JP2015135264A - 焦電型光検出器、焦電型光検出装置、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも熱容量が低減され、優れた感度及び応答速度が実現された焦電型光検出器、焦電型光検出装置、電子機器を提供すること。
【解決手段】焦電型光検出器１１０は、支持部（メンブレン）１０７上に形成された複数の熱検知部１１５を有し、熱検知部１１５は平面視で正方形であって、１辺の長さＬが特定周波数にて共振可能な長さになっている。熱検知部１１５は、一対の電極間に焦電体が挟持された焦電キャパシターであって、無指向性の平行平板型のアンテナとして機能する。
【選択図】図２

Description

本発明は、焦電型光検出器、焦電型光検出装置、電子機器に関する。

焦電型光検出素子と、焦電型光検出素子を搭載した支持部材と、焦電型光検出素子と対向する位置に空洞部を配置して支持部材を支持する固定部と、焦電型光検出素子側から見た平面視にて支持部材の輪郭に沿って開口されて、上記空洞部と連通する開口部と、空洞部に面する支持部材の第１面と、開口部に臨む支持部材の側面と、上記平面視にて露出する焦電型光検出素子及び支持部材の外表面とを覆う第１還元ガスバリア層と、を有する焦電型光検出器が知られている（特許文献１）。

特許文献１の焦電型光検出器によれば、上記第１還元ガスバリア層を設けることで、焦電型光検出素子に含まれる焦電体が水素や水酸基を含む還元ガスにより酸素欠陥が生じて特性が劣化することを抑制できるとしている。
また、焦電型光検出素子の外表面側に配置され、光を吸収して熱に変換する光吸収部材を含み、第１還元ガスバリア層は光吸収部材を覆って形成されることが記載されている。

特開２０１１−２０３１６８号公報

しかしながら、特許文献１の焦電型光検出器では、光吸収部材で光を熱に変換し、焦電型光検出素子で熱を電気信号に変換していた。つまり、光の検出が段階的に行われており、焦電型光検出素子を覆う光吸収部材を有しているので、熱容量が大きくなり感度や応答速度を向上させることが難しいという課題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例］本適用例に係る焦電型光検出器は、焦電型の熱検知部を有し、前記熱検知部は、特定周波数の光を吸収する光吸収機能を有することを特徴とする。

本適用例によれば、熱検知部自体が光吸収機能を有することから、光吸収部材を用いる必要がないので、光吸収部材を用いた場合に比べて、焦電型光検出器の熱容量が小さくなる。すなわち、優れた感度や応答速度を有する焦電型光検出器を提供できる。

［適用例］本適用例に係る焦電型光検出器は、焦電型の熱検知部を有し、前記熱検知部は、特定周波数にて共振可能なサイズの共振部を有することを特徴とする。

本適用例によれば、熱検知部自体が特定周波数にて共振可能なサイズの共振部を有する、つまり特定周波数に対するアンテナ機能を有することから、熱検知部は特定周波数の光を受けて熱に変換できる。したがって、光吸収部材を用いる必要がないので、光吸収部材を用いた場合に比べて、焦電型光検出器の熱容量が小さくなる。すなわち、優れた感度や応答速度を有する焦電型光検出器を提供できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、前記特定周波数は、１ＴＨｚ〜３ＴＨｚであることを特徴とする。
この構成によれば、遠赤外波長領域の光を高感度で検出可能な焦電型光検出器を提供できる。このような焦電型光検出器によれば、例えば、赤外光（ＩＲ）が無機物の結合鎖を共振させるのに対して、テラヘルツの光はたんぱく質のような高分子全体を共振させることができ、光学異性体の識別など、従来のＩＲではできない化学分析に応用することができる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、前記熱検知部は、一対の電極間に焦電体を挟んだ構造を有し、平行平板型のアンテナとして機能することを特徴とする。
この構成によれば、簡素な構成でありながら、優れた感度や応答速度を有する焦電型光検出器を提供できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、前記熱検知部は、無指向性の平行平板型のアンテナとして機能することが好ましい。
この構成によれば、あらゆる方向から熱検知部に入射する光に対して優れた感度や応答速度を有する焦電型光検出器を提供できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、前記熱検知部は、指向性の平行平板型のアンテナとして機能するとしてもよい。
この構成によれば、特定の方向から熱検知部に入射する光に対して優れた感度や応答速度を有する焦電型光検出器を提供できる。言い換えれば、特定の方向以外の方向から熱検知部に入射する光の影響を排除可能な焦電型光検出器を提供できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、基板と、前記基板上において空洞部を挟んで配置された支持部と、を有し、前記支持部上に前記熱検知部が配置されていることが好ましい。
この構成によれば、熱検知部が配置された支持部と基板との間には空洞部が存在しているので、熱検知部において、入射した光が熱に変換された後に、熱が基板に拡散して逃げてしまうことが抑制される。つまり、入射した光の強度が弱くても熱に変換して確実に検出が行われるので、より高感度な焦電型光検出器を提供できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、基板と、前記基板上において空洞部を挟んで配置された支持部とを有し、前記支持部上に複数の前記熱検知部が配置されていることが好ましい。
この構成によれば、支持部上に１つの熱検知部を配置する場合に比べて、より高感度な焦電型光検出器を提供できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、前記熱検知部は、一対の電極間に焦電体を挟んだ構造を有し、前記一対の電極のうち一方の電極は複数の前記熱検知部に亘る共通電極であり、前記一方の電極が前記支持部の側に配置されていることが好ましい。
この構成によれば、一方の電極が複数の熱検知部を電気的に繋ぐ配線の役目を果たすことになり、より簡素な構成で優れた感度や応答速度を有する焦電型光検出器を提供できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、前記焦電体は、強誘電体であることが好ましい。
この構成によれば、熱検知部は平行平板型のアンテナであって、アンテナのサイズは、焦電体の比誘電率によって決まる。焦電体として強誘電体を用いることでアンテナのサイズを小さくすることができる。すなわち、小型で高性能な焦電型光検出器を提供できる。

［適用例］本適用例に係る焦電型光検出装置は、上記適用例に記載の焦電型光検出器を二軸方向に沿って二次元的に配置したことを特徴とする。
本適用例によれば、焦電型光検出器が二次元的に配置された領域に入射した光（温度）の分布を画像として出力可能な焦電型光検出装置を提供できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出装置において、前記特定周波数が異なる前記焦電型光検出器を含むとしてもよい。
この構成によれば、異なる特定周波数の光に基づく、異なる光（温度）の分布を画像として出力可能な焦電型光検出装置を提供できる。

［適用例］本適用例の電子機器は、上記適用例に記載の焦電型光検出器を備えたことを特徴とする。例えば、物体の物理情報の解析機器（測定機器）などの電子機器を提供することができる。

［適用例］本適用例の他の電子機器は、上記適用例に記載の焦電型光検出装置を備えたことを特徴とする。
本適用例によれば、例えば、テラヘルツカメラを備え、火や発熱を検知するセキュリティー機器、工場などに用いられるＦＡ（機器）などの電子機器を提供できる。

（ａ）は第１実施形態の焦電型光検出装置の構成を示す概略平面図、（ｂ）は第１実施形態の焦電型光検出装置の回路図。 第１実施形態の焦電型光検出器の構成を示す概略平面図。 第１実施形態の焦電型光検出器の回路図。 図２のＡ−Ａ’線で切った焦電型光検出器の構造を示す概略断面図。 第１実施形態の焦電型光検出器の製造方法を示すフローチャート。 （ａ）〜（ｆ）は第１実施形態の焦電型光検出器の製造方法を示す概略断面図。 （ｇ）〜（ｊ）は第１実施形態の焦電型光検出器の製造方法を示す概略断面図。 第２実施形態の焦電型光検出器の構成を示す概略平面図。 図８のＢ−Ｂ’線で切った第２実施形態の焦電型光検出器の構造を示す概略断面図。 本発明の焦電型光検出器を含む電子機器の構成例を示す図。 （ａ）及び（ｂ）は図１０のセンサーデバイスの構成例を示す図。 本発明の焦電型光検出器を含むテラヘルツカメラの例を示す図。 変形例の熱検知部を示す概略平面図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大または縮小して表示している。

なお、以下の形態において、例えば「基板上に」と記載された場合、基板の上に接するように配置される場合、または基板の上に他の構成物を介して配置される場合、または基板の上に一部が接するように配置され、一部が他の構成物を介して配置される場合を表すものとする。

（第１実施形態）
＜焦電型光検出器及び焦電型光検出装置＞
本実施形態の焦電型光検出器と、これを備えた焦電型光検出装置について、図１〜図４を参照して説明する。図１（ａ）は第１実施形態の焦電型光検出装置の構成を示す概略平面図、図１（ｂ）は第１実施形態の焦電型光検出装置の回路図、図２は第１実施形態の焦電型光検出器の構成を示す概略平面図、図３は第１実施形態の焦電型光検出器の回路図、図４は、図２のＡ−Ａ’線で切った焦電型光検出器の構造を示す概略断面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の焦電型光検出装置１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成された複数の焦電型光検出器１１０とを備えている。
基板１０１は、例えばシリコンなどの半導体基板であって、複数の焦電型光検出器１１０は、基板１０１上において第１の方向（行方向）と、第１の方向に交差する第２の方向（列方向）とに二次元的（マトリックス状）に配置されている。以降、第１の方向をＸ方向とし、第２の方向をＹ方向として説明する。また、図の紙面に対して法線方向から見ることを平面視と言う。

本実施形態の焦電型光検出装置１００は、Ｘ方向に３個、Ｙ方向に３個、合計９個の焦電型光検出器１１０を有している。言い換えれば、焦電型光検出装置１００は、複数の焦電型光検出器１１０がアレイ化されたものである。焦電型光検出装置１００は、平面視で例えば１辺がおよそ１００μｍの正方形である。焦電型光検出器１１０は、同じく平面視で例えば１辺がおよそ２０μｍの正方形の支持部（メンブレン）１０７上に形成された複数（９つ）の焦電型の熱検知部１１５を有している（図２参照）。焦電型光検出器１１０の詳しい構成や構造については後述するが、焦電型光検出器１１０は、入射した光を熱に変換し、さらにその熱を電気信号に変換して出力する素子である。

図１（ｂ）に示すように、Ｘ方向に配列した３つの焦電型光検出器１１０は直列に接続され、Ｙ方向に配列した３つずつの焦電型光検出器１１０は、配線１２３と配線１２４との間で並列に接続されている。配線１２３の端には出力端子１２５Ａが設けられ、配線１２４の端には出力端子１２５Ｂが設けられている。

したがって、焦電型光検出装置１００は、複数の焦電型光検出器１１０を備えることで、入射した光を効率的に受けて、検知した光を出力端子１２５Ａ，１２５Ｂから電気信号として出力する。なお、焦電型光検出装置１００の形状や大きさはこれに限定されるものではない。また、焦電型光検出装置１００おける複数の焦電型光検出器１１０の数や配置も、これに限定されるものではない。

次に、図２及び図３を参照して焦電型光検出器１１０について説明する。
図２に示すように、焦電型光検出器１１０は、支持部１０７と、支持部１０７上に二次元的（マトリックス状）に配置された複数の熱検知部１１５とを備えている。
支持部１０７は、前述したように例えば１辺がおよそ２０μｍの正方形であって、支持部１０７には、対角に位置する角部付近から突出し、Ｘ方向において互いに逆向きに延在する一対の枝部１０８Ａ，１０８Ｂが設けられている。

複数の熱検知部１１５は、支持部１０７上においてＸ方向に３つ、Ｙ方向に３つ、合計９つ配置されている。熱検知部１１５は平面視で正方形であり、該正方形の１辺の長さＬは、特定周波数の光に対して共振可能な長さ（サイズ）になっている。

図３に示すように、複数の熱検知部１１５ａ〜１１５ｉのそれぞれは、一対の電極間に焦電体が挟持された焦電キャパシターである。焦電型光検出器１１０において、Ｘ方向に配置された３つの熱検知部１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃは電気的に並列に接続されている。同じく、Ｘ方向に配置された３つの熱検知部１１５ｄ，１１５ｅ，１１５ｆは電気的に並列に接続されている。Ｘ方向に配置された残りの３つの熱検知部１１５ｇ，１１５ｈ，１１５ｉも電気的に並列に接続されている。
複数の熱検知部１１５ａ〜１１５ｉのそれぞれにおける一対の電極のうちの一方の電極は、配線１２１に接続されている。また、複数の熱検知部１１５ａ〜１１５ｉのそれぞれにおける一対の電極のうちの他方の電極は、配線１２２に接続されている。つまり、複数の熱検知部１１５ａ〜１１５ｉのそれぞれは、配線１２１と配線１２２との間に電気的に並列に接続されている。配線１２１は図２における一方の枝部１０８Ａ上に配置され、配線１２２は図２における他方の枝部１０８Ｂ上に配置されている。

次に、図４を参照して焦電型光検出器１１０の構造について説明する。
前述したように、例えばシリコンなどの半導体基板からなる基板１０１上には、例えばＳｉＯ₂（酸化シリコン）などからなる絶縁膜１０２が形成されている。絶縁膜１０２にはトレンチが形成され、トレンチの部分を覆うように支持部１０７が形成されている。これにより、基板１０１と支持部１０７との間には、空洞部１０５が形成されている。

支持部１０７上には、熱検知部１１５の一対の電極のうちの一方の電極１１１が形成されている。一方の電極１１１は、複数の熱検知部１１５に共通する共通電極として形成されている。つまり、一方の電極１１１は配線の一部として機能する。一方の電極１１１上には、複数の焦電体１１２と、焦電体１１２を介して一方の電極１１１と対向する他方の電極１１３とが形成されている。このような熱検知部１１５の一対の電極の配置を反映して、以降、一方の電極を下電極１１１と呼び、他方の電極を上電極１１３と呼ぶこととする。

複数の熱検知部１１５を覆って例えばＳｉＯ₂（酸化シリコン）などからなる層間絶縁層１１６が形成されている。層間絶縁層１１６上には配線層１１７が形成されている。配線層１１７は層間絶縁層１１６に設けられたコンタクトホールを介して各上電極１１３と電気的に接続されている。さらに、配線層１１７を覆って例えばＳｉＯ₂（酸化シリコン）やＳｉＮ（窒化シリコン）などからなる保護膜１１８が形成されている。

下電極１１１と上電極１１３との間に挟まれた焦電体１１２は、例えばＰＺＴ（lead zirconate titanate；チタン酸ジルコン酸鉛）やＰＺＴＮ（ＰＺＴにＮｂを添加したもの）などの金属酸化物の強誘電体が用いられている。焦電型光検出器１１０の製造方法については後述するが、支持部１０７上に熱検知部１１５を形成した後に、還元ガス（水素、水蒸気、ＯＨ基、メチル基などを含む）を用いて絶縁膜１０２に空洞部１０５を形成する。還元ガスによって焦電体１１２が還元されると酸素欠損を生じて、焦電効果（温度変化によって誘電体の分極（表面電荷）が変化する現象）が損なわれるおそれがある。そこで、本実施形態では、基板１０１の絶縁膜１０２の表面を覆うように第１バリア層１０３が形成され、支持部１０７の空洞部１０５側の表面を覆うように第２バリア層１０６が形成されている。第１バリア層１０３及び第２バリア層１０６は、いずれも還元ガスを通し難い、例えばＡｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）を用いて形成されている。なお、熱検知部１１５と層間絶縁層１１６との間にもこのようなバリア層を設けてもよい。

本実施形態の焦電型光検出器１１０は、波長が１００μｍ〜１０００μｍの範囲にあるテラヘルツ光（電磁波）を選択的に受光して検知できるように熱検知部１１５が構成されている。具体的には、熱検知部１１５は特定周波数にて共振可能な平面サイズを有する焦電キャパシターとなっている。言い換えると、焦電型光検出器１１０における熱検知部１１５（上電極１１３）は特定周波数にて共振可能なサイズを有しており、熱検知部１１５は平行平板型のアンテナ（マイクロパッチアンテナ）として機能する。熱検知部１１５がテラヘルツ光を受光して焦電体１１２が分極し微小な電流が流れることで、特定周波数のテラヘルツ光を検知する。つまり、上電極１１３は特定周波数にて共振可能なサイズを有する共振部であり、熱検知部１１５は特定周波数の光（テラヘルツ光）を吸収する光吸収機能を有している。

それゆえに、前述した特許文献１のように、焦電型光検出素子を覆う光吸収部材を形成する必要がない。したがって、例えば光吸収部材として、２０μｍ□の範囲に厚みが１μｍのＳｉＯ₂膜を形成すると、その熱容量はおよそ２．０Ｅ−９Ｊ／Ｋとなるので、当該熱容量に相当する分、焦電型光検出器１１０の熱容量が低減される。

また、支持部１０７上に複数の熱検知部１１５が配置されているので、熱検知部１１５が１つである場合に比べて、熱検知部１１５間の隣り合うアンテナ間に生ずる電磁界の相互作用により、テラヘルツ光が効率的に熱検知部１１５に吸収される。

また、熱検知部１１５がテラヘルツ光を受光して得られた熱が基板１０１に逃げ難いように、熱検知部１１５が形成された支持部１０７と基板１０１との間には空洞部１０５が形成されている。さらに焦電キャパシターである熱検知部１１５から配線１２１，１２２を通じて熱が逃げ難いように、配線１２１，１２２は支持部１０７よりも幅が狭い枝部１０８Ａ，１０８Ｂに形成されている。つまり、熱検知部１１５はテラヘルツ光を受光して得られた熱を焦電体１１２の分極に有効利用できるので、優れた感度と応答速度が実現される。

熱検知部１１５は前述したように平面視で正方形であり、１辺の長さＬと特定周波数のテラヘルツ光の波長λとの関係は、以下の数式（１）により求められる。

εｒｅｌは焦電体１１２の実効誘電率である。
また、実効誘電率εｒｅｌは、以下の数式（２）により求められる。

εｒは焦電体１１２の比誘電率、ｄは焦電体１１２の厚み、Ｗは焦電体１１２の幅である。

例えば、焦電体１１２の実効誘電率εｒｅｌを５００とすると、１ＴＨｚのテラヘルツ光の波長λはおよそ３００μｍであることから、熱検知部１１５の１辺の長さＬはおよそ７μｍとなる。例えば、３ＴＨｚのテラヘルツ光の波長はおよそ１００μｍであることから、熱検知部１１５の１辺の長さＬはおよそ２μｍとなる。
本実施形態の熱検知部１１５は、特定周波数が１ＴＨｚ〜３ＴＨｚの範囲で共振可能となるように、１辺の長さＬが設定される。

焦電型光検出器１１０における熱検知部１１５（上電極１１３）の平面形状が正方形であることから、熱検知部１１５は無指向性の平行平板型のアンテナ（マイクロパッチアンテナ）として機能する。
焦電体１１２は、比誘電率εｒが１０〜５０００の範囲の強誘電体を用いることが、小型な焦電型光検出器１１０を実現する観点で好ましい。

＜焦電型光検出器の製造方法＞
次に、図５〜図７を参照して、焦電型光検出器１１０の製造方法について説明する。図５は第１実施形態の焦電型光検出器の製造方法を示すフローチャート、図６（ａ）〜（ｆ）及び図７（ｇ）〜（ｊ）は第１実施形態の焦電型光検出器の製造方法を示す概略断面図である。なお、図６（ａ）〜（ｆ）及び図７（ｇ）〜（ｊ）は図２のＡ−Ａ’線で切ったときの概略断面図に相当するものである。

図５に示すように、焦電型光検出器１１０の製造方法は、絶縁膜形成工程（ステップＳ１）、トレンチ形成工程（ステップＳ２）、第１バリア層形成工程（ステップＳ３）、犠牲層形成工程（ステップＳ４）、第２バリア層形成工程（ステップＳ５）、支持部形成工程（ステップＳ６）、熱検知部形成工程（ステップＳ７）、層間絶縁層形成工程（ステップＳ８）、配線層形成工程（ステップＳ９）、保護膜形成工程（ステップＳ１０）、犠牲層除去工程（ステップＳ１１）、を含んでいる。

図５のステップＳ１では、図６（ａ）に示すように、基板１０１の一方の面に、絶縁膜１０２を形成する。絶縁膜１０２の形成方法としては、例えばＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を成膜する方法などが挙げられる。絶縁膜１０２の膜厚はおよそ３μｍである。そして、ステップＳ２へ進む。

図５のステップＳ２では、図６（ｂ）に示すように、絶縁膜１０２にトレンチ１０２ａを形成する。トレンチ１０２ａの形成方法としては、トレンチ１０２ａを形成する部分を除いて絶縁膜１０２の表面をレジストで覆い、露出した絶縁膜１０２をウェットエッチングする方法が挙げられる。トレンチ１０２ａの深さはおよそ２．５μｍである。なお、前述したように熱検知部１１５における熱が基板１０１に逃げ難くするため、トレンチ１０２ａの深さはできるだけ深い方が好ましい。そして、ステップＳ３へ進む。

図５のステップＳ３では、図６（ｃ）に示すように、トレンチ１０２ａを含む絶縁膜１０２の表面に第１バリア層１０３を形成する。第１バリア層１０３の形成方法としては、例えばスパッタ法で酸化アルミニウム膜を成膜する方法が挙げられる。第１バリア層１０３の膜厚はおよそ３ｎｍ〜２００ｎｍである。そして、ステップＳ４へ進む。

図５のステップＳ４では、図６（ｄ）に示すように、トレンチ１０２ａの部分を埋める犠牲層１０４を形成する。犠牲層１０４の形成方法としては、例えばＣＶＤ法を用いて酸化シリコン膜を成膜する方法などが挙げられる。トレンチ１０２ａを埋めることができる程度の膜厚で酸化シリコン膜を成膜した後に、成膜された酸化シリコン膜の表面を例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法で研磨する。研磨は、トレンチ１０２ａ以外の部分を覆う第１バリア層１０３が消失するまで行う。つまり、第１バリア層１０３の有無が研磨の終点を示すことになる。そして、ステップＳ５へ進む。

図５のステップＳ５では、図６（ｅ）に示すように、トレンチ１０２ａを埋めた犠牲層１０４と絶縁膜１０２とを覆う第２バリア層１０６を形成する。第２バリア層１０６の形成方法は、例えば、第１バリア層１０３の形成方法と同様にスパッタ法で酸化アルミニウム膜を成膜する方法が挙げられる。第２バリア層１０６の膜厚もまた３ｎｍ〜２００ｎｍである。そして、ステップＳ６へ進む。

図５のステップＳ６では、図６（ｆ）に示すように、第２バリア層１０６を覆う支持部１０７を形成する。支持部１０７の形成方法としては、例えば、ＣＶＤ法で酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を成膜する方法が挙げられる。支持部１０７の膜厚はおよそ０．５μｍである。そして、ステップＳ７へ進む。

図５のステップＳ７では、図７（ｇ）に示すように、支持部１０７上に複数の熱検知部１１５を形成する。具体的には、まず、支持部１０７を覆う金属膜を形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングすることで共通電極である下電極１１１を形成する。該金属膜を形成する方法としては、例えば蒸着法やスパッタ法でＰｔ（白金）膜やＩｒ（イリジウム）膜を成膜する方法が挙げられる。下電極１１１の膜厚は特に限定されるものではないが、テラヘルツ光の反射性を考慮して３０ｎｍ〜２００ｎｍとする。
次に、下電極１１１を覆う金属酸化物膜を形成し、フォトリソグラフィ法でパターニングして島状にそれぞれ独立した複数の焦電体１１２を形成する。該金属酸化物膜の形成方法としては、例えばスパッタ法でＰＺＴ膜やＰＺＴＮ膜を形成する方法が挙げられる。ＰＺＴ膜やＰＺＴＮ膜をエッチングしてパターニングする方法としては、フッ酸、硫酸、塩酸、硝酸などの酸を含む溶液を用いるウェットエッチングや、フッ素系処理ガスを用いた反応性プラズマエッチング法などが挙げられる。焦電体１１２の膜厚はおよそ５０ｎｍ〜１０００ｎｍである。
次に、パターニングされた焦電体１１２を覆う金属膜を形成し、フォトリソグラフィ法によりパターニングすることで上電極１１３を形成する。上電極１１３を形成する方法は、下電極１１１を形成する方法と同様に、例えば蒸着法やスパッタ法でＰｔ（白金）膜やＩｒ（イリジウム）膜を成膜してパターニングする方法が挙げられる。なお、焦電体１１２、上電極１１３のパターニングは、上記金属酸化物膜に上記金属膜を積層し、上記金属膜をパターニングして上電極１１３を形成した後に、上電極１１３をマスクとして上記金属酸化物膜をエッチングして焦電体１１２を形成してもよい。また、複数の熱検知部１１５は、前述した電磁界の相互作用を得るために１０μｍ以下の間隔で支持部１０７上に形成することが好ましい。そして、ステップＳ８へ進む。

図５のステップＳ８では、図７（ｈ）に示すように、複数の熱検知部１１５及び支持部１０７を覆う層間絶縁層１１６を形成する。層間絶縁層１１６の形成方法としては、例えばＣＶＤ法により酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を成膜する方法が挙げられる。層間絶縁層１１６の膜厚は特に限定されるものではないが、５０ｎｍ〜５００ｎｍである。また、層間絶縁層１１６には、上電極１１３に通ずるコンタクトホール１１６ａが形成される。コンタクトホール１１６ａの形成方法としては、ドライエッチング法などが挙げられる。なお、層間絶縁層１１６にコンタクトホール１１６ａを形成する工程で、支持部１０７を貫通して犠牲層１０４に至る開口部（図示省略）を形成する。そして、ステップＳ９へ進む。

図５のステップＳ９では、図７（ｉ）に示すように、層間絶縁層１１６上に配線層１１７を形成する。配線層１１７の形成方法としては、上電極１１３の材料であるＰｔやＩｒよりも熱伝導率が小さい例えばＴｉやＡｌなどの金属やこれらの金属の合金からなる導電膜を例えばスパッタ法で成膜してパターニングする方法が挙げられる。そして、ステップＳ１０へ進む。

図５のステップＳ１０では、図７（ｊ）に示すように、パターニングされた配線層１１７を覆う保護膜１１８を形成する。保護膜１１８の形成方法としては、例えばＣＶＤ法により酸化シリコン膜や窒化シリコン膜を成膜する方法が挙げられる。保護膜１１８の膜厚は特に限定されるものではないが、３ｎｍ〜１００ｎｍである。そして、ステップＳ１１へ進む。

図５のステップＳ１１では、保護膜１１８を形成した後に、先のステップＳ８で形成された開口部から犠牲層１０４をエッチングして取り除き、図７（ｊ）に示すように、基板１０１と支持部１０７との間に空洞部１０５を形成する。犠牲層１０４のエッチング方法としては、例えばフッ素系処理ガスを上記開口部から導入するドライエッチングが挙げられる。

上記の焦電型光検出器１１０の製造方法は、１つの焦電型光検出器１１０を例に挙げて説明したが、実際には、基板１０１上に複数の焦電型光検出器１１０を同時進行で製造して焦電型光検出装置１００を製造してもよい。

上記第１実施形態の効果は、以下の通りである。
（１）焦電型光検出器１１０は、支持部１０７上に形成された複数の熱検知部１１５を有し、熱検知部１１５は特定周波数にて共振可能な平面サイズを有する焦電キャパシターである。焦電型光検出器１１０に入射した光は、複数の熱検知部１１５により効率的に受光（吸収）され、電気信号に変換されて検知される。したがって、入射した光を熱に変換するための光吸収部材を配置する必要がなく、焦電型光検出器１１０の熱容量を従来よりも低減できる。また、複数の熱検知部１１５が形成された支持部１０７と基板１０１との間には空洞部１０５が形成されているので、熱検知部１１５が受光して生じた熱が基板１０１に逃げ難い（放熱され難い）構造となっている。すなわち、優れた感度及び応答速度を有する焦電型光検出器１１０を提供できる。
（２）熱検知部１１５は、平面視で正方形であり、１辺の長さＬが１ＴＨｚ〜３ＴＨｚの特定周波数にて共振可能に設定された無指向性の平行平板型のアンテナとして機能するので、様々な方向から入射したテラヘルツ光を選択的に受光（吸収）して検知することができる。したがって、テラヘルツ光を利用して例えば物体の物理情報を解析する解析装置などに適用可能な小型な焦電型光検出器１１０を提供することができる。
（３）焦電キャパシターである熱検知部１１５において、下電極１１１は、複数の熱検知部１１５に共通する共通電極として支持部１０７側に形成される。したがって、下電極１１１を複数の熱検知部１１５ごとに独立して形成する場合に比べて、焦電型光検出器１１０に入射したテラヘルツ光が空洞部１０５側つまり基板１０１側に侵入し難い。ゆえに、入射したテラヘルツ光を効率的に電気信号に変換できる。
（４）焦電型光検出装置１００は、複数の焦電型光検出器１１０を備えているので、入射したテラヘルツ光の分布を画像として高感度且つ素早く出力することができる。

（第２実施形態）
＜他の焦電型光検出器＞
次に、第２実施形態の焦電型光検出器について、図８及び図９を参照して説明する。図８は第２実施形態の焦電型光検出器の構成を示す概略平面図、図９は図８のＢ−Ｂ’線で切った第２実施形態の焦電型光検出器の構造を示す概略断面図である。
第２実施形態の焦電型光検出器は、第１実施形態の焦電型光検出器１１０に対して、熱検知部１１５の形状と配置を異ならせたものである。したがって、第１実施形態と同じ構成には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図８に示すように、本実施形態の焦電型光検出器１５０は、支持部１０７と、支持部１０７上に二次元的（マトリックス状）に配置された複数の熱検知部１５５とを備えている。
支持部１０７は、前述したように例えば１辺がおよそ２０μｍの正方形であって、支持部１０７には、対角に位置する角部付近から突出し、Ｘ方向において互いに逆向きに延在する一対の枝部１０８Ａ，１０８Ｂが設けられている。

複数の熱検知部１５５は、支持部１０７上においてＸ方向に５つ、Ｙ方向に３つ、合計１５配置されている。熱検知部１５５は平面視で長方形であり、該長方形の長辺の長さＬと短辺の長さＷとは、それぞれ特定周波数のテラヘルツ光に対して共振可能な長さに設定されている。

図９に示すように、例えばシリコンなどの半導体基板からなる基板１０１上には、絶縁膜１０２、支持部１０７が形成されている。支持部１０７と基板１０１との間には空洞部１０５が形成されている。空洞部１０５に面する絶縁膜１０２の表面には第１バリア層１０３が形成されている。支持部１０７の空洞部１０５側の表面には第２バリア層１０６が形成されている。支持部１０７の空洞部１０５と反対側の表面に、複数の熱検知部１５５が形成されている。熱検知部１５５は、下電極１５１と上電極１５３との間に焦電体１５２が挟持された焦電キャパシターであって、平行平板型のアンテナとして機能する。下電極１５１は、複数の熱検知部１５５に共通する共通電極として支持部１０７上に形成されている。下電極１５１、焦電体１５２、上電極１５３の材料構成や膜厚は、第１実施形態の下電極１１１、焦電体１１２、上電極１１３と同じである。

複数の熱検知部１５５を覆う層間絶縁層１１６が形成されている。層間絶縁層１１６上に配線層１１７が形成されパターニングされている。配線層１１７は層間絶縁層１１６に形成されたコンタクトホールを通じて各上電極１５３と電気的に接続されている。また、配線層１１７は保護膜１１８で覆われている。

焦電体１５２の実効誘電率εｒｅｌを例えば５００とし、熱検知部１５５の長辺の長さＬを例えば７μｍ、短辺の長さＷを２μｍとする（図８参照）。これによれば、焦電型光検出器１５０は、１ＴＨｚのテラヘルツ光と、３ＴＨｚのテラヘルツ光とを選択的に受光可能な指向性の平行平板型のアンテナとして機能する。

上記第２実施形態の焦電型光検出器１５０によれば、第１実施形態の効果（１）、（３）と同様な効果が得られると共に、以下の効果が得られる。
（５）熱検知部１５５は、平面視で長方形であり、長辺の長さＬと短辺の長さＷとがそれぞれ異なる特定周波数にて共振可能に設定された指向性の平行平板型のアンテナとして機能するので、入射した光のうち異なる特定周波数のテラヘルツ光を選択的に受光（吸収）して検知することができる。したがって、テラヘルツ光を利用して例えば物体の物理情報を解析する解析装置などに適用可能な小型な焦電型光検出器１５０を提供することができる。
（６）焦電型光検出器１５０を二次元的に配置した焦電型光検出装置によれば、入射した異なる特定周波数のテラヘルツ光の分布を画像として高感度且つ素早く出力することができる。

（第３実施形態）
＜電子機器＞
図１０に本実施形態の焦電型光検出器を含む電子機器の構成例を示す。この電子機器は、光学系４００、センサーデバイス（焦電型光検出器）４１０、画像処理部４２０、処理部４３０、記憶部４４０、操作部４５０、表示部４６０を含む。なお本実施形態の電子機器は図１０の構成に限定されず、その構成要素の一部（例えば光学系、操作部、表示部等）を省略したり、他の構成要素を追加したりするなどの種々の変形実施が可能である。

光学系４００は、例えば１または複数のレンズや、これらのレンズを駆動する駆動部などを含む。そしてセンサーデバイス４１０への物体像の結像などを行う。また必要であればフォーカス調整なども行う。

センサーデバイス４１０は、上述した本実施形態の焦電型光検出器１１０を二次元配列させて構成され、複数の行線（走査線）と複数の列線（データ線）が設けられる。センサーデバイス４１０は、二次元配列された焦電型光検出器１１０、つまり焦電型光検出装置１００に加えて、行選択回路（行ドライバー）と、列線を介して焦電型光検出器１１０からのデータを読み出す読み出し回路と、Ａ／Ｄ変換部等を含むことができる。二次元配列された各焦電型光検出器１１０からのデータを順次読み出すことで、物体像の撮像処理を行うことができる。

画像処理部４２０は、センサーデバイス４１０からのデジタルの画像データ（画素データ）に基づいて、画像補正処理などの各種の画像処理を行う。

処理部４３０は、電子機器の全体の制御や、電子機器内の各ブロックの制御を行う。この処理部４３０は、例えばＣＰＵ等により実現される。記憶部４４０は、各種の情報を記憶するものであり、例えば処理部４３０や画像処理部４２０のワーク領域として機能する。操作部４５０は、ユーザーが電子機器を操作するためのインターフェースとなるものであり、例えば各種ボタンやＧＵＩ（Graphical User Interface）画面などにより実現される。表示部４６０は、例えばセンサーデバイス４１０により取得された画像やＧＵＩ画面などを表示するものであり、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの各種のディスプレイにより実現される。

このように、１セル分の焦電型光検出器１１０をセンサーとして用いる他、１セル分の焦電型光検出器１１０を二軸方向例えば直交二軸方向に二次元配置することでセンサーデバイス４１０を構成することができる。センサーデバイス４１０は、光を受光して光（電磁波）に起因する熱分布画像を提供することができる。このセンサーデバイス４１０を用いて、特定物質探知装置、偽造紙幣の判定装置、封筒内の薬品検出装置、建造物の非破壊検査装置などのテラヘルツカメラを用いる電子機器を構成することができる。

図１１（ａ）に図１０のセンサーデバイス４１０の構成例を示す。このセンサーデバイスは、センサーアレイ５００と、行選択回路（行ドライバー）５１０と、読み出し回路５２０を含む。またＡ／Ｄ変換部５３０、制御回路５５０を含むことができる。このセンサーデバイスを用いることで、高性能なテラヘルツカメラを実現できる。

センサーアレイ５００には、二軸方向に複数のセンサーセルが配列（配置）される。また複数の行線（走査線）と複数の列線（データ線）が設けられる。なお行線及び列線の一方の本数が１本であってもよい。例えば行線が１本である場合には、図１１（ａ）において行線に沿った方向（横方向）に複数のセンサーセルが配列される。一方、列線が１本である場合には、列線に沿った方向（縦方向）に複数のセンサーセルが配列される。

図１１（ｂ）に示すように、センサーアレイ５００の各センサーセルは、各行線と各列線の交差位置に対応する場所に配置（形成）される。例えばセンサーセルは、行線ＷＬ１と列線ＤＬ１の交差位置に対応する場所に配置されている。他のセンサーセルも同様である。

行選択回路５１０は、１又は複数の行線に接続される。そして各行線の選択動作を行う。例えば図１１（ｂ）のようなＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）のセンサーアレイ５００（焦点面アレイ）を例にとれば、行線ＷＬ０，ＷＬ１，ＷＬ２・・・・ＷＬ２３９を順次選択（走査）する動作を行う。即ちこれらの行線を選択する信号（ワード選択信号）をセンサーアレイ５００に出力する。

読み出し回路５２０は、１又は複数の列線に接続される。そして各列線の読み出し動作を行う。ＱＶＧＡのセンサーアレイ５００を例にとれば、列線ＤＬ０，ＤＬ１，ＤＬ２・・・・ＤＬ３１９からの検出信号（検出電流、検出電荷）を読み出す動作を行う。

Ａ／Ｄ変換部５３０は、読み出し回路５２０において取得された検出電圧（測定電圧、到達電圧）をデジタルデータにＡ／Ｄ変換する処理を行う。そしてＡ／Ｄ変換後のデジタルデータＤＯＵＴを出力する。具体的には、Ａ／Ｄ変換部５３０には、複数の列線の各列線に対応して各Ａ／Ｄ変換器が設けられる。そして、各Ａ／Ｄ変換器は、対応する列線において読み出し回路５２０により取得された検出電圧のＡ／Ｄ変換処理を行う。なお、複数の列線に対応して１つのＡ／Ｄ変換器を設け、この１つのＡ／Ｄ変換器を用いて、複数の列線の検出電圧を時分割にＡ／Ｄ変換してもよい。

制御回路５５０（タイミング生成回路）は、各種の制御信号を生成して、行選択回路５１０、読み出し回路５２０、Ａ／Ｄ変換部５３０に出力する。例えば充電や放電（リセット）の制御信号を生成して出力する。あるいは、各回路のタイミングを制御する信号を生成して出力する。

図１２に本実施形態の焦電型光検出器１１０を含むテラヘルツカメラの例を示す。前述のセンサーデバイス４１０は、そ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、センサーデバイス４１０とテラヘルツ光照射ユニットとを組み合わせてテラヘルツカメラ１０００を構成した例を示す。

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焦電型光検出器１１０の吸収波長をテラヘルツ域（１ＴＨｚ〜３ＴＨｚ）で最適化したセンサーデバイス４１０を含んで構成されている。

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、テラヘルツ光（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、テラヘルツ光を検査対象の人物１０６０に照射する。人物１０６０からの反射テラヘルツ光は、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。

なお、上記実施形態の各電子機器において第１実施形態の焦電型光検出器１１０に代えて、第２実施形態の焦電型光検出器１５０を採用してもよい。

本発明は、上記した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う焦電型光検出器及び焦電型光検出装置並びに該焦電型光検出器を適用する電子機器もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。上記実施形態以外にも様々な変形例が考えられる。以下、変形例を挙げて説明する。

（変形例１）特定周波数の光（電磁波）に対してアンテナとして機能する熱検知部１１５（あるいは熱検知部１５５）の形状は、四角形であることに限定されない。図１３は変形例の熱検知部を示す概略平面図である。例えば、図１３に示すように、変形例の熱検知部１６５は、焦電キャパシターであって、平面視で正方形の電極１６３と、電極１６３に形成された長方形のスリット１６４とを有する。スリット１６４の長辺の長さＬと短辺の長さＷとがそれぞれ特定周波数にて共振可能な長さに設定されている。
このほかにも特定周波数にて共振可能なアンテナとしては、バイコニカルアンテナ、ディスコーンアンテナ、ボウタイアンテナ、スパイラルアンテナ、板状逆Ｆアンテナ、ラップアラウンドアンテナなどを挙げることができる。

（変形例２）焦電型光検出器１１０において支持部１０７上に形成される熱検知部１１５の数は複数であることに限定されず、１つでもよい。

（変形例３）焦電型光検出装置１００は、それぞれに異なる特定周波数の光を選択的に吸収して電気信号に変換可能な複数種の焦電型光検出器を備えていてもよい。

１００…焦電型光検出装置、１０１…基板、１０５…空洞部、１０７…支持部、１１０，１５０…焦電型光検出器、１１１，１５１…一方の電極としての下電極、１１２，１５２…焦電体，１１３，１５３…他方の電極としての上電極、１１５，１５５，１６５…熱検知部、１０００…電子機器としてのテラヘルツカメラ。

Claims (14)

1. 焦電型の熱検知部を有し、
   前記熱検知部は、特定周波数の光を吸収する光吸収機能を有することを特徴とする焦電型光検出器。
2. 焦電型の熱検知部を有し、
   前記熱検知部は、特定周波数にて共振可能なサイズの共振部を有することを特徴とする焦電型光検出器。
3. 前記特定周波数は、１ＴＨｚ〜３ＴＨｚであることを特徴とする請求項１または２に記載の焦電型光検出器。
4. 前記熱検知部は、一対の電極間に焦電体を挟んだ構造を有し、平行平板型のアンテナとして機能することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の焦電型光検出器。
5. 前記熱検知部は、無指向性の平行平板型のアンテナとして機能することを特徴とする請求項４に記載の焦電型光検出器。
6. 前記熱検知部は、指向性の平行平板型のアンテナとして機能することを特徴とする請求項４に記載の焦電型光検出器。
7. 基板と、
   前記基板上において空洞部を挟んで配置された支持部と、を有し、
   前記支持部上に前記熱検知部が配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の焦電型光検出器。
8. 基板と、
   前記基板上において空洞部を挟んで配置された支持部と、を有し、
   前記支持部上に複数の前記熱検知部が配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の焦電型光検出器。
9. 前記熱検知部は、一対の電極間に焦電体を挟んだ構造を有し、
   前記一対の電極のうち一方の電極は複数の前記熱検知部に亘る共通電極であり、
   前記一方の電極が前記支持部の側に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の焦電型光検出器。
10. 前記焦電体は、強誘電体であることを特徴とする請求項４乃至９のいずれか一項に記載の焦電型光検出器。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の焦電型光検出器を二軸方向に沿って二次元的に配置したことを特徴とする焦電型光検出装置。
12. 前記特定周波数が異なる前記焦電型光検出器を含むことを特徴とする請求項１１に記載の焦電型光検出装置。
13. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の焦電型光検出器を備えたことを特徴とする電子機器。
14. 請求項１１または１２に記載の焦電型光検出装置を備えたことを特徴とする電子機器。

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