JP5691502B2 - THERMAL TYPE PHOTODETECTOR, THERMAL TYPE PHOTODETECTOR, ELECTRONIC DEVICE, AND THERMAL TYPE OPTICAL DETECTOR - Google Patents
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本発明は、熱型光検出器、熱型光検出装置、電子機器および熱型光検出器の製造方法等に関する。 The present invention relates to a thermal detector, a thermal detector, an electronic apparatus, a manufacturing method of the thermal detector, and the like.
光センサーとして、熱型光検出器が知られている。熱型光検出器は、物体から放射された光を光吸収層によって吸収し、光を熱に変換し、温度の変化を熱検出素子によって測定する。熱型光検出器には、光吸収にともなう温度上昇を直接検出するサーモパイル、電気分極の変化として検出する焦電型素子、温度上昇を抵抗変化として検出するボロメータ等がある。熱型光検出器は、測定できる波長帯域が広い特徴がある。近年、半導体製造技術(MEMS技術等)を利用して、より小型の熱型光検出器を製造する試みがなされている。 A thermal detector is known as an optical sensor. The thermal detector absorbs light emitted from an object by a light absorption layer, converts the light into heat, and measures a change in temperature with a heat detection element. Thermal detectors include a thermopile that directly detects a temperature rise accompanying light absorption, a pyroelectric element that detects a change in electrical polarization, and a bolometer that detects a temperature rise as a resistance change. Thermal detectors have a wide wavelength band that can be measured. In recent years, attempts have been made to manufacture smaller thermal detectors using semiconductor manufacturing technology (MEMS technology or the like).
熱型光検出器の検出感度の向上、ならびに応答性の改善のためには、光吸収層で発生した熱を、効率的に熱検出素子に伝達することが重要である。 In order to improve the detection sensitivity and the responsiveness of the thermal detector, it is important to efficiently transfer the heat generated in the light absorption layer to the heat detection element.
熱伝達を効率化するための熱検出素子の構造は、例えば、特許文献1に記載されている。特許文献1に記載される赤外線検出素子(ここではサーモパイル型の赤外線検出素子)は、赤外線感知部と赤外線吸収層との間に設けられた高熱伝導層を有している。具体的には、空洞部上にメンブレンが形成され、メンブレンは、四隅に設けられた突出する梁によって、周囲の基板に支持されている。中央のメンブレン部分には、赤外線吸収層層と高熱伝導層とが設けられており、また、梁の部分には、サーモパイル素子が設けられている。また、高熱伝導層は、アルミニウム、金などの赤外線反射性に優れる材料で構成されている。 The structure of the heat detection element for improving the efficiency of heat transfer is described in Patent Document 1, for example. The infrared detection element (here, a thermopile type infrared detection element) described in Patent Document 1 has a high thermal conductive layer provided between an infrared detection unit and an infrared absorption layer. Specifically, a membrane is formed on the cavity, and the membrane is supported on the surrounding substrate by protruding beams provided at four corners. The central membrane portion is provided with an infrared absorption layer and a high thermal conductive layer, and the beam portion is provided with a thermopile element. The high thermal conductive layer is made of a material having excellent infrared reflectivity such as aluminum and gold.
また、特許文献1に記載される赤外線検出素子では、光吸収層の下に高熱伝達部材が設けられているが、熱検出素子は、光吸収層ならびに高熱伝達部材の下には設けられていない。光赤外線吸収層は、赤外線感知部熱検出素子から離れた位置にあることから、光赤外線吸収層で発生した熱を直接的に熱検出素子赤外線感知部に供給することはできない。 Moreover, in the infrared detection element described in Patent Document 1, a high heat transfer member is provided under the light absorption layer, but the heat detection element is not provided under the light absorption layer and the high heat transfer member. . Since the light infrared absorption layer is located away from the infrared detection unit heat detection element, the heat generated in the light infrared absorption layer cannot be directly supplied to the heat detection element infrared detection unit.
特許文献2に記載される赤外線固体撮像素子では、赤外線吸収部を構成する絶縁層は、温度検出器から離れた位置にあることから、赤外線吸収部の絶縁層で発生した熱を直接的に温度検出器に供給することができない。
In the infrared solid-state imaging device described in
本発明の少なくとも一つの態様によれば、例えば、熱型光検出器の検出感度を向上させることができる。 According to at least one aspect of the present invention, for example, the detection sensitivity of a thermal detector can be improved.
本発明の一態様の熱型光検出器は、基板と、前記基板に対して空洞部を介して支持される支持部材と、前記支持部材上に形成され、下部電極と上部電極によって焦電材料層を挟んだ構造を有する熱検出素子と、前記熱検出素子上に形成されている光吸収層と、前記熱検出素子と接続部によって接続され、平面視で前記接続部よりも広い面積を有し、少なくとも一部の波長域の光に対して光透過性を有し、かつ前記光吸収層の内部に形成されている集熱部を備える熱伝達部材と、を含み、前記下部電極は、平面視で、前記焦電材料層の周囲を囲むように延在する延在部分を有し、前記延在部分は、前記熱伝達部材の前記集熱部を透過した光のうちの少なくとも一部を反射する光反射特性を有することを特徴とする。
(1)本発明の熱型光検出器の一態様は、基板と、前記基板に対して空洞部を介して支持される支持部材と、前記支持部材上に形成され、下部電極と上部電極によって焦電材料層を挟んだ構造を有する熱検出素子と、前記熱検出素子上に形成されている光吸収層と、前記熱検出素子と接続部によって接続され、平面視で前記接続部よりも広い面積を有し、少なくとも一部の波長域の光に対して光透過性を有し、かつ前記光吸収層の内部に形成されている集熱部を備える熱伝達部材と、を含み、前記下部電極は、平面視で、前記焦電材料層の周囲に延在する延在部分を有し、前記延在部分は、前記熱伝達部材の前記集熱部を透過した光のうちの少なくとも一部を反射する光反射特性を有する。
A thermal detector according to one aspect of the present invention includes a substrate, a support member supported by the substrate via a cavity, and a pyroelectric material formed on the support member, the lower electrode and the upper electrode. A heat detection element having a structure sandwiching layers, a light absorption layer formed on the heat detection element, and the heat detection element are connected to the connection part by a connection part, and have a larger area than the connection part in plan view. And a heat transfer member that has a light-transmitting property with respect to light in at least a part of the wavelength range and includes a heat collecting part formed inside the light absorption layer, and the lower electrode includes: It has an extending part extending so as to surround the pyroelectric material layer in plan view, and the extending part is at least a part of the light transmitted through the heat collecting part of the heat transfer member It has a light reflection characteristic of reflecting light.
(1) One aspect of the thermal detector of the present invention is a substrate, a support member supported by the substrate via a cavity, and formed on the support member, and includes a lower electrode and an upper electrode. A thermal detection element having a structure sandwiching a pyroelectric material layer, a light absorption layer formed on the thermal detection element, and connected to the thermal detection element by a connection portion, and wider than the connection portion in plan view A heat transfer member having an area, having a light transmission property for light in at least a part of a wavelength range, and having a heat collecting portion formed inside the light absorption layer, and the lower portion The electrode has an extending portion extending around the pyroelectric material layer in a plan view, and the extending portion is at least a part of light transmitted through the heat collecting portion of the heat transfer member. It has a light reflection characteristic to reflect the light.
本態様の熱型光検出器では、例えば、熱型光検出器に入射した光(例えば赤外線)の一部は、まず第2光吸収層で吸収され、その他は吸収されずに熱伝達部材に到達する。熱伝達部材は、少なくとも一部の波長域の光に対して光透過性を有しており、例えば、赤外線領域(例えば遠赤外線領域)において半透過性を有することができる。熱伝達部材では、例えば、到達した光の一部は反射し、その他は熱伝達部材を透過する。熱伝達部材を透過した光の一部は、第1光吸収層で吸収され、その他の光は、熱検出素子に到達する。 In the thermal detector of this aspect, for example, a part of light (for example, infrared rays) incident on the thermal detector is first absorbed by the second light absorption layer, and the other is not absorbed by the heat transfer member. To reach. The heat transfer member is light transmissive with respect to light in at least a part of the wavelength range, and can be semi-transmissive in, for example, an infrared region (for example, a far infrared region). In the heat transfer member, for example, a part of the reached light is reflected and the other is transmitted through the heat transfer member. Part of the light transmitted through the heat transfer member is absorbed by the first light absorption layer, and the other light reaches the heat detection element.
熱検出素子は、支持部材上に形成されている。ここで、「〜上」という表現は、直上であってもよく、あるいは、上部(別の層が介在する場合)であってもよい。他の箇所においても同様に、広義に解釈することができる。 The heat detection element is formed on the support member. Here, the expression “to upper” may be directly above or may be an upper part (when another layer is interposed). In other places as well, it can be interpreted broadly.
また、熱検出素子の下部電極は、支持部材上に延在する延在部分を有し、この延在部分は、光反射特性を有する。すなわち、下部電極は導電性に優れた材料(例えば金属材料)で構成されており、一般に、金属材料等は光の反射率も高い。よって、熱検出素子の構成要素である下部電極の延在部分の表面において、入射する光の多くは反射され、その反射された光は、第1光吸収層や第2光吸収層にて吸収される。よって、入射した光を無駄なく利用して、熱に変換することができる。また、支持部材の表面に到達した光の一部も反射されて、第1光吸収層や第2光吸収層にて吸収されることも有り得る。この点でも、入射光の有効利用が図られる。 Further, the lower electrode of the heat detection element has an extending portion extending on the support member, and the extending portion has light reflection characteristics. That is, the lower electrode is made of a material having excellent conductivity (for example, a metal material). Generally, a metal material or the like has a high light reflectance. Therefore, most of the incident light is reflected on the surface of the extended portion of the lower electrode, which is a component of the heat detection element, and the reflected light is absorbed by the first light absorption layer and the second light absorption layer. Is done. Therefore, incident light can be converted into heat by using it without waste. In addition, part of the light reaching the surface of the support member may be reflected and absorbed by the first light absorption layer or the second light absorption layer. Also in this respect, the incident light can be effectively used.
また、下部電極(金属材料等で構成される)は、熱伝導率も高いことから、例えば、光吸収層における焦電材料層から遠い箇所で発生した熱を、焦電材料層に伝達する効果も発揮する。すなわち、下部電極は、支持部材上において、例えば広く延在していることから、光吸収層における広範囲で発生した熱を、効率的に焦電材料層に伝達することが可能である。この点で、下部電極は、熱伝達部材(すなわち、熱検出素子の上部に形成される熱伝達部材(例えば第1熱伝達部材ということができる)とは別の熱伝達部材(第2熱伝達部材ということができる))を兼ねる、ということもできる。 In addition, since the lower electrode (made of a metal material or the like) has high thermal conductivity, for example, the effect of transferring heat generated at a location far from the pyroelectric material layer in the light absorption layer to the pyroelectric material layer. Also demonstrates. That is, since the lower electrode extends, for example, widely on the support member, heat generated in a wide range in the light absorption layer can be efficiently transmitted to the pyroelectric material layer. In this respect, the lower electrode is a heat transfer member (ie, a second heat transfer member) that is different from the heat transfer member (ie, the heat transfer member (eg, the first heat transfer member) that is formed on the heat detection element) It can also be called a member))).
また、熱伝達部材は、光透過性(例えば光の半透過性)を有する材料で構成され、接続部と、平面視で接続部よりも広い面積を有する集熱部とを有し、集熱部は、熱検出素子上に形成される。熱伝達部材の集熱部は、例えば、広範囲な領域において発生した熱を集熱して、熱検出素子に伝達する役割を果たす。熱伝達部材としては、例えば、熱伝導が良好で、かつ光の半透過性を有する金属化合物(例えばAlNやAlOx)を使用することができる。 The heat transfer member is made of a material having optical transparency (for example, semi-transmission of light), and includes a connection part and a heat collection part having a larger area than the connection part in plan view. The part is formed on the heat detection element. The heat collecting part of the heat transfer member plays a role of collecting heat generated in a wide area and transmitting it to the heat detection element, for example. As the heat transfer member, for example, a metal compound (for example, AlN or AlOx) having good heat conduction and light translucency can be used.
入射した光が、上述のような挙動を示す場合における、第1光吸収層および第2光吸収層における熱の発生、ならびに、発生した熱の、熱検出素子への伝達は、例えば、以下のように行われる。すなわち、熱型光検出器に入射した光の一部が、まず第2光吸収層で吸収され、第2光吸収層にて熱が発生する。また、熱伝達部材で反射した光は、第2光吸収層で吸収され、これによって第2光吸収層にて熱が発生する。 The generation of heat in the first light absorption layer and the second light absorption layer and the transfer of the generated heat to the heat detection element in the case where the incident light exhibits the behavior described above are, for example, as follows: To be done. That is, a part of the light incident on the thermal detector is first absorbed by the second light absorption layer, and heat is generated in the second light absorption layer. In addition, the light reflected by the heat transfer member is absorbed by the second light absorption layer, thereby generating heat in the second light absorption layer.
また、熱伝達部材を透過(通過)した光の一部は、第1光吸収層にて吸収されて熱が発生する。また、下部電極の延在部分に到達する光の多く(例えば大部分)は、その表面で反射されて、第1光吸収層、および第2光吸収層の少なくとも一方に吸収され、これによって、第1光吸収層あるいは第2光吸収層にて熱が発生する。また、支持部材の表面で反射した光も、第1光吸収層および第2光吸収層の少なくとも一方に吸収され、これによって、第1光吸収層あるいは第2光吸収層にて熱が発生する。 Further, a part of the light transmitted (passed) through the heat transfer member is absorbed by the first light absorption layer to generate heat. In addition, most (for example, most) of the light reaching the extended portion of the lower electrode is reflected on the surface and absorbed by at least one of the first light absorption layer and the second light absorption layer, Heat is generated in the first light absorption layer or the second light absorption layer. In addition, the light reflected on the surface of the support member is also absorbed by at least one of the first light absorption layer and the second light absorption layer, thereby generating heat in the first light absorption layer or the second light absorption layer. .
そして、第2光吸収層で発生した熱は、熱伝達部材を介して効率的に熱検出素子に伝達され、また、第1光吸収層で発生した熱は、直接的に、あるいは熱伝達部材を介して熱検出素子に効率的に伝達される。すなわち、熱伝達部材の集熱部は、熱検出素子上を広く覆うように形成されており、よって、第1光吸収層ならびに第2光吸収層の発生した熱の多くを、その発生場所を問わずに、効率的に熱検出素子に伝達することができる。例えば、熱検出素子から離れた箇所で発生した熱であっても、熱伝導率が高い熱伝達部材を経由して、熱検出素子に効率的に伝達することができる。 The heat generated in the second light absorption layer is efficiently transmitted to the heat detection element via the heat transfer member, and the heat generated in the first light absorption layer is directly or heat transfer member. Is efficiently transmitted to the heat detection element via the. That is, the heat collecting part of the heat transfer member is formed so as to cover the heat detection element widely, and therefore, most of the heat generated by the first light absorption layer and the second light absorption layer is transferred to the generation location. Regardless, it can be efficiently transmitted to the heat detection element. For example, even heat generated at a location away from the heat detection element can be efficiently transferred to the heat detection element via a heat transfer member having high thermal conductivity.
また、熱伝達部材の集熱部と、熱検出素子とは、熱伝達部材の接続部によって接続されていることから、熱伝達部材の集熱部を経由して伝達される熱を、接続部を介して、熱検出素子に直接的に伝達することができる。また、熱伝達部材の下に熱検出素子が位置する(平面視で重なる位置に設けられている)ことから、例えば、平面視における熱伝達部材の中央部と、熱検出素子とを最短で接続することが可能である。よって、熱伝達に伴うロスを減らすことができ、また、専有面積の増大を抑制することができる。 In addition, since the heat collection part of the heat transfer member and the heat detection element are connected by the connection part of the heat transfer member, the heat transmitted through the heat collection part of the heat transfer member is transferred to the connection part. It can be directly transmitted to the heat detection element via the. In addition, since the heat detection element is located below the heat transfer member (provided at a position overlapping in plan view), for example, the central portion of the heat transfer member in plan view and the heat detection element are connected in the shortest distance. Is possible. Therefore, the loss accompanying heat transfer can be reduced, and an increase in the occupied area can be suppressed.
また、本態様では、2層の光吸収膜によって熱を発生することから吸収効率が高まる。また、第1光吸収層を介して熱を直接的に熱検出素子に伝達することができる。よって、特許文献1に記載される赤外線検出素子ならびに特許文献2に記載される赤外線固体撮像素子と比較して、熱型光検出器の検出感度をより向上させることができる。また、本実施形態では、熱検出素子は熱伝達部材に接続されている。よって、応答速度は、特許文献1に記載される赤外線検出素子と同等に高い。また、本態様では、熱伝達部材が直接に熱検出素子に接続されているため、特許文献2に記載される赤外線固体撮像素子と比較して、より高い応答速度が得られる。
Moreover, in this aspect, since heat is generated by the two light absorption films, the absorption efficiency is increased. Further, heat can be directly transferred to the heat detection element via the first light absorption layer. Therefore, compared with the infrared detection element described in Patent Document 1 and the infrared solid-state imaging element described in
(2)本発明の熱型光検出器の他の態様では、前記光吸収層は、前記支持部材上であって前記熱検出素子の周囲に形成されている。 (2) In another aspect of the thermal detector of the present invention, the light absorption layer is formed on the support member and around the thermal detection element.
本態様では、光吸収層は、平面視で、熱検出素子の周囲に形成される。これによって、光吸収層の広範囲で発生した熱は、熱検出素子に、直接的に、あるいは熱伝達部材を経由して間接的に、効率的に伝達される。よって、熱型光検出器の光検出感度をさらに高めることができる。また、熱型光検出器の応答速度も、より向上する。 In this aspect, the light absorption layer is formed around the heat detection element in a plan view. Thereby, the heat generated in a wide range of the light absorption layer is efficiently transmitted to the heat detection element directly or indirectly via the heat transfer member. Therefore, the photodetection sensitivity of the thermal detector can be further increased. Moreover, the response speed of the thermal detector is further improved.
(3)本発明の熱型光検出器の他の態様では、前記光吸収層は、前記熱伝達部材と前記熱検出素子の前記下部電極における前記延在部分との間において、前記熱伝達部材に接して形成されている第1光吸収層と、前記熱伝達部材上において、前記熱伝達部材と接して形成されている第2光吸収層と、を有する。 (3) In another aspect of the thermal detector of the present invention, the light absorption layer includes the heat transfer member between the heat transfer member and the extended portion of the lower electrode of the heat detection element. A first light absorption layer formed in contact with the heat transfer member, and a second light absorption layer formed in contact with the heat transfer member on the heat transfer member.
本態様では、光吸収層として、第1光吸収層と第2光吸収層を設け、これらの2層の光吸収層で、熱伝達部材の集熱部を挟んだ構成を採用する。第1光吸収層ならびに第2光吸収層の広範囲で発生した熱は、熱検出素子に、直接的に、あるいは熱伝達部材を経由して間接的に、効率的に伝達される。また、入射光のうちの熱伝達部材で反射した光を、上層の第2光吸収層で吸収し、また、熱伝達部材を透過した光を、下層の第1光吸収層で吸収することができる。 In this embodiment, a first light absorption layer and a second light absorption layer are provided as the light absorption layer, and a configuration in which the heat collection portion of the heat transfer member is sandwiched between these two light absorption layers is employed. Heat generated in a wide range of the first light absorption layer and the second light absorption layer is efficiently transmitted to the heat detection element directly or indirectly via a heat transfer member. Further, light reflected by the heat transfer member of incident light may be absorbed by the upper second light absorption layer, and light transmitted through the heat transfer member may be absorbed by the lower first light absorption layer. it can.
本態様の熱型光検出器によれば、2層(複数層)の光吸収層における広範囲で発生した熱を、熱検出素子に効率的に伝達することができ、よって、小型の熱型光検出器の光検出感度を大幅に向上させることができる。また、熱の伝達に要する時間が短縮されるため、熱型光検出器の応答速度を高めることができる。 According to the thermal detector of this aspect, the heat generated in a wide range in the two layers (multiple layers) of the light absorption layer can be efficiently transferred to the thermal detection element. The light detection sensitivity of the detector can be greatly improved. In addition, since the time required for heat transfer is shortened, the response speed of the thermal detector can be increased.
(4)本発明の熱型光検出器の他の態様では、前記下部電極の延在部分の表面と前記第2光吸収層の上面との間で、第1波長に対する第1光共振器が構成されており、前記第2光吸収層の下面と、前記第2光吸収層の上面との間で、前記第1の波長とは異なる第2の波長に対する第2光共振器が構成されている。 (4) In another aspect of the thermal detector of the present invention, a first optical resonator for a first wavelength is provided between the surface of the extending portion of the lower electrode and the upper surface of the second light absorption layer. A second optical resonator for a second wavelength different from the first wavelength is configured between the lower surface of the second light absorbing layer and the upper surface of the second light absorbing layer. Yes.
本態様では、各光吸収層の膜厚を調整して、異なる共振波長をもつ2個の光共振器を構成する。第1波長に対する第1光共振器は、支持部材上に形成されている、熱型光検出器の構成要素である下部電極の延在部分の表面と、第2光吸収層の上面との間において形成される。下部電極の延在部分の表面で反射した光は、第1光吸収層および第2光吸収層の少なくとも一方に吸収されるが、このとき、第1光共振器を構成することによって、各光吸収層における実効吸収率を高めることができる。下部電極は導電性に優れた材料(例えば金属材料)で構成されており、一般に、金属材料等は光の反射率も高い。よって、延在部分の表面に入射する光の多くを上方に反射させることができる。よって光の共振が生じやすい。 In this embodiment, two optical resonators having different resonance wavelengths are configured by adjusting the film thickness of each light absorption layer. The first optical resonator for the first wavelength is formed between the surface of the extending portion of the lower electrode, which is a component of the thermal detector, formed on the support member, and the upper surface of the second light absorption layer. Formed in. The light reflected by the surface of the extended portion of the lower electrode is absorbed by at least one of the first light absorption layer and the second light absorption layer. At this time, each light is formed by configuring the first optical resonator. The effective absorption rate in the absorption layer can be increased. The lower electrode is made of a material having excellent conductivity (for example, a metal material). Generally, a metal material or the like has a high light reflectance. Therefore, most of the light incident on the surface of the extending portion can be reflected upward. Therefore, light resonance tends to occur.
ここで、第1光共振器は、例えば、いわゆるλ/4光共振器とすることができる。すなわち、第1波長をλ1としたとき、焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)234の延在部分RXの表面と第2光吸収層の上面との間の距離が、n・(λ1/4)(nは1以上の整数)の関係を満足するように、第1光吸収層および第2光吸収層の膜厚を調整すればよい。下部電極の膜厚がごく薄いとすると、その膜厚を無視することができ、この場合には、第1光吸収層および第2光吸収層の合計の膜厚が、n・(λ1/4)(nは1以上の整数)の関係を満足すればよい。これによって、入射した波長λ1の光と、支持部材の表面で反射した波長λ1の光とが相互干渉よって打ち消され、第1光吸収層ならびに第2光吸収層における実効吸収率が高まる。
Here, the first optical resonator can be, for example, a so-called λ / 4 optical resonator. That is, when the first wavelength is λ1, the distance between the surface of the extended portion RX of the lower electrode (first electrode) 234 of the
また、上述のとおり、熱伝達部材で反射した光は、第2光吸収層で吸収されるが、このとき、第2光共振器を構成することによって、第2光吸収層における実効吸収率を高めることができる。第2光共振器は、例えば、いわゆるλ/4光共振器とすることができる。 Further, as described above, the light reflected by the heat transfer member is absorbed by the second light absorption layer. At this time, by configuring the second optical resonator, the effective absorption rate in the second light absorption layer is increased. Can be increased. The second optical resonator can be, for example, a so-called λ / 4 optical resonator.
すなわち、第2波長をλ2としたとき、第2光吸収層の下面と第2光吸収層の上面との間の距離(すなわち、第2光吸収層の膜厚)を、n・(λ2/4)に設定することによって、第2光共振器を構成することができる。これによって、入射した波長λ2の光と、第2光吸収層の下面(第1光吸収層と第2光吸収層との界面)で反射した波長λ2の光とが相互干渉よって打ち消され、第2光吸収層における実効吸収率を高めることができる。 That is, when the second wavelength is λ2, the distance between the lower surface of the second light absorption layer and the upper surface of the second light absorption layer (that is, the film thickness of the second light absorption layer) is n · (λ2 / By setting to 4), the second optical resonator can be configured. As a result, the incident light having the wavelength λ2 and the light having the wavelength λ2 reflected by the lower surface of the second light absorption layer (the interface between the first light absorption layer and the second light absorption layer) are canceled by mutual interference. The effective absorption rate in the two-light absorption layer can be increased.
また、本態様によれば、異なる2つの波長において共振ピークが生じることから、熱型光検出器が検出可能な光の波長帯域(波長幅)を広げることができる。なお、熱伝達部材の集熱部と光反射層とは、互いに平行に配置されている。よって、光反射層の上面と第2光吸収層の上面との平行が維持される。 Moreover, according to this aspect, since resonance peaks occur at two different wavelengths, the wavelength band (wavelength width) of light that can be detected by the thermal detector can be expanded. In addition, the heat collection part of the heat transfer member and the light reflection layer are arranged in parallel to each other. Therefore, the parallelism between the upper surface of the light reflection layer and the upper surface of the second light absorption layer is maintained.
(5)本発明の熱型光検出器の他の態様では、前記熱伝達部材は、前記熱検出素子を他の素子に接続する配線を兼ねる。 (5) In another aspect of the thermal detector of the present invention, the heat transfer member also serves as a wiring for connecting the heat detection element to another element.
熱伝達部材は、上述のとおり、例えば、AlNやAlOx等の金属化合物で構成することができるが、金属を主成分とする材料は電気伝導も良好であることから、熱伝達部材は、熱検出素子を他の素子に接続する配線(配線の一部を含む)としても利用することができる。熱伝達部材を、配線としても利用することによって、配線を別途、設ける必要がなくなり、製造工程の簡素化を図ることができる。 As described above, the heat transfer member can be composed of, for example, a metal compound such as AlN or AlOx. However, since the metal-based material has good electrical conductivity, the heat transfer member can detect heat. It can also be used as wiring (including part of the wiring) for connecting the element to other elements. By using the heat transfer member also as the wiring, it is not necessary to separately provide the wiring, and the manufacturing process can be simplified.
(6)本発明の熱型光検出装置の一態様では、上記いずれかに記載の熱型光検出器が複数、2次元配置されている。 (6) In one aspect of the thermal detection device of the present invention, a plurality of the thermal detection detectors described above are two-dimensionally arranged.
これによって、複数の熱型光検出器(熱型光検出素子)が2次元に配置された(例えば、直交2軸の各々に沿ってアレイ状に配置された)、熱型光検出装置(熱型光アレイセンサー)が実現される。 Thus, a plurality of thermal photodetectors (thermal photodetector elements) are two-dimensionally arranged (for example, arranged in an array along each of two orthogonal axes), and a thermal photodetector (thermal Type optical array sensor) is realized.
(7)本発明の電子機器の一態様は、上記のいずれかに記載の熱型光検出器と、前記熱型光検出器の出力を処理する制御部と、を有する。 (7) One aspect of the electronic device of the present invention includes the thermal detector according to any one of the above, and a control unit that processes an output of the thermal detector.
上記いずれかの熱型光検出器は、光の検出感度が高い。よって、この熱型光検出器を搭載する電子機器の性能が高まる。電子機器としては、例えば、赤外線センサー装置、サーモグラフィー装置、車載用夜間カメラや監視カメラ等が挙げられる。なお、制御部は、例えば、画像処理部やCPUで構成することができる。 Any of the above thermal detectors has high light detection sensitivity. Therefore, the performance of an electronic device equipped with this thermal detector is enhanced. Examples of the electronic device include an infrared sensor device, a thermography device, a vehicle-mounted night camera, a monitoring camera, and the like. Note that the control unit can be configured by, for example, an image processing unit or a CPU.
(8)本発明の熱型光検出器の一態様は、基板の主面上に絶縁層を含む構造体を形成し、前記絶縁層を含む構造体上に犠牲層を形成し、前記犠牲層上に支持部材を形成する工程と、前記支持部材上に、下部電極と上部電極によって焦電材料層を挟んだ構造を有し、かつ、前記下部電極が、平面視で、前記焦電材料層の周囲に延在する延在部分を有すると共に、前記延在部分が、到来する光を反射する光反射特性を有する熱検出素子を形成する工程と、前記熱検出素子を覆うように第1光吸収層を形成し、前記第1光吸収層を平坦化する工程と、前記第1光吸収層の一部にコンタクトホールを形成した後、熱伝導性と、少なくとも一部の波長域の光に対する光透過性とを有する材料層を形成し、前記材料層をパターニングすることによって、前記熱検出素子に接続する接続部と、平面視で前記接続部よりも広い面積を有する集熱部とを備える熱伝達部材を形成する工程と、前記第1光吸収層上に第2光吸収層を形成する工程と、前記第1光吸収層および前記第2光吸収層をパターニングする工程と、前記支持部材をパターニングする工程と、前記犠牲層をエッチングにより除去して、前記基板の主面上に形成された絶縁層を含む構造体と、前記支持部材との間に空洞部を形成する工程と、を含む。 (8) According to one aspect of the thermal detector of the present invention, a structure including an insulating layer is formed on a main surface of a substrate, a sacrificial layer is formed on the structure including the insulating layer, and the sacrificial layer A step of forming a support member thereon, and a structure in which a pyroelectric material layer is sandwiched between the lower electrode and the upper electrode on the support member, and the lower electrode is in plan view, the pyroelectric material layer And a step of forming a heat detection element having a light reflection characteristic for reflecting incoming light, and a first light so as to cover the heat detection element. Forming an absorption layer and planarizing the first light absorption layer; forming a contact hole in a part of the first light absorption layer; and then providing thermal conductivity and at least a part of a wavelength range of light. By forming a material layer having optical transparency and patterning the material layer, Forming a heat transfer member including a connection part connected to the heat detection element and a heat collecting part having a larger area than the connection part in plan view; and a second light absorption layer on the first light absorption layer A step of patterning the first light absorption layer and the second light absorption layer, a step of patterning the support member, and removing the sacrificial layer by etching to form a main surface of the substrate. And a step of forming a cavity between the structure including the insulating layer formed on the support member and the support member.
本態様では、基板の主面に、層間絶縁層を含む多層構造、犠牲層、支持部材を積層形成し、また、支持部材上に、光反射特性を有する下部電極(すなわち、光反射部材を兼ねる下部電極)を含む熱検出素子、第1光吸収層、熱伝達部材ならびに第2光吸収層を積層形成する。第1光吸収層の上面は、平坦化処理によって平坦化される。また、第1光吸収層にはコンタクトホールが設けられ、このコンタクトホールに、熱伝達部材の接続部が埋め込まれる。第1光吸収層上に設けられる、熱伝達部材の集熱部は、接続部を介して熱検出素子(例えば、焦電キャパシターの上側電極)に接続される。本態様によれば、半導体製造技術(例えばMEMS技術)を用いて、小型かつ検出感度の高い熱型光検出器を実現することができる。なお、熱伝達部材の集熱部と光反射層とは、互いに平行に配置するのが好ましい。これによって、光反射層の上面と第2光吸収層の上面との平行が維持される。 In this embodiment, a multilayer structure including an interlayer insulating layer, a sacrificial layer, and a support member are stacked on the main surface of the substrate, and the lower electrode having light reflection characteristics (that is, also serves as the light reflection member) is formed on the support member. A heat detecting element including a lower electrode), a first light absorption layer, a heat transfer member, and a second light absorption layer. The upper surface of the first light absorption layer is planarized by a planarization process. In addition, a contact hole is provided in the first light absorption layer, and a connection portion of the heat transfer member is embedded in the contact hole. The heat collection part of the heat transfer member provided on the first light absorption layer is connected to a heat detection element (for example, the upper electrode of the pyroelectric capacitor) via the connection part. According to this aspect, it is possible to realize a small thermal detector with high detection sensitivity using semiconductor manufacturing technology (for example, MEMS technology). In addition, it is preferable to arrange | position the heat collection part of a heat-transfer member, and a light reflection layer mutually in parallel. Thereby, the parallelism between the upper surface of the light reflection layer and the upper surface of the second light absorption layer is maintained.
このように、本発明の少なくとも一つの態様によれば、例えば、熱型光検出器の検出感度を、格段に向上させることができる。 Thus, according to at least one aspect of the present invention, for example, the detection sensitivity of a thermal detector can be significantly improved.
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are indispensable as means for solving the present invention. Not necessarily.
(第1の実施形態)
図1(A)および図1(B)は、熱型光検出器の一例の平面図ならびに断面図である。図1(B)は、図1(A)に示される熱型光検出器のA−A’線に沿う断面図である。図1(A)および図1(B)では、単独の熱型光検出器を示しているが、複数の熱型光検出器を、例えばマトリクス状に配置して、熱型光検出器アレイ(すなわち熱型検出装置)を構成することもできる。
(First embodiment)
FIG. 1A and FIG. 1B are a plan view and a cross-sectional view of an example of a thermal detector. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the thermal detector shown in FIG. In FIGS. 1A and 1B, a single thermal detector is shown, but a plurality of thermal detectors are arranged in a matrix, for example, and a thermal detector array ( That is, a thermal detection device) can also be configured.
図1(A)および図1(B)に示される熱型光検出器は、焦電型赤外線検出器(光センサーの一種)200である(但し、一例であり、これに限定されるものではない)。この焦電型赤外線検出器200は、2層の光吸収膜270,272における光吸収によって発生する熱を、熱伝導が良好な熱伝達部材260を経由して、熱検出素子(ここでは焦電キャパシター230)に、効率的に伝達することができる。
The thermal photodetector shown in FIGS. 1A and 1B is a pyroelectric infrared detector (a kind of optical sensor) 200 (however, it is only an example and is not limited thereto). Absent). The pyroelectric
熱伝達部材260は、例えば、高い熱伝導率を有すると共に、少なくとも一部の波長域の光(熱型光検出器が検出感度を有する波長帯域(波長幅)の光の少なくとも一部の波長域の光)に対して、光透過性(例えば半透過性)を有する材料(例えば、AlNやAlOx等の金属化合物)によって構成することができる。なお、熱伝達部材260における光透過性については、図2を参照して後述する。
The
熱検出素子としての焦電キャパシター230は、熱を電気信号に変換する。これによって、受光した光の強度に対応する検出信号(例えば電流信号)が得られる。熱検出素子としての焦電キャパシター230は、支持部材215上に形成されている。ここで、「〜上」という表現は、直上であってもよく、あるいは、上部(別の層が介在する場合)であってもよい。他の箇所においても同様に、広義に解釈することができる。以下、具体的に説明する。
The
(熱型光検出器としての焦電型赤外線検出器の構造の一例)
まず、図1(B)を参照して、断面構造について説明する。
(Example of the structure of a pyroelectric infrared detector as a thermal detector)
First, a cross-sectional structure is described with reference to FIG.
(断面構造)
熱型光検出器としての焦電型赤外線検出器200は、基板(シリコン基板)10上に形成された多層の構造体によって構成されている。すなわち、熱型光検出器200としての焦電型赤外線検出器は、基板(ここではシリコン基板とする)10と、基板10の第1主面(ここでは表面とする)上に形成された、絶縁層を含む構造体100(例えば、層間絶縁層を含む多層構造:多層構造の具体例については図6を参照)と、絶縁層を含む構造体100の表面に形成されたエッチングストッパー膜130aと、熱分離用の空洞部(熱分離空洞)102と、載置部210およびアーム部212a,212bとで構成される支持部材(メンブレン)215と、支持部材(メンブレン)215上に形成された、熱検出素子としての焦電キャパシター230と、焦電キャパシター230の表面を覆う絶縁層250と、第1光吸収層(例えばSiO2層)270と、熱伝達部材260(接続部CNおよび集熱部FLを有する)と、第2光吸収層(例えばSiO2層)272と、を有する。
(Cross-section structure)
A pyroelectric
焦電キャパシター230は、下部電極(第1電極)234と、焦電材料層232と、上部電極(第2電極)236と、を有する。また、焦電キャパシター230の下部電極は、平面視(基板の表面に垂直な方向からみた平面視)で、焦電材料層の周囲に延在する延在部分RXを有し、この延在部分RXは、熱伝達部材260の集熱部FLを透過した光のうちの少なくとも一部を反射する光反射特性を有する。なお、「延在部分」は、「張り出し部分」あるいは「拡張部分」と言い換えることができる。
The
第1光吸収層270は、熱伝達部材260(具体的には熱伝達部材260の集熱部FL)と、熱検出素子(焦電キャパシター230)の下部電極における延在部分RXとの間において、熱伝達部材260(具体的には熱伝達部材260の集熱部FL)に接して形成されている。
The first
また、第2光吸収層272は、熱伝達部材260(具体的には、熱伝達部材260の集熱部FL)上において、熱伝達部材260(具体的には熱伝達部材260の集熱部FL)と接して形成されている。
The second
すなわち、下部電極234は導電性に優れた材料(例えば金属材料)で構成されており、一般に、金属材料等は光の反射率も高い。よって、焦電キャパシター230の構成要素である下部電極234の延在部分RXの表面において、入射する光の多くは反射され、その反射された光は、第1光吸収層270や第2光吸収層272にて吸収される。よって、入射した光を無駄なく利用して、熱に変換することができる。また、支持部材215の表面に到達した光の一部も反射されて、第1光吸収層270や第2光吸収層272にて吸収されることも有り得る。この点でも、入射光の有効利用が図られる。
That is, the
図1(A)および図1(B)の例では、下部電極234における延在部分RXは、平面視で、熱伝達部材260の外周まで張り出して形成されている。延在部分RXを、熱伝達部材260の外周よりも外側にまで張り出させることも可能であり、また、逆に、熱伝達部材260の外周の内側において、張り出しを止めることも可能である。但し、下部電極234における延在部分RXの面積が小さすぎると、熱伝達部材260の集熱部FLを透過した光を効率よく反射する効果が弱くなる。したがって、延在部分RXは、平面視で、少なくとも熱伝達部材260の外周(外周付近)まで張り出して形成するのが好ましい。また、延在部分RXは、入射光の有効利用を図る観点から、平面視で、焦電材料層232の周囲に設けられるのが好ましい。より好ましくは、全周囲に設けられるのが好ましい。
In the example of FIG. 1A and FIG. 1B, the extending portion RX of the
また、下部電極234は金属材料で構成されており、熱伝導率も高いことから、例えば、第1光吸収層270における焦電材料層232から遠い箇所で発生した熱を、焦電材料層232に、効率的に伝達する効果も発揮する。すなわち、下部電極234は、支持部材215上において、例えば広く延在していることから、第1光吸収層270における広範囲で発生した熱を、効率的に焦電材料層232に伝達することが可能である。この点で、下部電極234は、熱伝達部材(すなわち、焦電キャパシター230の上部に形成される熱伝達部材260(例えば第1熱伝達部材ということができる)とは別の熱伝達部材(第2熱伝達部材ということができる))を兼ねる、ということもできる。
In addition, since the
なお、基板10および多層構造体100によって、基部(ベース)が構成される。この基部(ベース)は、空洞部102において、支持部材215や焦電キャパシター230を含む素子構造体160を支持する。また、例えば、シリコン(Si)基板10の、平面視で熱検出素子(焦電キャパシター230)と重なる領域には、トランジスターや抵抗等の半導体素子を形成することができる(例えば、図6の例を参照)。
The
基板10上に形成される多層構造体100の表面には、上述したとおり、エッチングストッパー膜(例えばSi3N4膜)130aが設けられており、また、支持部材(メンブレン)215の裏面には、エッチングストッパー膜(例えばSi3N4膜)130b〜130dが設けられている。このエッチングストッパー膜130a〜130dは、空洞部102を形成するために犠牲層(図1では不図示,図3の参照符号101)を除去する工程において、エッチングの対象外の層が除去されるのを防止する役割を果たす。但し、エッチングストッパー膜は、支持部材(メンブレン)215を構成する材料によっては不要の場合がある。
As described above, the etching stopper film (for example, Si 3 N 4 film) 130 a is provided on the surface of the
また、素子構造体160に含まれる焦電キャパシター230は、同じく素子構造体160の構成要素である支持部材(メンブレン)215によって、空洞部102上において支持されている。
In addition, the
ここで、支持部材(メンブレン)215は、例えば、酸化シリコン膜(SiO)/窒化シリコン膜(SiN)/酸化シリコン膜(SiO)の3層の積層膜をパターニングすることによって形成することができる(但し、一例であり、これに限定されるものではない)。支持部材(メンブレン)215は、焦電キャパシター230を安定的に支持する必要があり、よって、支持部材(メンブレン)215のトータルの厚みは、必要な機械強度を満足する厚みを有する。
Here, the support member (membrane) 215 can be formed, for example, by patterning a three-layer film of silicon oxide film (SiO) / silicon nitride film (SiN) / silicon oxide film (SiO) (see FIG. However, this is an example, and the present invention is not limited to this). The support member (membrane) 215 needs to stably support the
支持部材(メンブレン)215の表面上には、配向膜(不図示)が形成されており、この配向膜上に、焦電キャパシター230が形成されている。焦電キャパシター230は、上述のとおり、下部電極(第1電極)234と、下部電極上に形成される焦電材料層(例えば焦電体としてのPZT層:チタン酸ジルコン酸鉛層)232と、焦電材料層232上に形成される上部電極(第2電極)236と、を含む。
An alignment film (not shown) is formed on the surface of the support member (membrane) 215, and the
下部電極(第1電極)234ならびに上部電極(第2電極)236は共に、例えば、3層の金属膜を積層することによって形成することができる。例えば、焦電材料層(PZT層)232から遠い位置から順に、例えばスパッタリングにて形成されるイリジウム(Ir)、イリジウム酸化物(IrOx)及びプラチナ(Pt)の三層構造とすることができる。また、焦電材料層232としては、上述のとおり、例えばPZT(Pb(Zi,Ti)O3:チタン酸ジルコン酸鉛)を用いることができる。
Both the lower electrode (first electrode) 234 and the upper electrode (second electrode) 236 can be formed, for example, by laminating three layers of metal films. For example, a three-layer structure of iridium (Ir), iridium oxide (IrOx), and platinum (Pt) formed by, for example, sputtering in order from a position far from the pyroelectric material layer (PZT layer) 232 can be formed. As the
焦電材料層(焦電体)に熱が伝達されると、その結果、焦電効果(パイロ電子効果)によって、焦電材料層232に電気分極量の変化が生じる。この電気分極量の変化に伴う電流を検出することによって、入射した光の強度を検出することができる。
When heat is transferred to the pyroelectric material layer (pyroelectric body), as a result, a change in the amount of electric polarization occurs in the
この焦電材料層232は、例えば、スパッタリング法やMOCVD法等で成膜することができる。下部電極(第1電極)234および上部電極(第2電極)236の膜厚は、例えば0.4μm程度であり、焦電材料層232の膜厚は、例えば0.1μm程度である。
The
焦電キャパシター230は、絶縁層250ならびに第1光吸収層270によって覆われている。絶縁層250には、第1コンタクトホール252が設けられている。第1コンタクトホール252は、上部電極(第2電極)236用の電極226を、上部電極(第2電極)236に接続するために使用される。
The
また、第1光吸収層270(および絶縁層250)には、第2コンタクトホール254が設けられている。第2コンタクトホール254は、第1光吸収層270および絶縁層250を貫通して設けられている。この第2コンタクトホール254は、熱伝達部材260を、焦電キャパシター230の上部電極236に接続するために使用される。すなわち、熱伝達部材260を構成する材料(例えば、窒化アルミニウム(AlN)あるいは酸化アルミニウム(AlOx)等)が、第2コンタクトホール254内に充填されており(充填部分は、図中、参照符号228で示されている)、これによって、熱伝達部材260における接続部CNが構成される。
A
熱伝達部材260は、表面が平坦化されている第1光吸収層270上に延在する部分である集熱部FLと、この集熱部FLを、焦電キャパシター230における上部電極(第2電極)236に接続する部分である接続部CNと、を有している。
The
ここで、熱伝達部材260の集熱部FLは、例えば、広範囲な領域において発生した熱を集熱して、熱検出素子である焦電キャパシター230に伝達する役割を果たす。なお、集熱部FLは、例えば、平坦化された第1光吸収層270上において、平坦面を有する態様にて形成される場合があり、この場合には、「集熱部」は、「平板部あるいは平坦部」と言い換えることができる。
Here, the heat collection part FL of the
上述のとおり、熱伝達部材260は、熱伝導率が高く、かつ所望の波長帯域の光に対して光透過性(例えば半透過性)を有する材料で構成することができ、例えば、窒化アルミニウム(AlN)あるいは酸化アルミニウム(AlOx)等で構成することができる。なお、集熱部FLにおける材料と、接続部CNにおける材料228(例えばコンタクトホール254に埋め込まれるコンタクトプラグの材料)とを異ならせることも可能である。
As described above, the
また、図1(B)(ならびに図1(A))に示すように、接続部CNの横幅をW0とし、焦電材料層232の横幅をW1とし、熱伝達部材260の集熱部FLの横幅をW2としたとき、W0<W1<W2の関係が成立する。また、焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)234の横幅はW2に設定されている。つまり、図1(A)に示されるように、熱伝達部材260の外周(外縁)と、下部電極(第1電極)234の外周(外縁)とは、平面視において略一致する。
Further, as shown in FIG. 1B (and FIG. 1A), the lateral width of the connection portion CN is W0, the lateral width of the
また、図1(B)に示されるように、第1波長をλ1、第2波長をλ2としたとき、焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)234の延在部分(RX)の表面と、第2光吸収層272の上面との間の距離H1は、n・(λ1/4)(nは1以上の整数)に設定されている。これによって、下部電極(第1電極)234の延在部分(RX)の表面と、第2光吸収層272の上面との間で、第1光共振器(λ1/4光共振器)が構成されている。下部電極(第1電極)234の膜厚は十分に薄いため、その膜厚を無視しても特に問題はなく、よって、第1光吸収層270の膜厚H2と第2光吸収層272の膜厚H3の合計の膜厚を、上述の距離H1とみなすこともできる。
As shown in FIG. 1B, the surface of the extended portion (RX) of the lower electrode (first electrode) 234 of the
また、第2光吸収層272の下面と、第2光吸収層272の上面との間の距離H3(すなわち、第2光吸収層272の膜厚H3)は、n・(λ2/4)に設定されている。これによって、第2光吸収層272の下面と、第2光吸収層272の上面との間で第2光共振器(λ2/4光共振器)が構成されている。熱伝達部材260における集熱部FLの膜厚は十分に薄いため、その膜厚を無視しても特に問題はなく、よって、第2光吸収層272の膜厚H3を、第2光共振器の共振器長とみることができる。第1光共振器および第2光共振器が構成されることの効果については後述する。また、熱伝達部材260の集熱部FLと光反射層235とは、互いに平行に配置されている。よって、光反射層235の上面と第2光吸収層272の上面との平行が維持される。
The distance H3 between the lower surface of the second
(レイアウト構成)
次に、図1(A)を参照して、レイアウト構成について説明する。図1(A)に示すように、支持部材(メンブレン)215は、焦電キャパシター230を載置する載置部210と、この載置部210を、空洞部(熱分離空洞部)102上にて保持する2本のアーム、すなわち第1アーム部212aと第2アーム部212bと、を有している。焦電キャパシター230は、支持部材(メンブレン)215における載置部210上に形成されている。また、上述のとおり、支持部材(メンブレン)215、焦電キャパシター230、第1光吸収層270、熱伝達部材260ならびに第2光吸収層272を含めて、素子構造体160が構成される。
(Layout configuration)
Next, a layout configuration will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1A, the support member (membrane) 215 includes a
第1アーム部212aならびに第2アーム部212bは、上述したように、例えば、酸化シリコン膜(SiO)/窒化シリコン膜(SiN)/酸化シリコン膜(SiO)の3層の積層膜をパターニングして、細長い形状に加工することによって形成することができる。細長い形状とするのは、熱抵抗を大きくして、焦電キャパシター230からの放熱(熱の逃げ)を抑制するためである。
As described above, the
第1アーム部212aにおける幅広の先端部232aは、第1ポスト104a(図1(A)において破線で示される、平面視で円形の部材)によって、空洞部102上において支持されている。また、第1アーム部212a上には、一端(参照符号228)が、焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)234に接続され、他端231aが、第1ポスト104aに接続される配線229aが形成されている。
A
第1ポスト104aは、例えば、図1(B)に示される絶縁層を含む構造体100と、第1アーム部212aの先端部232aとの間に設けられる。この第1ポスト104aは、例えば、空洞部102に選択的に形成される、柱状に加工された多層配線構造(層間絶縁層と、焦電キャパシター230と下地のシリコン基板10に設けられたトランジスター等の素子とを接続するための配線を構成する導電層とからなる)によって構成することができる。
For example, the
同様に、第2アーム部212bは、第2ポスト104b(図1(A)において、破線で示される、平面視で円形の部材)によって、空洞部102上において支持されている。第2アーム部212bにおける幅広の先端部232bは、第2ポスト104b(図1(A)において破線で示される、平面視で円形の部材)によって、空洞部102上において支持されている。また、第2アーム部212b上には、一端(参照符号226)が、焦電キャパシター230の上部電極(第2電極)236に接続され、他端231bが、第2ポスト104bに接続される配線229bが形成されている。
Similarly, the
第2ポスト104bは、図1(B)に示される絶縁層を含む構造体100と、第2アーム部212bの先端部232bとの間に設けられる。また、第2ポスト104bは、例えば、空洞部102に選択的に形成される、柱状に加工された多層配線構造(層間絶縁層と、焦電キャパシター230と下地のシリコン基板10に設けられたトランジスター等の素子とを接続するための配線を構成する導電層とからなる)によって構成することができる。
The
図1(A)に示される例では、第1ポスト104aならびに第2ポスト104bを用いて、支持部材215や焦電キャパシター230を含む素子構造体160を、空洞部102において保持している。この構成は、共通の空洞部102において、熱検出素子としての焦電キャパシター230を複数、高密度に配置する際(つまり、熱検出素子のアレイを形成する際)に有効である。但し、この構成は一例であり、これに限定されるものではない。例えば、図6に示される例のように、一つの熱検出素子(焦電キャパシター)230毎に一つの空洞102を形成し、支持部材(メンブレン)215を、空洞部102の周囲の、絶縁層を含む構造体100にて支持するようにしてもよい。
In the example shown in FIG. 1A, the
また、図1(A)において、焦電キャパシター230は、支持部材215における載置部210の中央領域に配置されており、焦電キャパシター230は、平面視で、略正方形の形状を有する。また、図1(A)に示すように、熱伝達部材260の接続部CNにおける横幅をW0とし、焦電キャパシター230における焦電材料層232の横幅をW1とし、熱伝達部材260の集熱部FLの横幅ならびに下部電極(第1電極)234の横幅をW2としたとき、W0<W1<W2の関係が成立する。
In FIG. 1A, the
したがって、平面視(基板10の表面に対して垂直な方向からみた平面視、より具体的には、垂直上側方向からみた平面視)における熱伝達部材260の集熱部FLの面積は、接続部CNの面積よりも大きい。また、平面視における熱伝達部材260の集熱部FLの面積は、焦電キャパシター230の面積よりも大きい。
Therefore, the area of the heat collecting portion FL of the
また、図1(A)に示されるように、第1光吸収層270ならびに第2光吸収層272は、平面視で、支持部材215上であって、熱検出素子である焦電キャパシター230の周囲に形成されている。したがって、第1光吸収層270および第2光吸収層272の広範囲で発生した熱は、焦電キャパシター230に、直接的に、あるいは、広範囲をカバーする広い面積をもつ熱伝達部材260を経由して間接的に、効率的に伝達される。
Further, as shown in FIG. 1A, the first
つまり、第1光吸収層270および第2光吸収層272の広範囲で発生した熱は、焦電キャパシター230に、あらゆる方向(つまり、四方八方から)集まってくる。ここで、焦電キャパシター230は、平面視で、略正方形の熱伝達部材260の中央の下に位置している。よって、あらゆる方向から、熱伝達部材260を経由して集まってくる熱は、接続部CNを経由して、最短距離で、焦電キャパシター230の上部電極(第2電極)236に伝達される。よって、広範囲から、多くの熱を効率的に集約し、かつ、それらの熱を、最短距離で、ロスを最小限に抑制しつつ、焦電キャパシター230の上部電極(第2電極)236に伝達することができる。よって、熱型光検出器200の光検出感度をさらに高めることができる。また、熱型光検出器の応答速度も、より向上する。
That is, heat generated in a wide range of the first
また、上述したとおり、焦電キャパシター230における下部電極(第1電極)234の延在部分RXは、熱を伝達する効果も併せ持つことから、例えば、第1光吸収層270の広範な領域で発生した熱は、延在部分RXを経由してあらゆる方向から、焦電材料層232に集まってくる。また、第1光吸収層270における焦電材料層232から遠い箇所で発生した熱を、焦電材料層232に、効率的に伝達する効果も得られる。
Further, as described above, the extension portion RX of the lower electrode (first electrode) 234 in the
また、本実施形態では、2層の光吸収膜270,272によって熱を発生することから吸収効率が高まる。また、第1光吸収層270を介して熱を直接的に熱検出素子230に伝達することができる。よって、特許文献1に記載される赤外線検出素子ならびに特許文献2に記載される赤外線固体撮像素子と比較して、熱型光検出器の検出感度をより向上させることができる。また、本実施形態では、熱検出素子230は熱伝達部材260に接続されている。よって、応答速度は、特許文献1に記載される赤外線検出素子と同等に高い。また、本実施形態では、熱伝達部材260が直接に熱検出素子230に接続されているため、特許文献2に記載される赤外線固体撮像素子と比較して、より高い応答速度が得られる。
Moreover, in this embodiment, since heat is generated by the two
(熱型光検出器の動作等について)
図1(A)および図1(B)に示される本実施形態にかかる熱型光検出器(熱型光検出器)200は、以下のように動作する。
(About the operation of the thermal detector)
The thermal photodetector (thermal photodetector) 200 according to the present embodiment shown in FIGS. 1A and 1B operates as follows.
すなわち、熱型光検出器200に入射した光(例えば赤外線)の一部は、まず第2光吸収層272で吸収され、その他は吸収されずに熱伝達部材260に到達する。熱伝達部材260は、熱型光検出器200が検出感度を有する波長帯域の光に対して光透過性を有しており、例えば、赤外線に対して半透過性を有する。熱伝達部材260では、例えば、到達した光の一部は反射し、その他は熱伝達部材260を透過する。熱伝達部材260を透過した光の一部は、第1光吸収層270で吸収され、その他の光は、支持部材(メンブレン)215上に形成されている熱検出素子としての焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)234の延在部分RXの表面、ならびに支持部材(メンブレン)215の表面に到達する。
That is, a part of light (for example, infrared rays) incident on the
焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)234の延在部分RXに入射する光の多く(例えば大部分)は、その表面で反射されて、第1光吸収層270、および第2光吸収層272の少なくとも一方に吸収され、これによって、第1光吸収層270あるいは第2光吸収層272にて熱が発生する。つまり、下部電極(第1電極)234の延在部分RXが存在することによって、入射する光が、支持部材(メンブレン)215を通過して下方に逃げてしまうことが低減され、よって、より多くの入射光を熱に変換することができ、光の有効利用が図られる。
Most (for example, most) of the light incident on the extended portion RX of the lower electrode (first electrode) 234 of the
また、支持部材(メンブレン)215の表面で反射した光も、第1光吸収層270および第2光吸収層272の少なくとも一方に吸収され、これによって、第1光吸収層あるいは第2光吸収層にて熱が発生する。例えば、第1光吸収層270がSiO2層(屈折率:1.45)で構成され、支持部材(メンブレン)215が、SiN膜(屈折率2.0)で構成される場合、第1光吸収層270の屈折率よりも、支持部材(メンブレン)215を構成する膜の屈折率(つまり、支持部材215の屈折率)の方が大きいことから、支持部材(メンブレン)215に到達した光のほとんどは、支持部材(メンブレン)215の表面で反射されることになる。
Further, the light reflected by the surface of the support member (membrane) 215 is also absorbed by at least one of the first
また、支持部材(メンブレン)215の構成要素として、例えばチタン(Ti)膜等の金属膜を設けて(特に、光が反射する表面に設けるのが好ましい)、支持部材(メンブレン)215の表面における光の反射率を高めることも有効である。支持部材(メンブレン)215の表面で反射された光は、第1光吸収層270や第2光吸収層272にて吸収される。
Further, as a constituent element of the support member (membrane) 215, for example, a metal film such as a titanium (Ti) film is provided (particularly preferably provided on a surface where light is reflected), and the surface of the support member (membrane) 215 is provided. Increasing the reflectance of light is also effective. The light reflected by the surface of the support member (membrane) 215 is absorbed by the first
入射した光が、上述のような挙動を示す場合における、第1光吸収層270および第2光吸収層272における熱の発生、ならびに、発生した熱の、熱検出素子である焦電キャパシター230への伝達は、例えば、以下のように行われる。
Generation of heat in the first
すなわち、熱型光検出器200に入射した光の一部が、まず第2光吸収層272で吸収され、第2光吸収層272にて熱が発生する。また、熱伝達部材260で反射した光は、第2光吸収層272で吸収され、これによって第2光吸収層272にて熱が発生する。
That is, a part of the light incident on the
また、熱伝達部材260を透過(通過)した光の一部は、第1光吸収層270にて吸収されて熱が発生する。その他の光は、焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)の延在部分RXの表面ならびに支持部材(メンブレン)215の表面に到達する。
In addition, a part of the light transmitted (passed) through the
上述のとおり、下部電極(第1電極)の延在部分RXの表面に入射する光の多く(例えば大部分)は反射され、その反射された光は、第1光吸収層270や第2光吸収層272にて吸収される。よって、入射した光を無駄なく利用して、熱に変換することができる。
As described above, most (for example, most) of light incident on the surface of the extension portion RX of the lower electrode (first electrode) is reflected, and the reflected light is reflected by the first
また、焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)の延在部分RXは、集熱効果をもつことから、第1光吸収層270の広範囲で発生した熱を、効率的に焦電材料層232に集めることができる。
In addition, since the extension portion RX of the lower electrode (first electrode) of the
また、支持部材(メンブレン)215の表面に到達した光の一部も反射されて、第1光吸収層270や第2光吸収層272にて吸収されることから、この点でも、入射光の有効利用が図られる。
Further, a part of the light reaching the surface of the support member (membrane) 215 is also reflected and absorbed by the first
そして、第2光吸収層272で発生した熱は、熱伝達部材260を介して効率的に熱検出素子である焦電キャパシター230に伝達され、また、第1光吸収層270で発生した熱は、直接的に、あるいは熱伝達部材260を介して焦電キャパシター230に効率的に伝達される。
The heat generated in the second
すなわち、熱伝達部材260の集熱部は、熱検出素子230上を広く覆うように形成されており、よって、第1光吸収層270ならびに第2光吸収層272の発生した熱の多くを、その発生場所を問わずに、効率的に熱検出素子に伝達することができる。例えば、熱検出素子230から離れた箇所で発生した熱であっても、熱伝導率が高い熱伝達部材260を経由して、熱検出素子である焦電キャパシター230に効率的に伝達することができる。
That is, the heat collection part of the
また、熱伝達部材260の集熱部FLと、焦電キャパシター230とは、熱伝達部材260の接続部CNによって接続されていることから、熱伝達部材260の集熱部FLを経由して伝達される熱を、接続部CNを介して、焦電キャパシター230に直接的に伝達することができる。また、熱伝達部材260の下(直下)に熱検出素子としての焦電キャパシター230が位置する(平面視で重なる位置に設けられている)ことから、例えば、平面視における熱伝達部材260の中央部と、焦電キャパシター230とを最短で接続することが可能である。よって、熱伝達に伴うロスを減らすことができ、また、専有面積の増大を抑制することができる。
Moreover, since the heat collection part FL of the
このように、図1(A)および図1(B)に記載される熱型光検出器(ここでは焦電型赤外線検出器)によれば、2層(複数層)の光吸収層270,272における広範囲で発生した熱を、熱検出素子である焦電キャパシター230に効率的に伝達することができ、よって、小型の熱型光検出器(焦電型赤外線検出器)の光検出感度を大幅に向上させることができる。また、熱の伝達に要する時間が短縮されるため、熱型光検出器(焦電型赤外線検出器)の応答速度を高めることができる。
Thus, according to the thermal detector (here, pyroelectric infrared detector) described in FIGS. 1 (A) and 1 (B), two layers (multiple layers) of light absorption layers 270, The heat generated in a wide range in 272 can be efficiently transferred to the
また、焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)234の延在部分RXによる光の反射効果ならびに集熱効果によって、熱型光検出器の検出効率が高まる。
Further, the detection efficiency of the thermal detector is increased by the light reflection effect and the heat collection effect by the extension portion RX of the lower electrode (first electrode) 234 of the
また、図1(A)および図1(B)に記載される熱型光検出器(焦電型赤外線検出器)では、第1光吸収層270および第2光吸収層272は、支持部材215(の載置部210)上において、平面視で、熱検出素子である焦電キャパシター230の周囲に形成されている。これによって、第1光吸収層270および第2光吸収層272の広範囲で発生した熱は、熱検出素子である焦電キャパシター230に、直接的に、あるいは熱伝達部材260を経由して間接的に、きわめて効率的に伝達される。よって、熱型光検出器(焦電型赤外線検出器)の光検出感度をさらに高めることができる。また、熱型光検出器(焦電型赤外線検出器)の応答速度も、より向上する。
In the thermal detector (pyroelectric infrared detector) shown in FIGS. 1A and 1B, the first
また、上述のとおり、図1(A)および図1(B)に記載される熱型光検出器(焦電型赤外線検出器)では、焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)234の延在部分RXの表面と第2光吸収層272の上面との間で、第1波長λ1に対する第1光共振器が構成されており、また、第2光吸収層272の下面と、第2光吸収層272の上面との間で、第1の波長λ1とは異なる第2の波長λ2に対する第2光共振器が構成されている。すなわち、第1光吸収層270および第2光吸収層272の膜厚を調整することによって、異なる共振波長をもつ2個の光共振器が構成されている。
Further, as described above, in the thermal detector (pyroelectric infrared detector) described in FIGS. 1A and 1B, the lower electrode (first electrode) 234 of the
上述したように、焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)234の延在部分RXで反射した光は、第1光吸収層270および第2光吸収層272の少なくとも一方に吸収されるが、このとき、第1光共振器を構成することによって、各光吸収層における実効吸収率を高めることができる。
As described above, the light reflected by the extension RX of the lower electrode (first electrode) 234 of the
第1光共振器は、例えば、いわゆるλ/4光共振器とすることができる。すなわち、第1波長をλ1としたとき、焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)234の延在部分RXの表面と第2光吸収層272の上面との間の距離H1(下部電極234の膜厚を無視できるとすると、第1光吸収層270および第2光吸収層272の合計の膜厚H1)が、n・(λ1/4)(nは1以上の整数)の関係を満足するように、第1光吸収層270および第2光吸収層272の膜厚が調整されている。これによって、入射した波長λ1の光と、下部電極234の延在部分RXの表面で反射した波長λ1の光とが相互干渉よって打ち消され、第1光吸収層270ならびに第2光吸収層272における実効吸収率が高まる。
The first optical resonator can be, for example, a so-called λ / 4 optical resonator. That is, when the first wavelength is λ1, the distance H1 between the surface of the extended portion RX of the lower electrode (first electrode) 234 of the
また、下部電極234の延在部分RXは、光の反射率が高い材料によって構成されていることから、入射する光の多くを上方に反射させることができ、よって光の共振が生じやすい。
In addition, since the extension portion RX of the
また、支持部材(メンブレン)215の表面で反射した光についても、入射光との間で相互干渉が生じることから、第1光共振器における共振が生じやすい。 Further, the light reflected by the surface of the support member (membrane) 215 also causes mutual interference with the incident light, so that resonance in the first optical resonator is likely to occur.
また、上述のとおり、熱伝達部材260で反射した光は、第2光吸収層272で吸収されるが、このとき、第2光共振器を構成することによって、第2光吸収層272における実効吸収率を高めることができる。第2光共振器は、例えば、いわゆるλ/4光共振器とすることができる。
Further, as described above, the light reflected by the
すなわち、第2波長をλ2としたとき、第2光吸収層272の下面と第2光吸収層272の上面との間の距離(すなわち、第2光吸収層の膜厚)を、n・(λ2/4)に設定することによって、第2光共振器を構成することができる。これによって、入射した波長λ2の光と、第2光吸収層の下面(第1光吸収層270と第2光吸収層272との界面)で反射した波長λ2の光とが相互干渉よって打ち消され、第2光吸収層272における実効吸収率を高めることができる。
That is, when the second wavelength is λ2, the distance between the lower surface of the second
また、2個の光共振器を構成することによって、異なる2つの波長において共振ピークが生じることから、ピーク同士が合成されて、熱型光検出器が検出感度を有する波長帯域が拡大される。つまり、熱型光検出器が検出可能な光の波長帯域(波長幅)を広げることができる。 In addition, since two optical resonators constitute resonance peaks at two different wavelengths, the peaks are combined and the wavelength band in which the thermal detector has detection sensitivity is expanded. That is, the wavelength band (wavelength width) of light that can be detected by the thermal detector can be expanded.
(熱伝達部材の好ましい例について)
次に、熱伝達部材(熱伝達層)の好ましい例について説明する。上述のとおり、本実施形態の熱型光検出器200では、熱伝達部材260における集熱部FLを、第1光吸収層270と第2光吸収層272とによって挟む構造が採用されており、かつ、熱伝達部材260の集熱部FLは、熱検出素子である焦電キャパシター230から遠い位置で発生した熱も集熱できるようにするため、平面視で、広い面積を有するのが好ましい。この状況下で、熱型光検出器200の上方から入射する光を、第1光吸収層270と第2光吸収層272の双方で吸収させるためには、熱伝達部材260を、所望の波長帯域のうちの、少なくとも一部の波長域の光を透過させる光透過性を有する材料にて構成するのが好ましい。
(About preferred examples of heat transfer members)
Next, a preferable example of the heat transfer member (heat transfer layer) will be described. As described above, the
すなわち、熱伝達部材260は、熱伝達良好な熱伝導性と光透過性とを有する材料にて構成するのが好ましい。熱伝達部材260は、例えば、窒化アルミニウム(AlN)や酸化アルミニウム(AlOx)にて構成することができる。酸化アルミニウムは、アルミナとも呼ばれ、例えば、Al2O3を使用することができる。
That is, the
図2(A)および図2(B)は、アルミナ板の、遠赤外線の波長域における分光特性(光反射特性ならびに光透過特性)の一例を示す図、ならびに、2つの光共振器が構成される場合における、熱型光検出器の検出感度の一例を示す図である。 2A and 2B are diagrams showing examples of spectral characteristics (light reflection characteristics and light transmission characteristics) of the alumina plate in the far-infrared wavelength region, and two optical resonators are configured. It is a figure which shows an example of the detection sensitivity of a thermal type photodetector in the case where it is.
なお、遠赤外線の波長域については、特に厳密な定義があるわけではないが、一般には、遠赤外線の波長域は4μm〜1000μm程度である。赤外線は物体からは必ず放射されており、高い温度の物体ほど赤外線を強く放射する。また、放射のピークの波長は温度に反比例し、例えば、室温20℃の物体が放射する赤外線のピーク波長は、10μm程度である。 The far-infrared wavelength range is not particularly strict, but generally the far-infrared wavelength range is about 4 μm to 1000 μm. Infrared rays are always emitted from objects, and infrared rays are emitted more intensely at higher temperature objects. The wavelength of the peak of radiation is inversely proportional to the temperature. For example, the peak wavelength of infrared rays emitted from an object at room temperature of 20 ° C. is about 10 μm.
図2(A)には、アルミナ板の、4μm〜24μmの波長域における反射率と透過率が示されている。横軸は波長(μm)であり、縦軸は相対強度(arbitray unit:a.u.)である。図2において、透過率を示す特性線Q1は一点鎖線で示されており、反射率を示す特性線Q2は実線で示されており、透過率と反射率を加算した結果を示す特性線Q3は点線で示されている。 FIG. 2A shows the reflectance and transmittance of the alumina plate in the wavelength range of 4 μm to 24 μm. The horizontal axis represents wavelength (μm), and the vertical axis represents relative intensity (arbitray unit: a.u.). In FIG. 2, the characteristic line Q1 indicating the transmittance is indicated by a one-dot chain line, the characteristic line Q2 indicating the reflectance is indicated by a solid line, and the characteristic line Q3 indicating the result of adding the transmittance and the reflectance is Shown in dotted lines.
図2(A)に示されるように、反射率は、波長に応じて、かなり大きく変動する。一方、透過率は、6μm以上の波長域では、ほとんどゼロに近くなる。 As shown in FIG. 2A, the reflectance varies considerably depending on the wavelength. On the other hand, the transmittance is almost zero in the wavelength region of 6 μm or more.
ここで、波長4μmの光に対する透過率と反射率に着目する。透過率0.2(つまり20%)であり、反射率は0.5(つまり50%)である。また、波長12μmの光に対する透過率と反射率に着目する。透過率はほぼ0(0%)であり、反射率は0.43(43%)程度である。 Here, attention is paid to the transmittance and reflectance for light having a wavelength of 4 μm. The transmittance is 0.2 (that is, 20%), and the reflectance is 0.5 (that is, 50%). Further, attention is paid to the transmittance and reflectance with respect to light having a wavelength of 12 μm. The transmittance is almost 0 (0%), and the reflectance is about 0.43 (43%).
このような分光特性を考慮すると、例えば、上述の第1波長λ1を4μmに設定し、第2波長λ2を12μmに設定することができる。この場合、第1光吸収膜270の膜厚は例えば3μmとすればよく、また、第2光吸収膜272の膜厚は例えば1μmとすればよい。
Considering such spectral characteristics, for example, the first wavelength λ1 can be set to 4 μm and the second wavelength λ2 can be set to 12 μm. In this case, the film thickness of the first
図2(A)に示される分光特性を有するアルミナを、熱伝達部材260の材料として使用した場合、入射光に含まれる第1波長λ1(=4μm)の波長をもつ光の50%程度は、アルミナで構成される熱伝達部材260で反射し、また、入射光に含まれる第1波長λ1(=4μm)の波長をもつ光の20%程度は、熱伝達部材260を透過する。
When alumina having the spectral characteristics shown in FIG. 2A is used as the material of the
熱伝達部材260を透過した波長λ1の光は、支持部材(メンブレン)215に到達し、その表面で反射して、再び、第2光吸収層272に向かって上昇し、その上昇する光の一部は、第2光吸収層272の上面(大気と第1光吸収層272の界面)にて反射して、再び、下方に向かう。このようにして、第1光共振器において波長λ1における共振を生じさせることができる。
The light of wavelength λ1 that has passed through the
また、入射光に含まれる波長λ2(=12μm)の光の43%程度は、熱伝達部材260で反射し(透過光はほとんど生じない)、反射した光は、第2光吸収層272内を上昇し、その上昇する光の一部は、第2光吸収層272の上面(大気と第2光吸収層272との界面)にて反射して、再び、下方に向かう。このようにして、第2光共振器において波長λ2における共振を生じさせることができる。
Further, about 43% of the light of wavelength λ2 (= 12 μm) included in the incident light is reflected by the heat transfer member 260 (almost no transmitted light is generated), and the reflected light passes through the second
上述したように、光共振を生じさせることによって、第1光吸収層270ならびに第2光吸収層272における、光の実効吸収率を高めることができる。
As described above, the effective absorption rate of light in the first
また、図2(B)に示すように、熱型光検出器の検出感度を有する波長帯域を広げることができる。図2(B)は、2つの光共振器が構成される場合における、熱型光検出器の検出感度の一例を示す図である。図2(B)に示される例では、第1光共振器による共振ピークP1が波長λ1(例えばλ1=4μm)に出現し、第2光共振器による共振ピークP2が波長λ2(例えばλ2=12μm)に出現している。これらのピーク特性が合成されることによって、熱型光検出器200の検出感度P3が広がる。つまり、広い波長域において検出感度をもつ熱型光検出器200が実現される。なお、熱伝達部材260の材料として、窒化アルミニウム(AlN)を用いた場合においても、同様の効果を得ることができる。
In addition, as shown in FIG. 2B, the wavelength band having the detection sensitivity of the thermal detector can be expanded. FIG. 2B is a diagram illustrating an example of the detection sensitivity of the thermal photodetector when two optical resonators are configured. In the example shown in FIG. 2B, the resonance peak P1 due to the first optical resonator appears at the wavelength λ1 (for example, λ1 = 4 μm), and the resonance peak P2 due to the second optical resonator is the wavelength λ2 (for example, λ2 = 12 μm). ). By combining these peak characteristics, the detection sensitivity P3 of the
このように、本実施形態の熱型光検出器によれば、熱検出素子から遠い箇所で発生した熱を、熱伝達部材(熱伝達層)260の集熱部FLを経由して、熱検出素子である焦電キャパシター230に高速かつ効率的に集めることができる。また、光の波長の相互干渉を利用する(光の共振を利用する)ことによって、第1光吸収層270ならびに第2光吸収層272における光の実効的な吸収効率を高めることができ、また、熱型光検出器が検出感度を有する波長帯域を広げることができる。
Thus, according to the thermal detector of the present embodiment, heat generated at a location far from the heat detection element is detected via the heat collecting portion FL of the heat transfer member (heat transfer layer) 260. It can be collected at high speed and efficiently in the
(熱型光検出器の製造方法について)
以下、図3〜図5を参照して、熱型光検出器の製造方法について説明する。まず、図3(A)〜図3(E)を参照する。図3(A)〜図3(E)は、熱型光検出器の製造方法における、第1光吸収層を形成するまでの主要な工程を示す図である。
(About manufacturing method of thermal detector)
Hereinafter, the manufacturing method of the thermal detector will be described with reference to FIGS. First, FIGS. 3A to 3E are referred to. FIG. 3A to FIG. 3E are diagrams showing main steps until the first light absorption layer is formed in the method of manufacturing a thermal detector.
図3(A)に示される工程では、シリコン基板(トランジスター等の素子を有してもよい)を用意し、このシリコン基板10上に、絶縁層を含む構造体(例えば、多層配線構造体)100を形成する。絶縁層を含む構造体100上に、エッチングストッパー膜130aを形成し、さらに、犠牲層(例えば、SiO2層)101を形成する。
In the step shown in FIG. 3A, a silicon substrate (which may have an element such as a transistor) is prepared, and a structure (for example, a multilayer wiring structure) including an insulating layer on the
図3(B)の工程では、犠牲層101上にエッチングストッパー膜130bを形成する。次に、支持部材(メンブレン)215となる厚膜(例えば、3層の積層膜で構成される厚膜)を形成する。
In the step of FIG. 3B, an
図3(C)の工程では、支持部材(メンブレン)215に、下部電極(第1電極)234、焦電材料層(PZT層)232ならびに上部電極(第2電極)236を積層形成して、熱検出素子としての焦電キャパシター230を形成する。このとき、焦電キャパシター230の下部電極(第1電極)234を、支持部材(メンブレン)215上において延在する延在部分RXを有するように形成する。
In the step of FIG. 3C, a lower electrode (first electrode) 234, a pyroelectric material layer (PZT layer) 232 and an upper electrode (second electrode) 236 are laminated on the support member (membrane) 215, A
焦電キャパシター230の形成方法として、例えば、アトミックレイヤーCVD法を用いることができる。次に、焦電キャパシター230を覆うように絶縁層250を形成する。絶縁層250は、例えばCVD法によって形成することができる。続いて、絶縁層250をパターニングする。
As a method for forming the
図3(E)の工程では、焦電キャパシター230を覆う絶縁層250において、第1コンタクトホール252を形成し、続いて、金属材料層を堆積し、次に、その金属材料層をパターニングすることによって、上部電極(第2電極)236に接続される電極(ならびに配線)226を形成する。なお、図3(E)の工程では、併せて、下部電極(第1電極)に接続される電極ならびに配線(不図示)も形成される。
3E, a
図3(E)の工程では、CVD法によって第1光吸収層(SiO2層等)270を形成する。次に、その表面を、例えば、CMP(ケミカル・メカニカル・ポリッシング)によって平坦化する。 In the step of FIG. 3E, a first light absorption layer (SiO 2 layer or the like) 270 is formed by a CVD method. Next, the surface is planarized by, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing).
図4(A)〜図4(C)は、熱型光検出器の製造方法における、第1光吸収層ならびに第2光吸収層をパターニングするまでの主要な工程を示す図である。図4(A)の工程では、第1光吸収層270に、第2コンタクトホール254を形成する。続いて、酸化アルミニウム(アルミナ:AlOx)や窒化アルミニウム(AlN)等の、高い熱伝導率と光透過性を有する材料を堆積し、パターニングすることによって、熱伝達部材(熱伝達層)260を形成する。熱伝達部材260は、集熱部FLおよび接続部CNを有する。第2コンタクトホール254内には、アルミナ等の材料が充填される。アルミナ等の材料が充填された部分238によって接続部CNが構成される。熱伝達部材260の集熱部FLと光反射層235とは、互いに平行に配置される。
FIG. 4A to FIG. 4C are diagrams showing main steps until the first light absorption layer and the second light absorption layer are patterned in the method for manufacturing a thermal detector. In the step of FIG. 4A, the
図4(B)の工程では、第1光吸収層270上に、第2光吸収層となる材料層(SiO2層等)を堆積した後、パターニングする。これによって、第2光吸収層272が形成される。図4(C)の工程では、第1光吸収層270をパターニングする。
In the step of FIG. 4B, a material layer (such as a SiO 2 layer) to be a second light absorption layer is deposited on the first
図5(A)および図5(B)は、熱型光検出器の製造方法における、熱型光検出器が完成するまでの主要な工程を示す図である。図5(A)の工程では、支持部材(メンブレン)215をパターニングする。これによって、載置部210、第1アーム部212aならびに第2アーム部212bが形成される。図5(A)において、パターニングによって除去された部分(開口部)には参照符号OPを付してある。
FIG. 5A and FIG. 5B are diagrams showing the main steps until the thermal photodetector is completed in the manufacturing method of the thermal photodetector. In the step of FIG. 5A, the support member (membrane) 215 is patterned. Thereby, the mounting
図5(B)の工程では、例えば、ウエットエッチングによって犠牲層101を選択的に除去する。これによって、空洞部(熱分離空洞部)102が形成される。支持部材215の載置部210は、空洞部102によって、基部(基板10、絶縁層を含む構造体100ならびにエッチングストッパー膜130aからなる)から分離される。したがって、支持部材215を経由した放熱が抑制される。このようにして、熱型光検出器が完成する。
In the step of FIG. 5B, the
(第2の実施形態)
図6は、熱型光検出器の他の例を示す図である。図6に示される熱型光検出器200では、一つの熱検出素子毎に空洞部102が形成され、支持部材(メンブレン)215は、空洞部102の周囲の構造体(基部の一部)によって支持される。また、基板の、平面視で、熱検出素子に重なる領域には、回路構成要素(ここではMOSトランジスター)が形成されており、このMOSトランジスターは、多層配線を経由して、熱検出素子である焦電キャパシター230に接続される。また、図6の例では、熱伝達部材260が、配線としても利用されている。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing another example of a thermal detector. In the
すなわち、基板(シリコン基板)10には、ソース層(S)ならびにドレイン(D)層が形成され、また、基板10上に、ゲート絶縁膜INSとゲート電極(例えばポリシリコンゲート電極)Gが形成されており、これらによって、回路構成要素であるMOSトランジスターが形成されている。
That is, a source layer (S) and a drain (D) layer are formed on the substrate (silicon substrate) 10, and a gate insulating film INS and a gate electrode (for example, a polysilicon gate electrode) G are formed on the
基板10上には、絶縁層を含む構造体100が形成されている。基板10ならびに絶縁層を含む構造体100によって基部(ベース)が構成される。
A
絶縁層を含む構造体100は、多層構造体で構成され、より具体的には、多層配線構造体で構成される。多層配線構造体は、第1絶縁層100aと、第2絶縁層100bと、第3絶縁層100cと、第1コンタクトプラグCP1と、第1層目配線M1と、第2コンタクトプラグCP2と、第2層目配線M2と、第3コンタクトプラグCP3と、を含む。第3絶縁層100cの一部が、選択的に除去されることによって、空洞部(熱分離空洞部)102が形成される。
The
支持部材(メンブレン)215の載置部210上には、熱検出素子としての焦電キャパシター230が形成されている。また、熱伝達部材260は、第1光吸収層270と第2光吸収層272とによって挟まれて形成されている。
A
支持部材(メンブレン)215と、焦電キャパシター230と、第1光吸収層270と第2光吸収層272と、熱伝達部材260と、第4コンタクトプラグCP4と、第3層目配線M3と、第5コンタクトプラグCP5と、によって素子構造体160が構成される。上述したとおり、熱伝達部材260は、熱検出素子である焦電キャパシター230を他の素子(ここでは、基板10に形成されたCMOSトランジスター)に接続する配線の一部を兼ねている。
A support member (membrane) 215, a
すなわち、熱伝達部材260は、上述のとおり、例えば、AlNやAlOx等の金属化合物で構成することができるが、金属を主成分とする材料は電気伝導も良好であることから、熱伝達部材260は、熱検出素子を他の素子に接続する配線(配線の一部を含む)としても利用することが可能である。熱伝達部材260を、配線としても利用することによって、配線を別途、設ける必要がなくなり、製造工程の簡素化を図ることができる。
That is, as described above, the
(第3実施形態)
図7は、熱型光検出装置(熱型光検出アレイ)の回路構成の一例を示す回路図である。図7の例では、複数の光検出セル(すなわち、熱型光検出器200a〜200d等)が、2次元的に配置されている。複数の光検出セル(熱型光検出器200a〜200d等)の中から一つの光検出セルを選択するために、走査線(W1a,W1b等)と、データ線(D1a,D1b等)が設けられている。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of a circuit configuration of a thermal photodetection device (thermal photodetection array). In the example of FIG. 7, a plurality of photodetection cells (that is,
第1の光検出セルとしての熱型光検出器200aは、熱形光検出素子5としての圧電コンデンサーZCと、素子選択トランジスターM1aと、を有する。圧電コンデンサーZCの両極の電位関係は、PDr1に印加する電位を切り換えることによって反転することができる(この電位反転によって、機械的なチョッパーを設ける必要がなくなる)。なお、他の光検出セルも同様の構成である。
The
データ線D1aの電位は、リセットトランジスターM2をオンすることによって初期化することができる。検出信号の読み出し時には、読み出しトランジスターM3がオンする。焦電効果によって生じる電流は、I/V変換回路510によって電圧に変換され、アンプ600によって増幅され、A/D変換器700によってデジタルデータに変換される。
The potential of the data line D1a can be initialized by turning on the reset transistor M2. When reading the detection signal, the read transistor M3 is turned on. A current generated by the pyroelectric effect is converted into a voltage by the I /
本実施形態では、複数の熱型光検出器が2次元的に配置された(例えば、直交2軸(X軸およびY軸)の各々に沿ってアレイ状に配置された)、熱型光検出装置(熱型光アレイセンサー)が実現される。 In this embodiment, a plurality of thermal detectors are two-dimensionally arranged (for example, arranged in an array along each of two orthogonal axes (X axis and Y axis)). A device (thermal optical array sensor) is realized.
(第4実施形態)
図8は、電子機器の構成の一例を示す図である。電子機器としては、例えば、赤外線センサー装置、サーモグラフィー装置、車載用夜間カメラや監視カメラ等が挙げられる。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a configuration of an electronic device. Examples of the electronic device include an infrared sensor device, a thermography device, a vehicle-mounted night camera, a monitoring camera, and the like.
図8に示されるように、電子機器は、光学系400と、センサーデバイス410(前掲の実施形態における熱型光検出器200に相当する)と、画像処理部420と、処理部430と、記憶部440と、操作部450と、表示部460と、を含む。なお本実施形態の電子機器は図8の構成に限定されず、その構成要素の一部(例えば光学系、操作部、表示部等)を省略したり、他の構成要素を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。
As illustrated in FIG. 8, the electronic apparatus includes an
光学系400は、例えば1または複数のレンズや、これらのレンズを駆動する駆動部などを含む。そしてセンサーデバイス410への物体像の結像などを行う。また必要であればフォーカス調整なども行う。
The
センサーデバイス410は、上述した本実施形態の光検出器を二次元配列させて構成され、複数の行線(走査線(あるいはワード線))と複数の列線(データ線)が設けられる。センサーデバイス410は、二次元配列された光検出器に加えて、行選択回路(行ドライバー)と、列線を介して光検出器からのデータを読み出す読み出し回路と、A/D変換部等を含むことができる。二次元配列された各光検出器からのデータを順次読み出すことで、物体像の撮像処理を行うことができる。
The
画像処理部420は、センサーデバイス410からのデジタルの画像データ(画素データ)に基づいて、画像補正処理などの各種の画像処理を行う。画像処理部420は、センサーデバイス410(熱型光検出器200)の出力を処理する制御部に相当する。処理部430は、電子機器の全体の制御や電子機器内の各ブロックの制御を行う。この処理部430は、例えばCPU等により実現される。記憶部440は、各種の情報を記憶するものであり、例えば処理部430や画像処理部420のワーク領域として機能する。操作部450は、ユーザが電子機器を操作するためのインターフェースとなるものであり、例えば各種ボタンやGUI(Graphical User Interface)画面などにより実現される。
The
表示部460は、例えばセンサーデバイス410により取得された画像やGUI画面などを表示するものであり、液晶ディスプレイや有機ELディスプレイなどの各種のディスプレイにより実現される。
The
このように、1セル分の熱型光検出器を赤外線センサー等のセンサーとして用いる他、1セル分の熱型光検出器を直交二軸方向に二次元配置することでセンサーデバイス(熱型光検出装置)410を構成することができ、こうすると熱(光)分布画像を提供することができる。このセンサーデバイス410を用いて、サーモグラフィー、車載用の夜間視認カメラあるいは監視カメラなどの電子機器を構成することができる。
As described above, the thermal detector for one cell is used as a sensor such as an infrared sensor, and the sensor device (thermal optical detector) is arranged by two-dimensionally arranging the thermal detector for one cell in two orthogonal axes. Detection device) 410, which can provide a heat (light) distribution image. The
先に説明したように、本発明にかかる熱型光検出器は、光の検出感度が高い。よって、この熱型光検出器を搭載する電子機器の性能が高まる。 As described above, the thermal detector according to the present invention has high light detection sensitivity. Therefore, the performance of an electronic device equipped with this thermal detector is enhanced.
図9は、電子機器の構成の他の例を示す図である。図9の電子機器800は、熱型光検出器200と、加速度検出素子503と、を搭載したセンサーユニット600を有する。センサーユニット600には、さらにジャイロセンサー等を搭載することもできる。センサーユニット600によって、異なる種類の物理量を測定することが可能である。センサーユニット600から出力される各検出信号は、CPU700によって処理される。CPU700は、熱型光検出器200の出力を処理する制御部に相当する。
FIG. 9 is a diagram illustrating another example of the configuration of the electronic device. The
以上説明したように、本発明の少なくとも一つの実施形態によれば、例えば、熱型光検出器の検出感度を、格段に向上させることができる。 As described above, according to at least one embodiment of the present invention, for example, the detection sensitivity of a thermal detector can be significantly improved.
以上、いくつかの実施形態について説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるものである。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。 Although several embodiments have been described above, it is easily understood by those skilled in the art that many modifications can be made without substantially departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention. For example, a term described at least once together with a different term having a broader meaning or the same meaning in the specification or the drawings can be replaced with the different term in any part of the specification or the drawings.
また、上述の実施形態では、熱検出素子として、焦電キャパシターが用いられているが、これに代えて、サーモパイル素子やボロメータ素子を用いることもできる。 In the above-described embodiment, a pyroelectric capacitor is used as the heat detection element. However, instead of this, a thermopile element or a bolometer element can be used.
10 基板(例えばシリコン基板)、
100 絶縁層を含む構造体(例えば、少なくとも1層の層間絶縁層を含む多層構造体)、102 空洞部(熱分離空洞部)、
104a,104b 第1ポストならびに第2ポスト、
130a〜130d エッチングストッパー膜
200 熱型光検出器、210 支持部材の載置部、
212(212a,212b) 支持部材のアーム部(第1アーム部,第2アーム部)、215 支持部材(メンブレン)、
229a,229b 配線(アーム部上に形成される配線)、
226 電極(配線)、
228 熱伝達部材を構成する材料の、第2コンタクトホールに充填されている部分、
230 熱検出素子としての焦電キャパシター、
232 焦電材料層(PZT層等)、
232a,232b アーム部の端部、
234 下部電極(第1電極)、
RX 下部電極(第1電極)の延在部分(張り出し部分あるいは拡張部分)、
236 上部電極(第2電極)、250 絶縁層、
252、254 第1コンタクトホールおよび第2コンタクトホール、
260 熱伝達部材、
270 第1光吸収層、272 第2光吸収層、
FL 熱伝達部材の集熱部、CN 熱伝達部材の接続部、
10 substrate (eg silicon substrate),
100 a structure including an insulating layer (for example, a multilayer structure including at least one interlayer insulating layer), 102 cavity (thermal separation cavity),
104a, 104b 1st post and 2nd post,
130a to 130d
212 (212a, 212b) arm portions (first arm portion, second arm portion) of support member, 215 support member (membrane),
229a, 229b wiring (wiring formed on the arm portion),
226 electrode (wiring),
228 portion of the material constituting the heat transfer member filled in the second contact hole;
230 Pyroelectric capacitor as a heat detection element,
232 Pyroelectric material layer (PZT layer, etc.),
232a, 232b end of arm part,
234 Lower electrode (first electrode),
RX Lower electrode (first electrode) extension (overhang or extension),
236 Upper electrode (second electrode), 250 insulating layer,
252, 254 first contact hole and second contact hole,
260 heat transfer member,
270 1st light absorption layer, 272 2nd light absorption layer,
FL heat collecting member heat collecting part, CN heat transferring member connecting part,
Claims (8)
前記基板に対して空洞部を介して支持される支持部材と、
前記支持部材上に形成され、下部電極と上部電極によって焦電材料層を挟んだ構造を有する熱検出素子と、
前記熱検出素子上に形成されている光吸収層と、
前記熱検出素子と接続部によって接続され、平面視で前記接続部よりも広い面積を有し、少なくとも一部の波長域の光に対して光透過性を有し、かつ前記光吸収層の内部に形成されている集熱部を備える熱伝達部材と、を含み、
前記下部電極は、平面視で、前記焦電材料層の周囲を囲むように延在する延在部分を有し、前記延在部分は、前記熱伝達部材の前記集熱部を透過した光のうちの少なくとも一部を反射する光反射特性を有することを特徴とする熱型光検出器。 A substrate,
A support member supported via a cavity with respect to the substrate;
A heat detecting element formed on the support member and having a structure in which a pyroelectric material layer is sandwiched between a lower electrode and an upper electrode;
A light absorption layer formed on the heat detection element;
The heat detecting element is connected to the heat detecting element by a connecting portion, has a larger area than the connecting portion in a plan view, has light transmittance with respect to light in at least a part of the wavelength region, and is inside the light absorbing layer. A heat transfer member provided with a heat collecting part formed on,
The lower electrode has an extending portion extending so as to surround the pyroelectric material layer in a plan view, and the extending portion transmits light that has passed through the heat collecting portion of the heat transfer member. A thermal detector characterized by having a light reflection characteristic of reflecting at least a part thereof.
前記光吸収層は、前記支持部材上であって前記熱検出素子の周囲に形成されていることを特徴とする熱型光検出器。 The thermal detector according to claim 1,
The thermal light detector, wherein the light absorption layer is formed on the support member and around the heat detection element.
前記光吸収層は、
前記熱伝達部材と前記熱検出素子の前記下部電極における前記延在部分との間において、前記熱伝達部材に接して形成されている第1光吸収層と、
前記熱伝達部材上において、前記熱伝達部材と接して形成されている第2光吸収層と、
を有することを特徴とする熱型光検出器。 The thermal detector according to claim 2, wherein
The light absorbing layer is
A first light absorbing layer formed in contact with the heat transfer member between the heat transfer member and the extended portion of the lower electrode of the heat detection element;
On the heat transfer member, a second light absorption layer formed in contact with the heat transfer member;
A thermal photodetector comprising:
前記下部電極の延在部分の表面と前記第2光吸収層の上面との間で、第1波長に対する第1光共振器が構成されており、
前記第2光吸収層の下面と、前記第2光吸収層の上面との間で、前記第1の波長とは異なる第2の波長に対する第2光共振器が構成されていることを特徴とする熱型光検出器。 The thermal detector according to claim 3 , wherein
A first optical resonator for the first wavelength is configured between the surface of the extending portion of the lower electrode and the upper surface of the second light absorption layer,
A second optical resonator for a second wavelength different from the first wavelength is configured between a lower surface of the second light absorbing layer and an upper surface of the second light absorbing layer. Thermal type photo detector.
前記熱伝達部材は、前記熱検出素子を他の素子に接続する配線を兼ねることを特徴とする熱型光検出器。 The thermal detector according to any one of claims 1 to 4, wherein
The thermal detector according to claim 1, wherein the heat transfer member also serves as wiring for connecting the heat detection element to another element.
前記支持部材上に、下部電極と上部電極によって焦電材料層を挟んだ構造を有し、かつ、前記下部電極が、平面視で、前記焦電材料層の周囲を囲むように延在する延在部分を有すると共に、前記延在部分が、到来する光を反射する光反射特性を有する熱検出素子を形成する工程と、
前記熱検出素子を覆うように第1光吸収層を形成し、前記第1光吸収層を平坦化する工程と、
前記第1光吸収層の一部にコンタクトホールを形成した後、熱伝導性と、少なくとも一部の波長域の光に対する光透過性とを有する材料層を形成し、前記材料層をパターニングすることによって、前記熱検出素子に接続する接続部と、平面視で前記接続部よりも広い面積を有する集熱部とを備える熱伝達部材を形成する工程と、
前記第1光吸収層上に第2光吸収層を形成する工程と、
前記第1光吸収層および前記第2光吸収層をパターニングする工程と、
前記支持部材をパターニングする工程と、
前記犠牲層をエッチングにより除去して、前記基板の主面上に形成された絶縁層を含む構造体と、前記支持部材との間に空洞部を形成する工程と、
を含むことを特徴とする熱型光検出器の製造方法。 Forming a structure including an insulating layer on a main surface of the substrate, forming a sacrificial layer on the structure including the insulating layer, and forming a support member on the sacrificial layer;
The support member has a structure in which a pyroelectric material layer is sandwiched between a lower electrode and an upper electrode, and the lower electrode extends so as to surround the pyroelectric material layer in plan view. Forming a heat detecting element having a light reflection characteristic in which the extending portion reflects incoming light,
Forming a first light absorption layer so as to cover the heat detection element, and planarizing the first light absorption layer;
After forming a contact hole in a part of the first light absorption layer, forming a material layer having thermal conductivity and light transmittance for light in at least a part of the wavelength band, and patterning the material layer A step of forming a heat transfer member including a connection portion connected to the heat detection element and a heat collection portion having a larger area than the connection portion in plan view;
Forming a second light absorption layer on the first light absorption layer;
Patterning the first light absorption layer and the second light absorption layer;
Patterning the support member;
Removing the sacrificial layer by etching to form a cavity between the support member and the structure including an insulating layer formed on the main surface of the substrate;
The manufacturing method of the thermal type photodetector characterized by including.
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