赤外線検出素子及びそれを用いた赤外線イメージセンサ
【課題】 複雑な貼り合せ工程が不要な、シリコン基板上にオンチップ作製が可能で、高感度、高精度、高信頼性、高集積化が可能な赤外線検出素子およびそれを用いた赤外線イメージセンサを提供する。
【解決手段】基板と、下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられ膜面に対して略垂直にｃ軸が配向した窒化アルミニウムからなる圧電膜と、を有する積層体と、前記積層体の一部と前記基板とを連結し前記積層体を前記基板の上方に間隙を空けて支持するアンカーと、前記基板上に設けられ、前記下部電極と前記上部電極とに接続された増幅器と、を備えたことを特徴とする赤外線検出素子が提供される。
【解決手段】基板と、下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられ膜面に対して略垂直にｃ軸が配向した窒化アルミニウムからなる圧電膜と、を有する積層体と、前記積層体の一部と前記基板とを連結し前記積層体を前記基板の上方に間隙を空けて支持するアンカーと、前記基板上に設けられ、前記下部電極と前記上部電極とに接続された増幅器と、を備えたことを特徴とする赤外線検出素子が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出素子、特に圧電膜を使用した赤外線検出素子及びそれを用いた赤外線イメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
民生用に一般に使用されている赤外線検出素子は、全て非冷却型の赤外線検出素子であり、大別すると焦電型とボロメータ型に大別される。
焦電型赤外線センサにおいては、赤外線検出素子として焦電体と呼ばれる特殊な材料を使用する必要があり、代表的には酸化物の強誘電体であるチタン酸鉛系、あるいはチタン酸バリウム系の材料が使用される。しかしながらこれらの材料は、結晶化温度が高いこと、イオンエッチングが困難であること、酸化物であるために貴金属系の電極材料が必要であることなどから、ＣＭＯＳプロセスで作製した赤外線センサ用のシリコン基板の上に直接作成することが困難であるという問題点がある。
【０００３】
そこでＣＭＯＳのモノリシックプロセスに代わり、プロセスが複雑で高価な、貼り合わせ技術などを使用したハイブリッドプロセスを使用せざるを得ない。
例えば、焦電型赤外線検出素子の例として、基板上に配向性酸化物下地膜を形成し、その上に焦電体と樹脂膜を形成した後、これを別の基板と貼り合わせ、その後に配向性酸化物下地膜を溶解除去する赤外線検出素子の製造方法がある。
【０００４】
ところが、この焦電型赤外線検出素子は、いくつかの問題点があった。
第１の問題点は、検出素子の作製における複雑な貼り合せおよび基板の溶解除去工程が信頼性、精度、微細化、アレイ化する上での大きな障害となることである。
【０００５】
第２の問題点は、赤外線検出素子に接続される増幅器は赤外線検出素子の基板とは別の基板上に設けざるを得ず、赤外線検出素子と増幅器とは配線で接続されることとなる。このため、単一基板上に薄膜工程のみで赤外線検出部と増幅部を一括形成する場合に比較すると、ノイズなどが入りやすく、検出精度が劣化することである。
【０００６】
一方、ボロメータ型赤外線センサは、抵抗素子に赤外線が照射されたときの抵抗の温度係数を利用して検知するものである。抵抗素子としてはサーミスタやＳｉのｐ−ｎダイオードなどが使用可能であり、シリコン基板上にモノリシックに作製することが可能なため、盛んに研究されている。しかしながら、ボロメータ型赤外線センサの最大の問題点は、検出感度の悪さである。抵抗値を読み出すためには抵抗素子にバイアス電流を流し、その結果生じる電圧の温度による変化分を検出する必要があるが、抵抗素子に生じる電圧に含まれるジョンソン雑音を始めとする種々の雑音に対して、赤外線照射による温度変化で生じる電圧変化分が小さいためＳ／Ｎ比が悪く、感度の良い検出が非常に困難である。
【０００７】
また、ボロメータ型や焦電型に代わり、赤外線照射による温度上昇を、熱ひずみを介し圧電体を検出素子として使用した擬似焦電効果型の赤外線検出素子も提案されている（特許文献１）。
特許文献１では圧電膜として、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＨｇＴｅ、ＨｇＳｅ、Ｈｇ１−ｘＣｄｘＴｅ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、Ｇｅ、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｍｇ２Ｇｅ、Ｍｇ２Ｓｎ、Ｃａ２Ｓｎ、Ｃａ２Ｐｂ、ＺｎＳｂ、ＺｎＡｓ２、Ｚｎ３Ａｓ２、ＣｄＳｂ、ＣｄＡｓ２、Ｃｄ３Ａｓ２、Ｂｉ２Ｓｅ３、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｓｂ２Ｔｅ３、Ａｓ２Ｓｅ３、Ａｓ２Ｔｅ３、ＰｔＳｂ２、Ｉｎ２Ｓｅ３、Ｉｎ２Ｔｅ３などの化合物半導体を挙げているが、これらの材料はシリコン基板上に成膜した場合、充分な圧電性を持つ単結晶膜ないしは高配向膜を作製するのは容易でない。そして、そのための特別な工夫も開示されていない。また、特に望ましい圧電膜として、狭バンドギャップの半導体であるＨｇＴｅ、Ｈｇ１−ｘＣｄｘＴｅ、ＩｎＳｂ、Ｃｄ３Ａｓ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＰｔＳｂ２を挙げているが、バンドギャップが狭いために必然的にリーク電流は非常に多く、室温で読み出すには非常に大きな困難が伴う。また、圧電体と基板間の熱膨張差を利用しており、基板上に圧電体が直接形成されているため、赤外線照射によって受ける熱が容易に基板中に放散され、圧電体の温度が上がらず、得られる起電力は僅かである。
【０００８】
以上のように、従来技術の焦電型、ボロメーター型、及び疑似焦電効果型の赤外線検出素子およびそれを用いた赤外線イメージセンサーは、いずれも問題を持っており、これに対し、多くの試みが行われているが、いずれも一長一短があり、上記の技術を置き換えるまで至らないのが現状である。
【特許文献１】特許第３３１１８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上の状況に基づきなされたものであり、その目的は、複雑な貼り合せ工程が不要な、シリコン基板上にオンチップ作製が可能で、高感度、高精度、高信頼性、高集積化が可能な赤外線検出素子およびそれを用いた赤外線イメージセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、基板と、下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられ膜面に対して略垂直にｃ軸が配向した窒化アルミニウムからなる圧電膜と、を有する積層体と、前記積層体の一部と前記基板とを連結し前記積層体を前記基板の上方に間隙を空けて支持するアンカーと、前記基板上に設けられ、前記下部電極と前記上部電極とに接続された増幅器と、を備えたことを特徴とする赤外線検出素子が提供される。
【００１１】
また、本発明の別の一態様によれば、上記の複数の赤外線検出素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする赤外線イメージセンサが提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複雑な貼り合せ工程が不要な、シリコン基板上にオンチップ作製が可能で、高感度、高精度、高信頼性、高集積化が可能な赤外線検出素子およびそれを用いた赤外線イメージセンサが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施形態に係わる赤外線検出素子１４の平面図である。また、図２は、第１の実施形態に係わる赤外線検出素子の部分断面図であり、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、図１のＡ−Ａ線断面図、及びＢ−Ｂ線断面図である。
【００１５】
図１および図２に表したように、基板１上にアンカー２が形成されている。下部電極４、上部電極６、並びに下部電極４及び上部電極６に挟まれてた圧電膜５により積層体５１が構成されている。積層体５１の端部の接続梁部８はアンカー２に連結されており、積層体５１は基板１の上部において間隙５２を有した状態でアンカー２によって支持されている。また基板１の上には増幅器１０が形成されており、下部電極４および上部電極６は、コンタクト部１２で増幅器１０からの配線１１と接続されている。また、上部電極６の上には赤外線吸収層１３が設けられ、積層体５１と一体となり、感熱部７が構成されている。なお、基板１はシリコンで形成されている。
【００１６】
次に、本発明の第１の実施形態の赤外線検出素子の製造工程について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に係わる赤外線検出素子の製造工程の各段階における断面図である。
【００１７】
まず、図３（ａ）に表すように、シリコンからなる基板１の上に、既知の方法でＣＭＯＳプロセスにより増幅器１０（図示せず）、配線１１およびアンカー２を作製した。配線１１としては厚さ０．５μｍのアルミニウムを、またアンカー２としては厚さ１μｍの窒化シリコンを使用した。
【００１８】
次に、図３（ｂ）に表すように、基板１上にスパッタ法により、非晶質シリコンからなる犠牲層３を形成し、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法によりアンカー２の先端部が露出するまで平坦化した。さらに配線１１の上方にコンタクト部１２を既知のリソグラフィーおよびエッチングにより形成した。
【００１９】
次に、図３（ｃ）に表すように、厚さ２μｍのアルミニウムからなる下部電極４、厚さ１．２μｍの窒化アルミニウムからなる圧電膜５、厚さ２μｍのアルミニウムからなる上部電極６を、スパッタによる成膜とリソグラフィーおよびエッチングによるパターニングを行うことにより形成し、積層体５１を形成した。さらに厚さ２μｍのポリイミドからなる赤外線吸収層１３をスピンコートにより形成し、感熱部７を作成した。なお、図示していないが、下部電極４の下には厚さ２０ｎｍのアルミニウム−タンタル合金からなる非晶質下地層を形成することにより、下部電極４および上部電極６を［１１１］方位に、また圧電膜５を［０００１］方位に強く配向させた。
【００２０】
次に、図３（ｄ）に表すように、非晶質シリコンからなる犠牲層３を、ＸｅＦ２をエッチャントとする気相エッチング法により選択的にエッチングし、積層体５１を基板１から分離し、赤外線検出素子１４を形成した。
【００２１】
このようにして得られた本発明の第１の実施形態である赤外線検出素子における、下部電極４および上部電極６、および圧電膜５の配向性を、Ｘ線回折ωモードによって測定した。その結果、下部電極４および上部電極６に由来するアルミニウムの［１１１］方位の配向半値幅（ＦＷＨＭ）は０．９°、圧電膜５に由来する窒化アルミニウムの［０００１］方位の配向半値幅は１．１°と非常によく配向していることが確かめられた。
【００２２】
第１の実施形態により例示される本発明の赤外線検出素子は、発明者らの以下の技術検討により見いだされたものである。
【００２３】
すなわち、本発明は、焦電型やボロメータ型の赤外線検出素子に代わり、圧電体を検出素子として使用することにより、赤外線照射による温度上昇を熱ひずみを介して検出する赤外線検出素子の新たな構造とそれに用いられる材料系を見出したものである。
【００２４】
発明者らは、圧電体を検出素子として使用し、赤外線照射による温度上昇を熱ひずみを介して検出する赤外線検出素子において、感度の良い赤外線検出素子を再現性良く作成するための条件を、理論的および実験的に考察した結果、少なくとも以下の条件を満たす必要があることを見出した。
【００２５】
条件（Ａ）：赤外線照射を受けた場合に感熱部の温度が充分上昇するために、赤外線を吸収する層が必要である。ただし独立した赤外線吸収層は必ずしも必要ではなく、電極層や圧電膜などに赤外線が照射され、それらの材料の赤外線吸収率が大きければ、赤外線吸収層を兼ねることも可能である。
【００２６】
条件（Ｂ）：赤外線照射を受けた場合に感熱部の昇温速度が速く、かつ充分上昇するために、圧電膜を含む感熱部の熱容量ができるだけ小さい必要があり、圧電膜を含む感熱部の熱容量が圧電膜の熱容量の１０倍以内、望ましくは５倍以内であることが必要である。
【００２７】
条件（Ｃ）：赤外線照射を受けた場合に感熱部の温度が充分上昇するために、感熱部と基板の間の断熱が充分大きくなるような構造が必要である。
【００２８】
条件（Ｄ）：赤外線照射を受けて感熱部の温度が上昇したときに、圧電膜に充分歪が生じるために、圧電膜は、圧電膜と熱膨張率が異なる第２の材料と接して拘束されており、第２の材料の熱膨張率が圧電膜と５×１０−６／Ｋ以上、望ましくは１０×１０−６／Ｋ以上異なることが必要である。すなわち、第２の材料が、上部電極６および下部電極４である場合、上部電極６および下部電極４の線膨張率と前記圧電膜の線膨張率との差が５×１０−６／Ｋ以上であることが必要である。
【００２９】
条件（Ｅ）：赤外線照射を受けて感熱部の温度が上昇したときに、圧電膜に充分歪が生じて圧電電位が発生するために、圧電膜と圧電膜と接する第２の材料との剛性の比が、０．１以上１０以下、望ましくは０．２以上５以下であることが必要である。すなわち、第２の材料が、上部電極６と下部電極４である場合、上部電極６の厚さをｔTE、上部電極６の膜面内縦弾性率をＥTE、下部電極４の厚さをｔBE、下部電極４の膜面内縦弾性率をＥBE、圧電膜５の厚さをｔP、圧電膜５の膜面内縦弾性率をＥP、としたとき、（ｔTE・ＥTE＋ｔBE・ＥBE）／（ｔP・ＥP） が、０．１以上１０以下、望ましくは０．２以上５以下であることが必要である。
【００３０】
条件（Ｆ）：圧電膜に歪が生じたときに充分な電荷が誘起されるために、（圧電膜の圧電定数／比誘電率）が大きいことが必要である。
【００３１】
条件（Ｇ）：圧電膜に誘起された電荷をＳ／Ｎ比良く読みだすために、規格化検出能が大きいことが必要である。
【００３２】
条件（Ｈ）：赤外線照射により生じた微小な電荷を効率よく読み出すために、圧電膜を有する感熱部が、ＣＭＯＳ素子からなる増幅回路があらかじめ作製されたシリコン基板上に、ＣＭＯＳ素子を壊さないために５５０℃以下の温度で作製されることが必要である。
【００３３】
条件（Ｉ）：圧電膜に歪が生じたときに充分な電荷が誘起されるために、圧電膜の圧電軸が充分に１方向に配向し、かつ分極の極性が揃った良質の結晶の作製が可能であり、かつ圧電膜の圧電軸方向に２枚の電極が設置されていることが必要である。
【００３４】
上記の条件が必要な背景について詳しく説明する。いま、圧電膜が第２の材料と積層されており、面内方向の変形がお互いに拘束されているとする。圧電膜の縦弾性率、線膨張率、膜厚、容積比熱をそれぞれ Ｅp、αp、ｔp、Ｃ'pとし、第２の材料の縦弾性率、線膨張率、膜厚、容積比熱をそれぞれ Ｅm、αm、ｔm、Ｃ'mとし、圧電膜の圧電係数をｄ31、圧電膜の比誘電率をεとした場合、感度Ｆｖは次式で表せる。
【数１】
数式１の右辺の第２項は、圧電膜と、圧電膜および第２の材料からなる感熱部の熱容量の比であり、この比が大きいほど（感熱部と圧電膜の熱容量の比は小さいほど）感度は高くなる。このことから、条件（Ｂ）が導出される。
【００３５】
また、数式１の右辺の第３項の(αm−αp)は、圧電膜と第２の材料の線膨張率の差であり、感度はこの差に比例するからこの差は大きいほど良い。このことから条件（Ｄ）が導出される。
【００３６】
さらに、数式１の右辺の第１項から、感度を最大にするためには、圧電膜の縦弾性率と膜厚の積である縦剛性Ｅpｔpと、第２の材料の縦剛性Ｅmｔmが同程度であることが望ましいことが分かる。具体的には圧電膜と第２の材料の縦剛性の比が少なくても０．１以上１０以下、望ましくは０．２以上５以下であることが必要である。すなわち、第２の材料が、上部電極６と下部電極４である場合、上部電極６の厚さをｔTE、上部電極６の膜面内縦弾性率をＥTE、下部電極４の厚さをｔBE、下部電極４の膜面内縦弾性率をＥBE、圧電膜５の厚さをｔP、圧電膜５の膜面内縦弾性率をＥP、としたとき、（ｔTE・ＥTE＋ｔBE・ＥBE）／（ｔP・ＥP） が、０．１以上１０以下、望ましくは０．２以上５以下であることが必要である。このことから、条件（Ｅ）が導出される。
【００３７】
また、数式１の右辺の第４項から、圧電膜の感度にかかわるのは（ｄ31／Ｃ'pε）であるため、条件（Ｆ）が導出される。
【００３８】
一方、圧電膜に誘起された電荷を外部回路を使用して読み出す時には、Ｓ／Ｎ比が問題になる。ノイズとして最も大きなものは通常ジョンソンノイズといわれているものであり、圧電膜の誘電損失（ｔａｎδ）が関係してる。Ｓ／Ｎ比を考慮した規格化検出能ＦＤは次式で表せる。
【数２】
数式２から条件（Ｇ）が導出される。
【００３９】
さらに、赤外線照射により生じた微小な電荷を効率よく読み出すために条件（Ｈ）が導出され、また、圧電膜に歪が生じたときに充分な電荷が誘起されるために条件（Ｉ）が導出された。
【００４０】
上述した特許文献１に開示された赤外線検出素子は、Ａ、Ｂ、Ｈの条件を満たしておらず、またＥ、Ｇについては具体的な記述がなく、従ってＥとＧの条件を満たす手段が開示されていない。
本発明は、上記の条件（Ａ）〜（Ｉ）を満たすべくなされたものである。
【００４１】
以下、本発明の第１の実施形態が、上述の条件（Ａ）〜（Ｉ）に適合していることを説明する。
条件（Ａ）について述べる。第１の実施形態で例示される赤外線検出素子においては、アルミニウムからなる下部電極４および上部電極６、並びに窒化アルミニウムからなる圧電膜５から構成される積層体５１は、赤外線を吸収し、温度が上昇することができる。さらに、第１の実施形態においては、積層体５１の上にポリイミドからなる赤外線吸収層１３が形成されており、感熱部７は効率的に赤外線を吸収して熱に変換することが可能である。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ａ）を満たしており、感熱部への赤外線照射により、感熱部の温度を充分上昇させることができる。
【００４２】
条件（Ｂ）について述べる。感熱部７は、圧電膜５およびそれを挟む下部電極４及び上部電極６からなる積層体５１、ならびに赤外線吸収層１３から構成されており、これらは、熱容量の大きな基板１等に接していない。第１の実施形態においては、圧電膜５を形成する窒化アルミニウムの比熱が８．０ｃａｌ／ｍｏｌＫ、下部電極４及び上部電極６を形成するアルミニウムの比熱が５．８ｃａｌ／ｍｏｌＫ、赤外線吸収層１３を形成するポリイミドの比熱は組成等にもよるが２ｃａｌ／ｍｏｌＫ程度であり、感熱部７の熱容量は圧電膜５の熱容量の３倍程度に抑制することができている。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｂ）を満たしており、感熱部への赤外線照射により、速い昇温速度で、感熱部の温度を充分上昇させることができる。
【００４３】
条件（Ｃ）について述べる。積層体５１は、それと連結されたアンカー２によって基板１上の空中に支持されている。そして、上記積層体５１の端部が長く細い接続梁部８によって基板上のアンカー２に接続されている。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｃ）を満たしており、基板１への熱伝導を充分小さくすることが可能であり、感熱部への赤外線照射により、感熱部の温度を充分上昇させることができる。
【００４４】
条件（Ｄ）について述べる。感熱部７を構成する圧電膜５が下部電極４及び上部電極６により挟まれており、面内方向の変形が拘束されている。このため、圧電膜５と下部電極４及び上部電極６の熱膨張率の差により熱応力を発生させることが可能である。具体的には、窒化アルミニウムのｃ軸を膜面と垂直に配向させたときに、面内方向の線膨張率は５．２７×１０−６／Ｋであり、下部電極４及び上部電極６として使用したアルミニウムの線膨張率は２３×１０−６／Ｋと大きく異なっており、充分な熱歪みを生じさせることができる。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｄ）を満たしており、感熱部への赤外線照射により、感熱部の圧電膜に充分大きな歪みを発生させることができる。
【００４５】
なお、下部電極４及び上部電極６に用いられる材料としては、アルミニウムに限られることなく、圧電膜５の線膨張率よりも少なくとも５×１０−６／Ｋ以上、望ましくは１０×１０−６／Ｋ以上異なる線膨張率の電極材料を使用することが可能である。例示すると、銅の線膨張率は１６．７×１０−６／Ｋであり、窒化アルミニウムの面内方向の線膨張率５．２７×１０−６／Ｋと線膨張率の差が大きく、銅は電極材料に適している。なお、特許文献１においては、窒化アルミニウム圧電膜をシリコン基板に固定した構成であるが、シリコンの線膨張率は２．５×１０−６／Ｋであり、窒化アルミニウムの線膨張率と近い値である。したがって、特許文献１に記されている構成により大きな熱歪みを誘起することはできない。
【００４６】
条件（Ｅ）について述べる。圧電膜５として使用した窒化アルミニウムのｃ軸に垂直な方向の縦弾性率は３．９５ｘ１０１１Ｐａであり、従って圧電膜５の縦弾性率Ｅp＝３．９５ｘ１０１１Ｐａである。また、アルミニウムの縦弾性率は７．２ｘ１０１０Ｐａであり、従って下部電極４の縦弾性率ＥBEおよび上部電極６の縦弾性率ＥTEは、ともに７．２ｘ１０１０Ｐａである（ポリイミドの弾性率は小さいのでここでは無視する）。また、圧電膜５の厚さｔpは１．２μｍであり、下部電極４の厚さｔBEおよび上部電極６の厚さｔTEはともに２．０μｍである。従って、下部電極４および上部電極６と圧電膜５の縦剛性の比（ｔTE・ＥTE＋ｔBE・ＥBE）／（ｔP・ＥP）は約１．６である。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｅ）を満たしており、熱応力による大きな圧電効果が生じる。
【００４７】
上記の条件（Ｆ）について述べる。第１の実施形態で例示される赤外線検出素子において、実際に読み出し回路を接続したときの感度は、圧電係数ｄ31と体積比熱Ｃ'pおよび比誘電率εの比ｄ31／Ｃ'pεで決まる。第１の実施形態で例示される赤外線検出素子において、圧電膜５を形成する窒化アルミニウムのｃ軸と垂直方向の応力に対する圧電係数ｄ31は−３．１Ｃ／Ｎであり、また、体積比熱Ｃ'p は８．０ｃａｌ／ｍｏｌＫ、比誘電率εは約１０である。従って、ｄ31／Ｃ'pεは、−０．１０ＣＫｃｍ3／ＮＪとなり、大きい値を持つ。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｆ）を満たしており、圧電膜に歪が生じたときに充分な電荷が誘起される。
【００４８】
なお、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子において、窒化アルミニウムの圧電係数ｄ31は−３．１Ｃ／Ｎであり、ＰＺＴ系などの強誘電体材料に比較すると１桁以上小さく、一見赤外線検出素子の圧電膜としては適さないようにみえる。しかしながら、上述したように、実際に読み出し回路を接続したときの感度は、圧電係数ｄ31と体積比熱Ｃ'pおよび比誘電率εの比ｄ31／Ｃ'pεで決まり、窒化アルミニウムの誘電率は約１０と強誘電体に比較すると充分に小さいため、ｄ31／Ｃ'pεを充分大きくできる。
【００４９】
上記の条件（Ｇ）について述べる。数式２で示したように、読み出し時のＳ／Ｎ比を考慮した規格化検出能ＦＤはｄ31／Ｃ'p（ε・ｔａｎδ)1/2で表せる。ここで問題となるのは、上述した検出感度とともに、誘電損失ｔａｎδである。第１の実施形態で例示される赤外線検出素子においては、圧電膜５に用いられる窒化アルミニウムの誘電損失ｔａｎδは非常に小さく、通常は０．００５以下であり、通常の測定では検出感度以下である。したがって規格化検出能ｄ31／Ｃ'p（ε・ｔａｎδ)1/2を、非常に大きくできる。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｇ）を満たしており、Ｓ／Ｎ比が大きくでき、圧電膜に誘起された電荷を感度良く読み出すことが出来る。
【００５０】
上記の条件（Ｈ）について述べる。第１の実施形態で例示される赤外線検出素子においては、圧電膜５を形成する窒化アルミニウムはＣＭＯＳプロセスとの互換性が非常によい。窒化アルミニウム膜は室温ないしは１００℃程度の低温でシリコン基板上に絶縁性の高い膜を容易に形成することが可能で、下部電極４および上部電極６としてＣＭＯＳ互換性が良いアルミニウムなどの酸化しやすい金属を使用することができる。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｈ）を満たしており、ＣＭＯＳ素子からなる増幅回路があらかじめ作製されたシリコン基板上に作製することができ、赤外線照射により生じた微小な電荷を効率よく読み出すことができる。
【００５１】
上記の条件（Ｉ）について述べる。第１の実施形態で例示される赤外線検出素子においては、下部電極４および上部電極６に由来するＡｌの［１１１］方位の配向半値幅（ＦＷＨＭ）は０．９°、圧電膜５に由来するＡｌＮの［０００１］方位の配向半値幅は１．１°と非常によく配向している膜の形成が可能であった。また圧電特性についても理論値（単結晶で測定された値）が得られ、分極が同一方向に揃っていることが確かめられた。さらに、圧電軸であるｃ軸が圧電膜と垂直であり、上下に電極が形成されている。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｉ）を満たしており、圧電膜５に歪が生じたときに検出されるに充分な電荷が効率よく誘起される。
【００５２】
このように、第１の実施形態により例示された本発明の赤外線検出素子は、上記の条件（Ａ）〜（Ｉ）を満たしている。
【００５３】
このようにして製作された第１の実施形態に係わる赤外線検出素子は、後述する第３の実施形態に示される増幅器と組み合わせ、第４の実施形態に例示する赤外線イメージセンサに応用することにより、赤外線の検出性能をあらわすＮＥＴＤ指数（雑音等価温度差：noise equivalent temperature difference）が０．０７℃と、非常に高精度であることが確認された。
【００５４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係わる赤外線検出素子について説明する。
【００５５】
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる赤外線検出素子１５の平面図である。また、図５は、図４のＡ−Ａ線断面の断面図である。積層体５１及び感熱部７は、第１の実施形態の場合は、片持ち梁構造であったが、第２の実施形態では両持ち梁構造にしたものである。なお、第１の実施形態と同じ役割の部品は同じ番号を付与し、説明する。
【００５６】
図４及び図５に表すように、基板１の上には２ヶ所にアンカー２が形成されている。下部電極４、上部電極６、並びに下部電極４および上部電極６に挟まれた圧電膜５により積層体５１が構成されている。積層体５１の左右端部の接続梁部８部はアンカー２に連結されており、アンカー２により、積層体５１は基板１の上部において間隙５２を有した状態で支持されている。また基板１の上には増幅器１０が形成されており、下部電極４および上部電極６はコンタクト部１２で、増幅器１０からの配線１１と接続されている。なお、この積層体５１の上に赤外線吸収層１３が形成されており、積層体５１と一体となって感熱部７が構成されている。
【００５７】
このように、第２の実施形態では、積層体５１を両持ち梁構造にすることにより、積層体５１を基板１の上部で間隙５２を空けて安定して支持することができる。また、条件（Ａ）〜（Ｉ）を満足することは言うまでもない。
以下、本発明の赤外線検出素子と比較するために、比較例による赤外線検出素子について述べる。
【００５８】
（第１の比較例）
まず、第１の比較例である焦電型の赤外線検出素子を説明する。図６は、第１の比較例の焦電型の赤外線検出素子の各工程における断面図である。
【００５９】
図６（ａ）に表すように、ＭｇＯなどの単結晶基板４１４上に単一配向したチタン酸鉛系の焦電体膜４１１を形成し、リソグラフィーおよびエッチングにより素子形状に加工した。
次に、図６（ｂ）に表すように、第１の樹脂膜４１５、第１の電極４１６、第２の樹脂膜４１７を形成した。
次に、図６（ｃ）に表すように、この焦電体４１１を形成した単結晶基板４１４を樹脂膜を介してアルミナなどを使用したセラミック基板４１３に接着層４２２を使用して接着した。
【００６０】
次に、図６（ｄ）に示すように、単結晶基板４１４を溶解除去した 。
【００６１】
次に、図６（ｅ）に示すように、受光電極を兼ねた第２の電極４１８を形成した。また、セラミック基板４１３には図示しない増幅器４０４が別途取り付けられ、増幅器４０４からの配線４２１と検出素子の第１の電極４１６および第２の電極４１８とを導電性ペースト４１９により接続した。
【００６２】
このようにして製作された第１の比較例の赤外線検出素子は、増幅器が別の基板に設けられているため、ノイズが多く、検出精度が悪かった。また、赤外線検出素子の作製に複雑な貼り合せおよび基板の溶解除去工程を含んでいるため、信頼性および精度が劣り、微細化が困難である。
【００６３】
（第２の比較例）
次に、第２の比較例の赤外線検出素子について説明する。
図１および図２に構造を示す赤外線検出素子において、圧電膜５に用いる材料をＰＺＴ系の圧電膜に変えて作製することを試みた。圧電膜５としてＰｂ（Ｚｒ０．４８Ｔｉ０．５２）Ｏ３、下部電極４および上部電極６としてＰｔ、赤外線吸収膜１３としてＳｉＮ／ＳｉＯ２を用いた積層体を作製した。膜厚は、第１の実施形態の赤外線検出素子の場合と同一である。ただし圧電膜の成膜にはゾルゲル法を使用し、犠牲層選択エッチング処理の前に６００℃３分の結晶化熱処理を行い、さらに分極処理を行った。
【００６４】
このようにして作製された第２の比較例の赤外線検出素子を光学顕微鏡により観察した所、積層体が大きく変形して基板に接触しており、好適な赤外線検出素子を形成できなかった。結晶化熱処理の際に圧電層が大きく収縮して変形したことが原因であった。すなわち第２の比較例においては、条件（Ｃ）としての感熱部と基板の間の断熱が非常に悪いため、赤外線照射により感熱部の温度が上昇せず、他の条件（Ａ）、（Ｂ）および条件（Ｄ）〜（Ｅ）の可否に拘らず、好適な赤外線センサを構成できない。
【００６５】
（第３の比較例）
次に、第３の比較例の赤外線検出素子について説明する。図７は、第３の比較例の赤外線検出素子の断面図である。第２の比較例において圧電膜の変形により赤外線検出素子が好適に形成できなかったため、第３の比較例においては、図７に表すように、ＳｉＮからなる支持層９の上に積層体５１を作製した。支持層９の厚さは５μｍである。支持基板９の他は、全ての構造およびプロセスは第２の比較例と同様である。作成後に光学顕微鏡により観察した所、積層体５１部は大きく上側に変形していたが、基板には接触せず、かろうじて赤外線検出素子を形成できていた。
【００６６】
以上、第２の比較例及び第３の比較例で例示したＰＺＴを圧電膜５として使用した場合は、大きな圧電係数を持っていることが特徴であり、圧電係数や誘電率を測定した結果、圧電係数ｄ31は−６１Ｃ／Ｎと窒化アルミニウムに比較して２０倍大きかった。しかしながら比誘電率εも１５０と大きいため、前述した条件（Ｆ）のｄ31／Ｃ'pεは −０．１４ＣＫｃｍ３／ＮＪとなり、窒化アルミニウムよりも１．５倍にしか大きくはなかった。一方、ＰＺＴのｔａｎδは０．０７であり、窒化アルミニウムよりも１０倍以上大きく、前述した条件（Ｇ）であるｄ31／Ｃ'p（ε・ｔａｎδ)1/2の値が、第１の実施形態の場合よりかなり小さくなった。
【００６７】
このように、第２の比較例及び第３の比較例では、条件（Ｆ）は満たしてはいるものの、条件（Ｇ）は満たさず、また条件（Ｈ）も満たさない。また、第３の比較例では、条件（Ａ）〜（Ｆ）および（Ｉ）については満たしている。しかしながら条件（Ｇ）については上述したように満たさず、また条件（Ｈ）についてもプロセス温度がＣＭＯＳの耐熱温度である５５０℃を超えており満たしていない。
【００６８】
第３の比較例の赤外線吸収素子を、後述する第３の実施形態に示される増幅器と組み合わせ、第４の実施形態に例示する赤外線イメージセンサに応用したところ、赤外線の検出性能をあらわすＮＥＴＤ指数が０．２３℃であり、窒化アルミニウムを圧電膜５とした第１及び第２の実施形態の場合の１／３以下であった。
【００６９】
以上、第１〜第３の比較例で例示したように、比較例の赤外線検出素子では、シリコン基板上でのオンチップ作製が可能で、高感度、高精度、高信頼性を有する赤外線検出素子は実現できなかった。
【００７０】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施形態の赤外線検出素子について説明する。
図８は、第３の実施形態に係わる赤外線検出素子の回路構成を示す回路図である。図８に表すように、第３の実施形態の赤外線検出素子３００において、増幅器３１０は、積層体３０１に接続され、積層体３０１で発生する電荷を電圧に変換する第１のトランジスタ３０３、第１のトランジスタ３０３に接続されている第２のトランジスタ（負荷トランジスタ）３０２、第２のトランジスタ３０２のゲートに電圧を印加する第１の端子３０４、第２のトランジスタ３０２のソースに電圧を印加する第２の端子３０５、及び、第１のトランジスタ３０３のドレインから電圧情報を取り出す第３の端子３０６により構成される。図８に表すように、第３の実施形態の赤外線検出素子３００において、基板上に形成された増幅器３１０が、積層体３０１で発生する電荷情報を電圧情報に変換する回路を有している。
【００７１】
積層体３０１の上部電極６または下部電極４のうちの１つが、前記第１のトランジスタのゲートに接続され、上部電極６または下部電極４のうちの残りの電極が接地され、第１のトランジスタ３０３のドレインは第２のトランジスタ３０２のドレイン及び第３の端子３０６に接続され、第１のトランジスタ３０３のソースは接地されている。第２のトランジスタ３０２のゲートは第１の端子３０４に接続され、第２のトランジスタ３０２のソースは第２の端子３０５に接続され、第２のトランジスタ３０２のドレインは第１のトランジスタ３０３のドレイン及び第３の端子３０６に接続されている。このようにして、本発明の第３の実施形態である赤外線検出素子の増幅器３１０は、ソース接地増幅回路を形成している。
【００７２】
第１の端子３０４及び第２の端子３０５はある一定の電圧になっており、第２のトランジスタ３０２は負荷抵抗として機能するようになっている。このような回路構成により、積層体３０１に発生する電荷は、第１のトランジスタ３０３のゲートに入力され、発生する電荷量に応じた電圧が第３の端子３０６に出力されるようになり、積層体３０１の電荷情報を電圧情報に変換できる。
【００７３】
積層体３０１の電荷情報を電圧情報に変換する際、積層体３０１で発生する電荷は非破壊で電圧情報に変換されるため、変換後に積層体３０１の電荷情報を初期状態に戻す動作を必要としない。
【００７４】
第３の実施形態の赤外線検出素子３００において、例えば、積層体３０１の５ｍＫの温度変化に伴う電荷情報は、第３の端子３０６において０．１Ｖの電圧変化として出力される。
【００７５】
なお、第３の実施形態の赤外線検出素子３００において、積層体３０１の端子（上部電極または下部電極）と第１のトランジスタ３０３のゲートを接続する配線は、積層体３０１で発生する電荷情報を効率よく伝達するために、寄生容量を出来るだけ低減させることが望ましい。
【００７６】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサについて図を用いて説明する。
図９は、本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサの回路構成を示す回路図である。
第４の実施形態では、第３の実施形態の赤外線検出素子３００をｎ×ｍのアレイ状に配置し、入力された赤外線画像情報を電圧情報に変換できるようにしている。
【００７７】
第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサ１００は、ｎ×ｍ個の赤外線イメージセンサ要素（赤外線検出素子）１１０、赤外線イメージセンサ要素１１０の列毎に配置された負荷トランジスタ群１０４＿１、１０４＿２、・・・、１０４＿ｎ、負荷トランジスタ群１０４＿１、１０４＿２、・・・、１０４＿ｎの各ソースに電圧を印加する端子１０１、負荷トランジスタ群１０４＿１、１０４＿２、・・・、１０４＿ｎのゲートに電圧を印加する端子１０２、赤外線イメージセンサ要素１１０の行要素の選択を行う端子群１０３＿１、１０３＿２、・・・、１０３＿ｍ、赤外線イメージセンサ要素１１０の列要素の選択を行うスイッチングトランジスタ群１０６＿１、１０６＿２、・・・、１０６＿ｎ、スイッチングトランジスタ群１０６＿１、１０６＿２、・・・、１０６＿ｎ、の各ゲートに電圧を印加する端子群１０７＿１、１０７＿２、・・・、１０７＿ｎ、各赤外線イメージセンサ要素１１０の電圧信号を出力する映像出力線１０８、バッファーアンプ１０９、および映像出力端子１１１により構成されている。
【００７８】
また、各赤外線イメージセンサ要素１１０には端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃが接続されている。
負荷トランジスタ１０４＿１のドレインは赤外線イメージセンサ要素１１０の（１，１）要素、（２，１）要素、・・・、（ｍ，１）要素の端子Ａに接続され、以下同様に負荷トランジスタ１０４＿２、・・・、１０４＿ｎのドレインは赤外線イメージセンサ要素１１０の各要素の端子Ａにそれぞれ接続されている。また、端子１０３＿１は赤外線イメージセンサ要素１１０の（１，１）要素、（１，２）要素、・・・、（１，ｎ）要素の端子Ｂに接続され、以下同様に端子１０３＿２、・・・、１０３＿ｍは、赤外線イメージセンサ要素１１０の各要素の端子Ｂにそれぞれ接続されている。また、スイッチングトランジスタ１０６＿１のドレインは、赤外線イメージセンサ要素１１０の（１，１）要素、（２，１）要素、・・・、（ｍ，１）要素の端子Ｃに接続され、以下同様にスイッチングトランジスタ１０６＿２、・・・、１０６＿ｎのドレインは、赤外線イメージセンサ要素１１０の各要素の端子Ｃにそれぞれ接続されている。スイッチングトランジスタ１０６＿１のゲートは、端子１０７＿１に接続され、以下同様にスイッチングトランジスタ１０６＿２、・・・、１０６＿ｎは、端子１０７＿２、・・・、１０７＿ｎにそれぞれ接続されている。また、スイッチングトランジスタ１０６＿１、１０６＿２、・・・、１０６＿ｎの各ソースは、映像出力線１０８に接続されている。また、映像出力線は、バッファーアンプ１０９に入力され、バッファーアンプ１０９の出力は映像出力端子１１１に接続されている。端子１０１および端子１０２は、ある一定の電圧になっており、負荷抵抗として機能するようになっている。
【００７９】
以下、赤外線イメージセンサ要素１１０の増幅回路２１０を説明する。
図１０は、第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサ１００における赤外線イメージセンサ要素１１０の回路構成を示す回路図である。
【００８０】
図１０に表すように、増幅回路２１０は、積層体２０１で発生する電荷情報を電圧情報に変換する回路であり、積層体２０１、積層体２０１に接続された第１のトランジスタ２０３、および第１のトランジスタに接続された第２のトランジスタ２０２により構成される。ここで、図１０に表される端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃは、図９に表された各赤外線イメージセンサ要素１１０の端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃにそれぞれ接続される。
【００８１】
本発明の第４の実施形態の赤外線イメージセンサでは、図９および図１０に表された構成にすることにより、図１１に示すような出力信号を得ることができる。すなわち、図９に示された端子１０３＿１、１０３＿２、・・・、１０３＿ｍ、及び端子１０７＿１、１０７＿２、１０７＿ｎのそれぞれ１つの端子にスイッチング信号を入力することで、図１０に示される第２のトランジスタ２０２、及び図９に示されるスイッチングトランジスタ群１０６＿１、１０６＿２、・・・、１０６＿ｎのそれぞれ１つがＯＮ状態となり、ある１つの赤外線イメージセンサ要素１１０の端子Ｃの電圧信号が映像出力線１０８に出力され、バッファーアンプ１０９を介して映像出力端子１１１に出力される。以下同様にして、スイッチング信号を切り替えることにより、全ての赤外線イメージセンサ要素１１０の端子Ｃの電圧信号を映像出力端子１１１に出力することができ、この出力情報を基にして、赤外線イメージセンサ１００に入力された赤外線情報を可視化できるようになる。
【００８２】
なお、図示しないが、赤外線イメージセンサ素子２０１と第１のトランジスタ２０３のゲートを接続する配線等の残留電荷の製造時におけるばらつきを各赤外線イメージセンサ要素１１０で同一とするために、上記配線を接地させるスイッチを上記配線とグラウンド間に形成し、製造後最初の起動時、或いは毎回の起動時に、スイッチを一定の間ＯＮする機構を備えておくことができる。
【００８３】
次に、第４の実施形態の赤外線イメージセンサを応用した赤外線イメージセンサシステムについて説明する。
図１２は、本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサを用いた赤外線イメージセンサシステムの光学系を示す模式図である。赤外線イメージセンサ３１はウインド３３を持つパッケージ３２中に真空封止されている。ウインド３３の前には赤外線を集光するためのレンズ３４、絞り３５、およびチョッパ３６が設置されている。チョッパ３６により赤外線をオン／オフさせることで、赤外線イメージセンサ３１の赤外線検出素子には温度差ΔＴが生じ、それにより起電力ΔＶが生じ、ΔＶを増幅器で読み出すことで赤外線の強さを検出できる。
【００８４】
このような手順で作製した赤外線イメージセンサシステムを使用し、性能を評価したところ、赤外線の検出性能をあらわすＮＥＴＤ指数が０．０７℃と非常に高精度であることが確認された。
【００８５】
ところで、本発明における積層体５１は、赤外線照射に対して比較的大きな起電力を得ることができるが、生じる電荷量は比較的小さい。このため、積層体５１に生じた起電力を読み出すための増幅器１０は積層体５１の近傍に配置して、積層体５１と増幅器１０の間の配線容量や、増幅器１０自身の入力寄生容量を減らすことが有効である。したがって、積層体５１を赤外線イメージセンサ要素としてマトリックス状に配置したとき、各赤外線イメージ要素ごとに増幅器１０を設け、積層体５１で発生する電荷情報を電圧情報に変換した後に、各マトリックスの信号波形を順次読み出すことが有効である。
【００８６】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、基板、下部電極、上部電極、圧電膜、アンカー、増幅器、赤外線吸収膜など、赤外線検出素子及び赤外線イメージセンサを構成する各要素の具体的な寸法関係や材料に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した赤外線検出素子及び赤外線イメージセンサを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうる全ての赤外線検出素子及び赤外線イメージセンサも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる赤外線検出素子の平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係わる赤外線検出素子の部分断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係わる赤外線検出素子の製造工程の各段階における断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係わる赤外線検出素子の平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係わる赤外線検出素子の断面図である。
【図６】比較例１の赤外線検出素子の製造工程の各段階における断面図である。
【図７】比較例３の赤外線検出素子の断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係わる赤外線検出素子の回路構成を示す回路図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサの回路構成を示す回路図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサにおける赤外線イメージセンサ要素の回路構成を示す回路図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサの信号波形のタイミングチャート図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサを用いた赤外線イメージセンサシステムの光学系を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８８】
１ 基板
２ アンカー
３ 犠牲層
４ 下部電極
５ 圧電膜
５１ 積層体
５２ 間隙
６ 上部電極
７ 感熱部
８ 接続梁部
９ 支持層
１０ 増幅器
１１ 配線
１２ コンタクト部
１３ 赤外線吸収層
１４ 赤外線検出素子
３０１ 積層体
３０２ 第２のトランジスタ
３０３ 第１のトランジスタ
３０４ 第１の端子
３０５ 第２の端子
３０６ 第３の端子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線検出素子、特に圧電膜を使用した赤外線検出素子及びそれを用いた赤外線イメージセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
民生用に一般に使用されている赤外線検出素子は、全て非冷却型の赤外線検出素子であり、大別すると焦電型とボロメータ型に大別される。
焦電型赤外線センサにおいては、赤外線検出素子として焦電体と呼ばれる特殊な材料を使用する必要があり、代表的には酸化物の強誘電体であるチタン酸鉛系、あるいはチタン酸バリウム系の材料が使用される。しかしながらこれらの材料は、結晶化温度が高いこと、イオンエッチングが困難であること、酸化物であるために貴金属系の電極材料が必要であることなどから、ＣＭＯＳプロセスで作製した赤外線センサ用のシリコン基板の上に直接作成することが困難であるという問題点がある。
【０００３】
そこでＣＭＯＳのモノリシックプロセスに代わり、プロセスが複雑で高価な、貼り合わせ技術などを使用したハイブリッドプロセスを使用せざるを得ない。
例えば、焦電型赤外線検出素子の例として、基板上に配向性酸化物下地膜を形成し、その上に焦電体と樹脂膜を形成した後、これを別の基板と貼り合わせ、その後に配向性酸化物下地膜を溶解除去する赤外線検出素子の製造方法がある。
【０００４】
ところが、この焦電型赤外線検出素子は、いくつかの問題点があった。
第１の問題点は、検出素子の作製における複雑な貼り合せおよび基板の溶解除去工程が信頼性、精度、微細化、アレイ化する上での大きな障害となることである。
【０００５】
第２の問題点は、赤外線検出素子に接続される増幅器は赤外線検出素子の基板とは別の基板上に設けざるを得ず、赤外線検出素子と増幅器とは配線で接続されることとなる。このため、単一基板上に薄膜工程のみで赤外線検出部と増幅部を一括形成する場合に比較すると、ノイズなどが入りやすく、検出精度が劣化することである。
【０００６】
一方、ボロメータ型赤外線センサは、抵抗素子に赤外線が照射されたときの抵抗の温度係数を利用して検知するものである。抵抗素子としてはサーミスタやＳｉのｐ−ｎダイオードなどが使用可能であり、シリコン基板上にモノリシックに作製することが可能なため、盛んに研究されている。しかしながら、ボロメータ型赤外線センサの最大の問題点は、検出感度の悪さである。抵抗値を読み出すためには抵抗素子にバイアス電流を流し、その結果生じる電圧の温度による変化分を検出する必要があるが、抵抗素子に生じる電圧に含まれるジョンソン雑音を始めとする種々の雑音に対して、赤外線照射による温度変化で生じる電圧変化分が小さいためＳ／Ｎ比が悪く、感度の良い検出が非常に困難である。
【０００７】
また、ボロメータ型や焦電型に代わり、赤外線照射による温度上昇を、熱ひずみを介し圧電体を検出素子として使用した擬似焦電効果型の赤外線検出素子も提案されている（特許文献１）。
特許文献１では圧電膜として、ＰｂＴｅ、ＰｂＳｅ、ＰｂＳ、ＨｇＴｅ、ＨｇＳｅ、Ｈｇ１−ｘＣｄｘＴｅ、ＧａＳｂ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、Ｇｅ、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｍｇ２Ｇｅ、Ｍｇ２Ｓｎ、Ｃａ２Ｓｎ、Ｃａ２Ｐｂ、ＺｎＳｂ、ＺｎＡｓ２、Ｚｎ３Ａｓ２、ＣｄＳｂ、ＣｄＡｓ２、Ｃｄ３Ａｓ２、Ｂｉ２Ｓｅ３、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｓｂ２Ｔｅ３、Ａｓ２Ｓｅ３、Ａｓ２Ｔｅ３、ＰｔＳｂ２、Ｉｎ２Ｓｅ３、Ｉｎ２Ｔｅ３などの化合物半導体を挙げているが、これらの材料はシリコン基板上に成膜した場合、充分な圧電性を持つ単結晶膜ないしは高配向膜を作製するのは容易でない。そして、そのための特別な工夫も開示されていない。また、特に望ましい圧電膜として、狭バンドギャップの半導体であるＨｇＴｅ、Ｈｇ１−ｘＣｄｘＴｅ、ＩｎＳｂ、Ｃｄ３Ａｓ２、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＰｔＳｂ２を挙げているが、バンドギャップが狭いために必然的にリーク電流は非常に多く、室温で読み出すには非常に大きな困難が伴う。また、圧電体と基板間の熱膨張差を利用しており、基板上に圧電体が直接形成されているため、赤外線照射によって受ける熱が容易に基板中に放散され、圧電体の温度が上がらず、得られる起電力は僅かである。
【０００８】
以上のように、従来技術の焦電型、ボロメーター型、及び疑似焦電効果型の赤外線検出素子およびそれを用いた赤外線イメージセンサーは、いずれも問題を持っており、これに対し、多くの試みが行われているが、いずれも一長一短があり、上記の技術を置き換えるまで至らないのが現状である。
【特許文献１】特許第３３１１８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上の状況に基づきなされたものであり、その目的は、複雑な貼り合せ工程が不要な、シリコン基板上にオンチップ作製が可能で、高感度、高精度、高信頼性、高集積化が可能な赤外線検出素子およびそれを用いた赤外線イメージセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、基板と、下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられ膜面に対して略垂直にｃ軸が配向した窒化アルミニウムからなる圧電膜と、を有する積層体と、前記積層体の一部と前記基板とを連結し前記積層体を前記基板の上方に間隙を空けて支持するアンカーと、前記基板上に設けられ、前記下部電極と前記上部電極とに接続された増幅器と、を備えたことを特徴とする赤外線検出素子が提供される。
【００１１】
また、本発明の別の一態様によれば、上記の複数の赤外線検出素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする赤外線イメージセンサが提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、複雑な貼り合せ工程が不要な、シリコン基板上にオンチップ作製が可能で、高感度、高精度、高信頼性、高集積化が可能な赤外線検出素子およびそれを用いた赤外線イメージセンサが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施形態に係わる赤外線検出素子１４の平面図である。また、図２は、第１の実施形態に係わる赤外線検出素子の部分断面図であり、図２（ａ）及び図２（ｂ）は、図１のＡ−Ａ線断面図、及びＢ−Ｂ線断面図である。
【００１５】
図１および図２に表したように、基板１上にアンカー２が形成されている。下部電極４、上部電極６、並びに下部電極４及び上部電極６に挟まれてた圧電膜５により積層体５１が構成されている。積層体５１の端部の接続梁部８はアンカー２に連結されており、積層体５１は基板１の上部において間隙５２を有した状態でアンカー２によって支持されている。また基板１の上には増幅器１０が形成されており、下部電極４および上部電極６は、コンタクト部１２で増幅器１０からの配線１１と接続されている。また、上部電極６の上には赤外線吸収層１３が設けられ、積層体５１と一体となり、感熱部７が構成されている。なお、基板１はシリコンで形成されている。
【００１６】
次に、本発明の第１の実施形態の赤外線検出素子の製造工程について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態に係わる赤外線検出素子の製造工程の各段階における断面図である。
【００１７】
まず、図３（ａ）に表すように、シリコンからなる基板１の上に、既知の方法でＣＭＯＳプロセスにより増幅器１０（図示せず）、配線１１およびアンカー２を作製した。配線１１としては厚さ０．５μｍのアルミニウムを、またアンカー２としては厚さ１μｍの窒化シリコンを使用した。
【００１８】
次に、図３（ｂ）に表すように、基板１上にスパッタ法により、非晶質シリコンからなる犠牲層３を形成し、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法によりアンカー２の先端部が露出するまで平坦化した。さらに配線１１の上方にコンタクト部１２を既知のリソグラフィーおよびエッチングにより形成した。
【００１９】
次に、図３（ｃ）に表すように、厚さ２μｍのアルミニウムからなる下部電極４、厚さ１．２μｍの窒化アルミニウムからなる圧電膜５、厚さ２μｍのアルミニウムからなる上部電極６を、スパッタによる成膜とリソグラフィーおよびエッチングによるパターニングを行うことにより形成し、積層体５１を形成した。さらに厚さ２μｍのポリイミドからなる赤外線吸収層１３をスピンコートにより形成し、感熱部７を作成した。なお、図示していないが、下部電極４の下には厚さ２０ｎｍのアルミニウム−タンタル合金からなる非晶質下地層を形成することにより、下部電極４および上部電極６を［１１１］方位に、また圧電膜５を［０００１］方位に強く配向させた。
【００２０】
次に、図３（ｄ）に表すように、非晶質シリコンからなる犠牲層３を、ＸｅＦ２をエッチャントとする気相エッチング法により選択的にエッチングし、積層体５１を基板１から分離し、赤外線検出素子１４を形成した。
【００２１】
このようにして得られた本発明の第１の実施形態である赤外線検出素子における、下部電極４および上部電極６、および圧電膜５の配向性を、Ｘ線回折ωモードによって測定した。その結果、下部電極４および上部電極６に由来するアルミニウムの［１１１］方位の配向半値幅（ＦＷＨＭ）は０．９°、圧電膜５に由来する窒化アルミニウムの［０００１］方位の配向半値幅は１．１°と非常によく配向していることが確かめられた。
【００２２】
第１の実施形態により例示される本発明の赤外線検出素子は、発明者らの以下の技術検討により見いだされたものである。
【００２３】
すなわち、本発明は、焦電型やボロメータ型の赤外線検出素子に代わり、圧電体を検出素子として使用することにより、赤外線照射による温度上昇を熱ひずみを介して検出する赤外線検出素子の新たな構造とそれに用いられる材料系を見出したものである。
【００２４】
発明者らは、圧電体を検出素子として使用し、赤外線照射による温度上昇を熱ひずみを介して検出する赤外線検出素子において、感度の良い赤外線検出素子を再現性良く作成するための条件を、理論的および実験的に考察した結果、少なくとも以下の条件を満たす必要があることを見出した。
【００２５】
条件（Ａ）：赤外線照射を受けた場合に感熱部の温度が充分上昇するために、赤外線を吸収する層が必要である。ただし独立した赤外線吸収層は必ずしも必要ではなく、電極層や圧電膜などに赤外線が照射され、それらの材料の赤外線吸収率が大きければ、赤外線吸収層を兼ねることも可能である。
【００２６】
条件（Ｂ）：赤外線照射を受けた場合に感熱部の昇温速度が速く、かつ充分上昇するために、圧電膜を含む感熱部の熱容量ができるだけ小さい必要があり、圧電膜を含む感熱部の熱容量が圧電膜の熱容量の１０倍以内、望ましくは５倍以内であることが必要である。
【００２７】
条件（Ｃ）：赤外線照射を受けた場合に感熱部の温度が充分上昇するために、感熱部と基板の間の断熱が充分大きくなるような構造が必要である。
【００２８】
条件（Ｄ）：赤外線照射を受けて感熱部の温度が上昇したときに、圧電膜に充分歪が生じるために、圧電膜は、圧電膜と熱膨張率が異なる第２の材料と接して拘束されており、第２の材料の熱膨張率が圧電膜と５×１０−６／Ｋ以上、望ましくは１０×１０−６／Ｋ以上異なることが必要である。すなわち、第２の材料が、上部電極６および下部電極４である場合、上部電極６および下部電極４の線膨張率と前記圧電膜の線膨張率との差が５×１０−６／Ｋ以上であることが必要である。
【００２９】
条件（Ｅ）：赤外線照射を受けて感熱部の温度が上昇したときに、圧電膜に充分歪が生じて圧電電位が発生するために、圧電膜と圧電膜と接する第２の材料との剛性の比が、０．１以上１０以下、望ましくは０．２以上５以下であることが必要である。すなわち、第２の材料が、上部電極６と下部電極４である場合、上部電極６の厚さをｔTE、上部電極６の膜面内縦弾性率をＥTE、下部電極４の厚さをｔBE、下部電極４の膜面内縦弾性率をＥBE、圧電膜５の厚さをｔP、圧電膜５の膜面内縦弾性率をＥP、としたとき、（ｔTE・ＥTE＋ｔBE・ＥBE）／（ｔP・ＥP） が、０．１以上１０以下、望ましくは０．２以上５以下であることが必要である。
【００３０】
条件（Ｆ）：圧電膜に歪が生じたときに充分な電荷が誘起されるために、（圧電膜の圧電定数／比誘電率）が大きいことが必要である。
【００３１】
条件（Ｇ）：圧電膜に誘起された電荷をＳ／Ｎ比良く読みだすために、規格化検出能が大きいことが必要である。
【００３２】
条件（Ｈ）：赤外線照射により生じた微小な電荷を効率よく読み出すために、圧電膜を有する感熱部が、ＣＭＯＳ素子からなる増幅回路があらかじめ作製されたシリコン基板上に、ＣＭＯＳ素子を壊さないために５５０℃以下の温度で作製されることが必要である。
【００３３】
条件（Ｉ）：圧電膜に歪が生じたときに充分な電荷が誘起されるために、圧電膜の圧電軸が充分に１方向に配向し、かつ分極の極性が揃った良質の結晶の作製が可能であり、かつ圧電膜の圧電軸方向に２枚の電極が設置されていることが必要である。
【００３４】
上記の条件が必要な背景について詳しく説明する。いま、圧電膜が第２の材料と積層されており、面内方向の変形がお互いに拘束されているとする。圧電膜の縦弾性率、線膨張率、膜厚、容積比熱をそれぞれ Ｅp、αp、ｔp、Ｃ'pとし、第２の材料の縦弾性率、線膨張率、膜厚、容積比熱をそれぞれ Ｅm、αm、ｔm、Ｃ'mとし、圧電膜の圧電係数をｄ31、圧電膜の比誘電率をεとした場合、感度Ｆｖは次式で表せる。
【数１】
数式１の右辺の第２項は、圧電膜と、圧電膜および第２の材料からなる感熱部の熱容量の比であり、この比が大きいほど（感熱部と圧電膜の熱容量の比は小さいほど）感度は高くなる。このことから、条件（Ｂ）が導出される。
【００３５】
また、数式１の右辺の第３項の(αm−αp)は、圧電膜と第２の材料の線膨張率の差であり、感度はこの差に比例するからこの差は大きいほど良い。このことから条件（Ｄ）が導出される。
【００３６】
さらに、数式１の右辺の第１項から、感度を最大にするためには、圧電膜の縦弾性率と膜厚の積である縦剛性Ｅpｔpと、第２の材料の縦剛性Ｅmｔmが同程度であることが望ましいことが分かる。具体的には圧電膜と第２の材料の縦剛性の比が少なくても０．１以上１０以下、望ましくは０．２以上５以下であることが必要である。すなわち、第２の材料が、上部電極６と下部電極４である場合、上部電極６の厚さをｔTE、上部電極６の膜面内縦弾性率をＥTE、下部電極４の厚さをｔBE、下部電極４の膜面内縦弾性率をＥBE、圧電膜５の厚さをｔP、圧電膜５の膜面内縦弾性率をＥP、としたとき、（ｔTE・ＥTE＋ｔBE・ＥBE）／（ｔP・ＥP） が、０．１以上１０以下、望ましくは０．２以上５以下であることが必要である。このことから、条件（Ｅ）が導出される。
【００３７】
また、数式１の右辺の第４項から、圧電膜の感度にかかわるのは（ｄ31／Ｃ'pε）であるため、条件（Ｆ）が導出される。
【００３８】
一方、圧電膜に誘起された電荷を外部回路を使用して読み出す時には、Ｓ／Ｎ比が問題になる。ノイズとして最も大きなものは通常ジョンソンノイズといわれているものであり、圧電膜の誘電損失（ｔａｎδ）が関係してる。Ｓ／Ｎ比を考慮した規格化検出能ＦＤは次式で表せる。
【数２】
数式２から条件（Ｇ）が導出される。
【００３９】
さらに、赤外線照射により生じた微小な電荷を効率よく読み出すために条件（Ｈ）が導出され、また、圧電膜に歪が生じたときに充分な電荷が誘起されるために条件（Ｉ）が導出された。
【００４０】
上述した特許文献１に開示された赤外線検出素子は、Ａ、Ｂ、Ｈの条件を満たしておらず、またＥ、Ｇについては具体的な記述がなく、従ってＥとＧの条件を満たす手段が開示されていない。
本発明は、上記の条件（Ａ）〜（Ｉ）を満たすべくなされたものである。
【００４１】
以下、本発明の第１の実施形態が、上述の条件（Ａ）〜（Ｉ）に適合していることを説明する。
条件（Ａ）について述べる。第１の実施形態で例示される赤外線検出素子においては、アルミニウムからなる下部電極４および上部電極６、並びに窒化アルミニウムからなる圧電膜５から構成される積層体５１は、赤外線を吸収し、温度が上昇することができる。さらに、第１の実施形態においては、積層体５１の上にポリイミドからなる赤外線吸収層１３が形成されており、感熱部７は効率的に赤外線を吸収して熱に変換することが可能である。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ａ）を満たしており、感熱部への赤外線照射により、感熱部の温度を充分上昇させることができる。
【００４２】
条件（Ｂ）について述べる。感熱部７は、圧電膜５およびそれを挟む下部電極４及び上部電極６からなる積層体５１、ならびに赤外線吸収層１３から構成されており、これらは、熱容量の大きな基板１等に接していない。第１の実施形態においては、圧電膜５を形成する窒化アルミニウムの比熱が８．０ｃａｌ／ｍｏｌＫ、下部電極４及び上部電極６を形成するアルミニウムの比熱が５．８ｃａｌ／ｍｏｌＫ、赤外線吸収層１３を形成するポリイミドの比熱は組成等にもよるが２ｃａｌ／ｍｏｌＫ程度であり、感熱部７の熱容量は圧電膜５の熱容量の３倍程度に抑制することができている。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｂ）を満たしており、感熱部への赤外線照射により、速い昇温速度で、感熱部の温度を充分上昇させることができる。
【００４３】
条件（Ｃ）について述べる。積層体５１は、それと連結されたアンカー２によって基板１上の空中に支持されている。そして、上記積層体５１の端部が長く細い接続梁部８によって基板上のアンカー２に接続されている。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｃ）を満たしており、基板１への熱伝導を充分小さくすることが可能であり、感熱部への赤外線照射により、感熱部の温度を充分上昇させることができる。
【００４４】
条件（Ｄ）について述べる。感熱部７を構成する圧電膜５が下部電極４及び上部電極６により挟まれており、面内方向の変形が拘束されている。このため、圧電膜５と下部電極４及び上部電極６の熱膨張率の差により熱応力を発生させることが可能である。具体的には、窒化アルミニウムのｃ軸を膜面と垂直に配向させたときに、面内方向の線膨張率は５．２７×１０−６／Ｋであり、下部電極４及び上部電極６として使用したアルミニウムの線膨張率は２３×１０−６／Ｋと大きく異なっており、充分な熱歪みを生じさせることができる。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｄ）を満たしており、感熱部への赤外線照射により、感熱部の圧電膜に充分大きな歪みを発生させることができる。
【００４５】
なお、下部電極４及び上部電極６に用いられる材料としては、アルミニウムに限られることなく、圧電膜５の線膨張率よりも少なくとも５×１０−６／Ｋ以上、望ましくは１０×１０−６／Ｋ以上異なる線膨張率の電極材料を使用することが可能である。例示すると、銅の線膨張率は１６．７×１０−６／Ｋであり、窒化アルミニウムの面内方向の線膨張率５．２７×１０−６／Ｋと線膨張率の差が大きく、銅は電極材料に適している。なお、特許文献１においては、窒化アルミニウム圧電膜をシリコン基板に固定した構成であるが、シリコンの線膨張率は２．５×１０−６／Ｋであり、窒化アルミニウムの線膨張率と近い値である。したがって、特許文献１に記されている構成により大きな熱歪みを誘起することはできない。
【００４６】
条件（Ｅ）について述べる。圧電膜５として使用した窒化アルミニウムのｃ軸に垂直な方向の縦弾性率は３．９５ｘ１０１１Ｐａであり、従って圧電膜５の縦弾性率Ｅp＝３．９５ｘ１０１１Ｐａである。また、アルミニウムの縦弾性率は７．２ｘ１０１０Ｐａであり、従って下部電極４の縦弾性率ＥBEおよび上部電極６の縦弾性率ＥTEは、ともに７．２ｘ１０１０Ｐａである（ポリイミドの弾性率は小さいのでここでは無視する）。また、圧電膜５の厚さｔpは１．２μｍであり、下部電極４の厚さｔBEおよび上部電極６の厚さｔTEはともに２．０μｍである。従って、下部電極４および上部電極６と圧電膜５の縦剛性の比（ｔTE・ＥTE＋ｔBE・ＥBE）／（ｔP・ＥP）は約１．６である。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｅ）を満たしており、熱応力による大きな圧電効果が生じる。
【００４７】
上記の条件（Ｆ）について述べる。第１の実施形態で例示される赤外線検出素子において、実際に読み出し回路を接続したときの感度は、圧電係数ｄ31と体積比熱Ｃ'pおよび比誘電率εの比ｄ31／Ｃ'pεで決まる。第１の実施形態で例示される赤外線検出素子において、圧電膜５を形成する窒化アルミニウムのｃ軸と垂直方向の応力に対する圧電係数ｄ31は−３．１Ｃ／Ｎであり、また、体積比熱Ｃ'p は８．０ｃａｌ／ｍｏｌＫ、比誘電率εは約１０である。従って、ｄ31／Ｃ'pεは、−０．１０ＣＫｃｍ3／ＮＪとなり、大きい値を持つ。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｆ）を満たしており、圧電膜に歪が生じたときに充分な電荷が誘起される。
【００４８】
なお、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子において、窒化アルミニウムの圧電係数ｄ31は−３．１Ｃ／Ｎであり、ＰＺＴ系などの強誘電体材料に比較すると１桁以上小さく、一見赤外線検出素子の圧電膜としては適さないようにみえる。しかしながら、上述したように、実際に読み出し回路を接続したときの感度は、圧電係数ｄ31と体積比熱Ｃ'pおよび比誘電率εの比ｄ31／Ｃ'pεで決まり、窒化アルミニウムの誘電率は約１０と強誘電体に比較すると充分に小さいため、ｄ31／Ｃ'pεを充分大きくできる。
【００４９】
上記の条件（Ｇ）について述べる。数式２で示したように、読み出し時のＳ／Ｎ比を考慮した規格化検出能ＦＤはｄ31／Ｃ'p（ε・ｔａｎδ)1/2で表せる。ここで問題となるのは、上述した検出感度とともに、誘電損失ｔａｎδである。第１の実施形態で例示される赤外線検出素子においては、圧電膜５に用いられる窒化アルミニウムの誘電損失ｔａｎδは非常に小さく、通常は０．００５以下であり、通常の測定では検出感度以下である。したがって規格化検出能ｄ31／Ｃ'p（ε・ｔａｎδ)1/2を、非常に大きくできる。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｇ）を満たしており、Ｓ／Ｎ比が大きくでき、圧電膜に誘起された電荷を感度良く読み出すことが出来る。
【００５０】
上記の条件（Ｈ）について述べる。第１の実施形態で例示される赤外線検出素子においては、圧電膜５を形成する窒化アルミニウムはＣＭＯＳプロセスとの互換性が非常によい。窒化アルミニウム膜は室温ないしは１００℃程度の低温でシリコン基板上に絶縁性の高い膜を容易に形成することが可能で、下部電極４および上部電極６としてＣＭＯＳ互換性が良いアルミニウムなどの酸化しやすい金属を使用することができる。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｈ）を満たしており、ＣＭＯＳ素子からなる増幅回路があらかじめ作製されたシリコン基板上に作製することができ、赤外線照射により生じた微小な電荷を効率よく読み出すことができる。
【００５１】
上記の条件（Ｉ）について述べる。第１の実施形態で例示される赤外線検出素子においては、下部電極４および上部電極６に由来するＡｌの［１１１］方位の配向半値幅（ＦＷＨＭ）は０．９°、圧電膜５に由来するＡｌＮの［０００１］方位の配向半値幅は１．１°と非常によく配向している膜の形成が可能であった。また圧電特性についても理論値（単結晶で測定された値）が得られ、分極が同一方向に揃っていることが確かめられた。さらに、圧電軸であるｃ軸が圧電膜と垂直であり、上下に電極が形成されている。このように、第１の実施形態で例示される赤外線検出素子は条件（Ｉ）を満たしており、圧電膜５に歪が生じたときに検出されるに充分な電荷が効率よく誘起される。
【００５２】
このように、第１の実施形態により例示された本発明の赤外線検出素子は、上記の条件（Ａ）〜（Ｉ）を満たしている。
【００５３】
このようにして製作された第１の実施形態に係わる赤外線検出素子は、後述する第３の実施形態に示される増幅器と組み合わせ、第４の実施形態に例示する赤外線イメージセンサに応用することにより、赤外線の検出性能をあらわすＮＥＴＤ指数（雑音等価温度差：noise equivalent temperature difference）が０．０７℃と、非常に高精度であることが確認された。
【００５４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係わる赤外線検出素子について説明する。
【００５５】
図４は、本発明の第２の実施形態に係わる赤外線検出素子１５の平面図である。また、図５は、図４のＡ−Ａ線断面の断面図である。積層体５１及び感熱部７は、第１の実施形態の場合は、片持ち梁構造であったが、第２の実施形態では両持ち梁構造にしたものである。なお、第１の実施形態と同じ役割の部品は同じ番号を付与し、説明する。
【００５６】
図４及び図５に表すように、基板１の上には２ヶ所にアンカー２が形成されている。下部電極４、上部電極６、並びに下部電極４および上部電極６に挟まれた圧電膜５により積層体５１が構成されている。積層体５１の左右端部の接続梁部８部はアンカー２に連結されており、アンカー２により、積層体５１は基板１の上部において間隙５２を有した状態で支持されている。また基板１の上には増幅器１０が形成されており、下部電極４および上部電極６はコンタクト部１２で、増幅器１０からの配線１１と接続されている。なお、この積層体５１の上に赤外線吸収層１３が形成されており、積層体５１と一体となって感熱部７が構成されている。
【００５７】
このように、第２の実施形態では、積層体５１を両持ち梁構造にすることにより、積層体５１を基板１の上部で間隙５２を空けて安定して支持することができる。また、条件（Ａ）〜（Ｉ）を満足することは言うまでもない。
以下、本発明の赤外線検出素子と比較するために、比較例による赤外線検出素子について述べる。
【００５８】
（第１の比較例）
まず、第１の比較例である焦電型の赤外線検出素子を説明する。図６は、第１の比較例の焦電型の赤外線検出素子の各工程における断面図である。
【００５９】
図６（ａ）に表すように、ＭｇＯなどの単結晶基板４１４上に単一配向したチタン酸鉛系の焦電体膜４１１を形成し、リソグラフィーおよびエッチングにより素子形状に加工した。
次に、図６（ｂ）に表すように、第１の樹脂膜４１５、第１の電極４１６、第２の樹脂膜４１７を形成した。
次に、図６（ｃ）に表すように、この焦電体４１１を形成した単結晶基板４１４を樹脂膜を介してアルミナなどを使用したセラミック基板４１３に接着層４２２を使用して接着した。
【００６０】
次に、図６（ｄ）に示すように、単結晶基板４１４を溶解除去した 。
【００６１】
次に、図６（ｅ）に示すように、受光電極を兼ねた第２の電極４１８を形成した。また、セラミック基板４１３には図示しない増幅器４０４が別途取り付けられ、増幅器４０４からの配線４２１と検出素子の第１の電極４１６および第２の電極４１８とを導電性ペースト４１９により接続した。
【００６２】
このようにして製作された第１の比較例の赤外線検出素子は、増幅器が別の基板に設けられているため、ノイズが多く、検出精度が悪かった。また、赤外線検出素子の作製に複雑な貼り合せおよび基板の溶解除去工程を含んでいるため、信頼性および精度が劣り、微細化が困難である。
【００６３】
（第２の比較例）
次に、第２の比較例の赤外線検出素子について説明する。
図１および図２に構造を示す赤外線検出素子において、圧電膜５に用いる材料をＰＺＴ系の圧電膜に変えて作製することを試みた。圧電膜５としてＰｂ（Ｚｒ０．４８Ｔｉ０．５２）Ｏ３、下部電極４および上部電極６としてＰｔ、赤外線吸収膜１３としてＳｉＮ／ＳｉＯ２を用いた積層体を作製した。膜厚は、第１の実施形態の赤外線検出素子の場合と同一である。ただし圧電膜の成膜にはゾルゲル法を使用し、犠牲層選択エッチング処理の前に６００℃３分の結晶化熱処理を行い、さらに分極処理を行った。
【００６４】
このようにして作製された第２の比較例の赤外線検出素子を光学顕微鏡により観察した所、積層体が大きく変形して基板に接触しており、好適な赤外線検出素子を形成できなかった。結晶化熱処理の際に圧電層が大きく収縮して変形したことが原因であった。すなわち第２の比較例においては、条件（Ｃ）としての感熱部と基板の間の断熱が非常に悪いため、赤外線照射により感熱部の温度が上昇せず、他の条件（Ａ）、（Ｂ）および条件（Ｄ）〜（Ｅ）の可否に拘らず、好適な赤外線センサを構成できない。
【００６５】
（第３の比較例）
次に、第３の比較例の赤外線検出素子について説明する。図７は、第３の比較例の赤外線検出素子の断面図である。第２の比較例において圧電膜の変形により赤外線検出素子が好適に形成できなかったため、第３の比較例においては、図７に表すように、ＳｉＮからなる支持層９の上に積層体５１を作製した。支持層９の厚さは５μｍである。支持基板９の他は、全ての構造およびプロセスは第２の比較例と同様である。作成後に光学顕微鏡により観察した所、積層体５１部は大きく上側に変形していたが、基板には接触せず、かろうじて赤外線検出素子を形成できていた。
【００６６】
以上、第２の比較例及び第３の比較例で例示したＰＺＴを圧電膜５として使用した場合は、大きな圧電係数を持っていることが特徴であり、圧電係数や誘電率を測定した結果、圧電係数ｄ31は−６１Ｃ／Ｎと窒化アルミニウムに比較して２０倍大きかった。しかしながら比誘電率εも１５０と大きいため、前述した条件（Ｆ）のｄ31／Ｃ'pεは −０．１４ＣＫｃｍ３／ＮＪとなり、窒化アルミニウムよりも１．５倍にしか大きくはなかった。一方、ＰＺＴのｔａｎδは０．０７であり、窒化アルミニウムよりも１０倍以上大きく、前述した条件（Ｇ）であるｄ31／Ｃ'p（ε・ｔａｎδ)1/2の値が、第１の実施形態の場合よりかなり小さくなった。
【００６７】
このように、第２の比較例及び第３の比較例では、条件（Ｆ）は満たしてはいるものの、条件（Ｇ）は満たさず、また条件（Ｈ）も満たさない。また、第３の比較例では、条件（Ａ）〜（Ｆ）および（Ｉ）については満たしている。しかしながら条件（Ｇ）については上述したように満たさず、また条件（Ｈ）についてもプロセス温度がＣＭＯＳの耐熱温度である５５０℃を超えており満たしていない。
【００６８】
第３の比較例の赤外線吸収素子を、後述する第３の実施形態に示される増幅器と組み合わせ、第４の実施形態に例示する赤外線イメージセンサに応用したところ、赤外線の検出性能をあらわすＮＥＴＤ指数が０．２３℃であり、窒化アルミニウムを圧電膜５とした第１及び第２の実施形態の場合の１／３以下であった。
【００６９】
以上、第１〜第３の比較例で例示したように、比較例の赤外線検出素子では、シリコン基板上でのオンチップ作製が可能で、高感度、高精度、高信頼性を有する赤外線検出素子は実現できなかった。
【００７０】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施形態の赤外線検出素子について説明する。
図８は、第３の実施形態に係わる赤外線検出素子の回路構成を示す回路図である。図８に表すように、第３の実施形態の赤外線検出素子３００において、増幅器３１０は、積層体３０１に接続され、積層体３０１で発生する電荷を電圧に変換する第１のトランジスタ３０３、第１のトランジスタ３０３に接続されている第２のトランジスタ（負荷トランジスタ）３０２、第２のトランジスタ３０２のゲートに電圧を印加する第１の端子３０４、第２のトランジスタ３０２のソースに電圧を印加する第２の端子３０５、及び、第１のトランジスタ３０３のドレインから電圧情報を取り出す第３の端子３０６により構成される。図８に表すように、第３の実施形態の赤外線検出素子３００において、基板上に形成された増幅器３１０が、積層体３０１で発生する電荷情報を電圧情報に変換する回路を有している。
【００７１】
積層体３０１の上部電極６または下部電極４のうちの１つが、前記第１のトランジスタのゲートに接続され、上部電極６または下部電極４のうちの残りの電極が接地され、第１のトランジスタ３０３のドレインは第２のトランジスタ３０２のドレイン及び第３の端子３０６に接続され、第１のトランジスタ３０３のソースは接地されている。第２のトランジスタ３０２のゲートは第１の端子３０４に接続され、第２のトランジスタ３０２のソースは第２の端子３０５に接続され、第２のトランジスタ３０２のドレインは第１のトランジスタ３０３のドレイン及び第３の端子３０６に接続されている。このようにして、本発明の第３の実施形態である赤外線検出素子の増幅器３１０は、ソース接地増幅回路を形成している。
【００７２】
第１の端子３０４及び第２の端子３０５はある一定の電圧になっており、第２のトランジスタ３０２は負荷抵抗として機能するようになっている。このような回路構成により、積層体３０１に発生する電荷は、第１のトランジスタ３０３のゲートに入力され、発生する電荷量に応じた電圧が第３の端子３０６に出力されるようになり、積層体３０１の電荷情報を電圧情報に変換できる。
【００７３】
積層体３０１の電荷情報を電圧情報に変換する際、積層体３０１で発生する電荷は非破壊で電圧情報に変換されるため、変換後に積層体３０１の電荷情報を初期状態に戻す動作を必要としない。
【００７４】
第３の実施形態の赤外線検出素子３００において、例えば、積層体３０１の５ｍＫの温度変化に伴う電荷情報は、第３の端子３０６において０．１Ｖの電圧変化として出力される。
【００７５】
なお、第３の実施形態の赤外線検出素子３００において、積層体３０１の端子（上部電極または下部電極）と第１のトランジスタ３０３のゲートを接続する配線は、積層体３０１で発生する電荷情報を効率よく伝達するために、寄生容量を出来るだけ低減させることが望ましい。
【００７６】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサについて図を用いて説明する。
図９は、本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサの回路構成を示す回路図である。
第４の実施形態では、第３の実施形態の赤外線検出素子３００をｎ×ｍのアレイ状に配置し、入力された赤外線画像情報を電圧情報に変換できるようにしている。
【００７７】
第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサ１００は、ｎ×ｍ個の赤外線イメージセンサ要素（赤外線検出素子）１１０、赤外線イメージセンサ要素１１０の列毎に配置された負荷トランジスタ群１０４＿１、１０４＿２、・・・、１０４＿ｎ、負荷トランジスタ群１０４＿１、１０４＿２、・・・、１０４＿ｎの各ソースに電圧を印加する端子１０１、負荷トランジスタ群１０４＿１、１０４＿２、・・・、１０４＿ｎのゲートに電圧を印加する端子１０２、赤外線イメージセンサ要素１１０の行要素の選択を行う端子群１０３＿１、１０３＿２、・・・、１０３＿ｍ、赤外線イメージセンサ要素１１０の列要素の選択を行うスイッチングトランジスタ群１０６＿１、１０６＿２、・・・、１０６＿ｎ、スイッチングトランジスタ群１０６＿１、１０６＿２、・・・、１０６＿ｎ、の各ゲートに電圧を印加する端子群１０７＿１、１０７＿２、・・・、１０７＿ｎ、各赤外線イメージセンサ要素１１０の電圧信号を出力する映像出力線１０８、バッファーアンプ１０９、および映像出力端子１１１により構成されている。
【００７８】
また、各赤外線イメージセンサ要素１１０には端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃが接続されている。
負荷トランジスタ１０４＿１のドレインは赤外線イメージセンサ要素１１０の（１，１）要素、（２，１）要素、・・・、（ｍ，１）要素の端子Ａに接続され、以下同様に負荷トランジスタ１０４＿２、・・・、１０４＿ｎのドレインは赤外線イメージセンサ要素１１０の各要素の端子Ａにそれぞれ接続されている。また、端子１０３＿１は赤外線イメージセンサ要素１１０の（１，１）要素、（１，２）要素、・・・、（１，ｎ）要素の端子Ｂに接続され、以下同様に端子１０３＿２、・・・、１０３＿ｍは、赤外線イメージセンサ要素１１０の各要素の端子Ｂにそれぞれ接続されている。また、スイッチングトランジスタ１０６＿１のドレインは、赤外線イメージセンサ要素１１０の（１，１）要素、（２，１）要素、・・・、（ｍ，１）要素の端子Ｃに接続され、以下同様にスイッチングトランジスタ１０６＿２、・・・、１０６＿ｎのドレインは、赤外線イメージセンサ要素１１０の各要素の端子Ｃにそれぞれ接続されている。スイッチングトランジスタ１０６＿１のゲートは、端子１０７＿１に接続され、以下同様にスイッチングトランジスタ１０６＿２、・・・、１０６＿ｎは、端子１０７＿２、・・・、１０７＿ｎにそれぞれ接続されている。また、スイッチングトランジスタ１０６＿１、１０６＿２、・・・、１０６＿ｎの各ソースは、映像出力線１０８に接続されている。また、映像出力線は、バッファーアンプ１０９に入力され、バッファーアンプ１０９の出力は映像出力端子１１１に接続されている。端子１０１および端子１０２は、ある一定の電圧になっており、負荷抵抗として機能するようになっている。
【００７９】
以下、赤外線イメージセンサ要素１１０の増幅回路２１０を説明する。
図１０は、第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサ１００における赤外線イメージセンサ要素１１０の回路構成を示す回路図である。
【００８０】
図１０に表すように、増幅回路２１０は、積層体２０１で発生する電荷情報を電圧情報に変換する回路であり、積層体２０１、積層体２０１に接続された第１のトランジスタ２０３、および第１のトランジスタに接続された第２のトランジスタ２０２により構成される。ここで、図１０に表される端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃは、図９に表された各赤外線イメージセンサ要素１１０の端子Ａ、端子Ｂ、端子Ｃにそれぞれ接続される。
【００８１】
本発明の第４の実施形態の赤外線イメージセンサでは、図９および図１０に表された構成にすることにより、図１１に示すような出力信号を得ることができる。すなわち、図９に示された端子１０３＿１、１０３＿２、・・・、１０３＿ｍ、及び端子１０７＿１、１０７＿２、１０７＿ｎのそれぞれ１つの端子にスイッチング信号を入力することで、図１０に示される第２のトランジスタ２０２、及び図９に示されるスイッチングトランジスタ群１０６＿１、１０６＿２、・・・、１０６＿ｎのそれぞれ１つがＯＮ状態となり、ある１つの赤外線イメージセンサ要素１１０の端子Ｃの電圧信号が映像出力線１０８に出力され、バッファーアンプ１０９を介して映像出力端子１１１に出力される。以下同様にして、スイッチング信号を切り替えることにより、全ての赤外線イメージセンサ要素１１０の端子Ｃの電圧信号を映像出力端子１１１に出力することができ、この出力情報を基にして、赤外線イメージセンサ１００に入力された赤外線情報を可視化できるようになる。
【００８２】
なお、図示しないが、赤外線イメージセンサ素子２０１と第１のトランジスタ２０３のゲートを接続する配線等の残留電荷の製造時におけるばらつきを各赤外線イメージセンサ要素１１０で同一とするために、上記配線を接地させるスイッチを上記配線とグラウンド間に形成し、製造後最初の起動時、或いは毎回の起動時に、スイッチを一定の間ＯＮする機構を備えておくことができる。
【００８３】
次に、第４の実施形態の赤外線イメージセンサを応用した赤外線イメージセンサシステムについて説明する。
図１２は、本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサを用いた赤外線イメージセンサシステムの光学系を示す模式図である。赤外線イメージセンサ３１はウインド３３を持つパッケージ３２中に真空封止されている。ウインド３３の前には赤外線を集光するためのレンズ３４、絞り３５、およびチョッパ３６が設置されている。チョッパ３６により赤外線をオン／オフさせることで、赤外線イメージセンサ３１の赤外線検出素子には温度差ΔＴが生じ、それにより起電力ΔＶが生じ、ΔＶを増幅器で読み出すことで赤外線の強さを検出できる。
【００８４】
このような手順で作製した赤外線イメージセンサシステムを使用し、性能を評価したところ、赤外線の検出性能をあらわすＮＥＴＤ指数が０．０７℃と非常に高精度であることが確認された。
【００８５】
ところで、本発明における積層体５１は、赤外線照射に対して比較的大きな起電力を得ることができるが、生じる電荷量は比較的小さい。このため、積層体５１に生じた起電力を読み出すための増幅器１０は積層体５１の近傍に配置して、積層体５１と増幅器１０の間の配線容量や、増幅器１０自身の入力寄生容量を減らすことが有効である。したがって、積層体５１を赤外線イメージセンサ要素としてマトリックス状に配置したとき、各赤外線イメージ要素ごとに増幅器１０を設け、積層体５１で発生する電荷情報を電圧情報に変換した後に、各マトリックスの信号波形を順次読み出すことが有効である。
【００８６】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、基板、下部電極、上部電極、圧電膜、アンカー、増幅器、赤外線吸収膜など、赤外線検出素子及び赤外線イメージセンサを構成する各要素の具体的な寸法関係や材料に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した赤外線検出素子及び赤外線イメージセンサを基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうる全ての赤外線検出素子及び赤外線イメージセンサも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる赤外線検出素子の平面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係わる赤外線検出素子の部分断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係わる赤外線検出素子の製造工程の各段階における断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係わる赤外線検出素子の平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係わる赤外線検出素子の断面図である。
【図６】比較例１の赤外線検出素子の製造工程の各段階における断面図である。
【図７】比較例３の赤外線検出素子の断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係わる赤外線検出素子の回路構成を示す回路図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサの回路構成を示す回路図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサにおける赤外線イメージセンサ要素の回路構成を示す回路図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサの信号波形のタイミングチャート図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態に係わる赤外線イメージセンサを用いた赤外線イメージセンサシステムの光学系を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８８】
１ 基板
２ アンカー
３ 犠牲層
４ 下部電極
５ 圧電膜
５１ 積層体
５２ 間隙
６ 上部電極
７ 感熱部
８ 接続梁部
９ 支持層
１０ 増幅器
１１ 配線
１２ コンタクト部
１３ 赤外線吸収層
１４ 赤外線検出素子
３０１ 積層体
３０２ 第２のトランジスタ
３０３ 第１のトランジスタ
３０４ 第１の端子
３０５ 第２の端子
３０６ 第３の端子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられ膜面に対して略垂直にｃ軸が配向した窒化アルミニウムからなる圧電膜と、を有する積層体と、
前記積層体の一部と前記基板とを連結し前記積層体を前記基板の上方に間隙を空けて支持するアンカーと、
前記基板上に設けられ、前記下部電極と前記上部電極とに接続された増幅器と、
を備えたことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】
前記圧電膜のｃ軸の配向半値幅は、５°以下であることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記上部電極および前記下部電極の線膨張率と前記圧電膜の線膨張率との差は、５×１０−６／Ｋ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記上部電極の厚さをｔTE、前記上部電極の膜面内縦弾性率をＥTE、前記下部電極の厚さをｔBE、前記下部電極の膜面内縦弾性率をＥBE、前記圧電膜の厚さをｔP、前記圧電膜の膜面内縦弾性率をＥPとしたとき、（ｔTE・ＥTE＋ｔBE・ＥBE）／（ｔP・ＥP） が、０．１以上１０以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
前記積層体は、前記上部電極の上に設けられた赤外線吸収膜をさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
前記積層体は、前記上部電極の上に設けられた第１の赤外線吸収膜と、前記下部電極の下に設けられた第２の赤外線吸収膜と、を有し、
前記第１及び第２の赤外線吸収膜は、実質的に同じ材質からなり且つ実質的に等しい膜厚を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
前記赤外線吸収膜の線膨張率は、前記圧電膜の線膨張率より５×１０−６／Ｋ以上大きいことを特徴とする請求項５または６に記載の赤外線検出素子。
【請求項８】
前記増幅器は、前記積層体において発生する電荷に応じた電圧に変換する回路を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の赤外線検出素子。
【請求項９】
前記増幅器は、
第１のトランジスタと、
第２のトランジスタと、
前記第２のトランジスタのゲートに電圧を印加する第１の端子と、
前記第２のトランジスタのソースに電圧を印加する第２の端子と、
前記第１のトランジスタのドレインから電圧を取り出す第３の端子と、
を有し、
前記上部電極または前記下部電極のいずれか一方は、前記第１のトランジスタのゲートに接続され、
前記上部電極または前記下部電極のいずれか他方は、接地され、
前記第１のトランジスタのドレインは、前記第２のトランジスタのドレインと前記第３の端子とに接続され、
前記第１のトランジスタのソースは接地され、
前記第２のトランジスタのゲートは、前記第１の端子に接続され、
前記第２のトランジスタのソースは、前記第２の端子に接続されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の赤外線検出素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の複数の赤外線検出素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする赤外線イメージセンサ。
【請求項１】
基板と、
下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられ膜面に対して略垂直にｃ軸が配向した窒化アルミニウムからなる圧電膜と、を有する積層体と、
前記積層体の一部と前記基板とを連結し前記積層体を前記基板の上方に間隙を空けて支持するアンカーと、
前記基板上に設けられ、前記下部電極と前記上部電極とに接続された増幅器と、
を備えたことを特徴とする赤外線検出素子。
【請求項２】
前記圧電膜のｃ軸の配向半値幅は、５°以下であることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出素子。
【請求項３】
前記上部電極および前記下部電極の線膨張率と前記圧電膜の線膨張率との差は、５×１０−６／Ｋ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線検出素子。
【請求項４】
前記上部電極の厚さをｔTE、前記上部電極の膜面内縦弾性率をＥTE、前記下部電極の厚さをｔBE、前記下部電極の膜面内縦弾性率をＥBE、前記圧電膜の厚さをｔP、前記圧電膜の膜面内縦弾性率をＥPとしたとき、（ｔTE・ＥTE＋ｔBE・ＥBE）／（ｔP・ＥP） が、０．１以上１０以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の赤外線検出素子。
【請求項５】
前記積層体は、前記上部電極の上に設けられた赤外線吸収膜をさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の赤外線検出素子。
【請求項６】
前記積層体は、前記上部電極の上に設けられた第１の赤外線吸収膜と、前記下部電極の下に設けられた第２の赤外線吸収膜と、を有し、
前記第１及び第２の赤外線吸収膜は、実質的に同じ材質からなり且つ実質的に等しい膜厚を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の赤外線検出素子。
【請求項７】
前記赤外線吸収膜の線膨張率は、前記圧電膜の線膨張率より５×１０−６／Ｋ以上大きいことを特徴とする請求項５または６に記載の赤外線検出素子。
【請求項８】
前記増幅器は、前記積層体において発生する電荷に応じた電圧に変換する回路を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の赤外線検出素子。
【請求項９】
前記増幅器は、
第１のトランジスタと、
第２のトランジスタと、
前記第２のトランジスタのゲートに電圧を印加する第１の端子と、
前記第２のトランジスタのソースに電圧を印加する第２の端子と、
前記第１のトランジスタのドレインから電圧を取り出す第３の端子と、
を有し、
前記上部電極または前記下部電極のいずれか一方は、前記第１のトランジスタのゲートに接続され、
前記上部電極または前記下部電極のいずれか他方は、接地され、
前記第１のトランジスタのドレインは、前記第２のトランジスタのドレインと前記第３の端子とに接続され、
前記第１のトランジスタのソースは接地され、
前記第２のトランジスタのゲートは、前記第１の端子に接続され、
前記第２のトランジスタのソースは、前記第２の端子に接続されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の赤外線検出素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の複数の赤外線検出素子がアレイ状に配置されてなることを特徴とする赤外線イメージセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−６８８６３（Ｐ２００９−６８８６３Ａ）
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３４６９６（Ｐ２００７−２３４６９６）
【出願日】平成１９年９月１０日（２００７．９．１０）
【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２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１０日（２００７．９．１０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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