JP2567474B2 - Infrared sensor - Google Patents

Infrared sensor

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JP2567474B2
JP2567474B2 JP1168385A JP16838589A JP2567474B2 JP 2567474 B2 JP2567474 B2 JP 2567474B2 JP 1168385 A JP1168385 A JP 1168385A JP 16838589 A JP16838589 A JP 16838589A JP 2567474 B2 JP2567474 B2 JP 2567474B2
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【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) この発明は、高検出感度を有するサーモパイル形の赤
外線センサに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Industrial field of application) The present invention relates to a thermopile type infrared sensor having high detection sensitivity.

(従来の技術) 従来のサーモパイル形の赤外線センサとしては、例え
ば第6図及び第7図に示すようなものがある(P.M.Sarr
o他「AN INFRARED SENSING ARRAY BASED ON INTE
GRATED SILICON THERMOPILES」TRANSDUCERS '87 p
p.227〜230(1987))。
(Prior Art) As a conventional thermopile type infrared sensor, for example, there is one as shown in FIG. 6 and FIG.
o Other `` AN INFRARED SENSING ARRAY BASED ON INTE
GRATED SILICON THERMOPILES "TRANSDUCERS '87 p
p.227-230 (1987)).

第6図及び第7図中、21は半導体基板としてのp形シ
リコン基板、22はn形エピタキシャル層であり、このn
形エピタキシャル層22の下側のp形シリコン基板部及び
周囲3方がエッチングで取除かれて片持梁23が形成され
ている。この肉薄とされて熱抵抗の大きい片持梁23によ
り、基板領域(以下、基板領域というときもp形シリコ
ン基板と同一符号21を用いる)から熱分離された熱分離
領域が形成されている。片持梁23の部分を含むn形エピ
タキシャル層22の表面にはシリコン酸化膜24が形成され
ている。
In FIGS. 6 and 7, 21 is a p-type silicon substrate as a semiconductor substrate, 22 is an n-type epitaxial layer, and n
The cantilever 23 is formed by etching away the p-type silicon substrate portion and the surrounding three sides below the epitaxial layer 22. The thinned cantilever 23 having a large thermal resistance forms a heat separation region that is thermally separated from the substrate region (hereinafter, the substrate region is also denoted by the same reference numeral 21 as the p-type silicon substrate). A silicon oxide film 24 is formed on the surface of the n-type epitaxial layer 22 including the cantilever 23.

片持梁23には、その先端部に赤外線吸収層25が形成さ
れ、この赤外線吸収層25から固定部である基板領域21に
向ってp形拡散層抵抗(p形半導体抵抗層)26が3本平
行に形成されている。そして、この3本のp形拡散層抵
抗26がコンタクトホールを介してAl配線27により直列に
接続されてサーモパイル30が構成されている。28はn形
エピタキシャル層22にバイアス電位を与えるためのn+
ンタクト領域である。
An infrared absorption layer 25 is formed at the tip of the cantilever 23, and a p-type diffusion layer resistance (p-type semiconductor resistance layer) 26 is formed from the infrared absorption layer 25 toward the substrate region 21 which is the fixed portion. The book is formed in parallel. The three p-type diffusion layer resistors 26 are connected in series by the Al wiring 27 via the contact holes to form the thermopile 30. Reference numeral 28 is an n + contact region for applying a bias potential to the n-type epitaxial layer 22.

いま、このような構造のサーモパイル形赤外線センサ
の赤外線吸収層25へ赤外線が入射すると、このエネルギ
ーは熱に変換されて、片持梁23の先端側の温度が上昇
し、基板領域21側との間に温度差が生じる。片持梁構造
はその一辺が基板領域21へ接続されているだけで周りは
N2雰囲気又は真空にすることができるので、片持梁23の
先端部にある赤外線吸収層25から基板領域21への熱抵抗
を大きくすることができ、赤外線吸収層25で変換された
熱により生じる温度差を大きくすることができる。この
温度差によりサーモパイル30の両端27a、27bには起電力
V0が生じる。いま赤外線センサーチップが真空状態で実
装されていて、片持梁23の先端側で生じた熱はSi(シリ
コン)の片持梁23だけを通って流れるものと仮定する
と、赤外線の入射エネルギーP0に対しサーモパイル30の
起電力V0は次のように表される。
Now, when infrared rays are incident on the infrared absorption layer 25 of the thermopile type infrared sensor having such a structure, this energy is converted into heat, the temperature of the tip side of the cantilever 23 rises, and the temperature of the substrate area 21 side is increased. There is a temperature difference between them. The cantilever structure has only one side connected to the substrate area 21
Since an N 2 atmosphere or a vacuum can be made, the thermal resistance from the infrared absorption layer 25 at the tip of the cantilever 23 to the substrate region 21 can be increased, and the heat converted by the infrared absorption layer 25 can be used. The resulting temperature difference can be increased. This temperature difference causes electromotive force on both ends 27a and 27b of the thermopile 30.
V 0 occurs. Assuming that the infrared sensor chip is now mounted in a vacuum state and that the heat generated at the tip side of the cantilever 23 flows only through the Si (silicon) cantilever 23, the incident energy P 0 of the infrared ray P 0 On the other hand, the electromotive force V 0 of the thermopile 30 is expressed as follows.

V0=n・α・R0・P0 …(1) ここでnはサーモパイル30を構成するp形拡散層抵抗
26の本数、αはp形拡散層抵抗26のゼーベック係数で
あり、Al配線27のゼーベック効果については十分小さい
ので無視することができる。R0は片持梁23の先端部から
基板領域21へ到る熱抵抗であり、ここではSi片持梁23の
熱抵抗とその片持梁23上に形成されたAl配線27の熱抵抗
の並列合成抵抗となり次のように表される。
V 0 = n · α P · R 0 · P 0 (1) where n is the p-type diffusion layer resistance forming the thermopile 30.
The number of 26, α P, is the Seebeck coefficient of the p-type diffusion layer resistance 26, and the Seebeck effect of the Al wiring 27 is sufficiently small and can be ignored. R 0 is the thermal resistance from the tip of the cantilever 23 to the substrate region 21, where the thermal resistance of the Si cantilever 23 and the thermal resistance of the Al wiring 27 formed on the cantilever 23 are It becomes a parallel combined resistance and is expressed as follows.

R0=L/(KSI・ASI+KAL・AAL) …(2) ここでLは片持梁23部分の長さ、KSI、KALはそれぞれ
Si、Alの熱伝導率、ASI、AALはそれぞれSi片持梁23、Al
配線27の断面積である。
R 0 = L / (K SI・ A SI + K AL・ A AL ) (2) where L is the length of the cantilever 23, K SI and K AL are respectively
The thermal conductivity of Si and Al, A SI and A AL are Si cantilever 23 and Al, respectively.
It is a cross-sectional area of the wiring 27.

いま片持梁23が、長さL=2mm、幅400μm、厚さが10
μmで、サーモパイル30が10本(n=10)のp形拡散層
抵抗26で構成されている赤外線センサを考えると、KSI
=1.41(W/cm・K)、KAL=2.36(W/cm・K)より、熱
抵抗R0は上記(2)式から次のような値となる。
Now, the cantilever 23 has a length L = 2 mm, a width 400 μm, and a thickness 10
Considering an infrared sensor of μm, the thermopile 30 is composed of 10 p-type diffusion layer resistors 26 (n = 10), K SI
= 1.41 (W / cm · K) and K AL = 2.36 (W / cm · K), the thermal resistance R 0 has the following value from the above equation (2).

R0=0.2/〔1.41×(400×10)×10-8+2.36 ×(1×20)×10-8×10〕 =3.27×103(K/W) したがって、例えばα=1mV/KとするとP0=1mWの入
射に対してV0=32.7mVとなる。
R 0 = 0.2 / [1.41 x (400 x 10) x 10 -8 +2.36 x (1 x 20) x 10 -8 x 10] = 3.27 x 10 3 (K / W) Therefore, for example, α P = 1 mV Assuming / K, V 0 = 32.7 mV for P 0 = 1 mW incident.

次いで、このような片持梁式赤外線センサの製造方法
について簡単に説明する。最初にバイポーラプロセスと
同様にp形シリコン基板21にn形エピタキシャル層22を
10〜20μm成長させ、p形素子分離拡散(図示せず)を
片持梁23を3方から取り囲むようにU字形にp形シリコ
ン基板21に達するように行う。次にサーモパイル30を構
成するp形拡散層抵抗26を形成し、続いてn+コンタクト
領域28を形成する。次にウエーハ裏面にシリコン窒化膜
等の耐エッチング性膜を被着する。コンタクトホールの
エッチング、Al配線27形成の後、裏面の耐エッチング性
膜に窓をあけて、n形エピタキシャル層22を正電位にバ
イアスしながら、p形シリコン基板21を裏面よりKOH、E
DP(エチレンジアミン・ピロカテコール水溶液)等の強
アルカリ性の異方性シリコンエッチング液でエッチング
する(エレクトロケミカルエッチング)。エッチングが
進行してn形エピタキシャル層22へ達すると、エッチン
グは停止するがU字形に形成されたp形素子分離領域は
引続きエッチングされ、第6図に示すような片持梁構造
が完成する。
Next, a method of manufacturing such a cantilever infrared sensor will be briefly described. First, the n-type epitaxial layer 22 is formed on the p-type silicon substrate 21 as in the bipolar process.
After 10 to 20 μm growth, p-type element isolation diffusion (not shown) is performed to reach the p-type silicon substrate 21 in a U-shape so as to surround the cantilever beam 23 from three sides. Next, the p-type diffusion layer resistor 26 which constitutes the thermopile 30 is formed, and then the n + contact region 28 is formed. Next, an etching resistant film such as a silicon nitride film is deposited on the back surface of the wafer. After etching the contact hole and forming the Al wiring 27, a window is opened in the etching resistant film on the back surface and the p-type silicon substrate 21 is biased from the back surface to KOH, E while biasing the n-type epitaxial layer 22 to a positive potential.
Etch with a strong alkaline anisotropic silicon etching solution such as DP (ethylenediamine / pyrocatechol aqueous solution) (electrochemical etching). When the etching progresses to reach the n-type epitaxial layer 22, the etching is stopped, but the p-type element isolation region formed in the U shape is continuously etched, and the cantilever structure as shown in FIG. 6 is completed.

(発明が解決しようとする課題) 従来の赤外線センサであっては、熱分離構造としてSi
の片持梁を形成し、その先端部に赤外線吸収層を形成す
るとともに、この赤外線吸収層と基板領域との間の部分
にp形拡散層抵抗及びAl配線によりサーモパイルを形成
するようにしていたため、Siの片持梁部分の熱抵抗を十
分に大きくすることができず、赤外線の検出感度を高め
ることが難しいという問題があった。
(Problems to be Solved by the Invention) In the conventional infrared sensor, the heat separation structure is
Since the cantilever was formed, the infrared absorption layer was formed at the tip of the cantilever, and the thermopile was formed by the p-type diffusion layer resistance and Al wiring between the infrared absorption layer and the substrate area. , The thermal resistance of the cantilever portion of Si cannot be sufficiently increased, and it is difficult to increase the infrared detection sensitivity.

そこで、この発明は、熱分離構造部分の熱抵抗を十分
に大にして赤外線の検出感度を顕著に高めることのでき
る赤外線センサを提供することを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide an infrared sensor capable of significantly increasing the thermal resistance of the heat separation structure portion and significantly increasing the infrared detection sensitivity.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記課題を解決するために、本発明に係る赤外線セン
サは、半導体基板の基板領域と、この基板領域から空間
を隔てて熱分離するように形成した赤外線吸収部との間
を、それぞれが柱状に形成され、幅方向にわたり相互に
空間を隔てて交互に配置された1又は2以上の対のp形
半導体抵抗部及びn形半導体抵抗部で架け渡すように構
成するとともに、当該p形半導体抵抗部及びn形半導体
抵抗部を交互に直列接続してサーモパイルを形成してな
ることを要旨とする。
[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to solve the above problems, an infrared sensor according to the present invention is configured such that a substrate region of a semiconductor substrate is thermally separated from a space of the substrate region. One or more pairs of p-type semiconductor resistor portions and n-type semiconductor resistor portions, each of which is formed in a column shape between the formed infrared absorbing portion and are alternately arranged with a space therebetween in the width direction. The gist is that the thermopile is formed by bridging and connecting the p-type semiconductor resistance part and the n-type semiconductor resistance part alternately in series.

(作用) 本発明に係る赤外線センサによれば、サーモパイル
は、1又は2以上の対のp形半導体抵抗部及びn形半導
体抵抗部を交互に直列接続して形成されているので、p
形半導体抵抗部及びn形半導体抵抗部の両ゼーベック効
果が利用される。ここで、サーモパイルの端末間に生じ
る温度差に対する熱起電力は、前記2種類の抵抗部のゼ
ーベック係数の和と、赤外線の入射エネルギー等との積
に関連して求められるので、従来一方の導電形半導体抵
抗層のゼーベック効果のみを利用していたのに比して、
サーモパイルの端末間に生じる温度差に対する熱起電力
の変換効率が格段に向上する。
(Operation) According to the infrared sensor of the present invention, the thermopile is formed by alternately connecting one or more pairs of p-type semiconductor resistance portions and n-type semiconductor resistance portions in series.
The Seebeck effect of both the n-type semiconductor resistance part and the n-type semiconductor resistance part is utilized. Here, the thermoelectromotive force with respect to the temperature difference generated between the terminals of the thermopile is obtained in relation to the product of the sum of the Seebeck coefficients of the two types of resistance portions and the incident energy of infrared rays, etc. Compared with using only the Seebeck effect of the semiconductor resistance layer,
The conversion efficiency of the thermoelectromotive force with respect to the temperature difference generated between the terminals of the thermopile is significantly improved.

しかも、前記各抵抗部を直列接続したことによる赤外
線センサの高感度化に加えて、サーモパイルを、半導体
基板の基板領域と、この基板領域から空間を隔てて熱分
離するように形成した赤外線吸収部との間を、それぞれ
が柱状に形成され、幅方向にわたり相互に空間を隔てて
交互に配置された1又は2以上の対のp形半導体抵抗部
及びn形半導体抵抗部で架け渡すように構成したので、
p形半導体抵抗部及びn形半導体抵抗部は相互に空間を
隔てて熱分離され、サーモパイルの端末間に生じる熱抵
抗が十分に大なる値とされて、したがって、赤外線の単
位入射量に対するサーモパイルの端末間に生じる温度差
が大となり、この結果、赤外線センサのさらなる高感度
化が実現されることとなる。
Moreover, in addition to increasing the sensitivity of the infrared sensor by connecting the resistance units in series, the thermopile is formed into a substrate region of the semiconductor substrate and an infrared absorption unit formed so as to separate heat from the substrate region with a space. And a pair of p-type semiconductor resistance portions and n-type semiconductor resistance portions, which are formed in a columnar shape and are alternately arranged in the width direction with a space therebetween. Because I did
The p-type semiconductor resistance part and the n-type semiconductor resistance part are thermally separated from each other with a space therebetween, and the thermal resistance generated between the terminals of the thermopile is set to a sufficiently large value. The temperature difference between the terminals becomes large, and as a result, higher sensitivity of the infrared sensor is realized.

(実施例) 以下、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図ないし第4図は、この発明の一実施例を示す図
である。
1 to 4 are views showing an embodiment of the present invention.

まず、赤外線センサの構成を説明すると、第1図ない
し第3図中、1は半導体基板としてのp形シリコン基
板、2はn形エピタキシャル層であり、n形エピタキシ
ャル層2の一部及びその下側のp形シリコン基板部が表
面側に至るまでエッチングで取除かれて、ビーム状の4
本の半導体抵抗部からなる片持梁部とこの片持梁部で基
板領域(以下、基板領域というときもp形シリコン基板
と同一符号1を用いる)から熱分離されるように支持さ
れた赤外線吸収部20とが形成されている。赤外線吸収部
20等の部分を含むn形エピタキシャル層2の表面にはシ
リコン酸化膜3が形成されている。
First, the structure of the infrared sensor will be described. In FIGS. 1 to 3, 1 is a p-type silicon substrate serving as a semiconductor substrate, 2 is an n-type epitaxial layer, and a part of the n-type epitaxial layer 2 and its lower part. Side p-type silicon substrate is removed by etching until the surface side,
A cantilever portion composed of a semiconductor resistance portion of a book and an infrared ray supported by the cantilever portion so as to be thermally separated from a substrate region (hereinafter, also referred to as a substrate region by the same reference numeral 1 as a p-type silicon substrate). The absorption section 20 is formed. Infrared absorber
A silicon oxide film 3 is formed on the surface of the n-type epitaxial layer 2 including portions such as 20.

片持梁部の各ビームは、それぞれシリコン酸化物3、
3aで包まれたp形半導体抵抗4及びn形半導体抵抗5で
形成され、これらのp形半導体抵抗4及びn形半導体抵
抗5が、コンタクト部6を介して配線層7により交互に
直列接続されて2対のサーモカップルからなるサーモパ
イル10が構成されている。n形半導体抵抗5は、エッチ
ングにより形成されたn形エピタキシャル層2のビーム
状部分をp+素子分離拡散領域8を用いて分離することに
より形成されている。
Each of the beams in the cantilever portion is made of silicon oxide 3,
3a is formed by a p-type semiconductor resistor 4 and an n-type semiconductor resistor 5, and these p-type semiconductor resistor 4 and n-type semiconductor resistor 5 are alternately connected in series by a wiring layer 7 via a contact portion 6. The thermopile 10 consists of two pairs of thermocouples. The n-type semiconductor resistor 5 is formed by separating the beam-shaped portion of the n-type epitaxial layer 2 formed by etching using the p + element separation diffusion region 8.

また、赤外線吸収部20は、p+素子分離拡散領域8及び
p+埋込層9で囲まれたn形エピタキシャル層2の島状領
域上にシリコン酸化膜3を介してカーボンブラック等の
赤外線吸収層11が被着されることにより形成されてい
る。
In addition, the infrared absorption section 20 includes the p + element isolation diffusion region 8 and
It is formed by depositing an infrared absorption layer 11 of carbon black or the like on the island-shaped region of the n-type epitaxial layer 2 surrounded by the p + buried layer 9 via the silicon oxide film 3.

次いで、第4図を用いて製造方法の一例を説明するこ
とにより、その構成をさらに詳述する。なお、以下の説
明において、(a)〜(d)の各項目記号は第4図の
(a)〜(d)のそれぞれに対応する。
Next, an example of the manufacturing method will be described with reference to FIG. 4 to further describe the configuration thereof. In the following description, the item symbols (a) to (d) correspond to the items (a) to (d) in FIG. 4, respectively.

(a) (100)面のp形シリコン基板1を準備し、そ
の主面にp+埋込層9を形成後、n形エピタキシャル層2
を成長させ、このn形エピタキシャル層2にp+素子分離
拡散領域8とp形半導体抵抗4となるp形拡散領域とを
順次形成する。次に、サーモパイル10を構成するシリコ
ン酸化膜3、3aで包まれた半導体抵抗ビームからなる片
持梁部を次のようにして作製する。
(A) A p-type silicon substrate 1 having a (100) plane is prepared, a p + buried layer 9 is formed on the main surface thereof, and then an n-type epitaxial layer 2 is formed.
Is grown, and ap + element isolation diffusion region 8 and a p-type diffusion region to be the p-type semiconductor resistor 4 are sequentially formed in the n-type epitaxial layer 2. Next, a cantilever portion composed of a semiconductor resistance beam surrounded by the silicon oxide films 3 and 3a constituting the thermopile 10 is manufactured as follows.

即ち、n形エピタキシャル層2の表面に形成したシリ
コン酸化膜3上に耐酸化膜としてシリコン窒化膜12をLP
CVDにより堆積し、さらに反応性イオンエッチング(RI
E)のマスクとしてシリコン酸化膜13をCVDにより堆積し
て3層膜とする。
That is, the silicon nitride film 12 is formed as an oxidation resistant film on the silicon oxide film 3 formed on the surface of the n-type epitaxial layer 2 by LP.
It is deposited by CVD and then reactive ion etching (RI
A silicon oxide film 13 is deposited by CVD as a mask of E) to form a three-layer film.

(b) 上記の3層膜を所要のパターンにパターニング
し、RIEによりSiのエッチングを行い、垂直な溝14を<1
10>方向に沿って形成する。
(B) The above three-layer film is patterned into a required pattern, and Si is etched by RIE to form a vertical groove 14 <1.
Formed along the 10> direction.

(c) 溝14の内面をKOH等のアルカリ系異方性エッチ
ング液でエッチングする。アルカリ系異方性エッチング
液でエッチングすると、(111)面で囲まれた菱形状の
断面になるまでエッチングが進行し、そこでエッチング
が停止する。これは(111)面のエッチング速度が極め
て遅いためである。このとき断面形状が逆三角形の半導
体抵抗ビームの幅は溝14のエッチング深さを調整するこ
とにより容易に制御することができる。
(C) The inner surface of the groove 14 is etched with an alkaline anisotropic etching solution such as KOH. When etching is performed with an alkaline anisotropic etching solution, the etching proceeds until the diamond-shaped cross section surrounded by the (111) plane is reached, and the etching is stopped there. This is because the etching rate of the (111) plane is extremely slow. At this time, the width of the semiconductor resistance beam whose cross-sectional shape is an inverted triangle can be easily controlled by adjusting the etching depth of the groove 14.

(d) くびれ部が完全にシリコン酸化膜3aになるまで
酸化処理を行い、その上側に酸化膜分離された三角柱状
の単結晶シリコン領域からなるp形及びn形の半導体抵
抗4、5を形成する。
(D) Oxidation treatment is performed until the constricted portion is completely formed into the silicon oxide film 3a, and p-type and n-type semiconductor resistors 4 and 5 composed of triangular pillar-shaped single-crystal silicon regions separated by the oxide film are formed on the upper side thereof. To do.

このあと、シリコン窒化膜12を除去して、コンタクト
エッチング、n形半導体抵抗5及びp形半導体抵抗4へ
のオーミックをとるためのn+又はp+のコンタクト部イオ
ン注入(図示せず)、配線層7の形成を行う。最後に、
裏面からシリコン窒化膜をマスクとしてKOH等のアリカ
リ系異方性エッチング液でシリコン基板1を表面側へ到
るまでエッチングすることにより、第1図〜第3図に示
すような構造の赤外線センサを得る。ここでp形及びn
形の半導体抵抗4、5の部分はシリコン酸化膜3aで囲ま
れていることにより、また、赤外線吸収部20はp+領域
8、9で囲まれていることにより、ともにエッチングさ
れず、ビーム状の半導体抵抗部からなる片持梁及びこれ
に支持された赤外線吸収部20が形成される。
After that, the silicon nitride film 12 is removed, contact etching, n + or p + contact portion ion implantation (not shown) for taking ohmic contact with the n-type semiconductor resistor 5 and the p-type semiconductor resistor 4, wiring The layer 7 is formed. Finally,
By etching the silicon substrate 1 from the back side to the front side with an anisotropic anisotropic etching solution such as KOH using the silicon nitride film as a mask, an infrared sensor having a structure as shown in FIGS. 1 to 3 is obtained. obtain. Where p-type and n
Since the semiconductor resistors 4 and 5 of the shape are surrounded by the silicon oxide film 3a and the infrared absorption portion 20 is surrounded by the p + regions 8 and 9, neither of them is etched and the beam shape is changed. The cantilever composed of the semiconductor resistance part and the infrared absorbing part 20 supported by the cantilever are formed.

次に、上述のように構成された赤外線センサの作用を
説明する。
Next, the operation of the infrared sensor configured as described above will be described.

赤外線吸収部20へ赤外線が入射すると、そのエネルギ
ーが熱に変換されて温度上昇し、基到領域1との間に温
度差が生じる。この温度差によりサーモパイル10の両端
7a、7bに出力起電力V0が生じる。このとき、その起電力
V0は、前記(1)式に示したように、片持梁部の熱抵抗
R0に比例して大になる。そして、この実施例では、片持
梁部が複数本の半導体抵抗ビームで構成されて熱抵抗R0
が極めて大なる値とされることにより、起電力V0が増大
して赤外線の検出感度が顕著に高められる。
When infrared rays enter the infrared absorption section 20, the energy is converted into heat and the temperature rises, and a temperature difference occurs between the infrared ray absorption section 20 and the base region 1. Due to this temperature difference, both ends of the thermopile 10
An output electromotive force V 0 is generated at 7a and 7b. At this time, the electromotive force
V 0 is the thermal resistance of the cantilever, as shown in the equation (1).
It increases in proportion to R 0 . Further, in this embodiment, the cantilever portion is composed of a plurality of semiconductor resistance beams, and the thermal resistance R 0
Is set to an extremely large value, the electromotive force V 0 is increased and the infrared detection sensitivity is significantly improved.

即ち、いま片持梁部の長さL=2mm、サーモパイル10
が10対の半導体抵抗ビームからなり、各ビームの幅が10
μmであるとする。ここでシリコン酸化膜3、3aによる
熱伝導は、SiO2の熱伝導率を0.014(W/cm・K)とする
と、その値はSiの熱伝導率と比較してほぼ2桁も小さい
こと、さらにその膜厚が1μm程度と薄いことから無視
することができる。したがって片持梁部の熱抵抗R0は次
式のような値となる。
That is, the length L of the cantilever portion is 2 mm, and the thermopile 10
Consists of 10 pairs of semiconductor resistive beams, each beam having a width of 10
μm. Here, regarding the heat conduction by the silicon oxide films 3 and 3a, assuming that the heat conductivity of SiO 2 is 0.014 (W / cm · K), that value is about two orders of magnitude smaller than that of Si. Furthermore, since the film thickness is as thin as about 1 μm, it can be ignored. Therefore, the thermal resistance R 0 of the cantilever beam has the following value.

R0=0.2/〔1.41×(10×5・tan54.74゜ ×1/2)×10-8×20〕 =2.02×106(K/W) このように、この実施例の片持梁部の熱抵抗R0は従来
のものと比べると極めて大になり、非常に高い熱変換効
率が得られて赤外線の検出感度が顕著に高められる。
R 0 = 0.2 / [1.41 × (10 × 5 · tan 54.74 ° × 1/2) × 10 −8 × 20] = 2.02 × 10 6 (K / W) Thus, the cantilever of this embodiment is used. The thermal resistance R 0 of the portion becomes extremely large as compared with the conventional one, and a very high heat conversion efficiency is obtained, and the infrared detection sensitivity is remarkably enhanced.

なお、第1図では、半導体抵抗ビームの数を4本とし
て2対のサーモカップルによりサーモパイル10を構成し
たが、サーモカップルの対数を増すことによりサーモパ
イルの出力を増大して赤外線の検出感度を一層高めるこ
とができる。
In FIG. 1, the thermopile 10 is composed of two pairs of thermocouples with four semiconductor resistance beams, but the thermopile output is increased by increasing the number of thermocouples to further increase the infrared detection sensitivity. Can be increased.

次いで、第5図には、この発明の他の実施例を示す。 Next, FIG. 5 shows another embodiment of the present invention.

なお、第5図において前記第1図等における部材及び
部位等と同一ないし均等のものは、前記と同一符号を以
って示し、重複した説明を省略する。
In FIG. 5, the same or equivalent members and parts as those in FIG. 1 and the like are designated by the same reference numerals, and the duplicated description will be omitted.

この実施例の赤外線センサは、赤外線検出部20の両側
と、これとそれぞれ対向する基板領域1との間に、熱分
離構造部を兼ねた2組のサーモパイル10a、10bが形成さ
れ、これらのサーモパイル10a、10bが電気的に直列接続
されている。
In the infrared sensor of this embodiment, two sets of thermopiles 10a and 10b, which also serve as a heat separating structure, are formed between both sides of the infrared detecting section 20 and the substrate region 1 facing each other. 10a and 10b are electrically connected in series.

この実施例では、熱分離構造部の熱抵抗が半分にな
り、サーモカップルの数が2倍になるので感度は変らな
いが、機械的強度を大にすることができる。
In this embodiment, the thermal resistance of the thermal isolation structure is halved and the number of thermocouples is doubled, so the sensitivity does not change, but the mechanical strength can be increased.

なお、上記構成の他に、赤外線検出部20の4辺と基板
領域1との間に4組のサーモパイルを形成することもで
きる。
In addition to the above configuration, four sets of thermopiles can be formed between the four sides of the infrared detection unit 20 and the substrate region 1.

また、上述の各実施例は、p形シリコン基板−n形エ
ピタキシャル層の構造となっているので、同一基板上に
他のバイポーラ素子等を集積することができ、周辺回路
を一体化したスマートセンサ化を容易に実現することが
できる。
In addition, each of the above-described embodiments has a structure of a p-type silicon substrate-n-type epitaxial layer, so that other bipolar devices and the like can be integrated on the same substrate, and a smart sensor in which peripheral circuits are integrated. Can be easily realized.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明に係る赤外線センサによ
れば、サーモパイルは、1又は2以上の対のp形半導体
抵抗部及びn形半導体抵抗部を交互に直列接続して形成
されているので、p形半導体抵抗部及びn形半導体抵抗
部の両ゼーベック効果が利用される。ここで、サーモパ
イルの端末間に生じる温度差に対する熱起電力は、前記
2種類の抵抗部のゼーベック係数の和と、赤外線の入射
エネルギー等との積に関連して求められるので、従来一
方の導電形半導体抵抗層のゼーベック効果のみを利用し
ていたのに比して、サーモパイルの端末間に生じる温度
差に対する熱起電力の変換効率が格段に向上する。
[Effects of the Invention] As described above, according to the infrared sensor of the present invention, the thermopile is formed by alternately connecting in series one or more pairs of p-type semiconductor resistor portions and n-type semiconductor resistor portions. Therefore, both Seebeck effects of the p-type semiconductor resistance part and the n-type semiconductor resistance part are utilized. Here, the thermoelectromotive force with respect to the temperature difference generated between the terminals of the thermopile is obtained in relation to the product of the sum of the Seebeck coefficients of the two types of resistance portions and the incident energy of infrared rays, etc. The conversion efficiency of the thermoelectromotive force with respect to the temperature difference generated between the terminals of the thermopile is significantly improved, as compared with the case where only the Seebeck effect of the semiconductor resistance layer is used.

しかも、前記各抵抗部を直列接続したことによる赤外
線センサの高感度比に加えて、サーモパイルを、半導体
基板の基板領域と、この基板領域から空間を隔てて熱分
離するように形成した赤外線吸収部との間を、それぞれ
が柱状に形成され、幅方向にわたり相互に空間を隔てて
交互に配置された1又は2以上の対のp形半導体抵抗部
及びn形半導体抵抗部で架け渡すように構成したので、
p形半導体抵抗部及びn形半導体抵抗部は相互に空間を
隔てて熱分離され、サーモパイルの端末間に生じる熱抵
抗が十分に大なる値とされて、したがって、赤外線の単
位入射量に対するサーモパイルの端末間に生じる温度差
が大となり、この結果、赤外線センサのさらなる高感度
化が実現されるというきわめて優れた効果を奏する。
Moreover, in addition to the high sensitivity ratio of the infrared sensor due to the series connection of the resistance parts, the thermopile is formed into a substrate region of the semiconductor substrate and an infrared absorption part formed so as to separate heat from the substrate region with a space. And a pair of p-type semiconductor resistance portions and n-type semiconductor resistance portions, which are formed in a columnar shape and are alternately arranged in the width direction with a space therebetween. Because I did
The p-type semiconductor resistance part and the n-type semiconductor resistance part are thermally separated from each other with a space therebetween, and the thermal resistance generated between the terminals of the thermopile is set to a sufficiently large value. The temperature difference between the terminals becomes large, and as a result, an extremely excellent effect is achieved that the sensitivity of the infrared sensor is further increased.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図ないし第4図はこの発明に係る赤外線センサの一
実施例を示すもので、第1図は平面図、第2図は第1図
のA−A線断面図、第3図は第1図のB−B線断面図、
第4図は製造工程の一例を示す工程図、第5図はこの発
明の第2実施例を示す平面図、第6図は従来の赤外線セ
ンサの縦断面、第7図は同上従来例の平面図である。 1:p形シリコン基板(半導体基板)、 2:n形エピタキシャル層、 4:p形半導体抵抗、 5:n形半導体抵抗、 10、10a、10b:サーモパイル、 20:赤外線吸収部。
1 to 4 show an embodiment of an infrared sensor according to the present invention. FIG. 1 is a plan view, FIG. 2 is a sectional view taken along the line AA of FIG. 1, and FIG. 1 is a sectional view taken along line BB of FIG.
FIG. 4 is a process drawing showing an example of the manufacturing process, FIG. 5 is a plan view showing a second embodiment of the present invention, FIG. 6 is a longitudinal section of a conventional infrared sensor, and FIG. It is a figure. 1: p type silicon substrate (semiconductor substrate), 2: n type epitaxial layer, 4: p type semiconductor resistor, 5: n type semiconductor resistor, 10, 10a, 10b: thermopile, 20: infrared absorption part.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板の基板領域と、この基板領域か
ら空間を隔てて熱分離するように形成した赤外線吸収部
との間を、それぞれが柱状に形成され、幅方向にわたり
相互に空間を隔てて交互に配置された1又は2以上の対
のp形半導体抵抗部及びn形半導体抵抗部で架け渡すよ
うに構成するとともに、 当該p形半導体抵抗部及びn形半導体抵抗部を交互に直
列接続してサーモパイルを形成してなることを特徴とす
る赤外線センサ。
1. A substrate region of a semiconductor substrate and an infrared absorbing portion formed so as to be thermally separated from the substrate region with a space therebetween, each having a columnar shape and having a space therebetween in the width direction. And one or more pairs of p-type semiconductor resistance parts and n-type semiconductor resistance parts arranged alternately, and the p-type semiconductor resistance parts and n-type semiconductor resistance parts are alternately connected in series. An infrared sensor characterized by being formed into a thermopile.
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