JP3422150B2 - 赤外線検知素子 - Google Patents
赤外線検知素子Info
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- JP3422150B2 JP3422150B2 JP29826295A JP29826295A JP3422150B2 JP 3422150 B2 JP3422150 B2 JP 3422150B2 JP 29826295 A JP29826295 A JP 29826295A JP 29826295 A JP29826295 A JP 29826295A JP 3422150 B2 JP3422150 B2 JP 3422150B2
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- Japan
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- thermopile
- infrared
- membrane
- thermal resistance
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- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、サーモパイル型
赤外線検知素子の応答速度向上に関する。
赤外線検知素子の応答速度向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】 従来のサーモパイル型赤外線検知素子
は、図６（特開平３−２７６７７２号公報より）に示す
ようなものであった。金属、半導体、及び絶縁物からな
るサーモパイル１を支持し、かつ、シリコンエッチング
液に対し耐腐食性を持ちストッパーとして働く窒化膜２
と、前記サーモパイル１をシリコンエッチング液から保
護する酸化膜３と、前記薄膜を周囲から支持しているシ
リコン基板５からなるメンブレン構造を有する。薄膜の
上面で対角線状に開いている細長いスリット状の一本の
孔２０は、シリコン基板５をエッチングして空洞を作る
ために必要な孔で、エッチング液を浸入させるためのも
のである。前記サーモパイル１は２種類のポリシリコン
６，７をアルミ等の金属からなる接点部８を介し、交互
に接続したものである。ポリシリコン６，７は上記の薄
膜とシリコン基板５との境界で細くなっており、サーモ
パイル１の熱伝導を低く抑えて、薄膜からシリコン基板
５への熱の逃げを少なくしている。
は、図６（特開平３−２７６７７２号公報より）に示す
ようなものであった。金属、半導体、及び絶縁物からな
るサーモパイル１を支持し、かつ、シリコンエッチング
液に対し耐腐食性を持ちストッパーとして働く窒化膜２
と、前記サーモパイル１をシリコンエッチング液から保
護する酸化膜３と、前記薄膜を周囲から支持しているシ
リコン基板５からなるメンブレン構造を有する。薄膜の
上面で対角線状に開いている細長いスリット状の一本の
孔２０は、シリコン基板５をエッチングして空洞を作る
ために必要な孔で、エッチング液を浸入させるためのも
のである。前記サーモパイル１は２種類のポリシリコン
６，７をアルミ等の金属からなる接点部８を介し、交互
に接続したものである。ポリシリコン６，７は上記の薄
膜とシリコン基板５との境界で細くなっており、サーモ
パイル１の熱伝導を低く抑えて、薄膜からシリコン基板
５への熱の逃げを少なくしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】 上述した従来の赤外
線検知素子は、温接点近傍と冷接点近傍のサーモパイル
幅が同一でメンブレン端でサーモパイル幅が最も細い構
造のために、幅が均一なサーモパイルに比べると素子全
体の熱抵抗は大きくなり感度は増加するが応答速度は低
下する。逆に、幅が均一なサーモパイルと全熱抵抗が同
じになるように形成した場合、即ち感度が同じになるよ
うに設計した場合において、従来例では応答速度はほと
んど改善されない。つまり、応答速度と感度は相反する
要素であり従来例では応答速度を犠牲にして感度を大き
くしているのであって、感度を上昇させる方法を示して
はいるが、素子特性の本質的な改善にはなっていない。
線検知素子は、温接点近傍と冷接点近傍のサーモパイル
幅が同一でメンブレン端でサーモパイル幅が最も細い構
造のために、幅が均一なサーモパイルに比べると素子全
体の熱抵抗は大きくなり感度は増加するが応答速度は低
下する。逆に、幅が均一なサーモパイルと全熱抵抗が同
じになるように形成した場合、即ち感度が同じになるよ
うに設計した場合において、従来例では応答速度はほと
んど改善されない。つまり、応答速度と感度は相反する
要素であり従来例では応答速度を犠牲にして感度を大き
くしているのであって、感度を上昇させる方法を示して
はいるが、素子特性の本質的な改善にはなっていない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】 本発明では、応答速度
を犠牲にすることなく感度の向上を図る、言い換えると
同じ感度の素子で応答速度を向上させることを可能とし
ている。
を犠牲にすることなく感度の向上を図る、言い換えると
同じ感度の素子で応答速度を向上させることを可能とし
ている。
【０００５】具体的には、サーモパイルの熱抵抗を変化
させる部位をメンブレン端ではなく、シリコン基板上に
設けられた冷接点の極近傍に設け、冷接点近傍の熱抵抗
をメンブレン上にある温接点近傍の熱抵抗よりも大きく
する。熱抵抗を変化させるには、従来例で用いられてい
るサーモパイルの幅を変化させるばかりではなくサーモ
パイルの厚み及び熱伝導率を変えることによっても達成
できる。本発明の効果を最大限に生かすためには熱抵抗
を温接点近傍から冷接点近傍への単調増加にするとよ
い。
させる部位をメンブレン端ではなく、シリコン基板上に
設けられた冷接点の極近傍に設け、冷接点近傍の熱抵抗
をメンブレン上にある温接点近傍の熱抵抗よりも大きく
する。熱抵抗を変化させるには、従来例で用いられてい
るサーモパイルの幅を変化させるばかりではなくサーモ
パイルの厚み及び熱伝導率を変えることによっても達成
できる。本発明の効果を最大限に生かすためには熱抵抗
を温接点近傍から冷接点近傍への単調増加にするとよ
い。
【０００６】
【発明の実施の形態】まず、発明の作用について説明す
る。本発明の赤外線検知素子に赤外線が入射すると、こ
の赤外線はメンブレンの上の赤外線吸収膜（吸収層）に
よって吸収される。この時、メンブレンの厚さが薄いの
で熱抵抗が高くメンブレンの中心部を頂点とする温度勾
配が生じる。そして、メンブレン上に設けられた温接点
とシリコン基板上の冷接点との間に温度差が生じ、ゼー
ベック効果によって起電力が生じる。本発明では、サー
モパイルにｐ型及びｎ型のポリシリコンを用い、それら
を直列接続して熱起電力の総和を出力としているので高
感度な検出が可能となっている。
る。本発明の赤外線検知素子に赤外線が入射すると、こ
の赤外線はメンブレンの上の赤外線吸収膜（吸収層）に
よって吸収される。この時、メンブレンの厚さが薄いの
で熱抵抗が高くメンブレンの中心部を頂点とする温度勾
配が生じる。そして、メンブレン上に設けられた温接点
とシリコン基板上の冷接点との間に温度差が生じ、ゼー
ベック効果によって起電力が生じる。本発明では、サー
モパイルにｐ型及びｎ型のポリシリコンを用い、それら
を直列接続して熱起電力の総和を出力としているので高
感度な検出が可能となっている。
【０００７】素子の感度Ｒは、次の式によって決定され
る。
る。
【０００８】
【式１】
【０００９】ここで、Ｓ：信号出力、Ｐd ：入射エネル
ギー、ｎ：対数、α：ゼーベック係数、Ｒth：熱抵抗、
Ｐ：実効エネルギーである。この式は、感度は熱抵抗に
比例することを示している。一方、応答速度は熱時定数
Ｔの逆数であり次の式で表される。
ギー、ｎ：対数、α：ゼーベック係数、Ｒth：熱抵抗、
Ｐ：実効エネルギーである。この式は、感度は熱抵抗に
比例することを示している。一方、応答速度は熱時定数
Ｔの逆数であり次の式で表される。
【００１０】
【式２】
【００１１】ここで、Ｃth：熱容量である。感度を向上
させるために熱抵抗を大きくするのにしたがって応答速
度は低下し両立は難しい。
させるために熱抵抗を大きくするのにしたがって応答速
度は低下し両立は難しい。
【００１２】図５に通常の方法、従来例及び本発明の方
法の（Ａ）に示す熱等価回路モデルによるステップ応答
の比較計算を行った結果を（Ｂ）に示す。同一感度で比
較するために全体の熱抵抗はすべて同じにした。
法の（Ａ）に示す熱等価回路モデルによるステップ応答
の比較計算を行った結果を（Ｂ）に示す。同一感度で比
較するために全体の熱抵抗はすべて同じにした。
【００１３】熱容量は、熱抵抗の大きい即ち断面積が小
さいところでは小さく、熱抵抗の小さい即ち断面積が大
きいところでは大きく設定している。ここで、通常の方
法とは、サーモパイルの熱抵抗を場所によらず均一に設
計、即ちサーモパイルの幅及び厚みを一定にする方法を
いい、本発明の方法は熱抵抗を温接点から冷接点への単
調増加にしている。従来例が通常の方法とほぼ等しい応
答速度であるのに対して本発明の方法によると熱時定数
を大きく向上させることが可能となる。また、この例か
らも明らかなように熱抵抗が温接点から冷接点への単調
増加とする方法が最も効果が大きい。
さいところでは小さく、熱抵抗の小さい即ち断面積が大
きいところでは大きく設定している。ここで、通常の方
法とは、サーモパイルの熱抵抗を場所によらず均一に設
計、即ちサーモパイルの幅及び厚みを一定にする方法を
いい、本発明の方法は熱抵抗を温接点から冷接点への単
調増加にしている。従来例が通常の方法とほぼ等しい応
答速度であるのに対して本発明の方法によると熱時定数
を大きく向上させることが可能となる。また、この例か
らも明らかなように熱抵抗が温接点から冷接点への単調
増加とする方法が最も効果が大きい。
【００１４】次に、実施の形態について説明する。
a)実施の形態１（サーモパイルの幅のみを変化させる方
法） 図１に本発明にかかる赤外線検知素子の実施の形態１を
示す。同図（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。実
施の形態１の赤外線検知素子はシリコン（１００）基板
５の主平面上にメンブレン膜となる厚さ１００ｎｍ〜３
００ｎｍ程度の窒化膜２を被覆形成している。
法） 図１に本発明にかかる赤外線検知素子の実施の形態１を
示す。同図（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。実
施の形態１の赤外線検知素子はシリコン（１００）基板
５の主平面上にメンブレン膜となる厚さ１００ｎｍ〜３
００ｎｍ程度の窒化膜２を被覆形成している。
【００１５】この上には、ｐ型ポリシリコン６とｎ型ポ
リシリコン７からなるサーモパイル１が形成されてい
る。さらに、表面を保護するために酸化膜３が形成され
るが、温接点１３及び冷接点１４の部分ではｐ型ポリシ
リコン６とｎ型ポリシリコン７を相互に接続するために
コンタクトホールが形成される。このコンタクトホール
を介してアルミ８によって順次接続され全体として一つ
のサーモパイルとなる。再度酸化膜８で被覆保護し、そ
の上の温接点１３より中心部に吸収膜４が形成される。
リシリコン７からなるサーモパイル１が形成されてい
る。さらに、表面を保護するために酸化膜３が形成され
るが、温接点１３及び冷接点１４の部分ではｐ型ポリシ
リコン６とｎ型ポリシリコン７を相互に接続するために
コンタクトホールが形成される。このコンタクトホール
を介してアルミ８によって順次接続され全体として一つ
のサーモパイルとなる。再度酸化膜８で被覆保護し、そ
の上の温接点１３より中心部に吸収膜４が形成される。
【００１６】このｐ型ポリシリコン６及びｎ型ポリシリ
コン７は、温接点１３から冷接点１４に向かってだんだ
んと幅が狭くなっているので冷接点１４近傍の熱抵抗が
温接点１３近傍に比べて大きくなっている。
コン７は、温接点１３から冷接点１４に向かってだんだ
んと幅が狭くなっているので冷接点１４近傍の熱抵抗が
温接点１３近傍に比べて大きくなっている。
【００１７】以上の部分を形成した後にメンブレンとな
るべき窒化膜２にはサーモパイル１の存在しない部分に
エッチング孔１２を形成する。このエッチング孔１２
は、ドライエッチング法によってシリコン基板５表面が
露出する深さにしておく。この状態でヒドラジン等の異
方性エッチング液によりエッチングを行う。メンブレン
１０になる部分の窒化膜２と基板５の間にはあらかじめ
ポリシリコン犠牲層が形成されているために図のごとく
所望のメンブレンのパターンが形成される。なお、この
プロセスについては特許公開公報：昭６２−７６７８４
に詳しく記載されている。この異方性エッチングによっ
て基板が（１１１）面を側面とする四角錐を逆さまにし
た形状の熱分離領域１１が完成する。
るべき窒化膜２にはサーモパイル１の存在しない部分に
エッチング孔１２を形成する。このエッチング孔１２
は、ドライエッチング法によってシリコン基板５表面が
露出する深さにしておく。この状態でヒドラジン等の異
方性エッチング液によりエッチングを行う。メンブレン
１０になる部分の窒化膜２と基板５の間にはあらかじめ
ポリシリコン犠牲層が形成されているために図のごとく
所望のメンブレンのパターンが形成される。なお、この
プロセスについては特許公開公報：昭６２−７６７８４
に詳しく記載されている。この異方性エッチングによっ
て基板が（１１１）面を側面とする四角錐を逆さまにし
た形状の熱分離領域１１が完成する。
【００１８】このようにして形成された赤外線検知素子
のメンブレン１０の中心部にある吸収膜４に赤外線が入
射されると光吸収によって吸収膜４の温度が上昇する。
この熱は、熱伝導によって酸化膜３を介して温接点１３
のポリシリコン６，７の温度を上昇させる。温接点１３
下部には熱分離領域１１が形成されているために温接点
１３の熱はメンブレンのポリシリコン６，７や酸化膜１
３、窒化膜２のみを通じて伝わっていく。しかし、これ
らは薄いので熱抵抗が大きく冷接点１４にはなかなか伝
わらず両者の間には温度差が生じ、その結果ゼーベック
効果により起電力が生じる。ｐ型ポリシリコン６とｎ型
ポリシリコン７は交互に直列接続されているので出力端
子１６には熱起電力の総和が表れる。この出力電圧の大
小によって入射赤外線の強さを測定することができる。
のメンブレン１０の中心部にある吸収膜４に赤外線が入
射されると光吸収によって吸収膜４の温度が上昇する。
この熱は、熱伝導によって酸化膜３を介して温接点１３
のポリシリコン６，７の温度を上昇させる。温接点１３
下部には熱分離領域１１が形成されているために温接点
１３の熱はメンブレンのポリシリコン６，７や酸化膜１
３、窒化膜２のみを通じて伝わっていく。しかし、これ
らは薄いので熱抵抗が大きく冷接点１４にはなかなか伝
わらず両者の間には温度差が生じ、その結果ゼーベック
効果により起電力が生じる。ｐ型ポリシリコン６とｎ型
ポリシリコン７は交互に直列接続されているので出力端
子１６には熱起電力の総和が表れる。この出力電圧の大
小によって入射赤外線の強さを測定することができる。
【００１９】b)実施の形態２（サーモパイルの厚さのみ
を変化させる方法） 図２に示す実施の形態２は、サーモパイルの幅を一定に
して厚みによって熱抵抗を変化させる例である。（Ａ）
は平面図、（Ｂ）は断面図である。各部の要素、製造方
法及び効果の同一な部分の説明は省略する。この例で
は、サーモパイル幅を変化させる必要がないのでポリシ
リコン６，７やメンブレン１０の幅を最小限にすること
が可能である。従って、実施の形態１に比べて感度と応
答速度のより高いレベルでの両立が可能となる。ただ
し、厚みを変化させるためにポリシリコンをデポするプ
ロセスが複数回必要となるので工程数が増加する。
を変化させる方法） 図２に示す実施の形態２は、サーモパイルの幅を一定に
して厚みによって熱抵抗を変化させる例である。（Ａ）
は平面図、（Ｂ）は断面図である。各部の要素、製造方
法及び効果の同一な部分の説明は省略する。この例で
は、サーモパイル幅を変化させる必要がないのでポリシ
リコン６，７やメンブレン１０の幅を最小限にすること
が可能である。従って、実施の形態１に比べて感度と応
答速度のより高いレベルでの両立が可能となる。ただ
し、厚みを変化させるためにポリシリコンをデポするプ
ロセスが複数回必要となるので工程数が増加する。
【００２０】c)実施の形態３（サーモパイルとメンブレ
ンの幅のみを変化させる方法） 図３に示す実施の形態３は、サーモパイルのみならずメ
ンブレンの幅も変化させる例である。（Ａ）は平面図、
（Ｂ）は断面図である。各部の要素、製造方法並びに効
果の同一な部分の説明は省略する。熱は、サーモパイル
１のポリシリコン６，７ばかりを通じて流れるのではな
く酸化膜３や窒化膜２も流れる。サーモパイル１の熱抵
抗が高くこれらの構成部位を通じて流れる熱を無視する
ことができない場合にはメンブレン１０の幅も変化させ
て効果をより確実にする必要がある。メンブレン１０の
幅は、エッチング孔１２の形状によって決まるので図３
のごとく中心部でメンブレンの幅を広く、冷接点１４側
で狭くする。
ンの幅のみを変化させる方法） 図３に示す実施の形態３は、サーモパイルのみならずメ
ンブレンの幅も変化させる例である。（Ａ）は平面図、
（Ｂ）は断面図である。各部の要素、製造方法並びに効
果の同一な部分の説明は省略する。熱は、サーモパイル
１のポリシリコン６，７ばかりを通じて流れるのではな
く酸化膜３や窒化膜２も流れる。サーモパイル１の熱抵
抗が高くこれらの構成部位を通じて流れる熱を無視する
ことができない場合にはメンブレン１０の幅も変化させ
て効果をより確実にする必要がある。メンブレン１０の
幅は、エッチング孔１２の形状によって決まるので図３
のごとく中心部でメンブレンの幅を広く、冷接点１４側
で狭くする。
【００２１】d)実施の形態４（サーモパイルの熱伝導率
を変化させる方法） 図４に示す実施の形態４は、サーモパイルの熱伝導率を
変化させる例である。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図
である。各部の要素、製造方法並びに効果の同一な部分
の説明は省略する。熱抵抗を変化させるには形状を変化
させるのではなく熱伝導率を変化させる方法も可能であ
る。熱伝導率を変化させるには、ポリシリコン６，７の
グレインサイズを変化させる方法が最も効果がある。グ
レインサイズが大きくなるにつれて熱伝導率が大きくな
るので、温接点１３に近い部位ではグレインサイズを大
きく、冷接点１４近傍ではグレインサイズを小さくす
る。場所によってグレインサイズを変化させるには温接
点１３に種結晶を形成しておき、温接点１３から冷接点
１４へ向けて固相成長させる方法がよい。種結晶からの
距離が大きくなるにつれて種結晶の結晶性が反映されに
くくなり、冷接点１４の近傍ではグレインサイズが小さ
くなる。ただし、この方法では熱抵抗は場所によって変
化していくが熱容量はほとんど変化しないので応答速度
が向上する割合はこれまでの実施例の形態に比べて小さ
くなる。
を変化させる方法） 図４に示す実施の形態４は、サーモパイルの熱伝導率を
変化させる例である。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図
である。各部の要素、製造方法並びに効果の同一な部分
の説明は省略する。熱抵抗を変化させるには形状を変化
させるのではなく熱伝導率を変化させる方法も可能であ
る。熱伝導率を変化させるには、ポリシリコン６，７の
グレインサイズを変化させる方法が最も効果がある。グ
レインサイズが大きくなるにつれて熱伝導率が大きくな
るので、温接点１３に近い部位ではグレインサイズを大
きく、冷接点１４近傍ではグレインサイズを小さくす
る。場所によってグレインサイズを変化させるには温接
点１３に種結晶を形成しておき、温接点１３から冷接点
１４へ向けて固相成長させる方法がよい。種結晶からの
距離が大きくなるにつれて種結晶の結晶性が反映されに
くくなり、冷接点１４の近傍ではグレインサイズが小さ
くなる。ただし、この方法では熱抵抗は場所によって変
化していくが熱容量はほとんど変化しないので応答速度
が向上する割合はこれまでの実施例の形態に比べて小さ
くなる。
【００２２】
【発明の効果】 以上説明してきたように本発明によれ
ば従来不可能であった感度と応答速度の両立が可能とな
った。
ば従来不可能であった感度と応答速度の両立が可能とな
った。
【図１】本発明の実施の形態１を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態４を示す図である。
【図５】本発明の作用の説明図である。
【図６】本発明の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１ サーモパイル
２ 窒化膜
３ 酸化膜
４ 吸収層
５ シリコン基板
６ ｐ型ポリシリコン
７ ｎ型ポリシリコン
８ アルミ
１０ メンブレン
１１ 熱分離領域
１２ エッチング孔
１３ 温接点
１４ 冷接点
Claims (5)
- 【請求項１】 半導体基板と、 該半導体基板の主平面上に形成されたメンブレンと、 該メンブレン下部の半導体基板の一部を除去して形成さ
れた熱分離領域と、 前記メンブレン上に少なくとも一つの接点Ａを有し、且
つ、前記半導体基板上に少なくとも一つの接点Ｂを有す
るサーモパイルを具備し、前記接点Ａと接点Ｂの温度差
に基づいて赤外線入射量を検知する赤外線検知素子にお
いて、前記 メンブレン上の、赤外線を検出する吸収層以外の領
域において、単位長さあたりの熱抵抗が、前記接点Ａか
ら接点Ｂに向けて単調増加となっていることを特徴とす
る赤外線検知素子。 - 【請求項２】 請求項１記載の赤外線検知素子におい
て、前記 サーモパイルの熱抵抗、及び前記メンブレンの熱抵
抗のうちの、少なくとも一方が、前記接点Ａから接点Ｂ
に向けて単調増加となっていることを特徴とする赤外線
検知素子。 - 【請求項３】 請求項１記載の赤外線検知素子におい
て、前記接点Ａ近傍のサーモパイルの断面積が、前記接点Ｂ
近傍のサーモパイルの断面積に比べて大きい ことを特徴
とする赤外線検知素子。 - 【請求項４】 請求項１記載の赤外線検知素子におい
て、メンブレン上の断面積が前記接点Ａ近傍から前記接点Ｂ
近傍への単調減少になっている ことを特徴とする赤外線
検知素子。 - 【請求項５】 請求項１記載の赤外線検知素子におい
て、前記接点Ａ近傍のサーモパイルの熱伝導率が前記接点Ｂ
近傍のサーモパイルの熱伝導率に比べて大きい ことを特
徴とする赤外線検知素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29826295A JP3422150B2 (ja) | 1995-11-16 | 1995-11-16 | 赤外線検知素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29826295A JP3422150B2 (ja) | 1995-11-16 | 1995-11-16 | 赤外線検知素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09138164A JPH09138164A (ja) | 1997-05-27 |
| JP3422150B2 true JP3422150B2 (ja) | 2003-06-30 |
Family
ID=17857358
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29826295A Expired - Lifetime JP3422150B2 (ja) | 1995-11-16 | 1995-11-16 | 赤外線検知素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3422150B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3809718B2 (ja) * | 1997-12-26 | 2006-08-16 | 日産自動車株式会社 | 赤外線検知素子 |
| JP3812881B2 (ja) * | 2000-11-22 | 2006-08-23 | 株式会社アイ・エイチ・アイ・エアロスペース | 赤外線検出素子 |
-
1995
- 1995-11-16 JP JP29826295A patent/JP3422150B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH09138164A (ja) | 1997-05-27 |
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