JP2017101956A - ボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】テラヘルツ波に偏光依存性がある場合や測定対象に偏光依存性がある場合でもより適正にテラヘルツイメージを検出する。
【解決手段】アレイに垂直な軸を回転軸として９０度ずつ回転した４つの異なる方向を向いた４つのボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０ａ〜２０ｄを２行２列に配置してなる検出素子群を単一の検出素子１２として縦横に整列配置する。これにより、テラヘルツ波に偏光依存性がある場合や測定対象に偏光依存性がある場合でもより適正にテラヘルツイメージを検出することができる。ボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０の一辺を２３．５μｍ程度とすれば、２行２列の検出素子群を単一の検出素子１２としても分解能の制限を受けることがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイに関する。

従来、この種のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイとしては、ボロメータ薄膜を含む温度検出部を有するボロメータ型テラヘルツ波検出素子を縦横に整列配置したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイの素子は、上面にテラヘルツ波を反射する反射膜が形成され内部に読出回路が形成された回路基板と、ボロメータ薄膜を含む温度検出部と、ボロメータ薄膜に接続された電極配線を含むと共に温度検出部を回路基板からエアギャップを介して支持する支持部と、上面にテラヘルツ波を吸収する吸収膜が形成され温度検出部の周縁部から内側と外側に延びた庇と、を備える。そして、アレイは、こうした素子を同方向に向いて縦横に整列配置して構成されている。

また、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子としては、庇と反射膜との間の光学的共振構造の間隔を増すためにエアギャップと回路基板との間に誘電体層を備えるものも提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２０１２−２６０３号公報

「世界最高感度かつ最大画素数の室温動作テラヘルツカメラの開発に成功 〜非破壊検査や異物検知センサの実用化に向けて大きく前進〜 」，日本電気株式会社，http://jpn.nec.com/press/201411/20141111#01.html，「感度向上と高画素化の概要」，http://jpn.nec.com/press/201411/images/1101-01-01.pdf，２０１５年１１月１９日検索

しかしながら、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子は、テラヘルツ波の偏光の方向によって検出感度が異なる。こうした検出感度の偏光依存性は、入射するテラヘルツ波の周波数にも依存すると考えられ、大きな検出感度の差を生じさせる。こうした素子をアレイとしたボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイをカメラとして用いてテラヘルツイメージングを行なう場合、テラヘルツ波や測定対象に特徴的な偏光依存性がある場合、適正なテラヘルツイメージングが取得できない。

本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイは、テラヘルツ波に偏光依存性がある場合や測定対象に偏光依存性がある場合でもより適正にテラヘルツイメージを検出することを主目的とする。

本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイは、
ボロメータ薄膜を含む温度検出部を有するボロメータ型テラヘルツ波検出素子を縦横に整列配置したボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイであって、
前記アレイに対して垂直な軸を回転軸として９０度ずつ回転した方向を向いた４つの前記ボロメータ型テラヘルツ波検出素子を２行２列に配置してなる検出素子群を縦横に整列配置した、
ことを特徴とする。

この本発明のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイでは、アレイに対して垂直な軸を回転軸として９０度ずつ回転した方向を向いた４つの前記ボロメータ型テラヘルツ波検出素子を２行２列に配置してなる検出素子群を縦横に整列配置したから、テラヘルツ波に偏光依存性がある場合や測定対象に特徴的な偏光依存性がある場合でも、検出素子群を単一の検出素子として機能させることにより偏光依存することなく良好に検出することができる。この結果、テラヘルツ波に偏光依存性がある場合や測定対象に偏光依存性がある場合でもより適正にテラヘルツイメージを検出することができる。ここで、検出素子群における４つの素子の並び順は、２行２列においていかなる並びの順としてもよい。

本発明の一実施例としてのボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ１０を模式的に示す平面図である。 ボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ１０を構成するボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０の素子構造を模式的に示す断面図である。 モデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子１２０の断面構造を模式的に示す構成図である。 モデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子１２０の金属配線１５０と反射層１７０とを模式的に立体的に示す斜視図である。 モデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子１２０の偏光依存性と周波数との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。 比較例のアレイの偏光依存性と周波数との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。 実施例のアレイの偏光依存性と周波数との関係をシミュレーションした結果を示す説明図である。 検出素子群としての検出素子１２の４つのボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの配置例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ１０を模式的に示す平面図である。図２は、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ１０を構成するボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０の素子構造を模式的に示す断面図である。

実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ１０は、図１に示すように、アレイに垂直な軸（図１の紙面に垂直な軸）を回転軸として９０度ずつ回転した４つの異なる方向を向いた４つのボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを２行２列に配置してなる検出素子群を単一の検出素子１２として縦横に整列配置して構成されている。実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ１０は、各ボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄを画素としたときに、画素ピッチが２３．５μｍで画素数３２０×２４０として構成されている。なお、図１中、検出素子１２を構成するボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの白抜き矢印は、素子の方向を示す。以下の説明では、単にボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０と記載する場合は、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの方向を問わない場合を意味する。

ボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０は、図２に示すように、ＣＭＯＳ回路等の読出回路２４が形成された回路基板２２と、６００ｎｍの酸化バナジウム薄膜として形成されたボロメータ薄膜３６を含む温度検出部４２と、温度検出部４２を回路基板２２からエアギャップ４６を有するように支持する支持部４４と、シリコン窒化膜により厚みが２００ｎｍ〜６００ｎｍとして形成され温度検出部４２の周縁部から内側および外側に延びる庇５０と、エアギャップ４６と回路基板２２との間に窒化ケイ素により形成された誘電体層４８と、により構成された周知のボロメータ型テラヘルツ波検出素子（例えば、上記非特許文献１に記載された素子）として構成されている。

簡単に説明すると、以下の通りである。回路基板２２の上面にはテラヘルツ波を反射するためにチタンにより形成された厚みが５００ｎｍの反射膜２６が形成されており、反射膜２６の上面はシリコン酸化膜やシリコン窒化膜，シリコン酸窒化膜などにより形成された厚みが１００ｎｍ〜５００ｎｍの第１保護膜２８により被覆されている。温度検出部４２は、図中下側から（エアギャップ４６側から）、窒化ケイ素により形成された厚みが３５０ｎｍの第２保護膜３４，ボロメータ薄膜３６，窒化ケイ素により形成された厚みが３５０ｎｍの第３保護膜３８，窒化ケイ素により形成された厚みが３５０ｎｍの第４保護膜４０により層状に形成されている。支持部４４は、エアギャップ４６側から、温度検出部４２から延出した第２保護膜３４および第３保護膜，ボロメータ薄膜３６に接続した電極配線３２，温度検出部４２から延出した第４保護膜４０により構成されている。金属配線３２は、チタンにより厚みが７０ｎｍとして形成されている。なお、電極配線３２は、チタンにより形成された金属配線接続部３０を介して読出回路２４に接続されている。庇５０は、上面はチタン合金（ＴｉＡｌＶ）により形成された厚みが１０ｎｍの吸収膜５２で覆われており、中央に穴５４が形成されている。

実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ１０を構成するボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０は、上下左右が対称に構成されていない。例えば、庇５０と反射膜２６との間の光学的共振構造の間隔を増すために設けられた誘電体層４８では、図２において対称ではない。このため、テラヘルツ波に対して偏光依存性を示す。

実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ１０の偏光依存性と周波数との関係を考察するために、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ１０をモデル化してシミュレーションを行なった。図３は、モデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子１２０の断面構造を模式的に示す構成図であり、図４は、モデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子１２０の金属配線１５０と反射層１７０とを模式的に立体的に示す斜視図である。モデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子１２０は、実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０と同様に、画素ピッチが２３．５μｍで、最表層の厚さ１０ｎｍの吸収層１３０と、次層の厚さ２μｍのエアーギャップ１４０と、内部に金属配線１５０が形成され厚さ６μｍで屈折率が２．１の誘電体層１６０と、最下層の反射層１７０と、により構成されている。ここで、図３のモデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子１２０における吸収層１３０、エアギャップ１４０、金属配線１５０、誘電体層１６０、反射層１７０は、図２のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０における吸収膜５２、エアギャップ４６、金属配線接続部３０、誘電体層４８、反射膜２６に相当する。なお、吸収層１３０の誘電率についてはチタン合金（ＴｉＡｌＶ）のデルーデモデル（Dreude Model）で計算し、金属配線１５０および反射層１７０についてはチタン（Ｔｉ）のデルーデモデル（Dreude Model）で計算した。

モデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子１２０の偏光依存性と周波数との関係をシミュレーションした結果を図５に示す。モデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子１２０は、図示するように、２．５ＴＨｚ以下の周波数領域では、ｘ偏光とｙ偏光の吸収スペクトルは一致しているが、２．５ＴＨｚより大きい周波数領域では、テラヘルツ波が素子サイズに近くなってくる影響で、ｘ偏光とｙ偏光の吸収スペクトルが乖離する。

モデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子１２０を同一方向に配置した２行２列の検出素子群を単一の検出素子として縦横に整列配置した比較例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ（以下、比較例のアレイと称する。）の偏光依存性と周波数との関係をシミュレーションした結果を図６に示す。また、モデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子１２０を実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ１０と同様に９０度ずつ回転した２行２列の検出素子群を単一の検出素子として縦横に整列配置したボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ（以下、実施例のアレイと称する。）の偏光依存性と周波数との関係をシミュレーションした結果を図７に示す。なお、吸収スペクトルは、検出素子群の総和を示している。比較例のアレイでは、１ＴＨｚより小さい周波数領域でｘ偏光とｙ偏光の吸収スペクトルが一致しているだけで広範囲の周波数領域でｘ偏光とｙ偏光の吸収スペクトルが乖離しており、偏光依存性が大きい。一方、実施例のアレイでは、４つの素子の吸収層の総和（または平均）とすることから、全周波数領域でｘ偏光とｙ偏光の吸収スペクトルが一致しており、偏光依存性は全周波数領域で解消されている。

実施例のアレイでは、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子１２０は一辺が２３．５μｍであるから、単一の検出素子とした検出素子群（２行２列の素子群）は一辺が４７μｍとなる。回折によって定める分解能を波長程度とすると、実施例のアレイでは、波長４７μｍのテラヘルツ波、周波数に直すと６．４ＴＨｚまでのテラヘルツ波については分解能の制限は生じないことになる。したがって、一辺が２３．５μｍ程度のボロメータ型テラヘルツ波検出素子とすれば、２行２列の検出素子群を単一の検出素子としても分解能を制限する要因とはならない。

以上説明した実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ１０によれば、アレイに垂直な軸を回転軸として９０度ずつ回転した４つの異なる方向を向いた４つのボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０ａ〜２０ｄを２行２列に配置してなる検出素子群を単一の検出素子１２として縦横に整列配置することにより、テラヘルツ波に偏光依存性がある場合や測定対象に偏光依存性がある場合でもより適正にテラヘルツイメージを検出することができる。しかも、一辺が２３．５μｍ程度のボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０とすれば、２行２列の検出素子群を単一の検出素子１２としても分解能の制限を受けることがない。

実施例のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ１０では、図１および図８（ａ）に示すように、検出素子群としての検出素子１２は９０度ずつ時計回りに回転させた４つのボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０ａ〜２０ｄを時計回りにこの順に２行２列となるように配置した。しかし、検出素子群としての検出素子は、９０度ずつ異なる４つの方向の４つのボロメータ型テラヘルツ波検出素子２０ａ〜２０ｄが配置されていればよいから、図８（ｂ）〜（ｄ）に示すように、時計回りに２０ａ，２０ｄ，２０ｃ，２０ｂと配置したり、２０ａ，２０ｃ，２０ｂ，２０ｄと配置したり、２０ａ，２０ｃ，２０ｄ，２０ｂと配置したりしてもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、ボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイの製造産業などに利用可能である。

１０ ボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ、１２ 検出素子、２０，２０ａ〜２０ｄ ボロメータ型テラヘルツ波検出素子、２２ 回路基板、２４ 読出回路、２６ 反射膜、２８ 第１保護膜、３０ 金属配線接続部、３２ 電極配線、３４ 第２保護膜、３６ ボロメータ薄膜、３８ 第３保護膜、４０ 第４保護膜、４２ 温度検出部、４４ 支持部、４６ エアギャップ、４８ 誘電体層、５０ 庇、５２ 吸収膜、５４ 穴、１２０ モデル化したボロメータ型テラヘルツ波検出素子、１３０ 吸収層、１４０ エアギャップ、１５０ 金属配線、１６０ 誘電体層、１７０ 反射層。

Claims (2)

1. ボロメータ薄膜を含む温度検出部を有するボロメータ型テラヘルツ波検出素子を縦横に整列配置したボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイであって、
   前記アレイに対して垂直な軸を回転軸として９０度ずつ回転した方向を向いた４つの前記ボロメータ型テラヘルツ波検出素子を２行２列に配置してなる検出素子群を縦横に整列配置した、
   ことを特徴とするボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ。
2. 請求項１記載のボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイであって、
   前記検出素子群が単一の検出素子として機能させる、
   ことを特徴とするボロメータ型テラヘルツ波検出素子アレイ。

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