JP5339747B2 - 赤外線固体撮像装置 - Google Patents
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1.1 赤外線固体撮像装置
図1に、赤外線固体撮像装置の斜視図を示す。赤外線固体撮像装置300は、基板301上に検出器503を複数個配列した検出器アレイ502と、各検出器503が出力した電気信号を処理して外部に出力する信号処理回路509とを備える。検出器503と信号処理回路509は、垂直信号線302および水平信号線303によって接続されている。
図4(a)および図4(b)に、本実施の形態の赤外線固体撮像装置300において温度検出に用いるソース接地増幅回路の構成を示す。感熱体として、ソース接地された電界効果トランジスタ601を用いている。ソース接地増幅回路は、電源とグランド間に接続された負荷704と電界効果トランジスタ601の直列回路を含む。図4の例では、電界効果トランジスタ601のみが検出部504上に設けられる。図4(a)は、電界効果トランジスタ601がNMOS(Negative Metal Oxide Semiconductor)トランジスタである場合の例を示し、図4(b)は、電界効果トランジスタ601がPMOS(Positive Metal Oxide Semiconductor)トランジスタである場合の例を示す。なお、図4(c)には、従来の線形領域または飽和領域で動作する電界効果トランジスタを有するソース接地増幅回路の構成を示している。
理想的な定電流源は、外部のインピーダンスに関係無く一定の電流を供給し、かつ、内部のインピーダンスが無限大である。そのため、負荷704が理想的な定電流源の場合、負荷704が抵抗素子の場合の式(1)から式(6)までは、同様に成り立つが、式(7)から式(9)までにおいては、R→∞、かつ、dIds/dT→0として考える必要がある。このとき、出力電圧Voutの温度変化とゲート−ソース間電圧Vgsの関係は、図5(b)に示すようなデルタ関数の特性を示す。
図6は、感熱体である電界効果トランジスタ601がアレイ状に配置された本実施の形態の赤外線固体撮像装置300の構成を示した図である。図6(a)および図6(b)はそれぞれ、図4(a)および図4(b)に示したソース接地回路を用いたときの構成を示す。図6では一例として2画素×2画素アレイの場合を示したが、これ以外のアレイサイズも可能であることは言うまでもない。
信号処理回路509が特定の一行を選択して、その行にある全ての電界効果トランジスタ601が、ピンチオフ状態になるようなゲート-ソース間電圧を供給する方法として、直流電圧を直接供給する方法に代わり、図8〜図10に示すように、ソース接地増幅回路から、その出力電圧を、ゲート-ソース間電圧として供給してもよい。これによって、回路内部においてピンチオフ状態になるようなゲート-ソース間電圧を発生させることができ、外部からの電圧調整が不要となる。
図13を参照して、本実施の形態における赤外線固体撮像装置の製造方法を説明する。なお、図13は各製造工程における検出器503の断面構造の変化を示す。
赤外線固体撮像装置の別の構成例を示す。なお、本実施の形態の固体撮像装置の構成、外観については実施の形態1の図1ないし図3に示したものと同じである。本実施の形態における検出器503の温度検出原理についても実施の形態1のものと同じである。
図14は、本発明の実施の形態の赤外線固体撮像装置において温度検出に用いる、ソース接地増幅回路の構成を示した図である。感熱体として、ソース接地した電界効果トランジスタ601を用いている。図14の例では、電界効果トランジスタ601のみが検出部504上にある。図14(a)は電界効果トランジスタ601がNMOSトランジスタの場合であり、図14(b)は電界効果トランジスタ601がPMOSトランジスタの場合の構成を示す。本実施形態では、感熱体である電界効果トランジスタ601がダイオード接続されている点が実施の形態1と異なる。
図15は、ダイオード接続された電界効果トランジスタがアレイ状に配置された本実施形態の赤外線固体撮像装置の構成を示した図である。図15(a)および図15(b)は、それぞれ、図14(a)および図14(b)に示したソース接地回路を用いたときの構成を示す。ただし、図15(a)および図15(b)では、図14(a)および図14(b)に示した構成に加えて、スイッチ素子707が追加されている。スイッチ素子707としては通常はダイオードを用いるが、トランジスタ、サイリスタなどの他のデバイスであってもよい。スイッチ素子707を検出部504上に配置してもよい。図14(a)および図14(b)では2画素×2画素アレイの場合を示したが、これ以外のアレイサイズも可能であることは言うまでもない。
赤外線固体撮像装置の別の構成例を示す。なお、本実施の形態の固体撮像装置の構成、外観については実施の形態1の図1ないし図3に示したものと同じである。本実施の形態における検出器503の温度検出原理についても実施の形態1のものと同じである。
図16は、本実施の形態の赤外線固体撮像装置において温度検出に用いるソース接地増幅回路の構成を示した図である。感熱体としてソース接地した電界効果トランジスタ601を用いている。図16では、電界効果トランジスタ601のみが検出部504上にある。図16(a)は電界効果トランジスタ601がNMOSトランジスタの場合であり、図16(b)は電界効果トランジスタ601がPMOSトランジスタの場合の構成を示す。以上の点においては実施の形態1と同様である。
図17は、感熱体である電界効果トランジスタ601がアレイ状に配置された本実施の形態の赤外線固体撮像装置300の構成を示した図である。図17(a)および図17(b)はそれぞれ、図16(a)および図16(b)に示したソース接地回路を用いたときの構成を示す。ただし、図17(a)および図17(b)では、各画素においてスイッチ素子707が追加されている。スイッチ素子707として通常ダイオードを用いるが、トランジスタ、サイリスタなどの他のデバイスであってもよい。スイッチ素子707を検出部504上に配置してもよい。図17(a)および図17(b)では2画素×2画素アレイの場合を示したが、これ以外のアレイサイズも可能であることは言うまでもない。
赤外線固体撮像装置の別の構成例を示す。なお、本実施の形態の固体撮像装置の構成、外観については実施の形態1の図1ないし図3に示したものと同じである。本実施の形態における検出器503の温度検出原理についても実施の形態1のものと同じである。
図18に、本実施の形態における温度検出に用いるソース接地増幅回路の構成を示す。ソース接地した電界効果トランジスタ601が感熱体として用いられている。図18では、電界効果トランジスタ601のみが検出部504上にある。図18(a)は電界効果トランジスタ601がNMOSトランジスタの場合の構成であり、図18(b)は電界効果トランジスタ601がPMOSトランジスタの場合の構成である。
図19は、感熱体である電界効果トランジスタ601がアレイ状に配置された本実施の形態の赤外線固体撮像装置の構成を示した図である。図19(a)および図19(b)はそれぞれ、図18(a)および図18(b)に示したソース接地回路を用いたときの構成を示す。ただし、図19では、各画素においてスイッチ素子707が追加されている。通常スイッチ素子707としてダイオードを用いるが、トランジスタ、サイリスタなどの他のデバイスであってもよい。スイッチ素子707を検出部504上に配置してもよい。図18では2画素×2画素アレイの場合を示したが、これ以外のアレイサイズも可能であることは言うまでもない。
上記の実施の形態1〜4における赤外線固体撮像装置において、図20に示すように、赤外線吸収量を増大させるための傘構造507がなくてもよい。その場合であっても、同様の効果が得られることは、言うまでもない。傘構造507が無い場合、図13に示した赤外線固体撮像装置の製造方法において、図13(f)で、エッチング孔508を開口するが、犠牲層308を堆積せず、傘構造507を形成しない。さらに、図13(g)は図20で読み替えられる。
Claims (6)
- 温度変化を電気信号の変化として出力する感熱体として電界効果トランジスタを含む画素が複数個アレイ状に配置されてなる検出器アレイと、
前記電界効果トランジスタと接続され、ソース接地増幅回路を形成する所定の負荷と、
前記ソース接地増幅回路の出力信号を読み出す信号読み出し回路とを備え、
前記検出器アレイ外部に、前記電界効果トランジスタとは別の電界効果トランジスタと負荷とで構成されるソース接地増幅回路を配置し、前記検出器アレイ外部のソース接地増幅回路から、前記検出器アレイの行毎に、前記検出器アレイ内の電界効果トランジスタのソース-ゲート間電圧を供給し、
前記別の電界効果トランジスタのドレイン電極とゲート電極の間に、前記別の電界効果トランジスタのドレイン電圧をゲート電圧から前記別の電界効果トランジスタのしきい値電圧だけ低い電圧に設定する降圧回路を配置し、
前記降圧回路は電界効果トランジスタを有し、
さらに、基板に設けられた凹部上の中空に保持された検出部を備え、
前記別の電界効果トランジスタ、および、前記降圧回路の電界効果トランジスタを前記検出部に配置することで、前記降圧回路が降圧する電圧は、前記別の電界効果トランジスタのしきい値電圧と、温度によらず同じであり、
赤外線の検知動作時において前記電界効果トランジスタはピンチオフ状態で動作するようにバイアスされる、
ことを特徴とする赤外線固体撮像装置。 - 温度変化を電気信号の変化として出力する感熱体として電界効果トランジスタを含む画素が複数個アレイ状に配置されてなる検出器アレイと、
前記電界効果トランジスタと接続され、ソース接地増幅回路を形成する所定の負荷と、
前記ソース接地増幅回路の出力信号を読み出す信号読み出し回路とを備え、
前記電界効果トランジスタのドレイン電極とゲート電極の間に前記電界効果トランジスタのドレイン電圧をゲート電圧から前記電界効果トランジスタのしきい値電圧だけ低い電圧に設定する降圧回路を配置し、
前記降圧回路は電界効果トランジスタを有し、
さらに、前記電界効果トランジスタのソース電極と接地電位との間にスイッチ素子が接続され、
さらに、基板に設けられた凹部上の中空に保持された、少なくとも一つの検出部を備え、
前記感熱体としての電界効果トランジスタ、および、前記降圧回路の電界効果トランジスタを、前記少なくとも一つの検出部のうちのいずれか一つ、または異なる検出部に配置することで、前記降圧回路が降圧する電圧は、前記電界効果トランジスタのしきい値電圧と、温度によらず同じであり、
赤外線の検知動作時において前記電界効果トランジスタはピンチオフ状態で動作するようにバイアスされ、
前記検出器アレイ内の電界効果トランジスタのソース-ゲート間電圧が前記検出器アレイの画素毎に設定される
ことを特徴とする赤外線固体撮像装置。 - 前記電界効果トランジスタのドレイン電極とゲート電極の間にスイッチを配置し、さらに、前記電界効果トランジスタのゲート電極と接地電位との間に容量素子が接続されたることを特徴とする請求項2記載の赤外線固体撮像装置。
- 前記電界効果トランジスタのドレイン電極とゲート電極の間にバッファ回路を配置したことを特徴とする請求項2または3記載の赤外線固体撮像装置。
- 前記検出器アレイ内の電界効果トランジスタおよび前記検出器アレイ外部の別の電界効果トランジスタはMOSFET、JFETまたはMESFETで構成されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の赤外線固体撮像装置。
- 前記所定の負荷は、抵抗素子または定電流源であることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の赤外線固体撮像装置。
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