JP4915898B2

JP4915898B2 - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP4915898B2
Application number: JP2005211769A
Authority: JP
Inventors: 仁路 ▲高▼野
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: JP2007024842A

Description

本発明は、赤外線センサに関するものである。

従来より、人体から放射される赤外線（８μｍ〜１３μｍ程度の波長範囲の赤外線）を検出可能な赤外線センサとして、マイクロマシンニング技術を利用して形成され、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と、赤外線吸収部の温度変化を検出する感温部とを備えた熱型赤外線センサが知られている。

また、上述の赤外線吸収部と感温部とを備えたセンサ部を２次元アレイ状（マトリクス状）に配列し各センサ部が画素を構成するようにした赤外線センサ（赤外線画像センサ）では、感度を表す指標の一つである雑音等価温度差（Noise Equivalent Differential Temperature：ＮＥＤＴ）、応答周波数、画素サイズ、ダイナミックレンジ、長期信頼性などの要求に対応するためにセンサ部の構造が各所で研究開発されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。なお、この種の赤外線画像センサとしては、要求仕様として、例えば、ＮＥＤＴが２５ｍＫ程度、応答周波数が３０Ｈｚ以上、画素サイズが２５μｍ×２５μｍのものがある。

上記特許文献１に開示された赤外線画像センサは、ＳＯＩ基板を用いて形成されており、各センサ部では、図３に示すように、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部１００と、赤外線吸収部１００の温度変化を検出する感温部２０とがＳＯＩ基板１の厚み方向に離間して配置され、赤外線吸収部１００が赤外線吸収部１００と感温部２０とを熱的に結合する柱状の熱伝達部４０を介して感温部２０に支持されている。

赤外線吸収部１００は、赤外線を吸収する吸収層１０１と、吸収層１０１を透過した赤外線を反射する金属膜からなる反射層１０２と、吸収層１０１と反射層１０２との間に介在する絶縁層１０３との３層構造を有している。ここにおいて、検出対象の赤外線の中心波長をλ、吸収層１０１と反射層１０２との間隔をｔとすれば、ｔ＝λ／４に設計されており、検出対象の赤外線が人体から放射される赤外線なので、λ＝１０μｍとして、ｔ＝２．５μｍに設計されている。

一方、感温部２０は、ＳＯＩ基板１における埋込酸化膜１ｂ上のシリコン層に形成したｐ形領域２１ａとｎ形領域２１ｂとのｐｎ接合を有するｐｎダイオード２１を複数備え、これらのｐｎダイオード２１が金属配線３４を介して直列接続されている。ここにおいて、図３に示した構成の赤外線画像センサは、ＳＯＩ基板１の主表面側において各画素ごとに凹所２が形成され、ＳＯＩ基板１の主表面側で凹所２の内側に配置された感温部２０が２つの支持梁部３０，３０を介して凹所２の周部に支持されており、感温部２０を構成するｐｎダイオード２１の直列回路の一端が一方の支持梁部３０に沿って形成された金属配線３５を介して信号読み出し用の垂直信号線（図示せず）に接続され、上記直列回路の他端が他方の支持梁部３０に沿って形成された金属配線３５を介して給電用のバイアス線に接続されている。

上述の赤外線画像センサでは、赤外線吸収部１００の吸収層１０１に入射した赤外線の一部が吸収層１０１で吸収され残りが透過するが、反射層１０２で反射され再び吸収層１０１へ戻る。ここで、上述の赤外線画像センサの赤外線吸収部１００は、吸収層１０１と反射層１０２との間隔ｔがλ／４になっているので、検出対象の赤外線の波長に共振し吸収効率が高くなる。なお、上記非特許文献１には、特許文献１に開示された赤外線画像センサと略同じ構造の赤外線画像センサであって、赤外線吸収部１００の絶縁層１０３をなくして吸収層１０１と反射層１０２との間を空気層とした構成において、吸収効率を９０％程度まで向上可能であることが報告されている。

ところで、単に吸収効率を上げるだけであれば、赤外線吸収部１００における吸収層１０１の厚みを数μｍ程度まで厚くすればよく、少なくとも吸収層１０１と反射層１０２とを備えた縦型の共振器を形成する必要はないが、吸収層１０１の厚みの増加に伴って吸収層１０１の体積が増えて吸収層１０１の熱容量が大きくなるので、応答速度が遅くなってしまう。

しかしながら、熱画像取得に用いる赤外線画像センサでは、通常はビデオフレームレート（一般的に、３０Ｈｚ）以上の応答周波数が必要となるので、上述のような厚い吸収層１０１を用いることはできず、その一方で、吸収層１０１が薄くなるほど赤外線の吸収効率が低下して透過してしまうので、吸収効率を高めるには上述のような縦型の共振器を形成する必要があった。

また、上記特許文献１および上記非特許文献１に開示された赤外線画像センサでは、感温部２０と赤外線吸収部１００とが空間的に分離されており、赤外線吸収部１００がマルチレイヤ構造（３層構造）となっているが、上記各文献に開示された構成とは別に、感温部と吸収層とを一体化した構成（例えば、非特許文献２参照）や、感温部と反射層とを一体化した構成（例えば、非特許文献３参照）も提案されている。しかしながら、上記非特許文献２，３に開示された赤外線センサでは、吸収層の面積を十分に大きくとれないという問題がある。すなわち、図３に示した構成の赤外線画像センサでは、感温部と支持梁部を介して感温部を支持している部位との間の熱抵抗を大きくするために支持梁部の全長を長くする必要があり、画素サイズを小さくするにしたがって画素サイズに対して支持梁部３０の占める面積の割合が大きくなる（なお、上記非特許文献１には、支持梁部を蛇行状の形状とした構造が開示されており、当該構造では画素サイズに対して支持梁部３０の占める面積が３０％程度となっている）が、感温部と赤外線吸収部の吸収層もしくは反射層とを一体化した赤外線画像センサでは赤外線の有効吸収エリアのサイズが感温部のサイズにほぼ等しくなるので、感度が低下してしまう。

これに対して、上記特許文献１や上記非特許文献１に開示された赤外線画像センサでは、感温部２０と赤外線吸収部１００とを分離した構成を採用し、有効吸収エリアの面積が画素サイズの面積に占める割合が９０％程度となっており、上記非特許文献１では、２８μｍ×２８μｍの画素サイズで、ＮＥＤＴとして８７ｍＫという値が実現されている。
国際公開第９９／３１４７１号パンフレット Y.Kosasayama,et al,「Pixel Scaling for SOI Diode Uncooled Infrared Focal Plane Arrays」，Proc. of SPIE Vol.5406,p504-511,2004 R.A.Wood,「Uncooled thermal imaging with monolithic silicon focal planes」，Proc. of SPIE Vol.2020,p322-329,1993 T.Ishikawa,et al,「Performance of 320 x 240 Uncooled IRFPA with SOI Diode Detectors」，Proc. of SPIE Vol.4130,p152-159,2000

しかしながら、上記特許文献１や上記非特許文献１に開示された赤外線画像センサでは、感度（ここでは、ＮＥＤＴ）、応答速度、画素サイズなどの要求仕様を満足するために、赤外線吸収部１００として３層構造の縦型の共振器を形成する必要があり、製造プロセスが複雑で低コスト化が難しかった。また、上述の赤外線画像センサでは、赤外線吸収部１００の熱容量の低減にも限界があり、応答速度の更なる高速化は難しかった。また、上述の赤外線画像センサでは、赤外線吸収部１００が波長選択性を有していないので、検出対象の赤外線の波長域（８μｍ〜１３μｍ）以外の波長の赤外線（例えば、太陽光に含まれている波長が５μｍ程度の赤外線）も検出してしまうのを防止するために、短波長の光をカットするフィルタが別途必要となり、コストが高くなっていた。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、マルチレイヤ構造の赤外線吸収部を用いた従来構成に比べて感度および応答速度を低下させることなく低コスト化を図れる赤外線センサを提供することにある。

請求項１の発明は、半導体基板の一表面側において赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と赤外線吸収部の温度変化を検出する感温部とが半導体基板の厚み方向に離間して配置され、赤外線吸収部が赤外線吸収部と感温部とを熱的に結合する熱伝達部を介して感温部に支持された赤外線センサであって、赤外線吸収部は、赤外線の入射面に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有し赤外線を吸収する単層の吸収構造体からなり、当該屈折率周期構造が、検出対象の赤外線の波長帯に対して共振ピークを有するように設計されており、検出対象の赤外線の波長に共振し当該赤外線を定在させる共振器を構成しており、吸収構造体は、赤外線吸収材料からなるスラブに複数の空孔を周期的に設けることで前記屈折率周期構造が形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、赤外線吸収部が、赤外線の入射面に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有し赤外線を吸収する単層の吸収構造体からなり、当該屈折率周期構造が、検出対象の赤外線の波長帯に対して共振ピークを有するように設計されており、検出対象の赤外線の波長に共振し当該赤外線を定在させる共振器を構成していることにより、赤外線吸収部の厚みを厚くしないうえに赤外線吸収部をマルチレイヤ構造としなくても検出対象の赤外線の吸収効率を高めることができるので、マルチレイヤ構造の赤外線吸収部を用いた従来構成に比べて感度を低下および応答速度を低下させることなく製造プロセスの簡略化による低コスト化を図れる。また、赤外線吸収部が波長選択性を有するので、別途にフィルタを設ける必要がなく、低コスト化を図れる。

また、この発明によれば、吸収構造体は、赤外線吸収材料からなるスラブに複数の空孔を周期的に設けることで前記屈折率周期構造が形成されてなるので、吸収構造体の質量を低減できるから赤外線吸収部の低熱容量化を図れ、応答速度の高速化を図れる。

請求項１の発明は、マルチレイヤ構造の赤外線吸収部を用いた従来構成に比べて感度および応答速度を低下させることなく低コスト化を図れるという効果がある。

以下、本実施形態の赤外線センサについて図１および図２を参照しながら説明する。

本実施形態の赤外線センサは、シリコン基板からなる支持基板１ａの一表面上にシリコン酸化膜からなる埋込酸化膜１ｂを介して単結晶のシリコン層１ｃが設けられたＳＯＩ基板１を用いて形成されており、赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部１０と、赤外線吸収部１０の温度変化を検出する感温部２０とがＳＯＩ基板１の厚み方向に離間して配置され、赤外線吸収部１００が赤外線吸収部１０と感温部２０とを熱的に結合する柱状の熱伝達部４０を介して感温部２０に支持されている。

感温部２０は、ＳＯＩ基板１における埋込酸化膜１ｂ上のシリコン層１ｃに形成したｐ形領域２１ａとｎ形領域２１ｂとのｐｎ接合を有するｐｎダイオード２１を複数備え、これらのｐｎダイオード２１が金属配線３４を介して直列接続されている。ここにおいて、本実施形態の赤外線センサは、図３に示した従来例と同様に赤外線吸収部１０と感温部２０とを備えたセンサ部が画素ごとに設けられ赤外線画像を取得する赤外線画像センサであって、ＳＯＩ基板１の主表面側において各画素ごとに凹所２が形成され、ＳＯＩ基板１の主表面側で凹所２の内側に配置された感温部２０が２つの支持梁部３０，３０を介して凹所２の周部に支持されており、感温部２０を構成するｐｎダイオード２１の直列回路の一端が一方の支持梁部３０に沿って形成された金属配線３５を介して信号読み出し用の垂直信号線５１に接続され、上記直列回路の他端が他方の支持梁部３０に沿って形成された金属配線３５を介して給電用のバイアス線５２に接続されているが、センサ部を１つだけ備えた赤外線センサでもよい。

各支持梁部３０は、ＳＯＩ基板１の埋込酸化膜１ｂおよび埋込酸化膜１ｂ上のシリコン層１ｃを酸化して形成されたＳｉＯ_２層からなる熱絶縁層１ｄおよび熱絶縁層１ｄ上とシリコン層１ｃ上とに跨って積層された表面保護層４それぞれの一部により構成されており、上述の金属配線３５が埋設されている。なお、表面保護層４は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜との積層膜により構成してあり、シリコン窒化膜が表面に露出している。

また、各支持梁部３０は、ＳＯＩ基板１の厚み方向に直交する面内で蛇行する形状（上記面内で複数回折れ曲がったつづら折れ状の形状）に形成され、一端部が感温部２０に連連結され他端部が凹所２の周部に連結されている。なお、熱伝達部４０の材料としては、ＳｉＯ_２を採用している。

赤外線吸収部１０は、赤外線の入射面（図１（ｂ）における上面）に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有し赤外線を吸収する単層の吸収構造体からなり、検出対象の赤外線の波長に共振し当該赤外線を定在させる共振器を構成している。ここで、赤外線吸収部１０としての吸収構造体は、赤外線吸収材料（本実施形態の赤外線センサは、検出対象の赤外線として人体から放射される８μｍ〜１３μｍの波長帯の赤外線を想定しており、赤外線吸収材料としてＳｉ_３Ｎ_４を採用しているが、赤外線吸収材料はＳｉ_３Ｎ_４に限らず、例えばＳｉＯＮなどを採用してもよい）からなるスラブ１１に複数の円形状の空孔１２を周期的に設けることで上述の屈折率周期構造が形成されている。すなわち、赤外線吸収部１０は、多数の空孔１２が、スラブ１１の厚み方向に直交する面内（つまり、赤外線吸収部１０の入射面に平行な２次元面内）で２次元的な周期構造を有するように配列されており、スラブ１１を構成する高屈折率媒質と空孔１２内の空気からなる低屈折率媒質とで上記屈折率周期構造を有するスラブ型フォトニック結晶を構成している。具体的には、スラブ１１において、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する各部位に空孔１２を形成することにより、スラブ型フォトニック結晶を形成してあり、当該スラブ型フォトニック結晶は、上述の入射面（受光面）に交差する方向から入射される検出対象の赤外線の波長帯に対して共振ピークを有するように屈折率周期構造が設計されている。ここで、赤外線吸収部１０には、入射面から入射された近赤外光を当該赤外線吸収部１０の両側の媒質との屈折率差により当該赤外線吸収部１０内に閉じ込めて導波する導波モードが存在しており、吸収効率を高めることができる。

スラブ型フォトニック結晶の設計にあたっては、上述のように検出対象の赤外線の波長帯に共振ピークを有するように上記屈折率周期構造が設計されている。具体的には、例えば、スラブ型フォトニック結晶における空孔１２の配列方向の周期（スラブ型フォトニック結晶の屈折率周期構造の周期であって２次元三角格子の格子点間の距離）をａとすれば、周期ａは上記波長帯の赤外線の半波長程度（例えば、赤外線の波長の２分の１）に設定すればよい。なお、本実施形態の赤外線センサにおける赤外線吸収部１０では、厚み方向の両側の媒質である空気（屈折率＝１）との屈折率差があることにより、赤外線吸収部１０を伝搬する赤外線が上下方向の全反射条件を満たして完全に赤外線吸収部１０内に閉じ込められる導波モードと、全反射条件を満たさず外部光と結合可能なモード（以下、面内共振モードと呼ぶ）とがある。このような赤外線吸収部１０に外部から赤外線を入射すると、一部の赤外線が面内共振モードに結合し、別の一部は面内共振モードおよび導波モードのいずれにも結合せず透過する場合もあるが、面内共振モードに結合した後に再放射される赤外線と透過する赤外線とが打ち消されるような場合も存在し、この場合には赤外線吸収部１０に入射された全ての赤外線が面内共振モードに結合する。このように面内共振モードに結合した赤外線は、共振ピークのＱ値に応じて赤外線吸収部１０内を伝搬していくことになるので、図３の従来構成のような縦型の共振器を設けることなく赤外線吸収部１０の厚みを薄くても赤外線吸収部１０にて検出対象の赤外線が効率良く吸収されることになる。なお、面内共振モードは、刊行物１（Shanhui Fan,et al，「Analysis of guided resonances in photonic crystal slabs」，PHYSICAL REVIEW B,VOLUME 65,235112）において「guided resonances」として報告されている。

なお、赤外線吸収部１０は、熱伝達部４０の基礎となる犠牲層をＳＯＩ基板１の主表面側に形成した後で、犠牲層上にスラブ１１の基礎となる赤外線吸収材料層を例えばＣＶＤ法などの薄膜形成方法により成膜してから、赤外線吸収材料層上にリソグラフィ技術を利用して各空孔１２に対応する部位が開孔されたレジスト層を形成し、当該レジスト層をマスクとして赤外線吸収材料層のうち各空孔１２に対応する部位をドライエッチング装置によりエッチングすることによって形成することができる。すなわち、赤外線吸収部１０は、一般的な半導体製造プロセス技術である薄膜形成技術とリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して形成することができ、図３に示した従来例のようにマルチレイヤ構造の赤外線吸収部１００を薄膜形成技術とリソグラフィ技術とエッチング技術とを利用して形成する場合に比べて工程数を削減でき、容易に製造することができる。なお、熱伝達部４０は、赤外線吸収部１０の形成後に、赤外線吸収部１０の各空孔１２などを通して上記犠牲層の大部分をエッチング除去することにより形成することができる。

以上説明した本実施形態の赤外線センサは、赤外線吸収部１０が、赤外線の入射面に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有し赤外線を吸収する単層の吸収構造体からなり、検出対象の赤外線の波長に共振し当該赤外線を定在させる共振器を構成していることにより、赤外線吸収部１０の厚みを厚くしないうえに赤外線吸収部１０をマルチレイヤ構造としなくても検出対象の赤外線の吸収効率を高めることができるので、図３のようにマルチレイヤ構造の赤外線吸収部１００を用いた従来構成に比べて感度を低下および応答速度を低下させることなく製造プロセスの簡略化による低コスト化を図れる。また、赤外線吸収部１０が波長選択性を有するので、別途にフィルタを設ける必要がなく、低コスト化を図れる。また、赤外線吸収部１０としての吸収構造体は、赤外線吸収材料からなるスラブ１１に複数の空孔１２を周期的に設けることで屈折率周期構造が形成されているので、吸収構造体の質量を低減できるから赤外線吸収部１０の低熱容量化を図れ、応答速度の高速化を図れる。

ところで、上記実施形態における赤外線吸収部１０としての吸収構造体は、スラブ１１に対して、単位格子が正三角形の仮想的な２次元三角格子の各格子点に対応する各部位に円形状の空孔１２を形成することにより形成されているが、単位格子は正三角形に限らず、例えば正方形でもよく、この場合には単位格子が正方形の仮想的な２次元正方格子の各格子点に対応する部位に空孔１２を形成すればよい。また、上記実施形態では、吸収構造体の屈折率周期構造を形成するためにスラブ１１に多数の円形状の空孔１２を形成してあるが、空孔１２の開口形状は円形状の形状に限定するものではなく、例えば三角形状や四角形状など別の開口形状でもよい。なお、感温部２０の構成要素は、ｐｎダイオード２１に限らず、温度変化を抵抗値の変化として検出するボロメータ形の素子や温度変化を誘電率の変化として検出する素子などを採用してもよい。

実施形態を示し、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は概略断面図である。同上における要部概略平面図である。従来例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ＳＯＩ基板
１ａ支持基板
１ｂ埋込酸化膜
１ｃシリコン層
１ｄ熱絶縁層
２凹所
４表面保護層
１０赤外線吸収部
１１スラブ
１２空孔
２０感温部
３０支持梁部
４０熱伝達部

Claims

半導体基板の一表面側において赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収部と赤外線吸収部の温度変化を検出する感温部とが半導体基板の厚み方向に離間して配置され、赤外線吸収部が赤外線吸収部と感温部とを熱的に結合する熱伝達部を介して感温部に支持された赤外線センサであって、赤外線吸収部は、赤外線の入射面に平行な２次元面内に屈折率周期構造を有し赤外線を吸収する単層の吸収構造体からなり、当該屈折率周期構造が、検出対象の赤外線の波長帯に対して共振ピークを有するように設計されており、検出対象の赤外線の波長に共振し当該赤外線を定在させる共振器を構成しており、吸収構造体は、赤外線吸収材料からなるスラブに複数の空孔を周期的に設けることで前記屈折率周期構造が形成されてなることを特徴とする赤外線センサ。