JPH05172629A - 赤外線検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 赤外線の受光効率が良好で且つ赤外線検出部
から基板側への不当な熱流出量を少なくできて、赤外線
検出の感度を高めることができる赤外線検出素子を提供
する。 【構成】 基板１の表面に形成された絶縁膜４上に赤外
線検出部２が設けられ、該赤外線検出部２の下方の絶縁
膜４よりも下層の位置には、赤外線検出部２と基板１と
の相互間の熱伝導を抑制する熱分離空間部５が形成され
て、赤外線検出部２が絶縁膜４により支持されている赤
外線検出素子であって、前記赤外線検出部２の外周の各
辺の長さｂ１、ｂ２は、熱分離空間部５上における絶縁
膜４の各辺の長さａ１、ａ２の概ね２／３になるように
構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、赤外線吸収による温度
変化に伴った抵抗体の電気抵抗等の変化を利用して赤外
線を検出する方式の赤外線検出素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種赤外線検出素子として、本件出願
人は、シリコン基板等の基板の表面に、赤外線検出部を
設けた所謂ワンチップ型のものを先に開発し、提案して
いる（例えば特願平２−８８５７６号）。即ち、図８は
その基本的な構成を示すもので、絶縁膜４を形成したシ
リコン基板等の基板１ｅの表面に、サーミスタ式等の赤
外線検出部２ｅを設けたものである。当該構成では、赤
外線検出部２ｅが赤外線を受光して温度上昇を行うと、
その抵抗値が変化するため、その抵抗値の変化を検出す
ることにより赤外線の検出が可能であり、全体をワッチ
ップ化した非常に小型のものに製作可能である。

【０００３】そして、従来では、上記構成に加え、赤外
線検出部２ｅの下方の絶縁膜４よりも下層の位置に、赤
外線検出部２ｅと基板１ｅとの相互間の熱伝導を抑制す
る熱分離空間部５ｅを形成し、赤外線検出部２ｅを絶縁
膜４で支持させた構成としている。かかる構成によれ
ば、赤外線検出部２ｅが赤外線を受光した際に、赤外線
検出部２ｅから基板１ｅへ熱が流出することが抑制され
て、赤外線検出部２ｅの温度上昇幅が大きくなるため
に、赤外線の検出感度、応答性を高めることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来で
は、上記赤外線検出素子を所望の一定サイズに製作する
にあたって、赤外線検出部２ｅを、熱分離空間部５ｅ上
に位置する絶縁膜４のサイズに対して如何ほどのサイズ
にすれば、感度のよい赤外線検出を行えるのか不明であ
った。即ち、上記の赤外線検出素子では、赤外線検出部
２ｅの面積を大きくすればするほど多量の赤外線を受光
できて好ましいが、その反面、赤外線検出部２ｅをむや
みに大きくすると、赤外線検出部２ｅと基板１ｅとの両
者間の絶縁膜４の寸法Ｌが短くなることにより、絶縁膜
４の熱抵抗が減少する。その結果、赤外線検出部２の熱
が基板１ｅ側へ逃げ易くなり、赤外線検出部２ｅが迅速
に温度上昇しなくなる。このように、熱分離空間部５ｅ
を形成したこの種の赤外線検出素子は、赤外線検出部２
ｅの面積を只単に拡大すれば赤外線の検出感度が向上す
るものではない。ところが、従来では、熱分離空間部５
ｅや赤外線検出部２ｅのサイズは、赤外線の検出感度の
観点からは適切に決定されておらず、従って赤外線検出
の感度を充分に高めることができなかったのが実情であ
った。

【０００５】本発明は上記の点に鑑みて提案されたもの
で、赤外線の受光効率が良好で且つ赤外線検出部から基
板側への不当な熱流出を少なくできて、赤外線検出の感
度を高めることができる赤外線検出素子を提供すること
を、その目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に提案された本発明に係る赤外線検出素子は、基板表面
に形成された絶縁膜上に赤外線検出部が設けられ、該赤
外線検出部の下方の絶縁膜よりも下層の位置には、赤外
線検出部と基板との相互間の熱伝導を抑制する熱分離空
間部が形成されて、赤外線検出部が絶縁膜により支持さ
れている赤外線検出素子であって、前記赤外線検出部の
外周の各辺の長さは、熱分離空間部上における絶縁膜の
各辺の長さの概ね２／３になるように構成されている。

【０００７】ここで、上記赤外線検出部のサイズと温度
上昇幅との関係について考察する。便宜上、図１に示す
ように、赤外線検出部は一辺の長さをｂ、熱分離空間部
上における絶縁膜の一辺の長さをａとすると、赤外線検
出部に入射する赤外線入射量Ｐは、赤外線検出部の面積
に比例するから、 Ｐ＝ｐ・ｂ・ｂ ・・・（１） となる。但し、ｐは比例定数である。また、赤外線検出
部から絶縁膜を伝って基板側に流出する熱量は、絶縁膜
の厚みが均一であれば、絶縁膜の長さ（ａ−ｂ）に反比
例する。従って、絶縁膜の熱抵抗Ｒは、 Ｒ＝ｒ・（ａ−ｂ）／２ ・・・（２） となる。ｒは比例定数である。

【０００８】更に、赤外線検出部の温度上昇幅は、赤外
線入射量Ｐと絶縁膜の熱抵抗Ｒとの積に比例するから、
温度上昇幅Ｔは、上記式（１）、（２）により、 Ｔ＝ｋ・ｂ・ｂ・（ａ−ｂ） ・・・（３） と表される。ｋは比例定数である。そして、温度上昇幅
の最大値Ｔmax は、ｄＴ／ｄｂ＝０で得られるから、式
（３）から、 ｄＴ／ｄｂ＝２ｋａｂ−３ｋｂ2 ＝０ ・・・（４） 式（４）をｂについて解けば、 ｂ＝２／３ａ ・・・（５） となる。

【０００９】即ち、式（５）から明らかなように、赤外
線検出部の辺の長さを熱分離空間部上における絶縁膜の
一辺の長さの２／３倍の長さにした場合に、赤外線検出
部の温度上昇幅は最大となり、本発明では赤外線検出部
の長さを概ねその長さに設定したものである。

【００１０】尚、上記式（５）の値を式（３）に代入す
ると、 Ｔmax ＝４ｋ・ａ・ａ・ａ／２７ ・・・（６） となる。従って、最大の温度上昇幅Ｔmax に対して９０
％の温度上昇を得るために必要な赤外線検出部の大きさ
は、 Ｔ＝Ｔmax ×０．９＝（４ｋ・ａ・ａ・ａ／２７）×０．９ とおいて、式（３）を代入し、ｂについて解くことによ
り、 ０．５３６ａ＜ｂ＜０．７８２ａ ・・・（７） となる。つまり、赤外線検出部の一辺の長さｂを、熱分
離空間部上における絶縁膜の一辺の長さａに対して、式
（７）の条件を満たすようにすれば、最大の温度上昇幅
に対して９０％の高い効率で、赤外線検出部の温度上昇
が可能となる。

【００１１】図２は、上述の理論により得られる熱分離
空間部上における絶縁膜の辺の長さａに対する赤外線検
出部の辺の相対長さｂと、温度上昇幅Ｔとの関係を示す
説明図であり、赤外線検出部の辺の長さｂが、上記式
（５）を充足する場合に、温度上昇の効率が最良とな
る。

【００１２】

【作用】上記構成を特徴とする本発明に係る赤外線検出
素子では、上述した一連の式（１）〜（５）等から明ら
かなように、赤外線検出部の外周の各辺の長さを、熱分
離空間部上における絶縁膜の各辺の長さの概ね２／３の
長さに設定することにより、赤外線検出部の温度上昇幅
を最大又は略最大の状態にできる。即ち、赤外線検出部
での赤外線受光面積の拡大を図ると同時に、絶縁膜を伝
っての基板側への熱流出による熱損失の割合を略最小限
度に抑制できる。従って、赤外線検出部は赤外線の受光
により大きな温度上昇幅で迅速に温度上昇を行うため、
赤外線の検出感度が向上し、又応答速度も迅速となる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図３は本発明に係る赤外線検出素子Ａの斜
視図、図４はその断面図である。当該赤外線検出素子Ａ
は、シリコン製等の半導体基板１の表面に絶縁膜４を形
成するとともに、その絶縁膜４上に赤外線検出部２を設
け、又該赤外線検出部２の下方には熱分離空間部５を設
けたものである。

【００１４】ここで、前記絶縁膜４としては、熱絶縁性
に優れた材質が適用され、例えばシリコン酸化膜の単層
膜又はシリコン酸化膜とシリコン窒化膜との多層膜で形
成されており、半導体基板１の表面の全域に亙って成膜
されている。熱分離空間部５は、赤外線検出部２の下方
に位置する半導体基板１の裏面側からＫＯＨ液による異
方性エッチング処理を施す等して、絶縁膜４よりも下層
の部位を一部除去することにより所望の切欠凹部状に形
成されたものである。絶縁膜４は、かかる熱分離空間部
５を形成する際のエッチング液のストッパとしても機能
するもので、熱分離空間部５の上方に位置する赤外線検
出部２は絶縁膜４によって支持されている。

【００１５】赤外線検出部２は、全体の平面形状が矩形
状に形成されたもので、その外周の縦横の各辺の長さｂ
１、ｂ２は、熱分離空間部５の上部の各辺の長さ、即
ち、熱分離空間部５上における絶縁膜４の各辺の長さａ
１、ａ２の各々に対して、２／３の長さになるように設
定されている。尚、赤外線検出部２は、前記絶縁膜４上
に、上下一対の電極２ａ、２ａ、薄膜抵抗体２ｂ、及び
赤外線吸収膜２ｃを重ねて設けることにより構成された
ものである。このうち、薄膜抵抗体２ｂは、例えば膜厚
が０．１〜５．０μｍの非結晶シリコン又は多結晶シリ
コンからなるもので、温度変化に伴って抵抗値が変化す
るものである。薄膜抵抗体２ｂとしては、温度上昇によ
って抵抗値が増加するものと減少するものの両方があ
り、本発明では何れのタイプでもよい。

【００１６】電極２ａ、２ａは、薄膜抵抗体２ｂの抵抗
値の変化が正確に検出できるように、薄膜抵抗体２ｂの
上下両側に重ねて設けられて、薄膜抵抗体２ｂと広面積
で接触するように構成され、又その各端部は後述する信
号処理回路６に接続されている。電極２ａ、２ａも好ま
しくは、半導体プロセスに適した薄膜材料で形成され、
その材料としては、ＡＵやＡｌ等の通常の電極材料の
他、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｉ、Ｐ
ｔ、Ｐｄ等の金属合金、或いは多結晶シリコンとのシリ
サイドを用いると、赤外線の吸収率が高いので、検出感
度を向上させることが可能である。赤外線吸収膜２ｃ
は、赤外線吸収率が高く且つ半導体プロセスに適した物
質で形成され、例えばシリコン酸化膜を適用でき、又金
黒等も使用可能である。

【００１７】一方、半導体基板１の絶縁膜４よりも下層
の他の部位には、通常の赤外線検出装置と同様の増幅回
路やその他の回路を備えた信号処理回路６が設けられ、
その適所には前記電極２ａ、２ａの各端部が絶縁膜４を
通過した状態で接続されている。また、上記赤外線検出
素子Ａには、赤外線以外の電磁波を遮断しつつ赤外線の
みを通過させる赤外線透過フィルタを薄膜形成により一
体的に設けておくことも可能である。

【００１８】上記構成の赤外線検出素子Ａは、先ず半導
体基板１の表面側上方から赤外線が照射されると、この
赤外線は赤外線吸収率の高い赤外線吸収膜２ｃに効率よ
く吸収され、赤外線検出部２の薄膜抵抗体２ｂの温度が
上昇する。そして、その温度上昇に伴った薄膜抵抗体２
ｂの抵抗値の変化が、電極２ａ、２ａ及び信号処理回路
６を通じて検出でき、赤外線検出が行える。但し、前記
赤外線検出部２が赤外線を受光吸収した場合には、赤外
線検出部２の熱の一部は、絶縁膜４を伝って半導体基板
１側へ流出する現象が発生する。

【００１９】而して、本発明では、赤外線検出部２の各
辺の長さｂ１、ｂ２が、熱分離空間部５上における絶縁
膜４の各辺ａ１、ａ２に対して２／３の比率の長さであ
るから、上述の「課題を解決するための手段」の欄で詳
述した通り、赤外線検出部２における温度上昇の幅を最
大の幅にできる。即ち、熱分離空間部５上における絶縁
膜４の面積（ａ１×ａ２）に対して赤外線検出部２が占
める面積をできる限り大きくすることにより赤外線受光
面積の拡大を図ると同時に、その赤外線受光面積が拡大
するほど増大する傾向にある絶縁膜４を伝っての半導体
基板１側への熱流出量の割合を最小限度に抑制し、赤外
線検出部２における温度上昇の反応を最良の状態にする
ことができる。従って、赤外線検出部２が赤外線を受光
吸収すれば、その温度上昇幅は非常に大きく、又迅速に
温度上昇を行い、赤外線検出の感度、応答性が非常に良
好となる。

【００２０】尚、本発明では、赤外線検出部２の各辺
を、熱分離空間部上における絶縁膜４の各辺の長さの２
／３の長さに正確に設定することが好ましいが、この種
の赤外線検出素子の製造に際しては、多少の寸法誤差が
発生することは回避できない。また、赤外線検出の用途
如何では、あえて赤外線検出部２に１００％の温度上昇
幅を要求しなくてもよい場合もある。従って、本発明で
は、必ずしも赤外線検出部２の各辺の長さが所定の長さ
に正確に一致している必要はなく、多少の寸法差が生じ
ていてもよい。

【００２１】図５は、本発明の他の実施例に係る赤外線
検出素子Ａａを示す斜視図である。当該赤外線検出素子
Ａａは、赤外線検出部２の周辺部において、絶縁膜４に
スリット（孔）８を複数箇所設けたものである。かかる
構成では、赤外線検出部２の受光面積を減少させること
なく、赤外線検出部２を支持する絶縁膜４の面積をスリ
ット８の面積分だけ減少させることができるために、赤
外線検出部２から絶縁膜４を伝わって逃げる熱量を一層
少なくすることができ、赤外線検出の感度を一層高める
ことが可能である。但し、本発明ではスリット８を設け
る場合であっても、赤外線検出部２の各辺を熱分離空間
部５上における絶縁膜４の各辺の概ね２／３の寸法に設
定することが条件である。

【００２２】また、本発明では、例えば図６に示す赤外
線検出素子Ａｂのように、赤外線検出部２の近傍の絶縁
膜４の位置に設けたスリット８から、エッチング液を注
入することにより、半導体基板１の表面側の一部を除去
して熱分離空間部５ａを形成してもよい。更に、電極２
ａ、２ａも、薄膜抵抗体２ｂの上下両面を挟む二層タイ
プのものに特定ず、図７の赤外線検出素子Ａｃのよう
に、平面形状が互いに対向する櫛型状の一層タイプの電
極２ａ、２ａとしてもよい。このような構造であって
も、電極２ａ、２ａを薄膜抵抗体に対して広い面積で接
触させることができ、薄膜抵抗体２ｂの抵抗値の変化を
正確に検出可能である。

【００２３】その他、本発明は、温度変化により抵抗値
が変化する材料を用いた所謂サーミスタ方式の赤外線検
出素子として構成するに限らず、それ以外の焦電効果を
利用した焦電方式、或いは熱電対を直列に複数個繋げた
サーモパイル方式の赤外線検出素子として構成してもよ
い。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る赤外線検出
素子によれば、赤外線検出部の各辺の長さを所定の寸法
に設定することにより、赤外線検出部の受光面積を能率
よく拡大した上で、赤外線検出部から絶縁膜を介しての
熱流出量の割合いを最小限度に抑制できるから、赤外線
を受光した際の赤外線検出部の温度上昇幅が大きく、又
その温度上昇は迅速に行われ、赤外線検出の感度、応答
性を非常に良好にできるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（イ）、（ロ）は、本発明に係る赤外線検出素
子の基本的構成を示す説明図。

【図２】赤外線検出部のサイズと温度上昇幅との関係を
示す説明図。

【図３】本発明に係る赤外線検出素子の一実施例を示す
斜視図。

【図４】図３に示す赤外線検出素子の断面図。

【図５】本発明に係る赤外線検出素子の他の実施例を示
す斜視図。

【図６】本発明に係る赤外線検出素子の熱分離空間部の
他の形成手段を示す断面図。

【図７】本発明に係る赤外線検出素子の電極を他の形態
に構成した場合の一例を示す平面図。

【図８】従来の赤外線検出素子を示す断面図。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 赤外線検出部 ２ａ，２ａ 電極 ２ｂ 薄膜抵抗体 ２ｃ 赤外線吸収膜 ４ 絶縁膜 ５，５ａ 熱分離空間部 ａ，ａ１，ａ２ 熱分離空間部上における絶縁膜の辺の
長さ ｂ，ｂ１，ｂ２ 赤外線検出部の各辺の長さ Ａ〜Ａｃ 赤外線検出素子

【手続補正書】

【提出日】平成５年１月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】ここで、上記赤外線検出部のサイズと温度
上昇幅との関係について考察する。便宜上、図１に示す
ように、赤外線検出部は一辺の長さをｂ、熱分離空間部
上における絶縁膜の一辺の長さをａとすると、赤外線検
出部に入射する赤外線入射量Ｐは、赤外線検出部の面積
に比例するから、Ｐ＝Ｐｂ² ・・・（１） となる。但し、ｐは比例定数である。また、赤外線検出
部から絶縁膜を伝って基板側に流出する熱量は、絶縁膜
の厚みが均一であれば、絶縁膜の長さ（ａ−ｂ）に反比
例する。従って、絶縁膜の熱抵抗Ｒは、 Ｒ＝ｒ・（ａ−ｂ）／２ ・・・（２） となる。ｒは比例定数である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】更に、赤外線検出部の温度上昇幅は、赤外
線入射量Ｐと絶縁膜の熱抵抗Ｒとの積に比例するから、
温度上昇幅Ｔは、上記式（１）、（２）により、Ｔ＝ｋｂ²（ａ−ｂ） ・・・（３） と表される。ｋは比例定数である。そして、温度上昇幅
の最大値Ｔmax は、ｄＴ／ｄｂ＝０で得られるから、式
（３）から、ｄＴ／ｄｂ＝２ｋａｂ−３ｋｂ²＝０ ・・・（４） 式（４）をｂについて解けば、ｂ＝２ａ／３ ・・・（５） となる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】尚、上記式（５）の値を式（３）に代入す
ると、Ｔmax ＝４ｋａ³／２７ ・・・（６） となる。従って、最大の温度上昇幅Ｔmax に対して９０
％の温度上昇を得るために必要な赤外線検出部の大きさ
は、 Ｔ＝Ｔmax ×０．９＝（４ｋ・ａ・ａ・ａ／２７）×０．９ とおいて、式（３）を代入し、ｂについて解くことによ
り、 ０．５３６ａ＜ｂ＜０．７８２ａ ・・・（７） となる。つまり、赤外線検出部の一辺の長さｂを、熱分
離空間部上における絶縁膜の一辺の長さａに対して、式
（７）の条件を満たすようにすれば、最大の温度上昇幅
に対して９０％の高い効率で、赤外線検出部の温度上昇
が可能となる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板表面に形成された絶縁膜上に赤外線検
   出部が設けられ、該赤外線検出部の下方の絶縁膜よりも
   下層の位置には、赤外線検出部と基板との相互間の熱伝
   導を抑制する熱分離空間部が形成されて、赤外線検出部
   が絶縁膜により支持されている赤外線検出素子であっ
   て、前記赤外線検出部の外周の各辺の長さは、熱分離空
   間部上における絶縁膜の各辺の長さの概ね２／３になる
   ように構成されていることを特徴とする赤外線検出素
   子。