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を可能にする。
【解決手段】半導体基板上に形成され、入射赤外線を検出する赤外線検出画素１２１１であって、赤外線検出画素は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１４と、を有する熱電変換部を備えている赤外線検出画素１２１１と、第１熱電変換素子の一端が接続され赤外線検出画素からの電気信号を読み出すための信号線１８１と、信号線から読み出された電気信号を増幅する増幅器３１１と、第２熱電変換素子１４を有し、第２熱電変換素子の一端が信号線に接続されて第１熱電変換素子と直列に接続される参照画素１１１と、を備えている。
【解決手段】半導体基板上に形成され、入射赤外線を検出する赤外線検出画素１２１１であって、赤外線検出画素は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１４と、を有する熱電変換部を備えている赤外線検出画素１２１１と、第１熱電変換素子の一端が接続され赤外線検出画素からの電気信号を読み出すための信号線１８１と、信号線から読み出された電気信号を増幅する増幅器３１１と、第２熱電変換素子１４を有し、第２熱電変換素子の一端が信号線に接続されて第１熱電変換素子と直列に接続される参照画素１１１と、を備えている。
【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素子は、入射された波長１０μ程度の赤外線を赤外線吸収膜により熱に変換し、この変換された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。非冷却型の赤外線固体撮像素子は、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固体撮像素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。この赤外線固体撮像素子は、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、熱電変換手素子であるシリコンｐｎ接合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】
赤外線固体撮像素子の性能を表す指標の一つは、赤外線固体撮像素子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。
【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】
【０００６】
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は定電流源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、信号の読み出し時に、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、閾値電圧の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、縦スジ状のノイズが現れるという問題がある。
【０００７】
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】
【０００８】
本発明の第１の態様による赤外線撮像素子は、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備えている、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読み出すための複数の信号線と、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電気信号を増幅する、複数の増幅器と、各信号線に対応して設けられ、それぞれが第２熱電変換素子を有する複数の参照画素であって、各参照画素の第２熱電変換素子の一端が対応する信号線に接続される、複数の参照画素と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２の態様による赤外線撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、入射赤外線を検出する赤外線検出画素であって、前記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備えている赤外線検出画素と、前記第１熱電変換素子の一端が接続され前記赤外線検出画素からの電気信号を読み出すための信号線と、前記信号線から読み出された電気信号を増幅する増幅器と、 第２熱電変換素子を有し、前記第２熱電変換素子の一端が前記信号線に接続されて前記第１熱電変換素子と直列に接続される参照画素と、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断面図。
【図７】第２実施形態による赤外線撮像素子の構成を示す回路図。
【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撮像素子の構成を図１に示す。本実施形態の赤外線撮像素子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、３行２列に配列された６個の画素１１１、１１２、１２１１、１２１２、１２２１、１２２２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６画素とする。第１行に配列された画素１１１、１１２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、第２行および第３行に配列された画素１２１１、１２１２、１２２１、１２２２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）である。無感度画素１１１、１１２は、熱的無感度画素または光学的無感度画素のいずれかでよい。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、１２１１、１２１２、１２２１、１２２２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２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３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に接続されている。行選択線１６１、１６２のそれぞれは、行選択回路４０によって順次選択され、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列の有感画素１２１１、１２２１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列の有感画素１２１２、１２２２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、オペアンプ３１１、３１２と、帰還抵抗３２１、３２２と、列選択トランジスタ３４１、３４２と、を備えている。
【００１８】
第１列の信号線１８１の一端は第１列の無感度画素１１１のダイオード１４のアノードに接続され、この第１列の無感度画素１１１のダイオード１４のカソードは一定の電位Ｖｓに保持される。また、第２列の信号線１８２の一端は第２列の無感度画素１１２のダイオード１４のアノードに接続され、この第２列の無感度画素１１２のダイオード１４のカソードは一定の電位Ｖｓに保持される。第１列の信号線１８１の他端はオペアンプ３１１の負側入力端子に接続され、第２列の信号線１８２の他端はオペアンプ３１２の負側入力端子に接続される。各オペアンプ３１１、３１２の正側入力端子は、共通のノード３３に接続される。帰還抵抗３２１はオペアンプ３１１の負側入力端子と出力端子との間に設けられ、帰還抵抗３２２はオペアンプ３１２の負側入力端子と出力端子との間に設けられる。また、オペアンプ３２１の出力端子は列選択トランジスタ３４１を通して水平信号線３８に接続され、オペアンプ３２２の出力端子は列選択トランジスタ３４２を通して水平信号線３８に接続される。列選択トランジスタ３４１、３４２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、列選択トランジスタ３４１、３４２がオンする。
【００１９】
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と、無感度画素１１１、１１２のダイオード１４からなるそれぞれの直列回路に、直列電圧Ｖｄ―Ｖｓが印加されることになる。例えば、Ｖｄ＝０．７Ｖ、Ｖｓ＝−０．７Ｖとすると、０．７Ｖの電圧が上記直列回路のそれぞれに印加される。
【００２０】
一方、非選択の行選択線１６２に接続されている有感画素１２２１、１２２２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】
有感度画素１２１１、１２１２、１２２１、１２２２のそれぞれは、赤外線を受光すると、画素温度が上昇する。それにより、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、有感度画素の温度は約５ｍＫ変化する。ダイオード１４の電流値は、Ｖｄ＝０．７Ｖを印加する条件の下では、１℃の温度上昇に対して、およそ１μＡから２０％増加する。このため、有感度画素の温度が５ｍＫ変化すると、電流は０．１％（１ｎＡ）増加する。
【００２２】
図１に示す本実施形態の赤外線撮像素子では、有感度画素のダイオード（熱電変換素子）と、無感度画素のダイオード（熱電変換素子）とを直列接続し、ノード３３を接地すると、有感度画素での電流増加分だけがオペアンプ３１１、３１２にて増幅される。例えば、帰還抵抗３２１、３２２の抵抗値を１ＭΩとすれば、出力電圧は、１ｎＡ×１ＭΩ＝１ｍＶとなる。すなわち、被写体温度１Ｋの変化が１ｍＶの応答として出力されることになり、これは熱型の赤外線撮像素子としては十分な値である。
【００２３】
各列のオペアンプ３１１、３１２の出力は、列選択トランジスタ３４１、３４２によって順番に読み出される。列選択トランジスタ３４１、３４２のゲート電圧は、水平選択回路４２から順番に供給され、オペアンプ３１１、３１２の出力電圧が順番に水平信号線３８を通して出力される。
【００２４】
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、この電気信号がオペアンプによって増幅され、この増幅された電気信号は、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。
【００２５】
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。
【００２６】
これに対して、本実施形態の赤外線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。
【００２７】
次に、本実施形態による赤外線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で切断した場合の断面図である。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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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を通過した信号は、配線１３２ｂを介して垂直信号線に伝達される。
【００３１】
次に、本実施形態による赤外線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で切断した場合の断面図である。この無感度画素１１は、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、一端が一定の電位Ｖｓ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。
【００３２】
このように構成された無感度画素（熱的無感度画素ともいう）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。
【００３３】
次に、本実施形態による赤外線撮像素子の無感度画素の他の具体例の構成を、図６を参照して説明する。図６はこの具体例の無感度画素１１Ａの断面図である。この具体例の無感度画素１１Ａは、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Ｖｓ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１４２ｂと、この接続配線１４２ｂを覆う絶縁膜１４４ｂとを備えている。
【００３４】
このような構成の無感度画素１１Ａは、光学的無感度画素とも呼ばれ、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、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、オペアンプ２０１、２０２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。
【００３５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による赤外線撮像素子を、図７を参照して説明する。図７は、本実施形態の赤外線撮像素子の構成を示す回路図である。本実施形態の赤外線撮像素子は、図１に示す第１実施形態の赤外線撮像素子において、無感度画素および有感度画素をそれぞれ１個とした構成となっている。すなわち、カソードが一定の電位Ｖｓの電源に接続されアノードが垂直信号線１８１に接続されるダイオード１４を有する無感度画素１１１と、一端が垂直信号線１８１に接続され他端がノード３８に接続されるダイオード１４を有する有感度画素１２１と、正側入力端子がノード３３に接続され、負側入力端子が垂直信号線１８１に接続されるオペアンプ３１１と、オペアンプ３１１の出力端子と負側入力端子との間に設けられる帰還抵抗３２１と、を備えている。
【００３６】
本実施形態では、第１実施形態と同様に、有感度画素１２１と無感度画素１１１を直列に配線し、ノード３８の電圧をＶｄとする。有感度画素１２１と無感度画素１１１との間のノードの中間電圧Ｖｓｌは、オペアンプ３１１の正側入力端子に接続するノード３３を接地することによって仮想接地となる。このとき、第１実施形態と同様に、赤外線検出による電流増加分だけがオペアンプ３１１で増幅される。すなわち本実施形態は、常にセンサ自体の温度に影響されず、赤外線信号のみを出力することのできる単画素の赤外線検出器となる。
【００３７】
本実施形態も第１実施形態と同様に、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。
【００３８】
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、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。
【００３９】
また、上記各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。
【符号の説明】
【００４０】
１ 赤外線撮像素子
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）
３０ 読み出し回路
３１１、３１２ オペアンプ
３２１、３２２ 帰還抵抗
３３ ノード
３４１、３４２ 列選択トランジスタ
３８ ノード
４０ 行選択回路
４２ 列選択回路
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
【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素子は、入射された波長１０μ程度の赤外線を赤外線吸収膜により熱に変換し、この変換された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。非冷却型の赤外線固体撮像素子は、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固体撮像素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。この赤外線固体撮像素子は、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、熱電変換手素子であるシリコンｐｎ接合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】
赤外線固体撮像素子の性能を表す指標の一つは、赤外線固体撮像素子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。
【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】
【０００６】
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は定電流源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、信号の読み出し時に、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、閾値電圧の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、縦スジ状のノイズが現れるという問題がある。
【０００７】
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】
【０００８】
本発明の第１の態様による赤外線撮像素子は、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備えている、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読み出すための複数の信号線と、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電気信号を増幅する、複数の増幅器と、各信号線に対応して設けられ、それぞれが第２熱電変換素子を有する複数の参照画素であって、各参照画素の第２熱電変換素子の一端が対応する信号線に接続される、複数の参照画素と、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２の態様による赤外線撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、入射赤外線を検出する赤外線検出画素であって、前記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備えている赤外線検出画素と、前記第１熱電変換素子の一端が接続され前記赤外線検出画素からの電気信号を読み出すための信号線と、前記信号線から読み出された電気信号を増幅する増幅器と、 第２熱電変換素子を有し、前記第２熱電変換素子の一端が前記信号線に接続されて前記第１熱電変換素子と直列に接続される参照画素と、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断面図。
【図７】第２実施形態による赤外線撮像素子の構成を示す回路図。
【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撮像素子の構成を図１に示す。本実施形態の赤外線撮像素子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、３行２列に配列された６個の画素１１１、１１２、１２１１、１２１２、１２２１、１２２２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６画素とする。第１行に配列された画素１１１、１１２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、第２行および第３行に配列された画素１２１１、１２１２、１２２１、１２２２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）である。無感度画素１１１、１１２は、熱的無感度画素または光学的無感度画素のいずれかでよい。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、１２１１、１２１２、１２２１、１２２２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２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３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に接続されている。行選択線１６１、１６２のそれぞれは、行選択回路４０によって順次選択され、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列の有感画素１２１１、１２２１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列の有感画素１２１２、１２２２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、オペアンプ３１１、３１２と、帰還抵抗３２１、３２２と、列選択トランジスタ３４１、３４２と、を備えている。
【００１８】
第１列の信号線１８１の一端は第１列の無感度画素１１１のダイオード１４のアノードに接続され、この第１列の無感度画素１１１のダイオード１４のカソードは一定の電位Ｖｓに保持される。また、第２列の信号線１８２の一端は第２列の無感度画素１１２のダイオード１４のアノードに接続され、この第２列の無感度画素１１２のダイオード１４のカソードは一定の電位Ｖｓに保持される。第１列の信号線１８１の他端はオペアンプ３１１の負側入力端子に接続され、第２列の信号線１８２の他端はオペアンプ３１２の負側入力端子に接続される。各オペアンプ３１１、３１２の正側入力端子は、共通のノード３３に接続される。帰還抵抗３２１はオペアンプ３１１の負側入力端子と出力端子との間に設けられ、帰還抵抗３２２はオペアンプ３１２の負側入力端子と出力端子との間に設けられる。また、オペアンプ３２１の出力端子は列選択トランジスタ３４１を通して水平信号線３８に接続され、オペアンプ３２２の出力端子は列選択トランジスタ３４２を通して水平信号線３８に接続される。列選択トランジスタ３４１、３４２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、列選択トランジスタ３４１、３４２がオンする。
【００１９】
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と、無感度画素１１１、１１２のダイオード１４からなるそれぞれの直列回路に、直列電圧Ｖｄ―Ｖｓが印加されることになる。例えば、Ｖｄ＝０．７Ｖ、Ｖｓ＝−０．７Ｖとすると、０．７Ｖの電圧が上記直列回路のそれぞれに印加される。
【００２０】
一方、非選択の行選択線１６２に接続されている有感画素１２２１、１２２２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】
有感度画素１２１１、１２１２、１２２１、１２２２のそれぞれは、赤外線を受光すると、画素温度が上昇する。それにより、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、有感度画素の温度は約５ｍＫ変化する。ダイオード１４の電流値は、Ｖｄ＝０．７Ｖを印加する条件の下では、１℃の温度上昇に対して、およそ１μＡから２０％増加する。このため、有感度画素の温度が５ｍＫ変化すると、電流は０．１％（１ｎＡ）増加する。
【００２２】
図１に示す本実施形態の赤外線撮像素子では、有感度画素のダイオード（熱電変換素子）と、無感度画素のダイオード（熱電変換素子）とを直列接続し、ノード３３を接地すると、有感度画素での電流増加分だけがオペアンプ３１１、３１２にて増幅される。例えば、帰還抵抗３２１、３２２の抵抗値を１ＭΩとすれば、出力電圧は、１ｎＡ×１ＭΩ＝１ｍＶとなる。すなわち、被写体温度１Ｋの変化が１ｍＶの応答として出力されることになり、これは熱型の赤外線撮像素子としては十分な値である。
【００２３】
各列のオペアンプ３１１、３１２の出力は、列選択トランジスタ３４１、３４２によって順番に読み出される。列選択トランジスタ３４１、３４２のゲート電圧は、水平選択回路４２から順番に供給され、オペアンプ３１１、３１２の出力電圧が順番に水平信号線３８を通して出力される。
【００２４】
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、この電気信号がオペアンプによって増幅され、この増幅された電気信号は、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。
【００２５】
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。
【００２６】
これに対して、本実施形態の赤外線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。
【００２７】
次に、本実施形態による赤外線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で切断した場合の断面図である。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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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を通過した信号は、配線１３２ｂを介して垂直信号線に伝達される。
【００３１】
次に、本実施形態による赤外線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で切断した場合の断面図である。この無感度画素１１は、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、一端が一定の電位Ｖｓ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。
【００３２】
このように構成された無感度画素（熱的無感度画素ともいう）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。
【００３３】
次に、本実施形態による赤外線撮像素子の無感度画素の他の具体例の構成を、図６を参照して説明する。図６はこの具体例の無感度画素１１Ａの断面図である。この具体例の無感度画素１１Ａは、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Ｖｓ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１４２ｂと、この接続配線１４２ｂを覆う絶縁膜１４４ｂとを備えている。
【００３４】
このような構成の無感度画素１１Ａは、光学的無感度画素とも呼ばれ、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、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、オペアンプ２０１、２０２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。
【００３５】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による赤外線撮像素子を、図７を参照して説明する。図７は、本実施形態の赤外線撮像素子の構成を示す回路図である。本実施形態の赤外線撮像素子は、図１に示す第１実施形態の赤外線撮像素子において、無感度画素および有感度画素をそれぞれ１個とした構成となっている。すなわち、カソードが一定の電位Ｖｓの電源に接続されアノードが垂直信号線１８１に接続されるダイオード１４を有する無感度画素１１１と、一端が垂直信号線１８１に接続され他端がノード３８に接続されるダイオード１４を有する有感度画素１２１と、正側入力端子がノード３３に接続され、負側入力端子が垂直信号線１８１に接続されるオペアンプ３１１と、オペアンプ３１１の出力端子と負側入力端子との間に設けられる帰還抵抗３２１と、を備えている。
【００３６】
本実施形態では、第１実施形態と同様に、有感度画素１２１と無感度画素１１１を直列に配線し、ノード３８の電圧をＶｄとする。有感度画素１２１と無感度画素１１１との間のノードの中間電圧Ｖｓｌは、オペアンプ３１１の正側入力端子に接続するノード３３を接地することによって仮想接地となる。このとき、第１実施形態と同様に、赤外線検出による電流増加分だけがオペアンプ３１１で増幅される。すなわち本実施形態は、常にセンサ自体の温度に影響されず、赤外線信号のみを出力することのできる単画素の赤外線検出器となる。
【００３７】
本実施形態も第１実施形態と同様に、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。
【００３８】
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、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。
【００３９】
また、上記各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。
【符号の説明】
【００４０】
１ 赤外線撮像素子
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）
３０ 読み出し回路
３１１、３１２ オペアンプ
３２１、３２２ 帰還抵抗
３３ ノード
３４１、３４２ 列選択トランジスタ
３８ ノード
４０ 行選択回路
４２ 列選択回路
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
【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備えている、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読み出すための複数の信号線と、
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電気信号を増幅する、複数の増幅器と、
各信号線に対応して設けられ、それぞれが第２熱電変換素子を有する複数の参照画素であって、各参照画素の第２熱電変換素子の一端が対応する信号線に接続される、複数の参照画素と、
を備えていることを特徴とする赤外線撮像素子。
【請求項２】
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記載の赤外線撮像素子。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、入射赤外線を検出する赤外線検出画素であって、前記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備えている赤外線検出画素と、
前記第１熱電変換素子の一端が接続され前記赤外線検出画素からの電気信号を読み出すための信号線と、
前記信号線から読み出された電気信号を増幅する増幅器と、
第２熱電変換素子を有し、前記第２熱電変換素子の一端が前記信号線に接続されて前記第１熱電変換素子と直列に接続される参照画素と、
を備えていることを特徴とする赤外線撮像素子。
【請求項４】
前記半導体基板の表面部分には、前記赤外線検出画素に対応して凹部が形成され、前記赤外線検出画素は、前記熱電変換部を前記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前記赤外線検出画素の熱電変換素子の一端に接続され、他端が一定の電位を供給する電源に接続される第１接続配線と、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、他端が前記信号線に接続される第２接続配線とを備えていることを特徴とする請求項３記載の赤外線撮像素子。
【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撮像素子。
【請求項６】
前記参照画素は、前記第１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備えている、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読み出すための複数の信号線と、
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電気信号を増幅する、複数の増幅器と、
各信号線に対応して設けられ、それぞれが第２熱電変換素子を有する複数の参照画素であって、各参照画素の第２熱電変換素子の一端が対応する信号線に接続される、複数の参照画素と、
を備えていることを特徴とする赤外線撮像素子。
【請求項２】
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記載の赤外線撮像素子。
【請求項３】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、入射赤外線を検出する赤外線検出画素であって、前記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備えている赤外線検出画素と、
前記第１熱電変換素子の一端が接続され前記赤外線検出画素からの電気信号を読み出すための信号線と、
前記信号線から読み出された電気信号を増幅する増幅器と、
第２熱電変換素子を有し、前記第２熱電変換素子の一端が前記信号線に接続されて前記第１熱電変換素子と直列に接続される参照画素と、
を備えていることを特徴とする赤外線撮像素子。
【請求項４】
前記半導体基板の表面部分には、前記赤外線検出画素に対応して凹部が形成され、前記赤外線検出画素は、前記熱電変換部を前記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前記赤外線検出画素の熱電変換素子の一端に接続され、他端が一定の電位を供給する電源に接続される第１接続配線と、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、他端が前記信号線に接続される第２接続配線とを備えていることを特徴とする請求項３記載の赤外線撮像素子。
【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撮像素子。
【請求項６】
前記参照画素は、前記第１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撮像素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２２３７００（Ｐ２０１０−２２３７００Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７００４９（Ｐ２００９−７００４９）
【出願日】平成２１年３月２３日（２００９．３．２３）
【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１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２３日（２００９．３．２３）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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