JP2000353799A - 赤外線検出器及び赤外線検出器アレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 検出感度を損なうことなく、検出部の飽和電
荷量を制御することができる赤外線検出器を提供する。 【解決手段】 表面に光吸収膜８が形成され赤外線が透
過することができる半導体基板７と、光吸収膜８上に絶
縁膜９を介して形成された導電性の反射膜１０とを備え
る赤外線検出器２１に、反射膜１０上に第２の絶縁膜１
６を介して導電膜１５を形成し、光吸収膜８および反射
膜１０で挟まれた絶縁膜９とは別個に、反射膜１０と導
電膜１５とに挟まれる第２の絶縁膜１６からなる新たな
容量部を形成し、検出感度を損なうことなく、全体とし
て検出部の飽和電荷量を制御することができるようにし
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線を光電変換
して検出する赤外線検出器及びこの赤外線検出器を複数
配列した赤外線検出器アレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種赤外線検出器は、例えばアレイ状
に配置され、物体が放射した赤外線を検出する赤外線固
体撮像装置等の検出部として利用され、工業計測、監
視、研究開発等の広い分野で利用される。

【０００３】従来の赤外線検出器３０は、図６に示すよ
うに、赤外線を透過させることができるｐ型シリコン半
導体基板７、光吸収膜８、絶縁膜９、反射膜１０からな
る検出部３０ａと、トランスファーゲート２、垂直シフ
トレジスタ３、ガードリング１１、素子分離酸化膜１
２、Ｐ⁺ストップ層１３、及び層間絶縁膜１４を備える
電荷転送部３０ｂとからなる。

【０００４】この赤外線検出器３０においては、半導体
基板７の裏面から入射した赤外線は、半導体基板７を透
過し、光吸収膜８に到達し光電変換される。光電変換さ
れた赤外線は、信号電荷として赤外線検出器３０の検出
部３０ａに蓄積される。検出部３０ａに蓄積された信号
電荷は、垂直シフトレジスタ３に転送され、垂直方向に
順次転送され、さらに水平方向に転送され水平シフトレ
ジスタ（図示せず）を介して出力アンプ（図示せず）か
ら出力される。

【０００５】このように信号電荷は、検出部３０ａから
垂直シフトレジスタ３、水平シフトレジスタ及び出力ア
ンプに転送されるので、垂直シフトレジスタ３、水平シ
フトレジスタ及び出力アンプが転送することができる最
大の電荷量（飽和電荷量）は、検出部３０ａから取り出
すことができる最大の電荷量よりも大きいことが好まし
く、検出部３０ａ、垂直シフトレジスタ、水平シフトレ
ジスタ及び出力アンプの各飽和電荷量を考慮して赤外線
検出器３０を設計する必要がある。

【０００６】検出部３０ａの飽和電荷量は、検出部３０
ａの静電容量に依存するので、検出部３０ａ静電容量を
調整することで、検出部３０ａの飽和電荷量を制御する
が、検出部３０ａの静電容量は、反射膜１０と光吸収膜
８との間の静電容量Ｃ´、ガードリング１１とＰ⁺チャ
ンネルストップ層１３との間の静電容量Ｃ_c、半導体基
板７とガードリング１１との間の静電容量Ｃ_g及び半導
体基板７の静電容量Ｃ_sの合計であり、赤外線検出器３
０の構造上、設計を変更できるのは、静電容量Ｃ´のみ
であるから、検出部３０ａの飽和電荷量を制御するに
は、絶縁膜９に蓄積される飽和電荷量、即ち静電容量Ｃ
´を変更しなければならない。この静電容量を変更する
手段として反射膜の面積と絶縁膜の膜厚とが挙げられ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、反射膜
は、静電容量Ｃ´の電極の役割を果たすものであるが、
本来、光吸収膜８を透過した赤外線を反射させ再度光吸
収膜８に入射させるものである。したがって、赤外線検
出器３０の検出感度を向上させるために光吸収膜８の直
上を覆うように反射膜１０を形成する必要があって、反
射膜１０を形成する領域を変更すると、赤外線検出器３
０の検出感度が低下するという問題が生ずる。

【０００８】また、絶縁膜９は入射した赤外線を反射膜
１０とＳｉ基板７との間で光学的に共振させるように膜
厚が設定されており、絶縁膜９の膜厚を変更し静電容量
Ｃ´を制御すると、赤外線検出器３０の検出感度が低下
するという問題が生ずる。

【０００９】本発明は上記課題を鑑みてなされたもので
あり、検出感度を損なうことなく、検出部の飽和電荷量
を制御することができる赤外線検出器を提供することを
目的とする。

【００１０】本発明の別の目的は、飽和電荷量を制御す
ることができる赤外線検出器からなる赤外線検出器アレ
イを提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の赤外線検出器
は、赤外線が透過する半導体基板と、上記半導体基板の
赤外線入射側とは反対側の表面に形成され、赤外線を吸
収して光電変換する光吸収膜と、上記光吸収膜を透過し
た赤外線を反射して上記光吸収膜に再度入射させる反射
膜と、上記光吸収膜と上記反射膜との間に形成され、光
電変換された信号電荷を蓄積する絶縁膜とで構成される
赤外線検出部を有し、上記半導体基板の裏面から入射し
た赤外線を上記光吸収膜で光電変換して検出する赤外線
検出器であって、上記反射膜上に形成された第２の絶縁
膜とそれを覆う導電膜とからなる第２の電荷蓄積手段を
設けてなることを特徴とする。このように、反射膜上に
第２絶縁膜と導電膜とを設け、第２の絶縁膜と導電膜で
挟んだ領域を第２の容量部とすることで、絶縁膜の膜厚
及び反射膜の面積を変更することなく容量を変更し、飽
和電荷量を制御することができる。即ち、検出感度を低
下させることなく、赤外線検出器の検出部の飽和電荷量
を制御することができる。

【００１２】本発明の赤外線検出器では、第２の絶縁膜
の膜厚及び／又は導電膜の面積を調整する方法で、容量
部の静電容量を制御して、検出感度を低下させることな
く、赤外線検出器の検出部の飽和電荷量を最適値に設定
することができる。

【００１３】本発明の赤外線検出器では、導電膜に反射
膜としての機能を持たせることができるので、信号電荷
を転送する配線部と反射膜と同じ材料で絶縁膜上に形成
する場合に生ずるマージンを通過する赤外線を反射させ
るように構成することができる。従来の赤外線検出器で
は、配線部と反射膜とを同じ絶縁膜上に形成すると、配
線部と反射膜との間にマージンが必要となり反射膜の面
積が限定されるので、反射膜で光吸収膜の全ての上方を
覆うことはできず、光吸収膜を透過した赤外線を全て反
射させることができないので、検出感度の低下を招いて
いた。しかし、本発明のように赤外線を反射する材料で
導電膜を形成することで、反射膜で反射しきれなかった
赤外線は導電膜で反射され光吸収膜に入射するので、検
出感度を低下させることなく、配線部と反射膜とを同じ
絶縁膜上に形成することができる。このような構造は、
配線部と反射膜とを同じ工程で形成することができるの
で、赤外線検出器の製造を容易にすることができる。

【００１４】また、本発明の赤外線検出器を１次元又は
２次元に配列して赤外線検出器アレイとして用いてもよ
い。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は本発明の赤
外線検出器２１を赤外線固体撮像装置の検出部として用
いた場合の平面図で、各赤外線検出器２１は、赤外線を
検出する検出領域２３、トランスファーゲート２、垂直
シフトレジスタ３及び配線部４を備えている。検出領域
２３において、赤外線は信号電荷に変換され、トランス
ファーゲート２を介して垂直シフトレジスタ３に転送さ
れ、更に、信号電荷は、水平シフトレジスタ５に転送さ
れ、出力アンプ６から出力されるようになっている。

【００１６】各赤外線検出器２１は、図II-II線断面図
である図２及びIII-III線断面図である図３に示すよう
に赤外線を透過させることができるｐ型シリコン半導体
基板７、光吸収膜８、第１絶縁膜９、光反射膜１０から
なる検出部２３と、トランスファーゲート２、垂直シフ
トレジスタ３、ガードリング１１、素子分離酸化膜１
２、Ｐ⁺ストップ層１３、及び層間絶縁膜１４を備える
電荷転送部２４とからなり、半導体基板７上に例えば二
次元に配列され、赤外線検出器アレイとして利用され
る。本発明では上記検出部２３において光反射膜１０上
に第２の絶縁膜１６を形成し、光反射膜１０に対応する
第２の絶縁膜１６上に導電膜１５を形成し、この導電膜
１５を接地して第２の電荷蓄積手段を形成している。

【００１７】光吸収膜８は半導体層７とショットキー接
合をなすように形成された例えばＰｔＳｉ膜とする。光
吸収膜８の端部には、光吸収膜８の周辺部の電界を緩和
するガードリング１１が形成されている。さらに、光吸
収膜８の周囲を電気的に分離するように、半導体基板７
上には素子分離酸化膜１２が形成され、素子酸化分離膜
１２上には、Ｐ⁺ストップ層１３を介して層間絶縁膜１
４が形成されている。

【００１８】素子分離酸化膜１２上には、トランスファ
ーゲート２と垂直シフトレジスタ３とが形成されてい
る。さらに、トランスファーゲート２と垂直シフトレジ
スタ３は、いずれも層間絶縁膜１４で覆われている。ま
た、層間絶縁膜１４には、配線部４が埋め込まれてい
る。

【００１９】絶縁膜９上には、赤外線を反射する金属性
の反射膜１０が形成されている。例えばアルミからなる
反射膜１０は、半導体基板７の裏面から入射し光吸収膜
８を透過した赤外線を反射させ再度光吸収膜８に入射さ
せるものであり、光吸収膜８の直上部を完全に覆うよう
に配置されている。また、絶縁膜９の膜厚は、（赤外線
検出器２１が検出しようとする赤外線の波長）×（絶縁
膜をなす材料の屈折率）×１／４に設定されている。光
吸収膜８と反射膜１０とに挟まれる絶縁膜９の厚さをこ
のように設定することで、光吸収膜８と反射膜１０との
間で赤外線を光学的に共振させ、赤外線検出器２１の検
出感度を向上させることができる。

【００２０】絶縁膜９上には、反射膜１０を覆うように
上部絶縁膜１６が形成され、上部絶縁膜１６上には、光
吸収膜８と対向するように導電膜１５が形成されてい
る。このように、反射膜１０上に上部絶縁膜１６と導電
膜１５とを設け、絶縁膜９及び上部絶縁膜１６とを光吸
収膜８及び導電膜１５で挟んで第２の電荷蓄積手段であ
る容量部を形成したことが、本実施の形態１にかかる赤
外線検出器２１の特徴である。この容量部で電極の役割
を果たす導電膜１５はＧＮＤに接地されている。

【００２１】次に、赤外線検出器２１の動作について説
明する。半導体基板７の裏面から入射した赤外線は、半
導体基板７を透過し光吸収膜８に到達する。また、半導
体基板７を透過しさらに光吸収膜８を透過した赤外線
は、反射膜１０によって反射させ光吸収膜８に再入射す
る。光吸収膜８では赤外線が信号電荷に光電変換され、
赤外線検出器２１の検出領域２３に蓄積され、光吸収膜
８の電位を低下させる。検出領域２３に蓄積された信号
電荷は、トランスファーゲート２を開くことで垂直シフ
トレジスタ３に転送され、垂直方向に順次転送される。
垂直方向に転送された信号電荷は、さらに水平シフトレ
ジスタ（図示せず）を介して出力アンプから出力され
る。また、トランスファーゲート２を開くことで、低下
していた光吸収膜８の電位はリセットされる。

【００２２】赤外線検出器２１の検出領域２３の飽和電
荷量は、検出領域２３の静電容量に依存する。従って、
検出領域２３の静電容量を調整することで、検出領域２
３の飽和電荷量を制御することができる。赤外線検出器
２３の静電容量は、導電膜１５と半導体基板７との間の
静電容量Ｃ、ガードリング１１とＰ⁺チャンネルストッ
プ層１３との間の静電容量Ｃ_c、半導体基板７とＰ⁺チャ
ンネルストップ層１３との間の静電容量Ｃ_g及び半導体
基板７の静電容量Ｃ_sの合計であるが、検出領域２３の
静電容量の大部分は静電容量Ｃであるから、検出領域２
３の飽和電荷量を制御するには、静電容量Ｃを調節すれ
ばよい。

【００２３】反射膜１０がフローティングの場合、静電
容量Ｃは、第１の絶縁膜はそのままで、第２の上部絶縁
膜１６の厚さを変更させることで調節することができ、
検出感度に影響を与えるものではない。

【００２４】また、静電容量Ｃは、導電膜１５の面積を
変化させることで、赤外線検出器２１の検出感度を損な
うことなく静電容量Ｃを制御することもできる。

【００２５】このように、絶縁膜１６の厚さ又は導電膜
１５の面積を変化させることで、静電容量Ｃを変化させ
検出領域２３の容量を制御し、検出領域２３の飽和電荷
量を制御することができる。したがって、従来のように
検出領域の飽和電荷量に対応するように、垂直シフトレ
ジスタ、水平シフトレジスタ及び出力アンプの飽和電荷
量を設定する必要はなく、検出領域２３、垂直シフトレ
ジスタ３、水平シフトレジスタ及び出力アンプの各飽和
電荷量をバランスよく設定することができる。

【００２６】尚、上記図１には赤外線検出器２１を二次
元に配置した赤外線検出器アレイを示したが、本発明は
二次元配列に限定されるものではなく、赤外線検出器２
１を一次元に配置した赤外線検出器アレイであってもよ
い。

【００２７】実施の形態２．次に、図４及び図５を参照
して、本発明の実施の形態２にかかる赤外線検出器２２
について説明する。

【００２８】赤外線検出器２２は、上記実施の形態１で
説明した赤外線検出器２１を変形したものであり、
（１）絶縁膜９間に埋め込まれていた配線部４ａを光反
射膜９と同じ材料で絶縁膜上に形成し、（２）それによ
り生ずる配線部４ａと光反射膜９との間を通過する赤外
線を導電膜１５ｂに反射膜の機能を持たせて反射膜１０
とで、光吸収膜６の直上を全て覆うように配置したこと
が赤外線検出器２１と異なる。尚、赤外線検出器２２で
用いられる半導体基板７、光吸収膜８、絶縁膜９、ガー
ドリング１１、Ｐ⁺ストップ層１３及び層間絶縁膜１４
は、上記実施の形態１と同様である。

【００２９】絶縁膜９上に反射膜１０ａと配線部４ａと
を同じ材料で形成することは、反射膜１０ａを製造する
工程と配線部を製造する工程とを共通にし、赤外線検出
器２２の製造を容易にする反面、反射膜１０ａと配線部
４ａとの間にマージンが必要となり、反射膜１０ａを形
成することができる領域が限定されるので、光吸収膜８
の直上を全て覆うような反射膜１０ａを形成することが
できず、光吸収膜８を透過した赤外線を全て反射膜１０
で反射させ光吸収膜８に入射させることはできない。し
かしながら、本実施の形態２のように、反射膜１０によ
って覆われていない光吸収膜８の直上部に導電膜１５ｂ
を形成することで、反射膜１０ａで反射されることがな
かった赤外線は、導電膜１５ａによって反射され光吸収
膜８に入射するので、赤外線検出器２２の検出感度は低
下することはない。

【００３０】また、光吸収膜８のガードリング１１で挟
まれる部分の直上に位置する第２の絶縁体膜１６ａの膜
厚は、（検出しようとする赤外線の波長）×（絶縁膜を
なす材料の屈折率）×１／２に設定されている。このよ
うにして、光吸収膜８と導電膜１５ａとの間で、導電膜
１５ａで反射された赤外線を光学的に共振させること
で、赤外線検出器２２の検出感度を向上させることがで
きる。

【００３１】上記実施の形態１と同様に、赤外線検出器
２２は、導電膜１５ａの面積を変化させることで、赤外
線検出器２２の検出部２３の容量を制御し、検出部２３
の飽和電荷量を制御することができる。このように、赤
外線検出器２２の検出部２３の飽和電荷量を制御するこ
とで、従来のように検出部２３の飽和電荷量に対応する
ように、垂直シフトレジスタ、水平シフトレジスタ及び
出力アンプの飽和電荷量を設定することが不用になるの
で、赤外線検出器２2を設計する際、検出部２３、垂直
シフトレジスタ３、水平シフトレジスタ及び出力アンプ
の各飽和電荷量をバランスよく設定することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明の赤外線検出器は、反射膜上に第
２の絶縁膜と導電膜とを設け、第２の絶縁膜と導電膜と
で挟んだ領域を新たに容量部として形成することで、第
１の絶縁膜の膜厚及び光反射膜の設計を変更することな
く、赤外線検出器の検出部の容量を変更し、飽和電荷量
を制御することができる。即ち、検出感度を低下させる
ことなく、赤外線検出器の検出部の飽和電荷量を制御す
ることができる。

【００３３】本発明の赤外線検出器において、第２の絶
縁膜の膜厚及び／又は導電膜の面積を調整する方法で、
容量部の静電容量を全体として制御することができる。
したがって、検出感度を低下させることなく、赤外線検
出器の検出部の飽和電荷量を最適値に設定することが容
易である。

【００３４】また、本発明の赤外線検出器においては、
信号電荷を転送する配線部を反射膜と同じ材料で絶縁膜
上に形成して、赤外線を反射する材料で導電膜を形成し
たので、配線部と反射膜との間にマージンが必要とな
り、反射膜で光吸収膜の全ての上方を覆うことはできな
いが、導電膜で反射しきれなかった赤外線を反射して光
吸収膜に入射させることができる。よって、配線部と反
射膜とを同じ工程で同じ絶縁膜上に形成することで、赤
外線検出器を容易に製造しつつ赤外線の検出感度を損な
うことがない。

【００３５】本発明の赤外線検出器を１次元又は２次元
に配列することで、検出感度の優れた赤外線検出器アレ
イを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出器
アレイを示す。

【図２】 本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出器
を示すもので、図１II-II線に沿った断面図を示す。

【図３】 本発明の実施の形態１にかかる赤外線検出器
を示すもので、図１のIII−III線に沿った断面図を示
す。

【図４】 本発明の実施の形態２にかかる赤外線検出器
を示すもので、図１のII−II線に沿った断面図を示す。

【図５】 本発明の実施の形態２にかかる赤外線検出器
を示すもので、図１のIII−III線に沿った断面図を示
す。

【図６】 従来の赤外線検出器の断面図を示す。

【符号の説明】

２ トランスファーゲート、 ４，４ａ 配線部、 ７
半導体基板、 ８光吸収膜、 ９ 絶縁膜、 １０
光反射膜、 １５，１５ａ 導電膜、 １６上部絶縁
膜、 ２１，２２ 赤外線検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M104 AA01 BB22 CC03 EE05 EE08 FF35 GG05 4M118 AA01 AA02 AB01 BA10 CA06 CA17 CB14 FA06 FA26 FA28 FA33 GA02 GA08 GB03 GB06 GB11 GB15 GB17 5F038 AC02 CA05 CD04 CD14 5F049 MA05 MB02 NA16 NB05 QA13 RA03 RA06 SS03 SZ16 SZ20 WA01

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外線が透過する半導体基板と、上記半
   導体基板の赤外線入射側とは反対側の表面に形成され、
   赤外線を吸収して光電変換する光吸収膜と、上記光吸収
   膜を透過した赤外線を反射して上記光吸収膜に再度入射
   させる反射膜と、上記光吸収膜と上記反射膜との間に形
   成され、光電変換された信号電荷を蓄積するための絶縁
   膜とで構成される赤外線検出部を有し、上記半導体基板
   の裏面から入射した赤外線を上記光吸収膜で光電変換し
   て検出する赤外線検出器であって、 上記反射膜上に形成された第２の絶縁膜とそれを覆う導
   電膜とからなる第２の電荷蓄積手段を設けてなることを
   特徴とする赤外線検出器。
2. 【請求項２】 上記第２の電荷蓄積手段の容量をその第
   ２の絶縁膜の膜厚及び／又は導電膜の面積によって調整
   することを特徴とする請求項１記載の赤外線検出器。
3. 【請求項３】 信号電荷を転送する配線部が、上記反射
   膜と同じ材料で上記絶縁膜上に一定のマージンをおいて
   形成され、上記導電膜が、上記半導体基板の裏面から入
   射し、上記反射膜で反射されず、上記マージンを透過す
   る赤外線を反射して上記光吸収膜に入射させるように構
   成されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれ
   か１つに記載の赤外線検出器。
4. 【請求項４】 上記請求項１ないし３のいずれか１つに
   記載の赤外線検出器を１次元又は２次元に配列したこと
   を特徴とする赤外線検出器アレイ。