JPH05203487A - 赤外線検出素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 赤外線吸収膜の強度性や生産性等に難点を生
じさせることなく赤外線吸収率を高めて、赤外線検出を
高感度で行わせる。 【構成】 基板１の片面に設けられた赤外線検出部２
が、上下一対の電極２ａ、２ａ’間に薄膜抵抗体２ｂが
設けられ且つ上側電極２ａの表面側に保護膜２ｃが設け
られて構成されている赤外線検出素子であって、前記保
護膜２ｃと薄膜抵抗体２ｂの両者は、低屈折率の赤外線
吸収膜として機能するよう構成され、該保護膜２ｃと薄
膜抵抗体２ｂとの両者間に位置する上側電極２ａは、保
護膜２ｃや薄膜抵抗体２ｂよりも高屈折率の赤外線吸収
膜として機能するよう構成されている。

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】近時、この種赤外線検出素子としては、
ハーメチックシールド型以外のものとして、半導体基板
等の基板の片面に赤外線検出部を設けた所謂ワンチップ
型のものも多々開発されるに至っている。ここで、基板
の片面に設けられる赤外線検出部は、赤外線の受光吸収
に基づく温度上昇に伴って抵抗値が変化する薄膜抵抗体
や、該薄膜抵抗体の抵抗値の変化を検出するための電
極、及び赤外線検出部の最表層に設けられる保護膜等か
ら構成されている。このようなタイプの赤外線検出素子
では、受光する赤外線の吸収率が高いほど、薄膜抵抗体
の温度上昇幅が大きく、又その温度上昇が迅速に行わ
れ、赤外線検出の感度を高めることが可能である。その
ため、従来では、赤外線検出部の最表層に、赤外線吸収
率の高い金黒や白金黒等からなる赤外線吸収膜を設け
て、赤外線の吸収効率を高めていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の金黒や白金黒からなる赤外線吸収膜は、その膜組成
の構造上の理由から、強度性に劣り、また赤外線検出部
表面への密着性が悪く、剥離を生じ易い他、半導体プロ
セスでの製造は困難で、量産性にも劣る等の難点を有し
ていた。尚、かかる難点を解消する手段としては、例え
ば赤外線吸収膜を酸化シリコン膜で構成するようなこと
も考えられるが、このような手段では金黒等に比較する
とその赤外線吸収率が劣り、赤外線検出感度が低下する
という難点がある。それ故、本発明は、赤外線検出部の
強度性や生産性等に難点を生じさせることなく赤外線吸
収率を高めて、赤外線検出を高感度で行うことができる
赤外線検出素子を提供することを、その目的としてい
る。

【０００４】

【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、基板の片
面に赤外線検出部が設けられ、この赤外線検出部は、上
下一対の電極間に薄膜抵抗体が設けられるとともに、上
側電極の表面側に保護膜が設けられて構成されている赤
外線検出素子であって、前記保護膜と薄膜抵抗体との両
者は、低屈折率の赤外線吸収膜として機能するよう構成
され、該保護膜と薄膜抵抗体との両者間に位置する上側
電極は、それら保護膜や薄膜抵抗体よりも高屈折率の赤
外線吸収膜として機能するよう構成されている。

【０００５】

【作用】上記構成を特徴とする赤外線検出素子では、赤
外線が赤外線検出部に入射してきた場合に、先ず最表層
の赤外線吸収膜としての保護膜で赤外線の一部が反射さ
れるとともに、反射されない赤外線の一部は保護膜を透
過する。而して、保護膜よりも下層の上側電極は保護膜
よりも高屈折率であるから、その屈折率の差に原因し、
保護膜を透過して上側電極の表面に到達してきた赤外線
の一部は高屈折率の上側電極の表面で上方へ反射され、
最表層の保護膜に吸収される。また、最表層の保護膜を
透過した赤外線の他の一部は、赤外線吸収膜としての機
能を発揮する上側電極に入射してその一部が吸収される
とともに、その残りの一部は、上側電極よりも下層位置
にある薄膜抵抗体の表面においてやはり反射され、上側
電極に吸収される。更に、薄膜抵抗体の表面で反射され
ずに該薄膜抵抗体内に入射した赤外線の一部は、下側電
極の表面で反射され、高屈折率の赤外線吸収膜として機
能する上側電極に吸収されることとなる。

【０００６】このように、本発明では、保護膜は勿論の
こと、上側電極や薄膜抵抗体をも赤外線吸収膜として機
能させ、しかもこれら保護膜、上側電極、薄膜抵抗体の
三者間において、赤外線の入射吸収と反射吸収が繰り返
されて行われるから、これら全体としての赤外線吸収率
は非常に高くなる。また、赤外線吸収膜として機能する
保護膜、上側電極、薄膜抵抗体の三者を、各々異なる波
長領域の赤外線を吸収する特性のものとすれば、赤外線
の吸収波長領域が特定の狭い一定波長領域に限定される
ようなことも解消される。

【０００７】

【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１は本発明に係る赤外線検出素子Ａの斜
視図、図２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の表面に赤外線検出部
２が設けられて構成されたものである。

【０００８】ここで、半導体基板１は、その表面の全域
に亙って酸化シリコン膜又は酸化シリコンと窒化シリコ
ンの多層膜等で構成された絶縁膜４を形成したものであ
る。また、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、熱分離空間部５が設けられている。この熱
分離空間部５は、赤外線検出部２から半導体基板１側へ
の不当な熱の流出を抑制するためのもので、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
よりも下層の部位の一部を除去することにより所望の切
欠凹部状に形成される。

【０００９】赤外線検出部２は、薄膜抵抗体２ｂ、上下
一対の電極２ａ、２ａ’、及びその電極２ａ、２ａ’の
うちの上側電極２ａの表面に設けられた保護膜２ｃから
構成されているが、これらのうち少なくとも保護膜２
ｃ、上側電極２ａ、薄膜抵抗体２ｂの各々は、以下に詳
述する如く赤外線吸収膜として機能すべく構成されてい
る。最表層の保護膜２ｃは、低屈折率の赤外線吸収膜と
して機能するもので、例えば酸化シリコン膜で形成さ
れ、又その光学的膜厚は検出対象とする赤外線波長の１
／４となるように形成されている。光学的膜厚とは、膜
の屈折率と膜厚との積であるから、例えば波長１０μｍ
の赤外線検出を主とする場合において、酸化シリコン膜
（屈折率１．４６）を適用する場合では、その膜厚が約
１．７μｍに設定されている。

【００１０】薄膜抵抗体２ｂは、温度変化に伴って抵抗
値が変化するもので、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何れのタイプでもよく、例えば
非結晶シリコンや多結晶シリコンから構成される。当該
薄膜抵抗体２ｂも上記保護膜２ｃと同様に、低屈折率の
赤外線吸収膜として機能するもので、その膜厚は例えば
８００μｍ程度に形成されている。

【００１１】上下一対の電極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の上下両面側に設けられて、薄膜抵抗体２ｂ
と広面積で接触するように構成されている。このうち、
上側電極２ａは、高屈折率の赤外線吸収膜として機能す
るもので、消衰係数の小さな金属を用いて適当な厚みの
薄膜を形成することにより構成される。消衰係数とは、
複素屈折率ｎ＋ｉｋの虚数部ｋである。当該上側電極２
ａとしては、例えば膜厚が０．０５μｍ以下のニッケル
クロム合金膜が適用される。尚、膜厚が０．０１μｍの
ニッケルクロム合金では赤外線吸収率は９３％の高い吸
収効率が得られる。他方、下側電極２ａ’も半導体プロ
セスに敵した薄膜材料で形成されるが、好ましくは薄膜
抵抗体２ｂ等を透過してきた赤外線をその上方の薄膜抵
抗体２ｂや上側電極２ａ側へ効率よく反射する例えばＡ
ｌやＣｒ等の金属薄膜が適用される。

【００１２】尚、電極２ａ、２ａ’の各端部は信号処理
回路６に接続されているが、この信号処理回路６は、半
導体基板１の絶縁膜４よりも下層の他の部位に適宜設け
ることができ、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ものである。また、前記赤外線
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。

【００１３】次に、上記赤外線検出素子Ａの作用につい
て説明する。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検出部２に吸収
され、薄膜抵抗体２ｂの温度が上昇する。そして、その
温度上昇に伴って薄膜抵抗体２ｂの抵抗値が変化する
が、この抵抗値の変化は電極２ａ、２ａ’及び信号処理
回路６を通じて検出され、赤外線検出が行われる。

【００１４】而して、最表層の保護膜２ｃに対して赤外
線が入射した場合、先ずその保護膜２ｃで赤外線の一部
が反射されるが、その保護膜２ｃに入射した赤外線が保
護膜２ｃを透過して次の上側電極２ａの表面に達する
と、これら上側電極２ａと保護膜２ｃの屈折率の差に原
因して上方へ反射される。従って、保護膜２ｃの表面で
の反射光と、上側電極２ａの表面での反射光とは、位相
がずれて打ち消し合うために、結果的に最表層の保護膜
２ｃに吸収されることとなる。また、上側電極２ａの表
面で反射されずに、上側電極２ａ内に入射した赤外線の
大部分は、そのまま上側電極２ａで吸収される。更に、
この上側電極２ａで直接吸収されなかった赤外線は、薄
膜抵抗体２ｂに入射し、Ａｌ等の材質からなる下側の電
極２ａ’の表面でやはり上方へ反射されることにより、
その反射光も高屈折率の赤外線吸収膜として機能する上
側電極２ａで吸収される。

【００１５】このように、赤外線吸収膜として機能する
保護膜２ｃ、上側電極２ａ、薄膜抵抗体２ｂは赤外線の
直接的な吸収のみならず、反射した赤外線の吸収をも効
率よく行うものであるから、これら三者全体としての赤
外線吸収率は非常に高いものとなる。特に、低屈折率の
赤外線吸収膜として機能する保護膜２ｃや薄膜抵抗体２
ｂの光学的膜厚が、赤外線波長の１／４に設定されてい
れば、特開平２−１９６９２９号等に記載の公知理論か
ら理解されるように、それら保護膜２ｃや薄膜抵抗体２
ｂにおける赤外線吸収効率を最大限に高めることが可能
となる。

【００１６】また、最表層の保護膜２ｃが酸化シリコン
膜であると、１０μｍの波長帯域の赤外線吸収率を一層
高めることが可能となり、かかる波長帯域の赤外線を発
する人体等の検知用途には好都合となる。かかる酸化シ
リコン製の保護膜２ｃは機械的強度にも優れるもので、
赤外線検出部２の保護機能も充分に発揮する。更に、保
護膜２ｃ、上側電極２ａ、及び薄膜抵抗体２ｂの三者
は、各々異なる材質で形成されているが、これら各層は
各々異なる波長領域の赤外線を吸収する特性を有するか
ら、赤外線の吸収波長領域が特定の狭い一定波長領域に
限定されるようなことも解消できる。従って、赤外線吸
収による薄膜抵抗体２ｂの温度上昇幅を一層広げること
ができ、又温度上昇速度を一層迅速なものにできる。

【００１７】図３は、本発明に係る赤外線検出部での赤
外線吸収率を、受光する赤外線の波長との関係で示した
実験データ値である。本発明に係る赤外線検出部での赤
外線吸収率を、同図に併記された酸化シリコン膜の赤外
線吸収率と比較した場合、本発明ではその赤外線吸収率
が何れの波長領域においても優れていることが理解され
る。

【００１８】尚、上記実施例では、赤外線検出部２の下
方に熱分離空間部５を形成したこととににより、赤外線
検出部２から半導体基板１への不当な熱流出が防止でき
て、赤外線検出の一層の感度向上が図れる利点が得られ
るが、本発明ではかかる熱分離空間部５の有無は勿論の
こと、その他各部の具体的な構成は上記実施例のように
限定されるものではない。また、本発明でいう低屈折率
及び高屈折率とは、あく迄も三層の赤外線吸収膜どう
し、即ち、保護膜２ｃ、上側電極２ａ、及び薄膜抵抗体
２ｂ相互の関係において、屈折率を相対的に比較するも
のであり、要は、保護膜２ｃ及び薄膜抵抗体２ｂより
も、その中間に位置する上側電極２ａの屈折率が高けれ
ばよい。

【００１９】

【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、金黒や白金黒のように強度性や量産性等
の幾多の面で難点がある材質を用いることなく赤外線検
出部における赤外線吸収率を大幅に高めることができる
ため、機械的強度や量産性の向上が図れると同時に、赤
外線検出の感度、応答性を非常に良好なものにできると
いう格別な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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２】図１に示す赤外線検出素子の断面図。

【図３】本発明に係る赤外線検出部の赤外線吸収率と酸
化シリコンの赤外線吸収率を比較した説明図。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 赤外線検出部 ２ａ 上側電極 ２ａ’ 下側電極 ２ｂ 薄膜抵抗体 ２ｃ 保護膜 ４ 絶縁膜 ５ 熱分離空間部 ６ 信号処理回路 Ａ 赤外線検出素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板の片面に赤外線検出部が設けられ、こ
   の赤外線検出部は、上下一対の電極間に薄膜抵抗体が設
   けられるとともに、上側電極の表面側に保護膜が設けら
   れて構成されている赤外線検出素子であって、 前記保護膜と薄膜抵抗体との両者は、低屈折率の赤外線
   吸収膜として機能するよう構成され、該保護膜と薄膜抵
   抗体との両者間に位置する上側電極は、それら保護膜や
   薄膜抵抗体よりも高屈折率の赤外線吸収膜として機能す
   るよう構成されていることを特徴とする赤外線検出素
   子。
2. 【請求項２】前記上側電極がニッケルクロム合金である
   請求項１記載の赤外線検出素子。
3. 【請求項３】前記保護膜が酸化シリコンである請求項１
   又は２記載の赤外線検出素子。