赤外線検出素子、赤外線撮像装置
【課題】簡単な構造により製造プロセスを複雑化することなく高感度な赤外線検出素子を実現する。
【解決手段】赤外線検出素子の上部電極に対し、当該上部電極の厚さを薄く又はゼロとするように形成した開口機能部を設ける。このような開口機能部では赤外線の透過率が大となるため、その分、焦電素子側に透過される赤外線の量を大とすることができる。つまりこの結果、赤外線の検出感度の向上を図ることができる。また、上記開口機能部は上部電極の厚さを薄く又はゼロとするのみで形成されるものであり、従って高感度化を実現するにあたっての赤外線検出素子の製造プロセスの複雑化を回避できる。
【解決手段】赤外線検出素子の上部電極に対し、当該上部電極の厚さを薄く又はゼロとするように形成した開口機能部を設ける。このような開口機能部では赤外線の透過率が大となるため、その分、焦電素子側に透過される赤外線の量を大とすることができる。つまりこの結果、赤外線の検出感度の向上を図ることができる。また、上記開口機能部は上部電極の厚さを薄く又はゼロとするのみで形成されるものであり、従って高感度化を実現するにあたっての赤外線検出素子の製造プロセスの複雑化を回避できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を受光して検出する赤外線検出素子に関わり、特に、自発分極の変化により表面電荷を発生させる焦電型の赤外線検出素子に適用して好適なものである。また本発明は、上記赤外線検出素子を備えて赤外線撮像画像を得る赤外線撮像装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特許第３９４４４６５号公報
【特許文献２】特開２００８−５１５２２号公報
【背景技術】
【０００３】
受光した赤外線を検出する赤外線検出素子は、その動作原理により、量子型と熱型と呼ばれる２種類に大別される。
これらのうち、入射した赤外線を吸収して受光素子の温度が変化することで赤外線を検出する熱型の赤外線検出素子は、冷却が不要であるという利点がある。このため、近年では、赤外線撮像装置（サーモグラフィ）のイメージャや、エコ製品等に搭載される人感センサとして利用されるようになってきている。
【０００４】
このような熱型の赤外線検出素子にも、例えば以下のような３種類があることが知られている。一つは、ゼーベック効果を生じさせる熱電対を接続したサーモパイル型である。また、もう一つは、温度上昇による抵抗値の変化を利用したボロメータ型である。そして、焦電素子の自発分極の変化により、表面電荷を発生させる焦電型が知られている。
これらのうち焦電型の赤外線検出素子では、赤外線に対する感度を高めるために、焦電材料の種類や配合を工夫し、温度変化による表面電荷の発生効率である焦電係数を大きくする研究や、入射した赤外線を効率よく吸収する研究が盛んに行われている。
【０００５】
例えば上記特許文献１には、図１５に示すように、基板１０５上において支持柱１０４によって赤外線吸収部１０１を温度センサ１０３上に浮かせた中空構造とすることが開示されている。
これは、赤外線吸収部１０１を支持柱１０４によって独立して配置することで、赤外線吸収部１０１の面積をできるだけ大きくしようとするものである。すなわち、画素領域の面積に対する検出可能なセンサ面積の割合を大きくするものである。
【０００６】
また、上記特許文献２では、図１６に示すように、赤外線検出部としてのダイオード１１４の上層側に、赤外線吸収膜１１０、副反射膜１１１、金属反射膜（赤外線反射膜）１１２から成る赤外線吸収層１１３を形成することが開示されている。この赤外線吸収層１１３では、最下部に赤外線反射膜１１２を形成したことで、最上部の赤外線吸収膜１１０を透過した赤外線を反射させて再度赤外線吸収膜１１０に戻すことにより、赤外線の吸収効率を高めることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、上記特許文献１の場合、赤外線吸収部１０１は支持柱１０４によって空中に浮かせるように支持されている。半導体プロセスでは、このような構造は、一度支持柱１０４の形成材料を成膜（支持柱層とする）し、その後赤外線吸収部１０１を成膜し、さらに、支持柱層のうち支持柱１０４となるべき部分を除いた不要な部分をエッチングにより抜くといった工程が必要となり、プロセスの複雑化を招いてしまう。
また、特許文献１において、実際に赤外線を検出するのは、赤外線吸収部１０１に対して支持柱１０４により接続された温度センサ１０３である。この温度センサ１０３としてはダイオードやトランジスタを用いることが開示されており、温度変化によりダイオードやトランジスタの電気特性が変化することで、赤外線が検出されることになる。
このことから理解されるように、特許文献１の構成では、赤外線吸収部１０１が赤外線を吸収することで得た熱を、支持柱１０４を通じて温度センサ１０３に伝達しなければならない。すなわち、赤外線吸収によって得た熱が全て温度センサ１０３の温度上昇のために用いられる訳ではなく、赤外線吸収部１０１と支持柱１０４で生じた温度上昇分、換言すれば赤外線吸収部１０１と支持柱１０４の熱容量分だけは必ず損失となってしまう。
この結果、入射した赤外線エネルギーの利用効率が低下する傾向となる。
また、上記の構造によると、センサへの熱の伝達遅れも問題となる。
【０００８】
また、上記特許文献２においても、赤外線検出部であるダイオード１１４の上に、赤外線反射膜１１２と赤外線吸収膜１１０を成膜しなければならず、製造プロセスが複雑化することとなる。
また、赤外線吸収膜１１０と反射膜１１２の熱容量分だけ損失が生じるという問題もある。
【０００９】
本発明は、これら従来技術の有する問題に鑑み為されたものであり、その課題は、簡単な構造により製造プロセスを複雑化することなく、入射した赤外線を効率良く吸収し、得た赤外線エネルギーを効果的に利用できる高感度な赤外線検出素子を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題の解決を図るべく、本発明では赤外線検出素子として以下のように構成することとした。
すなわち、本発明の赤外線検出素子は、焦電素子と、前記焦電素子を挟み込む位置関係となるように配された上部電極と下部電極とを備えると共に、前記上部電極に、前記上部電極の厚さを薄く又はゼロとするように形成した開口機能部が設けられているものである。
【００１１】
また、本発明では撮像装置として以下のように構成することとした。
つまり、撮像面内に配列された複数の赤外線検出素子を備えて構成された撮像素子と、前記撮像面に対して赤外線を集光する撮像光学系とを備える。
また、前記赤外線が集光されることに応じて前記赤外線検出素子に得られる電荷を検出した結果に基づき、赤外線撮像画像信号を得る画像信号取得部を備える。
そして、前記撮像素子における前記赤外線検出素子として、焦電素子と、前記焦電素子を挟み込む位置関係となるように配された上部電極と下部電極とを備えると共に、前記上部電極に、前記上部電極の厚さを薄く又はゼロとするように形成した開口機能部が設けられている赤外線検出素子を備えるようにした。
【００１２】
上記のように本発明では、赤外線検出素子の上部電極に対し、当該上部電極の厚さを薄く又はゼロとするように形成した開口機能部を設けるものとしている。このような開口機能部では赤外線の透過率が大となるため、その分、焦電素子側に透過される赤外線の量を大とすることができる。つまりこの結果、赤外線の検出感度の向上を図ることができる。
また、上記開口機能部は上部電極の厚さを薄く又はゼロとするのみで形成されるものであり、従って高感度化を実現するにあたっての赤外線検出素子の製造プロセスの複雑化を回避できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、赤外線検出素子の高感度化を、その製造プロセスの複雑化を回避しつつ実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態としての撮像装置の内部構成を示したブロック図である。
【図２】第１の実施の形態としての赤外線検出素子の構造を表す斜視図である。
【図３】第１の実施の形態としての赤外線検出素子の断面構造図である。
【図４】イメージャの構造を表す平面図である。
【図５】開口部の有／無に応じた赤外線の透過／反射の様子を模式的に示した図である。
【図６】開口部が有／無の場合の熱伝導の様子を模式的に示した図である。
【図７】開口率と赤外線の透過率・反射率との関係を表により示した図である。
【図８】開口率に対する温度変化比・出力比の関係を示した図である。
【図９】第２の実施の形態としての赤外線検出素子の断面構造図である。
【図１０】第３の実施の形態としての赤外線検出素子の断面構造図である。
【図１１】変形例１としての赤外線検出素子の断面構造図である。
【図１２】開口部の形状についてのバリエーションを例示した図である。
【図１３】変形例２としての赤外線検出素子の構造について説明するための図である。
【図１４】変形例３としての赤外線検出素子の断面構造図である。
【図１５】支持柱を設けた従来例としての赤外線検出素子の構造について説明する為の図である。
【図１６】赤外線吸収層を備える従来例としての赤外線検出素子の構造について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、発明を実施するための形態（以下実施の形態とする）について説明していく。
なお、説明は以下の順序で行う。
＜１．第１の実施の形態＞
［1-1．撮像装置の構成］
［1-2．赤外線検出素子及びイメージャの構造］
［1-3．作用及び効果］
＜２．第２の実施の形態＞
＜３．第３の実施の形態＞
＜４．変形例＞
【００１６】
＜１．第１の実施の形態＞
［1-1．撮像装置の構成］
図１は、本発明の撮像装置の一実施形態としての撮像装置（以下、実施の形態の撮像装置とも称する）の内部構成を示したブロック図である。
図１において、実施の形態の撮像装置には、撮像レンズ１が設けられる。撮像レンズ１は、図中に入射光Ｌｉと示す被写体からの赤外線をイメージャ４の撮像面に集光する。
撮像レンズ１の材料は、赤外線を透過する材料であれば特に限定されない。例えば、従来提案されているＧｅレンズやＳｉレンズの他に、これらのレンズより安価な材料からなり、赤外線を透過させることが可能なレンズを使用することもできる。また、今後開発される赤外線用のレンズ材料も使用することが可能である。
なお、赤外線をイメージャ４に集光するための光学系は、実際には複数のレンズにより構成されるものとなるが、ここでは説明の簡単のため、撮像レンズ１のみを抽出して示している。
【００１７】
シャッタ２及びシャッタ駆動部３は、イメージャ４に対する被写体からの赤外線の照射／遮蔽が交互に繰り返されるようにするために設けられる。
例えば、シャッタ２としては、遮蔽材（被写体からの赤外線を遮蔽する材料で構成される）と当該遮蔽材を変位可能に保持するアクチュエータとを有して構成されたものを用いることができる。この場合、シャッタ駆動部３が上記アクチュエータを駆動制御することで、イメージャ４に対する赤外線の照射／遮蔽が繰り返されるように構成することができる。
或いは、シャッタ２としては液晶シャッタなどの開口／閉口可変設定素子により構成することもでき、その場合、シャッタ駆動部３は、当該開口／閉口可変設定素子の開口状態／閉口状態を電気的に制御することで、イメージャ４に対する赤外線の照射／遮蔽を繰り返させることになる。
【００１８】
ここで、本例のイメージャ４が有する赤外線検出素子は、焦電素子を用いたいわゆる焦電型の赤外線検出素子となるが、焦電素子は、温度変化（温度差）に応じて電荷が生じるものであり、従って静定した被写体の撮像も可能とするためには、意図的に温度差を生じさせる必要がある。
このために、上記のようなシャッタ２及びシャッタ駆動部３を設けるものとしている。すなわち、これらシャッタ２及びシャッタ駆動部３によって上述のようにイメージャ４に対する被写体からの赤外線の照射／遮蔽が交互に繰り返されることで、各画素（各赤外線検出素子）に対して意図的に温度差（照射状態における被写体からの温度と遮蔽状態におけるシャッタ２からの温度との温度差）を生じさせることができ、その結果、移動する被写体の撮像のみでなく静定した被写体の撮像も可能となるものである。
【００１９】
イメージャ４は、その撮像面において焦電素子による赤外線検出素子が複数配列されている。
後述もするが、各赤外線検出素子は、焦電素子（後述する焦電薄膜１０）と、当該焦電素子を挟み込むようにして設けられた上部電極（１１）と下部電極（１２）とを有して構成され、上述したシャッタ２及びシャッタ駆動部３による赤外線の照射／遮蔽に伴い、上記焦電素子に前述の「温度差」に応じた電荷が発生し、当該電荷が上記上部電極及び下部電極を通じて電荷電圧変換されて検出される。
【００２０】
画像信号取得部５は、上記のようにしてイメージャ４の各赤外線検出素子で電荷電圧変換されて得られる電圧信号（輝度値）を入力して、赤外線撮像画像信号を得る。
【００２１】
画像信号処理部６は、画像信号取得部５で得られた撮像画像信号について各種の画像信号処理を施す。例えば、黒レベル補正、画素欠陥補完、収差補正、光学シェーディング補正、レンズディストーション補正、温度調整、距離変化量の算出、コーディング等を行う。
画像信号処理部６からの出力は、図示しないがインターフェース等を介して、撮像装置の外部のディスプレイ（画像表示装置）等に送られる。
【００２２】
［1-2．赤外線検出素子及びイメージャの構造］
図２は、第１の実施の形態の赤外線検出素子の構造を示す斜視図、図３は第１の実施の形態の赤外線検出素子の断面構造図、図４はイメージャ４の構造を表す平面図である。
図２及び図３に示すように、本実施の形態の赤外線検出素子は、焦電素子としての焦電薄膜１０と、上部電極１１、下部電極１２、基板１３とを備える。具体的にこれらは、上層側から順に上部電極１１、焦電薄膜１０、下部電極１２、基板１３の順で形成されている。
ここで、本明細書において「上層側」とは、赤外線検出素子において被写体からの赤外線が入射する側の面（前述した撮像面）を上面としたときの上層側を指す。
【００２３】
焦電薄膜１０は、赤外線を吸収して温度が変化することにより自発分極の値が変化する焦電材料で構成される。なお、焦電材料については特に限定はしないが、例えば、無機材料としてはチタン酸鉛やチタン酸ジルコン酸鉛、タンタル酸リチウムがよく知られ、また有機材料としては三硫化グリシン（ＴＧＳ）、ポリビニリデンジフロライド等がよく知られており、これらを採用することができる。
【００２４】
上部電極１１及び下部電極１２は導電性を有する材料で構成される。これら上部電極１１及び下部電極１２の材料としては例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕなどを挙げることができる。
【００２５】
そして、本実施の形態の場合、上部電極１１に対しては、図のように開口部１１Ａが設けられる。当該開口部１１Ａの形成により、上部電極１１の下層に形成された焦電薄膜１０の一部が外界に表出（露出）するようにされている。つまり、当該開口部１１Ａが形成された部分の上部電極１１の厚さはゼロである。
本例の場合、開口部１１Ａは、１つの赤外線検出素子（１つの画素）につき４つを設けるものとしている。また開口部１１Ａの形状は矩形状としている。
【００２６】
図４に示すように、イメージャ４においては、基板１３上に[上部電極１１・焦電薄膜１０・下部電極１２]から成るユニット（画素）が複数独立して配列される。上部電極１１が形成される面が、イメージャ４の表面（撮像面）となる。
【００２７】
［1-3．作用及び効果］
ここで、焦電薄膜１０は、赤外線吸収に伴う温度変化により自発分極の値が変化して表面電荷を生じるという性質上、上下の電極により挟まれた面積でしか出力を得ることができない。そこで、より多くの赤外線を受光して高感度化を図るには、上部電極１１としてはなるべく広い面積となるように形成されるのが通常である。
【００２８】
しかしながら、一般的に金属の赤外線反射率は９０％を超えており、そのまま電極として用いた場合、入力した赤外線のエネルギーの９０％以上を反射してしまい、上部電極１１の下に位置する焦電薄膜１０の温度変化にそのエネルギーを十分に利用することができない。
そこで本実施の形態では、前述した開口部１１Ａを設けることで、焦電薄膜１０の一部を上面側に露出させるようにしている。
【００２９】
図５は、開口部１１Ａが無い場合の赤外線の透過／反射の様子（図５（ａ））と、開口部１１Ａを設けた場合の赤外線の透過／反射の様子（図５（ｂ））とをそれぞれ模式的に示し、図６は、開口部１１Ａが無い場合の熱伝導の様子（図６（ａ））と、開口部１１Ａを設けた場合の熱伝導の様子（図６（ｂ））とをそれぞれ模式的に示している。
なお図６においては熱量を色の濃淡で表しており、濃色ほど熱量が大であることを表す。
【００３０】
図５を参照して理解されるように、上部電極１１における開口部１１Ａの形成部分では焦電薄膜１０が露出しているため、本来は上部電極１１にて反射されてしまう赤外線を焦電素子に透過することができ、焦電薄膜１０に到達する赤外線の量をより増大させることができる。
そしてこれに伴い、図６に示すように焦電薄膜１０に到達する赤外線エネルギーの量としても開口部１１を設けた場合の方が増大する。
【００３１】
図７は、上部電極１１の開口率と赤外線の透過率・反射率との関係を表にして示している。なお、図７は、上部電極１１についてその材料をＰｔとし且つ膜厚を３０ｎｍとした上で、画素サイズを１７μｍ＊１７μｍとしたときのシミュレーション結果を示すものである。
この図７を参照すると、上部電極１１の開口率（つまり上部電極１１において開口部１１Ａが占める割合）を大とするに従って反射率は低下し、逆に透過率は上昇することが分かる。
【００３２】
この一方で、一般的に焦電素子の温度変化量ΔＴは、下記の［式１］で求まる。
【数１】
ただし、η：赤外線の吸収効率、Ｐ：赤外線の入射熱量、Ｇ：素子の熱コンダクタンス、ω：チョッピング周波数（シャッタ２による照射／遮蔽の周期）、Ｈ：素子の熱容量である。
【００３３】
ここで、赤外線の入射熱量Ｐは、図７に示した赤外線の反射率と透過率とで決まり、透過率が大きくなるほど焦電素子に入力される赤外線のエネルギーは大きくなり、温度変化量は大きくなる。
【００３４】
さらに、焦電素子の出力ΔＶは、下記［式２］で決まる。
【数２】
ただし、Ａ：電極面積、λ：焦電係数、Ｒ：電荷電圧変換用抵抗値、τ：電気的時定数である。
【００３５】
これら［式１］［式２］に従って求めた上部電極１１の開口率に対する温度変化比・出力比[％]の関係を図８に示す。
この図８を参照して分かるように、開口率を大きくすることによっては、温度変化比（照射時と遮蔽時との温度差）は大きくなっていく。但し、開口率を大とすると上部電極１１の面積Ａは小さくなるため、開口率が過大であると返って高感度化が図られなくなってしまう。この点は、［式２］を参照しても明らかである。
【００３６】
図８によれば、開口率はおよそ３０％〜７０％程度であれば、出力を従来比（開口部１１Ａなしの場合との比）で２．５倍以上向上できる。
また、開口率を４５％程度とすれば、出力を従来比で最大（従来比で３倍程度）に高めることができる。
これらの点より開口率は、３０％〜７０％程度が好ましく、また４５％程度が最も好ましいものとなる。
【００３７】
上記のように本実施の形態によれば、上部電極１１に開口部１１Ａを設けたことで、赤外線検出素子の高感度化を実現できる。
また、開口部１１Ａは、例えば［基板１３・下部電極１２・焦電薄膜１０・上部電極１１］による積層構造体を形成後、上部電極１１に対しエッチングを施すなどの簡易な工程により形成できる。この点からも理解されるように、本実施の形態によれば、赤外線検出素子の高感度化を、その製造プロセスの複雑化を回避しつつ実現することができる。
【００３８】
＜２．第２の実施の形態＞
ここで、上記もしているように開口部１１Ａは上部電極１１にエッチングを施すなどの簡易な工程により形成することができる。具体的に、このような開口部１１Ａの形成工程としては、上部電極１１をイオンミリングによってエッチングする手法が挙げられる。
【００３９】
しかしながら、イオンミリングでは物理的なイオンの衝突を起こしているため、焦電薄膜１０の表面への衝撃が避けられず、その結果として、焦電薄膜１０の分極特性の劣化を招き兼ねない。
【００４０】
そこで、第２の実施の形態の赤外線検出素子として、図９に示すような構造による赤外線検出素子を提案する。
なお、図９は第２の実施の形態の赤外線検出素子の断面構造を示すものである。
また第２の実施の形態において、撮像装置における赤外線検出素子以外の構成については第１の実施の形態で説明したものと同様となるので改めての説明は省略する。
【００４１】
図９において、第２の実施の形態の赤外線検出素子では、上層側から順に上部電極１１、保護透過膜２０、焦電薄膜１０、下部電極１２、基板１３を形成している。すなわち、第１の実施の形態の赤外線検出素子における上部電極１１と焦電薄膜１０との間に、保護透過膜２０を配したものである。
【００４２】
このように上部電極１１と焦電薄膜１０との間に保護透過膜２０を形成しておくことにより、イオンミリング時の焦電薄膜１０の劣化を効果的に防ぐことができる。
このとき、保護透過膜２０としては導電性を有する材料を選択する。また同時に、赤外線の透過率が高い材料を選定することが好ましい。例えば一例として、ＴｉやＣｒなどを挙げることができる。
【００４３】
また、上記のように上部電極１１と焦電薄膜１０との間に保護透過膜２０を成膜した構造とすれば、イオンミリングによる異種金属の選択比が違う為に、保護透過膜２０上部でエッチングを終了できるという効果も奏する。
【００４４】
ここで、エッチングに伴う焦電薄膜１０の特性劣化の防止を図るためには、上部電極１１を完全に貫通させず一部を残すという手法も採り得る（例えば図１４を参照）。第２の実施の形態において、敢えて保護透過膜２０を設けるものとして、赤外線透過率の高いＴｉやＣｒだけで上部電極１１を形成するものとしていないのは、下記の理由による。
１）ＴｉやＣｒは雰囲気中の酸素と結合してＴｉＯ２やＣｒｘＯｙとなってしまう。
この酸化物になった酸化チタンおよび酸化クロムは電気接触抵抗が非常に高く、電極としての使用には適さない虞がある。
２）例えば焦電薄膜１０を１μm以上の厚さで成膜した場合、上部の表面粗さは１００nm以上になってしまう。この場合、上部電極１１を亀裂なく成膜するには１００nm以上の膜厚が必要となる。１００nm以上の膜厚であると、透過率の高いＴｉやＣｒであっても遠赤外線透過率が１０％以下となってしまう。
これらの理由より、遠赤外線透過率の比較的よい材料を保護透過膜２０として使用し、本来の上部電極１１としては電気特性の安定している例えばＰｔ等の材料を使用することが、望ましいものとなる。
【００４５】
上記のように第２の実施の形態によれば、上部電極１１と焦電薄膜１０との間に保護透過膜２０を設けたことで、イオンミリング時の焦電薄膜１０の劣化を効果的に防ぐことができる。
また同時に、オンミリングによる異種金属の選択比が違う為に、保護透過膜２０上部でエッチングを終了できるという効果も奏する。
【００４６】
なお、イオンミリングによる上部電極１１のエッチング量を高精度にコントロールできる場合には、第１の実施の形態の構造で何ら問題無いことは言うまでもない。
【００４７】
＜３．第３の実施の形態＞
図１０は、第３の実施の形態としての赤外線検出素子の断面構図である。
先の図３と対比して分かるように、第３の実施の形態の赤外線検出素子は、第１の実施の形態の赤外線検出素子における上部電極１１の上面側に吸収膜３０を成膜したものとなる。
吸収膜３０は、赤外線を吸収可能な材料で構成される。
このような構造によれば、開口部１１Ａを設けたことによる赤外線透過量の増加と、吸収膜３０を設けたことによる熱吸収率の上昇との双方の作用により赤外線検出感度の向上を図ることができる。
【００４８】
＜４．変形例＞
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明としてはこれまでで説明した具体例に限定されるべきものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な構成を採り得る。
【００４９】
例えば赤外線吸収率のさらなる向上を図るべく、変形例１として、図１１のような構造を採ることもできる。
図１１では、図中の右側に赤外線検出素子の全体的な断面構造（第１の実施の形態の赤外線検出素子の全体的な断面構造と同じ）を示すと共に、分図（ａ）（ｂ）により上部電極１１の形成部分の拡大図を、また分図（ｃ）により焦電薄膜１０における開口部１１Ａにより露出（開口）された部分の拡大図を示している。
【００５０】
これら分図（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、上部電極１１の上面、上部電極１１の上面及び焦電薄膜１０の上面の双方、焦電薄膜１０における開口部１１Ａにより開口された部分の少なくとも何れかに、微細な凹凸を与える。具体的には、少なくとも対象とする赤外線の波長以下のピッチによる凹凸を与える。例えば、表面粗さ１００nm〜５μm程度の凹凸が望ましい。
【００５１】
このような微細な凹凸を与えた構造とすることで、遠赤外線領域の波長に対して、入射側の波形と反射側の波形の位相を、当該凹凸で反転することにより、赤外線の反射率の低下（透過率の上昇）を促すことができる。
この結果、効率的に熱を吸収することが可能となり、さらなる赤外線検出感度の向上が図られる。
【００５２】
なお、図１１では第１の実施の形態の赤外線検出素子に微細凹凸構造を採用する場合を例示したが、第２及び第３の実施の形態の赤外線検出素子にもこのような凹凸構造を採用できることは言うまでもない。
【００５３】
また、これまでの説明では、開口部１１Ａを矩形状とし、且つ上部電極１１に開口部１１Ａを４つ形成する場合を例示したが、上部電極１１に対する開口部１１Ａの形成パターンはこれに限定されるべきものではなく、例えば図１２に示すような種々のパターンが考えられる。
図１２において、図１２（ａ）は上部電極１１の中央部に長方形状の開口部１１Ａを１つのみ形成するパターン、図１２（ｂ）は菱形の開口部１１Ａを複数形成するパターン、図１２（ｃ）は円形の開口部１１Ａを複数形成するパターンである。
また図１２（ｄ）は、ジグザグ形状の縁部を有する２つの開口部１１Ａを、ジグザグの頂点同士を対向させるように配置したパターンであり、図１２（ｅ）は、ジグザグ形状の縁部を有する２つの開口部１１Ａをジグザグの頂点同士をずらして対向させるように配置したパターンである。
また図１２（ｆ）は、細長の開口部１１Ａを渦巻き状に形成したパターンである。
【００５４】
なお、これらの開口部１１Ａの形状及び形成パターンは一例に過ぎず、他の形状及び形成パターンを採用できることは言うまでもない。
何れにしても焦電薄膜１０の温度変化を効率よく起こすためには、開口の周長はできる限り長くすることが好ましい。
【００５５】
また、焦電薄膜１０における赤外線の受光面積をなるべく大きくする意味で、図１３のように焦電薄膜１０にテーパを形成しても良い（変形例２）。
図１３（ａ）は、上部電極１１の中央部に開口部１１Ａを設けた場合に対応して、焦電薄膜１０の当該開口部１１Ａにより開口された部分にテーパを形成した例を示している。
また図１３（ｂ）は、上部電極１１に開口部１１Ａを形成するものではないが、上部電極１１を焦電薄膜１０の中央部のみに配置した場合に対応して、焦電薄膜１０の上部電極１１の形成部分以外の部分に対してテーパを形成した例を示している。
【００５６】
また、図１４は変形例３の赤外線検出素子として、上部電極１１に対し、開口部１１Ａに代えて凹部１１Ｂを形成する例を示している。
当該凹部１１Ｂは、上部電極１１の厚さを薄くすることで形成されるものであり、例えば、上部電極１１に対するエッチングとして当該上部電極１１の貫通を避け一部を残すことで形成される。
このような凹部１１Ｂの形成により厚さが薄くなった部分では、焦電薄膜１０への赤外線の透過量が増加し、その結果、開口部１１Ａを設けた場合と同様の原理で赤外線検出素子の高感度化が図られるものとなる。
【００５７】
また、このように凹部１１Ｂを形成する構造とすれば、エッチング時の焦電薄膜１０への衝撃が避けられ、焦電薄膜１２の劣化を避けることができる。
【符号の説明】
【００５８】
Ｌｉ 入射光、１ 撮像レンズ、２ シャッタ、３ シャッタ駆動部、４ イメージャ、５ 画像信号取得部、６ 画像信号処理部、１０ 焦電薄膜、１１ 上部電極、１１Ａ 開口部、１１Ｂ 凹部、１２ 下部電極、１３ 基板、２０ 保護透過膜、３０ 吸収膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線を受光して検出する赤外線検出素子に関わり、特に、自発分極の変化により表面電荷を発生させる焦電型の赤外線検出素子に適用して好適なものである。また本発明は、上記赤外線検出素子を備えて赤外線撮像画像を得る赤外線撮像装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特許第３９４４４６５号公報
【特許文献２】特開２００８−５１５２２号公報
【背景技術】
【０００３】
受光した赤外線を検出する赤外線検出素子は、その動作原理により、量子型と熱型と呼ばれる２種類に大別される。
これらのうち、入射した赤外線を吸収して受光素子の温度が変化することで赤外線を検出する熱型の赤外線検出素子は、冷却が不要であるという利点がある。このため、近年では、赤外線撮像装置（サーモグラフィ）のイメージャや、エコ製品等に搭載される人感センサとして利用されるようになってきている。
【０００４】
このような熱型の赤外線検出素子にも、例えば以下のような３種類があることが知られている。一つは、ゼーベック効果を生じさせる熱電対を接続したサーモパイル型である。また、もう一つは、温度上昇による抵抗値の変化を利用したボロメータ型である。そして、焦電素子の自発分極の変化により、表面電荷を発生させる焦電型が知られている。
これらのうち焦電型の赤外線検出素子では、赤外線に対する感度を高めるために、焦電材料の種類や配合を工夫し、温度変化による表面電荷の発生効率である焦電係数を大きくする研究や、入射した赤外線を効率よく吸収する研究が盛んに行われている。
【０００５】
例えば上記特許文献１には、図１５に示すように、基板１０５上において支持柱１０４によって赤外線吸収部１０１を温度センサ１０３上に浮かせた中空構造とすることが開示されている。
これは、赤外線吸収部１０１を支持柱１０４によって独立して配置することで、赤外線吸収部１０１の面積をできるだけ大きくしようとするものである。すなわち、画素領域の面積に対する検出可能なセンサ面積の割合を大きくするものである。
【０００６】
また、上記特許文献２では、図１６に示すように、赤外線検出部としてのダイオード１１４の上層側に、赤外線吸収膜１１０、副反射膜１１１、金属反射膜（赤外線反射膜）１１２から成る赤外線吸収層１１３を形成することが開示されている。この赤外線吸収層１１３では、最下部に赤外線反射膜１１２を形成したことで、最上部の赤外線吸収膜１１０を透過した赤外線を反射させて再度赤外線吸収膜１１０に戻すことにより、赤外線の吸収効率を高めることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ここで、上記特許文献１の場合、赤外線吸収部１０１は支持柱１０４によって空中に浮かせるように支持されている。半導体プロセスでは、このような構造は、一度支持柱１０４の形成材料を成膜（支持柱層とする）し、その後赤外線吸収部１０１を成膜し、さらに、支持柱層のうち支持柱１０４となるべき部分を除いた不要な部分をエッチングにより抜くといった工程が必要となり、プロセスの複雑化を招いてしまう。
また、特許文献１において、実際に赤外線を検出するのは、赤外線吸収部１０１に対して支持柱１０４により接続された温度センサ１０３である。この温度センサ１０３としてはダイオードやトランジスタを用いることが開示されており、温度変化によりダイオードやトランジスタの電気特性が変化することで、赤外線が検出されることになる。
このことから理解されるように、特許文献１の構成では、赤外線吸収部１０１が赤外線を吸収することで得た熱を、支持柱１０４を通じて温度センサ１０３に伝達しなければならない。すなわち、赤外線吸収によって得た熱が全て温度センサ１０３の温度上昇のために用いられる訳ではなく、赤外線吸収部１０１と支持柱１０４で生じた温度上昇分、換言すれば赤外線吸収部１０１と支持柱１０４の熱容量分だけは必ず損失となってしまう。
この結果、入射した赤外線エネルギーの利用効率が低下する傾向となる。
また、上記の構造によると、センサへの熱の伝達遅れも問題となる。
【０００８】
また、上記特許文献２においても、赤外線検出部であるダイオード１１４の上に、赤外線反射膜１１２と赤外線吸収膜１１０を成膜しなければならず、製造プロセスが複雑化することとなる。
また、赤外線吸収膜１１０と反射膜１１２の熱容量分だけ損失が生じるという問題もある。
【０００９】
本発明は、これら従来技術の有する問題に鑑み為されたものであり、その課題は、簡単な構造により製造プロセスを複雑化することなく、入射した赤外線を効率良く吸収し、得た赤外線エネルギーを効果的に利用できる高感度な赤外線検出素子を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題の解決を図るべく、本発明では赤外線検出素子として以下のように構成することとした。
すなわち、本発明の赤外線検出素子は、焦電素子と、前記焦電素子を挟み込む位置関係となるように配された上部電極と下部電極とを備えると共に、前記上部電極に、前記上部電極の厚さを薄く又はゼロとするように形成した開口機能部が設けられているものである。
【００１１】
また、本発明では撮像装置として以下のように構成することとした。
つまり、撮像面内に配列された複数の赤外線検出素子を備えて構成された撮像素子と、前記撮像面に対して赤外線を集光する撮像光学系とを備える。
また、前記赤外線が集光されることに応じて前記赤外線検出素子に得られる電荷を検出した結果に基づき、赤外線撮像画像信号を得る画像信号取得部を備える。
そして、前記撮像素子における前記赤外線検出素子として、焦電素子と、前記焦電素子を挟み込む位置関係となるように配された上部電極と下部電極とを備えると共に、前記上部電極に、前記上部電極の厚さを薄く又はゼロとするように形成した開口機能部が設けられている赤外線検出素子を備えるようにした。
【００１２】
上記のように本発明では、赤外線検出素子の上部電極に対し、当該上部電極の厚さを薄く又はゼロとするように形成した開口機能部を設けるものとしている。このような開口機能部では赤外線の透過率が大となるため、その分、焦電素子側に透過される赤外線の量を大とすることができる。つまりこの結果、赤外線の検出感度の向上を図ることができる。
また、上記開口機能部は上部電極の厚さを薄く又はゼロとするのみで形成されるものであり、従って高感度化を実現するにあたっての赤外線検出素子の製造プロセスの複雑化を回避できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、赤外線検出素子の高感度化を、その製造プロセスの複雑化を回避しつつ実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態としての撮像装置の内部構成を示したブロック図である。
【図２】第１の実施の形態としての赤外線検出素子の構造を表す斜視図である。
【図３】第１の実施の形態としての赤外線検出素子の断面構造図である。
【図４】イメージャの構造を表す平面図である。
【図５】開口部の有／無に応じた赤外線の透過／反射の様子を模式的に示した図である。
【図６】開口部が有／無の場合の熱伝導の様子を模式的に示した図である。
【図７】開口率と赤外線の透過率・反射率との関係を表により示した図である。
【図８】開口率に対する温度変化比・出力比の関係を示した図である。
【図９】第２の実施の形態としての赤外線検出素子の断面構造図である。
【図１０】第３の実施の形態としての赤外線検出素子の断面構造図である。
【図１１】変形例１としての赤外線検出素子の断面構造図である。
【図１２】開口部の形状についてのバリエーションを例示した図である。
【図１３】変形例２としての赤外線検出素子の構造について説明するための図である。
【図１４】変形例３としての赤外線検出素子の断面構造図である。
【図１５】支持柱を設けた従来例としての赤外線検出素子の構造について説明する為の図である。
【図１６】赤外線吸収層を備える従来例としての赤外線検出素子の構造について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、発明を実施するための形態（以下実施の形態とする）について説明していく。
なお、説明は以下の順序で行う。
＜１．第１の実施の形態＞
［1-1．撮像装置の構成］
［1-2．赤外線検出素子及びイメージャの構造］
［1-3．作用及び効果］
＜２．第２の実施の形態＞
＜３．第３の実施の形態＞
＜４．変形例＞
【００１６】
＜１．第１の実施の形態＞
［1-1．撮像装置の構成］
図１は、本発明の撮像装置の一実施形態としての撮像装置（以下、実施の形態の撮像装置とも称する）の内部構成を示したブロック図である。
図１において、実施の形態の撮像装置には、撮像レンズ１が設けられる。撮像レンズ１は、図中に入射光Ｌｉと示す被写体からの赤外線をイメージャ４の撮像面に集光する。
撮像レンズ１の材料は、赤外線を透過する材料であれば特に限定されない。例えば、従来提案されているＧｅレンズやＳｉレンズの他に、これらのレンズより安価な材料からなり、赤外線を透過させることが可能なレンズを使用することもできる。また、今後開発される赤外線用のレンズ材料も使用することが可能である。
なお、赤外線をイメージャ４に集光するための光学系は、実際には複数のレンズにより構成されるものとなるが、ここでは説明の簡単のため、撮像レンズ１のみを抽出して示している。
【００１７】
シャッタ２及びシャッタ駆動部３は、イメージャ４に対する被写体からの赤外線の照射／遮蔽が交互に繰り返されるようにするために設けられる。
例えば、シャッタ２としては、遮蔽材（被写体からの赤外線を遮蔽する材料で構成される）と当該遮蔽材を変位可能に保持するアクチュエータとを有して構成されたものを用いることができる。この場合、シャッタ駆動部３が上記アクチュエータを駆動制御することで、イメージャ４に対する赤外線の照射／遮蔽が繰り返されるように構成することができる。
或いは、シャッタ２としては液晶シャッタなどの開口／閉口可変設定素子により構成することもでき、その場合、シャッタ駆動部３は、当該開口／閉口可変設定素子の開口状態／閉口状態を電気的に制御することで、イメージャ４に対する赤外線の照射／遮蔽を繰り返させることになる。
【００１８】
ここで、本例のイメージャ４が有する赤外線検出素子は、焦電素子を用いたいわゆる焦電型の赤外線検出素子となるが、焦電素子は、温度変化（温度差）に応じて電荷が生じるものであり、従って静定した被写体の撮像も可能とするためには、意図的に温度差を生じさせる必要がある。
このために、上記のようなシャッタ２及びシャッタ駆動部３を設けるものとしている。すなわち、これらシャッタ２及びシャッタ駆動部３によって上述のようにイメージャ４に対する被写体からの赤外線の照射／遮蔽が交互に繰り返されることで、各画素（各赤外線検出素子）に対して意図的に温度差（照射状態における被写体からの温度と遮蔽状態におけるシャッタ２からの温度との温度差）を生じさせることができ、その結果、移動する被写体の撮像のみでなく静定した被写体の撮像も可能となるものである。
【００１９】
イメージャ４は、その撮像面において焦電素子による赤外線検出素子が複数配列されている。
後述もするが、各赤外線検出素子は、焦電素子（後述する焦電薄膜１０）と、当該焦電素子を挟み込むようにして設けられた上部電極（１１）と下部電極（１２）とを有して構成され、上述したシャッタ２及びシャッタ駆動部３による赤外線の照射／遮蔽に伴い、上記焦電素子に前述の「温度差」に応じた電荷が発生し、当該電荷が上記上部電極及び下部電極を通じて電荷電圧変換されて検出される。
【００２０】
画像信号取得部５は、上記のようにしてイメージャ４の各赤外線検出素子で電荷電圧変換されて得られる電圧信号（輝度値）を入力して、赤外線撮像画像信号を得る。
【００２１】
画像信号処理部６は、画像信号取得部５で得られた撮像画像信号について各種の画像信号処理を施す。例えば、黒レベル補正、画素欠陥補完、収差補正、光学シェーディング補正、レンズディストーション補正、温度調整、距離変化量の算出、コーディング等を行う。
画像信号処理部６からの出力は、図示しないがインターフェース等を介して、撮像装置の外部のディスプレイ（画像表示装置）等に送られる。
【００２２】
［1-2．赤外線検出素子及びイメージャの構造］
図２は、第１の実施の形態の赤外線検出素子の構造を示す斜視図、図３は第１の実施の形態の赤外線検出素子の断面構造図、図４はイメージャ４の構造を表す平面図である。
図２及び図３に示すように、本実施の形態の赤外線検出素子は、焦電素子としての焦電薄膜１０と、上部電極１１、下部電極１２、基板１３とを備える。具体的にこれらは、上層側から順に上部電極１１、焦電薄膜１０、下部電極１２、基板１３の順で形成されている。
ここで、本明細書において「上層側」とは、赤外線検出素子において被写体からの赤外線が入射する側の面（前述した撮像面）を上面としたときの上層側を指す。
【００２３】
焦電薄膜１０は、赤外線を吸収して温度が変化することにより自発分極の値が変化する焦電材料で構成される。なお、焦電材料については特に限定はしないが、例えば、無機材料としてはチタン酸鉛やチタン酸ジルコン酸鉛、タンタル酸リチウムがよく知られ、また有機材料としては三硫化グリシン（ＴＧＳ）、ポリビニリデンジフロライド等がよく知られており、これらを採用することができる。
【００２４】
上部電極１１及び下部電極１２は導電性を有する材料で構成される。これら上部電極１１及び下部電極１２の材料としては例えばＰｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕなどを挙げることができる。
【００２５】
そして、本実施の形態の場合、上部電極１１に対しては、図のように開口部１１Ａが設けられる。当該開口部１１Ａの形成により、上部電極１１の下層に形成された焦電薄膜１０の一部が外界に表出（露出）するようにされている。つまり、当該開口部１１Ａが形成された部分の上部電極１１の厚さはゼロである。
本例の場合、開口部１１Ａは、１つの赤外線検出素子（１つの画素）につき４つを設けるものとしている。また開口部１１Ａの形状は矩形状としている。
【００２６】
図４に示すように、イメージャ４においては、基板１３上に[上部電極１１・焦電薄膜１０・下部電極１２]から成るユニット（画素）が複数独立して配列される。上部電極１１が形成される面が、イメージャ４の表面（撮像面）となる。
【００２７】
［1-3．作用及び効果］
ここで、焦電薄膜１０は、赤外線吸収に伴う温度変化により自発分極の値が変化して表面電荷を生じるという性質上、上下の電極により挟まれた面積でしか出力を得ることができない。そこで、より多くの赤外線を受光して高感度化を図るには、上部電極１１としてはなるべく広い面積となるように形成されるのが通常である。
【００２８】
しかしながら、一般的に金属の赤外線反射率は９０％を超えており、そのまま電極として用いた場合、入力した赤外線のエネルギーの９０％以上を反射してしまい、上部電極１１の下に位置する焦電薄膜１０の温度変化にそのエネルギーを十分に利用することができない。
そこで本実施の形態では、前述した開口部１１Ａを設けることで、焦電薄膜１０の一部を上面側に露出させるようにしている。
【００２９】
図５は、開口部１１Ａが無い場合の赤外線の透過／反射の様子（図５（ａ））と、開口部１１Ａを設けた場合の赤外線の透過／反射の様子（図５（ｂ））とをそれぞれ模式的に示し、図６は、開口部１１Ａが無い場合の熱伝導の様子（図６（ａ））と、開口部１１Ａを設けた場合の熱伝導の様子（図６（ｂ））とをそれぞれ模式的に示している。
なお図６においては熱量を色の濃淡で表しており、濃色ほど熱量が大であることを表す。
【００３０】
図５を参照して理解されるように、上部電極１１における開口部１１Ａの形成部分では焦電薄膜１０が露出しているため、本来は上部電極１１にて反射されてしまう赤外線を焦電素子に透過することができ、焦電薄膜１０に到達する赤外線の量をより増大させることができる。
そしてこれに伴い、図６に示すように焦電薄膜１０に到達する赤外線エネルギーの量としても開口部１１を設けた場合の方が増大する。
【００３１】
図７は、上部電極１１の開口率と赤外線の透過率・反射率との関係を表にして示している。なお、図７は、上部電極１１についてその材料をＰｔとし且つ膜厚を３０ｎｍとした上で、画素サイズを１７μｍ＊１７μｍとしたときのシミュレーション結果を示すものである。
この図７を参照すると、上部電極１１の開口率（つまり上部電極１１において開口部１１Ａが占める割合）を大とするに従って反射率は低下し、逆に透過率は上昇することが分かる。
【００３２】
この一方で、一般的に焦電素子の温度変化量ΔＴは、下記の［式１］で求まる。
【数１】
ただし、η：赤外線の吸収効率、Ｐ：赤外線の入射熱量、Ｇ：素子の熱コンダクタンス、ω：チョッピング周波数（シャッタ２による照射／遮蔽の周期）、Ｈ：素子の熱容量である。
【００３３】
ここで、赤外線の入射熱量Ｐは、図７に示した赤外線の反射率と透過率とで決まり、透過率が大きくなるほど焦電素子に入力される赤外線のエネルギーは大きくなり、温度変化量は大きくなる。
【００３４】
さらに、焦電素子の出力ΔＶは、下記［式２］で決まる。
【数２】
ただし、Ａ：電極面積、λ：焦電係数、Ｒ：電荷電圧変換用抵抗値、τ：電気的時定数である。
【００３５】
これら［式１］［式２］に従って求めた上部電極１１の開口率に対する温度変化比・出力比[％]の関係を図８に示す。
この図８を参照して分かるように、開口率を大きくすることによっては、温度変化比（照射時と遮蔽時との温度差）は大きくなっていく。但し、開口率を大とすると上部電極１１の面積Ａは小さくなるため、開口率が過大であると返って高感度化が図られなくなってしまう。この点は、［式２］を参照しても明らかである。
【００３６】
図８によれば、開口率はおよそ３０％〜７０％程度であれば、出力を従来比（開口部１１Ａなしの場合との比）で２．５倍以上向上できる。
また、開口率を４５％程度とすれば、出力を従来比で最大（従来比で３倍程度）に高めることができる。
これらの点より開口率は、３０％〜７０％程度が好ましく、また４５％程度が最も好ましいものとなる。
【００３７】
上記のように本実施の形態によれば、上部電極１１に開口部１１Ａを設けたことで、赤外線検出素子の高感度化を実現できる。
また、開口部１１Ａは、例えば［基板１３・下部電極１２・焦電薄膜１０・上部電極１１］による積層構造体を形成後、上部電極１１に対しエッチングを施すなどの簡易な工程により形成できる。この点からも理解されるように、本実施の形態によれば、赤外線検出素子の高感度化を、その製造プロセスの複雑化を回避しつつ実現することができる。
【００３８】
＜２．第２の実施の形態＞
ここで、上記もしているように開口部１１Ａは上部電極１１にエッチングを施すなどの簡易な工程により形成することができる。具体的に、このような開口部１１Ａの形成工程としては、上部電極１１をイオンミリングによってエッチングする手法が挙げられる。
【００３９】
しかしながら、イオンミリングでは物理的なイオンの衝突を起こしているため、焦電薄膜１０の表面への衝撃が避けられず、その結果として、焦電薄膜１０の分極特性の劣化を招き兼ねない。
【００４０】
そこで、第２の実施の形態の赤外線検出素子として、図９に示すような構造による赤外線検出素子を提案する。
なお、図９は第２の実施の形態の赤外線検出素子の断面構造を示すものである。
また第２の実施の形態において、撮像装置における赤外線検出素子以外の構成については第１の実施の形態で説明したものと同様となるので改めての説明は省略する。
【００４１】
図９において、第２の実施の形態の赤外線検出素子では、上層側から順に上部電極１１、保護透過膜２０、焦電薄膜１０、下部電極１２、基板１３を形成している。すなわち、第１の実施の形態の赤外線検出素子における上部電極１１と焦電薄膜１０との間に、保護透過膜２０を配したものである。
【００４２】
このように上部電極１１と焦電薄膜１０との間に保護透過膜２０を形成しておくことにより、イオンミリング時の焦電薄膜１０の劣化を効果的に防ぐことができる。
このとき、保護透過膜２０としては導電性を有する材料を選択する。また同時に、赤外線の透過率が高い材料を選定することが好ましい。例えば一例として、ＴｉやＣｒなどを挙げることができる。
【００４３】
また、上記のように上部電極１１と焦電薄膜１０との間に保護透過膜２０を成膜した構造とすれば、イオンミリングによる異種金属の選択比が違う為に、保護透過膜２０上部でエッチングを終了できるという効果も奏する。
【００４４】
ここで、エッチングに伴う焦電薄膜１０の特性劣化の防止を図るためには、上部電極１１を完全に貫通させず一部を残すという手法も採り得る（例えば図１４を参照）。第２の実施の形態において、敢えて保護透過膜２０を設けるものとして、赤外線透過率の高いＴｉやＣｒだけで上部電極１１を形成するものとしていないのは、下記の理由による。
１）ＴｉやＣｒは雰囲気中の酸素と結合してＴｉＯ２やＣｒｘＯｙとなってしまう。
この酸化物になった酸化チタンおよび酸化クロムは電気接触抵抗が非常に高く、電極としての使用には適さない虞がある。
２）例えば焦電薄膜１０を１μm以上の厚さで成膜した場合、上部の表面粗さは１００nm以上になってしまう。この場合、上部電極１１を亀裂なく成膜するには１００nm以上の膜厚が必要となる。１００nm以上の膜厚であると、透過率の高いＴｉやＣｒであっても遠赤外線透過率が１０％以下となってしまう。
これらの理由より、遠赤外線透過率の比較的よい材料を保護透過膜２０として使用し、本来の上部電極１１としては電気特性の安定している例えばＰｔ等の材料を使用することが、望ましいものとなる。
【００４５】
上記のように第２の実施の形態によれば、上部電極１１と焦電薄膜１０との間に保護透過膜２０を設けたことで、イオンミリング時の焦電薄膜１０の劣化を効果的に防ぐことができる。
また同時に、オンミリングによる異種金属の選択比が違う為に、保護透過膜２０上部でエッチングを終了できるという効果も奏する。
【００４６】
なお、イオンミリングによる上部電極１１のエッチング量を高精度にコントロールできる場合には、第１の実施の形態の構造で何ら問題無いことは言うまでもない。
【００４７】
＜３．第３の実施の形態＞
図１０は、第３の実施の形態としての赤外線検出素子の断面構図である。
先の図３と対比して分かるように、第３の実施の形態の赤外線検出素子は、第１の実施の形態の赤外線検出素子における上部電極１１の上面側に吸収膜３０を成膜したものとなる。
吸収膜３０は、赤外線を吸収可能な材料で構成される。
このような構造によれば、開口部１１Ａを設けたことによる赤外線透過量の増加と、吸収膜３０を設けたことによる熱吸収率の上昇との双方の作用により赤外線検出感度の向上を図ることができる。
【００４８】
＜４．変形例＞
以上、本発明の各実施の形態について説明したが、本発明としてはこれまでで説明した具体例に限定されるべきものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な構成を採り得る。
【００４９】
例えば赤外線吸収率のさらなる向上を図るべく、変形例１として、図１１のような構造を採ることもできる。
図１１では、図中の右側に赤外線検出素子の全体的な断面構造（第１の実施の形態の赤外線検出素子の全体的な断面構造と同じ）を示すと共に、分図（ａ）（ｂ）により上部電極１１の形成部分の拡大図を、また分図（ｃ）により焦電薄膜１０における開口部１１Ａにより露出（開口）された部分の拡大図を示している。
【００５０】
これら分図（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、上部電極１１の上面、上部電極１１の上面及び焦電薄膜１０の上面の双方、焦電薄膜１０における開口部１１Ａにより開口された部分の少なくとも何れかに、微細な凹凸を与える。具体的には、少なくとも対象とする赤外線の波長以下のピッチによる凹凸を与える。例えば、表面粗さ１００nm〜５μm程度の凹凸が望ましい。
【００５１】
このような微細な凹凸を与えた構造とすることで、遠赤外線領域の波長に対して、入射側の波形と反射側の波形の位相を、当該凹凸で反転することにより、赤外線の反射率の低下（透過率の上昇）を促すことができる。
この結果、効率的に熱を吸収することが可能となり、さらなる赤外線検出感度の向上が図られる。
【００５２】
なお、図１１では第１の実施の形態の赤外線検出素子に微細凹凸構造を採用する場合を例示したが、第２及び第３の実施の形態の赤外線検出素子にもこのような凹凸構造を採用できることは言うまでもない。
【００５３】
また、これまでの説明では、開口部１１Ａを矩形状とし、且つ上部電極１１に開口部１１Ａを４つ形成する場合を例示したが、上部電極１１に対する開口部１１Ａの形成パターンはこれに限定されるべきものではなく、例えば図１２に示すような種々のパターンが考えられる。
図１２において、図１２（ａ）は上部電極１１の中央部に長方形状の開口部１１Ａを１つのみ形成するパターン、図１２（ｂ）は菱形の開口部１１Ａを複数形成するパターン、図１２（ｃ）は円形の開口部１１Ａを複数形成するパターンである。
また図１２（ｄ）は、ジグザグ形状の縁部を有する２つの開口部１１Ａを、ジグザグの頂点同士を対向させるように配置したパターンであり、図１２（ｅ）は、ジグザグ形状の縁部を有する２つの開口部１１Ａをジグザグの頂点同士をずらして対向させるように配置したパターンである。
また図１２（ｆ）は、細長の開口部１１Ａを渦巻き状に形成したパターンである。
【００５４】
なお、これらの開口部１１Ａの形状及び形成パターンは一例に過ぎず、他の形状及び形成パターンを採用できることは言うまでもない。
何れにしても焦電薄膜１０の温度変化を効率よく起こすためには、開口の周長はできる限り長くすることが好ましい。
【００５５】
また、焦電薄膜１０における赤外線の受光面積をなるべく大きくする意味で、図１３のように焦電薄膜１０にテーパを形成しても良い（変形例２）。
図１３（ａ）は、上部電極１１の中央部に開口部１１Ａを設けた場合に対応して、焦電薄膜１０の当該開口部１１Ａにより開口された部分にテーパを形成した例を示している。
また図１３（ｂ）は、上部電極１１に開口部１１Ａを形成するものではないが、上部電極１１を焦電薄膜１０の中央部のみに配置した場合に対応して、焦電薄膜１０の上部電極１１の形成部分以外の部分に対してテーパを形成した例を示している。
【００５６】
また、図１４は変形例３の赤外線検出素子として、上部電極１１に対し、開口部１１Ａに代えて凹部１１Ｂを形成する例を示している。
当該凹部１１Ｂは、上部電極１１の厚さを薄くすることで形成されるものであり、例えば、上部電極１１に対するエッチングとして当該上部電極１１の貫通を避け一部を残すことで形成される。
このような凹部１１Ｂの形成により厚さが薄くなった部分では、焦電薄膜１０への赤外線の透過量が増加し、その結果、開口部１１Ａを設けた場合と同様の原理で赤外線検出素子の高感度化が図られるものとなる。
【００５７】
また、このように凹部１１Ｂを形成する構造とすれば、エッチング時の焦電薄膜１０への衝撃が避けられ、焦電薄膜１２の劣化を避けることができる。
【符号の説明】
【００５８】
Ｌｉ 入射光、１ 撮像レンズ、２ シャッタ、３ シャッタ駆動部、４ イメージャ、５ 画像信号取得部、６ 画像信号処理部、１０ 焦電薄膜、１１ 上部電極、１１Ａ 開口部、１１Ｂ 凹部、１２ 下部電極、１３ 基板、２０ 保護透過膜、３０ 吸収膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦電素子と、
前記焦電素子を挟み込む位置関係となるように配された上部電極と下部電極とを備えると共に、
前記上部電極に、前記上部電極の厚さを薄く又はゼロとするように形成した開口機能部が設けられている
赤外線検出素子。
【請求項２】
前記開口機能部による前記上部電極の開口率が略３０％〜７０％である請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記上部電極はＰｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕの何れかで構成されている請求項２に記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記焦電素子と前記上部電極との間に保護透過膜が配されている請求項３に記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
前記保護透過膜がＴｉ又はＣｒで構成される請求項４に記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
前記上部電極の上面側に対して赤外線吸収膜が配されている請求項５に記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
前記焦電素子の上面における少なくとも前記開口機能部により開口された領域又は前記上部電極の上面若しくは下面に対して、少なくとも検出対象とする赤外線の波長以下のピッチによる凹凸が与えられている
請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項８】
前記上部電極における前記開口機能部の形成数が１である請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項９】
前記上部電極に前記開口機能部が複数形成されている請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項１０】
前記開口機能部は前記上部電極の厚さをゼロとするように形成されたものである請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項１１】
前記開口機能部は前記上部電極の厚さを薄くした凹部である請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項１２】
前記焦電素子にテーパが形成されている請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項１３】
撮像面内に配列された複数の赤外線検出素子を備えて構成された撮像素子と、
前記撮像面に対して赤外線を集光する撮像光学系と、
前記赤外線が集光されることに応じて前記赤外線検出素子に得られる電荷を検出した結果に基づき、赤外線撮像画像信号を得る画像信号取得部とを備えると共に、
前記撮像素子における前記赤外線検出素子として、
焦電素子と、前記焦電素子を挟み込む位置関係となるように配された上部電極と下部電極とを備えると共に、前記上部電極に、前記上部電極の厚さを薄く又はゼロとするように形成した開口機能部が設けられている赤外線検出素子を備える
赤外線撮像装置。
【請求項１】
焦電素子と、
前記焦電素子を挟み込む位置関係となるように配された上部電極と下部電極とを備えると共に、
前記上部電極に、前記上部電極の厚さを薄く又はゼロとするように形成した開口機能部が設けられている
赤外線検出素子。
【請求項２】
前記開口機能部による前記上部電極の開口率が略３０％〜７０％である請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記上部電極はＰｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｕの何れかで構成されている請求項２に記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記焦電素子と前記上部電極との間に保護透過膜が配されている請求項３に記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
前記保護透過膜がＴｉ又はＣｒで構成される請求項４に記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
前記上部電極の上面側に対して赤外線吸収膜が配されている請求項５に記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
前記焦電素子の上面における少なくとも前記開口機能部により開口された領域又は前記上部電極の上面若しくは下面に対して、少なくとも検出対象とする赤外線の波長以下のピッチによる凹凸が与えられている
請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項８】
前記上部電極における前記開口機能部の形成数が１である請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項９】
前記上部電極に前記開口機能部が複数形成されている請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項１０】
前記開口機能部は前記上部電極の厚さをゼロとするように形成されたものである請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項１１】
前記開口機能部は前記上部電極の厚さを薄くした凹部である請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項１２】
前記焦電素子にテーパが形成されている請求項１に記載の赤外線検出素子。
【請求項１３】
撮像面内に配列された複数の赤外線検出素子を備えて構成された撮像素子と、
前記撮像面に対して赤外線を集光する撮像光学系と、
前記赤外線が集光されることに応じて前記赤外線検出素子に得られる電荷を検出した結果に基づき、赤外線撮像画像信号を得る画像信号取得部とを備えると共に、
前記撮像素子における前記赤外線検出素子として、
焦電素子と、前記焦電素子を挟み込む位置関係となるように配された上部電極と下部電極とを備えると共に、前記上部電極に、前記上部電極の厚さを薄く又はゼロとするように形成した開口機能部が設けられている赤外線検出素子を備える
赤外線撮像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図６】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図６】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１２２７８５（Ｐ２０１２−１２２７８５Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７２１５４（Ｐ２０１０−２７２１５４）
【出願日】平成２２年１２月７日（２０１０．１２．７）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月７日（２０１０．１２．７）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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