JP3825662B2

JP3825662B2 - 熱型赤外線イメージセンサ

Info

Publication number: JP3825662B2
Application number: JP2001285478A
Authority: JP
Inventors: 尚哉真塩; 圭太郎重中; 郁夫藤原; 英之舟木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-09-19
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2021-09-19
Also published as: JP2003101880A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線を熱として感知する熱型赤外線検出器（画素）を２次元配置した赤外線イメージセンサに係わり、特に複数個のダイオード素子を直列接続して熱型赤外線検出器を構成した熱型赤外線イメージセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、赤外線を熱として感知する熱型赤外線検出器の中で、検出部に半導体接合素子を含むｐｎ接合ダイオード型熱型赤外線検出器がある。この検出器では、ｐｎ接合の順方向電流を固定した際の順方向電圧の温度依存性から、検出器に照射された赤外線強度を計測することができる。従って、複数の検出器を２次元配置しておくことによって、被写体の温度分布を知ることが可能となる。
【０００３】
図６は、Ｓｉダイオード１０３を検出部に用いた従来例のｐｎ接合ダイオード型熱型赤外線検出器の概略図を示す。この検出器は、Ｓｉの製造ラインを用いて全て作製できるので、製造コストを安価にできるという利点がある。また、ｐｎ接合ダイオード型の利点として、検出器を２次元に配置したイメージセンサにおいては非選択時にはダイオードには逆電圧が印加されるが、そのときのリーク電流を極めて小さくすることができる。
【０００４】
ところで、ｐｎ接合ダイオード型の熱型赤外線検出器では、赤外線受光感度が直列に接続したダイオード数に比例するので、感度を増すためにはダイオード数を増やす必要がある。ダイオード数の増加により検出部の駆動電圧も増加することになり、例えば図７の順方向電圧印加時の電流−電圧特性に示すように、ダイオード８個では８Ｖ程度の電圧が必要となる。このような駆動電圧の上昇により周辺回路部（駆動部、信号読み出し部）の耐圧が必要となるために、周辺回路部の高速動作が困難となり、結果としてイメージセンサの画素数が制限されてしまう。また、消費電力の増大を招き、周辺回路部での発熱増加のためにペルチェなどの温調機構が必要となる。
【０００５】
上記の問題を解決するために、図６のｐｎ接合ダイオードをＭＯＳＦＥＴからなるダイオードに置き換えた検出器もある。特に、ＭＯＳ構造では、チャネル濃度を変えることにより電圧しきい値を低減することができ、駆動電圧を低く設定することが可能である。しかしながら、電圧しきい値を低くすると、イメージセンサにおいて非選択時の逆電圧印加によるリーク電流が増大し、選択画素の検出感度の低下の原因となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、赤外線検出部にｐｎ接合ダイオードを用いる場合には、感度向上のために多数のダイオード数が必要となり、高い駆動電圧となってしまう。また、ｐｎ接合ダイオードの替わりにＭＯＳＦＥＴからなるダイオードを用いて駆動電圧を下げることはできるが、この場合は非選択時のリーク電流も増大してしまい高感度化が困難となる。
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、検出部の駆動電圧を低減すると共に、非選択時の検出部におけるリーク電流を低減することを可能とした熱型赤外線イメージセンサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は次のような構成を採用している。
【０００９】
即ち本発明は、複数の半導体素子を直列接続して形成された熱型赤外線検出画素を２次元配置してなる熱型赤外線イメージセンサであって、各々の検出画素における複数の半導体素子のうちの１つはｐｎ接合ダイオードからなり、動作電圧が高くリーク電流が小さいダイオード素子で、残りはゲートとドレインを接続したＭＯＳＦＥＴからなり、動作電圧が低くリーク電流が大きいダイオード素子であることを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、複数の半導体素子を直列接続して形成された熱型赤外線検出画素を２次元配置してなる熱型赤外線イメージセンサであって、各々の検出画素における複数の半導体素子のうちの１つは、ゲートとドレインを接続したＥタイプのＭＯＳＦＥＴからなり、動作電圧が高くリーク電流が小さいダイオード素子で、残りは、ゲートとドレインを接続したＤタイプのＭＯＳＦＥＴからなり、動作電圧が低くリーク電流が大きいダイオード素子であることを特徴とする。
【００１１】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものが挙げられる。
【００１４】
(1) 各検出画素を構成する複数のダイオード素子は、当該検出画素の検出信号を読み出す際の選択時に順バイアスされ、当該検出画素の非選択時には逆バイアスされるものであること。
【００１５】
(2) 各検出画素は、Ｓｉ基板上に熱的に分離して形成された島状の半導体領域に形成されること。
【００１６】
（作用）
本発明によれば、リーク電流は大きいが動作電圧の低いダイオードを複数個直列接続することにより、駆動電圧の上昇を抑えながら検出感度を稼ぐことができる。そして、直列接続する複数のダイオードのうちの一部（又は一つ）を動作電圧は高いがリーク電流の小さいものとすることにより、全体のリーク電流を低減することができる。これにより、リーク電流を減らしながら感度の向上をはかることが可能となる。
【００１７】
たとえば、直列接続する複数のダイオードのうちの一部（又は一つ）をｐｎ接合ダイオードで形成し、残りをゲートとドレインが接続されたＭＯＳＦＥＴで形成することにより、ＭＯＳＦＥＴからなるダイオードで感度を稼ぎ、ｐｎ接合ダイオードでリークの低減をはかることができる。同様に、直列接続する複数のダイオードのうちの一部（又は一つ）をＥタイプのＭＯＳＦＥＴで形成し、残りをＤタイプのＭＯＳＦＥＴで形成することにより、ＤタイプＭＯＳＦＥＴで感度を稼ぎ、ＥタイプのＭＯＳＦＥＴでリークの低減をはかることが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる熱型赤外線イメージセンサの全体構成を示す回路図である。図では、説明を簡単にするために２行２列の２×２画素構成を示しているが、より多数行，多数列のｍ×ｎ画素構成に適用できるのは勿論のことである。
【００２０】
入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出画素１が半導体基板上に２次元的に配置されて撮像領域３を構成している。撮像領域３の内部には、複数本の行選択線４（４−１，４−２）と複数本の垂直信号線５（５−１，５−２）が配置されている。
【００２１】
画素選択のために、行選択回路４０と水平アドレス回路６が撮像領域３の行方向と列方向に各々隣接配置され、行選択回路４０には行選択線４が接続され、水平アドレス回路６には水平選択線７（７−１，７−２）が接続されている。画素出力電圧を得るための定電流源として、各列の垂直信号線５には負荷ＭＯＳトランジスタ８（８−１，８−２）が接続されている。負荷ＭＯＳトランジスタ８のソースには基板電圧Ｖｓが印加されている。
【００２２】
行選択回路４０により選択された行選択線４には電源電圧Ｖｄが印加され、行選択回路４０により選択されない行選択線にはＶｓが印加される。その結果、選択された行の赤外線検出画素１内部のｐｎ接合が順バイアスとなりバイアス電流が流れ、画素内部のｐｎ接合の温度と順バイアス電流とにより動作点が決まり、各列の垂直信号線５に画素信号出力電圧が発生する。このとき、行選択回路４０によって選択されない画素１のｐｎ接合は逆バイアスとなる。即ち、画素内部のｐｎ接合は画素選択の機能を持っている。
【００２３】
垂直信号線５に発生する電圧は、極めて低電圧でありこの信号電圧を読み出すために、列毎に増幅読み出し回路９が配置されており、各列の垂直信号線５は各列の増幅トランジスタ１０のゲートに接続されている。増幅トランジスタ１０のドレイン側には、電流増幅した信号電流を積分し蓄積するための蓄積容量１２が接続されている。信号電流を積分する蓄積時間は、行選択回路４０により行選択線４に印加される行選択パルスにより決定される。蓄積容量１２には、該蓄積容量１２の電圧をリセットするためのリセットトランジスタ１３が接続され、水平選択トランジスタ１４による信号電圧の読み出しが完了した後にリセット動作を行うようになっている。
【００２４】
図２（ａ）は、本実施形態に係わる熱型赤外線イメージセンサの１画素構成を示す断面図である。赤外線検出部にゲートとドレインを接続したｎ型ＭＯＳＦＥＴ（以下、単にｎ型ＭＯＳＦＥＴと記す）とｐｎ接合ダイオードを用いた例である。
【００２５】
Ｓｉ基板１００上に酸化膜１０１を介してＳｉ層を形成したＳＯＩ基板が用いられ、酸化膜１０１上に選択的に残したＳｉ層にはｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０２及びｐｎ接合ダイオード１０３が配置されている。ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０２は、ｎ型拡散層１０２ａ，ゲート電極１０２ｂ及びｐ型ウェル層１０２ｃにより形成され、ｐｎ接合ダイオード１０３は、ｎ型拡散層１０３ａ及びｐ型拡散層１０３ｂにより形成される。また、これらのダイオードを形成した基板上には絶縁酸化膜１０５が形成されている。そして、ｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０２，ｐｎ接合ダイオード１０３，酸化膜１０１及び絶縁酸化膜１０５によって、画素となる検出部１０４が構成されている。
【００２６】
検出部１０４は絶縁酸化膜１０５と酸化膜１０１からなる支持脚１０７によりＳｉ基板１００に接続しており、分離溝１０６及び空洞１０８によりＳｉ基板１００とは熱的に分離されている。このように、検出部１０４及び支持部１０７が中空構造１０８上に設けられることにより、入射赤外線による検出部１０４の温度の変調を効率良く行う構造になっている。
【００２７】
図２（ｂ）は、検出部１０４を正面から見た図である。一例としてｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０２を３個、ｐｎ接合ダイオード１０３を１個配置した場合を示している。各々のダイオードは配線１０９で直列に接続されている。ｐｎ接合ダイオード１０３のｐ型拡散層１０３ｂは前段のｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０２のｎ型拡散層１０３ａに接続されており、ｎ型拡散層１０３ａは次段のｎ型ＭＯＳＦＥＴ１０２のｎ型拡散層１０２ａ及びゲート電極１０２ｂに配線１０９を介して接続されている。
【００２８】
上記の構造を回路図で示したのが図３であり、１個のｐｎ接合ダイオード１０３と複数個のＭＯＳＦＥＴ１０２が直列接続されている。また、ダイオードを例えば８個（当該ＭＯＳＦＥＴ７個とｐｎ接合ダイオード１個）を用いた場合の、温度Ｔ１，Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）のときの検出部における電圧−電流特性を図４に示す。この図から分かるように、ダイオードを８個用いた場合でも、必要な電圧は４Ｖ程度となる。
【００２９】
ここで、動作時の電流を一定にした際のｎ型ＭＯＳＦＥＴの電圧降下をＶm 、ＭＯＳＦＥＴの数をＮm 、ｐｎ接合ダイオードの電圧降下をＶd とした時の、総電圧降下Ｖddは次のようになる。
【００３０】
Ｖdd＝Ｖd ＋Ｎm ×Ｖm …（１）
感度向上のためにはＮm を増やす必要があるが、その際にはｎ型ＭＯＳＦＥＴのｐ型ウェル濃度を調整することによりＶm を低下させればよい。その際には飽和電流値は低減してしまうが、動作電流がそれ以下の場合には問題ない。また、非選択時のリーク電流はｐｎ接合ダイオードの逆電圧特性のように極めて少ない値となるので、選択画素の感度には影響を及ぼさない。
【００３１】
図５にトータルのダイオード数が８個で、ｐｎ接合ダイオードとＭＯＳＦＥＴの割合を変えた場合の特性を示す。なお、ｐｎ接合ダイオードの電圧降下を１Ｖ、ＭＯＳＦＥＴの電圧降下を０．３Ｖとした。
【００３２】
図５の（a1）に示すように、全てがｐｎ接合ダイオードである場合（図６の従来例と同じ）、（a2）に示すように動作電流Ｉo での動作電圧は、１×８＝８Ｖである。また、（b1）に示すように、半数をｐｎ接合ダイオードにした場合、（b2）に示すように動作電流Ｉo での動作電圧は、１×４＋０．３×４＝５．２Ｖとなる。さらに、（c1）に示すように、１つのみがｐｎ接合ダイオードの場合、（c2）に示すように動作電流Ｉｏでの動作電圧は、１＋０．３×７＝３．１Ｖとなる。
【００３３】
また、図５から分かるように、動作電流Ｉo での傾きはどのケースにおいても同様となる。即ち、感度は一定であり、ｐｎ接合ダイオードの数が少ないほど動作電圧が低くなる。従って、本実施形態のようにｐｎ接合ダイオードを１個、他をＭＯＳＦＥＴで構成することにより、高い感度を保持しながら動作電圧の低減が可能となる。
【００３４】
一方、複数のダイオードを直列接続した場合、全体のリーク電流は最もリーク電流が小さいダイオードで規定されることになる。図５の例では、（ａ）の場合も（ｃ）の場合も全体のリーク電流はｐｎ接合ダイオードに１Ｖを印加したときの電流となり、何れの場合も同じとなる。従って、本実施形態のように１個のｐｎ接合ダイオードと多数のＭＯＳＦＥＴを用いた場合、リーク電流の大きいＭＯＳＦＥＴを用いているにも拘わらず、逆バイアスによるリーク電流を十分に小さくすることができる。
【００３５】
このように本実施形態によれば、Ｓｉ基板上に熱分離して配置される検出部１０４を、１個のｐｎ接合ダイオード１０３と複数個のＭＯＳＦＥＴ１０２で構成することにより、検出部１０４の駆動電圧を低減すると共に、非選択時の検出部１０４におけるリーク電流を低減することができる。これにより、高感度，高精度の検出器１０４を用いて熱型赤外線イメージセンサを実現できることになり、製造コストの低減をはかることもできる。
【００３６】
また、検出器１０４にしきい値の異なる複数の半導体素子を含んでいるので、感度検出の役割であるＭＯＳＦＥＴ１０２での電圧降下を減少することにより検出部１０４の駆動電圧を低減でき、同時に非選択時のリーク電流を減少する役割を持つｐｎ接合ダイオード１０３によって選択している検出部の感度低下を防ぐことができる。
【００３７】
また、検出部１０４を構成する半導体素子としてＭＯＳＦＥＴを用いているので、ウェル濃度及びチャネル濃度の調節により検出部１０４の駆動電圧の設定が容易となる。さらに、検出部を構成する半導体素子は複数のＭＯＳＦＥＴと１つのｐｎ接合ダイオードであり、素子構成は極めて簡単であり、その製造に特殊な工程を要することもない。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態では、動作電圧が高くリーク電流の小さい素子としてｐｎ接合ダイオードを用いたが、この代わりに、しきい値の高いゲート・ドレイン短絡のｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いることにより非選択時のリーク電流を低減することも可能である。このときの作用は、ｐｎ接合ダイオードを用いた場合と同様である。ＭＯＳＦＥＴのみで構成する場合、動作電圧が高くリーク電流の小さい素子としてゲート・ドレイン短絡のＥタイプのＭＯＳＦＥＴを用い、動作電圧が低くリーク電流の大きい素子としてゲート・ドレイン短絡のＤタイプのＭＯＳＦＥＴを用いればよい。
【００３９】
また、実施形態では、動作電圧が低くリーク電流の小さい素子としてゲート・ドレイン短絡のｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いたが、この代わりにゲート・ドレイン短絡のｐ型ＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。さらに、温度により電気特性が変化し、構造を変えることによりある動作電流における電圧降下が変化する素子であれば用いることが可能である。また、非選択時の低リーク素子としてはｐｎ接合ダイオードを用いたが、低リーク素子であるならば同じ方法でこの検出器に使用可能である。
【００４０】
また、実施形態では、動作電圧が高くリーク電流の小さい素子を１つ、残りを動作電圧が低くリーク電流の大きい素子としたが、動作電圧が高くリーク電流の小さい素子はかならずしも１個に限るものではなく、２個又はそれ以上にしてもよい。但し、動作電圧が高くリーク電流の小さい素子が多くなるほど本発明の効果が小さくなるので、あまり多くすることは望ましくない。
【００４１】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、赤外線検出画素を構成する複数の熱型赤外線検出器のうちの一部を他よりも動作電圧が高くリーク電流が小さい半導体素子で構成することにより、検出部の駆動電圧を低減すると共に、非選択時の検出部におけるリーク電流を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる熱型赤外線イメージセンサの全体構成を示す回路図。
【図２】図１の熱型赤外線イメージセンサの１画素構成を示す断面図と平面図。
【図３】図１の熱型赤外線イメージセンサに用いた赤外線検出部の回路構成を示す図。
【図４】温度Ｔ１，Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）をパラメータとしたときの検出部における電圧−電流特性を示す図。
【図５】実施形態における動作電圧低減の様子を説明するための図。
【図６】従来の熱型赤外線イメージセンサの一例の回路構成を示す図。
【図７】温度Ｔ１，Ｔ２（Ｔ１＜Ｔ２）をパラメータとしたときの従来の検出部における電圧−電流特性を示す図。
【符号の説明】
１…赤外線検出画素
２…半導体基板
３…撮像領域
４…行選択線
５…垂直信号線
６…水平アドレス回路
７…水平選択線
８…負荷ＭＯＳトランジスタ
９…増幅読み出し回路
１０…増幅トランジスタ
１２…蓄積容量
１３…リセットトランジスタ
４０…行選択回路
１００…Ｓｉ基板
１０１…酸化膜
１０２…ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
１０２ａ…ｎ型拡散層
１０２ｂ…ゲート電極
１０２ｃ…ｐ型ウェル層
１０３…ｐｎ接合ダイオード
１０３ａ…ｎ型拡散層
１０３ｂ…ｐ型拡散層
１０４…検出部
１０５…絶縁酸化膜
１０６…分離溝
１０７…支持脚
１０８…空洞
１０９…配線

Claims

複数の半導体素子を直列接続して形成された熱型赤外線検出画素を２次元配置してなる熱型赤外線イメージセンサであって、
各々の検出画素における複数の半導体素子のうちの１つはｐｎ接合ダイオードからなり、動作電圧が高くリーク電流が小さいダイオード素子で、
残りはゲートとドレインを接続したＭＯＳＦＥＴからなり、動作電圧が低くリーク電流が大きいダイオード素子であることを特徴とする熱型赤外線イメージセンサ。
複数の半導体素子を直列接続して形成された熱型赤外線検出画素を２次元配置してなる熱型赤外線イメージセンサであって、
各々の検出画素における複数の半導体素子のうちの１つは、ゲートとドレインを接続したＥタイプのＭＯＳＦＥＴからなり、動作電圧が高くリーク電流が小さいダイオード素子で、
残りは、ゲートとドレインを接続したＤタイプのＭＯＳＦＥＴからなり、動作電圧が低くリーク電流が大きいダイオード素子であることを特徴とする熱型赤外線イメージセンサ。
前記各検出画素を構成する前記複数のダイオード素子は、当該検出画素の検出信号を読み出す際の選択時に順バイアスされ、当該検出画素の非選択時には逆バイアスされるものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱型赤外線イメージセンサ。