸収層による赤外線吸収率が５０％、パターン３の赤外線反射率が９０％であるとする。受光面に占めるパターン３の面積の割合が１００％であるので、受光面に入射する赤外線のうち吸収層によって吸収される赤外線の割合は７２．５％となる。

従来のボロメータ型赤外線センサの場合は、受光面に占めるパターン３の面積の割合が普通は５０％程度であることから、吸収層の吸収率とパターン３の反射率とが上記と等しく、かつ、パターン３下部に反射膜がないとすると、吸収される赤外線の割合は６１．２５％である。よって、本実施例に係る構造とパターン３下部に反射膜がない構造とを比較すると、本実施例に係る構造の方が赤外線を多く吸収できる。

また、パターン３下部に反射膜がある場合は、赤外線が吸収層と反射膜との間を行き来する間にロスが生じる。一方、本実施例に係る構造においてはパターン３が反射膜の役割を果たしており、吸収層と接しているため、そのようなロスは生じない。よって、本実施例に係る構造とパターン３下部に反射膜がある構造とを比較しても、本実施例に係る構造の方が赤外線をより多く吸収できる。

１、１１ 基板
２、１２ 絶縁層
３、１３ 入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターン
３ａ 入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターン３の一層目
３ｂ 入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターン３の二層目
４、１４ 絶縁層
５、１５ 吸収膜
６、１６ キャビティ
７、８、１８ 絶縁層
９、１９ 反射膜
１０ ３ａと３ｂとの接続部

Claims (3)

1. 赤外線を受光して発熱する受光面と、前記受光面上に形成された入射赤外線を電気信号に変換する材料のパターンと、を具備し、
   前記パターンが複数の層により構成され、前記パターンが前記受光面の略全領域を占めるボロメータ型赤外線センサ。
2. 前記パターンを構成する複数の層のうちの一層によって占められる前記受光面の領域が、他の層によって占めることができない前記受光面の領域を占めることにより、前記パターンが前記受光面の略全領域を占める請求項１に記載のボロメータ型赤外線センサ。
3. 前記パターンが二層により構成され、前記パターンの二層の間に電気絶縁性のある絶縁層を有し、前記パターンの二層が前記絶縁層の外縁部を回り込んで電気的に接続するかまたは前記絶縁層の一部に設けられた空隙を通して接続する、請求項１または請求項２に記載のボロメータ型赤外線センサ。

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