JPS62280627A - アレイ型焦電センサ - 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】 ３、発明の詳細な説明 産業上の利用分野 この発明は、焦電性を有する高分子薄膜を使用したアレ
イ型焦電センサに関する。

従来の技術 焦電センサは、よく知られているように、たとえばＬｉ
ＴａＯ３など、温度が変わると自発分極の大きざが変っ
て電荷が誘起される焦電素子を使用し、素子の温度が入
射光を吸収して変ったとき誘起される電荷を外部負荷を
介して電圧として取り出すことにより、入射光の有無や
強度を検出するもので必ろ。したがって、そのような素
子を一次元または二次元に配列してあけば、赤外分光光
度計などの検出器として使用することができる。

そのようなアレイ型焦電センサとしては、従来、上記１
ｉＴａ０３などの無機系の焦電素子を、直線状、つまり
一次元に配列したものが試作されているようでおるが、
１個１飼の素子を電気的に分離しなりればならないとい
う製作上の困難さか必って、かなり高価なものになって
いるよって必ろ。

二次元配列のものになると、報告例は全く見当らない。

さて、焦電素子から出力を取り出す場合、インピーダン
ス整合をとる必要から電界効果１〜ランジスタ（ＦＥＴ
）が使われているが、無機系の焦電素子を使用してアレ
イを形成すると、以下にＪ−３いて説明するような問題
がでてくる。

すなわち、無機系の焦電素子は、製造上、ａ３よそ１０
００’Ｃ以上もの高温で焼成することが必要でおるため
、ＦＦＴのゲート電極上に直接形成することができず、
貼り付けるほかはない。そのため、１個１個の素子は相
当大きくなり、配列密度を上げることができないばかり
か、センサ全体としてもかなり大きなものにならざるを
得ない。また、ＳＮ比は素子の厚みの平方根に反比例し
て向上するので、素子は極力清くするのが好ましいが、
無機系の焦電素子はそれも難しい。したがって、ＳＮ比
はそう高くない。ざらに、無機系焦電体は固くて脆いた
め、たとえば曲面に沿って配置するといった、配置の自
由度が小さい。

一方、無機系のものと並んで、薄く、しかも可とう性に
富む有機系の焦電素子、たとえばポリフッ化ビニリデン
などもよく知られている。したがって、無機系焦電素子
に代えて有機系焦電素子を使用することも十分に考えら
れる。これに関連して、ＩＥＥＥ、ＶＯｌ、ＥＤ−２６
、ＮＯ，１２、第１９２１〜１９３１頁（１９７９年１
２月）には、シリコンウェハ上に複数個のＦＥＴを一次
元配列になるように形成し、各ＦＥＴのゲート電極上に
圧電性を有する高分子薄膜をエポキシ系接着剤を用いて
貼り付（プ、さらにその薄膜上に電極を形成してなるア
レイ型音響センサが記載されている。だから、この圧電
性を有する高分子薄膜を焦電性を有するものに代えれば
、−児、何の問題もなく音響センサを焦電センサにする
ことができるように思える。しかしながら、そうしても
、薄膜をエポキシ系接着剤で接措しているために熱容量
が大変大きく、応答性が極めて悪いために実用には到底
供し得ない。

１．明が解決しようとする問題点 この発明の目的は、従来のセンサの上記欠点を解決し、
ＳＮ比や応答速度が高く、またコンパクトであるばかり
か、配置の自由度が大きいアレイ型焦電センサを提供す
るにある。

同　点を解決するための手段 上記目的を達成するためのこの発明は、シリコンウェハ
上に複数個の電界効果トランジスタが一次元または二次
元の配列になるように形成され、各電界効果トランジス
タのゲート電極上には焦電性を有する高分子薄膜が直接
形成され、さらにその薄膜上には電極が形成されている
ことを特徴とするアレイ型焦電センサを特徴とするもの
である。

作用 センサに断続光を入射せしめると、その入射位置に対応
するＦＥＴのゲート電極上におる、焦電性を右する高分
子薄膜の温度が上昇し、その温度に対応する出力がゲー
ト電極を介して上記ＦＥＴから得られる。断続光を入射
せしめるのは、焦電素子は、いわゆる微分型特性をもつ
素子であるからである。ＦＥＴの出力は、外部抵抗を介
して電圧として取り出されるが、その大きさは入射した
光の強度と相関を有しているので、それから入射光の強
度を知ることができる。

欠凰皿誦 この発明の一実施態様を説明するに、第１図および第２
図において、センサは、放熱性に優れた、たとえばアル
ミニウムや真鍮などの金属からなる底板１および側枠２
で形成されるケースに本体を収納してなる。側枠２には
、赤外線透過性に優れた、たとえば石英ガラス、ソーダ
ガラス、ポリエステル樹脂などからなる光入射窓３がは
め込まれている。ケースは、本体を保護するとともに、
熱を放散してセンサの温度上昇を抑えるものである。

また、光入射窓３も本体を保護するものであるが、反射
を少なくするため、光の到来側の面に、光入射窓３の樹
成材料よりも屈折率が小ざい、たとえばＭ　ｇＦ　２、
ＮａＡ　Ｉ　Ｆ６などの反射防止膜を真空蒸着などによ
って形成してｃｌｊ＜のが好ましい。

上記底板１上には、セラミックスや樹脂などからなる基
板４が置かれ、その基板４上にシリコンウェハ９が貼着
されている。しかして、このシリコンウェハ９上には、
複数個のＦＥＴ８が、−直線に並ぶように、つまり一次
元配列になるように形成されている。

シリコンウェハ９上へのＦＥＴ８の形成は、周知の熱拡
散法やエビタキシレル成長法などによればよい。たとえ
ば、ＭＯ３形ＦＥＴの場合、シリコンに、インジウムな
ど、アクセプタになる元素を拡散させたＰ形のシリコン
ウェハを用い、それにドナーとなるリンやヒ素などを熱
拡散させるなどしてｎ形チャンネルを形成し、さらにそ
の両側にそのｎ形チセンネルよりも多くのドナーをもつ
ｎ＋形チャンネルを形成する。しかして、ｎ形チャンネ
ルをシリカで絶縁してゲートとし、その両側のｎ＋形チ
ャンネルをドレンおよびソースとする。

さて、シリコンウェハ９上の各ＦＥＴ８は、ゲートと、
ドレンと、ソースを有するが、それぞれには、たとえば
アルミニウム蒸着が施され、ゲート電極５、ドレン電極
６、ソース電極７が形成されている。

複数個のＦＥＴが形成されたシリコンウェハ９上には、
焦電性を有する高分子薄膜１０が、接着剤などを用いる
ことなく直接形成されている。この高分子薄膜１０は、
各ＦＥＴについて共通の、ただ１枚の膜でおり、ポリフ
ッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニレデンと三フッ化ビニ
リデンとの共重合体、ポリフッ化ビニリデンと四フッ化
ビニリデンとの共重合体など、ポーリング（分極）する
ことによって焦電性を有することになる高分子を、ジメ
チルホルムアミド、ジメチルホルムアミド、メチルエヂ
ルケトンなどの溶媒に溶かし、スピナーやバーコータな
どを用いてシリコンウェハ９上に直接塗布し、乾燥する
ことによつ−Ｃ形成したものでおる。ポーリングは周知
の方法によって乾燥後に行う。このようにして形成した
高分子薄膜１０の３９みは、数百オンゲス１〜ロームか
ら数百マイクロメートル程度でおり、極めて薄い。なお
、上記高分子の濃度は、形成したい薄膜の厚みに応じて
調製する。比較的薄い膜にしたい場合には薄く、厚い膜
にしたい場合には濃くする。

高分子薄膜１０上には、赤外線を吸収しやすい、たとえ
ばニッケルークロム合金からなる電極（表面電極）１１
が形成されている。この表面電極１１は、ただ１枚であ
り、各Ｆ　Ｅ　Ｔについて共通に使用されるが、各ＦＥ
Ｔに対応させた分割電極とすることも可能である。

さて、各ＦＥＴの、上述したドレン電極６は、金線など
により、基板４を貫通して外部に延びるドレン端子１２
に接続されている。同様に、ソース電極７はソース端子
１３に接続されている。したがって、シリコンウェハ９
上に形成されたＦＥＴの数をＮ個（Ｎ−１，２，３、・
・・・・・・・・）としたとき、ドレン端子１２とソー
ス端子１３はそれぞれＮ本あることになる。一方、表面
電極１１は端子１４に接続されている。

上記において、センサをある特定の波長の光のみに供し
たい場合には、光入射窓の前面に検出したい波長にピー
クをもつ干渉フィルタを配置する。

先入！、）Ｉ窓そのものを干渉フィルタで構成すること
もできる。

また、発熱が著しい場合には、ケース、たとえば側枠に
、アルミニウムや銅などの熱放散のよい材料からなる放
熱フィンを付設してもよい。

ざらに、ＦＥＴは、−次元配列に限るものではなく、マ
トリクス状に二次元配列してもよい。

上述したセンサを使用する場合には、たとえば、表面電
極１１とソース端子１３を接地し、ドレン端子１２に検
出用の外部抵抗を接続し、その外部抵抗とソース端子１
３間とを任意の直流電位に保つておく。この状態で、先
入！、）ｌ窓３から断続光を入射せしめると、その入射
位置に対応する位置において高分子薄膜１０の温度が上
昇する。すると、その温度上昇に伴う繰り返し出力がゲ
ート電極５でとらえられ、ドレイン端子１２とソース端
子１３間の電圧が変化するので、その変化を外部抵抗を
介して取り出せば、それから入射光の強度を知ることが
できろ。どのＦＥＴから出力が得られたかを調べれば、
光の入射位置を知ることもてきる。

発明の効果 この発明のアレイ型焦電センサは、シリコンウェハ上に
一次元または二次元配列になるように形成した複数個の
ＦＥＴのゲート心拍上に、焦電性を有する高分子薄膜を
接着剤などを用いろことなく直接形成しているから、熱
容量が極めて小さく、応答性が大変向上する。しかも、
高分子薄膜を直接形成することから１個１ｆｌ？１の素
子を小さくでき、配列も密にできる。だから、センサ仝
体も極めてコンパクトになる。また、高分子薄膜を極め
て薄くできるから、ＳＮ比か大ぎく向上する。さらに、
無機系の焦電素子にくらべて可どう性が大変優れている
ので、曲面に沿って配置できるなど、配置の自由度が向
上する。

この発明のアレイ型焦電センサは、上述した特長から、
いろいろな用途に使用することができる。

たとえば、赤外分光光度計や熱線分’ｌ’ｌｉ測定器の
検出器として使用することができる。また、発熱源の位
置や形状などを検出するのに使用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ｄ３よび第２図は、この発明の一実７＃！態様に
係るアレイ型焦電センサを示す概略図で、第１図は平面
図、第２図は縦断面図である。 １：底板 ２：側枠 ３：光入射窓　　　゛ ４：基板 ５：電界効果トランジスタのゲート電極６：電界効果ト
ランジスタのドレン電極７：電界効果トランジスタのソ
ース電極８：電界効果トランジスタ ９：シリコンウェハ １０：焦電性を有する高分子薄膜 １１：表面電極（電極） １２：電界効果トランジスタのドレン端子１３：電界効
果トランジスタのソース端子１４：表面電極（電極〉の
端子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリコンウェハ上に複数個の電界効果トランジスタが一
   次元または二次元の配列になるように形成され、各電界
   効果トランジスタのゲート電極上には焦電性を有する高
   分子薄膜が直接形成され、さらにその薄膜上には電極が
   形成されていることを特徴とするアレイ型焦電センサ。