JP2007225398A - 熱型赤外線検出器および熱型赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】バイポーラトランジスタを利用するセンサ画素の断熱特性を向上させて、高感度な熱型赤外線センサを実現する。
【解決手段】センサ画素（１０２ａ，１０２ｂ）内に、バイポーラトランジスタ（４０２）と、温度依存性を有する定電流源（４０１）とを配置する。定電流源は、バイポーラトランジスタのコレクタ−ベース間に配置される。バイポーラトランジスタ４０２のコレクタおよび定電流源４０１の一方電極が共通の支持脚により、その配線部が保持され、また、バイポーラトランジスタのエミッタ配線が別の支持脚により保持される。したがって、画素部の支持脚を２本に低減することができ、断熱特性が向上する。
【選択図】図４

Description

この発明は、入射赤外線による温度変化を検出する温度センサの構成要素にトランジスタを用いた熱型赤外線検出器およびこれを用いた熱型赤外線センサの構成に関する。

熱を有する物体からは、温度に応じた波長の赤外線が放出される。赤外線の有する波長に依存する熱効果を利用して、センサ素子の温度を上昇させ、その温度上昇によるセンサ素子の電気的性質の変化を検知することにより、赤外線の検知または赤外線放出物質のイメージの検出を行う。このようなセンサに対しては、できるだけ高感度かつ小型化が要求される。

熱型赤外線センサの感度を高くすることを図る構成が、特許文献１（特開平１１−２１８４４２号公報）に示されている。この特許文献１に示される熱型赤外線センサは、赤外線照射により生じた温度変化により電気的な特性が変化し、この特性変化により赤外線を感知する検知部と、この検知部を基板空洞部に保持する支持脚部とで単位検出器（画素）が構成される。単位検出器が、行および列の二次元アレイ状に配設されて画素センサアレイが構成される。この検知部は、バイポーラトランジスタまたはＭＯＳトランジスタ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）で構成される。この単位検出器の検知面上方に、赤外線照射により熱を生じかつ該熱をトランジスタに供給する赤外線吸収体が設けられる。

トランジスタを含む検知部を、基板空洞部に保持することにより、検知部の断熱特性を改善する。また、赤外線吸収体を配置することにより、赤外線の吸収面積を大きくして、感度を高くすることを図る。また、この検知部のトランジスタを、絶縁膜上に形成される単結晶シリコン層に形成することにより、結晶の不完全性に起因するノイズを低減することを図る。また、半導体装置の製造工程で一般的に使用される材料を用いて検知部を形成することにより、赤外線センサの他の回路のトランジスタ素子の製造工程と同様の材料を用いて温度センサ部を形成して、製造工程を簡略化することを図る。

また、赤外線センサとして、赤外線照射により温度が上昇する感熱部をサーミスタに取り付け、この感熱部の温度によりサーミスタの抵抗を変化させて、温度を検出する抵抗ボローメータ型センサがある。このようなサーミスタ抵抗の温度依存性を表現するサーミスタ定数（Ｂ定数）を微細に調整可能とすることにより、温度センサの交換を容易とし、また出力電圧を大きくすることを図る構成が、特許文献２（特開平１１−２８７７１３号公報）に示されている。

この特許文献２に示される構成においては、バイポーラトランジスタを等価的にサーミスタとして考え、このバイポーラトランジスタのベース電位を微調整することにより、サーミスタ定数を調整する。すなわち、温度検知用バイポーラトランジスタは、通常使用時と同様、コレクタ−ベース間電圧が逆方向にバイアスされかつエミッタ−ベース間電圧が順方向にバイアスされるように、ベース電位およびコレクタ電位が設定される。このバイポーラトランジスタのコレクタには、負荷抵抗を介して電源電圧が供給される。安定化電源からの電圧を可変抵抗分圧回路を用いて抵抗分圧して、バイポーラトランジスタのベースに供給する。この可変抵抗分圧回路の抵抗値をバイポーラトランジスタのエミッタ−ベース間電圧が順方向バイアス状態となる条件で微細に調整する。バイポーラトランジスタのエミッタ−ベース間の障壁高さが、コレクタ抵抗をサーミスタと考えた場合のサーミスタ定数に対応することを利用し、エミッタ−ベース間電圧を調整して、所望のサーミスタ定数を得ることを図る。

また、温度検出部（赤外線検出部）にＭＯＳトランジスタを利用する熱型赤外線イメージセンサが、特許文献３（特開２００３−１０１８８０号公報）に示される。この特許文献３に示される構成においては、１つの温度検出器を、複数の直列接続される半導体素子で構成する。これらの複数の半導体素子は、動作電圧が高くリーク電流が小さい１つのＰＮ接合ダイオードと、動作電圧が低くリーク電流の大きいダイオード接続される複数のＭＯＳトランジスタとを含む。この赤外線（温度）検出器が２次元アレイ状に配列されて熱型赤外線イメージセンサが構成される。赤外線検出器の非選択時においては、ＰＮ接合ダイオードにより、リーク電流を低減する。また、複数のダイオード接続されるＭＯＳトランジスタにより、駆動電圧の上昇を抑制しつつ検出器電流の温度依存性を大きくすることにより、感度を高くすることを図る。

また、このようなトランジスタ素子およびダイオード素子の電流の温度依存性を表わす式は、非特許文献１（Ｓ．Ｍ．Sze, "Physics of Semiconductor Devices 2nd Edition", John Willey & amp; Sons. Inc. 1981 （エス、エム、ジー著「半導体デバイスの物理、第２版」、１９８１年）の３１８頁、および４５１頁から第４５２頁）に示されている。
特開平１１−２１８４４２号公報 特開平１１−２８７７１３号公報 特開２００３−１０１８８０号公報 "S.M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices 2nd Edition", John Willey & amp; Sons. Inc. 1981 (Ｓ．Ｍ．Sze著「半導体デバイスの物理」、第２版)、第３１８頁および４５１頁から第４５２頁

熱型赤外線センサにおいては、温度変化を高感度で検出するために、温度検知部（温度センサ）は、基板表面に形成される空洞部（凹部）に支持脚を用いて保持される。温度センサを基板とできるだけ熱的に分離する断熱構造を用いることにより、入射赤外線による温度変化を、正確に温度センサ部において生じさせる。

この支持脚は、一端が基板に連接され、他端が温度センサに結合される。この支持脚は、温度センサ部と信号線との間の配線を配置配線するためにも用いられる。

上述の特許文献１のように、バイポーラトランジスタを、温度検出素子として利用する場合、バイポーラトランジスタは、３端子素子であり、基本的に、各端子に対する配線を配線するため、支持脚として、３本以上が必要とされる。このため、温度センサ部と基板との間の断熱特性が悪くなり、赤外線センサとしての高感度化および画素サイズ縮小が困難であるという問題が生じる。この特許文献１においては、支持脚部に多層金属配線を形成して、各配線をトランジスタ素子の各端子に接続することにより、支持脚を２本または１本に低減する構成が示されている。しかしながら、多層配線構造を実現するために、製造工程数が増大するという問題が生じる。

また、特許文献２に示される構成においては、温度センサとしてバイポーラトランジスタを用いており、その増幅作用により、高感度な温度センサの実現が期待できる。しかしながら、この特許文献２の図６に示されるように、断熱用支持脚の数が３本以上必要とされ、端子数が２つである抵抗ボロメータまたはダイオード方式の温度センサのように支持脚が２本で済む構成に比べ、断熱特性が劣化し、同様、赤外線センサとしての高感度化および画素サイズ縮小が困難であるという問題が生じる。

この特許文献２においては、赤外線イメージセンサとして利用する場合には、画素に電流増幅用のバイポーラトランジスタと画素選択用のＭＯＳトランジスタを設ける構成が示される。ＭＯＳトランジスタをオン状態として選択画素のコレクタをデータ線（水平信号線）に結合してバイポーラトランジスタによりデータ線を駆動する。従って、１画素に２トランジスタが配置される構成となり、画素サイズを低減することができなくなるという問題が生じる。

また、特許文献３に示される構成においては、ダイオード方式の温度センサとして、ダイオード接続されるＭＯＳトランジスタが用いられている。しかしながら、単に、ダイオード素子の直列体を用いているため、十分な電流変化を生じさせるために、数多くのダイオード素子が必要とされ、画素サイズの縮小が困難であるという問題が生じる。また、この検出電流の増幅機能は有していないため、赤外線センサとしての高感度化が困難であるという問題が生じる。

それゆえ、この発明の目的は、高感度かつ小占有面積の熱型赤外線検出器およびこの熱型赤外線検出器を画素として利用する熱型赤外線センサを提供することである。

この発明に係る熱型赤外線検出器は、選択信号線と読出信号線との間に結合され、入射赤外線による温度変化を検出する熱型赤外線検出器であり、制御電極と、読出信号線に接続される第１の電極と、選択信号線に接続される第２の電極とを有するトランジスタ素子と、このトランジスタ素子の制御電極と読出信号線との間に結合され、温度依存性を有する電流を流す電流源を備える。

この発明に係る熱型赤外線センサは、複数の水平駆動線と、複数の垂直駆動線と、これらの水平駆動線および垂直駆動線の各交差部に対応するように、行および列の二次元アレイ状に配列される複数の画素を含む。各画素は、基板上に形成される凹部に配置されて入射赤外線による温度変化を検出するための温度センサと、この温度センサを凹部上に保持する第１および第２の支持脚と、温度センサに熱的に結合される赤外線吸収部とを含む。温度センサは、バイポーラトランジスタ素子と、このバイポーラトランジスタ素子のベースとコレクタとの間に接続され、温度依存性を有する電流を流す電流源を含む。

この画素は、さらに、第１の支持脚に配設され、バイポーラトランジスタ素子のコレクタおよび電流源の第１電極を対応の垂直駆動線に接続する第１の配線と、第２の支持脚に配設され、バイポーラトランジスタのエミッタを対応の水平駆動線に接続する第２の配線とを含む。

この発明に係る熱型赤外線センサは、さらに、複数の水平駆動線に結合され、画素行ごとに画素を選択状態とするバイアス電圧を供給する信号処理回路と、各垂直駆動線と電源との間に結合され、対応の垂直駆動線に対応の列の選択画素の検出電流に応じた電圧変化を生じさせる複数の負荷抵抗素子を備える。

この発明に係る熱型赤外線検知器に従えば、支持脚の数は２本であり、温度センサ部の断熱特性を熱型ボロメータまたはダイオード方式の赤外線センサと同程度に維持することができる。また、温度依存性を有する電流源をバイポーラトランジスタのベースに結合することにより、温度センサ部において、電流変化の増幅機能を持つことが可能となり、温度センサの温度変化係数を大きくすることができ、高感度でかつ占有面積の小さな熱型赤外線検知器を実現することができる。

また、この熱型赤外線検知器を画素として２次元アレイ状に配列することにより、高感度で占有面積の小さな熱型赤外線センサを実現することができる。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１に従う熱型赤外線センサの全体の構成を概略的に示す外観図である。図１において、熱型赤外線センサ１００は、シリコン基板１０１表面に形成され、行および列の二次元アレイ状に配列される複数の画素１０２を含む画素アレイ１０３と、画素行それぞれに対応して配置され、対応の行の画素が接続される複数の水平駆動線（選択信号線）１０４と、画素列それぞれに対応して配置され、各々に対応の列の画素が接続される垂直駆動線（読出信号線）１０５と、水平駆動線１０４を順次所定のシーケンスで選択状態へ駆動する垂直信号処理回路１０６と、垂直駆動線１０５上に読出された画素の検出信号を外部へ出力する水平信号処理回路１０７を含む。

画素１０２は、内部構造は後に詳細に説明するが、温度センサを含み、入射赤外線による温度変化を検出し、検出温度に対応する電気信号を生成する。

垂直信号処理回路１０６が、水平駆動線１０４を順次選択状態へ駆動することにより、画素アレイ１０３において１つの水平駆動線１０４に接続される１行の画素が選択状態（通電状態）とされ、この選択行の画素からの検出電気信号（電流信号）が各対応の垂直駆動線１０５に出力される。

水平信号処理回路１０７は、サンプル／ホールド回路または選択スイッチを含み、垂直駆動線１０５上に現われた画素の検出電気信号（電流信号）を電圧信号に変換し、順次または並列に外部へ出力する。画素アレイ１０３において、複数行および複数列の画素１０２を配列することにより、この画素１０２の検出信号に従って、非測定対象物質から入射される赤外線による温度分布を検出することができ、赤外線イメージセンサなどを実現することができる。

なお、熱型赤外線温度検知器が、画素１０２として用いられており、図１においては、２行３列に配列される画素で構成される画素アレイを一例として示す。しかしながら、画素アレイの画素１０２の行および列の数（水平駆動線および垂直駆動線の数）は、このセンサの適用用途または要求される解像度に応じて適切な数に設定される。

図２は、図１に示す画素１０２の平面レイアウトを概略的に示す図である。図２においては、画素１０２において設けられる赤外線吸収構造は、図面を簡略化するために示していない。この赤外線吸収構造は、温度センサ部に熱的に結合され、入射赤外線を吸収して、吸収赤外線により熱を生成して温度センサ部に伝達する。この赤外線吸収構造を用いることにより、画素の赤外線照射面積を確保し、入射赤外線に応じた熱を生成する。

図２において、画素１０２は、矩形形状の額縁型の分離領域１６０により、その領域が規定される。この分離領域１６０は、図１に示すシリコン基板１０１に連接する層間絶縁膜を含む。

画素１０２は、入射赤外線による温度変化を検出する温度センサ部２０２と、この温度センサ２０２を保持する支持脚２０１ａおよび２０１ｂを含む。この温度センサ部２０２と支持脚２０１ａおよび２０１ｂの間および支持脚２０１ａおよび２０１ｂと分離領域１６０の間にはエッチング孔が形成される。温度センサ部２０２は、その下部に形成される凹部領域（空洞部）表面に、支持脚２０１ａおよび２０１ｂにより、フローティング状態（中空状態）で保持される。

この温度センサ部２０２を中空構造（下部に空洞部が設けられている構造）とすることにより、温度センサ部２０２における温度変化が、図１に示すシリコン基板１０１へ伝達されるのを防止し、温度センサ部２０２の断熱特性を改善する。温度センサ部２０２には、温度を検出する温度センサ２０４が設けられる。

第１の支持脚２０１ａは、Ｌ字形状を有し、分離領域１６０にその一端が連接され、その他端が、温度センサ部２０２に結合される（層間絶縁膜が連接する）。第２の支持脚２０１ｂは、第１の支持脚２０１ａと点対称な数字の７の字形状に形成され、その一端が、分離領域１６０に連接され、その他端が、温度センサ部２０２の第１の支持脚２０１ａが結合する領域と対向する領域に結合される（層間絶縁膜が連接する）。

これらの支持脚２０１ａおよび２０１ｂには、配線１５１ａおよび１５４ｂが設けられ、それぞれ、温度センサ部２０２に含まれる温度センサ２０４を信号線（水平駆動線）１０４ａおよび信号線（垂直駆動線）１０５ｂに結合する。この分離領域１６０上に、図１に示す水平駆動線を形成する信号線１０４ａ、１０４ｂが行延在方向に連続的に延在して配置され、また図１に示す垂直駆動線１０５に対応する信号線１０５ａおよび１０５ｂが、同様、分離領域１６０上を列延在方向に連続的に延在および配設される。信号線１０４ｂおよび１０５aには、それぞれ、隣接行の画素および隣接列の画素が接続される。

この図２に示すように、温度センサ部２０２を中空部に保持する支持脚としては、第１および第２の支持脚２０１ａおよび２０１ｂの２本の支持脚が設けられるだけである。すなわち、温度センサ２０４において、３端子素子が設けられる場合においても、抵抗ボロメータまたはダイオード方式赤外線センサの支持脚の数と同じである。これにより、このシリコン基板１０１（分離領域１６０）と温度センサ部２０２の間の熱伝搬路の数を低減でき、温度センサ部２０２の断熱特性を改善することができる。応じて、画素１０２の感度を高くすることができ、画素サイズを低減することができる。

また、図２に示す平面レイアウトにおいて、第１の支持脚２０１ａおよび第２の支持脚２０１ｂの長さをできるだけ長くすることにより、その熱コンダクタンスを小さくし、シリコン基板１０１（分離領域１６０）と温度センサ部２０２との間の熱伝搬に対する抵抗を大きくし、断熱特性を改善する。

なお、図２に示す平面レイアウトにおいて、図２の横方向の信号線１０４ａおよび１０４ｂが、水平駆動線とし、また縦方向の信号線１０５ａおよび１０５ｂが垂直駆動線に対応するとして説明している。しかしながら、この図２に示す平面レイアウトが９０°回転され、第１の支持脚２０１ａ上の配線１５４ａが垂直駆動線に接続され、また第２の支持脚２０１ｂ上の配線１５４ｂが水平駆動線に結合されてもよい。

図３は、図２に示す線３Ａ−３Ａに沿った断面構造を概略的に示す図である。図３において、この画素１０２の大部分の面積を占めるように、かつ隣接画素間で互いに分離されるように赤外線吸収構造３０１が設けられる。この赤外線吸収構造３０１は、傘型構造を有し、低部に形成される保持部により温度センサ部２０２に保持され、また熱的に結合される。

分離領域１６０、支持脚２０１ａ、温度センサ部２０２、および第２の支持脚２０１ｂは、互いに、エッチング孔１６２を介して分離される。これらの支持脚２０１ａおよび２０１ｂと温度センサ部２０２下部においては、シリコン基板１０１に凹部２０３が形成される。この凹部２０３は中空構造である。したがって、図３に示す画素領域において、支持脚２０１ａおよび２０１ｂと温度センサ部２０２は、凹部２０３の空洞部において浮遊状態で保持される。これらの支持脚２０１ａおよび２０１ｂは、それぞれ図２に示すように、端部において分離領域１６０に連接されて保持され、また、温度センサ部２０２に結合されて温度センサ部２０２を保持する。

この分離領域１６０、支持脚２０１ａおよび２０１ｂ、および温度センサ部２０２には、配線２０５が形成される。分離領域１６０の配線２０５は、たとえば垂直駆動線１０５ａおよび１０５ｂに対応し、支持脚２０１ａおよび２０１ｂにおける配線２０５は、図２に示す信号線１５４ａおよび１５４ｂにそれぞれ対応する。

温度センサ部２０２においては、温度センサ２０４と配線２０５が設けられる。この温度センサ部２０２における配線２０５は、温度センサ２０５を構成する電流源およびバイポーラトランジスタを相互接続するため、および支持脚上の配線と温度センサ内部とを接続するために用いられる。

この図３に示すように、温度センサ部２０２を中空状態に保持することにより、温度センサ部２０２とシリコン基板１０１とをできるだけ熱的に分離することができ、その断熱特性を改善することができる。また、赤外線吸収構造３０１を設けることにより、入射赤外線に応じた温度変化をこの赤外線吸収構造３０１に生じさせ、その赤外線吸収構造３０１の形成する熱を、温度センサ部２０２の温度センサ２０４へ伝達する。大きな面積を有する赤外線救急構造３０１を温度センサ２０４に熱的に結合することにより、温度センサ部２０２のレイアウト面積が小さい場合においても、画素の赤外線吸収領域の面積は十分に大きくすることができ、入射赤外線に応じた温度変化を、温度センサ２０４で高感度で検出することが可能となる。

図４は、図１に示す画素１０２および水平信号処理回路１０７の電気的回路構成を示す図である。図４においては、１つの垂直駆動線１０５に結合される２つの画素１０２ａおよび１０２ｂを代表的に示す。画素１０２ａは、垂直駆動線１０５と水平駆動線１０４ａの間に結合され、画素１０２ｂが垂直駆動線１０５と水平駆動線１０４ｂの間に結合される。画素１０２ａおよび１０２ｂは、それぞれ温度依存性を有する定電流源４０１と、この定電流源４０１によりベース電流を供給され、導通時、垂直駆動線１０５から水平駆動線１０４（１０４ａまたは１０４ｂ）へ電流を流すｎｐｎバイポーラトランジスタ４０２を含む。定電流源４０１およびバイポーラトランジスタ４０２が温度センサ２０４を構成する。

バイポーラトランジスタ４０２は、コレクタが垂直駆動線１０５に結合され、エミッタが対応の水平駆動線１０４（１０４ａまたは１０４ｂ）に結合される。定電流源４０１は、バイポーラトランジスタ４０２のコレクタとベースの間に結合される。

定電流源４０１は、たとえばダイオード接続されるＭＯＳトランジスタ（絶縁ゲート型電界効果トランジスタ）を用いて形成される。この定電流源４０１が流す電流は、定電流源４０１を構成する素子の温度特性に応じて異なる。１列の画素の定電流源４０１の一方の電極およびバイポーラトランジスタのコレクタが、共通に垂直駆動線１０５に接続される。

水平信号処理回路１０７は、垂直駆動線１０５それぞれに対応して設けられる負荷抵抗素子４０３を含む。この負荷抵抗素子４０３は、その一端が電源線４０４に結合され、他端が対応の垂直駆動線１０５に結合される。この垂直駆動線１０５と負荷抵抗素子４０３の接続部から、出力ＯＵＴが出力される。この負荷抵抗素子４０３により、選択画素のバイポーラトランジスタを介して流れる電流に応じた電圧降下を生成して、出力ＯＵＴとして電圧信号を生成する。

水平駆動線１０４ａおよび１０４ｂには、それぞれ、１行の画素１０２が結合される。したがって、１行の画素１０２による検出結果を示す電気信号が、各対応の垂直駆動線１０５に生成され、１行の画素からの出力ＯＵＴが水平信号処理回路１０７により、サンプル／ホールド回路を介してまたは順次選択ゲートにより選択されて外部へ出力される。

次に、これらの図１から図４に示す熱型赤外線センサの赤外線検出原理について説明する。図１に示す熱型赤外線センサ１００の撮像対象となる被写体は、その熱により、温度に応じた波長の赤外線を放出する。図１に示す画素アレイ１０３に、この被写体からの赤外線が入射すると、図３に示す赤外線吸収構造３０１により入射赤外線が吸収され、この赤外線の熱効果により温度が上昇する。この赤外線吸収構造３０１と温度センサ部２０２が熱的に結合されており、この温度センサ部２０２の温度も応じて上昇する。温度センサ部の温度に応じて、定電流源４０１の電気的特性が変化し、応じて定電流源４０１が流す電流が変化する。

この定電流４０１の流す電流の温度変化をバイポーラトランジスタ４０２で増幅する。選択状態の画素（図４で画素１０２ｂ）に対しては、対応の水平駆動線１０４ｂがＬレベルに設定され、一方、非選択状態の画素１０２ａは、対応の水平駆動線１０４ａが電源電圧レベルのＨレベルに設定される。バイポーラトランジスタ４０２のベース−エミッタ間接合が、画素１０２の通電（導通；オン／オフ状態）制御スイッチとして機能する。すなわち、画素を選択状態として、画素に通電を行なう場合、対応の水平駆動線（１０４）の電位を接地電圧レベルのＬレベルとし、非選択行に対する水平駆動線は電源電圧レベルのＨレベルに維持する。これにより、選択画素のバイポーラトランジスタのベース−エミッタ間接合が順方向にバイアスされて、バイポーラトランジスタ４０２は飽和領域で動作する。一方、非選択画素のバイポーラトランジスタのベース−エミッタ間接合は、逆方向にバイアスされ、バイポーラトランジスタ４０２は遮断領域であり、電流を流す経路は遮断される。したがって、非選択状態の画素１０２ａにおいては、バイポーラトランジスタ４０２が遮断状態に維持され、垂直駆動線１０５から対応の水平駆動線１０４ａへは電流は流れない。

一方、選択状態の画素１０２ｂにおいては、対応の水平駆動線１０４ｂがＬレベル（たとえば接地電圧レベル）であり、バイポーラトランジスタ４０２が導通する。したがって、定電流源４０１が供給するベース電流の温度変化が、この導通状態のバイポーラトランジスタ４０２により増幅され、垂直駆動線１０５から対応の水平駆動線１０４ｂに電流が流れる電流も変化する。

垂直駆動線１０５には、負荷抵抗素子４０３が結合されており、したがって、選択状態の画素１０２ｂを流れる電流に応じた電圧変化が、出力ＯＵＴに生じる。この負荷抵抗素子４０３により、バイポーラトランジスタ４０２の駆動する電流が電圧信号に変換されて出力電圧ＯＵＴが生成されて、入射赤外線が検出される。

これらの水平駆動線１０４ａおよび１０４ｂは、図１に示す垂直信号処理回路１０６により駆動される。垂直信号処理回路１０６は、たとえばシフトレジスタで構成され、たとえば水平駆動クロック信号に従って順次、水平駆動線をＬレベルの選択状態へ駆動する。水平信号処理回路１０７において各垂直駆動線において生じた出力電圧ＯＵＴを所定にシーケンスで選択することにより、各画素の温度に応じた大きさの電圧信号列を生成することができる。

この図４に示すように、温度センサ２０４において、定電流源４０１の供給電流をベース電流として利用して、バイポーラトランジスタ４０２で増幅することにより、検出感度を高くすることができる。また、シリコン基板１０１と温度センサ部２０２とは、支持脚２０１（２０１ａ，２０１ｂ）により断熱されている。したがって、支持脚２０１（２０１ａ，２０１ｂ）の熱コンダクタンスが小さいほど、温度センサ部２０２からシリコン基板１０１への熱伝搬は低減することができ、応じて、温度センサ部２０２における温度変化を大きくすることができる。これにより、温度センサ部２０２の温度感度を高くすることができ、画素サイズを低減することができる。

次に、この図４に示す回路構成において、出力電圧ＯＵＴの温度変化係数を具体的に算出する。今、計算のために、図４に示される回路を、図５に示す回路で表現する。図５においては、画素が選択状態にあり、バイポーラトランジスタ４０２のエミッタが接続する水平駆動線は、接地電圧レベルに維持される。バイポーラトランジスタ４０２のコレクタおよび定電流源４０１の一方電極が、垂直駆動線１０５を介して負荷抵抗素子４０３に結合される。

負荷抵抗素子４０３は、抵抗値Ｒｌを有し、電流Ｉｃを流す。定電流源４０１は、ゲートおよびドレインが垂直駆動線に接続されるダイオード接続されたＮチャネルＭＯＳトランジスタ４１５で構成され、バイポーラトランジスタ４０２のコレクタからベースに順方向に飽和電流Ｉｏを供給する。この定電流源４０１から、バイポーラトランジスタ４０２へ、ベース電流Ｉｂが供給される。バイポーラトランジスタ４０２は、エミッタ接地電流利得ｈｆｅを有し、コレクタ電流として、ｈｆｅ・Ｉｂの電流を流し、エミッタ電流Ｉｅを放電する。このバイポーラトランジスタ４０２のコレクタから、負荷抵抗素子４０３により、出力電圧Ｖｏｕｔが、検出結果出力（ＯＵＴ）として出力される。なお、電源線４０４には、電源電圧Ｖｄｄが与えられる。

この図５に示す表記を用いる場合、次式が成立する。

これらの式（１）から（３）を出力電圧Ｖｏｕｔについて解くと、次式（４）が得られ、この出力電圧Ｖｏｕｔを温度Ｔで微分すると、さらに、式（５）が得られる。

ここで、負荷抵抗素子４０３の抵抗値Ｒｌおよびバイポーラトランジスタ４０２のエミッタ接地電流増幅利得ｈｆｅの温度依存性は、定電流源４０１の流す電流Ｉｏの温度依存性に比べて十分小さく、無視することができると考える。

定電流源４０１は、本実施の形態１においてはダイオード接続されるＭＯＳトランジスタで構成され、定電流源４０１の供給する電流Ｉｏは、ＭＯＳトランジスタの飽和電流であり、次式（６）で表わされる。

ここで、βおよびＶｔｈは、それぞれ、ＭＯＳトランジスタ４１５の利得係数およびしきい値電圧を表わす。この利得係数βおよびしきい値電圧Ｖｔｈは、温度依存性を有しており、したがって式（６）を温度Ｔで微分すると、次式（７）が得られる。

ここで、前述の非特許文献１のSze著の「半導体デバイスの物理、第２版」（英語版）の第４５１頁から第４５２頁によると、ＭＯＳトランジスタの利得係数βおよびしきい値電圧Ｖｔｈの代表的な温度依存性は、次式（８）および（９）で表わされる。したがってこれらの式（８）および（９）を利用すると、上式（７）は、以下の式（１０）に変形することができる。

なお、式（９）においてしきい値電圧Ｖｔｈの温度変化は、１ケルビン温度Ｋあたりの変化ミリボルト（ｍＶ）を示す。

たとえば、実現容易な値としてＴ＝３００Ｋ、Ｖｔｈ＝−０．０５Ｖ、Ｒｌ＝２５０ｋΩ、Ｉｏ＝１μＡおよびｈｆｅ＝１０とすると、定電流源４０１の供給する電流Ｉｏの温度変化は、次式（１１）で示され、式（５）に式（１１）を代入すると、以下の式（１２）に表わされる出力電圧Ｖｏｕｔの温度変化係数が得られる。

すなわち、式（１２）に示されるように、出力電圧Ｖｏｕｔの１ケルビン温度Ｋあたりの、変化電圧量は、−２００ミリボルト（ｍＶ）である。代表的な他の方式のセンサとして抵抗ボロメータ型センサでは、抵抗温度変化係数が約２％／Ｋ、バイアス電圧３Ｖ程度である。したがって、出力電圧の温度変化係数は、６０ｍＶ／Ｋ程度である。また、ダイオードの順方向電圧の温度依存性を用いるダイオード方式のセンサでは、ダイオードの８個直列接続構成において、その出力電圧の温度変化係数が１０ｍＶ／Ｋ程度である。したがって、上式（１２）に示されるように、本実施の形態１に従う温度センサは、従来方式の温度センサよりも３倍以上の大きな温度変化係数を持つことがわかる。

また、この実施の形態１に従う赤外線検知器（画素）の構成では、断熱用支持脚の本数は、抵抗ボロメータまたはダイオード方式のセンサと同じ２本で済む。したがって、支持脚の断熱特性が良好であり、トランジスタ方式の利点である高温度変化係数を充分有効に活用できる熱型赤外線センサを実現することができる。

次に、定電流源４０１を流れる電流Ｉｏと負荷抵抗素子４０３の抵抗値Ｒｌの望ましい値について説明する。

出力電圧Ｖｏｕｔは、電源電圧Ｖｄｄから、負荷抵抗素子４０３における電圧降下を減算した値となる。したがって、この出力振幅を最大に取るためには、出力電圧Ｖｏｕｔは、電源電圧Ｖｄｄの１／２倍程度にするのが望ましい。電源電圧Ｖｄｄは、一般的に、数Ｖのオーダであり、たとえば５Ｖとする。その場合出力電圧Ｖｏｕｔの望ましい値は、２．５Ｖであり、次式（１３）が成立する。

よって、Ｉｏ・Ｒｌ〜０．２５となる。したがって、本実施の形態１においては、Ｒｌ＝２５０ｋΩ、Ｉｏ＝１μＡに設定した。

図６（Ａ）−図６（Ｂ）は、この発明の実施の形態１に従う熱型赤外線センサの製造工程を示す断面図である。図６においては、１つの画素１０２に対応する部分の断面構造を示す。

まず、図６（Ａ）に示すように、画素形成用の基板６００として、シリコン基板１０１の上にシリコン酸化膜層６０１、およびシリコン単結晶層６０２が順次堆積された、いわゆるＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）基板を準備する。このシリコン基板１０１が、赤外線センサの支持基板として機能する。

次いで、図６（Ｂ）に示すように、周知の選択酸化分離法またはトレンチ分離法を用いて、所定の位置に分離酸化膜６０３を形成する。この分離酸化膜６０３の形成により、画素および信号処理回路等の周辺回路の温度センサを構成するトランジスタを形成する単結晶シリコン層６０２の領域が規定される。

次いで、図６（Ｃ）に示すように、単結晶シリコン層６０２に、図１に示す信号処理回路１０６，１０７（図６（Ｃ）には示さず）および画素アレイ１０３（図１参照）を形成する領域の単結晶シリコン層６０２に、ダイオードおよびトランジスタ等を周知の写真製版およびエッチング法およびイオン注入法を用いて形成する。これにより、画素領域に対応する単結晶シリコン層６０２において、温度センサ２０４が形成される。

次いで、図６（Ｄ）に示すように、この赤外線センサ全面に絶縁膜６０４を堆積する。
次いで、図６（Ｅ）に示すように、この絶縁膜６０４上に配線層を成膜した後に、写真製版およびエッチング法を用いて、配線層のパターニングを行なって、所定形状（パターン）の配線２０５を形成する。ここで、図６（Ｅ）においては、配線２０５が絶縁膜６０４内に埋め込まれるように形成されているように示す。しかしながら、絶縁膜６０４上全面に配線材料を堆積して、この配線材料をパターニングした後、再度、配線２０５上に保護膜として絶縁膜が堆積される。これにより、凹部形成時のエッチングに対する保護膜および温度センサ支持脚が形成される（温度センサ２０４周辺の絶縁膜は、他の領域の配線に対する絶縁膜と連続的に形成されている）。

次いで、図６（Ｆ）に示すように、絶縁膜６０４の所定の位置にエッチング孔１６２を開口し、支持脚２０１（２０１ａ，２０１ｂ）を形成する。この開口部（エッチング孔）１６２により、図６（Ｆ）に示す断面部分において、温度センサ部２０２を覆う絶縁膜と支持脚２０１（２０１ａ，２０１ｂ）を形成する絶縁膜が分離される（各支持脚両端は、それぞれ分離領域および温度センサ部に連接している）。

次いで、図６（Ｆ）に示すように、たとえばシリコンからなる犠牲層６０５を堆積する。この犠牲層６０５は、支持脚形成のために設けられたエッチング孔１６２を充填し、また、センサ部２０２および支持脚２０１を覆うように形成される。

次いで、この犠牲層６０５の温度センサ部上部の所定領域にエッチング孔を設けた後、赤外線吸収構造３０１を形成する。この赤外線吸収構造３０１は、赤外線吸収により熱を生じる材料であれば良く、アルミニウムなどの金属、シリコン絶縁膜または金属シリサイドなどの材料を利用することができる。

次いで、図６（Ｇ）に示すように、たとえばフッ化キセノンなどのエッチャントを導入して犠牲層６０５を除去し、シリコン基板１０１の内部に中空の凹部２０３を形成する。このエッチング時において、犠牲層６０５のエッチング後、続いてエッチャントが図６（Ｆ）に示すエッチング孔１６２を介してシリコン基板１０１に供給され、シリコン基板１０１のエッチングが行なわれる。赤外線吸収構造３０１、温度センサ部２０２の温度センサおよび配線２０５は、絶縁膜により保護されており、この中空構造形成に使用されるエッチャントからは保護される。

これらの一連の工程により、絶縁膜からなる支持脚２０１ａおよび２０１ｂにより支持され、温度センサ部２０２および赤外線吸収構造３０１が中空に浮いた熱型赤外線センサを構成する画素（熱型赤外線検知器）１０２が完成する。

なお、この温度センサ部２０２の温度センサ２０４のバイポーラトランジスタ形成時、単結晶シリコン層内においてベース領域の両側にエミッタおよびコレクタ層が形成されるラテラルバイポーラトランジスタ構造が用いられればよい。また、定電流源のＭＯＳトランジスタは、周知のＳＯＩ構造ＭＯＳトランジスタと同様の構成を備え、単結晶シリコン層を基板領域（チャネル形成領域）として用いて、ソースおよびドレイン領域がイオン注入により形成されればよい。

この温度センサ部２０２の温度センサ２０４としては、絶縁膜（６０１）上にＣＶＤ（化学気相成長法）などで形成されたポリシリコンまたはアモルファスシリコン層に、電流源およびトランジスタを形成することは可能である。しかしながら、これらの材料を用いた場合、結晶粒界および／またはバンドギャップ準位に起因する雑音が大きく、画素間の特性のばらつきが大きいという問題が生じる。この図６（Ｃ）に示すように、絶縁膜上に形成された単結晶シリコン層に電流源およびトランジスタを形成することにより、結晶欠陥に起因するノイズを小さくすることができ、電流源およびトランジスタが発生する雑音を小さくすることができ、また、画素間の特性ばらつきを小さくすることができる。すなわち、ＳＯＩ層６００に、バイポーラトランジスタおよび電流源を形成することにより、Ｓ／Ｎ（信号／ノイズ）比を大きくすることができ、また画素間の特性ばらつきの小さな熱型赤外線センサを提供することができる。また、周辺回路の信号処理回路のトランジスタもこの単結晶シリコン層に形成され、安定に動作させることができる。

以上のように、この発明の実施の形態１に従えば、熱型赤外線検知器（画素）を、温度依存性を有する電流源がコレクタとベースの間に接続されたバイポーラトランジスタで実現しており、温度センサ部を保持する支持脚の断熱特性を抵抗ボロメータおよびダイオード方式のセンサと同程度にすることができる。また、このバイポーラトランジスタの信号増幅機能により、温度センサの電流／電圧の温度変化係数を抵抗ボロメータおよびダイオード方式のセンサに比べて大きくすることができ、高感度な熱型赤外線センサおよび赤外線検知器を実現することができる。

［実施の形態２］
図７は、この実施の形態２に従う画素（熱型赤外線検知器）１０２の選択状態時の電気的回路構成を示す図である。この発明の実施の形態２に従う熱型赤外線センサの全体の外観は、先の実施の形態１と同様である。この図７に示す画素１０２は、以下の点で、実施の形態１において用いられる図５に示される画素１０２とその構成が異なる。すなわち、温度依存性を有する電流源４０１として、逆方向飽和電流を供給するＰＮ接合ダイオード４２０を、バイポーラトランジスタ４０２のコレクタとベースの間に接続する。この図７に示す画素１０２の他の構成は、図５に示す画素１０２の構成と同じであり、対応する部分は同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。

また、この発明の実施の形態２に示される熱型赤外線検知器を画素として利用する熱型赤外線センサの製造方法は、実施の形態１の場合と同様である。温度センサ部において、ダイオード接続されるＭＯＳトランジスタに代えて、バイポーラトランジスタのコレクタ−ベース間に逆方向に接続されるＰＮ接合ダイオードが形成される点が異なるだけである。

この発明の実施の形態２においても、熱型赤外線センサの赤外線検出原理は、実施の形態１の場合と同じである。以下においては、この図７に示される出力電圧Ｖｏｕｔの温度変化係数を具体的に算出する。この定電流源４０１としては、逆方向に接続されるＰＮ接合ダイオード４２０が用いられている。したがって、先の実施の形態１において示した式（１）から式（５）で表わす関係を、そのまま用いることができる。

定電流源４０１のＰＮ接合ダイオード４２０の逆方向飽和電流Ｉｏは、次式で表わされる。

ここで、Ａは定数、Ｓは、接合面積、Ｅｇは、シリコンのバンドギャップエネルギ（１．１２ｅＶ）である。ｋは、ボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度である。

逆方向飽和電流Ｉｏが、定電流源４０１の供給電流として用いられるため、その電流値は、実施の形態１に比べて小さくなる。従って、バイポーラトランジスタ４０２のエミッタ接地電流利得ｈｆｅは、大きな値に設定する。ここで、仮に、Ｉｏ＝５０ｍＡ、ｈｆｅ＝１００に設定する。ｈｆｅ＝１００は、通常のシリコンＬＳＩ（大規模集積回路）プロセスを用いれば、容易に実現することができる。

出力電圧Ｖｏｕｔは、中央値を２．５Ｖに設定すると、前述の式（１３）から、負荷抵抗素子４０３の抵抗値Ｒｌは、約５００ｋΩと求められる。これらの値を用いることにより、前述の式（１４）を、両辺を温度Ｔで微分した後、各値を代入することにより、次式を得ることができる。

前述の実施の形態１において用いた比較対象と同様、代表的な他の方式のセンサとして酸化バナジウムボロメータを用いたセンサでは、抵抗温度変化係数が、約２％／Ｋ、バイアス電圧が３Ｖ程度であり、その出力電圧の温度変化係数は、６０ｍＶ／Ｋ程度である。また、ダイオードの順方向電圧の温度依存性を用いたセンサでは、ダイオードの８個直列接続構成において、出力電圧の温度変化係数が１０ｍＶ／Ｋ程度である。したがって、本実施の形態２に従う温度センサは、従来よりも６倍以上の温度変化係数を持つことがわかる。

従って、この実施の形態２に従う温度センサにおいても、実施の形態１と同様、バイポーラトランジスタのベースに対する支持脚は不要であり、断熱用支持脚の数は、抵抗ボロメータおよびダイオード方式の温度センサと同様２本で済む。従って、支持脚の断熱特性が良好であり、トランジスタ方式の利点である高温度変化係数をより効果的に利用する熱型赤外線センサを実現することができる。

なお、図７に示す構成においては定電流源４０１の供給する電流Ｉｏとして、ＰＮ接合ダイオードの逆方向飽和電流を利用している。しかしながら、この定電流源４０１の供給する電流として、ショットキダイオードの逆方向飽和電流を用いても、同様の効果を得ることができる。また、ダイオードの製造工程としては、バイポーラトランジスタの製造工程と同一の製造工程を用いることができ、製造工程数の増加を抑制することができる。

また、この発明の実施の形態２に従う画素を用いた熱型赤外線センサにおいて、実施の形態１と同様、ＳＯＩ層に温度センサを形成することにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

以上のように、この発明の実施の形態２に従えば、画素（熱型赤外線検知器）において、ダイオードの逆方向飽和電流をバイポーラトランジスタで増幅する構成としており、支持脚の数を低減でき、またバイポーラトランジスタの増幅機能を利用することができ、製造工程数を増加させることなく、高感度でレイアウト面積の小さな熱型赤外線検知器および熱型赤外線センサを実現することができる。

［実施の形態３］
図８は、この発明の実施の形態３に従う熱型赤外線センサの選択状態の画素１０２の電気的回路構成を示す図である。この発明の実施の形態３に係る熱型赤外線センサの全体の外観は、実施の形態１において図１を参照して示した構成と同じである。この図８においては、図５に示す構成と同様、選択状態の画素１０２と対応の負荷抵抗素子４０３の接続を、選択時に画素に流れる電流とともに示す。

図８に示す画素１０２は、図７に示す画素１０２と、以下の点でその構成が異なる。すなわち、バイポーラトランジスタ４０２として、ダーリントン接続される２つのｎｐｎバイポーラトランジスタ４０２ａおよび４０２ｂが用いられる。バイポーラ４０２ａのコレクタベースの間に、定電流源４０１が接続される。この定電流源４０１は、図８においては、一例として、逆方向飽和電流を供給するＰＮ接合ダイオード４２０が示される。しかしながら、実施の形態１の場合と同様、順方向にダイオード接続されるＭＯＳトランジスタが用いられてもよい。

ダーリントン接続されるバイポーラトランジスタ４０２ａおよび４０２ｂを用いても、トランジスタに対する信号配線としては、エミッタ配線およびコレクタ配線が必要なだけであり、支持脚の数は、これまでの実施の形態１および２と同様、２本である。赤外線センサの製造工程としては、先の図６（Ａ）から図６（Ｇ）に示す工程と同様の工程が用いられる。画素の単結晶シリコン層領域に、単一のバイポーラトランジスタに代えてダーリントン接続される２つのバイポーラトランジスタが形成される。また、定電流源として逆方向飽和電流を供給するＰＮ接合ダイオードが形成される。この図８に示す画素の他の構成は、図７に示す画素の構成と同様であり、対応する部分には同一参照符号を附して、その詳細説明は省略する。

ＰＮ接合の逆方向飽和電流は、接合面積に比例する。したがって、画素面積が小さくなると、その逆方向飽和電流が、ｐＡ（ピコアンペア）オーダにまで小さくなる可能性がある。この発明の実施の形態３に従う構成は、このような場合に効果的な構成であり、ＰＮ接合の逆方向飽和電流を、２段のダーリントン接続されるバイポーラトランジスタ４０２ａおよび４０２ｂで増幅することにより、センサの感度を高くする。

具体的に、この図８に示す画素１０２の出力電圧Ｖｏｕｔの温度変化係数を算出する。いま、バイポーラトランジスタ４０２ａおよび４０２ｂのエミッタ接地電流利得を、それぞれ、ｈｆｅ１およびｈｆｅ２とし、それぞれのベース電流をＩｂ１、Ｉｂ２とする。また、定電流源４０１の供給する電流がＩｏであり、負荷抵抗素子４０３が、抵抗値Ｒｌを有し、電流Ｉｃを流すとする。この場合、次式（１８）で表わされる関係が成立する。

Ｖｏｕｔ＝Ｖｄｄ−Ｉｃ・Ｒｌ…（１８）
また、負荷抵抗素子４０３を流れる電流Ｉｃ、定電流源４０１を流れる電流Ｉｏ、およびバイポーラトランジスタ４０２ａが供給するエミッタ電流Ｉｅ１およびバイポーラトランジスタ４０２ｂのベース電流Ｉｂ２は、次式（１９）、（２０）、および（２１）で表わされ、これらの式（１９）から式（２１）により、負荷抵抗素子４０３を流れる電流Ｉｃは、下記の式（２２）で表わされる。

ダイオード４２０の逆方向飽和電流Ｉｏの温度依存性は、実施の形態２の場合と同様、式（１４）で表わされる。今、ダイオード４２０の逆方向飽和電流Ｉｏが、実施の形態２において用いた値よりもさらに小さく、５００ｐＡの場合を考える。エミッタ接地電流利得ｈｆｅ１およびｈｆｅ２を、それぞれ１００とし、電源電圧Ｖｄｄが５Ｖ、出力電圧Ｖｏｕｔの望ましい値を２．５Ｖとする。これらの値を用いると、前述の式（１３）から、負荷抵抗素子４０３の抵抗値Ｒｌは、実施の形態２の場合と同様、約５００ｋΩとなる。前述の式（１５）を用いて、この逆方向飽和電流Ｉｏの温度変化係数を求めると、次式（２５）で表わされる値となる。式（２５）を式（２４）に代入すると、出力電圧Ｖｏｕｔの温度係数は、次式（２６）で表わされる値となる。

式（２６）に示されるように、本実施の形態３においても、実施の形態２において示した温度変化率と同じ出力電圧Ｖｏｕｔの温度変化率が得られる。したがって、実施の形態２と同様、酸化バナジウムボロメータを用いたセンサおよびダイオードの順方向電圧温度依存性を用いたセンサに比べて、６倍以上の大きな温度変化係数を有する出力電圧を生成することができる。

なお、この実施の形態３においては、ダーリントン接続されるバイポーラトランジスタ４０２ａおよび４０２ｂのうち、バイポーラトランジスタ４０２ａにより、定電流源４０１の供給する電流Ｉｏの電流増幅を行なう。したがって、ＰＮ接合ダイオード４２０の逆方向飽和電流が小さい場合においても、負荷抵抗素子４０３の抵抗値Ｒｌを大きくすることなく、実施の形態１および２で述べた出力電圧Ｖｏｕｔの適正な設定（電源電圧Ｖｄｄの１／２の電圧レベルを中央値とする設定）が、可能となる。

また、画素または熱型赤外線検知器の外観および構成は、実施の形態１および２と同様であり、これらの実施の形態１および２と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態１および２と同様、ＳＯＩ層に温度センサのダイオードおよびトランジスタを形成することにより、高感度かつ特性ばらつきの小さな画素および赤外線検知器を実現することができる。

なお、この定電流源４０１において、ＰＮ接合ダイオード４２０に代えて、逆方向に接続されるショットキダイオードが用いられてもよい。

［実施の形態４］
図９は、この発明の実施の形態４に従う選択状態の画素１０２の電気的等価回路を示す図である。この実施の形態４において、熱型赤外線センサの全体の外観の構成は、実施の形態１において図１を参照して示した構成と同じである。この発明の実施の形態４に従う画素１０２においては、定電流源４０１として、ダイオード接続される接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）４３０が用いられる。接合型電界効果トランジスタにおいては、ゲートとチャネル領域とがＰＮ接合により逆バイアス状態に維持されるＰＮ接合型ＪＦＥＴを用いる。この接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）の飽和電流を、温度依存電流Ｉｏとして利用する。

この図９に示す画素１０２の他の構成は、図５に示す実施の形態１の選択時の画素の電気的回路の構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。

実施の形態４においても、熱型赤外線センサの赤外線検出原理は、実施の形態１の場合と同じである。以下、具体的に、この実施の形態４に従う画素１０２の出力電圧Ｖｏｕｔの温度変化係数を算出する。前述の実施の形態１において示した式（１）から式（５）までは、同一の式が、この図９に示す画素１０２においても成立する。

ダイオード接続される接合型電界効果トランジスタの飽和電流は、前述の非特許文献１の第３１８頁に従うと、次式で表わされる。

ここで、ＺおよびＬは、ゲート幅とゲート長をそれぞれ示す。μはキャリア移動度、ｑは素電荷、Ｎは、不純物濃度、ａはチャネル厚さの１／２の値、εｓは、シリコンの誘電率である。また、ＶｂｉはＰＮ接合のビルトイン電圧、ｎｉは真正キャリア密度である。

上式（２７）の両辺を温度Ｔで微分すると、次式（３１）が得られる。

たとえば、実現可能な値として、不純物濃度Ｎを、１０¹⁶／ｃｍ³、チャネル幅およびチャネル長（ゲート幅およびゲート長）ＺおよびＬは、それぞれ、６μｍ、２μｍとし、ａを０．２μｍとすると、以下の値が得られる。

Ｖｐ＝０．３１Ｖ、Ｉｐ＝１５μＡ、Ｖｂｉ＝０．３５Ｖ、
Ｉｏ＝０．２１μＡ〜Ｉｂ
先の実施の形態２および１と同様、エミッタ接地電流利得ｈｆｅを１００、負荷抵抗素子４０３における電圧降下を２．５Ｖとすると、負荷抵抗素子４０３の抵抗値Ｒｌは、約１２０ｋΩとなる。ビルトイン電圧の温度依存係数ｄＶｂｉ／ｄＴは、ＰＮ接合順方向電圧降下の温度依存性と等しく、約１．８ｍＶ／Ｋである。これらの値を用いると、次式（３２）が得られる。

前述のように、代表的な他の方式のセンサとして、酸化バナジウムボロメータ型センサでは、抵抗温度変化係数が、約２％／Ｋであり、バイアス電圧３Ｖにおいて温度変化係数が６０ｍＶ／Ｋ程度である。また、ダイオードの順方向降下電圧の温度依存性を用いたセンサでは、８個直列接続構成において、温度変化係数が、１０ｍ／Ｋ程度である。したがって、この発明の実施の形態４の温度センサは、抵抗ボロメータ型センサに比較して、３倍以上の大きな温度変化係数を持つことがわかる。

この発明の実施の形態４に従う温度検知器または画素においても、画素の断熱用支持脚の数は、抵抗ボロメータおよびダイオード型センサと同様、コレクタ配線に対する支持脚とエミッタ配線に対する支持脚との２本である。従って、先の実施の形態１から３と同様、支持脚の断熱特性が良好でありかつトランジスタ方式の利点である高温度変化係数をより効果的に機能させる熱型赤外線センサを実現することができる。

この発明の実施の形態４に従う画素（熱型赤外線温度検知器）の製造工程は、図６（Ａ）から図６（Ｇ）に示す製造工程と同様の工程を用いて形成される。定電流源４０１の形成時において、ＰＮ接合型ＪＦＥＴを形成する。したがって、この場合においても、温度センサを、ＳＯＩ層に形成することにより、ノイズを低減することができ、また、画素間の特性ばらつきも小さくすることのできる熱型赤外線センサを実現することができる。

また、この定電流源４０１におけるダイオード接続されるＪＦＥＴとして、上述の説明においては、ゲート部が、ＰＮ接合を形成するＪＦＥＴを用いている。しかしながら、ＭＥＳＦＥＴ（金属−半導体ＦＥＴ）として一般的に用いられるショットキバリアをゲート分離に利用するＪＦＥＴをダイオード接続して、その飽和電流を用いても同様の効果を得ることができる。

また、この定電流源４０１を流す電流Ｉｏが小さい場合には、先の実施の形態３において示したように、ダーリントン接続されたバイポーラトランジスタを電流増幅のために利用してもよい。

［実施の形態５］
図１０は、この発明の実施の形態５に従う熱型赤外線センサの要部の構成を示す図である。この発明の実施の形態５における熱型赤外線センサの全体の外観は、図１に示す構成と同じである。この発明の実施の形態５に従う熱型赤外線センサにおいては、以下の点が、これまでの実施の形態１から４に示す構成と異なる。すなわち、水平信号処理回路１０７において、負荷抵抗素子４０３は、接地電圧Ｖｓｓを供給する接地線７０４にその一端が結合される。また、画素１０２ａおよび１０２ｂにおいては、バイポーラトランジスタとして、ＰＮＰバイポーラトランジスタ７０２が設けられる。このバイポーラトランジスタ７０２のベースとコレクタとの間に定電流源７０１が設けられる。この定電流源７０１は、温度依存性を有しし、バイポーラトランジスタ７０２のベースからコレクタに向かって電流を流す。

図１０に示す熱型赤外線センサの他の構成は、図４に示す熱型赤外線センサの構成と同じであり、対応する部分には同一参照番号を付し、その詳細説明は省略する。

この図１０に示す熱型赤外線センサの構成においては、バイポーラトランジスタ７０２は、そのエミッタ電位がベース電位よりも高くなったときに導通する。したがって、水平駆動線１０４ａおよび１０４ｂにおいて、非選択時においては、Ｌレベルの電圧が供給され、選択時には、Ｈレベルの電圧レベルに維持される。選択画素（１０２ｂ）において、エミッタ電流Ｉｅが、水平駆動線１０４ｂから流入し、ベース電流Ｉｂが、ベース側ノード７１２を介して定電流源７０１に供給される。このバイポーラトランジスタ７０２は、そのコレクタ電流ｈｆｅ・Ｉｂをコレクタ側ノード７１０に流す。垂直駆動線１０５においては、電流Ｉｃとして、電流Ｉｏおよびｈｆｅ・Ｉｂの合計電流が流れる。したがって、出力ＯＵＴとして生成される出力電圧は、負荷抵抗素子４０３の抵抗値Ｒｌと電流Ｉｃの積で与えられる（接地電圧Ｖｓｓが０Ｖの場合）。出力電圧Ｖｏｕｔは次式で与えられる。

Ｖｏｕｔ＝Ｉｃ・Ｒｌ
各電流の関係式としては、先の実施の形態１から４において説明したものと同様の関係式が得られ、バイポーラトランジスタ７０２の電流増幅により、高感度の温度センサを実現することができる。また、各画素１０２ａおよび１０２ｂにおいては、トランジスタ配線を配置するための支持脚が、バイポーラトランジスタのコレクタおよび定電流源７０１の共通ノードに対する支持脚と、バイポーラトランジスタ７０２のエミッタに対する配線を配置する支持脚の２つであり、先の実施の形態１から４と同様、支持脚の断熱特性は、抵抗ボロメータおよびダイオード型温度センサと同様のレベルに維持することができる。

図１１（Ａ）から図１１（Ｃ）は、図１０に示す定電流源７０１の構成を示す図である。図１１（Ａ）において、定電流源７０１においては、ゲートおよびドレインがベース側ノード７１２に結合され、そのソースがコレクタ側ノード７１０に接続されるＮチャネルＭＯＳトランジスタ７１５が用いられる。この場合、ベース側ノード７１２に向かってベース電流Ｉｂが流れ、コレクタ側ノード７１０に向かって電流Ｉｏが流れる。電流Ｉｏは、ＭＯＳトランジスタの順方向飽和電流であり、先の実施の形態１と同様の温度依存性を有する。バイポーラトランジスタ７０２の増幅動作により、電流の温度変化を増幅して温度を検出する。これにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

図１１（Ｂ）においては、定電流源７０１が、アノードがコレクタ側ノード７１０に接続され、カソードがベース側ノード７１２に接続されるＰＮ接合ダイオード７２０で構成される。この場合においては、実施の形態２と同様、ＰＮ接合ダイオード７２０の逆方向飽和電流の温度依存性を利用して、温度を検出する。

図１１（Ｃ）においては、定電流源７０１が、そのゲートおよびドレインが、ベース側ノード７１２に接続され、そのソースがコレクタ側ノード７１０に接続されるＪＦＥＴで構成される。このＪＦＥＴは、ＰＮ接合型ＪＦＥＴであってもよく、またショットキバリア型ＪＦＥＴ（ＭＥＳＦＥＴ）であってもよい。この場合においても、実施の形態４と同様、バイポーラトランジスタのベース電流Ｉｂを順方向飽和電流Ｉｏとして流して、この電流の温度依存性を利用して温度を検出する。

したがって、これらの図１１（Ａ）から図１１（Ｃ）に示す定電流源７０１を利用することにより、定電流源７０１の温度依存性を、バイポーラトランジスタ７０２で増幅して、高感度で温度検出を行なうことができる。

なお、図１１（Ａ）および図１１（Ｃ）においては、Ｎチャネルトランジスタが用いられている。しかしながら、Ｐチャネル型トランジスタが用いられてもよい。また、図１１（Ｂ）に示すＰＮ接合ダイオード７２０に代えて、ショットキダイオードが用いられてもよい。また、バイポーラトランジスタとして、ダーリントン接続されるバイポーラトランジスタが用いられても良い。

この発明の実施の形態５における熱型赤外線センサの製造工程は、図６（Ａ）から図６（Ｇ）に示す製造工程と同様の工程を用いて形成される。ＳＯＩ構造の単結晶シリコン層に、ＰＮＰバイポーラトランジスタおよび定電流源を形成する。

なお、負荷抵抗素子４０３は、実施の形態１から５において配線抵抗、拡散抵抗またはトランジスタ素子のいずれかで実現されればよい。

この発明の実施の形態５においても、温度センサとして、温度依存性を有する電流Ｉｏを流す定電流源と、この定電流源の電流を増幅するＰＮＰバイポーラトランジスタとを用いており、実施の形態１から４と同様、高感度で画素間の特性ばらつきの小さな熱型赤外線センサを実現することができる。

また、これまで述べた実施の形態１から５は、適宜組み合わせて用いられても良い。

この発明に従う熱型赤外線検知器および熱型赤外線センサは、各種センサ用途に適用することにより、高感度でかつ小型のセンサを実現することができ、イメージセンサ、赤外線リモートコントローラの受光装置などに適用することができる。

この発明に従う熱型赤外線センサの外観を概略的に示す図である。 図１に示す熱型赤外線センサの画素の平面レイアウトを概略的に示す図である。 図２に示す線３Ａ−３Ａに沿った断面構造を概略的に示す図である。 図１に示す熱型赤外線センサの要部の電気的回路構成を示す図である。 選択画素の等価回路および流れる電流を示す図である。 （Ａ）−（Ｇ）は、この発明の実施の形態１に従う熱型赤外線センサの製造工程を示す図である。 この発明の実施の形態２に従う画素の電気的等価回路を示す図である。 この発明の実施の形態３に従う赤外線センサの画素の電気的等価回路を示す図である。 この発明の実施の形態４に従う赤外線センサの画素の電気的等価回路を示す図である。 この発明の実施の形態５に従う熱型赤外線センサの電気的回路構成を示す図である。 （Ａ）−（Ｃ）は、それぞれ、図１０に示す定電流源の具体的構成を示す図である。

符号の説明

１００ 熱型赤外線センサ、１０１ シリコン基板、１０２ 画素、１０３ 画素アレイ、１０４ 水平駆動線、１０５ 垂直駆動線、１０６ 垂直信号処理回路、１０７ 水平信号処理回路、２０２ 温度センサ部、２０４ 温度センサ、２０１ａ，２０１ｂ，２０１ 支持脚、１５４ａ，１５４ｂ 配線、２０５ 配線、１６０ 分離領域、１０２ａ，１０２ｂ 画素、１０４ａ，１０４ｂ 水平駆動線、４０１ 定電流源、４０２ バイポーラトランジスタ、４０３ 負荷抵抗、４１５ ＭＯＳトランジスタ、６０１ シリコン絶縁膜、６０２ 単結晶シリコン層、３０１ 赤外線吸収構造、６１２ エッチング孔、０３ 空洞部（凹部）、４２０ ダイオード、４３０ ＪＦＥＴ、４０２ａ，４０２ｂ バイポーラトランジスタ、７０１ 定電流源、７０２ バイポーラトランジスタ、７１５ ＭＯＳトランジスタ、７２０ ダイオード、７３０ ＪＦＥＴ。

Claims (8)

1. 選択信号線と読出信号線との間に結合され、入射赤外線による温度変化を検出する熱型赤外線検出器であって、
   制御電極と、前記読出信号線に接続される第１の電極と、前記選択信号線に接続される第２の電極とを有するトランジスタ素子、および
   前記制御電極と前記読出信号線との間に結合され、温度依存性を有する電流を流す電流源を備える、熱型赤外線検出器。
2. 前記トランジスタ素子および前記電流源は、基板上に形成される空洞部に第１および第２の支持脚により保持されるセンサ部を構成し、
   前記熱型赤外線検出器は、さらに、
   前記第１の支持脚に形成され、前記電流源および前記第１の電極を前記読出信号線に接続する第１の配線と、
   前記第２の支持脚に形成され、前記第２の電極を前記選択信号線に接続する第２の配線とを備える、請求項１記載の熱型赤外線検出器。
3. 前記電流源は、順方向飽和電流を流すダイオード接続される電界効果トランジスタおよび逆方向飽和電流を流すダイオードのいずれかを備える、請求項１記載の熱型赤外線検出器。
4. 前記トランジスタ素子は、ダーリントン接続される複数のバイポーラトランジスタを備える、請求項１から３のいずれかに記載の熱型赤外線検出器。
5. 前記センサ部は、絶縁膜上に形成される単結晶シリコン膜を基板領域として形成される、請求項２記載の熱型赤外線検出器。
6. 複数の水平駆動線と、
   複数の垂直駆動線と、
   各々が前記水平駆動線と前記垂直駆動線との各交差部に対応するように、行および列の二次元アレイ状に配列され、各々が、バイポーラトランジスタ素子と前記バイポーラトランジスタ素子のベースとコレクタとの間に接続されて温度依存性を有する電流を流す電流源とを含む、基板上に形成される凹部に配置されて入射赤外線による温度変化を検出するための温度センサと、前記温度センサを前記凹部上に保持する第１および第２の支持脚と、前記温度センサに熱的に結合される赤外線吸収部と、前記第１の支持脚に配設され、前記バイポーラトランジスタ素子のコレクタおよび前記電流源の第１電極を対応の垂直駆動線に接続する第１の配線と、前記第２の支持脚に配設され、前記バイポーラトランジスタ素子のエミッタを対応の水平駆動線に接続する第２の配線とを含む、複数の画素、
   前記複数の水平駆動線に結合され、画素行ごとに画素を選択状態とするバイアス電圧を供給する信号処理回路、および
   各前記垂直駆動線と電源との間に結合され、対応の垂直駆動線に対応の列の選択画素の検出電流に応じた電圧変化を生じさせる複数の負荷抵抗素子を備える、熱型赤外線センサ。
7. 前記電流源は、順方向飽和電流を供給するダイオード接続される電界効果トランジスタおよび逆方向飽和電流を供給するダイオードのいずれかを備える、請求項６記載の熱型赤外線センサ。
8. 前記バイポーラトランジスタ素子は、ダーリントン接続される複数のバイポーラトランジスタを備える、請求項６記載の熱型赤外線センサ。

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