JPH0219725A

JPH0219725A - 焦電形赤外検出素子アレイ、焦電形赤外検出器およびそれらの製法

Info

Publication number: JPH0219725A
Application number: JP63169413A
Authority: JP
Inventors: Kunio Nakamura; 中村　邦雄
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1988-07-07
Filing date: 1988-07-07
Publication date: 1990-01-23

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】産業上の利用分野この発明は、赤外計測に使用される焦電形赤外検出素子
アレイ、焦電形赤外検出器およびそれらの製法に関し、
特に、温度計測、地球資源観測、気象観測、公害監視、
防災・防犯監視、交通機関の運転管理、工場での熱管理
工程等に利用される焦電形赤外検出素子アレイ、焦電形
赤外検出器およびそれらの製法に関するものである。

従来の技術物体からその温度に応じて放射される赤外線を計測して
、物体の赤外像を得る検出器として、焦電形赤外撮像板
（焦電形赤外検出器）が開発されつつあり、その例が雑
誌「インフラレッド・フィジックス」第２２巻２５９頁
（Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ＰｈｙｓｉｃｓＶｏｌ、　２２　
Ｐ２Ｓ５１９８２）　　に記載されている。コノ焦電形
赤外撮像板について、第４図を参照しながら説明する。

との焦電形赤外撮像板は、焦電形赤外検出素子アレイｌ
と、光検出信号処理のだめの半導体基板４を備えている
。アレイｌには、多数の焦電形赤外検出素子が次のよう
にして配列されている。すなわち、このアレイｌは、焦
電形薄板１１、同薄板１１表面の赤外吸収層兼用の共通
電極５および裏面の信号出力電極２・・・を有する。焦
電形薄板１１は素子毎に分離された形状ではない。しか
し、信号出力電極２が素子毎に分離されているので、焦
電形薄膜１は等制約には各電極２毎に分離区画されたも
のと言え、そのため、このアレイｌには、信号出力電極
２・・・と同数の赤外検出素子があり、これらの赤外検
出素子が各電極２・・・の配列と同じ状態で配列されて
いることになる。一方、半導体基板４には、図示はしな
いが、検出素子毎の信号を時間順序で読み出す回路、例
えば、ＣＣＤ　（電荷転送素子）またはシフトレジスタ
等が設けられている。各信号出力電極２と各信号取込電
極６のそれぞれに設けられたインジウム金属突起を熱圧
着させて形成した金属接合部３により両電極２．６間の
電気的接続がなされ、同時にアレイｌと半導体基板４の
機械的な接続がなされている０共通電極５に赤外線が入
射すると、熱吸収が起こり、焦電形薄板１１の温度がわ
ずか上昇する。この温度変化に伴い、焦電効果による表
面電荷が発生する。この電荷信号を半導体基板４のＣＣ
Ｉ）ｔたはシフトレジスタ等により時間順序で読み出し
、各検出素子毎の信号を電気信号として基板４から出力
する。このような方法で、被写体の赤外画像信号を得る
ことができるのである。

発明が解決しようとする課題しかしながら、上記従来の焦電形赤外撮像板には、次の
ような諸問題があった。

すなわち、上記のごとく、焦電形薄板は全体を通じて１
枚であるので、熱拡散による隣接素子間のクロストーク
が大きく、その結果、感度や分解、能が著しく低減し、
例えば、ポケた赤外像しか得られない。

信号出力電極はひとつひとつが分離状態にあるために、
電極間に隙間ができ、この隙間が実質的に不感帯となる
。

上記の事情に鑑み、この発明は、隣接素子間のクロスト
ークが少ない焦電形赤外検出素子アレイ（以下、「アレ
イ」という）や焦電形赤外検出器（以下、「検出器」と
いう）、さらには、不感帯を有しない点でも優れたアレ
イや検出器、そして、これらのアレイや検出器を容易に
得させる製造方法をそれぞれ提供することを課題とする
。

課題を解決するための手段請求項１記載の発明は、アレイであって、隣接素子間の
クロストークを少なくするため、焦電形赤外感応材料板
にアレイ状に分離配列された有感部を形成し、この有感
部の厚みを他の部分よりも薄くするようにしている。

請求項２記載の発明は、検出器であって、隣接素子間の
クロストークを少なくするため、請求項１記載のアレイ
を、赤外透明板および光検出信号を処理するだめの半導
体基板に貼り合わせるようにしている。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の検出器において
、これを、不感帯を有しないものにするため、その赤外
透明板の赤外光入射面に、凸レンズ作用を有する微小凸
部を各赤外検出素子に対応してアレイ状に配列形成する
ようにしている。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の検出器において
、これを、吸収熱が有効に電荷に変換されるようにする
ため、赤外透明板と有感部の間には検出赤外線波長の１
／２以下の間隔長さの空隙を形成するようにし、かつ、
有感部と半導体基板の間にも空隙を形成するようにして
いる。

請求項５記載の発明は、請求項２記載の検出器において
、これを、吸収熱が有効に電荷に変換されるようにする
ため、有感部は両面において他の部分より凹んでいて、
有感部が赤外透明板および半導体基板から離れるように
している。

請求項６記載の発明は、請求項１記載のアレイを容易に
得させるため、焦電形赤外感応材料板表面の有感部とな
る部分をイオンミリング法で削ってアレイ状に配列され
た凹みをつけることにより薄くするようにしている。

請求項７記載の発明は、請求項２記載の検出器を容易に
得させるため、焦電形赤外感応材料板表面の有感部とな
る部分をイオンミリング法で削ってアレイ状に配列され
た凹みをつけることにより薄くするようにするとともに
、信号出力電極と信号取込電極を電気的かつ機械的に接
続するようにしている。

作用アレイにおいて、分離形成されている有感部の厚みが薄
くなっているため、熱の拡散が起こりにくくクロストー
クが低減する０有感部が厚みの薄い分、いわば熱抵抗が
高くなって熱が隣接する有感部に伝わりにくくなる。

赤外透明板の赤外光入射面に凸レンズ作用を有する微小
凸部が形成されていると、この微小凸部が検出素子の視
野を拡げて、隣接する素子間の不感帯を解消する。

有感部と赤外透明板の間、有感部と半導体基板の間に空
隙があると、吸収熱が透明板や半導体基板の方に逃げず
に有効に電荷に変換される。

赤外透明板と有感部表面の間の空隙は、検出赤外線波長
の１／２以下の長さであると、入射赤外光が全反射を起
こすことなく有感部に入射するため、感度が良くなる。

また、アレイが、半導体基板に支持されているだけでな
く、その受光面側でも、赤外透明板と貼り合わせられて
いると、検出器におけるプレイの機械的結合の信頼性が
高まる０焦電形赤外感応材料板表面の所定部分をイオンミリング
法で削ってアレイ状に配列された凹みをつけると、凹み
を付けた分、有感部の厚みが薄くなる。

信号検出電極と信号取込電極の間を金属同士の接合で接
続すれば、電気的のみならず機械的な接続を同時に行え
る。

実施例第１図（ａ）〜（ｅ）は、請求項２記載の発明の検出器
の一例を製造する請求項７記載の製法の各工程を順を追
ってあられす。ここでは、この製法の説明を借りて、請
求項１記載の発明にかかるプレイおよび請求項２記載の
検出器の構造の理解を容易とさせるものである。同時に
プレイ自身は請求項６記載の製法により作られることに
なる０第１図（ａ）にみるような、焦電形赤・外感応材
料板１として、厚み１０μｍのチタン酸鉛板を用い、第
１図（ｂ）にみるように、この材料板１の所定位置の両
面を削ってアレイ状に分離配列された方形の有感部１ａ
用薄肉部分を形成した。有感部１ａのピッチは１００μ
ｍであり、広さは８０μｍ×８０μｍである。

配列は１２８列×１２８列の２次元配列である。薄肉部
分では、両面が他の部分よりそれぞれ３μｍづつ凹んで
いる。したがって、薄肉部分の厚みは約４μｍである。

なお、材料板１の切削は、アルゴンガス（Ａｒ　）を使
ったイオンミリング法で行った０ついで、第１図（ｃ）
にみるように、材料板１の受光面に赤外吸収層兼用の共
通電極（通常、極薄層である）５として、ニクロムを３
００Ω／ｄの抵抗特性となるように全面蒸着した。続い
て、各有感部１ａ毎に７０μｍ×７０μｍの寸法の信号
出力電極２・・・用アルミニウム膜を蒸着形成する。ア
ルミニウム膜は、一部が、第２図にみるように、材料板
１の篩部１ｂにまで引き出されており、この篩部１ｂの
アルミニウム膜上に接続用金属端部としてのインジウム
層（図示省略）を、厚み３μｍ程度積層形成しておく。

このようにして、アレイＬが完成する。アレイしでは、
有感部１ａおよびその両面に形成されている電極２．５
で１２８　Ｘ　１２８個の焦電形赤外検出素子群が構成
されることになる。

つぎに、第１図（ｄ）に示すように、このアレイしにゲ
ルマニウムからなる赤外透明板（赤外線を通す板）８を
貼り合わせる。透明板８を篩部１ｂおよび周囲部１ｃの
ところで、接着剤（例えば、アラルダイト）７を使って
貼り合わせるのである。第１図（ｄ）にみるように、有
感部１ａと赤外透明板８の間に隙間ができていると、ア
レイＬが得た吸収熱が透明板８側に逃げることなく、吸
収熱が有効に電荷に変わる。

一方、ＣＣＤを有する光検出信号処理のだめの半導体基
板４を別途作成しておく。同基板４では、アレイＬの信
号出力電極２・・・に対応して１００μｍのピッチで信
号取込電極６・・・が表面に形成されており、同電極６
にも、接続用金属端部としての厚み３μｍのインジウム
層（図示省略）が形成されている。

アレイＬ側のインジウム層と、半導体基板４側のインジ
ウム層を、第１図（ｅ）にみるように、対面させておい
て、熱圧着することにより接合する。

この金属同士の接合部３は、信号出力電極２と信号取込
電極６を電気的に接続し、かつ、アレイＬと半導体基板
４を機械的にも接続する。この実施例では、この接続に
加えて、材料板１の周囲部１ｃと半導体基板４の周囲部
を接着剤７／で接着している。そのため、機械的結合の
程度が高まるが、接着剤７／は、必ずしも必要ではない
。

ゲルマニウムからなる赤外透明板８は、反射防止膜とし
て、ＺｎＳを真空蒸着し、１０μｍ帯での反射防止が効
果的になされるようにしておく　（反射防止膜は図では
省略しである）。

接合部３の厚み分、アレイＬと半導体基板４の間に隙間
ができる。そのため、有感部から半導体基板４への熱の
逃げがなくなり、そのため、プレイが得た吸収熱が有効
に電荷に変わる。

もちろん、この実施例では、有感部ｌａ自体が凹んでい
て、赤外透明板８や半導体基板４ａがぴったりとアレイ
しにくっついていても、有感部（厳密には共通電極５あ
るいは信号出力電極２である）１ａ表面が赤外透明板８
や半導体基板４に接触せず、吸収熱が逃げにくいように
なっている。

このようにして、クロストークが少なく、感度、空間分
解能に優れた検出器が完成する。

続いて、この検出器の動作を説明する。赤外光が赤外透
明板８を通って極薄の赤外吸収層（共通電極）５に入射
すると、熱吸収が起こり有感部１ａの温度がわずかに上
昇する。この温度変化に伴い、焦電効果により表面電荷
が発生する。この電荷信号を、信号出力電極２から信号
取込電極６を通して半導体基板４のＣＣＤまたはシフト
レジスタ（図示省略）に入力するが、この際、時間順序
で読み出し、各検出素子毎の信号を電気信号として出力
するようにする。このような方法で、被写体の赤外画像
信号を得ることができる。

なお、半導体基板４では、ＣＣＤやクロック端子の図示
を省略しているが、公知の通常の構成のものでよいこと
はいうまでもない。

続いて、請求項３記載の検出器の一例について説明する
。

この検出器は、第３図にみるように、赤外透明基板８′
として、赤外光入射面に、凸レンズ作用を有する微小凸
部８ａ・・・がアレイＬ′の各有感部１ａ・・・に対応
してアレイ状に配列形成されているものを用いている他
に、有感部１ａは、受光面側では２μｍの深さに削られ
、信号出力電極側では４μｍの深さに削られている以外
は、前記実施例と同一の構成である。この赤外透明基板
８′は、片凸レンズ群から構成されてなる複眼レンズ板
となっているのである。

このような赤外透明基板８′を用いることにより、各有
感部１ａごとに片凸レンズが配され、有感部１ａと赤外
透明板８′の平面側表面との空間を狭くした構造とする
と、各素子からみた視野が広くなり、不感帯が無くなる
。

赤外透明基板８１による視野拡大の程度を、焦点距離ｆ
ｏの対物レンズを前面にもってきた場合を例にとって説
明する。同対物レンズとレンズ作用を有する透明基板８
／の合成焦点距離ｆは、下式（１）で計算され、対物レ
ンズの焦点距離ｆＯよりも短くなる○ ｆ＝・・・（１）（（ｎ−１）　　Ｓ／Ｒ）＋を式中：ｎは、赤外透明基板の屈折率：Ｓは、対物レンズ焦点位置と赤外透明基板の凸部面と
の間隔：Ｒは、赤外透明基板の凸部の曲率半径すなわち、赤外
透明基板８１はゲルマニウムからなるのでｎは４であり
、ここで、Ｓ　”　０−１ｍｍ、Ｒ＝０．７朋とすると
、ｆ＝ｆｏ／１．４３　　−（２）となるからである。

その結果、有感部がｆｏ　／　ｆ　（＝　１．４３）倍
の大きさとなったのに等しい視野角を有することとなる
。

つまり、光検出素子の有効有感部寸法が、　（７０μｍ
　Ｘ　１．４３）　Ｘ　（７０μｍＸ　１．４３）　？
１００μｍＸ１００μｍとなり、ピッチ寸法全域をカバ
ーし、不感帯が解消されたことになるのである。

ＳやＲを適当な値となるように設計すれば、視野角が隣
合う光素子同士で重なり合うようにすることもできる。

なお、上記ふたつの実施例について言えることであるが
、赤外透明板８．８ノと有感部１ａの間隔は、観測赤外
波長（検出赤外波長）の同等以内（好ましくは１ノ２以
内）に納まっていることが極めて望ましい。赤外透明基
板８．８′に入射した赤外線が効率良く有感部１ａに吸
収されるには、全反射条件を避けることが大切であり、
その意味で空隙の間隔が上記の範囲であるのが極めて望
ましいのである。

ちなみに、この実施例では、空隙の間隔は、α（有感部
１ａの受光面側の凹み量）＋β（接着剤７による厚み）
であり、α、βとも、約２μｍであって都会的４μｍで
ある。これは、使用観測赤外線波長１０μｍの半分以下
であり、十分に狭い間隔である。

赤外透明板８／も両面に赤外反射防止膜としてＺｎＳを
真空蒸着しているが、図においては省略しである。

上記ふたつの実施例の検出器では゛、有感部の厚みを薄
くしない場合に比べて、クロストークが１／３に減少し
た。

なお、上記説明から明らかなことであるが、有感部と赤
外透明板との間、あるいは、有感部と半導体基板の間と
いう場合は、当然、電極込みの状態の有感部を指してい
る。

この発明は、上記実施例に限らない。アレイや検出器が
、他の前記以外の方法で作られていてもよい。焦電形赤
外検出素子群の配列は一次元であってもよい。材料板、
赤外透明板等が上記例示以外の種類のものであってもよ
い。

また、アレイと赤外透明板、あるいは、プレイと半導体
基板の空隙が真空封止されているようでもよい。熱遮断
効果に優れる。

発明の効果請求項１記載のアレイ、あるいは、請求項２〜５記載の
検出器では、分離形成されている有感部の厚みが薄くな
っているため、熱が隣接する有感部にまでは拡散しにく
くクロストークが低減する。

そのため、空間分解能が良くなっており、まだ、吸収熱
が有感部内で有効に電荷に変換されて感度も良くなって
いる。

請求項３記載の検出器は、赤外透明板の赤外光入射面に
凸レンズ作用を有する微小凸部が形成されていると、こ
の微小凸部が検出素子の視野を拡げて、隣接する素子間
の不感帯を特徴する請求項４．５記載の検出器では、有
感部と赤外透明板の間、有感部と半導体基板の間に空隙
があるため、吸収熱が透明板や半導体基板の方に逃げず
に有効に電荷に変換され、特に、赤外透明板と有感部表
面の間の空隙が、検出赤外線波長の１／２以下の長さで
あると、入射赤外光が全反射を起こすことなく有感部に
入射するため、入射赤外線が電荷に変換される率が高く
、感度が良い。

請求項２〜５記載の検出器では、アレイが半導体基板に
支持されているだけでなく、その受光面側でも、赤外透
明板と貼り合わせられているため、検出器におけるアレ
イの機械的結合の信頼性が高い０請求項６記載の製法は、上記のクロストークが少なくて
感度および空間分解能の高いアレイが容易に製造できる
。

請求項７記載の製法は、上記のクロストークが少なくて
感度および空間分解能の高い検出器が容易に製造できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｅ）は、請求項２記載の発明の一実施
例にかかる検出器を製造するための、請求項７記載の発
明の検出器の製法における各工程を示す断面図、第２図
は、この検出器のプレイを裏側（信号出力電極側）から
みた状態をあられす平面図、第３図は、請求項３記載の
発明の一実施例にかかる検出器をあられす断面図、第４
図は、従来の焦電形赤外撮像板をあられす断面図である
。１・・・焦電形赤外感応材料板、１ａ・・・有感部、２
・・・信号出力電極、３・・・接合部、４・・・半導体
基板、５・・共通電極、６・・・信号取込電極、８．８
′・・・赤外透明板。代理人の氏名　弁理士　栗　野　重　孝　はか１名第２
図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）赤外受光面に共通電極が形成された焦電形赤外感
応材料板を有し、前記焦電形赤外感応材料板には厚みが
他の部分よりも薄くなった有感部が複数アレイ状に分離
配列されて形成され、かつ、前記焦電形赤外感応材料板
の赤外受光面とは反対の面には各有感部毎に信号出力電
極が形成されてなる焦電形赤外検出素子アレイ。
（２）赤外受光面に共通電極が形成された焦電形赤外感
応材料板を有し、前記焦電形赤外感応材料板には厚みが
他の部分よりも薄くなった有感部が複数アレイ状に分離
配列されて形成され、かつ、前記焦電形赤外感応材料板
の赤外受光面とは反対の面には各有感部毎に信号出力電
極が形成されてなる焦電形赤外検出素子アレイを備え、
このアレイの受光面側には赤外透明板が貼り合わされて
いるとともに、他面側には光検出信号処理のための半導
体基板が貼り合わされ、前記半導体基板には前記信号出
力電極に対応して信号取込電極が形成されていて、これ
ら両電極が電気的に接続されている焦電形赤外検出器。
（３）赤外透明板は、その赤外光入射面に、凸レンズ作
用を有する微小凸部が焦電形赤外検出素子アレイの各有
感部に対応してアレイ状に配列形成されたものである請
求項２記載の焦電形赤外検出器。
（４）赤外透明板と有感部の間には検出赤外線波長の１
／２以下の間隔長さの空隙が形成されているとともに、
有感部と半導体基板の間にも空隙が形成されている請求
項２および請求項３のいずれかに記載の焦電形赤外検出
器。
（５）有感部は両表面とも他の部分より凹んでいて、赤
外透明板および半導体基板と接触していない請求項２か
ら請求項４までのいずれかに記載の焦電形赤外検出器。
（６）焦電形赤外感応材料板表面の有感部となる部分を
イオンミリング法により削ってアレイ状に分離配列され
た薄肉部分を形成する工程と、前記焦電形赤外感応材料
板の一方の面の全面に第１の電極を形成する工程と、前
記焦電形赤外感応材料板の他方の面の前記薄肉部分の各
々に第２の電極を形成する工程とを具備した焦電形赤外
検出素子アレイの製法。
（７）請求項６記載の製法により得られた焦電形赤外検
出素子アレイの第１の電極側に赤外透明板を貼り合わせ
る工程と、第２の電極側に前記第２の電極と対応する位
置に信号取込み電極が形成された光検出信号処理用の半
導体基板を前記第２の電極と信号取り込み電極が電気的
かつ機械的に接続されるよう配する工程とを具備した焦
電形赤外検出器の製法。