JPH02137267A - 焦電型赤外線固体撮像装置及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は物体の温度分布を２次元の映像として表示させ
るための焦電型赤外線固体撮像装置に関するものである
。

従来の技術 従来、赤外線を検出するセンサとして、赤外線を熱に変
換する焦電材料を用いたものがあり、センサの冷却不要
、感度波長の均一性、といった特徴のため広く利用され
ている。

このセンサの２次元化について、光学走査、電子走査、
自己走査方式のものが種々考案されている。しかし、単
一もしくは線センサを回転または振動光学系を用いて２
次元走査を行なう光学走査方式は、装置が大型で消費電
力が大きく機械的故障寿命も短いという欠点ををする。

また、マトリン・クス検出器に信号を結像させて電子ビ
ームにより信号を読みだす電子ビーム方式は、−船内に
感度が低く、シかも画素数がそれほど多（形成できない
ため分解能が悪く、ま″た前者と同様装置が大型になる
などの欠点がある。また前者と同様に装置が大型になる
等の欠点がある。

また、電荷結合素子（ＣＯＤ）のような信号の自己走査
機能を有する２次元固体電子走査部と２次元センサ部と
で構成した自己走査方式は前２方式に比べ、小型、高性
能、高信頓性といった利点が考えられ有望視されている
が、半導体素子とセンサ部との結合にまだ滴定な方法が
得られていない。すなわち、例えば第２図に示すように
導電性金属支柱２５を用いて結線する方法（例えばイン
フラレフト°　フィジフクス（、Ｉｎｆｒａｒｅｄ　　
Ｐｈｙｓｉｃｓ）誌、　　１９巻、　　５１１頁、第４
図に記載）では、固体電子走査部２１の表面に形成され
た入力信号電極２２とセンサ部２３の表面に形成された
出力信号電極２４との間をＩｎバンブ等の導電性金属支
柱２３を用いて結線する方法である。この方法は、結線
の数が数１００程度の場合には、信頼性も確保できるが
結線の数が１ｏｏｏｏ個を越えると急激に技術内因難度
が増大し、実用化は難しくなる。また電極間隔が１００
μｍ程度以下になると均一形状の金属支柱を形成するの
は非常に難しくなるので高分解能の固体撮像装置はでき
ない。

さらに異なる従来例として、ＣＯＤを形成したシリコン
基板表面上に絶縁膜を介して直接センサ部を形成する構
造が提案されている（例えば、特開昭８０−２１３０５
７号公報）。この方法では、センサ部として感度の良好
な焦電特性を示すＰｂＴ１０３等の薄膜を用いる場合は
、薄膜形成に８００°Ｃ程度の雰囲気中でのスパッタリ
ング工程を必要とするため、シリコン基板に形成済みの
ＣＯＤの特性が劣化してしまい良好な特性の固体撮像装
置の実現は困難である。また、大きな熱伝導と熱容蚤と
を有するシリコン基板とセンサ部とが近接しているため
、センサ部の熱放散が大きくなり撮像装置の温度分解能
が低下するという欠点も有する。

発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、従来の技術の課題を解決し、小型で、
感度が良く、高解像度が得られ、冷却の必要のない焦電
型赤外線固体撮像装置及びその駆動方法を提供すること
である。

課題を解決するための手段 本発明の焦電型赤外線固体撮像装置は、その一画素を、
一方の表面にセンサ電極を具備した薄膜状焦電材料の他
方の表面上で前記センサ電極と相対する領域に形成した
所定形状の半導体薄膜の島と、前記半導体薄膜の島の表
面上に形成した各々分離された所定形状の一組のソース
電極及びドレイン電極とからなる薄膜トランジスタ、及
び前記薄膜トランジスタの前記ドレイン電極と前記ソー
ス電極との間に形成した電荷蓄積用容量とで構成したも
のである。

作用 本発明の基本的な作用は、薄膜トランジスタの動作と同
一である。半導体薄膜と接した焦電薄膜がゲート電極と
ゲート絶縁膜との作用を行なう。

すなわち、測定対象物の温度変化ΔＴは焦電薄膜に表面
電荷の変化ΔＱを生じる。この電荷の変化により焦電薄
膜の表裏にはΔＶ＝ΔＱ／Ｃ（Ｃは焦電薄膜の電気容量
）の電位差が発生する。いま、焦電薄膜の半導体薄膜と
接していない方の面、例えば裏面、を一定電位Ｖｇに固
定しておくと、焦電薄膜の表面、すなわち半導体薄膜と
接している面の電位はＶｇ＋ΔＶとなる。この信号電圧
ΔＶにより半導体薄膜中の焦電薄膜との界面近傍の電位
が変調され、すなわち、チャネル領域が形成されたり空
乏層が形成されたりして、この領域の導電率が大きく変
化する。この半導体薄膜の導電率の変化を所定の電位差
Ｖｄを有するソース電極とドレイン電極との間の電流変
化Δ工で測定するわけである。このΔＩと測定対象物の
温度変化ΔＴとの関係は薄膜トランジスタの原理を用い
ると次のように表わせる。

ΔＩ／ΔＴ＝（ΔＩ／ΔＶ）＊　（ΔＶ／ΔＱ）＊（Δ
Ｑ／ΔＴ） ＝Ｇｍ＊（１／Ｃ）＊γ＊Ａ ここで　Ｇｍ：薄膜トランジスタの相互コンダクタンス Ｃ：焦電薄膜の電気容量 γ　：焦電係数 Ａ　；受光面積 である。

この式より明かなように、本発明の方法によれば、薄膜
トランジスタの増幅作用により、焦電薄膜で検知した熱
信号を薄膜トランジスタのドレイン電流変化に直接、効
率良く変換できる。所定の時間、赤外線を照射して、前
記ドレイン電流を流し続ける事により、前記ドレイン電
極と前記ソース電極との間に形成した蓄積用容量の電荷
は放出し続け、その両端の電圧は、ドレイン電流の大き
さ、すなわち、熱信号の大きさに比例して低下する。外
部駆動回路により、各島で発生しているこの電荷蓄積用
容量の両端の電圧変化を順次読みだしてゆく。

熱信号を１フレ一ム時間積分して読みだすため大きな信
号が得られる事が本発明の方法の大きな特徴である。ま
た本発明の構造では、半導体薄膜としてＣｄＳｅ等の比
較的低温で容易に良好な薄膜を形成できる材料を選ぶこ
とにより、最適な条件で形成した焦電薄膜上に焦電特性
を劣化させる事なく半導体薄膜を形成できる。また従来
例のように導電性金属支柱を用いていないため、製造は
極めて容易であり、かつ数１０μｍのセンサ部ピッチに
も容易に対応できるため高分解能の固体撮像装置が可能
となる。

実施例 以下、本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図は本発明の焦電型赤外線固体撮像装置の一実施例
をしめず断面図である。

１は数μｍ〜数１０μｍの膜厚を有するＰｂＴｌＯ３や
Ｐ　ｋｌ＋−ｘ　Ｌ　ａｘ　Ｔ　Ｉ＋−ｘ、＋４０３等
の焦電材料からなる薄膜であり赤外線センサとして作用
する。

この焦電薄膜は単結晶基板を所定の厚さになるまで研磨
して実施しても良いし、ＭｇＯ等の、その表面にＰｂＴ
ｉ０ａやＰ　ｂ＋　−Ｘ　Ｌ　ａｘ　Ｔ　Ｉ＋−ｘ／ｌ
　Ｏ３等の焦電材料からなる薄膜を配同性良くエピタキ
シアル成長できる基板上にスパッタ法等により所定の厚
さの薄膜を形成後、適当な工程で前記基板のみを除去す
ることによっても実現できる。２は例えば高周波マグネ
トロンスパッタ法で形成した１５００Ａ程度の膜厚を有
する所定形状のｐｔからなり、赤外光透過が可能でかつ
前記焦電薄膜の一表面の電位を固定するためのセンサ電
極である。

このセンサ電極２の形状の一例を第３図に示す。

この基本的な考え方は、後に形成し、各画素となる島領
域を規定する半導体薄膜３に対して、適当な面積の赤外
光透過領域を有する形状にする事である。焦電型赤外線
固体撮像装置の駆動には、焦電薄膜に入射する赤外光を
適当な周波数でチョッピングする必要がある。今、この
チョッピング周波数を３００Ｈｚに設定すると、赤外光
が入射し、焦電薄膜１に吸収され、その温度が上昇する
際の熱の横方向の拡散距離は、焦電薄膜の材料、膜厚に
より異なるが、おおむね２０〜３０μｍ程度である。そ
のため、センサ電極２の幅を前記熱の横方向の拡散距離
以内にしておくと、前記赤外光透過領域１１から入射し
た赤外光による温度上昇は、各画素全域に伝導し、焦電
薄膜１のセンサとしての機能をさほど低下する事なくセ
ンサ電極２としての電気的機能を十分に発揮させること
が可能なわけである。

３は、前記センサ電極に対応して設けられた薄膜トラン
ジスタのチャネル領域を形成するための半導体層である
。例えば１００ＯＡ程度の膜厚を有するＣｄＳｅ層であ
り、蒸着法等により形成される。４，５は前記半導体薄
膜表面に設けられた１０００Ａ程度のＮｉＣｒ、Ａ１等
の金属屑であり、各々薄膜トランジスタのソース電極、
ドレイン電極として作用する。このソース電極４、ドレ
イン電極５は、前記焦電薄膜１と半導体薄膜３との間に
設置される構造にしても、その機能は同様である。又、
前記ドレイン電極５は前記センサ電極２との間に電荷蓄
積用容量をも形成している。６はドレイン電極５の一部
を除き、ソース電極４、ドレイン電極５、半導体薄膜３
の表面上に設けられた層間絶縁膜である。例えば、２μ
ｍ程度の膜厚を有するポリイミドで構成される。７はド
レイン電極５を層間絶縁膜６の表面に露出するための弓
出し電極でありＡ１等の金属で形成される。

以上の構造により１画素を構成する。撮像装置として、
これらの画素が複数個、所定の形状に配列している。こ
の時、ソース電極４とセンサ電極２とは、第４図に示す
ように、マトリックスを構成する各画素の列方向の少な
くとも一カ所で電気接続１２を保持する。

次に本発明の焦電型赤外線固体撮像装置の動作を詳しく
のべる。今、例えばセンサ電極２とソース電極４との電
圧をＯｖとし、ドレイン電極の電圧を５■とした本装置
に、センサ電極２側から赤外光が入射し、焦電薄膜１の
温度がΔＴだけ上昇する事により、焦電薄膜１の半導体
薄膜３との界面に正の電荷がΔＱだけ誘起する場合を考
える。

この誘起した正の電荷により、半導体薄膜３の焦電薄膜
１と接する面の電位はセンサ電極２の電位よりΔＶだげ
上昇する。これは、半導体薄膜３、ソー、スミ極４、ド
レイン電極５で構成した薄膜トランジスタのゲート電位
がΔ■だけ変化したことに等しい。すなわち、第５図に
示した薄膜トランジスタのゲート電圧Ｖｇとドレイン電
流工との関係を表わす図において、動作点がＡからＢに
変化したことである。これによりドレイン電流工にΔＩ
の変化が生じる。

撮像装置としては、先ず初めにマトリックス状に配列さ
れた任意の画素を行選択スイッチ及び列選択スイッチを
閉じて選択し、前記画素中の前記電荷蓄積用容量を前記
行選択スイッチを介して接続したバイアス用電源により
充電し前記薄膜トランジスタのドレイン電極５の電位を
Ｖｄに保持する。

この後、前記行選択スイッチまたは列選択スイッチの少
なくとも一方を開けると前記電荷蓄積用容量に保持され
ていた電荷は、前記薄膜トランジスタを通じて放電し薄
膜トランジスタのドレイン電極５の電位はＶｄから徐々
に低下する。この時の放電の速度は薄膜トランジスタの
前記ドレイン電流の大きさに比例し、このドレイン電流
の大きさは前述の様に焦電薄膜１の温度に依存する。１
フレ一ム時間経過後、本画素を再度選択すると前記薄膜
トランジスタのドレイン電極５の電位のＶｄからの低下
分を補償するように前記バイアス用電源より再充電する
。この時流れる充電電流はドレイン電極５の電位のＶｄ
からの低下分、すなわち焦電薄膜１の温度に依存する。

各画素で発生したこの充電電流を外部回路を走査する事
により順次読みだしてゆく。

本発明の方法によれば、センサ部すなわち焦電薄膜１の
信号は、走査回路部すなわち薄膜トランジスタによりＧ
ｍ倍に増幅されて出力されるため、センサ感度は従来の
例に比べ数倍増加する。また走査回路を構成する半導体
薄膜３が直接、焦電薄膜１と接する構造のため、周知の
ホトリソグラフィ技術を用いれば、１０μｍ程度の画素
ピッチは極めて容易に実現でき空間分解能も従来の１０
０μｍピッチと比べれば１０倍程度改善される。また、
焦電薄膜１の厚さに比べ、半導体薄膜３や、ソース電極
４、ドレイン電極５の厚さは１／１０以下であり、熱容
量は非常に少ない。このため信。

号となる熱が焦電薄膜１以外に放散して、信号レベルが
低下する事もほとんどない。これも従来の金属柱を形成
する場合に比べての、本発明の構造による大きな利点で
ある。

第６図に他の実施例の構造の断面図を示す。焦電薄膜１
と半導体薄膜３との間に界面絶縁体層８を介在している
。この界面絶縁体層８は例えば、５００〜１００ＯＡの
膜厚を有するＳ　１０２である。

一般に薄膜トランジスタにおいては、半導体薄膜とゲー
ト絶縁体層との界面特性が良好であることが非常に重要
である。本発明においても前述のように半導体薄膜３、
ソース電極４、ドレイン電極５、焦電薄膜１で薄膜トラ
ンジスタを構成する上で、半導体薄Ｍ３とゲート絶縁体
層との界面特性を改善する目的で設置するのが界面絶縁
体層８であり、半導体薄膜としてＳｌやＣｄＳｅ、Ｃｄ
Ｓ等のＩｔ−ＶＩ族化合物半導体を用いる場合には、５
１０２は非常に良好な界面特性を存する。また５１０２
とＰｂＴｌ０ｚ等の焦電薄膜１との界面も、これらの膜
を同一真空雰囲気中で連続して形成すると電子トラップ
の少ない良好なものとなる。更に、界面絶縁体層８とし
て、５１３Ｎ４等のように、１０μｍ程度の波長の光を
吸収する膜を選ぶことも意味がある。これは焦電薄膜を
透過した光をこの界面絶縁体層８で吸収し、焦電薄膜の
熱信号を補助−できるためである。前述の説明で明かな
ように、この界面絶縁体層８として、半導体薄膜と良好
な界面を形成する膜、例えば５ｉ０２と、赤外光の吸収
が大きな膜、例えば５Ｉ３ＮＪとを多層にする事も勿論
可能で意味のあることである。また、これらの絶縁体層
は、金属や半導体薄膜に比べ熱伝導率は、はるかに小さ
いので、焦電薄膜の熱が外部に放散するのを防止し、大
きなセンサ信号を得る上でも有効である。

次に本発明の焦電型赤外線固体撮像装置の駆動方法につ
いて説明する。

第７図は本発明の焦電型赤外線固体撮像装置の１画素の
構成を、第８図はその動作を示す。チョッパーにより遮
断された赤外光が間欠的に焦電薄ｙ、１に入射すると、
チョッピング周波数が、焦電薄膜１の熱時定数で決まる
周波数よりも十分に速い場合には、焦電薄膜１の温度変
化ΔＴは時間に対してほぼ線形に増減する。これにとも
ない、焦電薄膜１のセンサ電極２と半導体薄膜３との間
には電位差ΔＶが生じ、はぼ線形に増減する。このΔＶ
の変化により、ソース電極４とドレイン電極５との間の
電流変化ΔＩが生じる。ｌフレーム時間このΔＩが生じ
る事により電荷蓄積用容量内の電荷は放電し、その両端
の電位Ｖｃは低下する。

本発明の焦電型赤外線固体撮像装置の基本的な駆動は、
第９図に示したようにマトリックス状に配列した各画素
において、先ず初めに行選択スイッチ及び列選択スイッ
チを閉じて任意の画素を選択し、前記画素中の前記電荷
蓄積用容量を前記行選択スイッチを介して接続したバイ
アス用電源により充電し前記薄膜トランジスタのドレイ
ン電極５の電位をＶｄに保持する。この後、前記行選択
スイッチまたは列選択スイッチの少なくとも一方を開け
ると前記電荷蓄積用容量に保持されていた電荷は、前記
薄膜トランジスタを通じて放電し薄膜トランジスタのド
レイン電極５の電位はＶｄから徐々ニ低下する。この時
の放電の速度は薄膜トランジスタの前記ドレイン電流の
大きさに比例し、このドレイン電流の大きさは前述の様
に焦電薄膜１の温度に依存する。１フレ一ム時間経過後
、オ画素を再度選択すると前記薄膜トランジスタのドレ
イン電極５の電位のＶｄからの低下分を補償するように
前記バイアス用電源より再充電する。この時流れる充電
電流はドレイン電極５の電位のＶｄからの低下分、すな
わち焦電薄膜１の温度に依存する。

各画素で発生したこの充電電流を外部回路を走査する事
により順次読みだしてゆくものである。

本発明の焦電型赤外線固体撮像装置の駆動方法の一例を
第９図を用いて説明する。

今、水平方向にｍ行、垂直方向にｎ列の画素からなるマ
トリックスを考える。水平方向には読みだし行を指定す
るためのＨｌ・・Ｈ，・・Ｈ，のｍ個のスイッチ、垂直
方向には読みだし列を指定するためのＶ、・・Ｖ＋・・
ｖｎのｎ個のスイッチがある。これらのスイッチを介し
て各水平ラインは共通の電源Ｖｄに、各垂直ラインは共
通の出力端子Ｖ　０ＬＩＴに接続される。各画素のソー
ス電極４は垂直ラインに、ドレイン電極５は水平ライン
に接続している。また、この薄膜トランジスタのソース
電極４、ドレイン電極５と並列に前記電荷蓄積用容量が
垂直ラインと水平ラインとの間に接続されている。また
各スイッチは、これを順次開閉するため、水平方向シフ
トレジスタ、垂直方向シフトレジスタに接続している。

今、任意の１行水平ラインに注目した時、このｉ行が赤
外光のチョッピング１周期中の明に変化する直前の暗状
態の所定の時間に、１行水平ライン中のｎ個の垂直ライ
ンが順次読みだされる。今、例えばスイッチＨ＋、Ｖ＋
のみを閉にすると画素（１，１）の電荷蓄積用容量にＶ
ｄが印加され、赤外光強度に対応して前記電荷蓄積用容
量に再充電電流がスイッチＶ、を経て流れ負荷抵抗ＲＬ
の両端に信号電圧を発生する。次にスイッチＨ１ｌ　　
Ｖ２のみを閉にして画素（Ｌ２）に同様の動作をさせる
。１回の赤外光チョッピング時間内に、ｍＸｎ個の全画
素についてこのような操作を各々１回づつ実施する。特
に、本発明の駆動方法では行方向のセンサ信号の読み取
りのタイミングを行方向に移動する赤外光のチ日ツバの
速度と同期させることにより、各画素の信号をチョッパ
の回転速度で決まる時間の間積分した形で読−みだす事
ができる。本駆動方法によれば、この信号の積分効果に
よりセンサの感度は、従来の瞬時読みだし方法に比べて
大幅に改善される。

発明の効果 本発明によれば、焦電薄膜とそれに密着して形成した半
導体薄膜とで構成した薄膜トランジスタのアドレス指定
機能及び信号増幅機能により、小型で、感度が良く、高
解像度が得られ、冷却の必要のない赤外線固体撮像装置
を容易に製造、動作させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の焦電型赤外線固体撮像装置の一実施例
を示す断面図、　第２図は従来例の焦電型赤外線固体撮
像装置の一例を示す断面図、第３図は本発明の焦電型赤
外線固体撮像装置のセンサ電極の形状の１例を示す図、
第４図は本発明の焦電型赤外線固体撮像装置の製造方法
の一実施例を示す図、第５図は本発明の焦電型赤外線固
体撮像装置の動作を説明するための図、第６図は本発明
の焦電型赤外線固体撮像装置の他の実施例を示す断面図
、第７図は本発明の焦電型赤外線固体撮像装置の一画素
の電気的接続の一実施例を示す図、第８図は本発明の焦
電型赤外線固体撮像装置の赤外光とセンサ信号との関係
を示す図、第９図は本発明の焦電型赤外線固体撮像装置
の駆動方法の一実施例を示す図である。 １・・・・焦電薄膜、２・・・・センサ電極、３・・・
・半導体薄膜、４・・・・ソース電極、５・・・・ドレ
イン電極、６・・・・層間絶縁膜、７・・・・引出し電
極。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名４ソースを
極 第２図 ｅｔａ全属全社 支 柱２人友信号電盪。 第 図 第 図 ４ソ一ス覧石ｉ 御 第 図 工 第 図 第 図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）一方の表面にセンサ電極を具備した薄膜状焦電材
   料を備え、その薄膜状焦電材料の他方の表面上における
   前記センサ電極と相対する領域に形成された所定形状の
   半導体薄膜の島と、前記半導体薄膜の島の表面上に形成
   され各々分離された所定形状の一組のソース電極及びド
   レイン電極とからなる薄膜トランジスタ、及び前記薄膜
   トランジスタの前記ドレイン電極と前記ソース電極との
   間に形成された電荷蓄積用容量とで一画素が構成されて
   いることを特徴とする焦電型赤外線固体撮像装置。
2. （２）薄膜状焦電材料と半導体薄膜の島との間に界面絶
   縁体層を介在させたことを特徴とする請求項１に記載の
   焦電型赤外線固体撮像装置。
3. （３）半導体薄膜がＣｄＳｅ、ＣｄＳを主成分とするI
   I−VI族化合物半導体であり、界面絶縁体層がＳｉＯ＿
   ２もしくはＳｉ＿３Ｎ＿４もしくはこれらの絶縁体の多
   層膜であることを特徴とする請求項２に記載の焦電型赤
   外線固体撮像装置。
4. （４）一方の表面にセンサ電極を具備した薄膜状焦電材
   料と、前記薄膜状焦電材料の他方の表面上に形成された
   所定形状の半導体薄膜からなる島と、前記半導体薄膜の
   島の表面上に形成された各々分離された所定形状の一組
   のソース電極及びドレイン電極とからなる薄膜トランジ
   スタ、及び前記薄膜トランジスタの前記ドレイン電極と
   前記ソース電極との間に形成した電荷蓄積用容量とで一
   画素を構成し、前記画素を一平面上にｍ行ｘｎ列の２次
   元的に配列し、同一の行にある前記画素の各ドレイン電
   極を共通の行ラインに接続し、ｍ本の前記行ラインを各
   々行選択用スイッチを介して共通のドレイン電圧に接続
   し、同一の列にある前記画素の各ソース電極を共通の列
   ラインに接続し、ｎ本の前記列ラインを列選択用スイッ
   チを介して共通の出力ラインに接続した２次元焦電型赤
   外線固体撮像装置の駆動方法であって、前記行選択用ス
   イッチ及び列選択用スイッチを各々ｍ段及びｎ段のシフ
   トレジスタで順次開閉することにより、ｍｘｎ個の全画
   素のドレイン電流を所定の時間内に順次前記出力ライン
   に読みだすことを特徴とする焦電型赤外線固体撮像装置
   の駆動方法。
5. （５）センサ電極とソース電極とを電気的に接続するこ
   とを特徴とする請求項４に記載の焦電型赤外線固体撮像
   装置の駆動方法。