ボロメータ型非冷却赤外線センサおよびその駆動方法
【課題】熱的なリセット機構を作製することなく、固定パターン・ノイズや１／ｆノイズを低減させることを可能にする。
【解決手段】半導体基板上に入射赤外線を検出する１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素１が行列状に配列された撮像領域３と複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、それぞれが、撮像領域内に検出画素の各列に対応して設けられて対応する列のダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、複数の信号線に対応して設けられて対応する信号線に発生した信号電圧を読み出す電圧読み出し回路と各信号線と対応する電圧読み出し回路との間に設けられた結合容量と、電流源からの２つの異なる電流値に対する同一の検出画素の出力に対応する、電圧読み出し回路によって読み出された２つの信号電圧の差を演算する演算部とを備えている。
【解決手段】半導体基板上に入射赤外線を検出する１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素１が行列状に配列された撮像領域３と複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、それぞれが、撮像領域内に検出画素の各列に対応して設けられて対応する列のダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、複数の信号線に対応して設けられて対応する信号線に発生した信号電圧を読み出す電圧読み出し回路と各信号線と対応する電圧読み出し回路との間に設けられた結合容量と、電流源からの２つの異なる電流値に対する同一の検出画素の出力に対応する、電圧読み出し回路によって読み出された２つの信号電圧の差を演算する演算部とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボロメータ型非冷却赤外線センサおよびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を利用したイメージ・センサは、昼夜に拘わらず撮像可能であると共に、可視光よりも煙や霧に対して透過性が高いという特長を有し、更に被写体の温度情報をも得られるという特長を有する。このため、防衛分野を初め監視カメラや火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。
【０００３】
従来の主流素子である量子型赤外線固体撮像素子の最大な欠点は低温動作のための冷却機構を必要とすることであるが、近年このような冷却機構を必要としない非冷却型赤外線イメージ・センサが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、赤外線イメージ・センサは、可視光によるイメージ・センサと比較して、感度、ダイナミックレンジにおいて不十分といえる。例えば、監視カメラに用いようとすると、０．１Ｋ程度のＮＥＴＤ（Noise Equivalent Temperature Difference）と３０Ｋ程度のダイナミックレンジを持ったセンサが要求されており、センサ出力の線形性を高めて、より一層の高感度かつ広ダイナミックレンジのセンサの開発が待たれている。
【０００５】
一方、イメージ・センサにおいて発生するノイズの種類としては、大きくランダム・ノイズと固定パターン・ノイズに分類することができる。ランダム・ノイズにはパワースペクトルが周波数ｆに反比例する１／ｆノイズや、静電容量起因の熱雑音であるｋＴＣノイズがあり、固定パターン・ノイズとしては、ダイオードの特性バラツキやトランジスタの閾値バラツキが主な原因となっている。
【特許文献１】特許第３７９３０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなノイズを低減させるためには、リセットする前後での信号電圧と基準信号の差分を取ることで、原理的に打ち消すことが可能である。このような電気的なリセット・スイッチを用いた相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路は、フォト・ダイオードを用いた可視領域のイメージ・センサの場合では一般的に用いられているが、ボロメータを用いた熱型センサの場合には熱的なリセット機構を作製しなくてはならず、現実的ではなかった。
【０００７】
上述の如く、今までのボロメータ型非冷却赤外線センサでは固定パターン・ノイズや１／ｆノイズが支配的にもかかわらず、有効な手立てがなく、問題となっていた。
【０００８】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、熱的なリセット機構を作製することなく、固定パターン・ノイズや１／ｆノイズを低減させることのできるボロメータ型非冷却赤外線センサおよびその駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によるボロメータ型非冷却赤外線センサは、半導体基板上に、入射赤外線を検出する、１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素が行列状に配列された撮像領域と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各行に対応して設けられて対応する行の前記ダイオードのアノードに接続される複数の行選択線と、前記複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各列に対応して設けられて対応する列の前記ダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、前記複数の信号線に対応して設けられて対応する信号線に発生した信号電圧を読み出す電圧読み出し回路と、前記各信号線と対応する前記電圧読み出し回路との間に設けられた結合容量と、前記電流源からの２つの異なる電流値に対する同一の検出画素の出力に対応する、前記電圧読み出し回路によって読み出された２つの信号電圧の差を演算する演算部と、を備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第２の態様によるボロメータ型非冷却赤外線センサは、半導体基板上に、入射赤外線を検出する、１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素が行列状に配列された撮像領域と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各行に対応して設けられて対応する行の前記ダイオードのアノードに接続される複数の行選択線と、前記複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各列に対応して設けられて対応する列の前記ダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、前記撮像領域内に行方向に配置され、赤外線感度を有さない無感度画素の一行と、前記複数の信号線に対応して設けられて対応する信号線に発生した信号電圧と、前記無感度画素の出力との差を読み出す電圧読み出し回路と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第３の態様によるボロメータ型非冷却赤外線センサの駆動方法は、半導体基板上に、入射赤外線を検出する、１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素が行列状に配列された撮像領域と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各行に対応して設けられて対応する行の前記ダイオードのアノードに接続される複数の行選択線と、前記複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各列に対応して設けられて対応する列の前記ダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、を備えているボロメータ型非冷却赤外線センサの駆動方法であって、前記複数の行選択線から一つの行選択線を選択するステップと、前記選択された行選択線に接続された前記ダイオードに第１バイアス電流を流すステップと、前記第１バイアス電流によって前記信号線に発生する第１電圧を読み出し、保持するステップと、前記選択された行選択線に接続された前記ダイオードに前記第１バイアス電流と異なる第２バイアス電流を流すステップと、前記第２バイアス電流によって前記信号線に発生する第２電圧を読み出すステップと、前記第１電圧と前記第２電圧との差を求めるステップと、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱的なリセット機構を作製することなく、固定パターン・ノイズや１／ｆノイズを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態を説明する前に、本発明に至った経緯について説明する。
【００１４】
物体より放出された赤外線は、センサ前面に設置された光学レンズにより集光されて、外部に熱が逃げないように中空領域に設置されたシリコンからなるダイオードの温度を上昇させる。例えば、波長域８μｍ〜１２μｍで透過率９０％、Ｆ値１．０のＧｅレンズを用いた場合、物体１Ｋ当りのダイオードの温度上昇は約１ｍＫとなる。ダイオードには定電流源８により一定電流Ｉｓが流されているが、ダイオードを流れる電流Ｉは絶対温度Ｔの関数として、
【数１】
と表される。ここでｑは電荷素量（＝１．６０２×１０−１９Ｃ）、ｋはボルツマン定数（＝１．３８×１０−２３Ｊ／Ｋ）である。ｅｘｐ（ｑＶ／（ｋＴ））の値が十分に大きければ（１）式の最後の−１は無視をすることができ、
【数２】
と変形される。Ｉｓは定数Ａを用いて、
【数３】
で表される。ここでＥｇはシリコンのバンドギャップ（約 １．１１ｅＶ）である。（３）式を（２）式に代入すると、
【数４】
となり、両辺をＡで割り、両辺を対数取ってＶについて解くと、
【数５】
と求まる。Ｉは一定に保たれているので、（５）式はＴ以外すべて定数となるので単純に微分できて、
【数６】
となる。これに（４）式を入れると、ボロメータの感度を決定する温度係数は、
【数７】
と求まる。ここでＶｇ＝Ｅｇ／ｑ はバンドギャップ電圧と呼ばれ、その値はシリコンで約 １．１１Ｖとなる。
【００１５】
このようにダイオードの温度が上昇することで、ダイオードにおける電圧降下Ｖｄは低下し、感度は電流が小さいほど（＝順方向電圧が小さいほど）大きく、高温ほど小さくなる。図５にダイオードの温度計数のグラフを示すが、温度３００Ｋ、順方向電圧０．６５Ｖのとき、約−１．５ｍＶ／Ｋ、温度３００Ｋ、順方向電圧 ０．５１Ｖのとき、約−２ｍＶ／Ｋとなる。なお、絶対零度（Ｔ＝０）の時にＶはＶｇに等しくなることが示される。
【００１６】
（７）式によれば、温度変化による電圧降下の変化量は、
【数８】
で与えられる。一方、定電流源の動作点を変化させると、
【数９】
となり、（８）式−（９）式より次の（１０）式が得られる。
【数１０】
【００１７】
この（１０）式から、本発明者達は以下のことを発見した。動作点の異なる電流値に対して複数回読み出せば、Ｖｄに含まれるバイアス成分と自己加熱成分を打ち消すことが可能となり、信号成分のみを抽出することができる。このため、ダイオードのバラツキによる固定パターン・ノイズと１／ｆノイズ、リセット・ノイズを除去することができることになる。
【００１８】
次に、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるボロメータ型非冷却赤外センサの回路を図１に示す。図１では、説明を簡単にするために２行２列の２×２画素構成を示しているが、より多数行，多数列のｍ×ｎ画素構成に適用できるのは云うまでもない。
【００２０】
入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出画素１ｉｊ（ｉ、ｊ＝１，２）が半導体基板上に２次元的に配置されて撮像領域３を構成している。撮像領域３の内部には、複数本の行選択線４１、４２と、複数本の垂直信号線５１、５２とが配置されている。
【００２１】
画素選択のために、行選択回路４０と水平選択回路６が撮像領域３の行方向と列方向に各々隣接配置され、行選択回路４０には行選択線４１、４２が接続され、水平選択回路６には水平選択線７１、７２が接続されている。画素出力電圧を得るための定電流源として、各列の垂直信号線５には負荷ＭＯＳトランジスタ８１、８２が接続されている。負荷ＭＯＳトランジスタ８１、８２のソースには基板電圧ＧＬ１＿Ｖｓｓが印加され、ゲートにはゲート制御電圧ＧＬ１が印加される。
【００２２】
行選択回路４０により選択された行選択線（例えば４１）には電源電圧Ｖ１が印加され、行選択回路４０により選択されない行選択線（例えば４２）にはＶｓが印加される。その結果、選択された行の赤外線検出画素１内部のｐｎ接合が順バイアスとなりバイアス電流が流れ、画素内部のｐｎ接合の温度と順バイアス電流とにより動作点が決まり、各列の垂直信号線５ｊ（ｊ＝１，２）に画素信号出力電圧が発生する。このとき、行選択回路４０によって選択されない画素１のｐｎ接合は逆バイアスとなる。即ち、画素内部のｐｎ接合は画素選択の機能を持っている。
【００２３】
垂直信号線５ｊ（ｊ＝１，２）に発生する電圧は、極めて低電圧であり、被写体の温度変化ｄＴｓと画素温度変化ｄＴｄとの比として５×１０−３を仮定し、この値と画素のｐｎ接合が８個のｐｎ接合を直列接続した場合の熱電変換感度ｄＶ／ｄＴｄ＝１０ｍＶ／Ｋとにより、ｄＴｓ＝０．１Ｋのときには僅かに５μＶであることが分かる。従って、この被写体温度差を認識するためには、垂直信号線５に発生する雑音を５μＶ以下にすることが必要になる。この雑音の値は、ＭＯＳ型の可視光イメージ・センサであるＣＭＯＳセンサの雑音の約１／８０と、非常に低い。
【００２４】
この低電圧の信号電圧を増幅するために、列毎に増幅読み出し回路９ｊ（ｊ＝１，２）が配置されている。各増幅読み出し回路９ｊ（ｊ＝１，２）は、増幅トランジスタ１０ｊと、結合容量１１ｊと、蓄積容量１２ｊと、リセット・トランジスタ１３ｊと、サンプル・トランジスタ１５ｊと、第１および第２選択トランジスタ３１ｊ、３２ｊとを備えている。各増幅読み出し回路９ｊ（ｊ＝１，２）の増幅トランジスタ１０ｊのゲートと対応する列の垂直信号線５ｊとは、結合容量１１ｊにより容量結合している。この結合容量１１ｊにより、垂直信号線５ｊと増幅読み出し回路９ｊとはＤＣ的に分離される。
【００２５】
増幅トランジスタ１０ｊ（ｊ＝１，２）のソース側には、第１選択トランジスタ３１ｊのドレインが接続され、この第１選択トランジスタ３１ｊのソースには制御信号ＨＡＭＰが印加されている。また、増幅トランジスタ１０ｊ（ｊ＝１，２）のドレイン側には、電流増幅した信号電流を積分し蓄積するための蓄積容量１２ｊが第２選択トランジスタ３２ｊを介して接続されている。第１および第２選択トランジスタ３１ｊ，３２ｊ（ｊ＝１，２）のゲートには制御信号ＨＡＳＥＬ１、ＨＡＳＥＬ２がそれぞれ印加される。
【００２６】
信号電流を積分する蓄積時間は、行選択回路４０により行選択線４ｊ（ｊ＝１，２）に印加される行選択パルスにより決定される。蓄積容量１２ｊ（ｊ＝１，２）の一端には、該蓄積容量１２ｊの電圧をリセットするためのリセット・トランジスタ１３ｊのドレインが接続され、水平選択トランジスタ１４ｊによる信号電圧の読み出しが完了した後にリセット動作を行うようになっている。蓄積容量１２ｊ（ｊ＝１，２）の他端は接地電源ＶＳＳに接続される。また、リセット・トランジスタ１３ｊのゲートにはリセット信号ＶＲＳＴが印加され、ソースには電圧ＶＲＳが印加される。なお、水平選択トランジスタ１４ｊ（ｊ＝１，２）のゲートには水平選択線７ｊが接続され、水平選択回路６からの選択信号Ｈｊが入力される。また、水平選択トランジスタ１４ｊ（ｊ＝１，２）のドレインが接続された出力信号線２４から読出し信号ＳＯＵＴが出力される。なお、この出力信号線２４には出力リセット・トランジスタ３３のドレインが接続され、この出力リセット・トランジスタ３３のゲートに制御信号ＨＲＳＴが印加され、ソースに制御信号ＨＲＳが印加される。また、出力信号線２４にはメモリ５０と、差分演算部６０とが接続されている。
【００２７】
増幅トランジスタ１０ｊ（ｊ＝１，２）のドレインは、サンプル・トランジスタ１５ｊを介して増幅トランジスタ１０ｊのゲートに接続されており、サンプル・トランジスタ１５ｊをオンすることにより、増幅トランジスタ１０ｊのゲートとドレインが同電位となる。このサンプル・トランジスタ１５ｊ（ｊ＝１，２）のゲートには制御信号ＶＦＢが印加される。なお、図１では接続されているダイオードの数は1個となっているが、複数個接続することで入射する赤外線に対して感度を増加させることができる。
【００２８】
図２（ａ）、２（ｂ）に、本実施形態の赤外センサにおける赤外線検出画素の断面構造と、平面構造をそれぞれ示す。熱電変換のためのｐｎ接合を含むセンサ部１６は、単結晶シリコン支持基板１７の内部に形成された中空構造１８の上に形成された、赤外線吸収層２２と、熱電変換のために形成されたＳＯＩ層１９内部のｐｎ接合と、このＳＯＩ層１９を支持している埋め込みシリコン酸化膜層２０とから成る。また、このセンサ部１６を中空構造１８上に支持すると共にセンサ部１６からの電気信号を出力するために支持部２１が設けられ、センサ部１６と垂直信号線５１、５２及び行選択線４１、４２とを接続する接続部（不図示）が設けられている。
【００２９】
このように、センサ部１６及び支持部２１が中空構造１８上に設けられることにより、入射赤外線によるセンサ部１６の温度の変調を効率良く行う構造になっている。なお、図２では、ｐｎ接合が２個直列接続される場合の構造を示している。
【００３０】
次に、本実施形態の赤外線センサの駆動方法を図３および図４を参照して説明する。 図３に本実施形態の赤外線センサの駆動方法の手順を示し、図４にタイミングチャートを示す。
【００３１】
本実施形態の赤外線センサの駆動方法は、動作点の異なる電流値に対して複数回、読み出す構成となっている。
【００３２】
まず、図３のステップＳ１に示すように、リセットを行う。すなわち、リセット・トランジスタ１３ｊ（ｊ＝１，２）および第２選択トランジスタ３２ｊをオンすることで蓄積容量１２ｊが充電され、Ｑ＝Ｃｒ×ＶＲＳの電荷が蓄積される（図４のリセット期間１００参照）。
【００３３】
次に、行選択回路４０によって行選択線（例えば行選択線４１）を選択し、この選択した行選択線に第１バイアス電流条件を設定する（ステップＳ２）。すなわち、リセット・トランジスタ１３ｊ（ｊ＝１，２）および第２選択トランジスタ３２ｊをオフした後、サンプル・トランジスタ１５ｊおよび第１選択トランジスタ３１ｊをオンさせることで、増幅トランジスタ１０ｊのソース電圧およびゲート電圧Ｖｇは、それぞれＶhamp、Ｖhamp＋Ｖthに設定される。ここで、Ｖhampは制御信号ＨＡＭＰの電圧を示し、Ｖthは増幅トランジスタ１０ｊのしきい値電圧を示す。
【００３４】
次に、赤外線信号読み出しを行い、読み出した信号を蓄積・保持する（ステップＳ３、Ｓ４）。すなわち、Ｖhamp＝０に設定し、サンプル・トランジスタ１５ｊ（ｊ＝１，２）をオフした後、行選択回路４０から、選択した行選択線４ｉ（ｉ＝１，２）に電圧を印加すると、この行選択線に接続された画素１の複数の直列に接続されたダイオードと、負荷トランジスタ８ｊ（ｊ＝１，２）とを通じて電流が流れるが、負荷トランジスタ８ｊのゲート電圧の値を適当に選ぶことによりダイオードには一定電流Ｉが流れる。赤外線の入射によるダイオードの温度上昇ΔＴｄによって生じるダイオードの電圧降下の変化ΔＶｄは結合容量１１ｊ（ｊ＝１，２）を通じて増幅トランジスタ１０ｊのゲート電圧ＶｇをＶhamp＋Ｖth＋ΔＶｄに変化させる。増幅トランジスタ１０ｊ（ｊ＝１，２）のゲート電圧Ｖｇの変化は蓄積容量１２ｊから流れ出る電荷量を変化させるが、制御信号ＨＡＭＰの電圧Ｖhampを適当に設定することにより、この電荷量を制御することが可能である。その後、水平選択トランジスタ１４ｊ（ｊ＝１，２）を順次オンすることで、蓄積容量１２ｊの電位Ｖoutを、出力信号線２４を通じて順次読み取ることができ、それらの値を一時的にメモリ５０に保持しておく（図４の読み出し期間１０１参照）。メモリ５０には選択された行選択線に接続された画素１行分のそれぞれの画素の出力に対応する蓄積容量の電位Ｖoutが記憶される。
【００３５】
次に、上記選択された行選択線に、第１バイアス電流条件と動作点が異なる第２バイアス電流条件を設定し（ステップＳ５）、上述したと同様にして赤外線信号の読み出しを行って（図４の読み出し期間１０２参照）、ダイオードの電圧降下の変化ΔＶｄ’による蓄積容量１２ｊの電位Ｖoutと、読み取り（ステップＳ６）、メモリ５０に記憶されている第１バイアス電流条件の動作点における電位Ｖoutとの差分を差分演算部６０によって求めることで（ステップＳ７）、ノイズの少ない赤外光信号を得ることができる（ステップＳ８）。上記ステップ１からステップ８の工程を各選択行線に対して順次行う。
【００３６】
なお、図４において、制御電圧Ｖｓ１はダイオードの出力電圧であり、Ｖｉｎｔは蓄積容量１２ｉ（ｉ＝１，２）の蓄積電圧であり、Ｖｇは増幅トランジスタ１０ｉ（ｉ＝１，２）のゲート電圧であり、制御電圧Ｖｘは増幅トランジスタ１０ｉ（ｉ＝１，２）のドレイン電圧である。
【００３７】
上記第１および第２バイアス電流条件における動作点に対してシミュレーションを行った結果を、図６に示す。図６は、横軸がダイオードのアノードとカソード間の電圧ＶＦを示し、縦軸がダイオード間を流れる電流Ｉを示しており、グラフｇ１が室温３００ＫにおけるダイオードのＩ−Ｖ特性を示し、グラフｇ２が３１０ＫにおけるダイオードのＩ−Ｖ特性を示す。第１バイアス電流条件における動作点におけるダイオードの電圧降下の変化ΔＶｄと、第２バイアス電流条件における動作点におけるダイオードの電圧降下の変化ΔＶｄ’とが示されている。
【００３８】
次に、本実施形態において、垂直信号線５１に接続される画素１１１、１１２のみを赤外線感度を有さない無感度画素２からなる参照セルに置き換えたものとして、第１および第２バイアス電流条件における動作点に対してシミュレーションを行った波形図を、図７に示す。図７において、読み出し期間１００、１０２は参照セル２（図１参照）を読み出す期間であり、読み出し期間１０１、１０３は画素セル１を読み出す期間であり、交互に読み出される。
【００３９】
次に、一行が１２個の画素からなる本実施形態の赤外線センサを作成し、画素一行分（１２ビット分）のデータを２つのバイアス電流値に対して実験的に得られた信号およびその差分を図７に示す。図７のグラフｇ１は、負荷ＭＯＳトランジスタ８ｉ（ｉ＝１，２）に制御電圧ＧＬ１として１．０１Ｖを印加したときの信号波形図であり、グラフｇ２は、負荷ＭＯＳトランジスタ８ｉ（ｉ＝１，２）に制御電圧ＧＬ１として１．０２Ｖを印加したときの信号波形図であり、グラフｇ３は、それらの差分を示す信号波形図である。グラフｇ１、ｇ２のバラツキを示す標準偏差σは９５１、９０５であり、グラフｇ３のバラツキを示す標準偏差σは４５０であった。これから、これから信号の差分をとることで、バラツキを半分程度に抑えることができることがわかる。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態によれば、熱的なリセット機構を作製することなく、固定パターン・ノイズや１／ｆノイズを低減させることができる。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態によるボロメータ型非冷却赤外線センサの回路を図９に示す。本実施形態の赤外線センサは、第１実施形態の赤外線センサのように信号電圧を読み出す機構が蓄積コンデンサの電位変化を読み取るのではなく、差動増幅器を用いて直接ダイオードの電圧を読み出している。このため、図１に示す第１実施形態の赤外線センサの増幅読み出し回路９ｊ（ｊ＝１，２）を削除し、代わりに差動増幅器（オペアンプ）４１ｊ（ｊ＝１，２）を設け、更に撮像領域３に、赤外線感度を有さない無感度画素２からなる参照セルが１行配置され、これらの参照セルに接続される参照垂直信号線５０と、この参照垂直信号線５０に接続される負荷ＭＯＳトランジスタ８０と、を設けた構成となっている。負荷ＭＯＳトランジスタ８０のソースには基板電圧ＧＬ１＿Ｖｓｓが印加され、ゲートにはゲート制御電圧ＧＬ１が印加される。各差動増幅器４１ｊ（ｊ＝１，２）は、選択したセルに接続された信号線から読み出された信号電圧と、参照セルに接続された参照垂直信号線５０からの参照電圧とを比較し、その出力が、水平選択回路６によってオンされた水平選択トランジスタ１４ｊを介して読み出される。
【００４２】
本実施形態も第１実施形態と同様に、熱的なリセット機構を作製することなく、固定パターン・ノイズや１／ｆノイズを低減させることができる。
【００４３】
また、本実施形態の赤外線センサは、複数のトランジスタを有する増幅読み出し回路の代わり差動増幅器４１を用いているので、第１実施形態の場合に比べて、制御信号を大幅に減らすことができる。
【００４４】
以上に説明したように、本発明の各実施形態によれば、熱的なリセット機構を作製することなく、固定パターン・ノイズや１／ｆノイズを低減させたボロメータ型非冷却赤外線センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第１実施形態の赤外線センサの回路図。
【図２】本発明の各実施形態の赤外線センサの検出画素の構造を示す図。
【図３】第１実施形態の赤外線センサの駆動方法を説明するフローチャート。
【図４】第１実施形態の赤外線センサの駆動方法を説明するタイミングチャート。
【図５】ダイオードの温度係数のバイアス電圧依存性を示す図。
【図６】第１実施形態の赤外線センサの電流―電圧特性のシミュレーション結果を示す図。
【図７】第１実施形態の赤外線センサの、２つのバイアス電流値に対して実験的に得られた信号波形およびその差分を示した図。
【図８】第２実施形態の赤外線センサの示す回路図。
【図９】第２実施形態の赤外線センサの駆動方法を説明するタイミングチャート駆動シミュレーション結果を示す波形図。
【符号の説明】
【００４６】
１ 赤外線検出画素
２ 無感度画素
３ 撮像領域
４１、４２ 行選択線
４０ 行選択回路
５１、５２ 垂直信号線
６ 水平選択回路
７１、７２ 水平選択線
８１、８２ 負荷ＭＯＳトランジスタ
９１、９２ 増幅読み出し回路
１０１、１０２ 増幅トランジスタ
１１１、１１２ 結合容量
１２１、１２２ 蓄積容量
１４１、１４２ 水平選択トランジスタ
１５１、１５２ サンプル・トランジスタ
１６ センサ部
１７ 支持基板
１８ 中空構造
１９ ＳＯＩ単結晶シリコン層
２０ 埋め込み酸化シリコン層
２１ 支持部
２２ 赤外線吸収層
２４ 出力信号線
３１１、３１２ 第１選択トランジスタ
３２１、３２２ 第２選択トランジスタ
３３ 出力リセット・トランジスタ
４１１、４１２ 差動増幅器（オペアンプ）
５０ メモリ
６０ 差分演算部
１００ リセット期間
１０１ 第１バイアス電流条件読出し期間
１０２ 第２バイアス電流条件読出し期間
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボロメータ型非冷却赤外線センサおよびその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線を利用したイメージ・センサは、昼夜に拘わらず撮像可能であると共に、可視光よりも煙や霧に対して透過性が高いという特長を有し、更に被写体の温度情報をも得られるという特長を有する。このため、防衛分野を初め監視カメラや火災検知カメラとして広い応用範囲を有する。
【０００３】
従来の主流素子である量子型赤外線固体撮像素子の最大な欠点は低温動作のための冷却機構を必要とすることであるが、近年このような冷却機構を必要としない非冷却型赤外線イメージ・センサが開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかし、赤外線イメージ・センサは、可視光によるイメージ・センサと比較して、感度、ダイナミックレンジにおいて不十分といえる。例えば、監視カメラに用いようとすると、０．１Ｋ程度のＮＥＴＤ（Noise Equivalent Temperature Difference）と３０Ｋ程度のダイナミックレンジを持ったセンサが要求されており、センサ出力の線形性を高めて、より一層の高感度かつ広ダイナミックレンジのセンサの開発が待たれている。
【０００５】
一方、イメージ・センサにおいて発生するノイズの種類としては、大きくランダム・ノイズと固定パターン・ノイズに分類することができる。ランダム・ノイズにはパワースペクトルが周波数ｆに反比例する１／ｆノイズや、静電容量起因の熱雑音であるｋＴＣノイズがあり、固定パターン・ノイズとしては、ダイオードの特性バラツキやトランジスタの閾値バラツキが主な原因となっている。
【特許文献１】特許第３７９３０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなノイズを低減させるためには、リセットする前後での信号電圧と基準信号の差分を取ることで、原理的に打ち消すことが可能である。このような電気的なリセット・スイッチを用いた相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路は、フォト・ダイオードを用いた可視領域のイメージ・センサの場合では一般的に用いられているが、ボロメータを用いた熱型センサの場合には熱的なリセット機構を作製しなくてはならず、現実的ではなかった。
【０００７】
上述の如く、今までのボロメータ型非冷却赤外線センサでは固定パターン・ノイズや１／ｆノイズが支配的にもかかわらず、有効な手立てがなく、問題となっていた。
【０００８】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、熱的なリセット機構を作製することなく、固定パターン・ノイズや１／ｆノイズを低減させることのできるボロメータ型非冷却赤外線センサおよびその駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様によるボロメータ型非冷却赤外線センサは、半導体基板上に、入射赤外線を検出する、１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素が行列状に配列された撮像領域と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各行に対応して設けられて対応する行の前記ダイオードのアノードに接続される複数の行選択線と、前記複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各列に対応して設けられて対応する列の前記ダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、前記複数の信号線に対応して設けられて対応する信号線に発生した信号電圧を読み出す電圧読み出し回路と、前記各信号線と対応する前記電圧読み出し回路との間に設けられた結合容量と、前記電流源からの２つの異なる電流値に対する同一の検出画素の出力に対応する、前記電圧読み出し回路によって読み出された２つの信号電圧の差を演算する演算部と、を備えていることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の第２の態様によるボロメータ型非冷却赤外線センサは、半導体基板上に、入射赤外線を検出する、１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素が行列状に配列された撮像領域と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各行に対応して設けられて対応する行の前記ダイオードのアノードに接続される複数の行選択線と、前記複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各列に対応して設けられて対応する列の前記ダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、前記撮像領域内に行方向に配置され、赤外線感度を有さない無感度画素の一行と、前記複数の信号線に対応して設けられて対応する信号線に発生した信号電圧と、前記無感度画素の出力との差を読み出す電圧読み出し回路と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の第３の態様によるボロメータ型非冷却赤外線センサの駆動方法は、半導体基板上に、入射赤外線を検出する、１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素が行列状に配列された撮像領域と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各行に対応して設けられて対応する行の前記ダイオードのアノードに接続される複数の行選択線と、前記複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各列に対応して設けられて対応する列の前記ダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、を備えているボロメータ型非冷却赤外線センサの駆動方法であって、前記複数の行選択線から一つの行選択線を選択するステップと、前記選択された行選択線に接続された前記ダイオードに第１バイアス電流を流すステップと、前記第１バイアス電流によって前記信号線に発生する第１電圧を読み出し、保持するステップと、前記選択された行選択線に接続された前記ダイオードに前記第１バイアス電流と異なる第２バイアス電流を流すステップと、前記第２バイアス電流によって前記信号線に発生する第２電圧を読み出すステップと、前記第１電圧と前記第２電圧との差を求めるステップと、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱的なリセット機構を作製することなく、固定パターン・ノイズや１／ｆノイズを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態を説明する前に、本発明に至った経緯について説明する。
【００１４】
物体より放出された赤外線は、センサ前面に設置された光学レンズにより集光されて、外部に熱が逃げないように中空領域に設置されたシリコンからなるダイオードの温度を上昇させる。例えば、波長域８μｍ〜１２μｍで透過率９０％、Ｆ値１．０のＧｅレンズを用いた場合、物体１Ｋ当りのダイオードの温度上昇は約１ｍＫとなる。ダイオードには定電流源８により一定電流Ｉｓが流されているが、ダイオードを流れる電流Ｉは絶対温度Ｔの関数として、
【数１】
と表される。ここでｑは電荷素量（＝１．６０２×１０−１９Ｃ）、ｋはボルツマン定数（＝１．３８×１０−２３Ｊ／Ｋ）である。ｅｘｐ（ｑＶ／（ｋＴ））の値が十分に大きければ（１）式の最後の−１は無視をすることができ、
【数２】
と変形される。Ｉｓは定数Ａを用いて、
【数３】
で表される。ここでＥｇはシリコンのバンドギャップ（約 １．１１ｅＶ）である。（３）式を（２）式に代入すると、
【数４】
となり、両辺をＡで割り、両辺を対数取ってＶについて解くと、
【数５】
と求まる。Ｉは一定に保たれているので、（５）式はＴ以外すべて定数となるので単純に微分できて、
【数６】
となる。これに（４）式を入れると、ボロメータの感度を決定する温度係数は、
【数７】
と求まる。ここでＶｇ＝Ｅｇ／ｑ はバンドギャップ電圧と呼ばれ、その値はシリコンで約 １．１１Ｖとなる。
【００１５】
このようにダイオードの温度が上昇することで、ダイオードにおける電圧降下Ｖｄは低下し、感度は電流が小さいほど（＝順方向電圧が小さいほど）大きく、高温ほど小さくなる。図５にダイオードの温度計数のグラフを示すが、温度３００Ｋ、順方向電圧０．６５Ｖのとき、約−１．５ｍＶ／Ｋ、温度３００Ｋ、順方向電圧 ０．５１Ｖのとき、約−２ｍＶ／Ｋとなる。なお、絶対零度（Ｔ＝０）の時にＶはＶｇに等しくなることが示される。
【００１６】
（７）式によれば、温度変化による電圧降下の変化量は、
【数８】
で与えられる。一方、定電流源の動作点を変化させると、
【数９】
となり、（８）式−（９）式より次の（１０）式が得られる。
【数１０】
【００１７】
この（１０）式から、本発明者達は以下のことを発見した。動作点の異なる電流値に対して複数回読み出せば、Ｖｄに含まれるバイアス成分と自己加熱成分を打ち消すことが可能となり、信号成分のみを抽出することができる。このため、ダイオードのバラツキによる固定パターン・ノイズと１／ｆノイズ、リセット・ノイズを除去することができることになる。
【００１８】
次に、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００１９】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるボロメータ型非冷却赤外センサの回路を図１に示す。図１では、説明を簡単にするために２行２列の２×２画素構成を示しているが、より多数行，多数列のｍ×ｎ画素構成に適用できるのは云うまでもない。
【００２０】
入射赤外線を電気信号に変換する赤外線検出画素１ｉｊ（ｉ、ｊ＝１，２）が半導体基板上に２次元的に配置されて撮像領域３を構成している。撮像領域３の内部には、複数本の行選択線４１、４２と、複数本の垂直信号線５１、５２とが配置されている。
【００２１】
画素選択のために、行選択回路４０と水平選択回路６が撮像領域３の行方向と列方向に各々隣接配置され、行選択回路４０には行選択線４１、４２が接続され、水平選択回路６には水平選択線７１、７２が接続されている。画素出力電圧を得るための定電流源として、各列の垂直信号線５には負荷ＭＯＳトランジスタ８１、８２が接続されている。負荷ＭＯＳトランジスタ８１、８２のソースには基板電圧ＧＬ１＿Ｖｓｓが印加され、ゲートにはゲート制御電圧ＧＬ１が印加される。
【００２２】
行選択回路４０により選択された行選択線（例えば４１）には電源電圧Ｖ１が印加され、行選択回路４０により選択されない行選択線（例えば４２）にはＶｓが印加される。その結果、選択された行の赤外線検出画素１内部のｐｎ接合が順バイアスとなりバイアス電流が流れ、画素内部のｐｎ接合の温度と順バイアス電流とにより動作点が決まり、各列の垂直信号線５ｊ（ｊ＝１，２）に画素信号出力電圧が発生する。このとき、行選択回路４０によって選択されない画素１のｐｎ接合は逆バイアスとなる。即ち、画素内部のｐｎ接合は画素選択の機能を持っている。
【００２３】
垂直信号線５ｊ（ｊ＝１，２）に発生する電圧は、極めて低電圧であり、被写体の温度変化ｄＴｓと画素温度変化ｄＴｄとの比として５×１０−３を仮定し、この値と画素のｐｎ接合が８個のｐｎ接合を直列接続した場合の熱電変換感度ｄＶ／ｄＴｄ＝１０ｍＶ／Ｋとにより、ｄＴｓ＝０．１Ｋのときには僅かに５μＶであることが分かる。従って、この被写体温度差を認識するためには、垂直信号線５に発生する雑音を５μＶ以下にすることが必要になる。この雑音の値は、ＭＯＳ型の可視光イメージ・センサであるＣＭＯＳセンサの雑音の約１／８０と、非常に低い。
【００２４】
この低電圧の信号電圧を増幅するために、列毎に増幅読み出し回路９ｊ（ｊ＝１，２）が配置されている。各増幅読み出し回路９ｊ（ｊ＝１，２）は、増幅トランジスタ１０ｊと、結合容量１１ｊと、蓄積容量１２ｊと、リセット・トランジスタ１３ｊと、サンプル・トランジスタ１５ｊと、第１および第２選択トランジスタ３１ｊ、３２ｊとを備えている。各増幅読み出し回路９ｊ（ｊ＝１，２）の増幅トランジスタ１０ｊのゲートと対応する列の垂直信号線５ｊとは、結合容量１１ｊにより容量結合している。この結合容量１１ｊにより、垂直信号線５ｊと増幅読み出し回路９ｊとはＤＣ的に分離される。
【００２５】
増幅トランジスタ１０ｊ（ｊ＝１，２）のソース側には、第１選択トランジスタ３１ｊのドレインが接続され、この第１選択トランジスタ３１ｊのソースには制御信号ＨＡＭＰが印加されている。また、増幅トランジスタ１０ｊ（ｊ＝１，２）のドレイン側には、電流増幅した信号電流を積分し蓄積するための蓄積容量１２ｊが第２選択トランジスタ３２ｊを介して接続されている。第１および第２選択トランジスタ３１ｊ，３２ｊ（ｊ＝１，２）のゲートには制御信号ＨＡＳＥＬ１、ＨＡＳＥＬ２がそれぞれ印加される。
【００２６】
信号電流を積分する蓄積時間は、行選択回路４０により行選択線４ｊ（ｊ＝１，２）に印加される行選択パルスにより決定される。蓄積容量１２ｊ（ｊ＝１，２）の一端には、該蓄積容量１２ｊの電圧をリセットするためのリセット・トランジスタ１３ｊのドレインが接続され、水平選択トランジスタ１４ｊによる信号電圧の読み出しが完了した後にリセット動作を行うようになっている。蓄積容量１２ｊ（ｊ＝１，２）の他端は接地電源ＶＳＳに接続される。また、リセット・トランジスタ１３ｊのゲートにはリセット信号ＶＲＳＴが印加され、ソースには電圧ＶＲＳが印加される。なお、水平選択トランジスタ１４ｊ（ｊ＝１，２）のゲートには水平選択線７ｊが接続され、水平選択回路６からの選択信号Ｈｊが入力される。また、水平選択トランジスタ１４ｊ（ｊ＝１，２）のドレインが接続された出力信号線２４から読出し信号ＳＯＵＴが出力される。なお、この出力信号線２４には出力リセット・トランジスタ３３のドレインが接続され、この出力リセット・トランジスタ３３のゲートに制御信号ＨＲＳＴが印加され、ソースに制御信号ＨＲＳが印加される。また、出力信号線２４にはメモリ５０と、差分演算部６０とが接続されている。
【００２７】
増幅トランジスタ１０ｊ（ｊ＝１，２）のドレインは、サンプル・トランジスタ１５ｊを介して増幅トランジスタ１０ｊのゲートに接続されており、サンプル・トランジスタ１５ｊをオンすることにより、増幅トランジスタ１０ｊのゲートとドレインが同電位となる。このサンプル・トランジスタ１５ｊ（ｊ＝１，２）のゲートには制御信号ＶＦＢが印加される。なお、図１では接続されているダイオードの数は1個となっているが、複数個接続することで入射する赤外線に対して感度を増加させることができる。
【００２８】
図２（ａ）、２（ｂ）に、本実施形態の赤外センサにおける赤外線検出画素の断面構造と、平面構造をそれぞれ示す。熱電変換のためのｐｎ接合を含むセンサ部１６は、単結晶シリコン支持基板１７の内部に形成された中空構造１８の上に形成された、赤外線吸収層２２と、熱電変換のために形成されたＳＯＩ層１９内部のｐｎ接合と、このＳＯＩ層１９を支持している埋め込みシリコン酸化膜層２０とから成る。また、このセンサ部１６を中空構造１８上に支持すると共にセンサ部１６からの電気信号を出力するために支持部２１が設けられ、センサ部１６と垂直信号線５１、５２及び行選択線４１、４２とを接続する接続部（不図示）が設けられている。
【００２９】
このように、センサ部１６及び支持部２１が中空構造１８上に設けられることにより、入射赤外線によるセンサ部１６の温度の変調を効率良く行う構造になっている。なお、図２では、ｐｎ接合が２個直列接続される場合の構造を示している。
【００３０】
次に、本実施形態の赤外線センサの駆動方法を図３および図４を参照して説明する。 図３に本実施形態の赤外線センサの駆動方法の手順を示し、図４にタイミングチャートを示す。
【００３１】
本実施形態の赤外線センサの駆動方法は、動作点の異なる電流値に対して複数回、読み出す構成となっている。
【００３２】
まず、図３のステップＳ１に示すように、リセットを行う。すなわち、リセット・トランジスタ１３ｊ（ｊ＝１，２）および第２選択トランジスタ３２ｊをオンすることで蓄積容量１２ｊが充電され、Ｑ＝Ｃｒ×ＶＲＳの電荷が蓄積される（図４のリセット期間１００参照）。
【００３３】
次に、行選択回路４０によって行選択線（例えば行選択線４１）を選択し、この選択した行選択線に第１バイアス電流条件を設定する（ステップＳ２）。すなわち、リセット・トランジスタ１３ｊ（ｊ＝１，２）および第２選択トランジスタ３２ｊをオフした後、サンプル・トランジスタ１５ｊおよび第１選択トランジスタ３１ｊをオンさせることで、増幅トランジスタ１０ｊのソース電圧およびゲート電圧Ｖｇは、それぞれＶhamp、Ｖhamp＋Ｖthに設定される。ここで、Ｖhampは制御信号ＨＡＭＰの電圧を示し、Ｖthは増幅トランジスタ１０ｊのしきい値電圧を示す。
【００３４】
次に、赤外線信号読み出しを行い、読み出した信号を蓄積・保持する（ステップＳ３、Ｓ４）。すなわち、Ｖhamp＝０に設定し、サンプル・トランジスタ１５ｊ（ｊ＝１，２）をオフした後、行選択回路４０から、選択した行選択線４ｉ（ｉ＝１，２）に電圧を印加すると、この行選択線に接続された画素１の複数の直列に接続されたダイオードと、負荷トランジスタ８ｊ（ｊ＝１，２）とを通じて電流が流れるが、負荷トランジスタ８ｊのゲート電圧の値を適当に選ぶことによりダイオードには一定電流Ｉが流れる。赤外線の入射によるダイオードの温度上昇ΔＴｄによって生じるダイオードの電圧降下の変化ΔＶｄは結合容量１１ｊ（ｊ＝１，２）を通じて増幅トランジスタ１０ｊのゲート電圧ＶｇをＶhamp＋Ｖth＋ΔＶｄに変化させる。増幅トランジスタ１０ｊ（ｊ＝１，２）のゲート電圧Ｖｇの変化は蓄積容量１２ｊから流れ出る電荷量を変化させるが、制御信号ＨＡＭＰの電圧Ｖhampを適当に設定することにより、この電荷量を制御することが可能である。その後、水平選択トランジスタ１４ｊ（ｊ＝１，２）を順次オンすることで、蓄積容量１２ｊの電位Ｖoutを、出力信号線２４を通じて順次読み取ることができ、それらの値を一時的にメモリ５０に保持しておく（図４の読み出し期間１０１参照）。メモリ５０には選択された行選択線に接続された画素１行分のそれぞれの画素の出力に対応する蓄積容量の電位Ｖoutが記憶される。
【００３５】
次に、上記選択された行選択線に、第１バイアス電流条件と動作点が異なる第２バイアス電流条件を設定し（ステップＳ５）、上述したと同様にして赤外線信号の読み出しを行って（図４の読み出し期間１０２参照）、ダイオードの電圧降下の変化ΔＶｄ’による蓄積容量１２ｊの電位Ｖoutと、読み取り（ステップＳ６）、メモリ５０に記憶されている第１バイアス電流条件の動作点における電位Ｖoutとの差分を差分演算部６０によって求めることで（ステップＳ７）、ノイズの少ない赤外光信号を得ることができる（ステップＳ８）。上記ステップ１からステップ８の工程を各選択行線に対して順次行う。
【００３６】
なお、図４において、制御電圧Ｖｓ１はダイオードの出力電圧であり、Ｖｉｎｔは蓄積容量１２ｉ（ｉ＝１，２）の蓄積電圧であり、Ｖｇは増幅トランジスタ１０ｉ（ｉ＝１，２）のゲート電圧であり、制御電圧Ｖｘは増幅トランジスタ１０ｉ（ｉ＝１，２）のドレイン電圧である。
【００３７】
上記第１および第２バイアス電流条件における動作点に対してシミュレーションを行った結果を、図６に示す。図６は、横軸がダイオードのアノードとカソード間の電圧ＶＦを示し、縦軸がダイオード間を流れる電流Ｉを示しており、グラフｇ１が室温３００ＫにおけるダイオードのＩ−Ｖ特性を示し、グラフｇ２が３１０ＫにおけるダイオードのＩ−Ｖ特性を示す。第１バイアス電流条件における動作点におけるダイオードの電圧降下の変化ΔＶｄと、第２バイアス電流条件における動作点におけるダイオードの電圧降下の変化ΔＶｄ’とが示されている。
【００３８】
次に、本実施形態において、垂直信号線５１に接続される画素１１１、１１２のみを赤外線感度を有さない無感度画素２からなる参照セルに置き換えたものとして、第１および第２バイアス電流条件における動作点に対してシミュレーションを行った波形図を、図７に示す。図７において、読み出し期間１００、１０２は参照セル２（図１参照）を読み出す期間であり、読み出し期間１０１、１０３は画素セル１を読み出す期間であり、交互に読み出される。
【００３９】
次に、一行が１２個の画素からなる本実施形態の赤外線センサを作成し、画素一行分（１２ビット分）のデータを２つのバイアス電流値に対して実験的に得られた信号およびその差分を図７に示す。図７のグラフｇ１は、負荷ＭＯＳトランジスタ８ｉ（ｉ＝１，２）に制御電圧ＧＬ１として１．０１Ｖを印加したときの信号波形図であり、グラフｇ２は、負荷ＭＯＳトランジスタ８ｉ（ｉ＝１，２）に制御電圧ＧＬ１として１．０２Ｖを印加したときの信号波形図であり、グラフｇ３は、それらの差分を示す信号波形図である。グラフｇ１、ｇ２のバラツキを示す標準偏差σは９５１、９０５であり、グラフｇ３のバラツキを示す標準偏差σは４５０であった。これから、これから信号の差分をとることで、バラツキを半分程度に抑えることができることがわかる。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態によれば、熱的なリセット機構を作製することなく、固定パターン・ノイズや１／ｆノイズを低減させることができる。
【００４１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態によるボロメータ型非冷却赤外線センサの回路を図９に示す。本実施形態の赤外線センサは、第１実施形態の赤外線センサのように信号電圧を読み出す機構が蓄積コンデンサの電位変化を読み取るのではなく、差動増幅器を用いて直接ダイオードの電圧を読み出している。このため、図１に示す第１実施形態の赤外線センサの増幅読み出し回路９ｊ（ｊ＝１，２）を削除し、代わりに差動増幅器（オペアンプ）４１ｊ（ｊ＝１，２）を設け、更に撮像領域３に、赤外線感度を有さない無感度画素２からなる参照セルが１行配置され、これらの参照セルに接続される参照垂直信号線５０と、この参照垂直信号線５０に接続される負荷ＭＯＳトランジスタ８０と、を設けた構成となっている。負荷ＭＯＳトランジスタ８０のソースには基板電圧ＧＬ１＿Ｖｓｓが印加され、ゲートにはゲート制御電圧ＧＬ１が印加される。各差動増幅器４１ｊ（ｊ＝１，２）は、選択したセルに接続された信号線から読み出された信号電圧と、参照セルに接続された参照垂直信号線５０からの参照電圧とを比較し、その出力が、水平選択回路６によってオンされた水平選択トランジスタ１４ｊを介して読み出される。
【００４２】
本実施形態も第１実施形態と同様に、熱的なリセット機構を作製することなく、固定パターン・ノイズや１／ｆノイズを低減させることができる。
【００４３】
また、本実施形態の赤外線センサは、複数のトランジスタを有する増幅読み出し回路の代わり差動増幅器４１を用いているので、第１実施形態の場合に比べて、制御信号を大幅に減らすことができる。
【００４４】
以上に説明したように、本発明の各実施形態によれば、熱的なリセット機構を作製することなく、固定パターン・ノイズや１／ｆノイズを低減させたボロメータ型非冷却赤外線センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第１実施形態の赤外線センサの回路図。
【図２】本発明の各実施形態の赤外線センサの検出画素の構造を示す図。
【図３】第１実施形態の赤外線センサの駆動方法を説明するフローチャート。
【図４】第１実施形態の赤外線センサの駆動方法を説明するタイミングチャート。
【図５】ダイオードの温度係数のバイアス電圧依存性を示す図。
【図６】第１実施形態の赤外線センサの電流―電圧特性のシミュレーション結果を示す図。
【図７】第１実施形態の赤外線センサの、２つのバイアス電流値に対して実験的に得られた信号波形およびその差分を示した図。
【図８】第２実施形態の赤外線センサの示す回路図。
【図９】第２実施形態の赤外線センサの駆動方法を説明するタイミングチャート駆動シミュレーション結果を示す波形図。
【符号の説明】
【００４６】
１ 赤外線検出画素
２ 無感度画素
３ 撮像領域
４１、４２ 行選択線
４０ 行選択回路
５１、５２ 垂直信号線
６ 水平選択回路
７１、７２ 水平選択線
８１、８２ 負荷ＭＯＳトランジスタ
９１、９２ 増幅読み出し回路
１０１、１０２ 増幅トランジスタ
１１１、１１２ 結合容量
１２１、１２２ 蓄積容量
１４１、１４２ 水平選択トランジスタ
１５１、１５２ サンプル・トランジスタ
１６ センサ部
１７ 支持基板
１８ 中空構造
１９ ＳＯＩ単結晶シリコン層
２０ 埋め込み酸化シリコン層
２１ 支持部
２２ 赤外線吸収層
２４ 出力信号線
３１１、３１２ 第１選択トランジスタ
３２１、３２２ 第２選択トランジスタ
３３ 出力リセット・トランジスタ
４１１、４１２ 差動増幅器（オペアンプ）
５０ メモリ
６０ 差分演算部
１００ リセット期間
１０１ 第１バイアス電流条件読出し期間
１０２ 第２バイアス電流条件読出し期間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、入射赤外線を検出する、１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素が行列状に配列された撮像領域と、
それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各行に対応して設けられて対応する行の前記ダイオードのアノードに接続される複数の行選択線と、
前記複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、
それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各列に対応して設けられて対応する列の前記ダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、
前記複数の信号線に対応して設けられて対応する信号線に発生した信号電圧を読み出す電圧読み出し回路と、
前記各信号線と対応する前記電圧読み出し回路との間に設けられた結合容量と、
前記電流源からの２つの異なる電流値に対する同一の検出画素の出力に対応する、前記電圧読み出し回路によって読み出された２つの信号電圧の差を演算する演算部と、
を備えていることを特徴とするボロメータ型非冷却赤外線センサ。
【請求項２】
前記電圧読み出し回路は、
対応する信号線に発生した信号電圧により変調される増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタのドレインに接続され前記増幅トランジスタからの信号電荷を蓄積する蓄積容量と、
前記増幅トランジスタのドレインの電位をリセットするリセット部と、
前記蓄積容量に保持された信号電荷を読み出す信号電荷読み出し部と、
前記増幅トランジスタのドレインとゲートとの間に設けられたサンプリングトランジスタと、
を備えていることを特徴とする請求項１記載のボロメータ型非冷却赤外線センサ。
【請求項３】
半導体基板上に、入射赤外線を検出する、１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素が行列状に配列された撮像領域と、
それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各行に対応して設けられて対応する行の前記ダイオードのアノードに接続される複数の行選択線と、
前記複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、
それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各列に対応して設けられて対応する列の前記ダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、
前記撮像領域内に行方向に配置され、赤外線感度を有さない無感度画素の一行と、
前記複数の信号線に対応して設けられて対応する信号線に発生した信号電圧と、前記無感度画素の出力との差を読み出す電圧読み出し回路と、
を備えていることを特徴とするボロメータ型非冷却赤外線センサ。
【請求項４】
電圧読み出し回路は差動増幅器であることを特徴とする請求項３記載のボロメータ型非冷却赤外線センサ。
【請求項５】
前記半導体基板上に設けられた読み出し配線部と、
前記半導体基板の表面部分に形成された凹部の上方に配置され、前記読み出し配線部と電気的に接続された接続配線を有する支持構造部と、
前記凹部の上方に配置され、前記支持構造部によって支持されたセル部と、
を更に備え、
前記撮像領域は、セル部上に設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のボロメータ型非冷却赤外線センサ。
【請求項６】
半導体基板上に、入射赤外線を検出する、１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素が行列状に配列された撮像領域と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各行に対応して設けられて対応する行の前記ダイオードのアノードに接続される複数の行選択線と、前記複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各列に対応して設けられて対応する列の前記ダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、を備えているボロメータ型非冷却赤外線センサの駆動方法であって、
前記複数の行選択線から一つの行選択線を選択するステップと、
前記選択された行選択線に接続された前記ダイオードに第１バイアス電流を流すステップと、
前記第１バイアス電流によって前記信号線に発生する第１電圧を読み出し、保持するステップと、
前記選択された行選択線に接続された前記ダイオードに前記第１バイアス電流と異なる第２バイアス電流を流すステップと、
前記第２バイアス電流によって前記信号線に発生する第２電圧を読み出すステップと、
前記第１電圧と前記第２電圧との差を求めるステップと、
を備えていることを特徴とする駆動方法。
【請求項１】
半導体基板上に、入射赤外線を検出する、１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素が行列状に配列された撮像領域と、
それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各行に対応して設けられて対応する行の前記ダイオードのアノードに接続される複数の行選択線と、
前記複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、
それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各列に対応して設けられて対応する列の前記ダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、
前記複数の信号線に対応して設けられて対応する信号線に発生した信号電圧を読み出す電圧読み出し回路と、
前記各信号線と対応する前記電圧読み出し回路との間に設けられた結合容量と、
前記電流源からの２つの異なる電流値に対する同一の検出画素の出力に対応する、前記電圧読み出し回路によって読み出された２つの信号電圧の差を演算する演算部と、
を備えていることを特徴とするボロメータ型非冷却赤外線センサ。
【請求項２】
前記電圧読み出し回路は、
対応する信号線に発生した信号電圧により変調される増幅トランジスタと、
前記増幅トランジスタのドレインに接続され前記増幅トランジスタからの信号電荷を蓄積する蓄積容量と、
前記増幅トランジスタのドレインの電位をリセットするリセット部と、
前記蓄積容量に保持された信号電荷を読み出す信号電荷読み出し部と、
前記増幅トランジスタのドレインとゲートとの間に設けられたサンプリングトランジスタと、
を備えていることを特徴とする請求項１記載のボロメータ型非冷却赤外線センサ。
【請求項３】
半導体基板上に、入射赤外線を検出する、１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素が行列状に配列された撮像領域と、
それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各行に対応して設けられて対応する行の前記ダイオードのアノードに接続される複数の行選択線と、
前記複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、
それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各列に対応して設けられて対応する列の前記ダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、
前記撮像領域内に行方向に配置され、赤外線感度を有さない無感度画素の一行と、
前記複数の信号線に対応して設けられて対応する信号線に発生した信号電圧と、前記無感度画素の出力との差を読み出す電圧読み出し回路と、
を備えていることを特徴とするボロメータ型非冷却赤外線センサ。
【請求項４】
電圧読み出し回路は差動増幅器であることを特徴とする請求項３記載のボロメータ型非冷却赤外線センサ。
【請求項５】
前記半導体基板上に設けられた読み出し配線部と、
前記半導体基板の表面部分に形成された凹部の上方に配置され、前記読み出し配線部と電気的に接続された接続配線を有する支持構造部と、
前記凹部の上方に配置され、前記支持構造部によって支持されたセル部と、
を更に備え、
前記撮像領域は、セル部上に設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のボロメータ型非冷却赤外線センサ。
【請求項６】
半導体基板上に、入射赤外線を検出する、１つまたは複数の直列接続されたダイオードからなる検出画素が行列状に配列された撮像領域と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各行に対応して設けられて対応する行の前記ダイオードのアノードに接続される複数の行選択線と、前記複数の行選択線のそれぞれに一定電流を流すことのできる電流源と、それぞれが、前記撮像領域内に前記検出画素の各列に対応して設けられて対応する列の前記ダイオードのカソードに接続される複数の信号線と、を備えているボロメータ型非冷却赤外線センサの駆動方法であって、
前記複数の行選択線から一つの行選択線を選択するステップと、
前記選択された行選択線に接続された前記ダイオードに第１バイアス電流を流すステップと、
前記第１バイアス電流によって前記信号線に発生する第１電圧を読み出し、保持するステップと、
前記選択された行選択線に接続された前記ダイオードに前記第１バイアス電流と異なる第２バイアス電流を流すステップと、
前記第２バイアス電流によって前記信号線に発生する第２電圧を読み出すステップと、
前記第１電圧と前記第２電圧との差を求めるステップと、
を備えていることを特徴とする駆動方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−７４８９８（Ｐ２００９−７４８９８Ａ）
【公開日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２４３６３２（Ｐ２００７−２４３６３２）
【出願日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２０日（２００７．９．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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