赤外線固体撮像素子
【課題】信号の読み出し時のノイズを可及的に少なくすることのできる赤外線固体撮像素子を提供することを可能にする。
【解決手段】入射赤外線を検出する複数の赤外線検出画素がマトリクス状に配列された有感度画素領域と、複数の参照画素が設けられる参照画素領域と、を備えている。各赤外線検出画素は前記入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜と、この赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第１熱電変換素子と、を有する熱電変換部を有し、各参照画素は、第２熱電変換素子を有し、参照画素のそれぞれの一端が共通の参照電位線に接続され、赤外線検出画素からの信号線を介して読み出された信号電位と、参照電位線からの参照電位との差を増幅して出力する。
【解決手段】入射赤外線を検出する複数の赤外線検出画素がマトリクス状に配列された有感度画素領域と、複数の参照画素が設けられる参照画素領域と、を備えている。各赤外線検出画素は前記入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜と、この赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第１熱電変換素子と、を有する熱電変換部を有し、各参照画素は、第２熱電変換素子を有し、参照画素のそれぞれの一端が共通の参照電位線に接続され、赤外線検出画素からの信号線を介して読み出された信号電位と、参照電位線からの参照電位との差を増幅して出力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線は、可視光よりも煙、霧に対して透過性が高いという特長を有するので、赤外線撮像は、昼夜にかかわらず可能である。また、赤外線撮像は、被写体の温度情報をも得ることができるので、防衛分野をはじめ監視カメラや火災検知カメラのように広い応用範囲を有する。
【０００３】
近年、冷却機構を必要としない「非冷却型赤外線固体撮像素子」の開発が盛んになってきている。非冷却型すなわち熱型の赤外線固体撮像装置は、波長１０μ程度の入射赤外線を吸収構造により熱に変換した上で、この微弱な熱により生じる感熱部の温度変化をなんらかの熱電変換素子により電気信号に変換する。非冷却型赤外線固体撮像装置は、この電気信号を読み出すことで赤外線画像情報を得る。
【０００４】
例えば、一定の順方向電流を与えることにより温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合を用いた赤外線センサ（赤外線固体撮像素子）が知られている（特許文献１）。この赤外線センサは、半導体基板としてＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることによって、シリコンのＬＳＩ製造プロセスを用いて量産することができるという特長がある。また、熱電変換素子であるシリコンｐｎ接合（ダイオード）の整流特性を利用して、行選択の機能を実現しているので画素構造が極めてシンプルに構成できるという特長もある。
【０００５】
赤外線センサの性能を表す指標の一つは、赤外線センサの温度分解能を表現するＮＥＴＤ（Noise Equivalent Temperature Difference（等価雑音温度差））である。ＮＥＴＤを小さくすること、すなわち、雑音に相当する検出温度差を小さくすることが重要である。そのためには信号の感度を高くすること、および雑音を低減することが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３００４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１には、増幅トランジスタの閾値ばらつきの影響を低減するための閾値電圧クランプ処理が記載されている。この閾値電圧クランプ処理は、サンプリングトランジスタがオンになると、信号線と容量結合された増幅トランジスタのゲートに負電荷が蓄積される。このとき、信号線と増幅トランジスタとの間の結合容量の電圧は、（Ｖｄｄ−Ｖｒｅｆ）−Ｖｔｈに収束させることが好ましい。ここで、Ｖｄｄは行選択回路が画素に与えるバイアス電圧であり、Ｖｒｅｆは定負荷トランジスタから信号線に与えられる電圧であり、Ｖｔｈは画素の閾値電圧である。この閾値電圧クランプ処理では、各列の増幅トランジスタの閾値電圧のばらつきを補償することができるが、各列において、閾値電圧クランプを行った瞬間に信号線に存在するノイズ成分がホールドされてしまい、以降、行選択時に常にその情報を参照するため、縦スジノイズが現れるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、信号の読み出し時のノイズを可及的に少なくすることのできる赤外線固体撮像素子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】
本発明の一態様による赤外線固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に、入射赤外線を検出する複数の赤外線検出画素がマトリクス状に配列された有感度画素領域と、複数の参照画素が設けられる参照画素領域と、を備える撮像領域であって、各赤外線検出画素は前記入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜と、この赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第１熱電変換素子と、を有する熱電変換部を有し、各参照画素は、第２熱電変換素子を有している、撮像領域と、前記撮像領域内に、前記赤外線検出画素の各行に対応して設けられ、それぞれが対応する行の赤外線検出画素の前記第１熱電変換素子の一端に接続されて前記対応する行の赤外線検出画素を選択する、複数の行選択線と、前記撮像領域内に、前記赤外線検出画素の各列に対応して設けられ、それぞれが対応する列の赤外線検出画素の前記第１熱電変換素子の他端に接続されて前記対応する列の赤外線検出画素からの電気信号を信号電位として読み出すための複数の信号線と、前記複数の参照画素のそれぞれの前記第２熱電変換素子の一端が接続される参照電位線と、前記複数の参照画素のそれぞれに対応して設けられた複数の定電流源であって、各定電流源は、対応する参照画素の前記第２熱電変換素子の他端に接続される、複数の定電流源と、各信号線に対応して設けられた複数の増幅器であって、各増幅器は対応する信号線から読み出された前記信号電位と、前記参照電位線からの参照電位との差を増幅する複数の増幅器と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、信号の読み出し時のノイズを可及的に少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態による赤外線固体撮像素子の構成を示す回路図。
【図２】第１実施形態に用いられる有感度画素の平面図。
【図３】第１実施形態に用いられる有感度画素の断面図。
【図４】第１実施形態に用いられる無感度画素の一具体例の平面図。
【図５】第１実施形態に用いられる無感度画素の一具体例の断面図。
【図６】第１実施形態に用いられる無感度画素の他の具体例の平面図。
【図７】第１実施形態に用いられる無感度画素の他の具体例の断面図。
【図８】第１実施形態による赤外線固体撮像素子における無感度画素の配置示す図。
【図９】第２実施形態による赤外線固体撮像素子における無感度画素の配置示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による赤外線固体撮像素子の構成を図１に示す。本実施形態の赤外線固体撮像素子１は半導体基板（図示せず）上に形成され、マトリクス状に配列された画素を含む撮像領域１０と、読み出し回路３０と、行選択回路４０と、列選択回路４２と、を備えている。
【００１４】
撮像領域１０は、有感度画素領域３００と、無感度画素領域（参照画素領域）５００とを有している。有感度画素領域３００には、４行２列に配列された８個の画素１２１１、１２１２、１２２１、１２２２、１２３１、１２３２、１２４１、１２４２を有している。また、無感度画素領域５００には、４行１列に配列された８個の画素１１１、１１２、１１３、１１４を有している。一般に撮像領域は、通常、より多くの画素を備えているが、本実施形態では、便宜的に１２画素とする。無感度画素領域５００に１列に配列された画素１１１、１１２、１１３、１１４は赤外線に対する感度を有しない無感度画素（参照画素ともいう）であり、図中では、ＴＢ（Thermal Black Pixel）と表している。また、有感度画素領域３００の第１列および第２列に配列された画素１２１１、１２１２、１２２１、１２２２、１２３１、１２３２、１２４１、１２４２は赤外線を検出することの可能な有感度画素（赤外線検出画素ともいう）であり、図中ではＩＲ（Infrared Radiation Detection Pixel）と表している。無感度画素１１１、１１２、１１３、１１４は、熱的無感度画素（ＴＢ）または光学的無感度画素（ＯＢ（Optical Black Pixel））のいずれかでよい。熱的無感度画素または光学的無感度画素の構造は後述する。各画素１１１、１１２、１１３、１１４、１２１１、１２１２、１２２１、１２２２、１２３１、１２３２、１２４１、１２４２は、熱電変換素子、例えばｐｎ接合からなるダイオード１４を少なくとも１個備えている。
【００１５】
第１行の有感度画素１２１１、１２１２のそれぞれのダイオード１４のアノードは、行選択線１６１に接続され、第２行の有感度画素１２２１、１２２２のそれぞれのダイオード１４のアノードは、行選択線１６２に接続され、第３行の有感度画素１２３１、１２３２のそれぞれのダイオード１４のアノードは、行選択線１６３に接続され、第４行の有感度画素１２４１、１２４２のそれぞれのダイオード１４のアノードは、行選択線１６４に接続されている。行選択線１６１、１６２、１６３、１６４のそれぞれは、行選択回路４０によって１行ずつ順次選択され、選択された行選択線にはバイアス電圧Ｖｄが印加される。
【００１６】
第１列の有感度画素１２１１、１２２１、１２３１、１２４１のそれぞれのダイオード１４のカソードは、第１列の垂直信号線（以下、単に信号線ともいう）１８１に接続され、第２列の有感度画素１２１２、１２２２、１２３２、１２４２のそれぞれのダイオード１４のカソードは、第２列の垂直信号線１８２に接続されている。
【００１７】
また、読み出し回路３０は、差動増幅回路３１１、３１２と、列選択トランジスタ３４１、３４２と、を備えている。差動増幅回路３１ｉ（ｉ＝１，２）の出力は、列選択トランジスタ３４ｉを通して水平信号線３８に出力される。列選択トランジスタ３４ｉ（ｉ＝１，２）のゲートは列選択回路４２によって接続され、この列選択回路４２によって選択されることにより、選択された列選択トランジスタ３４ｉがオンする。
【００１８】
各垂直信号線１８ｉ（ｉ＝１，２）の一端は、負荷トランジスタ４１ｉのドレインに接続され、他端は差動増幅回路３１ｉの正側入力端子に接続されている。各負荷トランジスタ４１ｉ（ｉ＝１，２）は、飽和領域で動作し、そのゲートに印加されるゲート電圧に応じて、垂直信号線に定電流を供給する。すなわち、負荷トランジスタ４１ｉ（ｉ＝１，２）は、定電流源として機能する。
【００１９】
一方、各無感度画素１１ｉ（ｉ＝１，２，３，４）のダイオード１４のアノードは、バイアス電圧Ｖｄが印加され、カソードは、参照電位線１９に接続されている。また、参照電位線１９は、負荷トランジスタ５１１、５１２、５１３、５１４のドレインが接続されるとともに、差動増幅回路３１１、３１２の負側入力端子に接続される。各負荷トランジスタ５１ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、飽和領域で動作し、そのゲートに印加されるゲート電圧に応じて、垂直信号線に定電流を供給する。すなわち、負荷トランジスタ５１ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、定電流源として機能する。
【００２０】
行選択回路４０が選択した行選択線、例えば、行選択線１６１にバイアス電圧Ｖｄを印加すると、選択された行選択線１６１の有感度画素１２１１、１２１２のダイオード１４に、直列電圧Ｖｄ―Ｖｄ０が印加されることになる。一方、非選択の行選択線１６２、１６３、１６４に接続されている有感画素１２２１、１２２２、１２３１、１２３２、１２４１、１２４２のダイオード１４は、すべて逆バイアスされているので、非選択の行選択線１６２、１６３、１６４と信号線１８１、１８２とは分離されている。即ち、ダイオード１４は、画素選択機能を担っているといってもよい。
【００２１】
赤外線を受光していない時の垂直信号線１８１、１８２の電位をＶｓｌ０と定義する。有感度画素１２ｉｊ（ｉ＝１，２，３，４、ｊ＝１，２）は、赤外線を受光すると、画素温度が上昇する。それにより、垂直信号線１８１、１８２の電位Ｖｓｌは高くなる。例えば、被写体温度が１Ｋ（ケルビン）変化すると、有感度画素１２ｉｊ（ｉ＝１，２，３，４、ｊ＝１，２）の温度は約５ｍＫ変化する。熱電変換効率を１０ｍＶ／Ｋとすると、垂直信号線１８１、１８２の電位は約５０μＶだけ上昇する。これは、バイアス電圧Ｖｄに比べて非常に小さい。
【００２２】
また、有感度画素１２ｉｊ（ｉ＝１，２，３，４、ｊ＝１，２）は、半導体基板の温度を反映して特性が変化するため、信号と基板温度とを区別することができない。すなわち、例えば環境温度が１Ｋ変化しただけでも赤外線検出信号の２００倍程度に値する出力変化が生じてしまうことになる。
【００２３】
無感度画素１１ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、赤外線に対して不感であるため、半導体基板の温度情報のみを反映している。したがって、有感度画素の出力信号と、無感度画素の出力信号の差分をとれば、赤外線情報のみを検出することができることになる。
【００２４】
無感度画素が半導体基板に１個しかなく、その出力信号を参照信号とする場合、無感度画素に生じた電気ノイズをも参照信号としてしまうため、結果的にベースとなる電位が揺らいでしまうことになる。これは動画としてみたばあいにフリッカ（ゆらぎ）として見えることになる。
【００２５】
本実施形態では、無感度画素１１１〜１１４を複数個（図１では４個）並列に接続し、それらの出力を平均化することでノイズ成分を抑圧する。具体的には、無感度画素１１１〜１１４の各ダイオード１４のアノード側に共通電位となる電源電圧Ｖｄｄを与え、カソード側は共通出力電位となる参照電位線１９に接続する。この参照電位線１９に、無感度画素と同数設置された負荷トランジスタ５１１〜５１４のドレインを接続して定電流を流す。ここで、負荷トランジスタ５１１〜５１４を４個配置することと、負荷トランジスタ５１１〜５１４に対しゲート幅が４倍のトランジスタを１個配置することは等価である。しかし、本実施形態においては、負荷トランジスタ５１ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、有感度画素に接続された負荷トランジスタ４１ｊ（ｊ＝１，２）に対し製造ばらつきが同等であることを考慮して、無感度画素と同数設置としている。負荷トランジスタ５１ｉ（ｉ＝１，２，３，４）のゲート電位は有感度画素に接続された負荷トランジスタ４１ｊ（ｊ＝１，２）のゲート電位と同電位のＧＬ１とし、同じ電流が流れるようにする。
【００２６】
このとき、参照電位線１９の電位（参照電位）は、無感度画素１１１〜１１４にばらつき及び時間変動ノイズが無い場合、Ｖｄｄ−Ｖｒｅｆとなる。ここでＶｒｅｆは無感度画素１１１〜１１４の順方向電圧である。無感度画素１１ｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）の順方向電圧にδＶｒｅｆ（ｉ）のばらつきがある場合、参照電位線１９の電位は、
Ｖｄｄ−Ｖｒｅｆ＋ΔＶｒｅｆ
で与えられ、ΔＶｒｅｆは、
（δＶｒｅｆ（１）２＋δＶｒｅｆ（２）２＋…＋δＶｒｅｆ（ｎ）２）１／２／ｎ
と表される。ここでｎは無感度画素の総数である。例えば、各無感度画素に対してばらつき及び時間変動ノイズδＶｒｅｆ（ｉ）が同等の１０μＶであるとすると、ｎ＝１の場合は、ΔＶｒｅｆ＝１０μＶとなり、ｎ＝１００の場合は、ΔＶｒｅｆ＝１μＶとなって、ｎの平方根に逆比例してノイズ電圧が下がっていく。すなわち、無感度画素を多数接続すればするほど、参照電位のＳＮ比、または安定性が向上していく。
【００２７】
こうして得られた参照電位は、差動増幅回路３１１、３１２の負側入力端子に入力され、垂直信号線１８１、１８２に現れた信号電位との差分信号が差動増幅回路３１１、３１２から出力される。各列の差分信号は、列選択トランジスタ３４１、３４２を介して水平信号線３３に接続されており、水平選択トランジスタ２４のゲートには列選択回路４２からのパルス電圧が列ごとに印加される。こうして、１列ごとの差分信号が水平信号線３８に順番に掃きだされ、出力される。
【００２８】
以上説明したように、行選択回路４０に行選択線を交互に選択し、選択された行選択線に接続されている有感度画素によって被写体の温度変化が電気信号として取り出されて、この電気信号が信号電位として信号線に読み出され、参照電位との差分信号が差動増幅回路によって増幅され、この増幅された差分信号は、列選択トランジスタ３４１、３４２によって順番に水平信号線３８に読み出される。
【００２９】
解決しようとする課題の項に述べたように、従来の閾値電圧クランプ処理では、閾値電圧クランプを行った瞬間に信号線に存在するノイズ成分がホールドされてしまい、以降、行選択線の選択時に常にその情報を参照するため、縦スジノイズが現れるという問題があった。
【００３０】
これに対して、本実施形態の赤外線固体撮像素子においては、全ての有感度画素に対して、無感度画素との差分信号が常に比較出力されるため、原理的にノイズがホールドされず、縦スジノイズを発生しない。
【００３１】
次に、本実施形態による赤外線固体撮像素子の有感度画素の構造を図２および図３を参照して説明する。図２は本実施形態による赤外線固体撮像素子の有感度画素１２の平面図であり、図３は図２示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図である。有感度画素１２は、ＳＯＩ基板上に形成される。このＳＯＩ基板は、支持基板１０１と、埋め込み絶縁層（ＢＯＸ層）１０２と、シリコン単結晶からなるＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）層と、を有し、表面部分に凹部１１０が形成されている。そして有感度画素１２は、上記ＳＯＩ層に形成された熱電変換部１３と、熱電変換部１３を凹部１１０の上方に支持する支持構造部１３０ａ、１３０ｂと、を備えている。熱電変換部１３は、直列に接続された複数（図２および図３では２個）のダイオード１４と、これらのダイオード１４を接続する配線１２０と、これらのダイオード１４および配線１２０を覆うように形成された赤外線吸収膜１２４とを備えている。支持構造部１３０ａは、一端が対応する行選択線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線１３２ａと、この接続配線１３２ａを覆う絶縁膜１３４ａとを備えている。他方の支持構造部１３０ｂは、一端が対応する垂直信号線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線１３２ｂと、この接続配線１３２ｂを覆う絶縁膜１３４ｂとを備えている。
【００３２】
赤外線吸収膜１２４は入射された赤外線によって発熱する。ダイオード１４は、赤外線吸収膜１２４で発生した熱を電気信号に変換する。支持構造部１３０ａ、１３０ｂは、熱電変換部１３の周囲を取り巻くように細長く形成されている。これにより、熱電変換部１３は、ＳＯＩ基板からほぼ断熱された状態でＳＯＩ基板上に支持される。
【００３３】
このような構造を有することにより、有感度画素１２は、入射された赤外線に応じて発生した熱を蓄熱し、この熱に基づいた電圧を信号線に出力することができる。
【００３４】
行選択線からのバイアス電圧Ｖｄは、配線１３２ａを介してダイオード１４へ伝達される。ダイオード１４のカソード側電圧、すなわち信号電圧は、配線１３２ｂを介して垂直信号線に伝達される。
【００３５】
次に、本実施形態による赤外線固体撮像素子の無感度画素の一具体例の構成を図４乃至図５を参照して説明する。図４はこの具体例の無感度画素１１の平面図であり、図５は図４に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。この無感度画素１１は、熱的無感度画素（ＴＢ）であって、有感度画素１２と同様に、ＳＯＩ基板上に形成される。しかし、無感度画素１１が形成されるＳＯＩ基板の領域には、有感度画素１２の場合と異なり、凹部１１０は形成されていない。そして無感度画素１１は、上記ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に形成され直列に接続された複数（図４および図５では２個）のダイオード１４と、これらのダイオード１４を接続する配線１２０と、一端が一定の電位Ｖｄｄの電源線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線１４２ａと、一端が対応する参照電位線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線１４２ｂと、これらのダイオード１４、配線１２０、接続配線１４２ａ、１４２ｂを覆うように形成された絶縁膜１２５と、を備えている。
【００３６】
このように構成された無感度画素１１においては、ダイオード１４で発生した熱は、その周囲の絶縁膜１２５、埋め込み絶縁層１０２およびバルク基板（図示せず）へ拡散する。即ち、ダイオード１４とその周囲の構造との熱コンダクタンスは、有感度画素１２のそれよりも高い。この具体例の無感度画素１１は、凹部１１０を有しないため、蓄熱機能を有しない。したがって、この具体例の無感度画素１１は、ＳＯＩ基板の温度を反映する。このような無感度画素は基板温度測定画素とも呼ばれる。
【００３７】
次に、本実施形態による赤外線固体撮像素子の無感度画素の他の具体例の構成を、図６乃至図７を参照して説明する。図６はこの具体例の無感度画素１１Ａの平面図であり、図７は図６に示す切断線Ｃ−Ｃで切断したときの断面図である。この具体例の無感度画素１１Ａは、光学的無感度画素（ＯＢ）であって、有感度画素１２と同様に、表面部分に凹部１１０が形成されたＳＯＩ基板に形成される。そして無感度画素１１Ａは、上記ＳＯＩ層に形成された反射部１３Ａと、反射部１３Ａを凹部１１０の上方に支持する支持構造部１４０ａ、１４０ｂと、を備えている。反射部１３Ａは、直列に接続された複数（図６および図７では２個）のダイオード１４と、これらのダイオード１４を接続する配線１２０と、これらのダイオード１４および配線１２０を覆うように形成された赤外線反射膜１５０と、これらのダイオード１４、配線１２０、および赤外線反射膜１５０を覆うように形成された赤外線吸収膜１２４とを備えている。支持構造部１４０ａは、一端が一定の電位Ｖｄｄの電源線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線１４２ａと、この接続配線１４２ａを覆う絶縁膜１４４ａとを備えている。他方の支持構造部１４０ｂは、一端が対応する参照電位線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線１４２ｂと、この接続配線１４２ｂを覆う絶縁膜１４４ｂとを備えている。なお、赤外線反射膜１５０としては、赤外線を十分に反射するために、アルミニウム膜を用いることが望ましい。
【００３８】
このような構成の無感度画素１１Ａは、赤外線吸収膜１２４内に赤外線反射膜１５０を有している点で、有感度画素１２と異なっている。この光学的無感度画素１１Ａは、赤外線を反射するため、赤外線に対し不感である。それ以外の点は、有感度画素１２と構造が同じであるため、参照画素としては基板温度測定画素（熱的無感度画素）１１よりも適している。例えば、有感度画素（赤外線検出画素）１２の温度は、半導体基板１０１の温度に、熱電変換部１２を選択した際に発生したジュール熱が加わり、さらに赤外線信号に対応する温度成分が加わっている。半導体基板１０１の温度が２５℃であるとすると、ジュール熱はおよそ０．１℃程度、赤外線信号に対応する温度成分は、被写体の温度が１℃変化した際におよそ０．０１℃程度のオーダーとなる。光学的無感度画素（ＯＢ）１１Ａは、赤外線検出画素と同じく、半導体基板１０１の温度およびジュール熱による温度成分を持っており、温度成分を再現している点で忠実な無感度画素であるといえる。
【００３９】
なお、熱的無感度画素（ＴＢ）１１は、ジュール熱による温度成分を持たないが、空洞部１１０を有していないため、空洞部１１０の形成に起因して発生する画素間Ｉ−Ｖ特性ばらつきが少ない。したがって、熱的無感度画素（ＴＢ）を用いることにより、素子間の参照電圧値ばらつきが抑えられるという利点がある。
【００４０】
ダイオード１４に通電を行った際に生じるジュール熱成分は、熱的無感度画素１１には存在せず、この点で有感度画素１２と差異があったが、光学的無感度画素１１Ａでは赤外線による温度変化以外は同じ温度成分を持つ。赤外線反射膜１２４は、差動増幅回路３１１、３１２等を構成する配線層と同層に構成してもよい。この場合、製造プロセスを短縮することができ、コスト低減が可能である。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、無感度画素と有感度効画素の差分を出力するにあたって原理的に発生するノイズを低減することが可能となり、高Ｓ／Ｎ化を達成することができる。
【００４２】
また、本実施形態においては、画素は、熱を電気信号に換える熱電変換素子とし、ダイオードを用いたが、抵抗体であってもよい。
【００４３】
本実施形態で説明した無感度画素領域５００は任意に位置に配置可能であるが、本実施形態では、例えば、図８に示すように、有感度画素（赤外線検出画素（ＩＭＧ））１２がマトリクス状に配置された有感度画素アレイの上辺および左辺に隣接するように無感度画素１１を配置する。図中では赤外線検出画素１２は５行５列のマトリクス状に配置されており、この場合、無感度画素数１１は１１個となる。実際には赤外線検出画素１２は１２０行１６０列、あるいは２４０行３２０列、４８０行６４０列等に配置されることが一般的であり、その場合、無感度画素１１０の総数はそれぞれ、２８１個、５６１個、１１２１個となる。この場合、無感度画素１１０が１個の場合に比べて、参照電圧のＳＮ比をそれぞれ１６．８倍、２３．７倍、３３．７倍に向上することができる。
【００４４】
このように、有感度画素アレイの上辺および左辺に配置することによって、面積を有効に使いながら無感度画素１１の数を増やすことができ、また、無感度画素１１と赤外線検出画素１２からなる領域の温度分布をより正確に監視することができる。
【００４５】
無感度画素１１の配置位置は、有感度画素アレイの上辺および左辺に限らず、上辺および右辺に配置するか、または下辺および左辺に配置してもよい。あるいは、有感度画素アレイの４辺を取り囲むように無感度画素１１を配置してよい。また、無感度画素１１は有感度画素アレイの辺に対して２列または２行以上配置してもかまわない。
【００４６】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による赤外線固体撮像素子について図９を参照して説明する。本実施形態の赤外線固体撮像素子は、第１実施形態の赤外線固体撮像素子とは、無感度画素の配置のみが異なっている。
【００４７】
本実施形態では、図９に示したように、無感度画素領域５００は、各無感度画素毎に設けられるサブ領域５０１からなっており、サブ領域５０１の無感度画素１１を、有感度画素（赤外線検出画素）１２からなる有感度画素アレイの内部に配置する。この場合も、それぞれの無感度画素１１は、図１に示す無感度画素領域５００に対応するように配線連結されている。配線は、画素と画素の間隙に配置する。
【００４８】
本実施形態の場合、無感度画素１１、例えば図９に示す第２行第２列（Ｘ座標＝２、Ｙ座標＝２）に位置する無感度画素１１は、この部分では被写体を撮像することができない。そこで、当画素を取り囲んでいる８個の赤外線検出画素１２を用いて、被写体信号を補間する処理を行う。補間処理は、半導体基板から出力された信号に対して、カメラ回路にておこなえばよい。図９に示す第２行第２列（Ｘ座標＝２、Ｙ座標＝２）に位置する無感度画素１１に被写体信号を補間する場合、信号値をＡＸＹと表す（Ｘ、Ｙは図９中のＸ座標、Ｙ座標を示す）と、この無感度画素１１における補間信号Ａ２２は、
Ａ２２＝（Ａ２１＋Ａ１２＋Ａ３２＋Ａ２３）÷６＋（Ａ１１＋Ａ３１＋Ａ１３＋Ａ３３）÷１２
となるように計算を行えばよい。例えばＡ２１＝８０、Ａ１２＝８４、Ａ３２＝７７、Ａ２３＝８８、Ａ１１＝６８、Ａ３１＝７６、Ａ１３＝９０、Ａ３３＝７６である場合は、Ａ２２＝８１となる。上記補間式は、縦方向および横方向に位置する有感度画素の信号値は、対角方向に位置する有感度画素の信号値の２倍の重みをつけて加重平均したものである。
【００４９】
無感度画素１１の配置周期は、上記補間式のような補間処理を行うためには、２行２列おきよりも疎であるように配置することが望ましい。
【００５０】
本実施形態によれば、実際に赤外線を検出する画素の近傍にて参照信号を得ることが出来るために、より忠実に基板温度分布をモニターすることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 赤外線固体撮像素子
１１ 無感度画素（熱的無感度画素）
１１Ａ 無感度画素（光学的無感度画素）
１１１、１１２ 無感度画素
１２ 有感度画素
１２１１、１２１２、１２２１、１２２２ 有感度画素
１３ 熱電変換部
１３Ａ 反射部
１４ ダイオード
１６１、１６２ 行選択線
１８１、１８２ 垂直信号線（信号線）
１９ 参照電位線
３０ 読み出し回路
３１１、３１２ 差動増幅回路
３４１、３４２ 列選択トランジスタ
３８ 水平信号線
４０ 行選択回路
４１１、４１２ 負荷トランジスタ
４２ 列選択回路
５１１〜５１４ 負荷トランジスタ
１０１ 支持基板
１０２ 埋め込み絶縁層
１１０ 凹部
１２０ 配線
１２４ 赤外線吸収膜
１３０ａ、１３０ｂ 支持構造部
１３２ａ、１３２ｂ 接続配線
１３４ａ、１３４ｂ 絶縁膜
１４０ａ、１４０ｂ 支持構造部
１４２ａ、１４２ｂ 接続配線
１４４ａ、１４４ｂ 絶縁膜
１５０ 赤外線反射膜
３００ 有感度画素領域
５００ 無感度画素領域（参照画素領域）
５０１ サブ領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
赤外線は、可視光よりも煙、霧に対して透過性が高いという特長を有するので、赤外線撮像は、昼夜にかかわらず可能である。また、赤外線撮像は、被写体の温度情報をも得ることができるので、防衛分野をはじめ監視カメラや火災検知カメラのように広い応用範囲を有する。
【０００３】
近年、冷却機構を必要としない「非冷却型赤外線固体撮像素子」の開発が盛んになってきている。非冷却型すなわち熱型の赤外線固体撮像装置は、波長１０μ程度の入射赤外線を吸収構造により熱に変換した上で、この微弱な熱により生じる感熱部の温度変化をなんらかの熱電変換素子により電気信号に変換する。非冷却型赤外線固体撮像装置は、この電気信号を読み出すことで赤外線画像情報を得る。
【０００４】
例えば、一定の順方向電流を与えることにより温度変化を電圧変化に変換するシリコンｐｎ接合を用いた赤外線センサ（赤外線固体撮像素子）が知られている（特許文献１）。この赤外線センサは、半導体基板としてＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いることによって、シリコンのＬＳＩ製造プロセスを用いて量産することができるという特長がある。また、熱電変換素子であるシリコンｐｎ接合（ダイオード）の整流特性を利用して、行選択の機能を実現しているので画素構造が極めてシンプルに構成できるという特長もある。
【０００５】
赤外線センサの性能を表す指標の一つは、赤外線センサの温度分解能を表現するＮＥＴＤ（Noise Equivalent Temperature Difference（等価雑音温度差））である。ＮＥＴＤを小さくすること、すなわち、雑音に相当する検出温度差を小さくすることが重要である。そのためには信号の感度を高くすること、および雑音を低減することが必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３００４７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１には、増幅トランジスタの閾値ばらつきの影響を低減するための閾値電圧クランプ処理が記載されている。この閾値電圧クランプ処理は、サンプリングトランジスタがオンになると、信号線と容量結合された増幅トランジスタのゲートに負電荷が蓄積される。このとき、信号線と増幅トランジスタとの間の結合容量の電圧は、（Ｖｄｄ−Ｖｒｅｆ）−Ｖｔｈに収束させることが好ましい。ここで、Ｖｄｄは行選択回路が画素に与えるバイアス電圧であり、Ｖｒｅｆは定負荷トランジスタから信号線に与えられる電圧であり、Ｖｔｈは画素の閾値電圧である。この閾値電圧クランプ処理では、各列の増幅トランジスタの閾値電圧のばらつきを補償することができるが、各列において、閾値電圧クランプを行った瞬間に信号線に存在するノイズ成分がホールドされてしまい、以降、行選択時に常にその情報を参照するため、縦スジノイズが現れるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、信号の読み出し時のノイズを可及的に少なくすることのできる赤外線固体撮像素子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】
本発明の一態様による赤外線固体撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に、入射赤外線を検出する複数の赤外線検出画素がマトリクス状に配列された有感度画素領域と、複数の参照画素が設けられる参照画素領域と、を備える撮像領域であって、各赤外線検出画素は前記入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜と、この赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第１熱電変換素子と、を有する熱電変換部を有し、各参照画素は、第２熱電変換素子を有している、撮像領域と、前記撮像領域内に、前記赤外線検出画素の各行に対応して設けられ、それぞれが対応する行の赤外線検出画素の前記第１熱電変換素子の一端に接続されて前記対応する行の赤外線検出画素を選択する、複数の行選択線と、前記撮像領域内に、前記赤外線検出画素の各列に対応して設けられ、それぞれが対応する列の赤外線検出画素の前記第１熱電変換素子の他端に接続されて前記対応する列の赤外線検出画素からの電気信号を信号電位として読み出すための複数の信号線と、前記複数の参照画素のそれぞれの前記第２熱電変換素子の一端が接続される参照電位線と、前記複数の参照画素のそれぞれに対応して設けられた複数の定電流源であって、各定電流源は、対応する参照画素の前記第２熱電変換素子の他端に接続される、複数の定電流源と、各信号線に対応して設けられた複数の増幅器であって、各増幅器は対応する信号線から読み出された前記信号電位と、前記参照電位線からの参照電位との差を増幅する複数の増幅器と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、信号の読み出し時のノイズを可及的に少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態による赤外線固体撮像素子の構成を示す回路図。
【図２】第１実施形態に用いられる有感度画素の平面図。
【図３】第１実施形態に用いられる有感度画素の断面図。
【図４】第１実施形態に用いられる無感度画素の一具体例の平面図。
【図５】第１実施形態に用いられる無感度画素の一具体例の断面図。
【図６】第１実施形態に用いられる無感度画素の他の具体例の平面図。
【図７】第１実施形態に用いられる無感度画素の他の具体例の断面図。
【図８】第１実施形態による赤外線固体撮像素子における無感度画素の配置示す図。
【図９】第２実施形態による赤外線固体撮像素子における無感度画素の配置示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による赤外線固体撮像素子の構成を図１に示す。本実施形態の赤外線固体撮像素子１は半導体基板（図示せず）上に形成され、マトリクス状に配列された画素を含む撮像領域１０と、読み出し回路３０と、行選択回路４０と、列選択回路４２と、を備えている。
【００１４】
撮像領域１０は、有感度画素領域３００と、無感度画素領域（参照画素領域）５００とを有している。有感度画素領域３００には、４行２列に配列された８個の画素１２１１、１２１２、１２２１、１２２２、１２３１、１２３２、１２４１、１２４２を有している。また、無感度画素領域５００には、４行１列に配列された８個の画素１１１、１１２、１１３、１１４を有している。一般に撮像領域は、通常、より多くの画素を備えているが、本実施形態では、便宜的に１２画素とする。無感度画素領域５００に１列に配列された画素１１１、１１２、１１３、１１４は赤外線に対する感度を有しない無感度画素（参照画素ともいう）であり、図中では、ＴＢ（Thermal Black Pixel）と表している。また、有感度画素領域３００の第１列および第２列に配列された画素１２１１、１２１２、１２２１、１２２２、１２３１、１２３２、１２４１、１２４２は赤外線を検出することの可能な有感度画素（赤外線検出画素ともいう）であり、図中ではＩＲ（Infrared Radiation Detection Pixel）と表している。無感度画素１１１、１１２、１１３、１１４は、熱的無感度画素（ＴＢ）または光学的無感度画素（ＯＢ（Optical Black Pixel））のいずれかでよい。熱的無感度画素または光学的無感度画素の構造は後述する。各画素１１１、１１２、１１３、１１４、１２１１、１２１２、１２２１、１２２２、１２３１、１２３２、１２４１、１２４２は、熱電変換素子、例えばｐｎ接合からなるダイオード１４を少なくとも１個備えている。
【００１５】
第１行の有感度画素１２１１、１２１２のそれぞれのダイオード１４のアノードは、行選択線１６１に接続され、第２行の有感度画素１２２１、１２２２のそれぞれのダイオード１４のアノードは、行選択線１６２に接続され、第３行の有感度画素１２３１、１２３２のそれぞれのダイオード１４のアノードは、行選択線１６３に接続され、第４行の有感度画素１２４１、１２４２のそれぞれのダイオード１４のアノードは、行選択線１６４に接続されている。行選択線１６１、１６２、１６３、１６４のそれぞれは、行選択回路４０によって１行ずつ順次選択され、選択された行選択線にはバイアス電圧Ｖｄが印加される。
【００１６】
第１列の有感度画素１２１１、１２２１、１２３１、１２４１のそれぞれのダイオード１４のカソードは、第１列の垂直信号線（以下、単に信号線ともいう）１８１に接続され、第２列の有感度画素１２１２、１２２２、１２３２、１２４２のそれぞれのダイオード１４のカソードは、第２列の垂直信号線１８２に接続されている。
【００１７】
また、読み出し回路３０は、差動増幅回路３１１、３１２と、列選択トランジスタ３４１、３４２と、を備えている。差動増幅回路３１ｉ（ｉ＝１，２）の出力は、列選択トランジスタ３４ｉを通して水平信号線３８に出力される。列選択トランジスタ３４ｉ（ｉ＝１，２）のゲートは列選択回路４２によって接続され、この列選択回路４２によって選択されることにより、選択された列選択トランジスタ３４ｉがオンする。
【００１８】
各垂直信号線１８ｉ（ｉ＝１，２）の一端は、負荷トランジスタ４１ｉのドレインに接続され、他端は差動増幅回路３１ｉの正側入力端子に接続されている。各負荷トランジスタ４１ｉ（ｉ＝１，２）は、飽和領域で動作し、そのゲートに印加されるゲート電圧に応じて、垂直信号線に定電流を供給する。すなわち、負荷トランジスタ４１ｉ（ｉ＝１，２）は、定電流源として機能する。
【００１９】
一方、各無感度画素１１ｉ（ｉ＝１，２，３，４）のダイオード１４のアノードは、バイアス電圧Ｖｄが印加され、カソードは、参照電位線１９に接続されている。また、参照電位線１９は、負荷トランジスタ５１１、５１２、５１３、５１４のドレインが接続されるとともに、差動増幅回路３１１、３１２の負側入力端子に接続される。各負荷トランジスタ５１ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、飽和領域で動作し、そのゲートに印加されるゲート電圧に応じて、垂直信号線に定電流を供給する。すなわち、負荷トランジスタ５１ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、定電流源として機能する。
【００２０】
行選択回路４０が選択した行選択線、例えば、行選択線１６１にバイアス電圧Ｖｄを印加すると、選択された行選択線１６１の有感度画素１２１１、１２１２のダイオード１４に、直列電圧Ｖｄ―Ｖｄ０が印加されることになる。一方、非選択の行選択線１６２、１６３、１６４に接続されている有感画素１２２１、１２２２、１２３１、１２３２、１２４１、１２４２のダイオード１４は、すべて逆バイアスされているので、非選択の行選択線１６２、１６３、１６４と信号線１８１、１８２とは分離されている。即ち、ダイオード１４は、画素選択機能を担っているといってもよい。
【００２１】
赤外線を受光していない時の垂直信号線１８１、１８２の電位をＶｓｌ０と定義する。有感度画素１２ｉｊ（ｉ＝１，２，３，４、ｊ＝１，２）は、赤外線を受光すると、画素温度が上昇する。それにより、垂直信号線１８１、１８２の電位Ｖｓｌは高くなる。例えば、被写体温度が１Ｋ（ケルビン）変化すると、有感度画素１２ｉｊ（ｉ＝１，２，３，４、ｊ＝１，２）の温度は約５ｍＫ変化する。熱電変換効率を１０ｍＶ／Ｋとすると、垂直信号線１８１、１８２の電位は約５０μＶだけ上昇する。これは、バイアス電圧Ｖｄに比べて非常に小さい。
【００２２】
また、有感度画素１２ｉｊ（ｉ＝１，２，３，４、ｊ＝１，２）は、半導体基板の温度を反映して特性が変化するため、信号と基板温度とを区別することができない。すなわち、例えば環境温度が１Ｋ変化しただけでも赤外線検出信号の２００倍程度に値する出力変化が生じてしまうことになる。
【００２３】
無感度画素１１ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、赤外線に対して不感であるため、半導体基板の温度情報のみを反映している。したがって、有感度画素の出力信号と、無感度画素の出力信号の差分をとれば、赤外線情報のみを検出することができることになる。
【００２４】
無感度画素が半導体基板に１個しかなく、その出力信号を参照信号とする場合、無感度画素に生じた電気ノイズをも参照信号としてしまうため、結果的にベースとなる電位が揺らいでしまうことになる。これは動画としてみたばあいにフリッカ（ゆらぎ）として見えることになる。
【００２５】
本実施形態では、無感度画素１１１〜１１４を複数個（図１では４個）並列に接続し、それらの出力を平均化することでノイズ成分を抑圧する。具体的には、無感度画素１１１〜１１４の各ダイオード１４のアノード側に共通電位となる電源電圧Ｖｄｄを与え、カソード側は共通出力電位となる参照電位線１９に接続する。この参照電位線１９に、無感度画素と同数設置された負荷トランジスタ５１１〜５１４のドレインを接続して定電流を流す。ここで、負荷トランジスタ５１１〜５１４を４個配置することと、負荷トランジスタ５１１〜５１４に対しゲート幅が４倍のトランジスタを１個配置することは等価である。しかし、本実施形態においては、負荷トランジスタ５１ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、有感度画素に接続された負荷トランジスタ４１ｊ（ｊ＝１，２）に対し製造ばらつきが同等であることを考慮して、無感度画素と同数設置としている。負荷トランジスタ５１ｉ（ｉ＝１，２，３，４）のゲート電位は有感度画素に接続された負荷トランジスタ４１ｊ（ｊ＝１，２）のゲート電位と同電位のＧＬ１とし、同じ電流が流れるようにする。
【００２６】
このとき、参照電位線１９の電位（参照電位）は、無感度画素１１１〜１１４にばらつき及び時間変動ノイズが無い場合、Ｖｄｄ−Ｖｒｅｆとなる。ここでＶｒｅｆは無感度画素１１１〜１１４の順方向電圧である。無感度画素１１ｉ（ｉ＝１，・・・，ｎ）の順方向電圧にδＶｒｅｆ（ｉ）のばらつきがある場合、参照電位線１９の電位は、
Ｖｄｄ−Ｖｒｅｆ＋ΔＶｒｅｆ
で与えられ、ΔＶｒｅｆは、
（δＶｒｅｆ（１）２＋δＶｒｅｆ（２）２＋…＋δＶｒｅｆ（ｎ）２）１／２／ｎ
と表される。ここでｎは無感度画素の総数である。例えば、各無感度画素に対してばらつき及び時間変動ノイズδＶｒｅｆ（ｉ）が同等の１０μＶであるとすると、ｎ＝１の場合は、ΔＶｒｅｆ＝１０μＶとなり、ｎ＝１００の場合は、ΔＶｒｅｆ＝１μＶとなって、ｎの平方根に逆比例してノイズ電圧が下がっていく。すなわち、無感度画素を多数接続すればするほど、参照電位のＳＮ比、または安定性が向上していく。
【００２７】
こうして得られた参照電位は、差動増幅回路３１１、３１２の負側入力端子に入力され、垂直信号線１８１、１８２に現れた信号電位との差分信号が差動増幅回路３１１、３１２から出力される。各列の差分信号は、列選択トランジスタ３４１、３４２を介して水平信号線３３に接続されており、水平選択トランジスタ２４のゲートには列選択回路４２からのパルス電圧が列ごとに印加される。こうして、１列ごとの差分信号が水平信号線３８に順番に掃きだされ、出力される。
【００２８】
以上説明したように、行選択回路４０に行選択線を交互に選択し、選択された行選択線に接続されている有感度画素によって被写体の温度変化が電気信号として取り出されて、この電気信号が信号電位として信号線に読み出され、参照電位との差分信号が差動増幅回路によって増幅され、この増幅された差分信号は、列選択トランジスタ３４１、３４２によって順番に水平信号線３８に読み出される。
【００２９】
解決しようとする課題の項に述べたように、従来の閾値電圧クランプ処理では、閾値電圧クランプを行った瞬間に信号線に存在するノイズ成分がホールドされてしまい、以降、行選択線の選択時に常にその情報を参照するため、縦スジノイズが現れるという問題があった。
【００３０】
これに対して、本実施形態の赤外線固体撮像素子においては、全ての有感度画素に対して、無感度画素との差分信号が常に比較出力されるため、原理的にノイズがホールドされず、縦スジノイズを発生しない。
【００３１】
次に、本実施形態による赤外線固体撮像素子の有感度画素の構造を図２および図３を参照して説明する。図２は本実施形態による赤外線固体撮像素子の有感度画素１２の平面図であり、図３は図２示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図である。有感度画素１２は、ＳＯＩ基板上に形成される。このＳＯＩ基板は、支持基板１０１と、埋め込み絶縁層（ＢＯＸ層）１０２と、シリコン単結晶からなるＳＯＩ（Silicon-On-Insulator）層と、を有し、表面部分に凹部１１０が形成されている。そして有感度画素１２は、上記ＳＯＩ層に形成された熱電変換部１３と、熱電変換部１３を凹部１１０の上方に支持する支持構造部１３０ａ、１３０ｂと、を備えている。熱電変換部１３は、直列に接続された複数（図２および図３では２個）のダイオード１４と、これらのダイオード１４を接続する配線１２０と、これらのダイオード１４および配線１２０を覆うように形成された赤外線吸収膜１２４とを備えている。支持構造部１３０ａは、一端が対応する行選択線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線１３２ａと、この接続配線１３２ａを覆う絶縁膜１３４ａとを備えている。他方の支持構造部１３０ｂは、一端が対応する垂直信号線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線１３２ｂと、この接続配線１３２ｂを覆う絶縁膜１３４ｂとを備えている。
【００３２】
赤外線吸収膜１２４は入射された赤外線によって発熱する。ダイオード１４は、赤外線吸収膜１２４で発生した熱を電気信号に変換する。支持構造部１３０ａ、１３０ｂは、熱電変換部１３の周囲を取り巻くように細長く形成されている。これにより、熱電変換部１３は、ＳＯＩ基板からほぼ断熱された状態でＳＯＩ基板上に支持される。
【００３３】
このような構造を有することにより、有感度画素１２は、入射された赤外線に応じて発生した熱を蓄熱し、この熱に基づいた電圧を信号線に出力することができる。
【００３４】
行選択線からのバイアス電圧Ｖｄは、配線１３２ａを介してダイオード１４へ伝達される。ダイオード１４のカソード側電圧、すなわち信号電圧は、配線１３２ｂを介して垂直信号線に伝達される。
【００３５】
次に、本実施形態による赤外線固体撮像素子の無感度画素の一具体例の構成を図４乃至図５を参照して説明する。図４はこの具体例の無感度画素１１の平面図であり、図５は図４に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。この無感度画素１１は、熱的無感度画素（ＴＢ）であって、有感度画素１２と同様に、ＳＯＩ基板上に形成される。しかし、無感度画素１１が形成されるＳＯＩ基板の領域には、有感度画素１２の場合と異なり、凹部１１０は形成されていない。そして無感度画素１１は、上記ＳＯＩ基板のＳＯＩ層に形成され直列に接続された複数（図４および図５では２個）のダイオード１４と、これらのダイオード１４を接続する配線１２０と、一端が一定の電位Ｖｄｄの電源線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線１４２ａと、一端が対応する参照電位線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線１４２ｂと、これらのダイオード１４、配線１２０、接続配線１４２ａ、１４２ｂを覆うように形成された絶縁膜１２５と、を備えている。
【００３６】
このように構成された無感度画素１１においては、ダイオード１４で発生した熱は、その周囲の絶縁膜１２５、埋め込み絶縁層１０２およびバルク基板（図示せず）へ拡散する。即ち、ダイオード１４とその周囲の構造との熱コンダクタンスは、有感度画素１２のそれよりも高い。この具体例の無感度画素１１は、凹部１１０を有しないため、蓄熱機能を有しない。したがって、この具体例の無感度画素１１は、ＳＯＩ基板の温度を反映する。このような無感度画素は基板温度測定画素とも呼ばれる。
【００３７】
次に、本実施形態による赤外線固体撮像素子の無感度画素の他の具体例の構成を、図６乃至図７を参照して説明する。図６はこの具体例の無感度画素１１Ａの平面図であり、図７は図６に示す切断線Ｃ−Ｃで切断したときの断面図である。この具体例の無感度画素１１Ａは、光学的無感度画素（ＯＢ）であって、有感度画素１２と同様に、表面部分に凹部１１０が形成されたＳＯＩ基板に形成される。そして無感度画素１１Ａは、上記ＳＯＩ層に形成された反射部１３Ａと、反射部１３Ａを凹部１１０の上方に支持する支持構造部１４０ａ、１４０ｂと、を備えている。反射部１３Ａは、直列に接続された複数（図６および図７では２個）のダイオード１４と、これらのダイオード１４を接続する配線１２０と、これらのダイオード１４および配線１２０を覆うように形成された赤外線反射膜１５０と、これらのダイオード１４、配線１２０、および赤外線反射膜１５０を覆うように形成された赤外線吸収膜１２４とを備えている。支持構造部１４０ａは、一端が一定の電位Ｖｄｄの電源線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線１４２ａと、この接続配線１４２ａを覆う絶縁膜１４４ａとを備えている。他方の支持構造部１４０ｂは、一端が対応する参照電位線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線１４２ｂと、この接続配線１４２ｂを覆う絶縁膜１４４ｂとを備えている。なお、赤外線反射膜１５０としては、赤外線を十分に反射するために、アルミニウム膜を用いることが望ましい。
【００３８】
このような構成の無感度画素１１Ａは、赤外線吸収膜１２４内に赤外線反射膜１５０を有している点で、有感度画素１２と異なっている。この光学的無感度画素１１Ａは、赤外線を反射するため、赤外線に対し不感である。それ以外の点は、有感度画素１２と構造が同じであるため、参照画素としては基板温度測定画素（熱的無感度画素）１１よりも適している。例えば、有感度画素（赤外線検出画素）１２の温度は、半導体基板１０１の温度に、熱電変換部１２を選択した際に発生したジュール熱が加わり、さらに赤外線信号に対応する温度成分が加わっている。半導体基板１０１の温度が２５℃であるとすると、ジュール熱はおよそ０．１℃程度、赤外線信号に対応する温度成分は、被写体の温度が１℃変化した際におよそ０．０１℃程度のオーダーとなる。光学的無感度画素（ＯＢ）１１Ａは、赤外線検出画素と同じく、半導体基板１０１の温度およびジュール熱による温度成分を持っており、温度成分を再現している点で忠実な無感度画素であるといえる。
【００３９】
なお、熱的無感度画素（ＴＢ）１１は、ジュール熱による温度成分を持たないが、空洞部１１０を有していないため、空洞部１１０の形成に起因して発生する画素間Ｉ−Ｖ特性ばらつきが少ない。したがって、熱的無感度画素（ＴＢ）を用いることにより、素子間の参照電圧値ばらつきが抑えられるという利点がある。
【００４０】
ダイオード１４に通電を行った際に生じるジュール熱成分は、熱的無感度画素１１には存在せず、この点で有感度画素１２と差異があったが、光学的無感度画素１１Ａでは赤外線による温度変化以外は同じ温度成分を持つ。赤外線反射膜１２４は、差動増幅回路３１１、３１２等を構成する配線層と同層に構成してもよい。この場合、製造プロセスを短縮することができ、コスト低減が可能である。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、無感度画素と有感度効画素の差分を出力するにあたって原理的に発生するノイズを低減することが可能となり、高Ｓ／Ｎ化を達成することができる。
【００４２】
また、本実施形態においては、画素は、熱を電気信号に換える熱電変換素子とし、ダイオードを用いたが、抵抗体であってもよい。
【００４３】
本実施形態で説明した無感度画素領域５００は任意に位置に配置可能であるが、本実施形態では、例えば、図８に示すように、有感度画素（赤外線検出画素（ＩＭＧ））１２がマトリクス状に配置された有感度画素アレイの上辺および左辺に隣接するように無感度画素１１を配置する。図中では赤外線検出画素１２は５行５列のマトリクス状に配置されており、この場合、無感度画素数１１は１１個となる。実際には赤外線検出画素１２は１２０行１６０列、あるいは２４０行３２０列、４８０行６４０列等に配置されることが一般的であり、その場合、無感度画素１１０の総数はそれぞれ、２８１個、５６１個、１１２１個となる。この場合、無感度画素１１０が１個の場合に比べて、参照電圧のＳＮ比をそれぞれ１６．８倍、２３．７倍、３３．７倍に向上することができる。
【００４４】
このように、有感度画素アレイの上辺および左辺に配置することによって、面積を有効に使いながら無感度画素１１の数を増やすことができ、また、無感度画素１１と赤外線検出画素１２からなる領域の温度分布をより正確に監視することができる。
【００４５】
無感度画素１１の配置位置は、有感度画素アレイの上辺および左辺に限らず、上辺および右辺に配置するか、または下辺および左辺に配置してもよい。あるいは、有感度画素アレイの４辺を取り囲むように無感度画素１１を配置してよい。また、無感度画素１１は有感度画素アレイの辺に対して２列または２行以上配置してもかまわない。
【００４６】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による赤外線固体撮像素子について図９を参照して説明する。本実施形態の赤外線固体撮像素子は、第１実施形態の赤外線固体撮像素子とは、無感度画素の配置のみが異なっている。
【００４７】
本実施形態では、図９に示したように、無感度画素領域５００は、各無感度画素毎に設けられるサブ領域５０１からなっており、サブ領域５０１の無感度画素１１を、有感度画素（赤外線検出画素）１２からなる有感度画素アレイの内部に配置する。この場合も、それぞれの無感度画素１１は、図１に示す無感度画素領域５００に対応するように配線連結されている。配線は、画素と画素の間隙に配置する。
【００４８】
本実施形態の場合、無感度画素１１、例えば図９に示す第２行第２列（Ｘ座標＝２、Ｙ座標＝２）に位置する無感度画素１１は、この部分では被写体を撮像することができない。そこで、当画素を取り囲んでいる８個の赤外線検出画素１２を用いて、被写体信号を補間する処理を行う。補間処理は、半導体基板から出力された信号に対して、カメラ回路にておこなえばよい。図９に示す第２行第２列（Ｘ座標＝２、Ｙ座標＝２）に位置する無感度画素１１に被写体信号を補間する場合、信号値をＡＸＹと表す（Ｘ、Ｙは図９中のＸ座標、Ｙ座標を示す）と、この無感度画素１１における補間信号Ａ２２は、
Ａ２２＝（Ａ２１＋Ａ１２＋Ａ３２＋Ａ２３）÷６＋（Ａ１１＋Ａ３１＋Ａ１３＋Ａ３３）÷１２
となるように計算を行えばよい。例えばＡ２１＝８０、Ａ１２＝８４、Ａ３２＝７７、Ａ２３＝８８、Ａ１１＝６８、Ａ３１＝７６、Ａ１３＝９０、Ａ３３＝７６である場合は、Ａ２２＝８１となる。上記補間式は、縦方向および横方向に位置する有感度画素の信号値は、対角方向に位置する有感度画素の信号値の２倍の重みをつけて加重平均したものである。
【００４９】
無感度画素１１の配置周期は、上記補間式のような補間処理を行うためには、２行２列おきよりも疎であるように配置することが望ましい。
【００５０】
本実施形態によれば、実際に赤外線を検出する画素の近傍にて参照信号を得ることが出来るために、より忠実に基板温度分布をモニターすることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 赤外線固体撮像素子
１１ 無感度画素（熱的無感度画素）
１１Ａ 無感度画素（光学的無感度画素）
１１１、１１２ 無感度画素
１２ 有感度画素
１２１１、１２１２、１２２１、１２２２ 有感度画素
１３ 熱電変換部
１３Ａ 反射部
１４ ダイオード
１６１、１６２ 行選択線
１８１、１８２ 垂直信号線（信号線）
１９ 参照電位線
３０ 読み出し回路
３１１、３１２ 差動増幅回路
３４１、３４２ 列選択トランジスタ
３８ 水平信号線
４０ 行選択回路
４１１、４１２ 負荷トランジスタ
４２ 列選択回路
５１１〜５１４ 負荷トランジスタ
１０１ 支持基板
１０２ 埋め込み絶縁層
１１０ 凹部
１２０ 配線
１２４ 赤外線吸収膜
１３０ａ、１３０ｂ 支持構造部
１３２ａ、１３２ｂ 接続配線
１３４ａ、１３４ｂ 絶縁膜
１４０ａ、１４０ｂ 支持構造部
１４２ａ、１４２ｂ 接続配線
１４４ａ、１４４ｂ 絶縁膜
１５０ 赤外線反射膜
３００ 有感度画素領域
５００ 無感度画素領域（参照画素領域）
５０１ サブ領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に、入射赤外線を検出する複数の赤外線検出画素がマトリクス状に配列された有感度画素領域と、複数の参照画素が設けられる参照画素領域と、を備える撮像領域であって、各赤外線検出画素は前記入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜と、この赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第１熱電変換素子と、を有する熱電変換部を有し、各参照画素は、第２熱電変換素子を有している、撮像領域と、
前記撮像領域内に、前記赤外線検出画素の各行に対応して設けられ、それぞれが対応する行の赤外線検出画素の前記第１熱電変換素子の一端に接続されて前記対応する行の赤外線検出画素を選択する、複数の行選択線と、
前記撮像領域内に、前記赤外線検出画素の各列に対応して設けられ、それぞれが対応する列の赤外線検出画素の前記第１熱電変換素子の他端に接続されて前記対応する列の赤外線検出画素からの電気信号を信号電位として読み出すための複数の信号線と、
前記複数の参照画素のそれぞれの前記第２熱電変換素子の一端が接続される参照電位線と、
前記複数の参照画素のそれぞれに対応して設けられた複数の定電流源であって、各定電流源は、対応する参照画素の前記第２熱電変換素子の他端に接続される、複数の定電流源と、
各信号線に対応して設けられた複数の増幅器であって、各増幅器は対応する信号線から読み出された前記信号電位と、前記参照電位線からの参照電位との差を増幅する複数の増幅器と、
を備えていることを特徴とする赤外線固体撮像素子。
【請求項２】
前記参照画素領域は、前記複数の赤外線検出画素がマトリクス状に配列された前記有感度画素領域の少なくとも２辺を取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項１記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項３】
前記参照画素領域は、各参照画素毎に設けられたサブ領域を有しており、各サブ領域は、前記有感度画素領域内に、前記サブ領域の参照画素が１個の赤外線検出画素と置き換わるように設けられることを特徴とする請求項１記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項４】
前記半導体基板の表面部分には、前記複数の赤外線検出画素に対応してマトリクス状に配列された複数の凹部が形成され、前記赤外線検出画素のぞれぞれは、前記熱電変換部を対応する凹部の上方に支持する第１および第２支持構造部を更に有し、前記第１支持構造部は一端が対応する赤外線検出画素の熱電変換素子の一端に接続され、他端が対応する赤外線検出画素が接続する行選択線に接続される第１接続配線を有し、前記第２支持構造部は一端が対応する赤外線検出画素の熱電変換素子の他端に接続され、他端が対応する赤外線検出画素が接続する信号線に接続される第２接続配線を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項５】
前記参照画素は、前記入射赤外線の熱に感度を有しない熱的無感度画素であ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赤外線固体撮像素子。
【請求項６】
前記参照画素は、前記第２熱電変換素子を覆うように形成され前記入射赤外線を反射する赤外線反射膜を有している光学的無感度画素であ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赤外線固体撮像素子。
【請求項７】
前記第１および第２熱電変換素子は直列に接続されたダイオードであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項８】
前記第１および第２熱電変換素子は直列に接続された抵抗体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に、入射赤外線を検出する複数の赤外線検出画素がマトリクス状に配列された有感度画素領域と、複数の参照画素が設けられる参照画素領域と、を備える撮像領域であって、各赤外線検出画素は前記入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜と、この赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第１熱電変換素子と、を有する熱電変換部を有し、各参照画素は、第２熱電変換素子を有している、撮像領域と、
前記撮像領域内に、前記赤外線検出画素の各行に対応して設けられ、それぞれが対応する行の赤外線検出画素の前記第１熱電変換素子の一端に接続されて前記対応する行の赤外線検出画素を選択する、複数の行選択線と、
前記撮像領域内に、前記赤外線検出画素の各列に対応して設けられ、それぞれが対応する列の赤外線検出画素の前記第１熱電変換素子の他端に接続されて前記対応する列の赤外線検出画素からの電気信号を信号電位として読み出すための複数の信号線と、
前記複数の参照画素のそれぞれの前記第２熱電変換素子の一端が接続される参照電位線と、
前記複数の参照画素のそれぞれに対応して設けられた複数の定電流源であって、各定電流源は、対応する参照画素の前記第２熱電変換素子の他端に接続される、複数の定電流源と、
各信号線に対応して設けられた複数の増幅器であって、各増幅器は対応する信号線から読み出された前記信号電位と、前記参照電位線からの参照電位との差を増幅する複数の増幅器と、
を備えていることを特徴とする赤外線固体撮像素子。
【請求項２】
前記参照画素領域は、前記複数の赤外線検出画素がマトリクス状に配列された前記有感度画素領域の少なくとも２辺を取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項１記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項３】
前記参照画素領域は、各参照画素毎に設けられたサブ領域を有しており、各サブ領域は、前記有感度画素領域内に、前記サブ領域の参照画素が１個の赤外線検出画素と置き換わるように設けられることを特徴とする請求項１記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項４】
前記半導体基板の表面部分には、前記複数の赤外線検出画素に対応してマトリクス状に配列された複数の凹部が形成され、前記赤外線検出画素のぞれぞれは、前記熱電変換部を対応する凹部の上方に支持する第１および第２支持構造部を更に有し、前記第１支持構造部は一端が対応する赤外線検出画素の熱電変換素子の一端に接続され、他端が対応する赤外線検出画素が接続する行選択線に接続される第１接続配線を有し、前記第２支持構造部は一端が対応する赤外線検出画素の熱電変換素子の他端に接続され、他端が対応する赤外線検出画素が接続する信号線に接続される第２接続配線を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項５】
前記参照画素は、前記入射赤外線の熱に感度を有しない熱的無感度画素であ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赤外線固体撮像素子。
【請求項６】
前記参照画素は、前記第２熱電変換素子を覆うように形成され前記入射赤外線を反射する赤外線反射膜を有している光学的無感度画素であ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赤外線固体撮像素子。
【請求項７】
前記第１および第２熱電変換素子は直列に接続されたダイオードであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。
【請求項８】
前記第１および第２熱電変換素子は直列に接続された抵抗体であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の赤外線固体撮像素子。
【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２０１０−２１６８３３（Ｐ２０１０−２１６８３３Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６０８４３（Ｐ２００９−６０８４３）
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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