JP3590952B2 - Temperature detector and thermal infrared detector - Google Patents

Description

この数１式中の半導体ダイオード４２の抵抗値Ｒ_ｄ は、半導体ダイオード４２の消費電流をＩ_ｄ とした場合、一定電圧Ｖ_ｉｎ及び消費電流Ｉ_ｄ の間でＲ_ｄ ＝Ｖ_ｉｎ／Ｉ_ｄ なる関係が成立する。
【０００６】
又、この温度検出装置においては、オペアンプ（Ａ）４３の出力側からの出力電圧Ｖ_ｏｕｔ のＳＮ比（信号／雑音の比）を高くすることが要求されているが、ここで出力電圧Ｖ_ｏｕｔ のノイズとして熱的ノイズであるジョンソンノイズだけを考えると、ノイズは半導体ダイオード４２の抵抗値Ｒ_ｄ の平方根とオペアンプ（Ａ）４３の倍率との積に比例するため、ノイズの値Ｖ_{ｎｏｉｓｅ} は、比例定数をａとすると、以下の数２式の関係で表わされる。
【０００７】
【数２】

よって、ＳＮ比は上述した数１式及び数２式により、以下の数３式のような関係で表わすことができる。
【０００８】
【数３】

一般的に、こうした温度検出装置では、半導体ダイオード４２の電流−電圧特性により、順方向バイアスにおいて一定電圧Ｖ_ｉｎを大きくすれば抵抗値Ｒ_ｄ が指数関数的に小さくなるので、こうした場合、数３式により一定電圧Ｖ_ｉｎが大きい程、ＳＮ比を大きくすることができる。
【０００９】
因みに、上述した温度検出装置は、半導体ダイオード４２が基板に形成された半導体領域に設けられるものとしたが、この半導体ダイオード４２を赤外線の受光用とした上、半導体ダイオード４２に対して所定の範囲で一定な順方向のバイアス電圧を印加する構成とすれば、赤外線を受光した半導体ダイオード４２から得られる温度変化に応じた順方向の電流変化に基づいて赤外線受光量の検出が可能な熱型赤外線検出装置として構成される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した温度検出装置（熱型赤外線検出装置）の場合、半導体ダイオードの順方向バイアスにおいて一定電圧Ｖ_ｉｎを大きくすればＳＮ比を改善できるが、実際には電流の指数関数的な上昇、及び消費電力や発熱の問題で通常半導体ダイオード１個にかけられる電圧は最大でも半導体ダイオードの立ち上がり電圧である０．６〜０．８［Ｖ］程度であるため、ＳＮ比を高くするには限界があり、十分にＳＮ比を改善できないという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、十分にＳＮ比を改善できる構成の温度検出装置及び熱型赤外線検出装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、基板に形成された半導体領域に設けられた半導体ダイオードに所定の範囲で一定な順方向のバイアス電圧を印加したときに該半導体ダイオードから得られる順方向の電流変化に基づいて温度検出を可能に構成された温度検出装置において、半導体ダイオードは、装置の温度検出時にジョンソンノイズを低減させてＳ／Ｎ比を改善できるように略同一特性の所定数のものが直列接続されて直列接続ダイオード回路部を成して半導体領域に設けられており、直列接続ダイオード回路部に対して一定な順方向のバイアス電圧を半導体ダイオードの個数倍に拡張した範囲で印加したときに該直列接続ダイオード回路部を流れる電流の温度変化に基づいて温度検出を可能に構成された温度検出装置が得られる。
【００１３】
又、本発明によれば、上記温度検出装置において、半導体領域は、基板とは熱分離されて薄膜状を成しており、直列接続ダイオード回路部は、薄膜状の半導体領域に設けられた温度検出装置が得られる。
【００１４】
更に、本発明によれば、上記温度検出装置において、薄膜状の半導体領域は、ＳＯＩ薄膜を用いて形成された温度検出装置が得られる。
【００１５】
加えて、本発明によれば、上記何れかの温度検出装置において、薄膜状の半導体領域は、活性領域である温度検出装置が得られる。
【００１６】
一方、本発明によれば、基板に形成された半導体領域に設けられた半導体ダイオードを赤外線の受光用とした上で該半導体ダイオードに所定の範囲で一定な順方向のバイアス電圧を印加したときに赤外線を受光した該半導体ダイオードから得られる温度変化に応じた順方向の電流変化に基づいて赤外線受光量を検出可能に構成された熱型赤外線検出装置において、半導体ダイオードは、装置の赤外線検出時にジョンソンノイズを低減させてＳ／Ｎ比を改善できるように略同一特性の所定数のものが直列接続されて直列接続ダイオード回路部を成して半導体領域に設けられており、直列接続ダイオード回路部に対して一定な順方向のバイアス電圧を半導体ダイオードの個数倍に拡張した範囲で印加したときに該直列接続ダイオード回路部を流れる電流の温度変化に基づいて赤外線受光量を検出可能に構成された熱型赤外線検出装置が得られる。
【００１７】
又、本発明によれば、上記熱型赤外線検出装置において、半導体領域は、基板とは熱分離されて薄膜状を成しており、直列接続ダイオード回路部は、薄膜状の半導体領域に設けられた熱型赤外線検出装置が得られる。
【００１８】
更に、本発明によれば、上記熱型赤外線検出装置において、薄膜状の半導体領域は、ＳＯＩ薄膜を用いて形成された熱型赤外線検出装置が得られる。
【００１９】
加えて、本発明によれば、上記何れかの熱型赤外線検出装置において、薄膜状の半導体領域は、活性領域である熱型赤外線検出装置が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。最初に、本発明の温度検出装置及び熱型赤外線検出装置の技術的概要について簡単に説明する。
【００２１】
本発明の温度検出装置は、基板に形成された半導体領域に設けられた半導体ダイオードに所定の範囲で一定な順方向のバイアス電圧を印加したときに半導体ダイオードから得られる順方向の電流変化に基づいて温度検出を可能に構成された基本構成において、半導体ダイオードとして、装置の温度検出時にジョンソンノイズを低減させてＳ／Ｎ比を改善できるように略同一特性の所定数（複数個）のものを直列接続して成る直列接続ダイオード回路部を半導体領域に設けるものとし、この直列接続ダイオード回路部に対して一定な順方向のバイアス電圧を半導体ダイオードの個数倍に拡張した範囲で印加したときに直列接続ダイオード回路部を流れる電流の温度変化に基づいて温度検出可能に構成されたものであり、直列接続ダイオード回路部の順方向の電流変化からそのときの直列接続ダイオード回路部近傍の平均的な温度を測定することにより、装置が設置されている場所の温度を測定することができる。
【００２２】
即ち、この温度検出装置では、複数個の半導体ダイオードを直列接続して成る直列接続ダイオード回路部に対して［（０．６〜０．８［Ｖ］）×半導体ダイオードの個数］分の一定電圧を印加するが、こうした場合、各半導体ダイオードが電流Ｉ対電圧Ｖの特性において非直線性を有するので、これらを直列接続して電圧を印加したときに１つの半導体ダイオードに大きな電圧が印加されるようなことが生じるか否かをシュミレーションして調べた結果、温度変化があっても各半導体ダイオードには電圧がほぼ平均化されてそれぞれに印加された状態で動作することが判明した。従って、複数個の半導体ダイオードを直列接続して成る直列接続ダイオード回路部においては、その立ち上がり電圧が直列接続された各半導体ダイオードの１個分のそれぞれの立ち上がり電圧の総和のものと等価であることが判った。
【００２３】
特に、この温度検出装置の場合、直列接続ダイオード回路部に順方向のバイアス電圧を印加したとき、直列接続ダイオード回路部を構成する各半導体ダイオードが好都合な具合いの非線形的な電流−電圧特性を有しており、特定の半導体ダイオードに大きな電圧が印加されようとするときに急に電気抵抗が小さくなるような特性を持ち、このために次第に大きな電圧がかかって破壊に至るようなことにはならず、各半導体ダイオードにほぼ平均的な電圧が印加されるという有利な点があることが判った。
【００２４】
このように、各半導体ダイオードを直列接続した直列接続ダイオード回路部を具備した温度検出装置の場合、印加する電圧をほぼ直列接続ダイオード回路部における各半導体ダイオードの立ち上がり電圧の総和として大きくできるため、従来の場合と比べて格段にＳＮ比の高いものとなる。
【００２５】
ところで、この温度検出装置における直列接続ダイオード回路部は基板に形成された半導体領域に設けられるものとしたが、同様な構成の直列接続ダイオード回路部を赤外線の受光用とした上、この直列接続ダイオード回路部に対して一定な順方向のバイアス電圧を半導体ダイオードの個数倍に拡張した範囲で印加する構成（即ち、ここでの直列接続ダイオード回路部についても、同様に装置の赤外線検出時にジョンソンノイズを低減させてＳ／Ｎ比を改善できるように略同一特性の所定数の半導体ダイオードが直列接続されて成る）とすれば、赤外線を受光した直列接続ダイオード回路部を流れる電流の温度変化に基づいて赤外線受光量の検出が可能な熱型赤外線検出装置として構成される。
【００２６】
又、こうした温度検出装置や熱型赤外線検出装置において、直列接続ダイオード回路部を基板とは熱分離されて形成された薄膜状の半導体領域に設けること、即ち、例えば基板に形成したマイクロエアブリッジのような薄膜状の半導体領域を対象として基板から熱分離したところに直列接続ダイオード回路部を設けることが好ましく、特にここでの要件を熱型赤外線検出装置に適用した場合には熱型赤外線センサや熱型赤外線イメージセンサ等として好適となる。
【００２７】
更に、こうした温度検出装置や熱型赤外線検出装置において、薄膜状の半導体領域をＳＯＩ薄膜を用いて形成し、例えば半導体基板，埋め込み絶縁層，ＳＯＩ薄膜をこの順で積層した形態のＳＯＩ基板におけるＳＯＩ薄膜及び埋め込み絶縁層において直列接続ダイオード回路部を構造的に基板から熱分離されたＳＯＩ薄膜に設けることが好ましく、加えて、薄膜状の半導体領域（特にＳＯＩ薄膜）を活性領域とすることも好ましい。
【００２８】
図１は、本発明の一つの実施の形態に係る温度検出装置の基本構成を示した回路図である。この温度検出装置は、正極（＋）側が接地接続されると共に、負極（−）側と出力側との間に固定抵抗１４が介挿されたオペアンプ（Ａ）１３の負極（−）側に対し、接地接続された定電圧源１１と４個の略同一特性の半導体ダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを直列接続して成る直列接続ダイオード回路部１２とを直列接続して構成され、オペアンプ（Ａ）１３において直列接続ダイオード回路部１２の電流を電圧に変換するように構成されている。
【００２９】
この温度検出装置では、オペアンプ（Ａ）１３の正極（＋）側端子と負極（−）側端子とがイマジナリーショートにより同電位なため、直列接続ダイオード回路部１２には一定電圧Ｖ_ｉｎが印加され、このときに一般的な室温付近で直列接続ダイオード回路部１２に流れる電流Ｉは、直列接続ダイオード回路部１２における絶対温度をＴ，Ｉ_０ を飽和電流，Ｖを印加電圧，Ｖ_ｄ を接合部における内蔵電位．ｑを電荷素量，ｎを１〜２の定数（理想定数），ｋをボルツマン定数とすると、以下の数４式の関係で表わされる。
【００３０】
【数４】

この数４式からは、直列接続ダイオード回路部１２に流れる順方向電流Ｉが１／Ｔに対して自然対数的に変化するため、そのときの温度を検出できることを示している。又、ここでの数４式は、室温付近での熱電圧（ｋＴ／ｑ…約０．０２５［Ｖ］）より順方向の印加電圧Ｖが十分大きい場合（おおよそ０．１［Ｖ］以上）、以下の数５式の関係で表わされる近似式が成立する。
【００３１】
【数５】

尚、ここでの直列接続ダイオード回路部１２を基板に形成された半導体活性領域に設けて赤外線の受光用とすれば、赤外線光量の検出が可能となる。
【００３２】
以下は、本願発明の温度検出装置（熱型赤外線検出装置）について、更に詳細な実施の形態を挙げて具体的に説明する。
【００３３】
図２は、本願発明の他の実施の形態に係る温度検出装置の基本構成を示した外観斜視図である。この温度検出装置は、図２に示されるように、基板１０に形成された半導体領域２１（ここでは基板１０自体の役割を果たしている）上に４個の半導体ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄから成る直列接続ダイオード回路部２２を対向して離間された２個の取り出し電極２３ａ，２３ｂ間に接続されるように配設することにより、取り出し電極２３ａ，２３ｂ及び直列接続ダイオード回路部２２に係る導電パターンが直線状を成すように構成されたものである。
【００３４】
この温度検出装置の場合、直列接続ダイオード回路部２２を成す各半導体ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとして、ｐ−ｎ接合ダイオードを適用しており、具体的にはｎ型領域２２ａａ，２２ｂａ，２２ｃａ，２２ｄａに対し、ｐ型領域（ｐウェル）２２ａｂ，２２ｂｂ，２２ｃｂ，２２ｄｂをｎ型領域よりも深く拡散することにより、それぞれｐ−ｎ接合ダイオード１素子を形成している。
【００３５】
又、この温度検出装置において、半導体領域２１に不純物を添加してｐ型領域及びｎ型領域を形成する方法は、公知の不純物導入技術を用いれば良く、例えば塗布拡散剤による固相拡散源を用いた方法，液体拡散源をキャリアガス（一般的に窒素ガス）として導入する不純物を熱処理炉内に気体として流して半導体領域２１に供給する方法，熱処理炉内に固体拡散源を配置して近接する半導体基板に不純物を供給する方法等が挙げられる。これらの技術は、拡散技術と呼ばれ、拡散領域の選択は、公知のフォトリソグラフィー技術でフォトレジストのパターニングを行い、主に熱酸化膜をマスクとして選択的に不純物を導入する方法が挙げられる。尚、その他にイオン注入技術による不純物導入方法も可能であるが、この場合には注入領域の選択を公知のフォトリソグラフィー技術でフォトレジストをマスクとして選択的に導入する方法が主である。
【００３６】
ところで、上述した直列接続ダイオード回路部２２を成す各半導体ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄにおけるそれぞれのｐ−ｎ接合ダイオードは、金属薄膜配線を介して電気的に接続される。金属薄膜配線は、公知のスパッタリング法，真空蒸着法，メッキ法等で成膜された金属薄膜を公知のフォトリソグラフィー技術，ウェット若しくはドライエッチング技術で加工したものであるが、その他にもリフトオフ法による配線加工方法も適用可能である。
【００３７】
又、直列接続ダイオード回路部２２を成す各半導体ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄにおけるそれぞれのｐ−ｎ接合ダイオードは、ｎ型シリコンの半導体領域２１上において、ｎ型シリコンの半導体領域２１とｐウェル２２ａｂ，２２ｂｂ，２２ｃｂ，２２ｄｂとにより素子間分離されている。
【００３８】
更に、直列接続ダイオード回路部２２を成す各半導体ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄにおけるそれぞれのｐ−ｎ接合ダイオードを素子間分離する方法としては、例えばｐ型シリコン基板上に形成する場合、各半導体ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのそれぞれのｐウェル２２ａｂ，２２ｂｂ，２２ｃｂ，２２ｄｂ間に十分深く形成したｎ型領域を形成して絶縁分離する方法や、各半導体ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのそれぞれの周辺をシリコンエッチングによりｐウェルよりも十分深くエッチングすることで空間的に素子間分離する方法等が挙げられる。
【００３９】
尚、図２に示されるような直列接続ダイオード回路部２２を形成する場合、当然のことながら、半導体領域２１も含めてｐ型とｎ型との不純物タイプを全て反対にした構成とすることも可能である。
【００４０】
何れにしても、この温度検出装置の場合、直列接続ダイオード回路部２２に順方向のバイアス電圧を印加した場合、各半導体ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのそれぞれのジュール熱により温度がほぼ均一に成り、その場所の温度を精度良く検出することができる。尚、この温度検出装置の場合、半導体領域２１としてはシリコン等の半導体、直列接続ダイオード回路部２２における各半導体ダイオード２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとしてはｐ−ｎ接合ダイオードやショットキー接合ダイオード等を用いることもできる。
【００４１】
図３は、本願発明の別の実施の形態に係る温度検出装置の基本構成を示した外観斜視図である。又、図４は、図３に示す温度検出装置のＸ−Ｘ′線方向における側面断面図である。この温度検出装置は、図３に示されるように、基板１０を成す半導体基板３１ｃ，埋め込み絶縁層３１ｂ，ＳＯＩ薄膜３１ａをこの順で積層した形態のＳＯＩ基板３１に形成された半導体領域としてのＳＯＩ薄膜３１ａ（ここでは基板１０自体の役割を果たしている）上に４個の半導体ダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄから成る直列接続ダイオード回路部３２を取り出し電極３３ａ，３３ｂ間に接続されるように設けることにより、取り出し電極３３ａ，３３ｂ及び直列接続ダイオード回路部３２に係る導電パターンがジグザグ状を成すように構成されたものである。
【００４２】
この温度検出装置の場合においても、直列接続ダイオード回路部３２を成す各半導体ダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄとして、ｐ−ｎ接合ダイオードを適用しており、具体的にはｎ型領域３２ａａ，３２ｂａ，３２ｃａ，３２ｄａに対し、ｐ型領域（ｐウェル）３２ａｂ，３２ｂｂ，３２ｃｂ，３２ｄｂをｎ型領域よりも深く拡散することにより、それぞれｐ−ｎ接合ダイオード１素子を形成している。
【００４３】
又、この温度検出装置においても、ＳＯＩ薄膜３１ａに不純物を添加してｐ型領域及びｎ型領域を形成する方法は、公知の不純物導入技術を用いれば良く、例えば塗布拡散剤による固相拡散源を用いた方法，液体拡散源をキャリアガス（一般的に窒素ガス）として導入する不純物を熱処理炉内に気体として流してＳＯＩ薄膜３１ａに供給する方法，熱処理炉内に固体拡散源を配置して近接する半導体基板に不純物を供給する方法等が挙げられる。これらの技術は、拡散技術と呼ばれ、拡散領域の選択は、公知のフォトリソグラフィー技術でフォトレジストのパターニングを行い、主に熱酸化膜をマスクとして選択的に不純物を導入する方法が挙げられる。尚、その他にイオン注入技術による不純物導入方法も可能であるが、この場合には注入領域の選択を公知のフォトリソグラフィー技術でフォトレジストをマスクとして選択的に導入する方法が主である。
【００４４】
ところで、上述した直列接続ダイオード回路部３２を成す各半導体ダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄにおけるそれぞれのｐ−ｎ接合ダイオードは、金属薄膜配線を介して電気的に接続される。金属薄膜配線は、公知のスパッタリング法，真空蒸着法，或いはメッキ法で成膜された金属薄膜を公知のフォトリソグラフィー技術，ウェット若しくはドライエッチング技術で加工したものであるが、その他にもリフトオフ法による配線加工方法も適用可能である。
【００４５】
又、直列接続ダイオード回路部３２を成す各半導体ダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄにおけるそれぞれのｐ−ｎ接合ダイオードは、ＳＯＩ薄膜３１ａがｎ型である場合、ｐウェルにより素子間分離されている。
【００４６】
更に、直列接続ダイオード回路部３２を成す各半導体ダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄにおけるそれぞれのｐ−ｎ接合ダイオードを素子間分離する方法としては、ｐ型のＳＯＩ薄膜３１ａを形成する場合、各半導体ダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄのそれぞれのｐ−ｎ接合ダイオードをｐウェルよりも十分深くしてＳＯＩ薄膜３１ａの底部まで形成したｎ型領域で絶縁分離する方法や、各半導体ダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄのそれぞれの周辺をシリコンエッチングによりｐウェルよりも十分深くエッチングすることで空間的に素子間を分離する方法等が挙げられる。
【００４７】
加えて、ここでのＳＯＩ基板３１のＳＯＩ薄膜３１ａの厚さは、精度良く制御ができて数ミクロン程度に薄くできるため、図３，図４に示されるように、半導体領域であるＳＯＩ薄膜３１ａ上で直列接続ダイオード回路部３２が設けられた活性領域４０を溝１０１ａ，１０１ｂとＳＯＩ基板３１の半導体基板３１ｃとで形成された空洞１００によりＳＯＩ基板３１から熱分離させている。尚、溝１０１ａ，１０１ｂ及び空洞１００は、公知の異方性エッチング技術やドライエッチング技術等により容易に形成することができる。
【００４８】
ここでの溝１０１ａ，１０１ｂ及び空洞１００の形成を図４を参照して異方性エッチング技術を用いた場合について説明すると、半導体基板３１ｃが面方位（１００）であれば、空洞１００の半導体基板３１ｃの表面と成す角ａは５４．７度になることが知られている。異方性エッチング液は、一般的にヒドラジン水和物，ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド），ＫＯＨＭ，ＥＰＷ（エチレンジアミンピレカテコールウォーター）等のアルカリ水溶液が用いられる。そのときのマスクとしては、主として熱酸化膜を用いるものとするが、その他にも窒化膜やＡｕ，Ｃｒ，ＮｉＣｒ等による金属膜も適用することができる。
【００４９】
ところで、図３，４に示した例では主として基板１０の裏面から異方性エッチングを行い、溝１０１ａ，１０１ｂと半導体基板３１ｃによりマイクロエアブリッジ形状とを形成した場合を説明しているが、基板１０の表面からのみ異方性エッチングを行い、溝１０１ａ，１０１ｂと半導体基板３１ｃによりマイクロエアブリッジ形状とを形成することも可能である。又、溝１０１ａ，１０１ｂと空洞１００とは、フォトレジストや熱酸化膜等をマスクとしたシリコンドライエッチング技術でも形成することが可能であるが、この場合にはほぼ垂直にエッチングできるというドライエッチングの特色により図４に示される空洞１００の半導体基板３１ｃの表面と成す角ａをほぼ垂直にすることができる。従って、この場合にはＳＯＩ基板３１の裏面から半導体基板３１ｃをエッチングしてマイクロエアブリッジ形状を形成するとき、エッチングをするために必要な開口面積を小さくすることができるので、結果として基板１０の面積を低減することができる。更に、図４に示される空洞１００は、異方性エッチング等で形成されるものとしたが、これに代えてガラスや半導体等の基板上に犠牲層等を介して例えば多結晶シリコン薄膜を形成しておき、ここに直列接続ダイオード回路部を形成した後、犠牲層をエッチングにより除去する等の手法によっても同様に形成することができる。
【００５０】
尚、上述した図２乃至図５で説明した各実施の形態の温度検出装置では、半導体領域として、単結晶シリコンを用いるものとするが、シリコンに限らず、その他の半導体を適用しても良いし、或いは多結晶シリコンのように多結晶半導体を適用しても良く、更には単結晶シリコンの上にエピタキシャル成長膜を形成して半導体領域としても良い。又、例えば図３に示されるように直列接続ダイオード回路部３２における各半導体ダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと同じ工程で形成可能な別の２個の半導体ダイオード１３２ａ，１３２ｂを例えば半導体基板３１ｃ上の対向する隅部（ＳＯＩ薄膜３１ａの対向する隅部）に配置［具体的には図３中でｎ型領域１３２ａａ及びｐ型領域（ｐウェル）１３２ａｂから成る半導体ダイオード１３２ａを取り出し電極１３３ａａ，１３３ａｂ間に接続した直線状の導電パターンと、ｎ型領域１３２ｂａ及びｐ型領域（ｐウェル）１３２ｂｂから成る半導体ダイオード１３２ｂを取り出し電極１３３ｂａ，１３２ｂｂ間に接続した直線状の導電パターンとによる構成を示す］して基板１０上の温度を検出するためのリファレンス用として構成することもできる。但し、こうした構成の場合、リファレンスとする半導体ダイオードは、半導体基板３１ｃ上の空いているスペースに自由に配置することができるので、例えば半導体ダイオード１３２ａ，１３２ｂに代えて直列接続ダイオード回路部３２における各半導体ダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄとしたり、或いは各半導体ダイオード３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄでなく半導体ダイオード１３２ａ，１３２ｂの何れか一つをリファレンスとして適用させるようにしても良い。
【００５１】
又、図３，図４に示される温度検出装置において、直列接続ダイオード回路部３２が形成された活性領域４０に赤外線を入射して吸収させ、その領域の温度を上昇させることで温度検出するようにすること、即ち、マイクロエアブリッジ形状の活性領域４０に直列接続ダイオード回路部３２を設け、これを温度センシング部としての受光用とし、更に図４に示されるように赤外線吸収膜５４を活性領域４０上に形成、即ち、厳密には活性領域４０上に形成される層間絶縁膜５３及び金属薄膜配線５１（これらの形成技術は周知であって、本願発明の技術的要旨と関係しないので、説明を省略する）を覆って形成しておくようにすれば、高速応答で高感度にして高精度な熱型赤外線検出装置が構成される。
【００５２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の温度検出装置によれば、基板に形成された半導体領域に設けられた半導体ダイオードに所定の範囲で一定な順方向のバイアス電圧を印加したときに半導体ダイオードから得られる順方向の電流変化に基づいて温度検出を可能に構成された基本構成において、半導体ダイオードとして、装置の温度検出時にジョンソンノイズを低減させてＳ／Ｎ比を改善できるように略同一特性の所定数（複数個）のものを直列接続して成る直列接続ダイオード回路部を半導体領域に設けるものとした上、この直列接続ダイオード回路部に対して半導体ダイオードの個数倍に拡張した範囲で一定な順方向のバイアス電圧を印加したときに直列接続ダイオード回路部を流れる電流の温度変化に基づいて温度検出するように構成しているので、印加する電圧をほぼ直列接続ダイオード回路部における各半導体ダイオードの立ち上がり電圧の総和として大きくできるため、従来と比べて格段にＳＮ比を高くするように改善でき、高速応答で高感度にして高精度な検出が可能となる。又、この温度検出装置で適用された同様な構成の直列接続ダイオード回路部を赤外線の受光用とした上、この直列接続ダイオード回路部に対して所定の範囲を半導体ダイオードの個数倍に拡張した範囲で一定な順方向のバイアス電圧を印加する構成とした熱型赤外線検出装置（ここでの直列接続ダイオード回路部についても、同様に装置の赤外線検出時にジョンソンノイズを低減させてＳ／Ｎ比を改善できるように略同一特性の所定数の半導体ダイオードが直列接続されて成る）では、赤外線を受光した直列接続ダイオード回路部を流れる電流の温度変化に基づいて赤外線受光量を検出する際、同様に従来と比べて格段にＳＮ比を高くするように改善でき、高速応答で高感度にして高精度な検出が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一つの実施の形態に係る温度検出装置の基本構成を示した回路図である。
【図２】本願発明の他の実施の形態に係る温度検出装置の基本構成を示した外観斜視図である。
【図３】本願発明の別の実施の形態に係る温度検出装置の基本構成を示した外観斜視図である。
【図４】図３に示す温度検出装置のＸ−Ｘ′線方向における側面断面図である。
【図５】従来の一例に係る温度検出装置の基本構成を示した回路図である。
【符号の説明】
１０ 基板
１１，４１ 定電圧源
１２，２２，３２ 直列接続ダイオード回路部
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，４２，１３２ａ，１３２ｂ 半導体ダイオード
１３，４３ オペアンプ
１４，４４ 固定抵抗
２１ 半導体領域
２２ａａ，２２ｂａ，２２ｃａ，２２ｄａ，３２ａａ，３２ｂａ，３２ｃａ，３２ｄａ，１３２ａａ，１３２ｂａ ｎ型領域
２２ａｂ，２２ｂｂ，２２ｃｂ，２２ｄｂ，３２ａｂ，３２ｂｂ，３２ｃｂ，３２ｄｂ，１３２ａｂ，１３２ｂｂ ｐ型領域（ｐウェル）
２３ａ，２３ｂ，３３ａ，３３ｂ，１３３ａａ，１３３ａｂ，１３３ｂａ，１３３ｂｂ 取り出し電極
３１ ＳＯＩ基板
３１ａ ＳＯＩ薄膜
３１ｂ 埋め込み絶縁層
３１ｃ 半導体基板
４０ 活性領域
５１ 金属薄膜配線
５３ 層間絶縁膜
５４ 赤外線吸収膜
１００ 空洞
１０１ａ，１０１ｂ 溝[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a temperature detection device and a thermal infrared detection device manufactured mainly by applying silicon processing technology.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a well-known technique related to this type of temperature detection device and thermal infrared detection device, for example, there are a temperature measurement device, a thermal infrared image sensor, and a temperature measurement device disclosed in JP-A-2001-264176. .
[0003]
FIG. 5 is a circuit diagram showing a basic configuration of a temperature detecting device according to a conventional example disclosed in this publication. This temperature detector is connected to the negative (-) side of an operational amplifier (A) 43 in which a positive (+) side is grounded and a fixed resistor 44 is interposed between the negative (-) side and the output side. The constant voltage source 41 and the semiconductor diode 42 are connected in series, and the operational amplifier (A) 43 is configured to convert the current of the semiconductor diode 42 into a voltage.
[0004]
In this temperature detection device, the positive terminal (+) and the negative terminal (−) of the operational amplifier (A) 43 have the same potential due to an imaginary short. _in Is applied. At this time, the output voltage V of the operational amplifier (A) 43 is _out Sets the resistance value of the fixed resistor 44 to R _f , The substantial resistance of the semiconductor diode 42 is R _d Then, it is expressed by the following equation (1).
[0005]
(Equation 1)

The resistance value R of the semiconductor diode 42 in the equation (1) _d Represents the consumption current of the semiconductor diode 42 as I _d Constant voltage V _in And current consumption I _d R between _d = V _in / I _d The following relationship holds.
[0006]
In this temperature detecting device, the output voltage V from the output side of the operational amplifier (A) 43 is used. _out Is required to increase the signal-to-noise ratio (signal / noise ratio). _out Considering only the thermal noise, Johnson noise, as the noise of the semiconductor diode 42, the noise is the resistance R _d Is proportional to the product of the square root of and the magnification of the operational amplifier (A) 43, so that the noise value V _noise Is represented by the following equation (2), where a is a proportional constant.
[0007]
(Equation 2)

Therefore, the S / N ratio can be represented by the following equation (3) using the above equations (1) and (2).
[0008]
(Equation 3)

In general, in such a temperature detection device, a constant voltage V _in The resistance R _d Becomes exponentially smaller. In such a case, the constant voltage V _in Is larger, the SN ratio can be increased.
[0009]
In the meantime, the above-described temperature detecting device is configured such that the semiconductor diode 42 is provided in the semiconductor region formed on the substrate. When a constant forward bias voltage is applied, a thermal infrared ray capable of detecting the amount of infrared ray received based on a forward current change corresponding to a temperature change obtained from the semiconductor diode 42 that has received the infrared ray. It is configured as a detection device.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of the above-described temperature detection device (thermal infrared detection device), the constant voltage V _in The SN ratio can be improved by increasing the value of .times., But in practice, the voltage applied to one semiconductor diode normally is at most the rising voltage of the semiconductor diode due to the exponential rise of the current and the problems of power consumption and heat generation. Since it is about 6 to 0.8 [V], there is a limit in increasing the SN ratio, and there is a problem that the SN ratio cannot be sufficiently improved.
[0011]
The present invention has been made to solve such a problem, and a technical problem thereof is to provide a temperature detection device and a thermal infrared detection device having a configuration capable of sufficiently improving the SN ratio.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, when a constant forward bias voltage within a predetermined range is applied to a semiconductor diode provided in a semiconductor region formed on a substrate, a forward current change obtained from the semiconductor diode is used. In a temperature detection device configured to enable temperature detection, the semiconductor diode includes: S / N ratio can be improved by reducing Johnson noise when detecting device temperature Of almost the same characteristics Predetermined number Are connected in series to form a series-connected diode circuit section and are provided in the semiconductor region, and a constant forward bias voltage for the series-connected diode circuit section is extended to the number of semiconductor diodes. A temperature detecting device configured to detect a temperature based on a temperature change of a current flowing through the series-connected diode circuit portion when the voltage is applied is obtained.
[0013]
Further, according to the present invention, in the above-mentioned temperature detecting device, the semiconductor region is thermally separated from the substrate to form a thin film, and the series-connected diode circuit portion includes a temperature sensor provided in the thin-film semiconductor region. A detection device is obtained.
[0014]
Further, according to the present invention, in the above temperature detecting device, a temperature detecting device in which the thin film semiconductor region is formed using an SOI thin film can be obtained.
[0015]
In addition, according to the present invention, in any one of the above temperature detecting devices, the temperature detecting device in which the thin film semiconductor region is an active region can be obtained.
[0016]
On the other hand, according to the present invention, when a semiconductor diode provided in a semiconductor region formed on a substrate is used for receiving infrared rays and a constant forward bias voltage is applied to the semiconductor diode within a predetermined range. In a thermal infrared detection device configured to be able to detect the amount of infrared light received based on a forward current change corresponding to a temperature change obtained from the semiconductor diode that has received infrared light, the semiconductor diode includes: S / N ratio can be improved by reducing Johnson noise when detecting infrared light from the device Of almost the same characteristics Predetermined number Are connected in series to form a series-connected diode circuit section and are provided in the semiconductor region, and a constant forward bias voltage for the series-connected diode circuit section is extended to the number of semiconductor diodes. Thus, a thermal infrared detection device configured to be able to detect the amount of infrared light received based on a temperature change of a current flowing through the series-connected diode circuit portion when the voltage is applied is obtained.
[0017]
Further, according to the present invention, in the thermal infrared detection device, the semiconductor region is thermally separated from the substrate to form a thin film, and the series-connected diode circuit portion is provided in the thin film semiconductor region. A thermal infrared detector is obtained.
[0018]
Further, according to the present invention, in the above-described thermal infrared detection device, a thermal infrared detection device in which the thin film semiconductor region is formed using an SOI thin film can be obtained.
[0019]
In addition, according to the present invention, in any of the thermal infrared detectors described above, the thermal infrared detector in which the thin film semiconductor region is an active region can be obtained.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the technical outline of the temperature detection device and the thermal infrared detection device of the present invention will be briefly described.
[0021]
The temperature detection device of the present invention is based on a forward current change obtained from a semiconductor diode when a constant forward bias voltage is applied within a predetermined range to a semiconductor diode provided in a semiconductor region formed on a substrate. As a semiconductor diode in the basic configuration that allows temperature detection In order to improve the S / N ratio by reducing the Johnson noise when detecting the temperature of the device Of almost the same characteristics Predetermined number (plural) In the semiconductor region, a series-connected diode circuit portion formed by serially connecting the semiconductor devices is provided in the semiconductor region, and a constant forward bias voltage is applied to the series-connected diode circuit portion in a range extended to the number of semiconductor diodes. Sometimes, the temperature can be detected based on the temperature change of the current flowing through the series-connected diode circuit, and the average in the vicinity of the series-connected diode circuit at that time is calculated from the forward current change of the series-connected diode circuit. By measuring the actual temperature, the temperature of the place where the device is installed can be measured.
[0022]
In other words, in this temperature detection device, a constant voltage of [(0.6 to 0.8 [V]) × the number of semiconductor diodes] is applied to a series-connected diode circuit portion formed by connecting a plurality of semiconductor diodes in series. In such a case, a large voltage is applied to one semiconductor diode when these semiconductor diodes are connected in series and a voltage is applied since each semiconductor diode has a non-linear characteristic in the current I versus voltage V characteristics. As a result of simulating and examining whether or not such a phenomenon occurs, it has been found that even when there is a temperature change, the voltage is almost averaged to each semiconductor diode and the semiconductor diode operates in a state where it is applied to each semiconductor diode. Therefore, in a series-connected diode circuit section in which a plurality of semiconductor diodes are connected in series, the rising voltage is equivalent to the sum of the rising voltages of one semiconductor diode connected in series. I understood.
[0023]
In particular, in the case of this temperature detection device, when a forward bias voltage is applied to the series-connected diode circuit unit, each semiconductor diode constituting the series-connected diode circuit unit has a favorable nonlinear current-voltage characteristic. Therefore, when a large voltage is to be applied to a specific semiconductor diode, it has the characteristic that the electrical resistance suddenly decreases, and as a result, a large voltage is gradually applied, which may lead to destruction. However, it has been found that there is an advantage that a substantially average voltage is applied to each semiconductor diode.
[0024]
As described above, in the case of the temperature detection device including the series-connected diode circuit unit in which the respective semiconductor diodes are connected in series, the applied voltage can be substantially increased as the sum of the rising voltages of the respective semiconductor diodes in the series-connected diode circuit unit. The SN ratio is much higher than in the case of
[0025]
By the way, the series-connected diode circuit section in this temperature detecting device is provided in the semiconductor region formed on the substrate, but the series-connected diode circuit section having the same configuration is used for receiving infrared rays, and A configuration in which a constant forward bias voltage is applied to the circuit section within a range extended to the number of semiconductor diodes (That is, a predetermined number of semiconductor diodes having substantially the same characteristics are connected in series so that the S / N ratio can be improved by reducing the Johnson noise at the time of infrared detection of the device. Become) In this case, a thermal infrared detection device capable of detecting the amount of received infrared light based on the temperature change of the current flowing through the series-connected diode circuit portion that has received infrared light is configured.
[0026]
Further, in such a temperature detecting device or a thermal infrared detecting device, a series connection diode circuit portion is provided in a thin film semiconductor region formed by being thermally separated from a substrate, that is, for example, a micro air bridge formed on the substrate. It is preferable to provide a series-connected diode circuit portion at a place where the thin-film semiconductor region is thermally separated from the substrate, especially when the requirements here are applied to a thermal infrared detection device. It is suitable as a thermal infrared image sensor or the like.
[0027]
Further, in such a temperature detecting device or a thermal infrared detecting device, a thin film semiconductor region is formed using an SOI thin film, and for example, an SOI substrate in a form in which a semiconductor substrate, a buried insulating layer, and an SOI thin film are laminated in this order. In the thin film and the buried insulating layer, the series-connected diode circuit portion is preferably provided on the SOI thin film which is structurally thermally separated from the substrate. In addition, it is also preferable that the thin film semiconductor region (especially, the SOI thin film) is used as the active region. .
[0028]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a basic configuration of a temperature detecting device according to one embodiment of the present invention. This temperature detector is connected to the negative (-) side of an operational amplifier (A) 13 in which a positive (+) side is grounded and a fixed resistor 14 is inserted between the negative (-) side and the output side. , A series-connected constant-voltage source 11 connected to the ground and a series-connected diode circuit section 12 formed by connecting four semiconductor diodes 12a, 12b, 12c and 12d having substantially the same characteristics in series. ) 13 is configured to convert the current of the series-connected diode circuit section 12 into a voltage.
[0029]
In this temperature detection device, the positive terminal (+) and the negative terminal (−) of the operational amplifier (A) 13 have the same potential due to imaginary short-circuiting. _in Is applied. At this time, the current I flowing through the series-connected diode circuit section 12 around a general room temperature is represented by T, I ₀ Is the saturation current, V is the applied voltage, V _d Is the built-in potential at the junction. Assuming that q is an elementary charge, n is a constant of 1 to 2 (ideal constant), and k is a Boltzmann constant, it is expressed by the following equation (4).
[0030]
(Equation 4)

Equation 4 indicates that the temperature at that time can be detected because the forward current I flowing in the series-connected diode circuit section 12 changes in a natural logarithm with respect to 1 / T. Equation 4 here indicates that the applied voltage V in the forward direction is sufficiently larger than the thermal voltage (kT / q... About 0.025 [V]) near room temperature (about 0.1 [V] or more). , An approximate expression expressed by the following equation (5) holds.
[0031]
(Equation 5)

Incidentally, if the series-connected diode circuit section 12 is provided in a semiconductor active region formed on the substrate to receive infrared light, the amount of infrared light can be detected.
[0032]
Hereinafter, the temperature detection device (thermal infrared detection device) of the present invention will be specifically described with reference to more detailed embodiments.
[0033]
FIG. 2 is an external perspective view showing a basic configuration of a temperature detecting device according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the temperature detecting device includes four semiconductor diodes 22a, 22b, 22c, and 22d on a semiconductor region 21 formed on the substrate 10 (in this case, playing the role of the substrate 10 itself). The series-connected diode circuit portion 22 is disposed so as to be connected between the two extraction electrodes 23a and 23b that are opposed to and separated from each other, so that the conductivity of the extraction electrodes 23a and 23b and the series connection diode circuit portion 22 can be improved. The pattern is configured to form a straight line.
[0034]
In the case of this temperature detecting device, a pn junction diode is applied as each of the semiconductor diodes 22a, 22b, 22c, and 22d forming the series-connected diode circuit unit 22, and specifically, n-type regions 22aa, 22ba, and 22ca. , 22da, the p-type regions (p-well) 22ab, 22bb, 22cb, 22db are diffused deeper than the n-type region, thereby forming one pn junction diode element.
[0035]
Further, in this temperature detecting device, a method for forming a p-type region and an n-type region by adding an impurity to the semiconductor region 21 may use a known impurity introduction technique. The method used, a method in which an impurity for introducing a liquid diffusion source as a carrier gas (generally, nitrogen gas) is supplied as a gas into a heat treatment furnace and supplied to the semiconductor region 21, and a solid diffusion source is disposed in the heat treatment furnace for proximity. Of supplying impurities to a semiconductor substrate to be formed. These techniques are called diffusion techniques, and a method of selecting a diffusion area includes a method of patterning a photoresist by a known photolithography technique and selectively introducing impurities mainly using a thermal oxide film as a mask. In addition, an impurity introduction method by an ion implantation technique is also possible, but in this case, a method of selectively introducing an implantation region by a known photolithography technique using a photoresist as a mask is mainly used.
[0036]
By the way, the respective pn junction diodes in the semiconductor diodes 22a, 22b, 22c and 22d constituting the above-described series-connected diode circuit section 22 are electrically connected via a metal thin film wiring. The metal thin film wiring is obtained by processing a metal thin film formed by a known sputtering method, a vacuum deposition method, a plating method, or the like by a known photolithography technique, a wet or dry etching technique, or by a lift-off method. A wiring processing method is also applicable.
[0037]
The respective pn junction diodes of the semiconductor diodes 22a, 22b, 22c, and 22d forming the series-connected diode circuit section 22 are formed on the n-type silicon semiconductor region 21 and the n-type silicon semiconductor region 21 and the p-well. Elements are separated by 22ab, 22bb, 22cb, and 22db.
[0038]
Further, as a method for separating the respective pn junction diodes in the semiconductor diodes 22a, 22b, 22c, and 22d forming the series-connected diode circuit unit 22 from each other, for example, when they are formed on a p-type silicon substrate, A method of forming a sufficiently deep n-type region between the respective p-wells 22ab, 22bb, 22cb, 22db of the diodes 22a, 22b, 22c, 22d to insulate and separate the diodes 22a, 22b, 22c, 22d. A method of spatially separating the elements by etching each periphery sufficiently deeper than the p-well by silicon etching may be used.
[0039]
In the case where the series-connected diode circuit section 22 as shown in FIG. 2 is formed, it is needless to say that the p-type and n-type impurity types including the semiconductor region 21 may be all reversed. It is possible.
[0040]
In any case, in the case of this temperature detection device, when a forward bias voltage is applied to the series-connected diode circuit unit 22, the temperature is substantially uniform due to the Joule heat of each of the semiconductor diodes 22a, 22b, 22c, and 22d. In other words, the temperature at that location can be detected with high accuracy. In the case of this temperature detecting device, a semiconductor such as silicon is used as the semiconductor region 21, and a pn junction diode or a Schottky junction diode is used as each of the semiconductor diodes 22 a, 22 b, 22 c and 22 d in the series-connected diode circuit unit 22. It can also be used.
[0041]
FIG. 3 is an external perspective view showing a basic configuration of a temperature detecting device according to another embodiment of the present invention. FIG. 4 is a side cross-sectional view of the temperature detection device shown in FIG. As shown in FIG. 3, the temperature detection device includes an SOI substrate 31c, a buried insulating layer 31b, and an SOI thin film 31a, which form a substrate 10, which are stacked in this order on the SOI substrate 31 as a semiconductor region. A series-connected diode circuit portion 32 composed of four semiconductor diodes 32a, 32b, 32c, and 32d is provided on a thin film 31a (which plays the role of the substrate 10 itself) so as to be connected between the extraction electrodes 33a and 33b. Thus, the conductive patterns related to the extraction electrodes 33a and 33b and the series-connected diode circuit portion 32 are configured to form a zigzag shape.
[0042]
Also in the case of this temperature detecting device, a pn junction diode is applied as each of the semiconductor diodes 32a, 32b, 32c and 32d forming the series-connected diode circuit portion 32, and specifically, n-type regions 32aa and 32ba. , 32ca, 32da, one element of a pn junction diode is formed by diffusing p-type regions (p-wells) 32ab, 32bb, 32cb, 32db deeper than the n-type region.
[0043]
Also in this temperature detecting device, a method for forming the p-type region and the n-type region by adding an impurity to the SOI thin film 31a may use a known impurity introduction technique. , A method in which an impurity for introducing a liquid diffusion source as a carrier gas (generally, nitrogen gas) is supplied as a gas into a heat treatment furnace and supplied to the SOI thin film 31a, and a solid diffusion source is disposed in the heat treatment furnace. A method of supplying an impurity to an adjacent semiconductor substrate may be used. These techniques are called diffusion techniques, and a method of selecting a diffusion area includes a method of patterning a photoresist by a known photolithography technique and selectively introducing impurities mainly using a thermal oxide film as a mask. In addition, an impurity introduction method by an ion implantation technique is also possible, but in this case, a method of selectively introducing an implantation region by a known photolithography technique using a photoresist as a mask is mainly used.
[0044]
Incidentally, the respective pn junction diodes of the semiconductor diodes 32a, 32b, 32c, 32d forming the above-described series-connected diode circuit section 32 are electrically connected via metal thin film wiring. The metal thin film wiring is obtained by processing a metal thin film formed by a known sputtering method, a vacuum evaporation method, or a plating method by a known photolithography technique, a wet or dry etching technique, or by a lift-off method. A wiring processing method is also applicable.
[0045]
The pn junction diodes of the semiconductor diodes 32a, 32b, 32c, and 32d forming the series-connected diode circuit section 32 are separated from each other by a p-well when the SOI thin film 31a is an n-type.
[0046]
Further, as a method of separating the respective pn junction diodes of the semiconductor diodes 32a, 32b, 32c and 32d forming the series-connected diode circuit section 32 from each other, when forming the p-type SOI thin film 31a, A method in which the respective pn junction diodes of the diodes 32a, 32b, 32c, and 32d are made sufficiently deeper than the p-well to insulate and separate in the n-type region formed up to the bottom of the SOI thin film 31a; A method of spatially separating the elements by etching the periphery of each of 32c and 32d sufficiently deeper than the p-well by silicon etching may be used.
[0047]
In addition, since the thickness of the SOI thin film 31a of the SOI substrate 31 can be controlled with high precision and can be reduced to about several microns, as shown in FIGS. The active region 40 provided with the series-connected diode circuit portion 32 is thermally separated from the SOI substrate 31 by the cavity 100 formed by the grooves 101a and 101b and the semiconductor substrate 31c of the SOI substrate 31. The grooves 101a and 101b and the cavity 100 can be easily formed by a known anisotropic etching technique, a dry etching technique, or the like.
[0048]
The formation of the grooves 101a, 101b and the cavity 100 here will be described with reference to FIG. 4 using an anisotropic etching technique. If the semiconductor substrate 31c has a plane orientation (100), the semiconductor substrate of the cavity 100 It is known that the angle a formed with the surface of 31c is 54.7 degrees. As the anisotropic etching solution, an aqueous alkali solution such as hydrazine hydrate, TMAH (tetramethylammonium hydroxide), KOHM, and EPW (ethylenediaminepyrecatechol water) is generally used. At this time, a thermal oxide film is mainly used as a mask, but a nitride film or a metal film made of Au, Cr, NiCr, or the like can also be used.
[0049]
By the way, in the examples shown in FIGS. 3 and 4, anisotropic etching is mainly performed from the back surface of the substrate 10 to form the micro air bridge shape by the grooves 101a and 101b and the semiconductor substrate 31c. It is also possible to perform anisotropic etching only from the surface of 10 and form a micro air bridge shape by the grooves 101a and 101b and the semiconductor substrate 31c. The grooves 101a, 101b and the cavity 100 can be formed by a silicon dry etching technique using a photoresist, a thermal oxide film, or the like as a mask. In this case, dry etching can be performed almost vertically. Due to the feature, the angle a formed by the cavity 100 shown in FIG. 4 with the surface of the semiconductor substrate 31c can be made substantially perpendicular. Accordingly, in this case, when the semiconductor substrate 31c is etched from the back surface of the SOI substrate 31 to form a micro air bridge shape, the opening area required for etching can be reduced, and as a result, the substrate 10 The area can be reduced. Further, although the cavity 100 shown in FIG. 4 is formed by anisotropic etching or the like, instead of this, for example, a polycrystalline silicon thin film is formed on a substrate such as glass or semiconductor via a sacrificial layer or the like. It should be noted that, after forming the series-connected diode circuit portion here, the sacrificial layer can be similarly formed by a technique such as removal by etching.
[0050]
In the temperature detecting devices of the embodiments described with reference to FIGS. 2 to 5, single-crystal silicon is used as the semiconductor region. However, the semiconductor region is not limited to silicon, and other semiconductors may be used. Alternatively, a polycrystalline semiconductor such as polycrystalline silicon may be used, and an epitaxial growth film may be formed on single crystal silicon to form a semiconductor region. Further, as shown in FIG. 3, for example, another two semiconductor diodes 132a, 132b which can be formed in the same process as the respective semiconductor diodes 32a, 32b, 32c, 32d in the series-connected diode circuit section 32 are placed on the semiconductor substrate 31c, for example. [Specifically, in FIG. 3, a semiconductor diode 132a composed of an n-type region 132aa and a p-type region (p-well) 132ab is taken out, and electrodes 133aa and 133ab are taken out of the SOI thin film 31a. The configuration includes a linear conductive pattern connected therebetween and a linear conductive pattern in which a semiconductor diode 132b including an n-type region 132ba and a p-type region (p-well) 132bb is taken out and connected between electrodes 133ba and 132bb] As a reference for detecting the temperature on the substrate 10. It is also possible to. However, in the case of such a configuration, the semiconductor diodes used as the reference can be freely arranged in an empty space on the semiconductor substrate 31c. Therefore, for example, each semiconductor diode in the series-connected diode circuit unit 32 is used instead of the semiconductor diodes 132a and 132b. 32a, 32b, 32c, 32d, or one of the semiconductor diodes 132a, 132b instead of the semiconductor diodes 32a, 32b, 32c, 32d may be used as a reference.
[0051]
Further, in the temperature detection device shown in FIGS. 3 and 4, infrared rays are made incident on and absorbed in the active region 40 in which the series-connected diode circuit portion 32 is formed, and the temperature is detected by increasing the temperature in that region. That is, a series connection diode circuit section 32 is provided in the micro air bridge-shaped active area 40, and this is used for light reception as a temperature sensing section. Further, as shown in FIG. An interlayer insulating film 53 and a metal thin-film wiring 51 formed on the active region 40, that is, strictly speaking, on the active region 40 (these forming techniques are well known and are not related to the technical gist of the present invention. Is omitted), a high-accuracy thermal infrared detecting device with high response speed and high sensitivity is constructed.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the temperature detection device of the present invention, when a constant forward bias voltage in a predetermined range is applied to a semiconductor diode provided in a semiconductor region formed on a substrate, In the basic configuration configured to enable temperature detection based on the obtained forward current change, as a semiconductor diode In order to improve the S / N ratio by reducing the Johnson noise when detecting the temperature of the device Of almost the same characteristics Predetermined number (plural) Are connected in series to the semiconductor region, and a constant forward bias voltage is applied to the series-connected diode circuit within a range extended to the number of semiconductor diodes. Since the temperature is detected based on the temperature change of the current flowing through the series-connected diode circuit portion when the voltage is applied, the applied voltage is substantially increased as the sum of the rising voltages of the semiconductor diodes in the series-connected diode circuit portion. Therefore, the signal-to-noise ratio can be improved to be much higher than in the past, and high-speed response, high sensitivity, and high-accuracy detection are possible. In addition, a series-connected diode circuit portion having a similar configuration applied to the temperature detecting device is used for receiving infrared rays, and a predetermined range of the series-connected diode circuit portion is extended to the number of semiconductor diodes. Thermal infrared detection device configured to apply a constant forward bias voltage (The series-connected diode circuit section is also formed by connecting a predetermined number of semiconductor diodes having substantially the same characteristics in series so that the Johnson noise can be reduced and the S / N ratio can be improved when infrared light is detected by the apparatus.) Thus, when detecting the amount of infrared light received based on the temperature change of the current flowing through the series-connected diode circuit that has received infrared light, the signal-to-noise ratio can be improved to be much higher than in the past, and the high-speed response and Sensitivity and high-precision detection are possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a basic configuration of a temperature detecting device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an external perspective view showing a basic configuration of a temperature detecting device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an external perspective view showing a basic configuration of a temperature detecting device according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a side cross-sectional view of the temperature detection device shown in FIG. 3 taken along line XX ′.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a basic configuration of a temperature detecting device according to a conventional example.
[Explanation of symbols]
10 Substrate
11,41 constant voltage source
12,22,32 Series connected diode circuit
12a, 12b, 12c, 12d, 22a, 22b, 22c, 22d, 32a, 32b, 32c, 32d, 42, 132a, 132b Semiconductor diode
13,43 Operational amplifier
14,44 fixed resistance
21 Semiconductor Area
22aa, 22ba, 22ca, 22da, 32aa, 32ba, 32ca, 32da, 132aa, 132ban n-type region
22ab, 22bb, 22cb, 22db, 32ab, 32bb, 32cb, 32db, 132ab, 132bb p-type region (p-well)
23a, 23b, 33a, 33b, 133aa, 133ab, 133ba, 133bb Extraction electrode
31 SOI substrate
31a SOI thin film
31b embedded insulating layer
31c semiconductor substrate
40 Active area
51 Metal thin film wiring
53 interlayer insulating film
54 Infrared absorbing film
100 cavities
101a, 101b groove

Claims (8)

When a constant forward bias voltage in a predetermined range is applied to a semiconductor diode provided in a semiconductor region formed on a substrate, a temperature can be detected based on a forward current change obtained from the semiconductor diode. a temperature sensing device that is, the semiconductor diode, one is reduced Johnson noise when the temperature detecting apparatus of a predetermined number of substantially identical characteristics to improve the S / N ratio is connected in series series diode circuit The series-connected diode is provided in the semiconductor region, and when the constant forward bias voltage is applied to the series-connected diode circuit portion in a range expanded to a multiple of the number of the semiconductor diodes. A temperature detecting device configured to detect a temperature based on a temperature change of a current flowing through a circuit unit. 2. The temperature detection device according to claim 1, wherein the semiconductor region is thermally separated from the substrate to form a thin film, and the series-connected diode circuit portion is provided in the thin film semiconductor region. A temperature detecting device characterized by the above-mentioned. 3. The temperature detecting device according to claim 2, wherein the thin film semiconductor region is formed using an SOI thin film. 4. The temperature detecting device according to claim 2, wherein the thin film semiconductor region is an active region. The semiconductor diode provided in the semiconductor region formed on the substrate is used for receiving infrared rays, and when a constant forward bias voltage is applied to the semiconductor diode within a predetermined range, the semiconductor diode receives infrared rays. In a thermal infrared detection device configured to be able to detect the amount of received infrared light based on a change in a forward current corresponding to a change in temperature obtained, the semiconductor diode reduces Johnson noise when detecting infrared light from the device. A predetermined number of substantially the same characteristics are connected in series so as to improve the N ratio, and are provided in the semiconductor region to form a series-connected diode circuit portion. When a forward bias voltage is applied in a range expanded to a multiple of the number of the semiconductor diodes, the forward bias voltage flows through the series-connected diode circuit. Thermal type infrared sensing device, characterized in that detectably configure infrared ray receiving amount, based on the temperature change of the flow. 6. The thermal infrared detection device according to claim 5, wherein the semiconductor region is thermally separated from the substrate to form a thin film, and the series-connected diode circuit portion is provided in the thin film semiconductor region. A thermal infrared detector. 7. The thermal infrared detection device according to claim 6, wherein the thin film semiconductor region is formed using an SOI thin film. 8. The thermal infrared detection device according to claim 6, wherein the thin film semiconductor region is an active region.

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