JP2013253896A - Photo detector, camera, and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光検出素子、カメラおよび電子機器に関する。 The present invention relates to a light detection element, a camera, and an electronic device.
テラヘルツ波は、波長が赤外線に近い電磁波である。このテラヘルツ波を用いた画像計測技術は各種方面への活用が研究されている。例えば、テラヘルツカメラによる特定物質探知装置、偽造紙幣の判定、封筒内の薬品検出、建造物の非破壊検査等がある。
一方、赤外線カメラとしては、赤外線検出素子を用いるカメラがある。出願人は、テラヘルツ波の波長が赤外線に近いことから、テラヘルツ波検出素子に赤外線検出素子を用いる技術を発明した。
従来、例えば、特許文献1に記載されているように、検出部を支持基板上に作成し、支持基板を中空構造とするボロメーター型赤外線検出素子が知られていた。この例では、検出部に当たるボロメーターの上に吸収部を設けている。吸収部で赤外線を熱に変換し、この熱によって検出部を暖める。そして、検出部の抵抗温度変化を読み出すことで、赤外線検出素子(検出素子)として機能している。
A terahertz wave is an electromagnetic wave having a wavelength close to infrared. The image measurement technology using terahertz waves has been studied for use in various fields. For example, there are a specific substance detection device using a terahertz camera, determination of counterfeit bills, detection of chemicals in envelopes, non-destructive inspection of buildings, and the like.
On the other hand, as an infrared camera, there is a camera using an infrared detection element. Since the wavelength of the terahertz wave is close to infrared rays, the applicant has invented a technology that uses an infrared detection element for the terahertz wave detection element.
Conventionally, for example, as described in
赤外線検出素子の信号感度を上げるためには、検出部の温度変化が大きくなることが求められる。このため、検出部が暖まりやすいように、検出素子の下に熱分離用の空洞を形成し、電気配線を含む支持脚で支えることで、熱的な分離性を上げるような工夫がされている。 In order to increase the signal sensitivity of the infrared detection element, it is required that the temperature change of the detection unit increases. For this reason, in order to make the detection part easy to warm, a device for improving thermal separation is devised by forming a thermal separation cavity under the detection element and supporting it with a support leg including electric wiring. .
さらに、検出素子をパッケージ内に真空封止することで、検出素子内の熱の出入りは支持脚によるものが支配的となる。このため支持脚の熱コンダクタンスを下げるために、支持脚は、支持基板を支える強度を維持しながらも、出来るだけ細長くすることが求められる。従来例では、この支持脚を折り曲げることで、素子サイズをコンパクトに保ちながら支持脚を長くすることが行われてきた。 Furthermore, by vacuum-sealing the detection element in the package, the heat in and out of the detection element is dominated by the support legs. For this reason, in order to reduce the thermal conductance of the support legs, the support legs are required to be as long as possible while maintaining the strength to support the support substrate. In the conventional example, by bending the support leg, the support leg is lengthened while keeping the element size compact.
検出部上の吸収部については、赤外線吸収量を増やすために、赤外線吸収特性のよい材料と構造を用いる必要がある。例えば、特許文献1では、異なる吸収特性を持つ吸収膜を積層させることで、広い赤外線波長帯域を吸収できるように改良したものである。さらに、吸収膜の下方に反射膜を置き、吸収膜と反射膜間の間隔を、感度を高めたい赤外線波長の1/4倍とすることで、光学的に干渉を起こし、赤外線の吸収率をいっそう高めることが、行われている。これにより、狙った波長帯を中心に、フィルター透過波長帯域に渡って、広範囲に感度を持つことが可能となる。
For the absorption part on the detection part, it is necessary to use a material and a structure having good infrared absorption characteristics in order to increase the amount of infrared absorption. For example, in
しかしながら、特許文献1に記載の赤外線検出素子では、支持脚の熱コンダクタンスを下げるために、支持脚を細長くして折り曲げる回数を多くしてある。このため、支持脚が容易にたわみやすくなっている。そして、積層膜内の内部応力やプロセス中の付加応力、検出素子自体の自重により、吸収膜と反射膜間の光学的な距離を制御することが難しくなっている。これにより、狙った波長の赤外線に対する吸収率が低下し、さらに吸収した熱は、支持脚から、逃げていくため、検出部の温度上昇が小さくなり、設計した吸収波長に対する感度が低下してしまう課題があった。そこで、感度の高い光検出素子を実現するために支持脚から熱が逃げることによる赤外線やテラヘルツ波感度の低下を防止できる光検出素子が望まれていた。
However, in the infrared detection element described in
本発明は、支持脚から熱が逃げることによる赤外線やテラヘルツ波の感度の低下を改善することを目的としてなされたものであり、以下の形態、又は適用例として実現することが可能である。 The present invention has been made for the purpose of improving the reduction in sensitivity of infrared rays and terahertz waves due to heat escape from the support legs, and can be realized as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例にかかる光検出素子は、支持基板上に配置され、赤外線やテラヘルツ波を吸収する第1の吸収部と、前記第1の吸収部と接続され温度変化を検出する検出部と、前記支持基板を支持する支持脚と、前記支持脚上に少なくとも一部が配置され、赤外線やテラヘルツ波を吸収する第2の吸収部と、を備えることを特徴とする。 Application Example 1 A light detection element according to this application example is disposed on a support substrate, and is connected to a first absorption unit that absorbs infrared rays and terahertz waves, and is connected to the first absorption unit to detect a temperature change. It comprises a detection unit, a support leg that supports the support substrate, and a second absorption unit that is at least partially disposed on the support leg and absorbs infrared rays and terahertz waves.
本適用例によれば、光検出素子は支持基板を備え、支持基板上には赤外線やテラヘルツ波を吸収する第1の吸収部が配置されている。そして、第1の吸収部は赤外線やテラヘルツ波を吸収することにより熱に変換する。そして、光検出素子は検出部を備え、検出部は第1の吸収部から伝わる熱による検出部自体の温度変化を検出する。光の照射量と検出部の温度変化とは相関がある。従って、光検出素子は第1の吸収部から伝わる熱による検出部の温度変化を検出することにより、赤外線やテラヘルツ波の照射量を推定することが可能になっている。 According to this application example, the light detection element includes the support substrate, and the first absorption unit that absorbs infrared rays and terahertz waves is disposed on the support substrate. And the 1st absorption part is converted into heat by absorbing infrared rays and terahertz waves. The light detection element includes a detection unit, and the detection unit detects a temperature change of the detection unit itself due to heat transmitted from the first absorption unit. There is a correlation between the amount of light irradiation and the temperature change of the detection unit. Therefore, the light detection element can estimate the irradiation amount of infrared rays or terahertz waves by detecting the temperature change of the detection unit due to the heat transmitted from the first absorption unit.
光検出素子に照射された赤外線やテラヘルツ波は、第1の吸収部と第2の吸収部によって熱に変換される。このうち、第1の吸収部で発生した熱は、第1の吸収部に接続してある検出部と支持基板とに伝導される。そして、それぞれの場所において温度上昇が起こる。並行して第2の吸収部で発生した熱は、支持脚の温度を上昇させる。支持基板に伝わった熱は、支持脚を通して素子の外に逃げようとする。しかし、支持脚では温度上昇が起こっているため、フーリエの法則により熱が逃げる速度が遅くなり、検出部においては、赤外線やテラヘルツ波の照射量に対して温度上昇の幅が大きくなり、検出感度が高くなる。その結果、支持脚から熱が逃げることによる赤外線やテラヘルツ波の感度の低下を改善することができる。 Infrared rays or terahertz waves applied to the light detection element are converted into heat by the first absorption unit and the second absorption unit. Among these, the heat generated in the first absorption unit is conducted to the detection unit and the support substrate connected to the first absorption unit. And a temperature rise occurs in each place. In parallel, the heat generated in the second absorption part raises the temperature of the support legs. The heat transmitted to the support substrate tends to escape out of the element through the support legs. However, since the temperature rises in the support legs, the speed of heat escape becomes slow due to Fourier's law, and in the detection part, the width of the temperature rise increases with respect to the irradiation amount of infrared rays and terahertz waves, and the detection sensitivity Becomes higher. As a result, it is possible to improve the decrease in sensitivity of infrared rays and terahertz waves due to heat escaping from the support legs.
[適用例2]上記適用例に記載の光検出素子において、前記第2の吸収部の面積は前記第1の吸収部の面積より小さいことが好ましい。 Application Example 2 In the light detection element according to the application example described above, it is preferable that the area of the second absorption portion is smaller than the area of the first absorption portion.
本適用例によれば、第2の吸収部が吸収する熱量は第1の吸収部が吸収する熱量に比べて小さくなる。このため、第2の吸収部に発生する熱が、支持脚と支持基板とを通って検出部を暖めることにより検出部の温度が上昇する量は小さくなる。従って、第2の吸収部により吸収された熱自体が検出部の温度上昇へ影響することを防ぐことができる。 According to this application example, the amount of heat absorbed by the second absorption unit is smaller than the amount of heat absorbed by the first absorption unit. For this reason, the amount by which the heat generated in the second absorption part warms the detection part through the support leg and the support substrate and the temperature of the detection part rises becomes small. Therefore, it is possible to prevent the heat itself absorbed by the second absorption part from affecting the temperature rise of the detection part.
[適用例3]上記適用例に記載の光検出素子において、前記第2の吸収部と前記支持脚との熱容量の和が、前記支持基板と前記第1の吸収部と前記検出部との熱容量の和より小さいことが好ましい。 Application Example 3 In the light detection element according to the application example described above, the sum of the heat capacities of the second absorption unit and the support leg is a heat capacity of the support substrate, the first absorption unit, and the detection unit. Is preferably smaller than the sum of.
本適用例によれば、第2の吸収部と支持脚の熱容量の和を小さくすることで、第2の吸収部が吸収する少ない熱量でも、第2の吸収部と支持脚との温度上昇の幅を大きくすることができる。これにより、第1の吸収部と検出部とから伝導する熱が支持脚を通って外部へ逃げる速度を遅くすることができる。これにより、検出部の温度上昇が起きやすくなる為、光検出素子の検出感度を高くすることができる。 According to this application example, by reducing the sum of the heat capacities of the second absorption part and the support leg, the temperature increase between the second absorption part and the support leg can be reduced even with a small amount of heat absorbed by the second absorption part. The width can be increased. Thereby, the speed at which the heat conducted from the first absorption part and the detection part escapes to the outside through the support leg can be reduced. Thereby, since the temperature rise of a detection part becomes easy to occur, the detection sensitivity of a photon detection element can be made high.
[適用例4]上記適用例に記載の光検出素子において、前記第2の吸収部の光の吸収スペクトルにおける吸収波長帯の幅が、前記第1の吸収部の光の吸収スペクトルにおける吸収波長帯の幅より狭いことが好ましい。尚、ここでの吸収波長帯は、最大吸収波長の吸収率に対して、50%以上の吸収率を持つ波長帯を示す。 Application Example 4 In the light detection element according to the application example described above, the width of the absorption wavelength band in the light absorption spectrum of the second absorption unit is the absorption wavelength band in the light absorption spectrum of the first absorption unit. It is preferable that it is narrower than the width. The absorption wavelength band here indicates a wavelength band having an absorption rate of 50% or more with respect to the absorption rate of the maximum absorption wavelength.
本適用例によれば、第1の吸収部の吸収波長帯は広い為、広範囲の光の波長に対して吸収する特性を持っている。このため、第1の吸収部は吸収する光量を多くし、検出部の温度上昇の幅を広げることができる。一方、第2の吸収部の吸収波長帯は狭い為、ある特定波長帯の光が入射された場合に、第1の吸収部が吸収する光量より少ない量の光を吸収する。従って、支持脚から熱の拡散を妨げる程度の熱量を発生させることができる。これにより、支持脚からの熱の逃げる速度を遅らして、検出部の温度上昇の幅を大きくすることができる。 According to this application example, since the absorption wavelength band of the first absorption unit is wide, it has a characteristic of absorbing with respect to a wide range of light wavelengths. For this reason, the 1st absorption part can increase the light quantity which absorbs, and can expand the range of the temperature rise of a detection part. On the other hand, since the absorption wavelength band of the second absorption unit is narrow, when light of a specific wavelength band is incident, the second absorption unit absorbs a smaller amount of light than the light amount absorbed by the first absorption unit. Accordingly, it is possible to generate an amount of heat that prevents diffusion of heat from the support legs. As a result, the speed of heat escape from the support legs can be delayed to increase the width of the temperature rise of the detection unit.
[適用例5]本適用例にかかる電子機器は、上記適用例に記載のカメラを有することを特徴とする。 Application Example 5 An electronic apparatus according to this application example includes the camera described in the application example.
[適用例6]本適用例にかかる電子機器は、上記適用例に記載の光検出素子を有することを特徴とする。 Application Example 6 An electronic apparatus according to this application example includes the light detection element described in the application example.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each layer and each member is made different from the actual scale so that each layer and each member can be recognized.
(実施形態1)
図1は、実施形態1にかかる光検出素子の構造を示す模式上面図である。図2は、光検出素子の構造を示す模式断面図であり、図1中のY−Y’線に沿う模式断面図である。図3は、検出部の構成を示す要部模式断面図である。
本実施形態では、図1に示す光検出素子20が、マトリックス状に複数配置され、アレイセンサーを成している。このアレイセンサーは、真空パッケージされ、赤外線入射面には、5μm〜14μmの赤外線を選択的に通す光学フィルターが搭載されている。ここでは、アレイセンサーを構成する光検出素子の単素子の概略構成について説明する。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic top view illustrating the structure of the photodetecting element according to the first embodiment. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the photodetecting element, and is a schematic cross-sectional view taken along the line YY ′ in FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a main part showing the configuration of the detection unit.
In the present embodiment, a plurality of
図1、及び図2に示すように、光検出素子20は、四角い板状の支持基板1を備えている。支持基板1は一対の支持脚5に支持されている。支持基板1上には検出部4が設置され、検出部4の上面には、層間絶縁膜12、電気配線7、保護膜13などが積層される。保護膜13の上面には、検出部4と平面視で重なる位置に、検出部4を覆って第1の吸収部としての第1の吸収膜2が設置されている。
支持脚5の上面には、電気配線7、保護膜13などが積層される。保護膜13の上面には、支持脚5の一部と平面視で重なる位置に第2の吸収部としての第2の吸収膜3が設置されている。第1の吸収膜2、及び第2の吸収膜3は赤外線を吸収する膜である。検出部4は第1の吸収膜2と接続され温度変化を検出する機能を備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
On the upper surface of the
第2の吸収膜3の面積は第1の吸収膜2の面積より小さく設定されている。第2の吸収膜3が吸収する熱量は第1の吸収膜2が吸収する熱量に比べて小さくなる。このため、第2の吸収膜3に発生する熱が、支持脚5と支持基板1とを通って検出部4を暖めることにより検出部4の温度が上昇する量は小さくなる。従って、第2の吸収膜3の熱が検出部4の検出する温度へ影響することを防ぐことができる。
The area of the
支持基板1と支持脚5は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層によって構成されている。図3に示すように、検出部4はチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の焦電体15をプラチナからなる上部電極14と下部電極16で挟んだ焦電キャパシターの構造となっている。
The
図1及び図2に戻って、支持基板1、及び支持脚5上には一対の電気配線7が配置されている。そして、検出部4の上部電極14と下部電極16には、一対の電気配線7のうち、それぞれに別の電気配線7が接続されている。この一対の電気配線7は、支持脚5上を通って図示しない検出回路に電気的に接続されている。そして、検出部4にて生じた電気信号が検出回路へ出力される。支持脚5上の電気配線7からは、光検出素子20の外側へ熱が逃げ難いようにすることが好ましい。このため、電気配線7の材料は、電気を通しやすく、比較的熱伝導性が低い材料であれば良く、本実施形態では例えば、TiとTiNとを用いている。そして、電気配線7はTiとTiNとの積層構造の配線を採用している。
Returning to FIG. 1 and FIG. 2, a pair of
図2に示すように、光検出素子20は基板10を備え、基板10上には層間膜8が設置されている。層間膜8上には積層膜17が設置され、積層膜17は支持脚5と接続している。層間膜8は支持基板1と対向する場所に凹部8aが配置され、凹部8aにより熱分離空洞6が形成されている。そして、支持基板1は熱分離空洞6上に位置し、支持基板1は支持脚5により中空に支持されている。検出部4の下に熱分離空洞6を設けることで、検出部4は周囲から熱的に分断されている。熱分離空洞6を形成する際に、層間膜8を守るストッパー膜9が配置されている。このストッパー膜9には、弗化水素(HF)ベーパー処理でのエッチングに対して耐性のあるアルミナ膜を使用している。
As shown in FIG. 2, the
支持基板1、及び検出部4上方の第1の吸収膜2はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜からなる。支持脚5は一部が直角に曲がった屈曲部5aを有している。支持脚5上方に配置されている第2の吸収膜3は、シリコン酸化膜からなる。第2の吸収膜3は屈曲部5a上に配置することで、支持脚5の剛性を高め、応力集中の生じやすい屈曲部5aの変形を軽減する効果がある。ただし、必ずしも、第2の吸収膜3は屈曲部5a上にある必要はなく、支持脚5の直線上に配置されていてもよい。
The
図4は、第1の吸収膜の吸収スペクトルを示すグラフである。図4に示すように、第1の吸収膜2はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層構造とすることにより、8μm〜14μmの赤外線に対して広い幅の吸収波長帯を持っている。図5は、第2の吸収膜の吸収スペクトルを示すグラフである。図5に示すように、第2の吸収膜3はシリコン酸化膜とすることにより、10μm付近に鋭い吸収ピークを有している。
FIG. 4 is a graph showing an absorption spectrum of the first absorption film. As shown in FIG. 4, the
そして、第2の吸収膜3の吸収波長帯の幅は第1の吸収膜2の吸収波長帯の幅より狭くなっている。このため、第1の吸収膜2は吸収する赤外線量を多くし、検出部4の温度上昇に関与する波長帯の幅を広げることができる。一方、第2の吸収膜3の吸収波長帯は狭い為、ある特定波長帯の赤外線が入射された場合に、第1の吸収膜2が吸収する赤外線量より少ない量の赤外線を吸収する。従って、支持脚5からの熱の拡散を妨げる程度の熱量を発生させることができる。これにより支持脚5から熱の逃げる速度を遅らして、検出部4の温度上昇の幅を大きくすることができる。
The width of the absorption wavelength band of the
光検出素子20において、第2の吸収膜3と支持脚5との熱容量の和が、支持基板1と第1の吸収膜2と検出部4との熱容量の和より小さく設定されている。第2の吸収膜3と支持脚5の熱容量の和を小さくすることで、第2の吸収膜3から伝わる少ない熱量でも、第2の吸収膜3と支持脚5との温度上昇の幅を大きくすることができる。これにより、第1の吸収膜2と検出部4とから伝動する熱が支持脚5を通って外部へ逃げる速度を遅らすことができる。従って、検出部4の温度上昇が起きやすくなる為、光検出素子20の検出感度を高くすることができる。
In the
次に、光検出素子20の製造方法について説明する。図6〜図8は、光検出素子の製造方法を説明するための模式図である。図6は、支持基板1と支持脚5を形成する前の段階を示したものである。
図6に示すように、基板10上には層間膜8が形成されている。そして、層間膜8中の熱分離空洞6を形成する予定の部分に凹部8aを形成し、層間膜8上にストッパー膜9を形成する。そして、凹部8a上方にシリコン酸化膜からなる犠牲層11を形成する。犠牲層11はCVD(Chemical−Vapor−Deposition)等で成膜し、CMP(Chemical−Mechamical−Polishing)等の技術で平坦化する。なお、ストッパー膜9は犠牲層11上にも形成するが、以降は説明を簡略化するためにストッパー膜9を省略して説明する。
Next, a method for manufacturing the
As shown in FIG. 6, an
次に、層間膜8、及び犠牲層11の上方に積層膜17を成膜する。積層膜17は支持基板1、支持脚5が形成される膜である。積層膜17上に検出部4を形成し、検出部4上にシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜12を成膜する。
次に、検出部4の下部電極16、及び上部電極14と電気的な接続をとるために層間絶縁膜12に穴を開口する。
その後、電気配線7を形成する。これにより電気配線7は、穴を通して下部電極16、及び上部電極14と接続される。
次に、電気配線7、層間絶縁膜12、及び積層膜17等の素子全体を覆ってシリコン酸化膜からなる保護膜13を成膜した後で、検出部4上と電気配線7上以外、つまり、後に支持基板1と支持脚5を形成する予定の部分の保護膜13については除去する。これらの形成には、フォトリソグラフィーの技術を用いて形成することができる。
Next, a
Next, a hole is opened in the
Thereafter, the
Next, after the
次に、図7に示すように、検出部4上に第1の吸収膜2を構成するシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜を成膜し、当該積層膜のパターニングの加工をする。これにより第1の吸収膜2が形成される。その後、電気配線7上に第2の吸収膜2を構成するシリコン酸化膜を成膜し、当該シリコン酸化膜のパターニングの加工をする。この時、第1の吸収膜2と第2の吸収膜3とにおける膜の構成が違うために、赤外線吸収率に差が生じる。
Next, as shown in FIG. 7, a laminated film of a silicon oxide film and a silicon nitride film constituting the
次に、図8に示すように、犠牲層11上の積層膜17のパターニングの加工をして、支持脚5と支持基板1を形成する。次に、光検出素子20全体を覆い、熱分離空洞6を形成する処理の際のストッパー膜9となるアルミナ膜を成膜する。そして、ストッパー膜9のパターニングの加工をして、犠牲層11上のストッパー膜9を除去する。最後にHFベーパー処理により、犠牲層11のみを選択エッチングすることで、熱分離空洞6を作成する。
Next, as shown in FIG. 8, patterning of the
次に、上記した本実施形態の光検出素子の動作について説明する。図9は、光検出素子の温度分布を説明するための図であり、図中平面図のZ−Z’線断面において測定された温度を示すグラフである。図10は、光検出素子が出力する信号を説明するための図である。 Next, the operation of the above-described photodetecting element of this embodiment will be described. FIG. 9 is a graph for explaining the temperature distribution of the photodetecting element, and is a graph showing the temperature measured at the Z-Z ′ line cross section of the plan view in the drawing. FIG. 10 is a diagram for explaining a signal output from the light detection element.
光検出素子20に、8μm〜14μmの範囲において第2の吸収膜3の吸収ピーク(10μm)とは異なる波長帯の赤外線が照射されたときにおいては、広い吸収波長帯を有する第1の吸収膜2では、ある程度の赤外線が吸収される。一方で、第2の吸収膜3においては吸収波長帯から外れるため、赤外線の吸収は少なく、支持脚5の温度上昇はわずかに留まる。この場合、支持脚5から光検出素子20外への熱の拡散へ与える影響は少ないため、第2の吸収膜3がない場合と同じく、第1の吸収膜2で吸収された熱は、ある程度まで検出部4を暖める。
When the
この時の光検出素子20内の温度分布を図9の第1温度分布線21に示す。検出部4の載っている支持基板1の場所にあたるBC間の温度がもっとも高く、支持脚5では支持基板1から支持脚5に沿っての距離が遠ざかるほど温度は低下する。
焦電効果による検出部4の信号出力を図10の第1出力推移線22に示す。光検出素子20に赤外線が照射されると信号出力が電気配線7から出力されセンサー出力値が上昇する。しかし、焦電効果による信号出力は、焦電体の温度変化がある場合にのみ観測されるため、赤外線を照射し続けると、光検出素子20への熱の伝導と放熱により赤外線検出素子20内部で熱の平衡状態になり、それ以降は信号が観測されなくなる。
The temperature distribution in the
The signal output of the
光検出素子20に第2の吸収膜3の吸収ピーク(10μm)前後の波長帯の赤外線が照射されたときにおいては、広い吸収波長帯を持つ第1の吸収膜2においては、上記と同様の吸収が起こる。一方、この波長帯に吸収ピークを持つ第2の吸収膜3でも、熱の吸収が起こる。この時の光検出素子20内の温度分布を図9の第2温度分布線23に示す。
When the
第1温度分布線21に比べて、第2温度分布線23が示すように支持脚5の温度が上昇する。これにより検出部4を含む支持基板1と支持脚5の温度差が小さくなり、フーリエの法則により検出部4を含む支持基板1から支持脚5への熱の拡散が抑えられ、一時的に検出部4の温度上昇幅が大きくなる。このときの検出部4の信号出力を図10の第2出力推移線24に示す。第1出力推移線22に比べて第2出力推移線24の方がセンサー出力は増大する。
Compared to the first
ある特定波長の赤外線が照射されたときに、支持脚5から熱が逃げる速度を遅らせるため、赤外線吸収波長帯域に渡って感度を有しながらも、設計した波長に対して、特に高い感度を得ることができる。
In order to delay the speed at which heat escapes from the
上述したように、本実施形態によれば、以下の効果を有する。
(1)本実施形態によれば、光検出素子20に照射された赤外線は、第1の吸収膜2と第2の吸収膜3によって熱に変換される。支持基板1に伝わった熱は、支持脚5を通して光検出素子20の外に逃げようとする。しかし、支持脚5では温度上昇が起こっており、フーリエの法則により熱が逃げる速度が遅れる。これにより、検出部4においては、赤外線の照射量に対して温度上昇の幅が大きくなり、検出感度が高くなる。その結果、支持脚5から熱が逃げることによる赤外線感度の低下を改善することができる。
As described above, this embodiment has the following effects.
(1) According to this embodiment, the infrared rays irradiated on the
(2)本実施形態によれば、第2の吸収膜3の面積は第1の吸収膜2の面積より小さくなっている。従って、第2の吸収膜3の熱自体が検出部4の検出する温度変化へ影響することを防ぐことができる。
(2) According to this embodiment, the area of the
(3)本実施形態によれば、第2の吸収膜3と支持脚5との熱容量の和が、支持基板1と第1の吸収膜2と検出部4との熱容量の和より小さくなっている。これにより、第2の吸収膜3から伝わる少ない熱量でも、第2の吸収膜3と支持脚5との温度上昇の幅を大きくすることができる。これにより、第1の吸収膜2と検出部4とから伝動する熱が支持脚5を通って外部へ逃げる速度を遅らせることができる。従って、検出部4の温度上昇が起きやすくなる為、光検出素子20の検出感度を高くすることができる。
(3) According to this embodiment, the sum of the heat capacities of the
(4)本実施形態によれば、第2の吸収膜3の赤外線吸収スペクトルにおける吸収波長帯の幅が、第1の吸収膜2の赤外線吸収スペクトルにおける吸収波長帯の幅より狭くなっている。従って、第2の吸収膜3は支持脚5からの熱の拡散を妨げる程度の熱量を発生させることができる。これにより支持脚5からの熱の逃げる速度を遅らせて、検出部4の温度上昇の幅を大きくすることができる。
(4) According to this embodiment, the width of the absorption wavelength band in the infrared absorption spectrum of the
上述の実施形態は、吸収波長を赤外線で最適になるように設計した例であるが、吸収波長を波長帯が赤外線に近いテラヘルツ波に設計することで、テラヘルツ波検出素子としても利用できる。尚、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良等を加えることが可能である。変形例を以下に述べる。変形例においては、実施形態1と同じ構成部材には同一符号を付し、ここではそれらの説明を省略又は簡略化する。 The above-described embodiment is an example in which the absorption wavelength is designed to be optimal with infrared rays. However, by designing the absorption wavelength to be a terahertz wave whose wavelength band is close to infrared rays, it can be used as a terahertz wave detection element. In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various change, improvement, etc. can be added to embodiment mentioned above. A modification will be described below. In the modified example, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified here.
(変形例1)
図11は、変形例1にかかる光検出素子の構造を示す模式上面図である。上記実施形態1では、支持基板1から対角に2本の支持脚5が設置されているが、この構成に限定するものではない。以下、変形例1について、説明する。
(Modification 1)
FIG. 11 is a schematic top view illustrating the structure of the light detection element according to the first modification. In the first embodiment, the two
変形例1においては、光検出素子27は支持基板1を有し、支持基板1は1本の支持脚28により、支持されている。ここでは支持脚28の長さは、実施形態1と同等とする。支持脚28の幅は、実施形態1で示した、支持脚5より太くても良いが、2倍よりは小さいとする。検出部4の上部電極14、及び下部電極16に接続されている2本の配線は、同一の支持脚28上を通る。第2の吸収膜3は、この支持脚28上に配置されており、その面積は、実施形態1で示した、第2の吸収部3の面積と同等とする。
In the first modification, the
本変形例1の光検出素子27によれば、実施形態1での効果に加えて、支持脚28の数が減ったことで、熱コンダクタンスの総和は実施形態1の時に比べて低減される。このため検出部4の温度上昇幅が大きくなり、信号の出力を大きくすることができる。その結果、光検出素子27の感度を高くすることができる。
According to the
(変形例2)
本実施形態1においては、第2の吸収膜3が支持脚5上に設置されたが、第2の吸収膜3は、支持脚5に加えて支持基板1に設置しても良い。また光検出素子の熱分布に合わせて設計しても良い。さらに、層間膜8上の積層膜17上に第2の吸収膜3を設置しても良い。第2の吸収膜3を適切な位置に配置することで支持基板1の熱が逃げる速度をさらに遅くすることができる。
(Modification 2)
In the first embodiment, the
図13に本実施形態の光検出素子を含む電子機器としてのテラヘルツカメラの例を示す。前述の光検出素子の、吸収波長がテラヘルツ波で最適になるように設定されており、テラヘルツ波照射ユニットと組み合わせてテラヘルツカメラ1000を構成した例を示す。
FIG. 13 shows an example of a terahertz camera as an electronic device including the light detection element of this embodiment. An example in which the
電子機器としてのテラヘルツカメラ1000は、制御ユニット1010と、照射光ユニット1020と、光学フィルター1030と、撮像ユニット1040と、表示部1050とを備えて構成されている。撮像ユニット1040は、図示しないレンズなどの光学系と前述の赤外線検出素子の第1の吸収膜の吸収波長をテラヘルツ域で最適化したセンサーデバイスを含んで構成されている。
A
制御ユニット1010は、本装置全体を制御するシステムコントローラーを含み、該システムコントローラーは制御ユニット1010に含まれる光源駆動部および画像処理ユニットを制御する。
照射光ユニット1020は、テラヘルツ波(波長が100μm〜1000μmの範囲にある電磁波を指す。)を出射するレーザー装置と光学系を含み、テラヘルツ波を検査対象の人物1060に照射する。
人物1060からの反射テラヘルツ波は、探知対象である特定物質1070の分光スペクトルのみを通過させる光学フィルター1030を介して撮像ユニット1040に受光される。
撮像ユニット1040で生成された画像信号は、制御ユニット1010の画像処理ユニットで所定の画像処理が施され、その画像信号が表示部1050へ出力される。そして人物1060の衣服内等に特定物質1070が存在するか否かにより受光信号の強度が異なるので特定物質1070の存在が判別できる。
The
The
The reflected terahertz wave from the
The image signal generated by the
以上、いくつかの実施形態について説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。 Although several embodiments have been described above, it is easily understood by those skilled in the art that many modifications can be made without substantially departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention. For example, a term described at least once together with a different term having a broader meaning or the same meaning in the specification or the drawings can be replaced with the different term in any part of the specification or the drawings.
本発明は、種々の光検出素子、カメラおよび電子機器に広く適用することができる。なお、検出する電磁波の波長は、特に赤外線またはテラヘルツ波である場合に有効な技術である。 The present invention can be widely applied to various photodetectors, cameras, and electronic devices. Note that the wavelength of the electromagnetic wave to be detected is an effective technique particularly in the case of infrared rays or terahertz waves.
1…支持基板、2…第1の吸収部としての第1の吸収膜、3…第2の吸収部としての第2の吸収膜、4…検出部、5…支持脚、20,27…光検出素子。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第1の吸収部と接続され温度変化を検出する検出部と、
前記支持基板を支持する支持脚と、
前記支持脚上に少なくとも一部が配置され、赤外線やテラヘルツ波を吸収する第2の吸収部と、
を備えることを特徴とする光検出素子。 A first absorber disposed on the support substrate and absorbing infrared and terahertz waves;
A detection unit connected to the first absorption unit to detect a temperature change;
A support leg for supporting the support substrate;
A second absorption part that is at least partially disposed on the support leg and absorbs infrared rays and terahertz waves;
A photodetecting element comprising:
前記第2の吸収部の面積は前記第1の吸収部の面積より小さいことを特徴とする光検出素子。 The photodetecting element according to claim 1,
The area of the second absorption part is smaller than the area of the first absorption part.
前記第2の吸収部と前記支持脚との熱容量の和が、前記支持基板と前記第1の吸収部と前記検出部との熱容量の和より小さいことを特徴とする光検出素子。 The photodetecting element according to claim 2,
The light detection element, wherein a sum of heat capacities of the second absorption part and the support leg is smaller than a sum of heat capacities of the support substrate, the first absorption part, and the detection part.
前記第2の吸収部の光の吸収スペクトルにおける吸収波長帯の幅が、
前記第1の吸収部の光の吸収スペクトルにおける吸収波長帯の幅より狭いことを特徴とする光検出素子。 The photodetecting element according to any one of claims 1 to 3,
The width of the absorption wavelength band in the light absorption spectrum of the second absorber is
An optical detection element characterized by being narrower than the width of an absorption wavelength band in the light absorption spectrum of the first absorption part.
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