JP3866069B2

JP3866069B2 - 赤外線固体撮像装置

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Publication number: JP3866069B2
Application number: JP2001295106A
Authority: JP
Inventors: 義典飯田; 圭太郎重中; 尚哉真塩
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2007-01-10
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: US20050029454A1; US7087900B2; JP2003110938A; US6809320B2; US20030057372A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線固体撮像装置に係わり、特に信号読み出し部の改良をはかった熱型の非冷却型赤外線固体撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線を利用した撮像装置は、昼夜に拘わらず撮像可能であると共に、可視光よりも煙や霧に対して透過性が高いという特長があり、さらに被写体の温度情報をも得られるという特長を有する。このため、防衛分野をはじめ監視カメラや火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。
【０００３】
従来の主流素子である量子型赤外線固体撮像素子の最大の欠点は、低温動作のための冷却機構を必要とすることであるが、近年このような冷却機構を必要としない非冷却型の赤外線固体撮像素子の開発が盛んになってきている。非冷却型、即ち熱型の赤外線固体撮像素子においては、波長１０μｍ程度の入射赤外線を吸収構造により熱に変換した上で、この微弱な熱により生じる感熱部の温度変化を何らかの熱電変換手段により電気的信号に変換し、この電気的信号を読み出すことで赤外線画像情報を得ている。
【０００４】
熱型の赤外線固体撮像素子としては、一定の順方向電流により温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合をＳＯＩ領域に形成した素子が報告されている（Tomohiro Ishikawa, et al., Proc.SPIE Vol.3698, p.556,1999）。ＳＯＩ基板を用いたシリコンｐｎ接合型の素子は、シリコンＬＳＩ製造工程のみによる製造が可能であるという特長があり、従って量産性に優れた素子である。また、シリコンｐｎ接合型素子には、熱電変換手段であるｐｎ接合が整流特性を利用した画素選択機能を有していることから、画素の内部構造を単純化できるという特長もある。
【０００５】
ところで、熱型の赤外線固体撮像素子における画素部の温度変化は、赤外線吸収層の吸収率や光学系にもよるが、一般的には被写体の温度変化の５×１０^-3倍程度であり、被写体温度が１［Ｋ］変化すれば画素温度は５［ｍＫ］変化する。一つの画素素子にシリコンｐｎ接合を８個直列接続して構成した場合の、熱電変換効率は１０［ｍＶ／Ｋ］程度であるので、被写体温度が１［Ｋ］変化した場合には画素部に５０［μＶ］の信号電圧が発生する。実際には、被写体の温度変化として０．１［Ｋ］程度を識別することが要求されることが多いので、その場合に発生する５［μＶ］程度の信号電圧を読み出すことが必要となる。
【０００６】
このような非常に微弱な信号電圧を読み出す方法として、画素部で発生した信号電圧をＭＯＳトランジスタのゲート電圧として電流増幅し、増幅された信号電流を蓄積容量で時間積分するという回路構成が知られている。この回路構成は、ゲート変調積分回路（ＧＭＩ回路）と呼ばれる回路であり、この回路構成をマトリクスの各列毎にカラム増幅回路として配置し、１行分の電流増幅を並列処理することで、信号帯域を制限しランダム雑音を低減できるという効果がある。
【０００７】
ゲート変調積分回路における電圧ゲインＧは、増幅トランジスタの相互コンダクタンスｇｍ＝δＩｄ／δＶｇ、積分時間ｔｉ、そして蓄積容量Ｃｉにより決まり、
Ｇ＝（ｔｉ×ｇｍ）／Ｃｉ …（１）
で表現される。積分時間ｔｉ及び蓄積容量Ｃｉが与えられたとき、上記のゲインは増幅トランジスタの相互コンダクタンスｇｍにより支配され、ｎ型のＭＯＳトランジスタが飽和領域で動作する場合のｇｍは、次の（２）式により近似表現される。
【０００８】
ｇｍ＝（Ｗ／Ｌ）・（εox／Ｔox）・μｎ・（Ｖgs−Ｖth）…（２）
但し、Ｗ：チャネル幅、Ｌ：チャネル長、εox：ゲート酸化膜の誘電率、Ｔox：ゲート酸化膜厚、μｎ：電子移動度、Ｖgs：ゲート・ソース間電圧、Ｖth：トランジスタの閾値電圧、である。
【０００９】
既に述べたように、被写体の温度差として０．１［Ｋ］程度を認識することが要求されるので、そのときに画素出力部に発生する５［μＶ］程度の信号を読み出すことが必要となる。この信号電圧レベルは、一般の可視光を撮像するセンサであるＣＭＯＳセンサと比較して非常に低い電圧である。例えば、文献（「高感度ＣＭＯＳイメージセンサ」、映像情報メディア学会誌 Vol.54,No.2,p.216,2000）によれば、雑音電圧は約０．４［ｍＶ］＝４００［μＶ］であり、これと比較すれば、上記の赤外線センサの雑音レベルはＣＭＯＳセンサの約１／８０という低電圧であり、取り扱う信号電圧も同じく約１／８０という低電圧になる。
【００１０】
従って、センサ出力を一般的な撮像素子であるＣＭＯＳセンサと同様の回路によって処理することを考えれば、約８０倍のゲインを有するゲート変調積分回路によるカラム増幅回路が必要となる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したシリコンｐｎ接合型の熱型赤外線固体撮像装置は、定電流バイアス・電圧読み出し方式と呼ばれる回路構成であるが、この電圧読み出し方式の赤外線固体撮像装置においては、いくつかの課題がある。
【００１２】
第１の課題は、熱電変換感度を高めるために、画素内部に複数のシリコンｐｎ接合を直列接続する必要があり、画素構造が複雑となり画素の微細化が困難になることである。
【００１３】
第２の課題は、第１の課題に起因するものであるが、画素内部に複数のシリコンｐｎ接合を直列接続している回路構成であることから、赤外線固体撮像装置の最適動作のために、通常のＣＭＯＳデバイスの電源電圧である１〜３［Ｖ］よりも遙かに高い電圧を必要とすることである。
【００１４】
例えば、ｐｎ接合数が８個の場合には１０［Ｖ］近い高電圧が必要となるので、そのために行選択回路等の周辺回路の設計及び製造工程は、標準ＣＭＯＳデバイスでは必要のない、高耐圧化のための付加的な構造及び付加的な製造工程が必要である。
【００１５】
第三の課題は、熱電変換感度である。
シリコンｐｎ接合型の熱型赤外線固体撮像装置の動作原理から考えて、定電流バイアス・電圧読み出し方式の熱電変換感度は、定電圧バイアス・電流読み出し方式の熱電変換感度より低い。
【００１６】
順バイアスしたシリコンｐｎ接合の順方向電流Ｉｆは、熱的な感度が高い領域である活性化エネルギーがバンドギャップと等しい、拡散電流領域での動作を前提に考えれば、次の（３）式によって近似表現される。
【００１７】
Ｉｆ＝Ｉｏ・ｅｘｐ（ｑ（Ｖｆ−Ｅｇ）／ｋＴ） … （３）
但し、Ｉｏ：逆バイアス飽和電流、ｑ：電子の電荷量、Ｖｆ：順バイアス電圧、Ｅｇ：バンドギャップ、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度である。（３）式を温度Ｔで微分する際に、Ｉｆ或いはＶｆを一定とすることで、電圧読み出し方式或いは電流読み出し方式の熱電変換感度を求めることができる。
【００１８】
即ち、電圧読み出し方式においては，電圧温度係数：ＴＣＶ（Temperature Coefficient of Voltage）と、電流温度係数：ＴＣＣ(Temperature Coefficient of Current)は、各々次の（４）式及び（５）式で記述される。
【００１９】

動作領域が拡散電流領域であることを考慮した上で、これらの熱電変換感度を比較すると、次の（６）式を得る。
｜ＴＣＣ｜／｜ＴＣＶ｜＝Ｖ／（ｋＴ／ｑ）＞１ …（６）
即ち、同一のバイアス電圧においては、電圧読み出し方式と比較して電流読み出し方式が高感度である。
【００２０】
しかし、高感度な電流読み出し方式を採用するにあたっては、幾つかの課題が新たに発生する。まず、読み出した電流は極めて微弱であるので、電圧変換し増幅する必要があるが、単純に負荷抵抗により電流電圧変換を行う回路構成では、負荷抵抗における熱雑音が発生し、感度の向上よりも雑音の増加の影響が大きいために、ＮＥＴＤ（雑音等価温度差）は向上できない。
【００２１】
また、負荷抵抗での熱雑音発生を防止するために積分容量を用いて電流電圧変換を行う方法もあるが、この場合には前述の負荷抵抗方式も同様であるのだが、電流積分動作による電荷蓄積に伴い信号線電位が変化し、ｐｎ接合の順バイアス電圧が低下してしまうというネガティブフィードバックがかかってしまい、十分な高感度化効果を得ることができない。
【００２２】
このネガティブフィードバックの問題に対処するために、バイポーラトランジスタを用いた例が報告されている（映像情報メディア学会技術報告、Vol.24, No.17, p.13, 2000）が、その製造工程が単純なＣＭＯＳ工程ではなく、いわゆるＢｉ−ＣＭＯＳ工程であるため、必ずしも十分な対策がなされているとはいえないのが現状である。
【００２３】
さらに、それ以外の重要な課題として、自己過熱問題がある。熱型赤外線固体撮像装置は、熱電変換部の温度情報を電気信号として読み出すために、熱電変換部に電流を流さなければならない場合が多い。この温度情報読み出しのためのバイアス電流或いはバイアス電圧により、熱電変換部にジュール熱が発生し、このジュール熱による熱電変換部の加熱が発生してしまうという、いわゆる自己加熱問題がある。
【００２４】
例えば、熱電変換画素を半導体基板に組込んだ場合、半導体基板との間の熱コンダクタンスを、一般的な値である１０^-7［Ｗ／Ｋ］としたｐｎ接合型の熱電変換部での自己加熱の影響は、ｐｎ接合数を８個、バイアス電流２００［μＡ］、そして信号読み出しのための画素選択期間を２５［μｓ］、フレームレートを６０［ｆｐｓ］として計算すると、約３０［Ｋ］もの温度上昇になる。この温度上昇を、前述の赤外線入射による温度上昇量である５［ｍＫ］と比較すると非常に大きく、この自己加熱問題の解決が非常に重要であることが分かる。
【００２５】
自己加熱による画素の温度変化（電圧：Ｖsig 換算）の一例を、図２２に示した。図２２からも明らかなように、画素温度は、行選択期間の行選択パルス電圧印加に伴うジュール熱の発生により急激に上昇し、行選択パルスがオフされた以降に熱電変換部の熱時定数により緩やかに冷却される。即ち、画素温度Ｔｄ及び出力信号電圧Ｖsig が急激に変化し、画素温度が１フレーム期間をかけて元に戻る。
【００２６】
この自己加熱による温度上昇は上述の計算によれば３０［Ｋ］にも及ぶが、上述したように赤外線入射による温度変化は僅か５［ｍＫ］程度に過ぎず、それは図２２における曲線よりも小さい極めて微小な信号である。
【００２７】
その結果、信号線に接続した一般的なカラム増幅回路では、画素選択の初期には微弱な電流が流れ、画素選択中の自己加熱により時間の経過と共にその信号電流量が増加していくという動作になっており、またその電流成分の殆どが自己加熱に起因する温度情報電流、即ち雑音電流である。
【００２８】
カラム増幅回路の出力側の蓄積容量において積分、蓄積された電荷の概要を、蓄積容量のポテンシャルウェル図として模式的に図２３に示した。図２３からも明らかなように、蓄積された電荷の大部分は自己加熱による電荷Ｑ_SHであり、信号電荷Ｑsig は、ごく僅かである。
【００２９】
図２３には、自己加熱による温度上昇の影響で、行選択期間の後半の電流が大きく、その結果、行選択期間の後半から終盤の情報が重み付けされてしまっている様子も示されている。この情報の重み付けにより、実効的なサンプリング時間の短縮が発生し信号帯域が拡大するので、ランダム雑音は増加し赤外線固体撮像装置としての温度分解能が低下してしまう。
【００３０】
電気抵抗値の温度変化を動作原理としたボロメータを用いた場合には、ブリッジ回路を構成することで、上記の自己加熱問題を回避する方法が報告されている（X. Gu, et al.，Sensors and Actuators A, Vol.69, p.92, 1998）。この文献では、熱容量が同一で熱抵抗が低いリファレンス無感度画素をカラム毎に配置した上で、ブリッジ回路を構成し差分増幅している。これは、熱時定数に対して非常に短い時間である画素選択期間における自己加熱による温度上昇が、主に熱容量に支配されることを利用した方法である。
【００３１】
しかしながら、この方法では、自己加熱の影響を低減する効果はあっても、自己加熱問題への近似的な解決手段であり、完全に自己加熱問題が解決されたとは言えない。厳密な自己加熱問題の解決のためには、リファレンス無感度画素を、各有感度画素に対して、一対一に配置することが必要となるので、画素が二次元的にレイアウトされるイメージセンサにおける現実解は存在していない。
【００３２】
何故なら、ブリッジ回路を構成するリファレンス無感度画素を各画素に配置することは、画素サイズが同一であれば感度が１／２以下に低下するというデメリットが発生することを意味しており、自己加熱問題解決による効果との利害得失から、ブリッジ回路による自己加熱キャンセルは有効とはいえない。また、熱電変換機構としてシリコンｐｎ接合を用いたタイプの赤外線固体撮像装置において、この自己加熱問題は解決していない。
【００３３】
熱電変換機構としてシリコンｐｎ接合を用いたタイプの赤外線固体撮像装置において、電圧読み出し方式を用いた場合についての自己加熱問題の解決手段については、本発明者等の発明に係わる先特許出願（特願２００１−９１１７３号）に詳細に説明されている。しかし、高感度である電流読み出し方式を用いた場合には、上記出願の解決手段とは異なる方法が必要となる。
【００３４】
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、低コストでありながら、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジ特性を有する高性能な非冷却型赤外線固体撮像装置を提供することにある。
【００３５】
【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。
【００３８】
また本発明は、半導体基板上に、入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列された撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、前記複数の行選択線を駆動するための行選択回路と、前記複数の信号線の電位を一定電位に保持するための第１の信号線電位安定化回路と、前記複数の信号線毎に設けられ、各々の信号線に発生した信号電流から所望量の電流を減算するための電流除去回路、及び該回路により所望量の電流を減算した電流を電圧に変換するための第１の電流電圧変換回路を含む複数の信号読み出し回路と、前記複数の信号読み出し回路からの読み出し信号を出力するための列選択回路とを具備してなる赤外線センサであって、前記撮像領域内の各行には、前記半導体基板との熱分離構造が前記赤外線検出画素と同一構造である少なくとも一つの光学的無感度画素が配置され、該光学的無感度画素に接続された信号線には、この信号線の電位を一定電位に保持するための第２の信号線電位安定化回路と、電流を電圧に変換するための第２の電流電圧変換回路が接続され、更に前記無感度画素に対応する第２の電流電圧変換回路からの無感度画素電圧出力を基準とした電圧を発生する無感度画素列電圧発生回路が設けられ、前記無感度画素列電圧発生回路の出力が、前記電流除去回路の電流制御入力に供給されることを特徴とする。
【００３９】
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。
【００４０】
(1) 光学的無感度画素は、赤外線検出画素と同一構造の赤外線吸収構造上に遮光構造を形成することで無感度化されていること。
【００４１】
(2) 無感度画素列電圧発生回路は、無感度画素電圧出力を入力とする、少なくとも１段のソースフォロア回路を含む回路であること。
(3) 無感度画素列電圧発生回路は、無感度画素電圧出力を入力とする、少なくとも２段の偶数個のインバータ回路を含む回路であること。
【００４２】
(4) 信号線電位安定化回路は、少なくともオペアンプを含む回路であること。
(5) 信号線電位安定化回路は、信号線にドレイン接続されたＭＯＳトランジスタを含む回路であり、該ＭＯＳトランジスタはゲート電圧によりそのチャネル電位を所望の電位に制御するためのゲート電圧入力端子を備えていること。
【００４３】
(6) 電流電圧変換回路は、インピーダンス素子（負荷抵抗或いはキャパシタ）とオペアンプを含む回路であること。
(7) 電流電圧変換回路は、少なくともインバータ回路を含む回路であること。
(8) 電流電圧変換回路は、少なくともソースフォロア回路を含む回路であること。
(9) 電流電圧変換回路は、少なくとも電流積分容量とゲート変調積分回路を含む回路であること。
【００４４】
(10)電流除去回路は、所望量の電流制御を行うための電流制御入力部を有する電流可変定電流回路であること。
(11)電流除去回路の電流制御入力部には、行選択回路が発生する行選択パルスと同期したランプ波形電圧又はステップ波形電圧を入力する手段を具備してなること。
【００４５】
(12)行選択パルスと同期したランプ波形電圧又はステップ波形電圧を入力する手段として、行選択手段からの行選択パルスと同期してランプ電圧又はステップ電圧を発生する電圧発生器が、半導体基板上に形成されてなること。
(13)行選択パルスと同期したランプ波形電圧又はステップ波形電圧を入力する手段として、行選択手段からの行選択パルスと同期してランプ電圧又はステップ電圧を発生する電圧発生器を、半導体基板外に具備してなること。
【００４６】
(14)半導体基板がＳＯＩ基板であること。
(15)赤外線検出画素は、入射赤外線光を吸収し熱に変換するための赤外線吸収部と、該赤外線吸収部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段とを有するものであり、該熱電変換手段は、ＳＯＩ基板のＳＯＩ領域に形成されたｐｎ接合を有する熱電変換部と、この熱電変換部を半導体基板内部に形成される中空構造上に支持するための支持構造とを含んでなり、この支持構造には熱電変換部に接続された配線が設けられ、該配線が行選択線及び信号線に接続されてなること。
【００４７】
(16)赤外線検出画素において、熱電変換部として単一のｐｎ接合が形成されていること。
【００４８】
（作用）
本発明によれば、信号線電位安定化回路により信号線電位が安定化されるために、従来の電流読み出し方式における課題であった、信号線電位変動に起因するバイアス電圧低下というネガティブフィードバック問題は解決され、電流読み出し方式本来の高感度特性を得ることができる。
【００４９】
また本発明によれば、信号電流を信号電圧に変換するための電流電圧変換回路により、従来の負荷抵抗による電流電圧変換における課題であった、負荷抵抗における熱雑音を大幅に低減することが可能となり、ランダム雑音の増大を抑制し、電流読み出し方式本来の高感度特性を得ることができる。
【００５０】
さらに本発明によれば、信号電流から所望量の電流を減算するための電流減算回路を導入することで、真の信号電流成分のみを信号電圧に変換し増幅することが可能となるので、読み出し回路構造への負担を低減可能であり、高感度化と共に低コスト化が実現できる。
【００５１】
また本発明によれば、上記の電流減算回路における減算電流を、各行に配置された光学的無感度画素から得られる自己加熱電流を基準として、行選択期間内に変化させることにより、信号電流に含まれる自己加熱成分を除去することが可能となる。これにより、行選択期間における実効的な信号周波数帯域拡大を防止し、ランダム雑音を大幅に低減し、本質的に高感度である電流読み出し方式をさらに高感度化することができる。
【００５２】
さらに本発明によれば、上記の電流減算回路における減算電流を、行選択パルスと同期したランプ波形電圧或いはステップ波形電圧により制御することにより、信号電流に含まれる自己加熱成分を除去することが可能となる。これにより、行選択期間における実効的な信号周波数帯域拡大を防止し、ランダム雑音を大幅に低減し、本質的に高感度である電流読み出し方式をさらに高感度化することができる。
【００５３】
【発明の実施の形態】
本発明の各実施形態を説明する前に、本発明者らが先に提案した、ｐｎ接合を熱電変換に用いた電圧読み出し方式の非冷却型赤外線センサについて説明しておく。図１９は、この赤外線センサの概略構成を示す図である。
【００５４】
行選択回路４０からの行選択パルスが行選択線４に印加された行に配置された赤外線検出画素１は順バイアスされ、行選択動作がなされる。定電流源８０により供給される定電流は、信号線５、画素１、行選択線４、行選択回路４０の電流パスを流れ、画素１内部のｐｎ接合の温度情報に応じた電圧情報が信号線５に発生する。列毎の電圧情報は、列選択回路７０からの列選択パルスにより選択された列選択トランジスタ６を介して、出力される。
【００５５】
図２０は、図１９における赤外線検出画素１に複数のｐｎ接合を直列接続した場合の赤外線検出画素の等価回路であり、前述したように、高感度化の目的でｎ個のｐｎ接合が直列接続されていることを示している。また、赤外線検出画素１には、ｐｎ接合のほかに付加的な抵抗成分Ｒａが存在することも示している。この付加的な抵抗成分は、赤外線検出画素において熱電変換部を半導体基板と熱分離するための支持構造内部を貫通する配線抵抗やコンタクト抵抗等からなる。
【００５６】
図２１は、カラムアンプによる信号増幅回路を搭載した、ｐｎ接合を熱電変換に用いた電圧読み出し方式の非冷却型赤外線センサの概略構成を説明するための全体構成図である。図１９の構成においては信号線出力が直接出力される構造であるのに対して、図２１の構成においては、信号線出力が極めて微弱であることへの対策として、列毎の増幅回路（カラムアンプ）として、前述のゲート変調積分回路（ＧＭＩ回路）を採用している。
【００５７】
図２１についても、その構成及び動作を簡単に説明する。図２１においては、ｍ行ｎ列のｍ×ｎ画素の２次元マトリクス構成を示している（ｍ、ｎは２以上の自然数）。
【００５８】
入射赤外線光を電気信号に変換する赤外線検出用熱電変換画素１が、半導体基板２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、行選択線４（４−１，４−２…）と垂直方向の信号線５（５−１，５−２…）が配されている。画素選択のために、行選択回路４０と列選択回路７０が撮像領域３の行方向と列方向に各々隣接配置され、これらは行選択線４と列選択線７とにそれぞれ接続されている。
【００５９】
画素出力電圧を得るための定電流源８０として、各列の信号線５には、負荷ＭＯＳトランジスタ８−１，８−２…が接続されている。図２１では、負荷ＭＯＳトランジスタのソースには基板電圧Ｖｓが印加されているが、必要に応じて、そのソース電圧を調整することも可能であり、より好ましい。
【００６０】
行選択回路４０により選択された行では行選択線４、例えば４−１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４−１の熱電変換画素１内部のｐｎ接合領域１１５，…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、各列の信号線５−１，５−２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のｐｎ接合領域１１５ａ，…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。
【００６１】
信号線５に発生する電圧は極めて低電圧であり、被写体の温度変化ｄＴｓと画素温度変化ｄＴｄとの比として５×１０^-3を仮定し、この値と画素のｐｎ接合が８個のｐｎ接合を直列接続した場合の熱電変換感度ｄＶ／ｄＴｄ＝１０［ｍＶ／Ｋ］とにより、ｄＴｓ＝０．１［Ｋ］のときには、僅かに５［μＶ］であることが分かる。
【００６２】
従って、この被写体温度差を認識するためには、信号線５に発生する雑音を５［μＶ］以下にすることが必要になる。この雑音の値は、ＭＯＳ型の可視光イメージセンサであるＣＭＯＳセンサの雑音の約１／８０と非常に低い。
【００６３】
各信号線５−１，５−２と列選択トランジスタ回路６０との間には、カラム増幅回路９としてＧＭＩ回路が接続されており、増幅回路９の増幅用ＭＯＳトランジスタ１０のゲート１０ｇに各信号線５が接続される。
【００６４】
このＭＯＳトランジスタ１０のソース１０ｓ側にはソース電圧入力部２２が接続され、ドレイン１０ｄ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。
【００６５】
また、蓄積容量１２には、蓄積容量の電圧をリセットするためのリセットトランジスタ１４が接続され、列選択トランジスタ６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。なお、端子２４は出力端子である。
【００６６】
上記の構成によって赤外線の撮像が可能となるが、前述したように、画素構造が複雑で画素の微細化が困難になる、最適動作のために通常のＣＭＯＳデバイスの電源電圧よりも遙かに高い電圧を必要とする、熱電変換感度が極めて低い、等の問題がある。これらの問題を解決したのが以下の実施形態である。
【００６７】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる非冷却型赤外線センサ（赤外線固体撮像装置）を説明するための全体構成図であり、図２１に示す構成における定電流回路８０を、信号線電位を一定電位にするための信号線電位安定化回路１８０に置換している。
【００６８】
図１の構成における動作は、図１９及び図２１における動作とほぼ同様であるが、信号線電位安定化回路１８０を設けることにより、定電圧バイアス動作になり、赤外線検出画素１の温度情報は、信号線５からの信号電流情報として発生する、電流読み出し方式になっている。
【００６９】
従って、図１におけるカラムアンプ９０は、図２１におけるＧＭＩ回路のような電圧入力型ではなく、電流入力型のカラムアンプである必要がある。具体的には、図２１におけるＧＭＩ回路の前段に電流電圧変換回路を備えたものであればよい。或いは、図１９のように、カラムアンプを介さず直接出力することも可能である。
【００７０】
図２は、図１に示した電流読み出し方式の非冷却型赤外線センサにおける赤外線検出画素１の構造を説明するもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ-Ａ線に沿う断面図である。
【００７１】
熱電変換のためのｐｎ接合領域１１５を含む熱電変換部１０１は、単結晶シリコン基板１０６の内部に形成された中空構造１０７の上に形成された、赤外線吸収部１１８，１２０と、熱電変換のために形成されたＳＯＩ層１０８内部のｐｎ接合領域１１５と、これらに接続される配線１１７と、ＳＯＩ層１０８の裏面に形成された埋め込みシリコン酸化膜層１１４とから成る。
【００７２】
また、熱電変換部１０１を中空構造である中空底部１０７及び中空側部１１９に接しないように支持部１１１により支持すると共に、この支持部１１１内には画素１からの電気信号を出力するための配線１１７が設けられ、熱電変換部１０１と信号線５及び行選択線４とを接続する接続部（図示しない）が設けられている。
【００７３】
このように、熱電変換部１０１及び支持部１１１が中空構造１０７上に設けられることにより、熱電変換部１０１（画素１）の熱放散が緩慢となり、入射赤外線による熱電変換部１０１の温度の変調を効率良く行う構造になっている。なお、このような構造を実現するための具体的製造方法については、本発明者等の発明に係わる先特許出願、例えば特願２０００−２９８２７７号，特願２０００−０９５６８７号等に詳細に説明されている。
【００７４】
本実施形態によれば、ｐｎ接合の非冷却型赤外線センサにおいて、赤外線の入射により熱電変換部１０１に現れる電気信号を、電圧信号ではなく電流信号の変化として検出する原理的に高感度な電流読み出し方式を採用し、さらに信号線電位安定化回路１８０を設けて信号線５の電位を安定化することによって、信号線電位変動に起因するバイアス電圧低下というネガティブフィードバック問題を解決しながら、電流読み出し方式本来の高感度特性を得ることができる。
【００７５】
そして、高感度な電流読み出し方式を採用することから、多数のｐｎ接合を直列接続するのではなく、１個のｐｎ接合で熱電変換部を構成することができるため、画素構造の簡略化をはかり得る。さらに、熱電変換部が１個のｐｎ接合であることから、高電圧を必要としない利点もある。
【００７６】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係わる電流読み出し方式の非冷却型赤外線センサを説明するための全体構成図であり、図１における信号線電位安定化回路１８０をカラムアンプ９０内に含めた構成を示している。
【００７７】
本実施例におけるカラムアンプ９０は、例えば図４に示すような回路構成で実現している。信号線５からの信号電流は、電流入力端子３１を介してオペアンプ３０の（−）入力端子に入力され、負荷抵抗ＲＬにより電流電圧変換されると共に、オペアンプ３０により増幅され、出力端子３３から列選択トランジスタ群６０内の列選択トランジスタ６に出力される。
【００７８】
このとき、オペアンプ３０の（＋）入力端子３２に所望の電圧を印加することで、信号線５の電位が（＋）入力端子３２と同電位になり、信号線電位の安定化が可能となる。従って、単純に負荷抵抗のみにより電流電圧変換を行う回路構成における、信号線電位へのネガティブフィードバック現象は完全に防止できる。さらに、オペアンプ３０による電圧増幅を行っているので、負荷抵抗ＲＬの抵抗値を高抵抗化する必要もなく、負荷抵抗において発生するランダム雑音である熱雑音を大幅に低減することが可能となる。
【００７９】
オペアンプ３０の回路構成としては、例えばｎＭＯＳトランジスタを用いた例として、図５の回路が最も単純なものであり、５個のｎＭＯＳトランジスタで構成される。図５の端子３５には電源電圧Ｖｄを印加しており、電流制御端子３４には所望の動作のための適当な直流電圧を印加する。
【００８０】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係わる赤外線センサにおけるカラムアンプ部の構成を示す図である。本実施形態では、第２の実施形態における前記図３のカラムアンプ９０の内部に、インバータ回路を含む構成としている。
【００８１】
即ち、前記図４におけるオペアンプ出力端子３３に、２段のインバータ回路３６（３６−１、３６−２）を接続して、電圧増幅を行っている回路構成になっている。ここで、インバータ回路３６の回路構成として、例えばＣＭＯＳ構成の場合を図７に示す。このインバータ回路３６は４個のトランジスタで構成され、端子３８には電源電圧Ｖｄが印加され、入力端子３３への入力電圧が電圧増幅され、出力端子３７から出力される。
【００８２】
本実施形態によれば、カラムアンプ９０の初段に配置されたオペアンプ３０と負荷抵抗ＲＬによる増幅率を低く設定することが可能となり、負荷抵抗ＲＬの抵抗値をより低い値に設計することによる熱雑音低減効果を得ることができる。また、出力端子３７は低インピーダンスの出力であるので、列選択時の電圧出力を安定化することも可能となる。
【００８３】
本実施形態では、インバータ回路を二段にした場合を説明しているが、信号反転が問題でない場合には、インバータ回路を一段にすることも可能であり、また、電圧増幅率を向上させるために、２段を超える段数のインバータ回路を用いた構成にすることも可能である。
【００８４】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態として、前記図３におけるカラムアンプ９０の内部にフローティングアンプを含む構成について、図８を用いて説明する。
【００８５】
図８は、前記図４におけるオペアンプ出力端子３３に、ソースフォロア回路を接続した回路構成になっている。端子３９には電源電圧Ｖｄを、負荷ＭＯＳのゲート端子４１には所望の電圧を印加することで、低インピーダンスの電圧出力端子３８からの電圧出力を得ることができるので、第３の実施形態と同様に、列選択時の電圧出力を安定化することも可能となる。
【００８６】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態として、前記図３におけるカラムアンプ９０の内部にＧＭＩ回路を含む構成について、図９を用いて説明する。
【００８７】
図９は、前記図４におけるオペアンプ出力端子３３に、ＧＭＩ回路を接続した回路構成になっている。オペアンプ出力端子３３は、ＧＭＩ回路の増幅トランジスタのゲートに接続され、増幅トランジスタのソース端子４３の電圧を適当に設定することでＧＭＩ動作が行われ、信号電荷が積分容量Ｃｓに蓄積され、出力端子４２から出力される。
【００８８】
また、リセットドレイン端子４５には電源電圧Ｖｄを印加し、リセットゲート端子４４には所望のリセット電圧をすることで、積分容量Ｃｓに蓄積した信号電荷をリセットする構造になっている。
【００８９】
本実施形態によれば、ＧＭＩ回路の特長である、信号帯域の圧縮によるランダム雑音の低減効果と高い増幅率を得ることができ、電流読み出し方式の高感度化と併せて、極めて高い感度を得ることが可能となる。
【００９０】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態として、前記図３におけるカラムアンプ９０の内部にＭＯＳトランジスタを用いた信号線電位安定化回路を含む構成について、図１０を用いて説明する。
【００９１】
図１０（ａ）に示すように、信号線５からの信号電流は、信号線５に接続されたドレイン端子４６を介して、ゲート電圧端子４８に印加する電圧を所望の値に設定することでチャネルポテンシャルを任意制御可能な電位制御ＭＯＳトランジスタを流れる。そして、ソース端子４７を経由して蓄積容量Ｃｓで信号電荷が蓄積され、出力端子４９から電圧出力される。
【００９２】
蓄積容量Ｃｓ及び上記電位制御ＭＯＳトランジスタのソース端子４７の電位は、リセットトランジスタのドレイン端子５１、及びゲート端子５２に任意の電圧を印加することで、リセットされる。
【００９３】
本実施形態によれば、図１０（ｂ）に示すように、端子４８に印加するゲート電圧により、電位制御ＭＯＳトランジスタのポテンシャルを任意に設定することが可能である。従って、信号線５の電位を安定化することができ、前述のネガティブフィードバック現象による感度の低下を防止することが可能となる。このとき、蓄積容量Ｃｓのリセット電位は、上記のチャネル電位より低電位になるように、リセット条件を調整することが必要である。
【００９４】
本実施形態においては、図１０（ｃ）に示すように、一定以上の信号電流が流れた場合には、電位制御ＭＯＳトランジスタのソース電位とチャンネル電位が同電位となり、それ以降は微小な電流として、いわゆるサブスレッショルド電流が流れる。これにより、信号電流と蓄積容量Ｃｓの電位との関係が非直線になり、いわゆるニー特性が得られる。
【００９５】
その結果、カラムアンプが飽和してしまうような強い赤外線が入射した場合にも、上述のニー特性により蓄積電荷Ｃｓ電圧は飽和せずに、ハイライト光を圧縮する形で、飽和を防止することが可能となる。
【００９６】
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態として、前記図３におけるカラムアンプ９０の回路として、前記図１０の信号線電位安定回路に電流電圧変換回路とＧＭＩ回路を付加した構成を、図１１に示す。
【００９７】
電位制御ＭＯＳトランジスタのソース端子４７は、電流電圧変換トランジスタＭＬに接続され、電流電圧変換トランジスタＭＬのゲート電極がＧＭＩ回路の増幅トランジスタＭａのゲート電極に接続される。以降の構成は、前記図１０のＧＭＩ回路と同様である。
【００９８】
電流電圧変換トランジスタＭＬのソース端子５３、及び増幅トランジスタＭａのソース端子５４に適当な電圧を印加することで、４個のトランジスタにより信号線電位安定回路、電流電圧変換回路、ＧＭＩ回路を構成可能であり、電位制御ＭＯＳトランジスタによる飽和防止効果と、ＧＭＩ回路の特長である高い増幅率と低雑音特性とにより、高感度な赤外線センサを得ることができる。
【００９９】
また、本実施形態に示した図１１の構成及び、第５の実施形態として示した図９の構成においては、ＧＭＩ回路において電圧増幅を行っているので、各々の増幅トランジスタＭａのソース端子５４，４３に、行選択パルスと同期したランプ波形電圧或いはステップ波形電圧を印加することで、前述の自己過熱問題を解決することが可能であることは、本発明者等の発明に係わる先特許出願（特願２００１−０９１１７３号）に詳細に説明されている。
【０１００】
その場合の全体構成図は図１２のようになり、行選択回路４０からの行選択パルス出力端子２１を入力として、この行選択パルスに同期したランプ形状電圧（図１３）或いはステップ形状電圧（図１４）を発生する回路３００をオンチップ、或いはオフチップで形成すればよい。
【０１０１】
（第８の実施形態）
図１５は、本発明の第８の実施形態に係わる赤外線センサにおけるカラムアンプ部の構成を示す図である。本実施形態では、第２の実施形態における前記図３のカラムアンプ９０の内部に、上述してきた信号線電位安定化回路、電流電圧変換回路、電圧増幅回路の他に、定電流減算回路を含む回路構成を示している。
【０１０２】
前記図４に示すオペアンプ３０の入力側に、信号線５と接地端との間に定電流減算のためのＭＯＳトランジスタを備えた構成となっている。減算する電流は、定電流減算のためのＭＯＳトランジスタのゲート端子５６に印加する電圧を調整することで、最適に調整可能である。
【０１０３】
図１５の構成によれば、信号線５からの信号電流の大部分を占める、赤外線検出画素への赤外線入射による温度情報と無関係な、定常電流を除去することが可能となる。従って、後段のオペアンプ３０により電圧変換され増幅された電圧出力は、定常電流成分がない赤外線検出画素の温度情報のみの信号となる。このため、いわゆるオフセット電圧補正が不要となり、高ダイナミックレンジ化が可能となる。
【０１０４】
なお、図１５ではオペアンプ３０のみを用いた例を示したが、その部分は、図６、図８、図９、図１０、そして図１１に置換して構成することも可能である。特に、図９、図１０、図１１に示した回路構成に置換した場合には、蓄積容量Ｃｓへの電流を大幅に低減可能になるので、その容量を大幅に小型化できるという効果がある。
【０１０５】
（第９の実施形態）
図１６は、本発明の第９の実施形態に係わる赤外線センサを説明するための全体構成図である。
【０１０６】
本実施形態のカラムアンプ９０の構造は、図１５に示した定電流減算回路を含む回路構成であり、電流減算トランジスタのゲート入力端子５６に、行選択回路４０からの行選択パルス出力端子２１を入力として、この行選択パルスに同期したランプ形状電圧（図１３）或いはステップ形状電圧（図１４）を発生する回路３００をオンチップ、或いはオフチップで形成している。
【０１０７】
本実施形態によれば、信号線５からの電流減算において、定常電流のみならず、行選択に伴う自己加熱による赤外線検出画素の温度上昇に起因する電流成分を除去することが可能となる。その結果、電流電圧変換回路及び電圧増幅回路においては、純粋な赤外線入射に起因する情報のみを取り扱うことになるので、雑音成分が少なく、また増幅回路のゲインを十分に大きく設定可能となる。さらに、実効的な信号帯域の拡大に起因するランダム雑音の増加問題も解消され、電流読み出し方式の高感度特性と併せて、極めて高感度な赤外線センサを得ることができる。
【０１０８】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態を、図１７及び図１８を用いて説明する。
【０１０９】
熱電変換画素１は前記図２で説明したｐｎ接合領域の中空支持構造と同一であり、また行選択回路４０、行選択線４、列選択回路７０、列信号線５、列選択トランジスタ群６０、カラム増幅回路群９０等は、前記図１と同一であるので、この部分の説明を省略する。
【０１１０】
本実施形態においては、図１７に示すように、画素マトリクスの最終列を熱分離無感度画素列５００として設け、各行にそれぞれ熱分離無感度画素５０１を配分して設けている。熱分離無感度画素５０１の構造は、図１８に示すように前記図２の画素構造と殆ど同一であるが、赤外線吸収層部１１８上にアルミニウムなどの金属膜の赤外線反射層１３０が設けられていることが異なっている。この熱分離無感度画素５０１においては、入射赤外線は赤外線反射層１３０により反射され、赤外線入射による温度変化が発生せず、画素選択による自己加熱信号のみを列信号線５０２に出力することになる。
【０１１１】
また本実施形態では、熱分離無感度画素列５００からの無感度信号電流を基準とした無感度画素信号電圧発生回路６００を設け、この無感度画素信号電圧発生回路６００からの出力電圧をカラムアンプ９０内の、前記図１５に示した定電流減算トランジスタのゲート入力端子５６に対して供給するようにしている。
【０１１２】
無感度画素信号電圧発生回路６００としては、図４、図６、図８、図９、図１０、及び図１１のように、カラムアンプ９０で使用している回路構成と同一の回路を用いた上で、その出力部に少なくとも一段以上のソースフォロア回路、或いは二段以上の偶数段のインバータ回路を付加することで容易に実現できる。動作点の調整については、上記の一段以上のソースフォロア回路、或いは二段以上のインバータ回路のＨ電圧，Ｌ電圧を適当に調整することで、最適化が可能であるのは言うまでもない。
【０１１３】
従って本実施形態によれば、信号線５からの電流の大部分を占める自己加熱成分は、上記の無感度列信号線からの電流の波形電圧を電流減算トランジスタのゲート入力端子５６に印加することで精度良く相殺され、赤外線入射による温度変化成分の信号のみを増幅することが可能となる。無感度画素を同一半導体基板に搭載することにより、自己加熱成分は殆ど同じ傾向を持つ電圧として出力されるので、得られる波形をそのまま適用することができる。
【０１１４】
その結果、自己加熱成分のない信号成分のみの電流増幅が可能となり、ゲインを向上することが可能となり、また、前述の帯域拡大に起因するランダム雑音が増加してしまうことも無い。従って、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジの赤外線センサを得ることができる。
【０１１５】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、熱電変換画素についてｐｎ接合を用いて説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、例えば酸化バナジウム等のボロメータを用いた熱電変換画素からなる赤外線センサにも適用可能である。その場合には、各画素内に画素選択のための選択トランジスタが必要となることは言うまでもない。
【０１１６】
また、信号線電位安定化回路、電流電圧変換回路を含む信号読み出し回路の構成は、実施形態で説明したものに限るものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形実施可能である。
【０１１７】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、赤外線の入射により赤外線検出画素に現れる電気信号を、電圧信号ではなく電流信号の変化として検出する電流読み出し方式とし、更に複数の信号線の電位を一定電位に保持するための信号線電位安定化回路を設けた構成とすることにより、低コストでありながら、高感度・低雑音・広ダイナミックレンジ特性を有する高性能な非冷却型赤外線固体撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる赤外線センサの概略構成を示す図。
【図２】図１に示した赤外線センサにおける赤外線検出画素の構造を説明するための平面図（ａ）と断面図（ｂ）。
【図３】第２の実施形態に係わる赤外線センサの概略構成を示す図。
【図４】第２の実施形態に係わる赤外線センサに用いたカラムアンプ部の回路構成を示すず。
【図５】ｎＭＯＳトランジスタによるオペアンプ回路の一例を示す図。
【図６】第３の実施形態に係わる赤外線センサの要部構成を説明するためのもので、カラムアンプ部の回路構成を示す図。
【図７】ＣＭＯＳトランジスタによるインバータ回路の一例を示す図。
【図８】第４の実施形態に係わる赤外線センサの要部構成を説明するためのもので、ソースフォロア回路を含むカラムアンプ部の回路構成を示す図。
【図９】第５の実施形態に係わる赤外線センサの要部構成を説明するためのもので、ＧＭＩ回路を含むカラムアンプ部の回路構成を示す図。
【図１０】第６の実施形態に係わる赤外線センサの要部構成を説明するためのもので、ＭＯＳトランジスタによる信号線電位安定化を行ったカラムアンプ部の回路構成図（ａ）とポテンシャル図（ｂ）及び入出力特性図（ｃ）。
【図１１】第７の実施形態に係わる赤外線センサの要部構成を説明するためのもので、ＭＯＳトランジスタによる電位安定化回路を含むカラムアンプ部の回路構成を示す図。
【図１２】第７の実施形態に係わる赤外線センサの概略構成を示す図。
【図１３】第７の実施形態に用いた電圧発生器における行選択パルス（ａ）とランプ波形電圧（ｂ）を示す図。
【図１４】第７の実施形態に用いた電圧発生器おける行選択パルス（ａ）とステップ波形電圧（ｂ）を示す図。
【図１５】第８の実施形態に係わる赤外線センサの要部構成を説明するためのもので、定電流減算回路を含むカラムアンプ部の回路構成を示す図。
【図１６】第９の実施形態に係わる赤外線センサの概略構成を示す図。
【図１７】第１０の実施形態に係わる赤外線センサの概略構成を示す図。
【図１８】第１０の実施形態に係わる赤外線センサの光学的無感度画素の構造を示す平面図（ａ）と断面図（ｂ）。
【図１９】ｐｎ接合を熱電変換に用いた、電圧読み出し方式の非冷却型赤外線センサの概略構成を示す図。
【図２０】図１９の赤外線センサにおいて、赤外線検出画素に複数のｐｎ接合を直列接続した場合の赤外線検出画素の等価回路図。
【図２１】カラムアンプによる信号増幅回路を搭載した、ｐｎ接合を熱電変換に用いた電圧読み出し方式の非冷却型赤外線センサの概略構成を示す図。
【図２２】行選択期間における自己加熱による画素の温度変化を示す図。
【図２３】カラム増幅回路内部の蓄積容量に、信号電荷Ｑsig と雑音電荷Ｑ_SHとが画素選択期間中に蓄積される様子を模式的に示す図。
【符号の説明】
１…熱電変換画素
２…半導体基板
３…撮像領域
４…行選択線
５…信号線
６…列選択トランジスタ
７…列選択線
８…負荷トランジスタ
９…カラム増幅回路
１０…ＭＯＳ増幅トランジスタ
１２…蓄積容量
１４…リセットトランジスタ
２１…行選択パルス出力部
２２…増幅トランジスタのソース電圧入力部
２４…信号出力部
３０…オペアンプ
３１…カラムアンプ入力端子
３２…オペアンプ（＋）入力端子
３３…カラムアンプ出力端子
３４…オペアンプ定電流制御ゲート
３５…オペアンプＨ電圧端子
３６…インバータ
３７…カラムアンプ出力
３８…インバータＨ電圧端子
３９…ソースフォロアＨ電圧端子
４０…行選択回路
４１…ソースフォロア回路負荷ＭＯＳゲート端子
４２…カラムアンプ出力端子
４３…ＧＭＩ回路増幅トランジスタソース端子
４４…ＧＭＩ回路リセットゲート端子
４５…ＧＭＩ回路リセットドレイン端子
４６…カラムアンプ入力端子
４７…ＭＯＳ型電位安定回路主力端子
４８…ＭＯＳ型電位安定トランジスタゲート端子
４９…カラムアンプ出力
５１…ＧＭＩ回路リセットゲート端子
５２…ＧＭＩ回路リセットドレイン端子
５３…電流電圧変換トランジスタソース端子
５４…ＧＭＩ回路増幅トランジスタソース端子
５５…カラムアンプ出力
５６…電流減算トランジスタゲート端子
６０…列選択トランジスタ群
７０…列選択回路
８０…定電流回路
９０…カラムトランジスタ群
１０１…熱電変換部
１０６…半導体基板
１０７…中空底部
１０８…ＳＯＩ層
１１０…熱電変換部
１１１…支持脚
１１４…埋め込み酸化膜
１１５…ｐｎ接合領域
１１７…配線
１１８…赤外線吸収部
１１９…中空側部
１２０…赤外線吸収部
１３０…赤外線反射層
１８０…信号線電位安定回路
３００…電圧発生器
５００…熱分離無感度画素列
５０１…熱分離無感度画素
６００…無感度画素列電圧発生回路

Claims

半導体基板上に、入射赤外線を検出する赤外線検出画素が二次元的に配列された撮像領域と、この撮像領域内に行方向に配置された複数の行選択線と、前記撮像領域内に列方向に配置された複数の信号線と、前記複数の行選択線を駆動するための行選択回路と、前記複数の信号線の電位を一定電位に保持するための第１の信号線電位安定化回路と、前記複数の信号線毎に設けられ、各々の信号線に発生した信号電流から所望量の電流を減算するための電流除去回路、及び該回路により所望量の電流を減算した電流を電圧に変換するための第１の電流電圧変換回路を含む複数の信号読み出し回路と、前記複数の信号読み出し回路からの読み出し信号を出力するための列選択回路とを具備してなる赤外線固体撮像装置であって、前記撮像領域内の各行には、前記半導体基板との熱分離構造が前記赤外線検出画素と同一構造である少なくとも一つの光学的無感度画素が配置され、該光学的無感度画素に接続された信号線には、この信号線の電位を一定電位に保持するための第２の信号線電位安定化回路と、電流を電圧に変換するための第２の電流電圧変換回路が接続され、更に前記無感度画素に対応する第２の電流電圧変換回路からの無感度画素電圧出力を基準とした電圧を発生する無感度画素列電圧発生回路が設けられ、前記無感度画素列電圧発生回路の出力が、前記電流除去回路の電流制御入力に供給されることを特徴とする赤外線固体撮像装置。
前記光学的無感度画素は、前記赤外線検出画素と同一構造の赤外線吸収構造上に遮光構造を形成することで無感度化してなることを特徴とする請求項１記載の赤外線固体撮像装置。
前記信号電圧安定化回路は、前記信号線にドレイン接続されたＭＯＳトランジスタを含む回路であり、該ＭＯＳトランジスタはゲート電圧によりそのチャネル電位を所望の電位に制御するためのゲート電圧入力端子を備えていることを特徴とする請求項１に記載の赤外線固体撮像装置。
前記電流電圧変換回路は、インピーダンス素子とオペアンプを含む回路であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線固体撮像装置。
前記電流除去回路は、所望量の電流制御を行うための電流制御入力部を有する電流可変定電流回路であることを特徴とする請求項１記載の赤外線固体撮像装置。
前記電流除去回路の電流制御入力部には、前記行選択回路が発生する行選択パルスと同期したランプ波形電圧又はステップ波形電圧を入力する手段を具備してなることを特徴とする請求項５記載の赤外線固体撮像装置。
前記半導体基板はＳＯＩ基板であり、前記赤外線検出画素は、入射赤外線光を吸収し熱に変換するための赤外線吸収部と、該赤外線吸収部で発生した熱による温度変化を電気信号に変換するための熱電変換手段とを有するものであり、該熱電変換手段は、前記ＳＯＩ基板のＳＯＩ領域に形成されたｐｎ接合を有する熱電変換部とこの熱電変換部を前記半導体基板内部に形成される中空構造上に支持するための支持構造とを含んでなり、該支持構造には前記熱電変換部に接続された配線が設けられ、該配線が前記行選択線及び前記信号線に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の赤外線固体撮像装置。