JP5543703B2

JP5543703B2 - 被写体位置検出素子

Info

Publication number: JP5543703B2
Application number: JP2008246300A
Authority: JP
Inventors: 多浩大本; 木英之舟
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: US20110226953A1; US8212214B2; JP2010078423A; WO2010035624A1

Description

本発明は、赤外線帯に対する非冷却型（熱型）の被写体位置検出素子に関する。

主に８μｍ〜１２μｍ帯の赤外線に対応する赤外線センサは、特に室温近傍の物体から放射される赤外線に感度が高いことから、セキュリティカメラ、車載前方監視カメラに用いられている。近年、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System）プロセスの発展に伴って、素子を冷却することなく赤外線を感知する非冷却型（熱型）の赤外線センサが主流となりつつある。

熱型の赤外線センサは、遠赤外線用のレンズ(主にＧｅレンズ）によって集光された赤外線を、半導体基板上にアレイ化されて上記半導体基板から熱的に隔離された画素によって吸収し、生じた画素の熱上昇を熱電変換して電気信号として読み出し、イメージ化する構成を有している。配線層の簡略化によってセルの熱容量を下げ、高速な応答が可能な熱型赤外線センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−６５８４２号公報

特許文献１に記載の熱型赤外線センサにおいては、配線層の簡略化によってセルの熱容量を下げ、高速な応答を可能にしている。しかし、この特許文献１に記載の熱型赤外線センサでは、被写体の位置を高速かつ簡便に判別することはできない。また、この特許文献１に記載の熱型赤外線センサは、イメージセンサであるため、１行ずつ順番に選択動作して出力信号を読み出すスキャン動作を行う必要があり、このスキャン動作には行数分の時間を要する。したがって、画素の赤外線応答速度を十分に生かすことができない。

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、被写体の位置を高速かつ簡便に判別することのできる被写体位置検出素子を提供すことを目的とする。

本発明の一態様による被写体位置検出素子は、半導体基板上に平面的に離れて設けられた少なくとも２個の赤外線検出部と、前記少なくとも２個の前記赤外線検出部を直列に接続する電気配線と、前記少なくとも２個の赤外線検出部に直列に電圧を印加する電圧印加部と、前記少なくとも２個の赤外線検出部を直列に接続する電気配線の中間の電位を、予め設定された参照電位と比較する比較部と、を備え、前記少なくとも２個の赤外線検出部によって被写体の位置を検出する。

本発明によれば、被写体の位置を高速かつ簡便に判別することができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による固体撮像素子（被写体位置検出素子）を図１乃至図２を参照して説明する。本実施形態の固体撮像素子の平面図を図１に示し、図１に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面を図２に示す。本実施形態の固体撮像素子１は、２個の画素（赤外線検出部）２Ａ、２Ｂと、比較器３０と、を備えている。各画素２Ａ、２Ｂは、図２に示すようにセル部２０を有している。このセル部２０は、半導体基板、例えばシリコン基板１００の表面部分に形成された凹部（空洞部）１４の上方に配置され、支持構造部２２１、２２２によって支持される。そして、セル部２０は、熱電変換素子２１と、この熱電変換素子２１を覆う赤外線吸収層２４とを備えている。この熱電変換素子２１は、赤外線吸収層２４と電気的に絶縁されるとともに、支持構造部２２１、２２２内に設けられた接続配線２２１２、２２２１に電気的に接続される。これらの接続配線２２１２、２２２１は、絶縁膜（保護膜）２２１２、２２２２によってそれぞれ覆われている。そして、接続配線２２１２、２２２１は、半導体基板１００上に設けられた配線２３１２、２３１３にそれぞれ接続される。この配線２３１２，２３１３は、それぞれ絶縁膜２３１１、２３２２によって覆われている。例えば、画素２Ａの場合は、図１に示すように、熱電変換素子２１Ａは、支持構造部２２１、２２２に設けられた接続配線２２１Ａ、２２２Ａに接続されている。そして、接続配線２２１Ａは半導体基板１００上に設けられた配線２３１２Ａを介してＶｄｄ電源４１に接続され、接続配線２２２Ａは半導体基板１００上に設けられた配線２３１３Ａ、ノード３１を介して比較器３０に接続される。また、画素２Ｂの場合は、図１に示すように、熱電変換素子２１Ｂは、支持構造部２２１、２２２に設けられた接続配線２２１Ｂ、２２２Ｂに接続されている。そして、接続配線２２１Ｂは半導体基板１００上に設けられた配線２３１２Ｂ、ノード３１を介して比較器３０に接続され、接続配線２２２Ｂは半導体基板１００上に設けられた配線２３１３Ｂを介してＶｓｓ電源４２に接続される。比較器３０は、半導体基板（半導体チップ）１００上に形成されていても良いし、半導体チップ外に形成してもよい。

このように構成された本実施形態の固体撮像素子において、被写体からの赤外線が入射すると、この赤外線はセル部２０の赤外線吸収層２４によって吸収され、生じた熱エネルギーにより、赤外線吸収層２４の温度が上昇する。この温度の変化が熱電変換素子２１によって電気信号に変換されて画素の出力となる。そして、画素２Ａと、画素２Ｂの出力を比較器３０において、比較することによって、被写体の位置を検出する。

本実施形態の固体撮像素子は、真空中で動作させるため、セル部２０からの熱の逃げ道は支持構造部２２１、２２２のみとなる。したがって、セル部２０の熱隔離性は、支持構造部２２１、２２２の熱コンダクタンスによって決定され、支持構造部の長さを長く構成すればするほど、また細く構成すればするほど断熱性は向上する。

支持構造全体の熱コンダクタンスをＧ_ｔｈとすると、赤外線吸収層２４において生じた熱エネルギーによってセル部２０の温度変化ΔＴは、

にしたがって上昇していく。ここでＰ_ａはセル部２０に入射した赤外線エネルギー（Ｗ）、Ｃ_thはセルの熱容量（Ｊ／Ｋ）、ｔは受信開始後の経過時間（ｓ）である。

そして、セル部２０の温度は熱時定数τで定常状態になる。この熱時定数は、

により計算される。

セル部２０は、一辺が３０μｍ程度の四角形でかつ高さが４μｍ〜５μｍ程度とし、またセル部２０を支持する支持構造部が２本で構成され、各支持構造部の保護膜の断面を一辺が１μｍ程度の四角形とし、セル部２０から接続配線の保護膜にいたる長さを７０μｍ程度としたとき、上記熱時定数はおおよそ２０ｍｓｅｃ〜５０ｍｓｅｃ程度のオーダーとなる。赤外線の受光によるセルの温度上昇分は、

となる。

ここで、セル部２０の温度上昇ΔＴを検出するために、熱電変換素子２１として、本実施形態においては、抵抗体を用いる。抵抗体２１の温度に対する抵抗変化の性質を用いて、セル部２０の温度上昇を電気信号として取り出すことができる。

抵抗体２１の、温度変化に応じた抵抗変化（温度抵抗係数）をｄＲ／ｄＴとする。これは例えば抵抗体２１として、抵抗値１００ｋΩがＴｉＮ（窒化チタン）を用いた場合、温度１℃の変化に対して１５０Ωの抵抗変化となる。

ここで、画素２Ａ、２Ｂは、図１に示すように半導体基板１００上の２箇所にそれぞれ形成されている。被写体の位置に応じて、これらの画素２Ａ、２Ｂのいずれかに赤外線が照射される。被写体からの赤外線が画素２Ａにのみ照射されている場合、そのときの画素２Ａのみに式（３）で表される温度変化が生じる。

画素２Ａ及び画素２Ｂは配線によって接続されており、Ｖｄｄ電源４１及びＶｓｓ電源４２によって、画素２Ａ及び画素２Ｂには直列に電圧が印加される。このとき抵抗体２１Ａの抵抗値をＲ＋ΔＲ、抵抗体２１Ｂの抵抗値をＲとすると、画素２Ａ及び画素２Ｂには、

で表される電流が流れる。したがって、接続配線２３１３Ａと接続配線２３１２Ｂが接続されるノード３１の電位Ｖ₃₁は、

となる。

比較器３０は、ノードの電位Ｖ₃₁を、次式（６）で表される閾値電圧Ｖ_th

と比較する。上述したように、画素２Ａに赤外線が照射している場合は、

と、ノードの電位Ｖ₃₁は閾値電圧Ｖ_thよりも低くなるが、逆に画素２Ｂに赤外線が照射している場合は、

となり、上述した場合と逆となる。

例えば、Ｒ＝１ＭΩ、ΔＲ＝１ｋΩ、Ｖｄｄ＝５Ｖ、Ｖｓｓ＝−５Ｖとすると、Ｖ３１−Ｖｔｈ＝２．５ｍＶ程度となる。

比較器３０の一具体例を図３に示す。この具体例の比較器３０は、入力端子がオペアンプ３０１の入力３０２に相当する。抵抗３０３及び抵抗３０４を直列に接続し、抵抗３０３の一端を接地し、抵抗３０４の一端をオペアンプ３０１の出力端子に接続し、抵抗３０３及び抵抗３０４の共通接続ノードをオペアンプ３０１の反転入力端子に接続する。このような構成とすることにより、オペアンプ３０１は、非反転増幅回路を形成している。増幅率は１＋Ｒ２／Ｒ１で表されるため、たとえばＲ２＝１ＭΩ、Ｒ１＝１ｋΩとすると増幅率は約１０００倍となる。

非反転増幅回路３０１の出力はコンパレータ３０７に入力される。コンパレータ３０７のもう一方の入力端子３０６の電位は比較対象となる閾値電圧Ｖ_thに固定されている。Ｖ₃₁−Ｖ_thが非常に小さい場合にコンパレータ３０７の出力が変化しないように、すなわち不感領域を持たせるために、コンパレータ３０７の２入力端子にはダイオード３０９Ａ及びダイオード３０９Ｂが接続され、２端子の電位差がいずれかのダイオードに電流を流すに足る程度、例えば０．６Ｖ程度となったときにコンパレータ３０７が電位差を認識することになる。コンパレータ３０７の出力は、Ｖ₃₁−Ｖ_thの符号にしたがって、ハイレベルかロウレベルのいずれかとなる。

このように、比較器３０は閾値電圧Ｖ_thとノード３１の電位Ｖ₃₁を比較することによって、平面的に離れた画素２Ａと画素２Ｂのどちらかに赤外線信号が当たっているかを簡便に判別することができる。

本実施形態によれば、簡便かつ高速に、被写体の位置を判別することができる。さらに、背景温度やチップ温度が変化したとしても、２画素の差分を出力しているために出力信号はそれらの影響を受けない。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による固体撮像素子を図４および図５を参照して説明する。本実施形態の固体撮像素子１の平面図を図４に示し、図４に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面を図５に示す。本実施形態の固体撮像素子１は、第１実施形態の固体撮像素子１において、抵抗体からなる熱電変換素子２１をｐｎ接合のダイオード５１に置き換えた構成となっている。すなわち、画素２Ａには熱電変換素子としてダイオード５１Ａが用いられ、画素２Ｂには熱電変換素子としてダイオード５１Ｂが用いられる。

このダイオード５１は、セル部２０の下部に形成されたｐ型半導体層２１１と、ｎ型半導体層２１２と、を有している。ｐ型半導体層２１１は、プラグ２５２を介して、配線２５１に接続され、この配線２５１は接続配線２２１１に接続される。また、ｎ型半導体層２１２は、プラグ２５４を介して、配線２５３に接続され、この配線２５３は接続配線２２２１に接続される。

本実施形態においては、セルの温度上昇ΔＴは、セル部２０の下層に構成されたダイオードの５１によって検出される。ダイオード５１の熱電変換率はｄＶ／ｄＴで表され、セル部２０の温度上昇ΔＴによって電圧変化ｄＶが発生する。したがって定常状態では、セル部２０から

であらわされる電圧信号が出力される。このダイオードの電圧−電流特性を図６に示す。

ダイオード５１の順方向電流は、順方向電圧Ｖ_ｆを用いて

と表される。ここで、Ａはｐｎ接合面積、Ｉｓは飽和電流、ｑは電荷素量、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。式（１０）より、

が得られる。セル部２０の温度が上昇すると、順方向電圧Ｖ_ｆは低くなるため、ダイオード５１の抵抗値が下がることになる。この変化分をΔＲとすると、ΔＲ＜０となり、第１実施形態とは符号が逆になる。例えば、画素２Ａに赤外線が当たっている場合は、ノード３１の電位Ｖ₃₁と、閾値電圧Ｖ_thとの差（＝Ｖ₃₁−Ｖ_th）は、

となる。

逆に、画素２Ｂに赤外線が当たっている場合は、上記差は負となり、画素２Ａと画素２Ｂどちらに赤外線が当たっているのか、判別が可能である。

本実施形態も第１実施形態と同様に、簡便かつ高速に、被写体の位置を判別することができる。さらに、背景温度やチップ温度が変化したとしても、２画素の差分を出力しているために出力信号はそれらの影響を受けない。

また、本実施形態のように、ダイオードを用いた熱電変換素子は、シリコンの汎用プロセスを用いて製造が簡単であり、かつ赤外線に対する出力電圧が大きい。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による固体撮像素子を図７に示す。図７は、本実施形態の固体撮像素子１の平面図である。本実施形態の固体撮像素子１は、図７に示すように、画素２Ａ〜２Ｄを、赤外線入射方向（図７においては、紙面の手前）から見て、上下左右の位置に配置する。画素２Ａ、２Ｂ及び比較器３０Ａにて構成される部分は判断結果Ａを出力し、画素２Ｃ、２Ｄ及び比較器３０Ｂにて構成される部分は判断結果Ｂを出力する。判断結果Ａは、画素２Ａに赤外線が当たっているときにロウレベル、画素２Ｂに赤外線が当たっているときにハイレベルとなり、判断結果Ｂは、画素２Ｃに赤外線が当たっているときにロウレベル、画素２Ｄに赤外線が当たっているときにハイレベルとなる。本実施形態による固体撮像素子１は、判断結果ＡとＢという２つの情報を出力することになる。

判断結果ＡとＢの結果の組み合わせにより、被写体が（左または上）（左または下）（右または上）（右または下）のいずれに存在するかを知ることができる。

本実施形態により、固体撮像素子からみて被写体が左右いずれに存在するか、に加え、上下いずれに存在するか、の情報を、簡便かつ高速に得ることができる。なお、画素の配置方法や画素数は本実施形態に限らない。

第１実施形態の固体撮像素子の平面図。第１実施形態の固体撮像素子を図１に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図。第１実施形態に係る比較器の一具体例を示す回路図。第２実施形態の固体撮像素子の平面図。第２実施形態の固体撮像素子を図１に示す切断線Ａ−Ａで切断した断面図。ダイオードの電圧−電流特性を示す図。第３実施形態の固体撮像素子の平面図。

符号の説明

１固体撮像素子
２、２Ａ、２Ｂ画素（赤外線検出部）
２０セル部
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ熱電変換素子
２４赤外線吸収層
３０比較器
２２１支持構造部
２２１Ａ接続配線
２２１Ｂ接続配線
２２２支持構造部
２２２Ａ接続配線
２２２Ｂ接続配線
２３１２Ａ配線
２３１２Ｂ配線
２３１３Ａ配線
２３１３Ｂ配線

Claims

半導体基板上に平面的に離れて設けられた少なくとも２個の赤外線検出部と、
前記少なくとも２個の前記赤外線検出部を直列に接続する電気配線と、
前記少なくとも２個の赤外線検出部に直列に電圧を印加する電圧印加部と、
前記少なくとも２個の赤外線検出部を直列に接続する電気配線の中間の電位を、予め設定された参照電位と比較する比較部と、
を備え、
前記少なくとも２個の赤外線検出部によって被写体の位置を検出する被写体位置検出素子。
前記少なくとも２個の赤外線検出部はそれぞれ、
前記半導体上に形成された第１および第２配線部と、
前記半導体基板の表面部分に形成された凹部の上方に配置され、前記第１および第２配線部とそれぞれ電気的に接続される第１および第２接続配線を有する第１および第２支持構造部と、
前記凹部の上方に配置され、前記第１および第２支持構造部によって支持されるセル部と、
を備え、前記セル部は、
入射された赤外線を吸収する赤外線吸収層と、
前記第１および第２支持構造部と電気的に接続されると共に、前記赤外線吸収層と電気的に絶縁され、前記セル部の温度変化を検出することにより、電気信号を生成する複数の熱電変換素子と、
を有している請求項１記載の被写体位置検出素子。
前記熱電変換素子は、抵抗体である請求項２記載の被写体位置検出素子。
前記熱電変換素子は、ｐｎ接合ダイオードである請求項２記載の被写体位置検出素子。
前記比較部は、
前記電気配線の中間の電位が入力される正入力端子と、出力が、直列に接続された少なくとも２個の抵抗によって分圧された分圧電圧が入力される反転入力端子を有する非反転増幅回路と、
前記非反転増幅回路の出力と、前記参照電位を比較するコンパレータと、
を備えている請求項１乃至４のいずれかに記載の被写体位置検出素子。
前記赤外線検出部は４個であって、２個の赤外線検出部と、残りの２個の赤外線検出部は、互いに直交する方向に配置され、前記２個の赤外線検出部を電気的に接続する第１電気配線と、前記残りの２個の赤外線検出部を電気的に接続する第２電気配線とをさらに備えている請求項１乃至５のいずれかに記載の被写体位置検出素子。
前記比較部は、前記第１電気配線の中間の電位を第１の参照電位と比較する第１比較回路と、前記第２電気配線の中間の電位を第２の参照電位と比較する第２比較回路と、を備えている請求項６記載の被写体位置検出素子。