JPH08278193A - 赤外線検出素子とその製造方法 - Google Patents

赤外線検出素子とその製造方法

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JPH08278193A
JPH08278193A JP7082637A JP8263795A JPH08278193A JP H08278193 A JPH08278193 A JP H08278193A JP 7082637 A JP7082637 A JP 7082637A JP 8263795 A JP8263795 A JP 8263795A JP H08278193 A JPH08278193 A JP H08278193A
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智宏 石川
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雅史 上野
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/146—Imager structures

Abstract

(57)【要約】 【目的】 感熱半導体層の赤外線検出感度と赤外線吸収
感度を向上し、感熱半導体層自体で赤外線の吸収と検出
の両方ができ、特別な吸熱層を設けずに感熱半導体自体
で赤外線の検出ができる赤外線検出素子を提供すること
である。 【構成】 基板と、この基板上に形成された絶縁層と、
この絶縁層上に形成された温度に対して電気抵抗が変化
し、この抵抗温度係数が比較的大きな半導体層およびこ
の半導体層を挟んで形成された高濃度不純物層とで形成
される感熱半導体層と、この高濃度不純物層と接続され
た電極とを備えた構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ボロメータ型の赤外
線検出素子とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図１５（ａ）は、従来のボロメータ型の
赤外線検出素子の基本的な構造を示す平面図である。図
１５（ｂ）は図１５（ａ）のＡＡ断面図である。図にお
いて、１は基板である。２は赤外線検出部で、基板１上
に形成され、熱により抵抗値が変化する可変抵抗層で、
例えば金属薄膜、酸化バナジウム等のセラミクス、多結
晶、非晶質シリコン等の材料で形成されている。３は電
極で、この電極により、感熱層に電圧あるいは電流を印
加する。４は基板１上に形成された絶縁層である。
【０００３】図１６は、図１５の基本構造の種々の具体
的な実施例の赤外線検出部分の構成を示したものであ
る。図１６（ａ）に示す従来例は、絶縁層４の上に空洞
５が形成されており、この上に感熱半導体層あるいは感
熱抵抗層による赤外線検出部２が形成されている。この
検出部の表面は、外部に信号を読み出すための電極３に
より殆ど覆われている。この電極３による赤外線吸収熱
は感熱抵抗層２に伝達され赤外線の検出感度が増加す
る。図１６（ｂ）に示す従来例は、検出器の直上に金属
薄膜による熱吸収層６を設け、この熱を赤外線検出部２
に伝達して感度を向上するようにしている。図１６
（ｃ）に示す従来例は、赤外線検出部２からの外部取出
電極３を、ＴｉＮ等の金属電極を使用し、この電極３を
熱吸収層の働きをも兼ねるようにしている。なお、その
素子の電流の流れは、例えば右の電極８から流入し、感
熱抵抗層を通って一旦下の電極８に流れ、次に下の電極
８から感熱抵抗層２を通って左上の電極８に流れる。
【０００４】この様な従来の赤外線検出素子の動作を示
す。赤外線検出素子に赤外線が照射されると、周囲の吸
収層等から伝達された熱により感熱層の抵抗値が変化す
る。この抵抗値の変化を電極３に印加した電圧あるいは
電流の変化として検出し、赤外線の照射を検出する。
【０００５】しかしながら、従来の多結晶、あるいは非
晶質シリコンを用いた赤外線検出素子においては、必要
な抵抗温度係数（後述する）を得るために添加する不純
物量を微少とすると、赤外線の吸収量が非常に小さい。
このため、赤外線吸収を高めるために、図１６（ａ）に
示したように、多結晶および非晶質シリコンと電気信号
を接続する導電膜を多結晶および非晶質シリコンの上ま
たは下を覆ったり、図１６（ｂ）に示したように、熱吸
収層６を設けたり、また図１６（ｃ）に示したように、
金属薄膜８を検出器内に別に設けるなど、赤外線の吸収
を補助している。このように、従来の赤外線検出素子に
おいては、感熱半導体以外の膜を用いて赤外線を吸収
し、これを感熱半導体等に伝達して赤外線を検出すると
いう構造が必要であった。
【０００６】図１７に、上記赤外線検出素子をアレー状
に配置して形成した赤外線撮像装置を示す。図において
１４は図１５に示したに赤外線検出素子、１５は垂直方
向画素選択回路、１６は水平方向画素選択回路である。
これら回路は赤外線検出素子１４に走査線を介して接続
されている。特定の画素の選択は次のように行われる。
例えば垂直方向画素選択回路１５の第３端子と水平方向
画素選択回路１６の第２端子に電圧を印加したとする
と、電流がａｂｃｄの経路を通って流れ赤外線検出素子
１４が選択される。このとき、この素子に赤外線の照射
があれば、電圧あるいは電流の変化として検知される。
しかしながら、この素子を流れる電流経路としてａｂｅ
ｆｇｈｉｊｃｄの経路も可能であり、同様にして他の素
子選択時の電流の重なり合いもあるので、真の選択素子
の見分けが付かなくなる場合がある。そこで、図１８に
示すように、走査線の交差部分にそれぞれ電界効果トラ
ンジスタ１７等によるスイッチ素子を設け、所定の素子
のみを選択するようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ボロメータ型赤外線検
出素子の性能は、雑音等価温度差（ＮＥＴＤ）をいかに
小さくするかによる。ボロメータ型赤外線検出素子のＮ
ＥＴＤは ＮＥＴＤ ∝ Ｇ（１＋ω2τ2）1/2/（ＩbαＲeη） （１） と表される。ここでＩbは感熱抵抗層のバイアス電流、
Ｒeは感熱抵抗層の抵抗値、αは抵抗温度係数（ＴＣ
Ｒ）、ηは赤外線検出素子の赤外線吸収率、Ｇは赤外線
検出素子と基板との間の熱伝導率、ωは赤外線の角周波
数、τは熱反応時間である。性能の良いボロメータ型赤
外線検出素子は、（１）赤外線の検出感度である抵抗温
度係数ＴＣＲが大きいこと、（２）低い熱伝導率、
（３）小さい熱容量、（４）赤外線吸収率が大きいこと
等を満たすことである。即ち、赤外線検出素子の赤外線
の吸収量と検出感度の両方が大きいことが必要である。
【０００８】多結晶シリコン、あるいは非晶質シリコン
を感熱抵抗層として用いる場合、ボロンやリン、ヒ素等
の不純物を注入して所望の抵抗率および高い抵抗温度係
数（ＴＣＲ）を得ることにより感度を増加することがで
きる。このことに関しては、多結晶および非晶質シリコ
ンを使用したボロメータの例として、米国特許５０２１
６６３号や特開平５−５０７１４４号公報などに、抵抗
温度係数を制御するために不純物を制御する方法が述べ
られている。しかし、必要な抵抗温度係数を得るために
添加する不純物量が微少である場合、多結晶及び非晶質
シリコン自体の赤外線吸収量は非常に小さい。このた
め、赤外線吸収を高めるために多結晶および非晶質シリ
コンと電気信号を接続する導電膜を多結晶および非晶質
シリコンの上または下を覆ったり、金属薄膜を検出器内
に別に設けて、赤外線の吸収を補助する構造が必要であ
るという問題があった。
【０００９】また、素子の抵抗は多結晶及び非晶質シリ
コンと薄膜金属およびその化合物と電極との接触部の界
面状態や薄膜金属およびその化合物の種類などに依存
し、特に多結晶および非晶質シリコンの不純物濃度の薄
い場合は安定したオーミックコンタクトを得ることが難
しいという問題があった。抵抗の温度変化を検出する方
法をとる抵抗ボロメータ方式では、よいオーミックコン
タクトをとることは、抵抗の電流−電圧特性の安定性及
びコンタクト部の１/ｆ雑音の低減のためにもたいへん
重要である。
【００１０】また、赤外線検出素子が微細化すると、高
密度実装が可能となるが、個々の赤外線検出素子の受光
面積が減少し、感度が低下するという問題がある。
【００１１】また、赤外線撮像装置において、個々の赤
外線検出素子部分に素子選択用の回路を付加すると、回
路等が大きな面積を占め、構造が複雑となり、高密度実
装が困難となるという問題がある。
【００１２】また、シリコン集積回路と赤外線検出部と
を同一の製造ラインで形成すると、集積回路形成時の高
温により、赤外線検出部に高濃度不純物層からの不純物
の拡散により、検出感度が低下するという問題があっ
た。
【００１３】また、従来の赤外線検出素子および赤外線
撮像装置では、感熱抵抗層２として酸化バナジウム等の
材料を用いたため、シリコン半導体集積装置の製造装置
を用いて製造しようとすると、装置を汚染する等の問題
があり、半導体集積回路とが同一の製造装置で形成でき
ないため、赤外線撮像装置の製造の歩留まりが悪く、高
価であるという問題があった。
【００１４】また、微細な赤外線検出素子を形成すると
き、電子製版のマスクずれ等によるロット間素子のバラ
ツキ等を生ずるという問題があった。
【００１５】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、感熱半導体層の赤外線検出感度
と赤外線吸収感度とを向上し、感熱半導体層自体で赤外
線の吸収と検出の両方ができる赤外線検出素子を提供す
ることを第１の目的とする。また、第１の目的を達成す
るとともに、素子の抵抗率が大きくても低い電圧で駆動
できる赤外線検出素子の構造を提供することを付加的な
目的とし、これを第２の目的とする。また、第１の目的
を達成するとともに、同時に形成する集積回路の高温の
製造工程後においても素子性能が変わらない赤外線検出
素子を提供することを付加的な目的とし、これを第３の
目的とする。また、第１の目的を達成するとともに、単
純な素子構成で赤外線撮像装置の素子の選択が可能な赤
外線素子を提供することを付加的な目的とし、これを第
４の目的とする。また、第１の目的を達成するととも
に、製造ロット間の性能のバラツキの少ない赤外線検出
素子を提供することを付加的な目的とし、これを第５の
目的とする。また、赤外線素子形成時における写真製版
のマスク合わせ精度の高い赤外線検出素子の製造方法を
提供することを第６の目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】請求項１に係わる発明
は、基板と、この基板上に形成された絶縁層と、この絶
縁層上に形成され温度に対して電気抵抗が変化し、その
抵抗温度係数が比較的大きな半導体層およびこの半導体
層を挟んで形成された高濃度不純物層とで形成される感
熱半導体層と、この高濃度不純物層と接続された電極と
を備えるようにしたものである。
【００１７】請求項２に係わる発明は、基板上の絶縁層
上に形成された第１の電極と、この第１の電極上に形成
された第１の高濃度不純物層とこの第１の高濃度不純物
層上に形成され温度に対して電気抵抗が変化し、その抵
抗温度係数が比較的大きな半導体層及びこの半導体層上
に形成された第２の高濃度不純物層とで構成される感熱
半導体層と、この第２の高濃度不純物層上に形成された
第２の電極とを備え、第１及び第２の高濃度不純物層が
半導体層上下の全面に形成されるようにしたものであ
る。
【００１８】請求項３に係わる発明は、請求項１または
２の発明において、半導体層と高濃度不純物層との間に
拡散防止層を備えるようにしたものである。
【００１９】請求項４に係わる発明は、請求項１または
３の発明において、基板上の絶縁層上の基板面と平行な
面内に形成された第１及び第２の高濃度不純物層間に半
導体層を備えるようにしたものである。
【００２０】請求項５に係わる発明は、請求項１から４
のいずれかの発明において、感熱半導体層がダイオード
を構成しているようにしたものである。
【００２１】請求項６に係わる発明は、半導体層上に絶
縁層を形成する工程と、この絶縁層に第１のレジストマ
スクを形成し、これをマスクとして上記絶縁層の一部を
除去する工程と、この上に不純物を注入し第１の高濃度
不純物層を形成する工程と、この第１のレジストマスク
を除去した後、残された上記絶縁層を基準位置として第
２のレジストマスクを形成し、これをマスクとして不純
物を注入し第２の高濃度不純物層を形成する工程とを備
えるようにしたものである。
【００２２】
【作用】請求項１の発明は、比較的大きな抵抗温度係数
の半導体層を用いたので、半導体層自体の赤外線の検出
感度が高められるように働き、高濃度不純物層の赤外線
吸収率が大きいので赤外線の吸収量を増加するように働
き、また電極との接続部をオーミックとしたので信号の
バラツキを防ぐように働き、感熱半導体層自体で赤外線
が検出できるように感度を高めるように働く。
【００２３】請求項２の発明は、比較的大きな抵抗温度
係数の半導体層を用いたので、半導体層自体の赤外線の
検出感度が高められるように働き、高濃度不純物層の赤
外線吸収率が大きく、またこの面積を大きくとったので
赤外線の吸収量を増加するように働き、また電極との接
続部をオーミックとしたので信号の減少を防ぐように働
き、感熱半導体層自体で赤外線が検出できるように感度
を高められるように働く。また、第１及び第２の高濃度
不純物層が上記半導体層上下の全面に形成されるように
したので、感熱半導体層の抵抗率が大きい場合でも、素
子の抵抗値を小さくするように働く。
【００２４】請求項３の発明は、請求項１または２の発
明において、半導体層と高濃度不純物層との間に拡散防
止層を備えるようにしたので、半導体層自体の赤外線の
検出感度が高められるように働き、高濃度不純物層によ
り赤外線の吸収量を増加するように働き、また電極との
接続部をオーミックとしたので信号の減少を防ぐように
働き、感熱半導体層自体で赤外線が検出できるように感
度を高めるように働くとともに、高温製造工程における
高濃度不純物層から感熱半導体層への不純物の拡散を防
止するように働く。
【００２５】請求項４に係わる発明は、請求項１または
３の発明において、基板上の絶縁層上の基板面と平行な
面内に形成された第１及び第２の高濃度不純物層間に半
導体層を備えるようにしたので、半導体層自体の赤外線
の検出感度が高められるように働き、高濃度不純物層に
より赤外線の吸収量を増加するように働き、また電極と
の接続部をオーミックとしたので信号の減少を防ぐよう
に働き、感熱半導体層自体で赤外線が検出できるように
感度を高めるように働くとともに、半導体層の幅を規定
する写真製版の精度を高めるように働く。
【００２６】請求項５に係わる発明は、請求項１から４
のいずれかの発明において、感熱半導体層がダイオード
機能を有するようにしたので、半導体層自体の赤外線の
検出感度が高められるように働き、高濃度不純物層によ
り赤外線の吸収量を増加するように働き、また電極との
接続部をオーミックとしたので信号の減少を防ぐように
働き、感熱半導体層自体で赤外線が検出できるように感
度を高めるように働くとともに、赤外線検出素子をマト
リクス状に配置して形成した赤外線撮像装置において、
所望の素子以外の電流路が阻止されるように働く。
【００２７】請求項６の発明は、半導体層上に絶縁層を
形成する工程と、この絶縁層に第１のレジストマスクを
形成し、これをマスクとして上記絶縁層の一部を除去す
る工程と、この上に不純物を注入し第１の高濃度不純物
層を形成する工程と、この第１のレジストマスクを除去
した後、残された上記絶縁層を基準位置として第２のレ
ジストマスクを形成し、これをマスクとして不純物を注
入し第２の高濃度不純物層を形成する工程とを備えるよ
うにしたので、第１のレジストマスクで形成された絶縁
層の端部が、第２のレジストマスクのアラインメントの
マークとして用いられるように働く。
【００２８】
【実施例】
実施例１．図１（ａ）にこの発明の赤外線検出素子の第
１の実施例の平面図を、また図１（ｂ）に図１（ａ）の
ＡＡ断面図を示す。２０はシリコン基板で、２１はシリ
コン基板上に形成された絶縁層である。２２は後述の空
洞２５上の、絶縁層２１上に形成された赤外線波長領域
で大きな吸収率を有する絶縁層である。２３は感熱半導
体層で、赤外線吸収による温度上昇で抵抗値が変化する
可変抵抗層である。この感熱半導体層２３は、絶縁層２
２上に形成され、赤外線の検出感度である抵抗温度係数
が比較的大きい半導体層と、この半導体層の上下全面を
挟んで形成された赤外線の吸収量が大きい高濃度不純物
層とで形成され、多結晶または非晶質シリコンで形成さ
れている。素子面積は例えば３０μｍ×３０μｍで、膜
厚約２０００Å程度のものである。２４は電極で、感熱
半導体層２３と外部回路と接続されている。２５は空洞
で、感熱半導体層２３の下側の絶縁層２２の下に形成さ
れ、感熱半導体層２３の熱が外部に伝達しにくいように
するためのものである。
【００２９】この実施例１の赤外線検出素子は、薄い感
熱半導体層２３を挟んで上下に広い電極２４を備えた構
造のもので、このようにすることにより、感熱半導体層
２３の抵抗率が大きい場合でも電極２４間の抵抗値を小
さくすることができるので、信号処理回路に適合した低
い印加電圧で駆動することができる。
【００３０】図２は図１の感熱半導体層２３の部分を拡
大して示したものである。図２（ａ）の感熱半導体層２
３は、赤外線吸収による温度上昇で抵抗値が変化する可
変抵抗層である。この感熱半導体層２３は、赤外線の検
出感度である抵抗温度係数が比較的大きい半導体層２
６、例えば所望の抵抗率、例えば１０4Ωｍ〜１０-2Ω
ｍ等、および所望の抵抗温度係数（ＴＣＲ）となるよう
に不純物が注入されているか、あるいは全く不純物の注
入のない多結晶または非晶質シリコン層と、この半導体
層２６を挟んで形成された赤外線の吸収量が大きく、ま
た電極２４とオーミック接続をする高濃度不純物層２
７、２８とで形成されている。さらに高濃度不純物層２
７、２８を挟んでその両側に電極２４が形成されてい
る。
【００３１】図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す高濃度不
純物層２７の上側の一端に電極２４が形成されたもので
ある。さらに高濃度不純物層２８の一端に他の電極２４
が形成されたものである。２９は保護のための絶縁層で
ある保護層である。この構造は、後述する実施例１１で
示すように、電極２４の製造工程数を減らすための例で
ある。
【００３２】図２（ｃ）は、半導体層２６と高濃度不純
物層２７、２８との間に拡散防止層、即ちバリア層３０
が形成されたものである。
【００３３】図２に示した半導体層２６の不純物注入量
は次のようにして決められる。図３（ａ）は、多結晶シ
リコンのボロンの注入量に対する抵抗率の変化を、また
図３（ｂ）はボロン注入量に対する抵抗温度係数ＴＣＲ
の変化の一例を示すものである。また図３（ｃ）は抵抗
率と抵抗温度係数ＴＣＲとの関係を示すものである。赤
外線検出素子の検出感度を上げるために、半導体層２６
の抵抗温度係数ＴＣＲを大きくしたいので、図３から、
例えばボロンを１０17〜１０18/ｃｍ3程度の注入をする
と大きな抵抗温度係数ＴＣＲとすることができる。この
実施例１では、半導体層２６として、例えば、膜厚２０
０ｎｍの多結晶シリコンを用いて、２.２×１０13/ｃｍ
2ボロンを注入し、即ち１.１×１０18/ｃｍ3の注入によ
り、抵抗率は１１０ミリΩｍ、抵抗温度係数は２.０％/
Ｋの値が得られている。しかしながら、図３（ｃ）から
わかるように、抵抗温度係数ＴＣＲを大きくして行くと
半導体の抵抗率が増大してしまう。従って、図３
（ａ）、図３（ｂ）を比較参照しながら、例えば赤外線
検出素子の構造を実施例１または、後述の実施例２のも
のとしたとき、抵抗率がこれらの構造で駆動できる大き
さ以上に増大しない範囲に押さえた上で、抵抗温度係数
ＴＣＲを最大とするように不純物の注入量を決定する必
要がある。例えば図３から、多結晶シリコン層へのボロ
ン注入を１０17〜１０18/ｃｍ3程度と選択することがで
きる。
【００３４】注入する不純物イオンの種類は上記のボロ
ンに限るものでなく、リン、ヒ素等でも同様な特性を実
現することができる。
【００３５】また、高濃度不純物層２８、２９は、自由
電子吸収により、赤外線を吸収し、その注入量が増加す
るにつれて吸収量も増加するので赤外線吸収層として用
いる。多結晶シリコンで形成する場合には、ボロンを１
０18/ｃｍ3以上に注入量が増加すると、赤外線の吸収量
が増加する。しかしながら、注入量が１０20/ｃｍ3以上
になると表面からの反射が増加するので赤外線吸収の立
場から不利となり、１０18〜１０20/ｃｍ3程度の注入量
とする。
【００３６】高濃度不純物層２７、２８のイオン注入量
を、例えば図３（ａ）に示すように、多結晶シリコンに
ボロンを１０18/ｃｍ3程度以上とすると、抵抗率が１０
-2Ωｍ以下にすることができ、電極２４との接続をオー
ミックとすることができる。
【００３７】また、実施例１の赤外線検出素子におい
て、絶縁層２２も赤外線を吸収して感熱半導体２６に伝
達して赤外線検出感度をあげるため、赤外線領域の光に
対して吸収率が大きなもの使用している。例えば、図４
（ａ）に示すように二酸化シリコンは波長９.５μｍに
おいて約４０％の吸収率があり、また図４（ｂ）に示す
ように窒化シリコンは波長１２μｍで約３０％程度の吸
収が観測されている。
【００３８】また、図１の感熱半導体層２３の上に赤外
線の吸収材料としての上記多結晶あるいは非晶質シリコ
ン層の吸収を高めるために、ケイ化チタン膜、あるいは
ケイ化白金膜による反射膜を重ねて形成すると更に受光
した赤外線を有効に検知することができる。
【００３９】また、実施例１の赤外線検出素子は、感熱
半導体層２３と基板２０との間に空洞２５を設けてい
る。これにより感熱半導体層２３は電極２４とその下側
にある絶縁層２２とで構成される橋部のみにより空洞２
５上に支持されているので、感熱半導体層２３に発生し
た熱が基板２０や外部と熱的に分離されており、受光し
た赤外線量を有効に検知することができる。
【００４０】また実施例１の赤外線検出素子は、図２
（ｃ）に示すように、多結晶あるいは非晶質シリコン層
による半導体層２６と高濃度不純物層２７、２８との間
に拡散防止層３０が設けられる場合がある。この層は、
この赤外線検出素子と同時的に形成される集積回路等の
製造工程に含まれる高温工程により、高濃度不純物層２
７、２８から低濃度不純物である半導体層２６へのリン
等の拡散を防止するためのものである。
【００４１】このバリア層は窒化シリコンまたは二酸化
シリコンであってもよい。
【００４２】次にこの赤外線検出素子の動作について説
明する。図１において、感熱半導体層２３に例えば７〜
１２μｍの波長帯の赤外線が照射されると、多結晶ある
いは非晶質シリコンによる感熱半導体層２３が赤外線を
吸収し、その温度が上昇し抵抗変化を生じる。この抵抗
変化を感熱半導体層２３両端の電極２４から印加した電
圧または電流の変化分として読みとることができる。
【００４３】この赤外線検出素子の構造は、第１、第２
の高濃度不純物層２７、２８が半導体層２６上下の全面
に形成されるようにして、半導体層２６の上下に広い電
極面を備え、基板に垂直方向の感熱抵抗層の厚み内を電
流が流れる構造としている。一般に抵抗層の抵抗値Ｒ
は、抵抗層の材料の抵抗率をρ、抵抗層の断面積をＳ，
抵抗層の長さをｌとすると、Ｒ＝ρｌ/Ｓと表せるの
で、この実施例１の赤外線検出素子の抵抗は、感熱半導
体層２３の抵抗率が大きくとも、高濃度不純物層２７と
高濃度不純物層２８間距離である半導体層２６の膜厚を
小さく、高濃度不純物層２７、２８の面積を大きくする
ことにより小さくすることができ、信号処理回路に適合
した低い電圧で駆動することができる。
【００４４】また、実施例１の赤外線検出素子は、半導
体層２６として多結晶または非晶質シリコン層に適当量
のボロン、リン、ヒ素が低濃度に注入された、あるいは
全く注入されないで用いられているので、赤外線検出感
度である抵抗温度係数ＴＣＲの大きな素子を実現するこ
とができ、赤外線検出感度のよいボロメータ型の赤外線
検出素子を形成することができる。
【００４５】また、半導体層２６の上下に設けられた高
濃度不純物２８、２９は、この層の自由電子吸収による
赤外線の吸収量が不純物注入量とともに増加するので、
赤外線吸収層として用いられる。この実施例では、ボロ
ン注入量を１０20/ｃｍ3程度以上とすると、表面反射が
増大するので１０18〜１０20/ｃｍ3程度の注入量が良
い。さらに、この実施例では、素子の広い面全体を覆っ
て高濃度不純物層２７、２８を形成して吸収面積を広
げ、赤外線の吸収量を増大している。また、高濃度不純
物２７、２８のボロン注入量を１０18/ｃｍ3以上とし
て、抵抗率を１０-2Ωｍ以下としているので、電極２４
との接続をオーミックとすることができ、電極との接続
部における信号の減衰がなく、検出した信号を有効に取
り出すことができる。このように、感熱半導体自体の赤
外線吸収と、検出感度を高めることにより、それ自体の
みで赤外線の検出が可能としている。
【００４６】また、実施例１の赤外線検出素子におい
て、赤外線領域の光の吸収率が大きい絶縁層２２を用い
ているので、使用する赤外線の波長により、適宜絶縁材
料を選択することにより、絶縁層２２として働くととも
に、半導体層２６と共に赤外線を吸収して半導体層２６
に伝達して赤外線検出素子の感度を上げることができ
る。
【００４７】また、実施例１の赤外線検出素子は、感熱
半導体層２３と基板２０との間に空洞２５を設けてい
る。これにより感熱半導体層２３は電極２４とその下側
にある絶縁層２２とで構成される橋部のみにより空洞２
５上に支持されているので、感熱半導体層２３に発生し
た熱が基板２０や外部と熱的に分離されており、受光し
た赤外線量を有効に検知することができる。
【００４８】また実施例１の赤外線検出素子は、図２
（ｃ）に示すように、感熱半導体層２３を構成する多結
晶あるいは非晶質シリコン層による半導体層２６と高濃
度不純物層２７、２８との間にバリア層３０が設けられ
る場合がある。この層は、この赤外線検出素子と同時的
に形成される集積回路等の製造工程に含まれる高温工程
により、高濃度不純物層２７、２８から低濃度不純物注
入層である半導体層２６へのリン等の拡散を防止し、素
子性能の低下を防止するためのものである。
【００４９】このバリア層は窒化シリコンまたは二酸化
シリコンであってもよい。
【００５０】実施例２．図５（ａ）にこの発明の赤外線
検出素子の他の実施例の平面図を、また図５（ｂ）にそ
のＡＡ断面図を示す。この赤外線検出素子は、シリコン
基板２０上に形成された空洞２５の上に、絶縁層２２が
形成されている。この絶縁層２２上の基板２０面に平行
な面内に低濃度不純物層あるいは不純物の注入のない多
結晶あるいは非晶質シリコン層による半導体層２６と、
この半導体層２６を挟んで形成された高濃度不純物層２
７、２８とから構成される感熱半導体層２３と、この高
濃度不純物層２７、２８と接続して形成された電極２４
とで形成されている。
【００５１】この実施例の赤外線検出素子の寸法は、例
えば３０μｍ×３０μｍで、そのうち半導体層２６は２
μｍ×３０μｍでその両側が１４μｍ×３０μｍの高濃
度不純物層２７、２８である。広い面積の高濃度不純物
層２７、２８で赤外線が吸収され、半導体層２６で赤外
線が検出される。
【００５２】この構成の素子においては、実施例１の構
造の素子と比較して、同じ抵抗率の材料を用いた場合に
は素子の抵抗が高く、高い印加電圧が必要という問題が
ある。
【００５３】しかしながら、赤外線撮像装置において
は、多数の素子間の性能のバラツキが問題となる。この
バラツキを規制するものとして、製造時における半導体
層２６の幅の再現性がある。この実施例２における、信
号電流経路が基板と平行となる構造のものでは、後述す
る実施例９で示すように、半導体層２６の幅を正確に形
成するために精度の高いマスクのアラインメントが可能
なので、信頼性の高い赤外線撮像装置を形成することが
できる。
【００５４】実施例３．実施例１または２の赤外線検出
素子において、図６（ａ）または図６（ｂ）に示すよう
に、半導体層２６の両側に形成した高濃度不純物層２
７、２８を異なった伝導型の高濃度不純物層とすること
により、半導体層２６との組み合わせでダイオードを構
成することができる。
【００５５】図６（ａ）または図６（ｂ）に示した赤外
線検出素子を用いてマトリクス状に配置してアレイを構
成した場合の一画素部分を取り出したものを図６（ｃ）
に示す。図１７で示したａｂｅｆｇｈｉｊｃｄの経路の
うち、ｊｉ、ｆｅ等の回り込みの電流が生ぜず、電界効
果トランジスタのようなスイッチ回路を形成することな
く、所望の素子の選択をすることができる。したがっ
て、基板中にスイッチのための大きな面積を占めること
がないので、高密度実装が可能となる。
【００５６】ダイオードを形成する方法は、種々の伝導
型の半導体層の組み合わせが可能であり、以下に示す変
形ができる。これは駆動する走査回路の極性や、耐圧の
大小により選択することができる。
【００５７】感熱半導体層２３が、ｐ型高濃度不純物層
２７−ｐ型低濃度不純物層または不純物が注入されてい
ない多結晶または非晶質シリコン層による半導体層２６
−ｐ型高濃度不純物層２８、という構造のもの。
【００５８】感熱半導体層２３が、ｎ型高濃度不純物層
２７−ｎ型低濃度不純物層または不純物が注入されてい
ない多結晶または非晶質シリコン層による半導体層２６
−ｎ型高濃度不純物層２８、という構造のもの。
【００５９】感熱半導体層２３が、ｐ型高濃度不純物層
２７−ｎ型低濃度不純物層または不純物が注入されてい
ない多結晶または非晶質シリコン層による半導体層２６
−ｎ型高濃度不純物層２８、という構造のもの。
【００６０】感熱半導体層２３が、ｐ型高濃度不純物層
２７−ｐ型低濃度不純物層または不純物が注入されてい
ない多結晶または非晶質シリコン層による半導体層２６
−ｎ型高濃度不純物層２８、という構造のもの。
【００６１】感熱半導体層２３が、ｐ型高濃度不純物層
２７−ｐ型低濃度不純物層または不純物が注入されてい
ない多結晶または非晶質シリコン層による半導体層２６
−ｐ型高濃度不純物層２８、という構造のもの。
【００６２】実施例４．図７にこの発明の赤外線検出素
子のさらに他の実施例を示す。図７の赤外線検出素子
は、第１及び第２の実施例の赤外線検出素子において、
空洞２５からの赤外線の反射光を検知素子に集め、受光
した赤外線を有効に利用するため、空洞２５の底に反射
膜３２を設けたものである。
【００６３】反射膜３２材料として、反射率の大きな材
料、アルミニウム、タングステン、タングステンシリサ
イド等が用いられる。
【００６４】光学的共振構造としてλ/４となるよう感
熱半導体層２３と基板の底との距離を調整することによ
り、より効果的に集光することができる。この距離は空
洞２５を形成する際、後述する実施例５で示す犠牲層３
５の堆積膜厚で調整することができる。この距離は検出
する波長が１０μｍ近辺の場合屈折率が１の空間で２.
５μｍとなるが、集光の効果があれば距離は２.５μｍ
である必要はない。
【００６５】実施例５．図８により、実施例１の赤外線
検出素子の製造方法を示す。図８（ａ）に示すように、
シリコン基板上２０上に、ＣＶＤ法等により二酸化シリ
コンあるいは窒化シリコン等の絶縁層２１を形成する。
【００６６】次に図８（ｂ）に示すように、減圧ＣＶＤ
やプラズマＣＶＤ，スパッタ法により多結晶、あるいは
非晶質シリコン層を形成し、これをパターニングして犠
牲層パターン３５を形成する。
【００６７】次に、図８（ｃ）に示すように、この上に
ＣＶＤ法により、二酸化シリコンあるいは窒化シリコン
層等の絶縁層２２を形成する。これらの材料は、赤外線
検出素子の温度上昇を良好にするために、薄膜とする。
ただし、機械的強度との兼ね合いで膜厚を設定する。二
酸化シリコンの場合２００ｎｍ堆積してある。
【００６８】次に、図９（ａ）に示すように、この上に
反応性スパッタ法により、金属または窒化チタン等を成
膜し、パターニングすることにより、電極２４を形成す
る。
【００６９】次に、図９（ｂ）に示すように、この上に
多結晶あるいは非晶質シリコンによる半導体層２６を形
成する。
【００７０】次に、図９（ｃ）に示すように、この上に
高濃度のリン等の不純物元素をイオン注入して高濃度不
純物層２７を形成する。
【００７１】更に、図１０（ａ）に示すように、この上
に多結晶あるいは非晶質シリコン層による半導体層２６
を形成する。このとき、半導体層２６が所望の抵抗率、
例えば１０4〜１０-2Ωｍ、あるいは所望の抵抗温度係
数ＴＣＲとなるように、この半導体層２６に低濃度のリ
ン等の不純物を注入したり、あるいは全く不純物を注入
しないまま用いることがある。
【００７２】次に図１０（ｂ）に示すように、この上に
多結晶あるいは非晶質シリコン層を形成し、この層に高
濃度のリン等の不純物元素のイオン注入をし、高濃度不
純物層２８を形成する。このとき、高濃度不純物層２
７、２８は比抵抗が１０-2Ωｍ以下となるように高濃度
にリンを注入している。
【００７３】高濃度不純物層２７、２８形成のため、こ
の実施例では注入する不純物元素としてリンイオンを用
いたが、ヒ素でも、またボロン等でもよい。
【００７４】上記の種々の多結晶や非晶質シリコン層に
よる半導体層２６をシランやホスフィンなどを原料とし
てプラズマＣＶＤや減圧ＣＶＤで成膜する場合は、高濃
度不純物層２７、２８および低濃度不純物注入層である
半導体層２６等を形成する工程を連続処理で一度に積層
膜を形成させてもよい。また、それぞれのイオン注入を
別々に行い、それぞれの不純物原子をイオン注入法、あ
るいはリンを高濃度に含んだ二酸化シリコン層から拡散
させて形成してもよい。
【００７５】次に、図１０（ｃ）に示すように、絶縁層
３１を形成後、半導体層２６、高濃度不純物層２７、２
８で構成される感熱半導体層上に電極２４を形成する。
【００７６】次に、図示していないが、上記感熱半導体
層のパターンの外側部分の絶縁層２２上から犠牲層３５
までホールを形成し、このホールに水酸化カリウムやヒ
ドラジン等の溶液を注入して犠牲層パターン３５を溶解
し、空洞２５を形成する。
【００７７】実施例６．図１１に、第２の実施例で示し
た、感熱半導体２３の電流方向がシリコン基板２０の面
と平行に流れる構造の赤外線検出素子の製造方法を示
す。図１１（ａ）に示すように、実施例５の図８（ｃ）
の犠牲層３５上に絶縁層２２を形成した工程の後、後述
する実施例７または８で示す工程で得られる感熱半導体
層２３を形成する。
【００７８】次に、図１１（ｂ）に示すように、絶縁層
３１を形成した後、電極２４を感熱半導体層２３と接続
して形成する。
【００７９】次に、図１１（ｃ）に示すように、実施例
５で示したと同様に、犠牲層を溶解して空洞２５を形成
する。
【００８０】実施例７．図１２に、実施例２の赤外線検
出素子の半導体層２６の領域の間隔を制御する製造方法
の一実施例を示す。シリコン基板２０（図示せず）上に
形成された二酸化シリコンなどの絶縁層２１上に、多結
晶あるいは非晶質シリコンによる半導体層２６を形成す
る。次に、その上に所望の形状の有機レジストマスク３
３を形成し、これをマスクとして高濃度のリン、ボロン
等をイオン注入し、同一種類のイオンの注入による高濃
度不純物層２７、２８を形成する。
【００８１】この場合の半導体層２６の間隔の寸法精度
は写真製版の精度できまる。有機レジストマスク３３を
除去し、残った二酸化シリコン層を除去して感熱半導体
層２３を有するボロメータが完成する。
【００８２】実施例８．図１３に、半導体層２６の両側
に異なる種類のイオン注入による高濃度不純物層２７、
２８を形成する場合の製造方法の一実施例を示す。図１
３（ａ）に示すように、まずシリコン基板２０（図示せ
ず）上に形成された二酸化シリコンなどの絶縁層２１上
に、多結晶あるいは非晶質シリコン層等による半導体層
２６を形成する。
【００８３】次に、図１３（ｂ）に示すように、半導体
層２６上に第１の有機レジストマスク３４を形成し、こ
れをマスクとして例えばリン等の第１の高濃度の不純物
イオンを注入し、第１の高濃度不純物層２８を形成す
る。その後第１のレジストマスク３４はエッチング除去
する。
【００８４】次に、図１３（ｃ）に示すように、半導体
層２６、第１の高濃度不純物層２８上に、新たな第２の
有機レジストマスク３５を形成し、これをマスクとして
ボロン等の第２の高濃度の不純物イオンを注入する。そ
の後レジストマスク３５をエッチング除去し、第２の高
濃度不純物層２７を形成する。
【００８５】この方法によると、第１の有機レジストマ
スク３４が第１のマーク（図示せず）にアラインメント
して形成したパターンはアラインメントによる第１の誤
差がある。その後第１のマスクはエッチング除去する際
に消えてしまうので、第２の有機レジストマスク３５も
また第１のマークにアラインメントして形成され、第２
の誤差が生ずる。従って、第１及び第２のマスクによる
パターン間隔の誤差は、第１のマークを介してのみの相
対関係となるので、第１及び第２の誤差の和となり、大
きな誤差となることがある。
【００８６】実施例９．図１４に、半導体層２６の両側
に異なる種類のイオンを注入して高濃度不純物層２７、
２８を形成する製造方法の他の実施例を示す。図１４
（ａ）に示すように、まずシリコン基板（図示せず）上
に形成された二酸化シリコンなどの絶縁層２１上に、多
結晶あるいは非晶質シリコン層等による半導体層２６を
形成する。
【００８７】次に、図１４（ｂ）に示すように、半導体
層２６上に二酸化シリコン層３６を酸化あるいはＣＶＤ
等により成膜する。
【００８８】次に、図１４（ｃ）に示すように、この上
に有機レジストを形成し、これを所望の形状にパターニ
ングして第１の有機レジストパターン３４を形成する。
次に、これをマスクとして二酸化シリコン層３６の一部
を除去する。この後、これをマスクとして高濃度のリン
等の不純物３７を注入し、第１の高濃度不純物層２８を
形成する。
【００８９】次に、図１４（ｄ）に示すように、第１の
有機レジストパターン３４を除去した後、新たに第２の
有機レジストを所望の形状に加工し、これを第２の有機
レジストマスク３５として二酸化シリコン層３６の一部
を除去する。この後、第２のイオン注入３８により第２
の高濃度不純物層２７を形成する。
【００９０】図１４（ｅ）に示すように、第２の有機レ
ジストマスク３５を除去し、図１４（ｆ）に示すよう
に、残った二酸化シリコン層３６を除去して感熱ボロメ
ータが完成する。
【００９１】このような製造方法とすることにより、写
真製版時において、図１４（ｃ）に示した第１の有機レ
ジストマスクを第１のマーク（図示せず）に合わせてア
ラインメントして第１の高濃度不純物層２８を形成した
後、第１の有機レジストマスク３４を除去した後も第１
の高濃度不純物層の境界線部分の二酸化シリコン層の端
部が残っているので、この端部を第２のマークとして第
２の有機レジストマスクを形成すれば、感熱半導体層３
６の幅が正確に設定できる。
【００９２】実施例１０．またこの発明の赤外線検出素
子は、図２（ｃ）に示すように、感熱半導体層２３を構
成する多結晶あるいは非晶質シリコン層による半導体層
２６と高濃度不純物層２７、２８との間に拡散防止層、
即ちバリア層３０が設けられる場合がある。この層は、
この赤外線検出素子と同時的に形成される集積回路等の
製造工程に含まれる高温工程により、高濃度不純物層２
７、２８から低濃度不純物注入層である半導体層２６へ
のリン等の拡散を防止するためのものである。
【００９３】例えば実施例１の構成の赤外線検出素子に
おいて、実施例５の図９（ｃ）の高濃度不純物層２７形
成後、その表面を酸化あるいは窒化し、数ｎｍ程度の厚
さのバリア層３０を形成する。その後、半導体層２６を
形成し、さらにその表面を酸化あるいは窒化し、数ｎｍ
のバリア層３０を形成する。以下実施例５の工程にもど
る。
【００９４】窒化の方法は、窒素雰囲気でＥＣＲプラズ
マ処理やランプアニール処理などがあげられる。このバ
リア層３０はキャリアに対して移動を妨げることはない
が、不純物元素の拡散を押さえる効果があることが確か
められている。（例えばインターナショナル コンファ
レンス オブ ソリッドステート デバイス アンド
マテアリアル １９９４ Ｐ４２２）
【００９５】これらの処理は、通常の集積回路製造装置
で行うことができ、その利用は容易である。半導体層２
６の表面にも同様の処理を行う。
【００９６】実施例１１．図２（ｂ）に示すように、電
極層２４を感熱半導体層形成後に形成する製造方法の一
実施例を示す。実施例５の製造方法で、図２（ｂ）のよ
うな構成としておき、高濃度不純物層２８を形成した
後、電極２４を同時に形成することにより、工程を一つ
省略することができる。
【００９７】
【発明の効果】第１の発明では、抵抗温度係数が比較的
大きな半導体層およびこの半導体層を挟んで形成された
高濃度不純物層とで形成される感熱半導体層と、この高
濃度不純物層と接続された電極とを備えるようにしたの
で、感熱半導体層の赤外線検出感度と赤外線吸収感度を
向上し、特別な吸熱層を設けずに感熱半導体層自体で赤
外線の吸収と検出の両方ができる赤外線検出素子を提供
することができる。
【００９８】第２の発明では、抵抗温度係数が比較的大
きな半導体層とその上下に設けられた高濃度不純物層と
で構成される感熱半導体層と、その高濃度不純物層の両
端に設けられた電極とで構成され、第１及び第２の高濃
度不純物層が半導体層上下の全面に形成されるようにし
たので、感熱半導体層の赤外線検出感度と赤外線吸収感
度を向上し、特別の吸熱層を設けずに、感熱半導体層自
体で赤外線の吸収と検出の両方ができるとともに、感熱
半導体層の抵抗率が大きい場合でも、低電圧で駆動でき
る赤外線検出素子を提供することができる。
【００９９】第３の発明では、第１または２の発明にお
いて、半導体層と高濃度不純物層との間に拡散防止層を
備えるようにしたので、特別の吸熱層を設けずに、感熱
半導体層自体で赤外線の吸収と検出の両方ができるとと
もに、高温時の不純物の拡散を防止するので、集積回路
の高温の製造工程後においても素子性能が変わらない赤
外線検出素子を提供することができる。
【０１００】第４の発明では、第１または３の発明にお
いて、基板上の絶縁層上の基板面と平行な面内に形成さ
れた第１及び第２の高濃度不純物層間に半導体層を備え
るようにしたので、特別の吸熱層を設けずに、感熱半導
体層自体で赤外線の吸収と検出の両方ができるととも
に、半導体層の幅を規定する写真製版の精度を高まるの
で、製造ロット間のバラツキの少ない信頼性の高い赤外
線検出素子を提供することができる。
【０１０１】第５の発明では、第１から４のいずれかの
発明において、感熱半導体層がダイオード機能を有する
ようにしたので、特別の吸熱層を設けずに、感熱半導体
層自体で赤外線の吸収と検出の両方ができるとともに、
赤外線検出素子をマトリクス状に配置して形成した赤外
線撮像装置において、素子選択回路の構造が簡易とな
り、高密度実装が可能な、赤外線検出素子を提供するこ
とができる。
【０１０２】第６の発明では、半導体層の幅を規定する
工程において、第１のレジストマスクを除去した後、残
された絶縁層を基準位置として第２のレジストマスクを
形成するようにしたので同じ基準位置により幅の両側の
アラインメントができるので、製造ロット間のバラツキ
のない精度の高い赤外線検出素子及び赤外線撮像素子の
製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の赤外線検出素子装置の第１の実施
例の構造図である。
【図２】 図１の感熱抵抗層部分の拡大図である。
【図３】 ポリシリコンの抵抗率、ＴＣＲと注入量との
関係、および抵抗率とＴＣＲの関係を示す図である。
【図４】 絶縁層の光透過率の波長依存性を示す図であ
る。
【図５】 この発明の赤外線検出素子の第２の実施例の
構造図である。
【図６】 この発明の赤外線検出素子の第３の実施例の
構造図である。
【図７】 この発明の赤外線検出素子の第４の実施例の
構造図である。
【図８】 この発明の第１の実施例の赤外線検出素子の
製造工程を示す図である。
【図９】 この発明の第１の実施例の赤外線検出素子の
製造工程を示す図である。
【図１０】 この発明の第１の実施例の赤外線検出素子
の製造工程を示す図である。
【図１１】 この発明の第２の実施例の赤外線検出素子
の製造工程を示す図である。
【図１２】 図１１の赤外線検出部分の製造工程を示す
図である。
【図１３】 図１１の赤外線検出部分の他の製造工程を
示す図である。
【図１４】 図１１の赤外線検出部分のさらに他の製造
工程を示す図である。
【図１５】 従来の赤外線検出素子の構造図である。
【図１６】 従来の赤外線検出素子の種々の構造図であ
る。
【図１７】 赤外線検出素子で構成した赤外線撮像装置
の構成図である。
【図１８】 図１８の素子駆動回路の一例を示す図であ
る。
【符号の説明】
２０ シリコン基板 ２１、２２、 絶縁層 ２３ 感熱半導体層 ２４ 電極 ２６ 半導体層 ２７、２８ 高濃度不純
物 ２５ 空洞 ３２ 反射コート ３５ 犠牲層

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板と、上記基板上に形成された絶縁層
    と、上記絶縁層上に形成され温度に対して電気抵抗が変
    化し、その抵抗温度係数が比較的大きい半導体層および
    この半導体層を挟んで形成された高濃度不純物層とで形
    成される感熱半導体層と、上記高濃度不純物層と接続さ
    れた電極とを備えた赤外線検出素子。
  2. 【請求項２】 基板と、上記基板上に形成された絶縁層
    と、上記絶縁層上に形成された第１の電極と、上記第１
    の電極上に形成された第１の高濃度不純物層と上記第１
    の高濃度不純物層上に形成され温度に対して電気抵抗が
    変化しその抵抗温度係数が比較的大きな半導体層及び上
    記半導体層上に形成された第２の高濃度不純物層とで構
    成される感熱半導体層と、上記第２の高濃度不純物層上
    に形成された第２の電極とを備え、上記第１及び第２の
    高濃度不純物層が上記半導体層上下の全面に形成されて
    いることを特徴とする赤外線検出素子。
  3. 【請求項３】 半導体層と高濃度不純物層との間に拡散
    防止層を備えたことを特徴とする請求項第１項または第
    ２項記載の赤外線検出素子。
  4. 【請求項４】 基板上の絶縁層上の上記基板面と平行な
    面内にある第１及び第２の高濃度不純物層間に半導体層
    を備えた請求項第１項または第３項記載の赤外線検出素
    子。
  5. 【請求項５】 感熱半導体層がダイオードを構成してい
    ることを特徴とする請求項第１項から第４項のいずれか
    に記載の赤外線検出素子。
  6. 【請求項６】 半導体層上に絶縁層を形成する工程と、
    上記絶縁層に第１のレジストマスクを形成し、これをマ
    スクとして上記絶縁層の一部を除去する工程と、この上
    に不純物を注入し第１の高濃度不純物層を形成する工程
    と、上記第１のレジストマスクを除去した後、残された
    上記絶縁層を基準位置として第２のレジストマスクを形
    成し、これをマスクとして不純物を注入し第２の高濃度
    不純物層を形成する工程とを備えた赤外線検出素子の製
    造方法。
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