JP4331160B2

JP4331160B2 - 赤外線センサおよびその駆動方法

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Publication number: JP4331160B2
Application number: JP2005353420A
Authority: JP
Inventors: 多浩大本; 原郁夫藤; 田義典飯
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2025-12-07
Also published as: JP2007158916A

Description

本発明は赤外線センサおよびその駆動方法に関する。

赤外線は、可視光よりも煙、霧に対して透過性が高いという特長を有するので、赤外線撮像は、昼夜にかかわらず可能である。また、赤外線撮像は、被写体の温度情報をも得ることができるので、防衛分野をはじめ監視カメラや火災検知カメラのように広い応用範囲を有する。

近年、冷却機構を必要としない「非冷却型赤外線固体撮像素子」の開発が盛んになってきている。非冷却型すなわち熱型の赤外線固体撮像装置は、波長１０μ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なんらかの熱電変換手段により電気信号に変換する。非冷却型の赤外線固体撮像装置は、この電気信号を読み出すことで赤外線画像情報を得る。

たとえば、一定の順方向電流を与えることにより温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合を用いた赤外線センサ（特許文献１）がある。この赤外線センサは、半導体基板としてＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いることによって、シリコンＬＳＩ製造プロセスを用いて量産することができるという特長がある。また、熱電変換手段であるシリコンｐｎ接合の整流特性を利用して、行選択の機能を実現しているので画素構造が極めてシンプルに構成できるという特長もある。

赤外線センサの性能をあらわす指標のひとつは、赤外線センサの温度分解能を表現するＮＥＴＤ（Noise Equivalent Temperature Difference（等価雑音温度差））である。ＮＥＴＤを小さくすること、すなわち、雑音に相当する赤外線センサの温度差を小さくすることが重要である。そのためには信号の感度を高くすること、および、雑音を低減することが必要である。
特開２００２−３００４７５号公報

特許文献１には、各列の増幅トランジスタのドレインとゲートの間にサンプリングトランジスタをそれぞれ設置し、リファレンス画素行を選択している第一の期間において、このサンプリングトランジスタをオンすることにより、増幅トランジスタのゲート電圧をその閾値に収束させ、しかる後に第二の期間においてサンプリングトランジスタをオフにする。これをＶｔｈクランプ処理と呼んでいる。このとき、増幅トランジスタのゲートと信号線の間には結合容量が設けられており、リファレンス画素に印加するバイアス電圧をＶｄｄ、リファレンス画素における電圧降下をＶｒｅｆ、増幅トランジスタの閾値をＶｔｈとすると、Ｖｔｈクランプ後の結合容量電圧は（Ｖｄｄ−Ｖｒｅｆ）−Ｖｔｈとなる。サンプリングトランジスタは第一の期間以外ではオフとするため、上記結合容量電圧は有効画素読み出し時に一定値に保たれ、有効画素とリファレンス画素との選択電圧差分がカラムアンプゲート電圧にて増幅されることになる。

上記Ｖｔｈクランプ処理の効果として、バイアス成分を除いた微小な信号電圧を高ダイナミックレンジで読み出すことができるほかに、増幅トランジスタゲートに現れる揺らぎの影響を低減することができる。ここで、Ｖｄｄは、行選択回路が画素に与えるバイアス電圧であり、Ｖｒｅｆは、無感度画素選択時の無感度画素電圧であり、Ｖｔｈは増幅トランジスタの閾値である。

従来、Ｖｔｈクランプ処理の期間は、行選択回路が無感度画素行や有効画素行にバイアス電圧Ｖｄｄを印加する選択期間と等しかった。また、増幅トランジスタのゲート電位が増幅トランジスタの閾値電圧に漸近すると、増幅トランジスタの電流駆動能力が次第に低下していく。このため、Ｖｔｈクランプ処理の期間に、結合容量電圧を収束させることは困難であった。結合容量電圧および増幅トランジスタのゲート電位が充分に収束していないと、無感度画素選択時に得られる基板温度成分を有効画素選択時に正確に減算できない。このため、基板温度の変化に対して増幅トランジスタのゲインが大きく変化してしまう。また、増幅トランジスタの列間ばらつきによるＶｔｈのばらつきが、縦筋ノイズの原因となる。

そこで、基板温度の変化を正確にモニタしかつ減算処理することができ、また、入射赤外線に対して十分なゲイン及びダイナミックレンジを確保することができる赤外線センサおよびその駆動方法を提供する。

本発明に係る実施形態に従った赤外線センサは、半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有さない無感度画素からなる無感度画素行を含む撮像領域と、前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の信号線と、前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、前記信号線と前記増幅トランジスタのゲートとの間に接続された結合容量と、前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、前記増幅トランジスタのドレインに接続され、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備え、前記行選択回路が前記無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第１の選択期間は、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第２の選択期間よりも長く設定されたことを特徴とする。

本発明に係る他の実施形態に従った赤外線センサは、半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有しない無感度画素からなる複数の無感度画素行を含む撮像領域と、前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記複数の無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記複数の無感度画素に接続された複数の信号線と、前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、前記信号線と前記増幅トランジスタとの間に接続された結合容量と、前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、前記増幅トランジスタのドレインに接続された、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備え、前記行選択回路が前記無感度画素行のうち少なくとも一つを選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第１の選択期間は、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第２の選択期間よりも長く設定され、前記第１の選択期間は、前記行選択回路が前記複数の無感度画素行のうち少なくとも一つの無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートとを導通させる複数の無感度画素行選択期間を含むことを特徴とする。

本発明に係る実施形態に従った赤外線センサの駆動方法は、半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有しない無感度画素からなる無感度画素行を含む撮像領域と、前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の信号線と、前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、前記信号線と前記増幅トランジスタのゲートとの間に接続された結合容量と、前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、前記増幅トランジスタのドレインに接続され、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備えた赤外線センサの駆動方法であって、当該駆動方法は、前記行選択回路が前記無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第１の選択期間と、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第２の選択期間とを含み、前記第1の選択期間は前記第２の選択期間よりも長く設定されたことを特徴とする。

本発明に係る他の実施形態に従った赤外線センサの駆動方法は、半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有しない無感度画素からなる複数の無感度画素行を含む撮像領域と、前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記複数の無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記複数の無感度画素に接続された複数の信号線と、前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、前記信号線と前記増幅トランジスタとの間に接続された結合容量と、前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、前記増幅トランジスタのドレインに接続された、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備えた赤外線センサの駆動方法であって、当該駆動方法は、前記行選択回路が前記無感度画素行のうち少なくとも一つを選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第１の選択期間と、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第２の選択期間とを含み、前記第１の選択期間は、前記第２の選択期間よりも長く設定されており、前記第１の選択期間は、前記行選択回路が前記複数の無感度画素行のうち少なくとも一つの無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートとを導通させる複数の無感度画素行選択期間を含むことを特徴とする。

本発明の赤外線センサおよびその駆動方法は、基板温度の変化を正確にモニタしかつ減算処理することができ、また、入射赤外線に対して十分なゲイン及びダイナミックレンジを確保することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る第１の実施形態に従った赤外線センサ１００の構成を示す回路図である。赤外線センサ１００は、半導体基板上に２行２列に配列された４個の画素を含む撮像領域と、撮像領域から得られた信号を増幅する増幅回路ＡＭＰＣ１およびＡＭＰＣ２とを備えている。撮像領域は、通常、より多くの画素を備えているが、ここでは、便宜的に４画素とする。

撮像領域の第１行目は、赤外線の感度を有しない無感度画素１１からなる無感度画素行１１０である。撮像領域の第２行目は、赤外線を検出する赤外線検出画素１２からなる有効画素行１２０である。各画素は、ｐｎ接合４を含む。無感度画素１１０は、熱的無感度画素または光学的無感度画素のいずれかでよい。熱的無感度画素または光学的無感度画素の構造は後述する。

行選択線３０１、３０２は、行方向に配列された画素に接続されている。垂直信号線（以下単に、信号線ともいう）３１、３２は、列方向に配列された画素に接続されている。行選択線３０１、３０２は、ｐｎ接合４の一端（アノード側）に接続され、信号線３１、３２は、ｐｎ接合４の他端（カソード側）に接続されている。

行選択線３０１、３０２は行選択回路５に接続されている。行選択回路５は、行選択線３０１、３０２を介して無感度画素行１１０および有効画素行１２０を順番に選択してバイアス電圧Ｖｄを印加する。信号線３１、３２は、負荷トランジスタ４１に接続されている。負荷トランジスタ４１は、飽和領域で動作し、そのゲート電圧に応じて、選択されている行の画素に定電流を供給する。即ち、負荷トランジスタ４１は、定電流源として作用する。

行選択回路５０がバイアス電圧Ｖｄを選択行のｐｎ接合４に印加すると、選択行のｐｎ接合４が順バイアスされる。これにより、バイアス電圧Ｖｄからｐｎ接合の電圧降下Ｖｒｅｆを引いたカラム電圧（Ｖｄ−Ｖｒｅｆ）が信号線６に発生する。一方、非選択行のｐｎ接合４は、すべて逆バイアスされているので、行選択線５は信号線６から分離されている。即ち、ｐｎ接合４は、画素選択機能を担っているといってもよい。

赤外線検出画素１２は、赤外線を受光すると、画素温度が上昇する。それにより、電圧降下Ｖｒｅｆが低下し、垂直信号線３１の電位（Ｖｄ−Ｖｒｅｆ）は高くなる。例えば、被写体温度が１Ｋ（ケルビン）変化すると、赤外線検出画素１２の温度は約５ｍＫ変化する。熱電変換効率を１０ｍＶ／Ｋとすると、垂直信号線３１の電位は約５０μＶだけ上昇する。これは、バイアス電圧Ｖｄに比べて非常に小さい。このような低電圧の信号を増幅するために、各列に増幅トランジスタが設けられている。ここで、信号線３１および信号線３２には、同様の構成を有する増幅回路が接続されているので、便宜的に、信号線３１に接続された増幅回路ＡＭＰＣ１の構成のみを説明する。

増幅回路ＡＭＰＣ１では、結合容量２１が増幅トランジスタ２０のゲートと信号線３１との間に接続されている。結合容量２１は、増幅トランジスタ２０のゲートと信号線３１とをＤＣ分離している。サンプリングトランジスタ２５が、増幅トランジスタ２０のゲートとドレインとの間に接続されている。増幅トランジスタ２０のドレインは、スイッチトランジスタ２６を介してノードＮ１に接続されている。蓄積容量２２１は、ノードＮ１とグランドとの間に接続されている。また、ノードＮ１は、読出しトランジスタ２４を介して読出し線３３に接続されている。読出しトランジスタ２４のゲートは、配線３４１を介して読出し回路６に接続されている。リセットトランジスタ２３はリセット電圧Ｖｒｓと蓄積容量２２１の第１の電極との間に接続されている。

増幅トランジスタ２０のゲート電圧Ｖｇは、信号線３１の電圧に応じて立ち上がり、それによって、ソース−ドレイン間に増幅電流が流れる。蓄積容量２２１は、増幅トランジスタ２０で増幅された電流を積分する。この蓄積容量２２１に積分された電荷によって信号電圧Ｖｃ１がノードＮ１に発生する。信号電圧Ｖｃ１は、読出し回路６によって読出しトランジスタ２４が選択されたときに読出し線３３を介して出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。読出し回路６は、増幅回路ＡＭＰＣ１およびＡＭＰＣ２を順次選択するように構成されている。これにより、赤外線センサ１００は、信号電圧Ｖｃ１およびＶｃ２を順次出力電圧Ｖｏｕｔとして読み出すことができる。

図２は、赤外線検出画素１２の構造を示す平面図である。図３は、図２の３−３線に沿った赤外線検出画素１２の断面図である。熱電変換のためのｐｎ接合を含むセンサ部１６１は、単結晶シリコン支持基板１７の内部に形成された中空構造１８の上に設けられ、入射赤外線を吸収する赤外線吸収層１９１と、熱電変換部となるＳＯＩ層１９２内部のｐｎ接合（以下、熱電変換部という）と、この熱電変換部１９２を支持している埋め込みシリコン酸化膜層１９３とから構成されている。

また、このセンサ部１６１を中空構造１８上に支持すると共にセンサ部１６１からの電気信号を出力するための支持部１６２が設けられている。支持部１６２内には配線１６３が設けられており、一方は信号線３１と、他方は行選択線３０１、３０２と接続されており、信号線３１と行選択線３０１、３０２は熱電変換部１９２と電気的に接続されている。

このように、センサ部１６１及び支持部１６２が中空構造１８上に設けられることにより、入射赤外線によるセンサ部１６１の温度の変調を効率良く行う構造になっている。なお、図２では、ｐｎ接合が２個直列接続される場合の構造を示している。

このような構造を有することにより、赤外線検出画素１２は、入射赤外線に応じて発生した熱を蓄熱し、この熱に基づいた電圧を信号線３１に出力することができる。

行選択線３０１または３０２からのバイアス電圧Ｖｄは、配線１６３を介して熱電変換部１９２へ伝達される。熱電変換部１９２の電圧降下を経た信号は、配線１６３を介して垂直信号線３１に伝達される。

図４は、無感度画素１１としての熱的無感度画素の構造を示す平面図である。図５は、図４の６−６線に沿った熱的無感度画素の断面図である。熱的無感度画素は、中空構造１８および支持部１６２を備えていない点で赤外線検出画素１２と異なる。従って、熱的無感度画素では、熱電変換部１９２が支持基板１７に接したセンサ部１６１内に設けられている。ｐｎ接合で発生した熱は、その周囲のＢＯＸ層１９３および支持基板１７へ放散する。即ち、熱電変換部１９２とその周囲の構造との熱コンダクタンスは、赤外線検出画素１２のそれよりも高い。熱的無感度画素のその他の構成は、赤外線検出画素１２の構成と同様であるため、説明を省略する。

熱的無感度画素は、中空構造１８を有しないため、蓄熱機能を有しない。従って、熱的無感度画素は、ＳＯＩ基板の温度を反映する。このような熱的無感度画素は基板温度測定画素とも呼ばれる。

図６は、赤外線センサ１００の駆動手段（駆動方法）を示すタイミング図である。まず、ｔ１〜ｔ２において、リセット動作が実行される。リセット動作では、駆動パルスＲＳが立ち上がり、図１に示すリセットトランジスタ２３がオンになる。リセットトランジスタ２３は、リセット電圧ＶｒｓとノードＮ１とを導通させる。このとき、駆動パルスＨＡＳＥＬも立ち上がり、スイッチトランジスタ２６がオンになる。スイッチトランジスタ２６はノードＮ１と増幅トランジスタ２０のドレイン３２とを導通させる。これにより、ノードＮ１および増幅トランジスタ２０のドレインの各電位が、リセット電圧Ｖｒｓに設定される。蓄積容量２２１は、リセット電圧Ｖｒｓに応じたリセット電荷が蓄積される。以下、このｔ１〜ｔ２の一連の動作をリセット動作という。

赤外線センサ１００は、リセット動作後の状態を基準として信号線３１からの信号を検出する。リセット動作は、増幅回路ＡＭＰＣ１およびＡＭＰＣ２に同時に実行される。蓄積容量２２１、２２２の電圧はそれぞれＶｃ１およびＶｃ２とする。

ｔ２において、リセットトランジスタ２３およびスイッチトランジスタ２６をオフにすると、増幅トランジスタ２０のドレイン３２は浮遊状態となる。このとき、駆動パルスＳＭＰが立ち上がり、サンプリングトランジスタ２５がオンになる。サンプリングトランジスタ２５は、増幅トランジスタ２０のドレインとゲートとを導通させる。これにより、増幅トランジスタ２０のドレインとゲートとは同電位となる。また、同時に、駆動パルスｓｓが立ち上がり、増幅トランジスタ２０のソース電位がＶｓに設定される。さらに、ｔ２において駆動パルスＶＣＬＫを立ち上げ、図１の行選択回路５が行選択線３０１にバイアス電圧Ｖｄを印加する。即ち、第１の選択期間ｔ２〜ｔ３において、行選択回路５は無感度画素行１１０を選択する。

これにより、第１の選択期間ｔ２〜ｔ３において、図６に示すように、信号線３１の電圧ＶＳＬは除々に立ち上がり、増幅トランジスタ２０のゲート電圧Ｖｇは除々に立ち下がる。このように動作する理由は、次のとおりである。増幅トランジスタ２０のゲートとドレインとが同電位であるため、ゲート電圧Ｖｇ(ドレイン電圧)とソース電圧との差がＶｔｈになるまでドレインからソースへと電流が流れる。増幅トランジスタ２０は、Ｖｄｒａｉｎ＝Ｖｇ＞Ｖｇ−Ｖｔｈの関係より、飽和領域で動作している。増幅トランジスタ２０のドレイン電圧Ｖｄｒａｉｎおよびゲート電圧Ｖｇが閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈに等しくなると、増幅トランジスタ２０のソース−ドレイン間の電流の流れは停止する。

ここで、この増幅トランジスタ２０のソース−ドレイン間を流れる電流は（Ｖｇ−（Ｖｓ＋Ｖｔｈ））^２に比例するので、ゲート電圧Ｖｇが閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈに近づくに従って減少する。よって、ｔ２からｔ３に移行するに従い、ゲート電圧Ｖｇは閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈに漸近していく。

定電流Ｉｆに応じた無感度画素１１の順方向電圧をＶｒｅｆとすると、サンプルトランジスタ２５がオフ状態である場合に、信号線３１の電圧ＶＳＬは、Ｖｄ−Ｖｒｅｆとなる。ここで、無感度画素１１は、熱的無感度画素、即ち、基板温度測定画素であるので、自己加熱成分Ｖｓｈおよび赤外線信号成分Ｖｓｉｇを含まない。自己加熱成分Ｖｓｈは、ジュール熱による自己加熱を反映する電圧成分である。赤外線信号成分Ｖｓｉｇは、入射赤外線の吸収による温度上昇に基づいた電圧成分である。

信号線３１の電圧ＶＳＬがＶｄ−Ｖｒｅｆに、増幅トランジスタ２０のゲート電圧ＶｇがＶｔｈ＋Ｖｓとなったときに増幅トランジスタ２０のゲート→ドレイン→ソースを流れる電流が停止するが、上述のとおり、ゲート電圧Ｖｇが閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈに近づくと、増幅トランジスタ２０の電流駆動能力が次第に低下する。よって、第１の選択期間ｔ２〜ｔ３が短いと、増幅トランジスタ２０のゲートに負電荷を充分に蓄積することができず、式１を満たすことができない。従って、第１の選択期間ｔ２〜ｔ３は、ゲート電圧Ｖｇが閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈにほぼ等しくなるように長期間に設定する。この第１の選択期間ｔ２〜ｔ３に関しては後述する。

第１の選択期間の後、信号ＳＭＰを立ち下げ、サンプリングトランジスタ２５をオフにする。これにより、増幅トランジスタ２０のゲートは、式１を満たしつつ、浮遊状態になる。

ｔ３〜ｔ４においては、すべてのトランジスタがオフとなっているが、この期間の長さは水平読み出し回路６がＶｏｕｔを順次出力していく後述ｔ６〜ｔ７の長さと等しくすることが望ましく、各駆動パルスの周期を一定にすることができる。また、非図示としてあるがこの期間はｔ６〜ｔ７の期間と同じく、駆動パルスＨ１およびＨ２を動作させてもさしつかえない。

次に、ｔ４〜ｔ５において、リセット動作を実行し、再度、増幅トランジスタ２０のドレイン電圧をリセット電圧Ｖｒｓにする。

続いて、第２の選択期間ｔ５〜ｔ６において、行選択回路５が有効画素行１２０にバイアス電圧Ｖｄを印加する。これにより、赤外線検出画素１２のｐｎ接合には、順方向電圧（Ｖｒｅｆ−Ｖｓｈ−Ｖｓｉｇ）がかかる。ここで、赤外線検出画素１２は、自己加熱成分Ｖｓｈおよび赤外線信号成分Ｖｓｉｇの分だけ温度が高いため、ｐｎ接合には、Ｖｒｅｆよりも（Ｖｓｈ＋Ｖｓｉｇ）だけ低い電圧がかかる。従って、信号線３１の電圧ＶＳＬは、ＶＳＬ＝Ｖｄ−Ｖｒｅｆ＋Ｖｓｈ＋Ｖｓｉｇとなる。また、増幅トランジスタ２０のゲート電圧Ｖｇは、Ｖｇ＝（Ｖｄ−Ｖｒｅｆ＋Ｖｓｈ＋Ｖｓｉｇ）−（Ｖｄ−Ｖｒｅｆ−Ｖｔｈ−Ｖｓ）＝Ｖｓｈ＋Ｖｓｉｇ＋Ｖｔｈ＋Ｖｓとなる。即ち、ゲート電圧Ｖｇは、閾値Ｖｔｈ＋Ｖｓに自己加熱成分Ｖｓｈおよび赤外線信号成分Ｖｓｉｇを加えた電圧になる。

増幅トランジスタ２０のソース−ドレイン間に流れる電流Ｉｄｓは、（Ｖｇ−Ｖｔｈ）^２＝（Ｖｓｈ＋Ｖｓｉｇ＋Ｖｓ）^２に比例する。なお、第２の選択期間では、Ｖｓ＝０としているため、電流Ｉｄｓは、ソース電圧Ｖｓを変更することによって制御することができる。

第２の選択期間ｔ５〜ｔ６において信号ＨＡＳＥＬが立ち上がっているので、スイッチトランジスタ２６はオン状態である。従って、蓄積容量２２１は、ゲート電圧Ｖｇが閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈから変化するときに、その変化量に基づく電荷を蓄積する。第２の選択期間ｔ５〜ｔ６においてゲート電圧Ｖｇは閾値ＶｔｈからＶｓ＋Ｖｓｈ＋Ｖｓｉｇだけ高い電圧となる。よって、蓄積容量２２１は、リセット動作後の電荷量を基準として、自己加熱成分Ｖｓｈおよび赤外線信号成分Ｖｓｉｇのみを増幅した電荷量を蓄積する。蓄積容量２２１内の電荷量の変化によって、ノードＮ１の電圧Ｖｃ１は、リセット動作後の電位を基準として（Ｖｓｈ＋Ｖｓｉｇ）を増幅した電圧だけ変化する。

増幅回路ＡＭＰＣ２も、増幅回路ＡＭＰＣ１と同様に動作するので、ノードＮ２の電圧Ｖｃ２は、リセット動作後の電位を基準として（Ｖｓｈ＋Ｖｓｉｇ）を増幅した電圧だけ変化する。

図６に示す信号Ｈ１およびＨ２は、それぞれ読出しトランジスタ２４のゲート３４１および読出しトランジスタ３５のゲート３４２に印加される電圧である。読出し回路６が信号Ｈ１およびＨ２を異なるタイミングで出力することによって、読出しトランジスタ２４および３５が順次オンになる。これにより、ノードＮ１の電圧Ｖｃ１およびノードＮ２の電圧Ｖｃ２が順に出力電圧Ｖｏｕｔとして読み出される。

ここで、図６の第１の選択期間ｔ２〜ｔ３および第２の選択期間ｔ５〜ｔ６に注目されたい。第１の選択期間ｔ２〜ｔ３は、第２の選択期間ｔ５〜ｔ６よりも長い。例えば、第１の選択期間ｔ２〜ｔ３は、行選択回路５がバイアス電圧Ｖｄを印加してから増幅トランジスタ２０のゲート電圧Ｖｇが閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈとほぼ等しくなるまでの期間である。具体例としては、第１の選択期間は１００μｓｅｃであり、第２の選択期間は２５μｓｅｃである。

このように、第１の選択期間（Ｖｔｈクランプ期間あるいはサンプリング期間ともいう）を第２の選択期間よりも長くすることによって、ゲート電圧Ｖｇを閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈへ収束させることができる。第１の選択期間後、ゲート電圧Ｖｇが閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈにほぼ等しい場合、赤外線センサ１００は自己加熱成分Ｖｓｈおよび赤外線信号成分Ｖｓｉｇのみを増幅することができる。その結果、赤外線センサ１００は、無感度画素１１の順方向電圧Ｖｒｅｆを除去することができ、環境温度の影響を受け難くなる。

無感度画素１１として基板温度測定画素を採用している。基板温度測定画素は、図５に示すように半導体基板に中空構造を形成するプロセスを不要とするので、汎用のＣＭＯＳ製造工程で製造することができる。従って、複数の基板温度測定画素においてｐｎ接合の特性のばらつきが小さい。また、出力電圧Ｖｏｕｔは増幅トランジスタ２０の閾値Ｖｔｈの成分を含まないので、赤外線信号成分Ｖｓｉｇが占めるダイナミックレンジを広げることができる。また、出力電圧Ｖｏｕｔは増幅トランジスタ２０の閾値Ｖｔｈの成分を含まないと、出力電圧Ｖｏｕｔは増幅トランジスタ２０の閾値のばらつきに影響されない。その結果、各増幅回路から読み出される信号に現れる縦筋状のノイズが抑制される。

増幅トランジスタ２０のソース電位は、第１の選択期間と第２の選択期間とにおいて異なる。このように、ソース電位Ｖｓを調整可能とすることによって、赤外線センサのゲインを上げることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、無感度画素１１として光学的無感度画素を採用する。図７は、光学的無感度画素の断面図である。第２の実施形態のその他の構成は、第１の実施形態の構成と同じでよい。

光学的無感度画素は、赤外線吸収層１９１上に、あるいは、赤外線吸収層１９１に代えて、入射赤外線を反射する赤外線反射層２９１を備えている点で赤外線検出画素１２と異なる。光学的無感度画素のその他の構成は、赤外線検出画素１２と同様であるため、説明を省略する。なお、赤外線反射層２９１は屈折率の高い金属膜等が用いられる。

赤外線反射層２９１によって光学的無感度画素は赤外線を吸収しない。また、光学的無感度画素は、赤外線検出画素１２と同様に中空構造１８を有する。従って、光学的無感度画素は、第１の選択期間（クランプ期間）において自己加熱成分Ｖｓｈを蓄積容量電圧に反映することができる。

第２の選択期間において、増幅トランジスタ２０のソース−ドレイン間に流れる信号電流Ｉｄｓは、（Ｖｇ−Ｖｔｈ）^２＝（Ｖｓｉｇ＋Ｖｓ）^２に比例する。この電流Ｉｄｓの式を、第１の実施形態の電流Ｉｄｓの式と比較すると、自己加熱成分Ｖｓｈがない。即ち、無感度画素１１として光学的無感度画素を採用することによって、本実施形態は、バイアス成分Ｖｄやｐｎ接合の順方向電圧Ｖｒｅｆだけでなく、自己加熱成分Ｖｓｈをも信号電圧から除去することができる。この信号電流Ｉｄｓは、赤外線検出信号成分Ｖｓｉｇおよび調整可能であるバイアス成分Ｖｓのみで構成される。従って、第２の実施形態の増幅回路は、赤外線信号成分Ｖｓｉｇが占めるダイナミックレンジをさらに広げることができる。また、第２の実施形態は、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図８は、本発明に係る第３の実施形態に従った赤外線センサ３００の構成を示す回路図である。赤外線センサ３００は、無感度画素行１１０を複数備えている点で第１の実施形態と異なる。第３の実施形態のその他の構成は第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。便宜的に、赤外線センサ３００は、２行の無感度画素行１１０を備えているものとする。もちろん、赤外線センサ３００は、３行以上の無感度画素行１１０を備えていてもよい。

第３の実施形態では、行選択回路５が複数の無感度画素行１１０ａ、１１０ｂを連続的に順次選択する。これによって、無感度画素行１１０の選択時間を実質的に有効画素行１２０の選択時間よりも長くすることができる。

図９は、赤外線センサ３００の駆動手段（駆動方法）を示すタイミング図である。ｔ１１〜ｔ１２において、第１の実施形態と同様にリセット動作が実行される。第１の無感度画素行選択期間ｔ１２〜ｔ１３において、行選択回路５は、第１の無感度画素行１１０ａを選択する。第１の無感度画素行選択期間ｔ１２〜ｔ１３の長さは、有効画素行選択期間ｔ１８〜ｔ１９の長さと同じでよい。第１の無感度画素行選択期間ｔ１２〜ｔ１３では、信号線電圧ＶＳＬに基づいた充分な電流を、増幅トランジスタ２０のソース−ドレイン間に流すことができない。従って、ゲート電圧Ｖｇは、閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈに接近しているものの、閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈに等しいとはいえない。

ｔ１３〜ｔ１４においては、すべてのトランジスタがオフとなっているが、この期間の長さは水平読み出し回路６がVoutを順次出力していく後述ｔ１９〜ｔ２０の長さと等しくすることが望ましく、各駆動パルスの周期を一定にすることができる。また、非図示としてあるがこの期間はｔ１９〜ｔ２０の期間と同じく、駆動パルスＨ１およびＨ２を動作させてもさしつかえない。

ｔ１４〜ｔ１５においてリセット信号ＲＳが立ち上がっているが、スイッチトランジスタ２６がオフであるため増幅トランジスタ２０のドレイン電位はリセットされない。これは、第１の無感度画素行選択期間ｔ１２〜ｔ１３において閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈに接近したゲート電圧Ｖｇを維持するためである。

第２の無感度画素行選択期間ｔ１５〜ｔ１６においては、行選択回路５は、第２の無感度画素行１１０ｂを選択する。第２の無感度画素行選択期間ｔ１５〜ｔ１６の長さは、有効画素行選択期間ｔ１８〜ｔ１９の長さと同じでよい。第２の無感度画素行選択期間ｔ１５〜ｔ１６では、信号線電圧ＶＳＬに基づいて増幅トランジスタ２０のソース−ドレイン間にさらに電流を流す。これにより、第１の無感度画素行選択期間ｔ１２〜ｔ１３において閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈに接近したゲート電圧Ｖｇを引き続き閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈへ接近させる。その結果、ゲート電圧Ｖｇは、閾値Ｖｓ＋Ｖｔｈにほぼ等しくなる。

ｔ１６〜ｔ１７はｔ１３〜ｔ１４と同じく、全てのトランジスタをオフとし、ｔ１９〜ｔ２０の長さと等しくする。非図示としてあるがこの期間はｔ１９〜ｔ２０の期間と同じく、駆動パルスＨ１およびＨ２を動作させてもさしつかえない。

その後、ｔ１７〜ｔ２０の赤外線センサ３００の動作は、図６のｔ４〜ｔ７までの赤外線センサ１００の動作と同様である。

第３の実施形態では、第１の無感度画素行選択期間、第２の無感度画素行選択期間、および、有効画素行選択期間をそれぞれ等しくすることができる。即ち、行選択回路５は、行選択線３０１〜３０３に一定のクロックでバイアス電圧Ｖｄを印加すればよい。これは、行選択回路５として単純なシフトレジスタを採用することを可能にする。従って、第３の実施形態は、赤外線センサの回路構成を簡単にすることができる。

また、複数の無感度画素行を選択することによって、ｐｎ接合の順方向電圧Ｖｒｅｆが平均化される。これにより、無感度画素の製造ばらつきを平均化することができる。第３の実施形態は、さらに第１の実施形態の効果を得ることができる。

無感度画素行１１０内の画素として、光学的無感度画素を採用してもよい。これにより、第３の実施形態は、第２の実施形態の効果をも得ることができる。

上記実施形態による赤外線センサは、赤外線カメラに適用することができる。上記実施形態は、従来、基板温度安定化のために必要であったペルチェ素子やカメラ回路での撮像中のシャッター(固定パターン除去)動作が不要となる。

なお、赤外線カメラは、例えば、図１０に示すように、図１の赤外線センサ１００のＶｏｕｔに、増幅装置Ａ、背景除去装置、増幅装置B、Ａ／Ｄ変換装置及び画像処理演算装置で構成されている。赤外線カメラの作動方法としては、赤外線センサ１００のＶｏｕｔからの出力信号を増幅装置Aにより増幅し、背景除去装置によりダーク成分を記憶・除去し、増幅装置Bにより再び該信号を増幅し、Ａ／Ｄ変換装置によりデジタル信号に変換し、必要に応じて画像処理演算装置において画像補正処理等を行い、表示機器等に出力する。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係る第１の実施形態に従った赤外線センサ１００の構成を示す回路図。赤外線検出画素１２の構造を示す平面図。図２の３−３線に沿った赤外線検出画素１２の断面図。無感度画素１１としての熱的無感度画素の構造を示す平面図。図４の６−６線に沿った熱的無感度画素の断面図。赤外線センサ１００の駆動手段（駆動方法）を示すタイミング図。光学的無感度画素の断面図。本発明に係る第３の実施形態に従った赤外線センサ３００の構成を示す回路図。赤外線センサ３００の駆動手段（駆動方法）を示すタイミング図。本発明に関わる赤外線センサを用いた赤外線カメラの構成を示す回路図。

符号の説明

１００赤外線センサ
１１０無感度画素行
１２０有効画素行
５行選択回路
６読出し回路
２０増幅トランジスタ
２１結合容量
２５サンプリングトランジスタ
３１信号線
２２１蓄積容量

Claims

半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有さない無感度画素からなる無感度画素行を含む撮像領域と、
前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、
前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、
前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の信号線と、
前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、
前記信号線と前記増幅トランジスタのゲートとの間に接続された結合容量と、
前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、
前記増幅トランジスタのドレインに接続され、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、
前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備え、
前記行選択回路が前記無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第１の選択期間は、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第２の選択期間よりも長く設定されたことを特徴とする赤外線センサ。
半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有しない無感度画素からなる複数の無感度画素行を含む撮像領域と、
前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、
前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記複数の無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、
前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記複数の無感度画素に接続された複数の信号線と、
前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、
前記信号線と前記増幅トランジスタとの間に接続された結合容量と、
前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、
前記増幅トランジスタのドレインに接続された、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、
前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備え、
前記行選択回路が前記無感度画素行のうち少なくとも一つを選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第１の選択期間は、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第２の選択期間よりも長く設定され、
前記第１の選択期間は、前記行選択回路が前記複数の無感度画素行のうち少なくとも一つの無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートとを導通させる複数の無感度画素行選択期間を含むことを特徴とする赤外線センサ。
前記増幅トランジスタのドレインに接続され、該ドレイン電圧をリセットするリセットトランジスタをさらに備え、
前記第１の選択期間の前、および、前記第２の選択期間の前に、前記増幅トランジスタのドレイン電圧をリセットすることを特徴とする請求項1または請求項２に記載の赤外線センサ。
前記複数の無感度画素行選択期間の少なくとも一つは、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する有効画素行選択期間と等しいことを特徴とする請求項２に記載の赤外線センサ。
前記増幅トランジスタのドレインに接続され、該ドレイン電圧をリセットするリセットトランジスタをさらに備え、
前記複数の無感度画素行選択期間のうち最初の期間の前に前記増幅トランジスタのドレイン電圧をリセットし、その後の無感度画素行選択期間では、前記増幅トランジスタのドレイン電圧をリセットしないことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の赤外線センサ。
前記増幅トランジスタのソース電位は、前記第1の選択期間と前記第２の選択期間とにおいて異なることを特徴とする請求項１に記載の赤外線センサ。
請求項１から請求項６のいずれかに記載された赤外線センサを具備したことを特徴とする赤外線カメラ。
半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有しない無感度画素からなる無感度画素行を含む撮像領域と、前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の信号線と、前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、前記信号線と前記増幅トランジスタのゲートとの間に接続された結合容量と、前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、前記増幅トランジスタのドレインに接続され、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備えた赤外線センサの駆動方法であって、
当該駆動方法は、
前記行選択回路が前記無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第１の選択期間と、
前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第２の選択期間とを含み、
前記第1の選択期間は前記第２の選択期間よりも長く設定されたことを特徴とする赤外線センサの駆動方法。
半導体基板上に二次元的に配置され、赤外線を検出する赤外線検出画素からなる有効画素行、および、赤外線の感度を有しない無感度画素からなる複数の無感度画素行を含む撮像領域と、
前記撮像領域に行方向に配置され、前記赤外線検出画素および前記無感度画素に接続された複数の行選択線と、
前記行選択線に接続され、前記有効画素行または前記複数の無感度画素行を選択してバイアス電圧を印加する行選択回路と、
前記撮像領域の列方向に配列され、前記赤外線検出画素および前記複数の無感度画素に接続された複数の信号線と、
前記信号線に接続され、前記信号線に発生した信号電圧を増幅する増幅トランジスタと、
前記信号線と前記増幅トランジスタとの間に接続された結合容量と、
前記増幅トランジスタのゲートとドレインとの間に接続されたサンプリングトランジスタと、
前記増幅トランジスタのドレインに接続された、信号電荷を蓄積する蓄積容量と、
前記蓄積容量に蓄積された信号電荷に基づく電圧を読み出す読出し回路とを備えた赤外線センサの駆動方法であって、
当該駆動方法は、
前記行選択回路が前記無感度画素行のうち少なくとも一つを選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートを導通させる第１の選択期間と、
前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する第２の選択期間とを含み、
前記第１の選択期間は、前記第２の選択期間よりも長く設定されており、
前記第１の選択期間は、前記行選択回路が前記複数の無感度画素行のうち少なくとも一つの無感度画素行を選択し、かつ前記サンプリングトランジスタが前記増幅トランジスタのドレインとゲートとを導通させる複数の無感度画素行選択期間を含むことを特徴とする赤外線センサ。
前記赤外線センサは、前記増幅トランジスタのドレインに接続されたリセットトランジスタをさらに備え、
前記第１の選択期間の前、および、前記第２の選択期間の前に、前記増幅トランジスタのドレイン電圧をリセットすることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の赤外線センサの駆動方法。
前記複数の無感度画素行選択期間の少なくとも一つは、前記行選択回路が前記有効画素行を選択し、かつ前記増幅トランジスタで増幅された信号電荷を前記蓄積容量へ蓄積する有効画素行選択期間と等しいことを特徴とする請求項９に記載の赤外線センサの駆動方法。
前記増幅トランジスタのドレインに接続され、該ドレイン電圧をリセットするリセットトランジスタをさらに備え、
前記リセットトランジスタは、前記複数の無感度画素行選択期間のうち最初の期間の前に前記増幅トランジスタのドレイン電圧をリセットし、その後の無感度画素行選択期間では、前記増幅トランジスタのドレイン電圧をリセットしないことを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれか１項に記載の赤外線センサの駆動方法。
前記増幅トランジスタのソース電位は、前記第1の選択期間と前記第２の選択期間とにおいて異なることを特徴とする請求項８に記載の赤外線センサの駆動方法。