JP2000065637A - 赤外検出素子とその製造方法 - Google Patents
赤外検出素子とその製造方法Info
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- JP2000065637A JP2000065637A JP10233847A JP23384798A JP2000065637A JP 2000065637 A JP2000065637 A JP 2000065637A JP 10233847 A JP10233847 A JP 10233847A JP 23384798 A JP23384798 A JP 23384798A JP 2000065637 A JP2000065637 A JP 2000065637A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 製造プロセスが容易で量産化に適し、素子の
応用発展性にも優れた赤外検出素子とその製造方法を実
現する。 【解決手段】 SOI基板上に、高濃度不純物のドープ
領域により形成された測温部兼赤外線吸収部を設けたこ
とを特徴とする。
応用発展性にも優れた赤外検出素子とその製造方法を実
現する。 【解決手段】 SOI基板上に、高濃度不純物のドープ
領域により形成された測温部兼赤外線吸収部を設けたこ
とを特徴とする。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、赤外検出素子とそ
の製造方法に関するものであり、詳しくは、Si単結晶
を用いた赤外検出素子に関する。
の製造方法に関するものであり、詳しくは、Si単結晶
を用いた赤外検出素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から用いられている赤外検出素子の
一種に、薄膜ボロメータがある。薄膜ボロメータは、主
に金属酸化膜等のセラミックスを測温抵抗体としたもの
であって、ハードマスク等を用いて基板上に抵抗パター
ンを成形するとともに電極を形成し、更に吸収材等を塗
布することにより製造されている。
一種に、薄膜ボロメータがある。薄膜ボロメータは、主
に金属酸化膜等のセラミックスを測温抵抗体としたもの
であって、ハードマスク等を用いて基板上に抵抗パター
ンを成形するとともに電極を形成し、更に吸収材等を塗
布することにより製造されている。
【0003】このような構成の薄膜ボロメータで重要な
要素は測温抵抗体の物性であり、いかに抵抗温度係数が
高くて雑音の少ない膜を形成できるかが重要な技術要素
となる。測温抵抗体の性質は物質の組成比等が変われば
大きく変化してしまう。また、雑音に関しては、出荷時
に測定して良品を選別している。一方、このような抵抗
体は、一般に抵抗率が非常に高く、感度を向上させるた
めに、高い電圧をかけることができる反面、抵抗値のバ
ラツキが大きく、昇圧回路が必要になる。
要素は測温抵抗体の物性であり、いかに抵抗温度係数が
高くて雑音の少ない膜を形成できるかが重要な技術要素
となる。測温抵抗体の性質は物質の組成比等が変われば
大きく変化してしまう。また、雑音に関しては、出荷時
に測定して良品を選別している。一方、このような抵抗
体は、一般に抵抗率が非常に高く、感度を向上させるた
めに、高い電圧をかけることができる反面、抵抗値のバ
ラツキが大きく、昇圧回路が必要になる。
【0004】熱型の検出器である薄膜ボロメータは、照
射された被測定赤外線の放射束を吸収体で受けて熱に変
換し、その温度変化をそれぞれの測温抵抗体で電気信号
に変換し、放射照度を測定する。この際、吸収体で変換
された熱を効率よく温度変化に変換することが重要であ
り、そのために、測温部と基板の間の熱コンダクタンス
を極力小さな構造としなければならない。また、応答速
度を高めるためには、熱容量は小さくなくてはならな
い。
射された被測定赤外線の放射束を吸収体で受けて熱に変
換し、その温度変化をそれぞれの測温抵抗体で電気信号
に変換し、放射照度を測定する。この際、吸収体で変換
された熱を効率よく温度変化に変換することが重要であ
り、そのために、測温部と基板の間の熱コンダクタンス
を極力小さな構造としなければならない。また、応答速
度を高めるためには、熱容量は小さくなくてはならな
い。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来の
製法では、熱コンダクタンスを改善するために複雑なパ
ターニングをすることは困難であり、また、吸収材を塗
布することにより、熱コンダクタンス、熱容量が劣化し
てしまう。すなわち、薄膜ボロメータの性能は測温抵抗
体の物性値に大きく依存することから成膜条件で大きく
変化してしまい、専用の成膜装置が必要となる。また、
吸収に関しては吸収材に依存するので、熱コンダクタン
ス、熱容量の改善は困難である。さらに、ハードマスク
の使用や吸収材の塗布などは自動化が困難であり、これ
ら製造工程でのバラツキが素子間の性能のバラツキに影
響する。
製法では、熱コンダクタンスを改善するために複雑なパ
ターニングをすることは困難であり、また、吸収材を塗
布することにより、熱コンダクタンス、熱容量が劣化し
てしまう。すなわち、薄膜ボロメータの性能は測温抵抗
体の物性値に大きく依存することから成膜条件で大きく
変化してしまい、専用の成膜装置が必要となる。また、
吸収に関しては吸収材に依存するので、熱コンダクタン
ス、熱容量の改善は困難である。さらに、ハードマスク
の使用や吸収材の塗布などは自動化が困難であり、これ
ら製造工程でのバラツキが素子間の性能のバラツキに影
響する。
【0006】本発明はこのような問題点に着目したもの
であり、その目的は、製造プロセスが容易で量産化に適
し、素子の応用発展性にも優れた赤外検出素子とその製
造方法を実現することにある。
であり、その目的は、製造プロセスが容易で量産化に適
し、素子の応用発展性にも優れた赤外検出素子とその製
造方法を実現することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1は、S
OI基板上に、高濃度不純物のドープ領域により形成さ
れた測温部兼赤外線吸収部を設けたことを特徴とする。
これにより、一般的な半導体製造プロセスを用いること
ができ、品質の安定した素子を高い歩留まりで生産でき
る。
OI基板上に、高濃度不純物のドープ領域により形成さ
れた測温部兼赤外線吸収部を設けたことを特徴とする。
これにより、一般的な半導体製造プロセスを用いること
ができ、品質の安定した素子を高い歩留まりで生産でき
る。
【0008】本発明の請求項2は、請求項1記載の赤外
検出素子において、測温部兼赤外線吸収部が蛇行状パタ
ーンとして形成されたことを特徴とする。これにより、
測温部としての抵抗値を大きくでき、赤外線吸収部とし
ての受光面積を大きくできる。
検出素子において、測温部兼赤外線吸収部が蛇行状パタ
ーンとして形成されたことを特徴とする。これにより、
測温部としての抵抗値を大きくでき、赤外線吸収部とし
ての受光面積を大きくできる。
【0009】本発明の請求項3は、請求項2記載の赤外
検出素子において、測温部兼赤外線吸収部の下部に中空
部が形成されたことを特徴とする。これにより、測温部
兼赤外線吸収部はSOI基板から熱的にほぼ絶縁分離さ
れることになって熱コンダクタンスは極めて小さくな
り、熱容量特性を大幅に改善できる。
検出素子において、測温部兼赤外線吸収部の下部に中空
部が形成されたことを特徴とする。これにより、測温部
兼赤外線吸収部はSOI基板から熱的にほぼ絶縁分離さ
れることになって熱コンダクタンスは極めて小さくな
り、熱容量特性を大幅に改善できる。
【0010】本発明の請求項4は、請求項1〜3記載の
赤外検出素子において、測温部兼赤外線吸収部における
赤外線の入射角がブリュスター角になるようにV字構造
に形成されたことを特徴とする。これにより、応答速度
を落とすことなく赤外線応答感度を十分向上させること
ができる。
赤外検出素子において、測温部兼赤外線吸収部における
赤外線の入射角がブリュスター角になるようにV字構造
に形成されたことを特徴とする。これにより、応答速度
を落とすことなく赤外線応答感度を十分向上させること
ができる。
【0011】本発明の請求項5は、請求項1〜4記載の
赤外検出素子において、測温部兼赤外線吸収部の抵抗値
変化を静電容量結合により検出することを特徴とする。
これにより、信号取り出し用のリード線が不要になるこ
とからリード線を介しての熱損失が防止でき、高感度の
赤外検出素子が得られる。
赤外検出素子において、測温部兼赤外線吸収部の抵抗値
変化を静電容量結合により検出することを特徴とする。
これにより、信号取り出し用のリード線が不要になるこ
とからリード線を介しての熱損失が防止でき、高感度の
赤外検出素子が得られる。
【0012】本発明の請求項6の赤外検出素子の製造方
法は、SOI基板の裏面にSi酸化膜を形成する工程
と、SOI基板の活性層に高濃度不純物をドープする工
程と、SOI基板の活性層に金属層を形成する工程と、
前記金属層を電極パターンに形成する工程と、SOI基
板裏面のSi酸化膜をマスクにして異方性エッチングを
行い測温部兼赤外線吸収部の下部に中空部を形成する工
程と、前記高濃度不純物ドープ領域を測温部兼赤外線吸
収部に形成する工程、とを含むことを特徴とする。これ
により、既存の半導体製造プロセスを用いることがで
き、量産化が実現できる。
法は、SOI基板の裏面にSi酸化膜を形成する工程
と、SOI基板の活性層に高濃度不純物をドープする工
程と、SOI基板の活性層に金属層を形成する工程と、
前記金属層を電極パターンに形成する工程と、SOI基
板裏面のSi酸化膜をマスクにして異方性エッチングを
行い測温部兼赤外線吸収部の下部に中空部を形成する工
程と、前記高濃度不純物ドープ領域を測温部兼赤外線吸
収部に形成する工程、とを含むことを特徴とする。これ
により、既存の半導体製造プロセスを用いることがで
き、量産化が実現できる。
【0013】本発明の請求項7の赤外検出素子の製造方
法は、n型のSi基板上に高濃度不純物をドープしたS
i単結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、Si単
結晶層を測温部兼赤外線吸収部に形成するとともにその
下部に中空部を形成する工程、とを含むことを特徴とす
る。これにより、既存の半導体製造プロセスを用いた表
面からの加工のみで素子を実現でき、製造全体の作業工
数を削減できる。
法は、n型のSi基板上に高濃度不純物をドープしたS
i単結晶層をエピタキシャル成長させる工程と、Si単
結晶層を測温部兼赤外線吸収部に形成するとともにその
下部に中空部を形成する工程、とを含むことを特徴とす
る。これにより、既存の半導体製造プロセスを用いた表
面からの加工のみで素子を実現でき、製造全体の作業工
数を削減できる。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明を説明
する。図1は、SOI(Silicon on insulator)基板上
に不純物としてBoronをドーピングしたSi単結晶抵抗
体のノイズと抵抗温度係数の抵抗率依存性の特性例図で
ある。ボロメータの検出能は、温度係数に比例し、ノイ
ズに反比例する。従って図1のグラフから、抵抗率は5
×10-3Ωcm以下が適していることが解る。なお、抵抗
率5×10-3Ωcm以下は、Boron濃度に換算するとおよ
そ5×1019/cm3以上になる。また、図2は、赤外
領域での吸収係数の抵抗率依存性の特性例図である。図
2から明らかなように抵抗率が小さいほど赤外領域での
吸収係数は大きい。
する。図1は、SOI(Silicon on insulator)基板上
に不純物としてBoronをドーピングしたSi単結晶抵抗
体のノイズと抵抗温度係数の抵抗率依存性の特性例図で
ある。ボロメータの検出能は、温度係数に比例し、ノイ
ズに反比例する。従って図1のグラフから、抵抗率は5
×10-3Ωcm以下が適していることが解る。なお、抵抗
率5×10-3Ωcm以下は、Boron濃度に換算するとおよ
そ5×1019/cm3以上になる。また、図2は、赤外
領域での吸収係数の抵抗率依存性の特性例図である。図
2から明らかなように抵抗率が小さいほど赤外領域での
吸収係数は大きい。
【0015】しかし、測温抵抗体としてはある程度の抵
抗値を持たないと測定が困難であり、かつ微小バイアス
電圧でも過度の電流が流れてしまい、自己発熱や電流ノ
イズが発生してしまう。そこで、本発明では、測温抵抗
体を蛇行状に形成し、抵抗値を上げるようにした。ま
た、測温抵抗体は、電極の取り出し部分を除いて基板か
ら分離させ、それが自立するのに必要最低限の厚さにす
ることによって最も熱コンダクタンスが小さくなり、か
つ熱容量が改善できる。
抗値を持たないと測定が困難であり、かつ微小バイアス
電圧でも過度の電流が流れてしまい、自己発熱や電流ノ
イズが発生してしまう。そこで、本発明では、測温抵抗
体を蛇行状に形成し、抵抗値を上げるようにした。ま
た、測温抵抗体は、電極の取り出し部分を除いて基板か
ら分離させ、それが自立するのに必要最低限の厚さにす
ることによって最も熱コンダクタンスが小さくなり、か
つ熱容量が改善できる。
【0016】図3は本発明の実施の形態の一例を一部を
切断して示す構成図である。図において、SOI基板1
を構成するSi基板2の表面にはSi酸化膜3が形成さ
れ、Si酸化膜3の上にはSi活性層4が形成されてい
るが、本実施例ではこのSi活性層4に高濃度(およそ
5×1019/cm3)の不純物としてボロンをドープし
て蛇行状の測温部兼赤外線吸収部(図ではSiボロメー
タ部と表記)5を形成している。測温部兼赤外線吸収部
5の両端にはAl電極部6,7が設けられている。測温
部兼赤外線吸収部5の下部のSi基板2とSi酸化膜3
は選択的に除去されて中空部8が形成されている。試作
例の各部の寸法は、測温部兼赤外線吸収部5の領域が4
00μm×400μm、測温部兼赤外線吸収部5の蛇行
状パターンのライン幅が20μm、測温部兼赤外線吸収
部5の蛇行状パターンのライン間隔が10μmであり、
測温部兼赤外線吸収部5の蛇行状パターンのAl電極部
6,7間の抵抗値は5070Ωになっている。
切断して示す構成図である。図において、SOI基板1
を構成するSi基板2の表面にはSi酸化膜3が形成さ
れ、Si酸化膜3の上にはSi活性層4が形成されてい
るが、本実施例ではこのSi活性層4に高濃度(およそ
5×1019/cm3)の不純物としてボロンをドープし
て蛇行状の測温部兼赤外線吸収部(図ではSiボロメー
タ部と表記)5を形成している。測温部兼赤外線吸収部
5の両端にはAl電極部6,7が設けられている。測温
部兼赤外線吸収部5の下部のSi基板2とSi酸化膜3
は選択的に除去されて中空部8が形成されている。試作
例の各部の寸法は、測温部兼赤外線吸収部5の領域が4
00μm×400μm、測温部兼赤外線吸収部5の蛇行
状パターンのライン幅が20μm、測温部兼赤外線吸収
部5の蛇行状パターンのライン間隔が10μmであり、
測温部兼赤外線吸収部5の蛇行状パターンのAl電極部
6,7間の抵抗値は5070Ωになっている。
【0017】このような構造の赤外検出素子は、一般的
な半導体製造プロセスを用いて製造することができ、品
質の安定した素子を高い歩留まりで生産できる。また、
測温部兼赤外線吸収部5を蛇行状パターンにしているの
で、測温部としての抵抗値を大きくでき、赤外線を吸収
するための受光面積を大きくできる。そして、測温部兼
赤外線吸収部5の下部に中空部8を形成しているので、
測温部兼赤外線吸収部5をSOI基板1から熱的にほぼ
絶縁分離することができ、熱コンダクタンスは極めて小
さくなり、熱容量特性を大幅に改善できる。
な半導体製造プロセスを用いて製造することができ、品
質の安定した素子を高い歩留まりで生産できる。また、
測温部兼赤外線吸収部5を蛇行状パターンにしているの
で、測温部としての抵抗値を大きくでき、赤外線を吸収
するための受光面積を大きくできる。そして、測温部兼
赤外線吸収部5の下部に中空部8を形成しているので、
測温部兼赤外線吸収部5をSOI基板1から熱的にほぼ
絶縁分離することができ、熱コンダクタンスは極めて小
さくなり、熱容量特性を大幅に改善できる。
【0018】図3の構造の赤外検出素子は、例えば以下
のような工程で製造する。 SOI基板1の裏面にのエッチング工程におけるマ
スク用の図示しないSi酸化膜を成膜する。 SOI基板1のSi活性層4に不純物(例えばボロ
ン)をドープし、電極用の金属(例えばAl)を蒸着し
て電極6,7としてパターニングする。 SOI基板1の裏側のSi酸化膜をパターニングし、
中間のSi酸化膜3をエッチングストップ層として用
い、ヒドラジン等のアルカリ溶液でSi基板2に対する
異方性エッチングを行って中空部8(ダイアフラム)を
形成する。 ダイアフラム8の多層構造による応力の変形を避ける
ため、ダイアフラム裏面側のSi酸化膜3を弗酸系のエ
ッチング液で除去する。 図示しないフォトレジスト膜をマスクとし、中間のS
i酸化膜層3をエッチストップ層として、ドライエッチ
ング装置によりSi活性層4を加工し、レジストを除去
してボンディングする。
のような工程で製造する。 SOI基板1の裏面にのエッチング工程におけるマ
スク用の図示しないSi酸化膜を成膜する。 SOI基板1のSi活性層4に不純物(例えばボロ
ン)をドープし、電極用の金属(例えばAl)を蒸着し
て電極6,7としてパターニングする。 SOI基板1の裏側のSi酸化膜をパターニングし、
中間のSi酸化膜3をエッチングストップ層として用
い、ヒドラジン等のアルカリ溶液でSi基板2に対する
異方性エッチングを行って中空部8(ダイアフラム)を
形成する。 ダイアフラム8の多層構造による応力の変形を避ける
ため、ダイアフラム裏面側のSi酸化膜3を弗酸系のエ
ッチング液で除去する。 図示しないフォトレジスト膜をマスクとし、中間のS
i酸化膜層3をエッチストップ層として、ドライエッチ
ング装置によりSi活性層4を加工し、レジストを除去
してボンディングする。
【0019】この素子を真空中測定した結果、ノイズは
ほぼジョンソンノイズまで低減し、抵抗温度係数は0.
19%/K、ブリッジ電圧3.0Vで、比検出能D*=
2×107 cm√Hz/W (at 10Hz)を得
た。
ほぼジョンソンノイズまで低減し、抵抗温度係数は0.
19%/K、ブリッジ電圧3.0Vで、比検出能D*=
2×107 cm√Hz/W (at 10Hz)を得
た。
【0020】図4は本発明の実施形態の他の例を示す構
成図である。図において、n型のSi基板9上には高濃
度不純物をドープしたSi単結晶層をエピタキシャル成
長させた後に蛇行状パターンに形成した測温部兼赤外線
吸収部10が形成され、この測温部兼赤外線吸収部10
の両端には電極取り出し部11,12が形成されてい
る。測温部兼赤外線吸収部10の下部には中空部13が
形成されていて、測温部兼赤外線吸収部10は梁状にな
っている。これら測温部兼赤外線吸収部10および電極
取り出し部11,12以外のSi基板9の表面にはSi
酸化膜14が形成されている。
成図である。図において、n型のSi基板9上には高濃
度不純物をドープしたSi単結晶層をエピタキシャル成
長させた後に蛇行状パターンに形成した測温部兼赤外線
吸収部10が形成され、この測温部兼赤外線吸収部10
の両端には電極取り出し部11,12が形成されてい
る。測温部兼赤外線吸収部10の下部には中空部13が
形成されていて、測温部兼赤外線吸収部10は梁状にな
っている。これら測温部兼赤外線吸収部10および電極
取り出し部11,12以外のSi基板9の表面にはSi
酸化膜14が形成されている。
【0021】このような構造の赤外検出素子も、図3の
素子と同様に一般的な半導体製造プロセスを用いて製造
することができ、品質の安定した素子を高い歩留まりで
生産できる。また、測温部兼赤外線吸収部10も図3と
同様に蛇行状パターンにしているので、測温部としての
抵抗値を大きくでき、赤外線を吸収するための受光面積
を大きくできる。そして、測温部兼赤外線吸収部10の
下部にも図3と同様に中空部13を形成しているので、
測温部兼赤外線吸収部10をSi基板10から熱的にほ
ぼ絶縁分離することができ、熱コンダクタンスは極めて
小さくなり、熱容量特性を大幅に改善できる。
素子と同様に一般的な半導体製造プロセスを用いて製造
することができ、品質の安定した素子を高い歩留まりで
生産できる。また、測温部兼赤外線吸収部10も図3と
同様に蛇行状パターンにしているので、測温部としての
抵抗値を大きくでき、赤外線を吸収するための受光面積
を大きくできる。そして、測温部兼赤外線吸収部10の
下部にも図3と同様に中空部13を形成しているので、
測温部兼赤外線吸収部10をSi基板10から熱的にほ
ぼ絶縁分離することができ、熱コンダクタンスは極めて
小さくなり、熱容量特性を大幅に改善できる。
【0022】図4の構造の赤外検出素子は、例えば以下
のような工程で製造する。 n型Si基板9上に不純物を高濃度にドープしたSi
単結晶層をエピタキシャル成長させる。 図示しないフォトレジスト膜をマスクにし、ドライエ
ッチング装置により測温部兼赤外線吸収部10の形成に
関与しない高濃度Si単結晶層の不要な部分を除去す
る。 n型Si基板9上にSi酸化膜14を成膜し、異方性
エッチング用とコンタクト用のホールを形成する。 Au−Crのようなで用いるアルカリ溶液に耐える
金属を蒸着し電極としてパターニングする。 Si酸化膜14と高濃度Si単結晶層をエッチングス
トップ層として用い、ヒドラジン等のアルカリ溶液でn
型Si基板9に対する異方性エッチングを行い、蛇行状
パターンの梁よりなる測温部兼赤外線吸収部10を形成
してボンディングする。
のような工程で製造する。 n型Si基板9上に不純物を高濃度にドープしたSi
単結晶層をエピタキシャル成長させる。 図示しないフォトレジスト膜をマスクにし、ドライエ
ッチング装置により測温部兼赤外線吸収部10の形成に
関与しない高濃度Si単結晶層の不要な部分を除去す
る。 n型Si基板9上にSi酸化膜14を成膜し、異方性
エッチング用とコンタクト用のホールを形成する。 Au−Crのようなで用いるアルカリ溶液に耐える
金属を蒸着し電極としてパターニングする。 Si酸化膜14と高濃度Si単結晶層をエッチングス
トップ層として用い、ヒドラジン等のアルカリ溶液でn
型Si基板9に対する異方性エッチングを行い、蛇行状
パターンの梁よりなる測温部兼赤外線吸収部10を形成
してボンディングする。
【0023】図4の構造の素子は、全製造工程をn型S
i基板9の表面からの処理のみで行えるので、図3の構
造の製造工程よりも簡略化できる。
i基板9の表面からの処理のみで行えるので、図3の構
造の製造工程よりも簡略化できる。
【0024】また、これらの実施例に共通する効果とし
て、半導体製造プロセスを用いることから、増幅回路を
素子と同一の基板上に作り込んだり、アレイ化にして撮
像素子として用いることができるなどの発展性も得られ
る。
て、半導体製造プロセスを用いることから、増幅回路を
素子と同一の基板上に作り込んだり、アレイ化にして撮
像素子として用いることができるなどの発展性も得られ
る。
【0025】ところで、図4の構造によれば、Si層1
0に高濃度の不純物をドープしているので、Si表面の
反射率は約50%となり、光を熱に変換する効率が低下
することになる。反射率を抑えるためには、金黒などの
吸収剤を表面に付着させる方法が一般的であるが、熱容
量が増加して赤外検出素子の応答速度が遅くなるという
新たな問題が発生する。
0に高濃度の不純物をドープしているので、Si表面の
反射率は約50%となり、光を熱に変換する効率が低下
することになる。反射率を抑えるためには、金黒などの
吸収剤を表面に付着させる方法が一般的であるが、熱容
量が増加して赤外検出素子の応答速度が遅くなるという
新たな問題が発生する。
【0026】しかし、このような問題は、以下に説明す
るように、赤外線吸収部における赤外線の入射角がブリ
ュスター角(Brewster angle or polarizing angle)に
なるように構造体を作ることで解決できる。
るように、赤外線吸収部における赤外線の入射角がブリ
ュスター角(Brewster angle or polarizing angle)に
なるように構造体を作ることで解決できる。
【0027】図5に赤外線吸収部における赤外線の入射
角がブリュスター角になるように構成された赤外検出素
子の構造例を示す。Si基板15上に赤外線の入射角が
図中のブリュスター角θBになるように高濃度に不純物
をドーピングした赤外吸収層を兼ねる測温抵抗体(以下
測温部兼赤外線吸収部という)16を形成して、その下
部が中空17となるようにする。この測温部兼赤外線吸
収部16の両端2ヵ所に電極取り出し部18を形成し
て、この部分から外部にリード線19を引き出す。
角がブリュスター角になるように構成された赤外検出素
子の構造例を示す。Si基板15上に赤外線の入射角が
図中のブリュスター角θBになるように高濃度に不純物
をドーピングした赤外吸収層を兼ねる測温抵抗体(以下
測温部兼赤外線吸収部という)16を形成して、その下
部が中空17となるようにする。この測温部兼赤外線吸
収部16の両端2ヵ所に電極取り出し部18を形成し
て、この部分から外部にリード線19を引き出す。
【0028】図6に空気または真空中に対するSiのエ
ネルギー反射率の関係を示す。入射角を増加させていく
とs偏光の反射率Rsは上昇していくのに対して、p偏
光の反射率Rpはブリュスター角θBまで減少していく。
Siの屈折率n1=3.4、空気の屈折率n0=1.0とす
ると、ブリュスター角θBは、 θB=tan-1(n1/n0)=76.3゜ が求められる。物質のエネルギー反射率は、反射率Rs
と反射率Rpの平均値で近似できる。p偏光のみの赤外
線を入射すると、図5のV字構造の赤外線検出素子は図
4の平面構造に対して約3倍の検出感度が得られる。
ネルギー反射率の関係を示す。入射角を増加させていく
とs偏光の反射率Rsは上昇していくのに対して、p偏
光の反射率Rpはブリュスター角θBまで減少していく。
Siの屈折率n1=3.4、空気の屈折率n0=1.0とす
ると、ブリュスター角θBは、 θB=tan-1(n1/n0)=76.3゜ が求められる。物質のエネルギー反射率は、反射率Rs
と反射率Rpの平均値で近似できる。p偏光のみの赤外
線を入射すると、図5のV字構造の赤外線検出素子は図
4の平面構造に対して約3倍の検出感度が得られる。
【0029】図5の素子の動作は以下のようになる。 1.p偏光のみの赤外線がブリュスター角θBで測温部
兼赤外線吸収部16に入射する。 2.赤外線のパワーに応じて、測温部兼赤外線吸収部1
6が温度上昇する。 3.温度上昇によって、測温部兼赤外線吸収部16の抵
抗値が変化する。 4.電極取り出し部18からリード線19を介して抵抗
率変化を測定する。 5.抵抗率変化から、赤外線のパワーを求める。
兼赤外線吸収部16に入射する。 2.赤外線のパワーに応じて、測温部兼赤外線吸収部1
6が温度上昇する。 3.温度上昇によって、測温部兼赤外線吸収部16の抵
抗値が変化する。 4.電極取り出し部18からリード線19を介して抵抗
率変化を測定する。 5.抵抗率変化から、赤外線のパワーを求める。
【0030】このように、図5の構造によれば、赤外線
(p偏光)を有効に受光できるように受光部への入射角
をp偏光反射率が最も低くなるブリュスター角としてい
るので、応答速度を落とすことなく赤外線応答感度を図
4の構造と比較して約3倍向上させることができる。ま
た、吸収物質を付加していないので、熱容量変化がなく
て赤外検出素子の応答速度が低下することがなく、Si
半導体製造プロセス整合性も維持できる。
(p偏光)を有効に受光できるように受光部への入射角
をp偏光反射率が最も低くなるブリュスター角としてい
るので、応答速度を落とすことなく赤外線応答感度を図
4の構造と比較して約3倍向上させることができる。ま
た、吸収物質を付加していないので、熱容量変化がなく
て赤外検出素子の応答速度が低下することがなく、Si
半導体製造プロセス整合性も維持できる。
【0031】なお、上記各実施例では、信号の取り出し
をリード線を介して行うので、リード線からの熱の逃げ
による感度低下が問題になる場合がある。このような問
題は、以下に説明するように、測温部兼赤外線吸収部の
抵抗値の変化を静電容量結合による検出する構造にする
ことで解決できる。
をリード線を介して行うので、リード線からの熱の逃げ
による感度低下が問題になる場合がある。このような問
題は、以下に説明するように、測温部兼赤外線吸収部の
抵抗値の変化を静電容量結合による検出する構造にする
ことで解決できる。
【0032】図7に測温部兼赤外線吸収部の抵抗値の変
化を静電容量結合により検出するように構成された赤外
検出素子の構造例を示す。図7において、絶縁基板20
上には信号取り出し電極21が形成され、この信号取り
出し電極21と対向するようにSi酸化膜やSi窒化膜
などによりダイアフラム22が形成されている。そし
て、ダイアフラム22の上部には測温部兼赤外線吸収部
23が形成されている。これにより、信号取り出し電極
21と測温部兼赤外線吸収部23は熱的に遮断されるこ
とになり、熱コンダクタンスは低くなっている。
化を静電容量結合により検出するように構成された赤外
検出素子の構造例を示す。図7において、絶縁基板20
上には信号取り出し電極21が形成され、この信号取り
出し電極21と対向するようにSi酸化膜やSi窒化膜
などによりダイアフラム22が形成されている。そし
て、ダイアフラム22の上部には測温部兼赤外線吸収部
23が形成されている。これにより、信号取り出し電極
21と測温部兼赤外線吸収部23は熱的に遮断されるこ
とになり、熱コンダクタンスは低くなっている。
【0033】図8は図7の赤外検出素子の等価回路例図
であり、測温部兼赤外線吸収部23とダイアフラム22
により形成される静電容量とリファレンス抵抗24とで
交流ブリッジを形成し、測温部兼赤外線吸収部23の抵
抗値変化分をインピーダンスの変化として検出する例を
示している。
であり、測温部兼赤外線吸収部23とダイアフラム22
により形成される静電容量とリファレンス抵抗24とで
交流ブリッジを形成し、測温部兼赤外線吸収部23の抵
抗値変化分をインピーダンスの変化として検出する例を
示している。
【0034】なお、図7の赤外検出素子を発振回路に組
み込んで、測温部兼赤外線吸収部23の抵抗値変化を発
振周波数変化として検出することも可能である。
み込んで、測温部兼赤外線吸収部23の抵抗値変化を発
振周波数変化として検出することも可能である。
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
製造プロセスが容易で量産化に適し、素子の応用発展性
にも優れた赤外検出素子とその製造方法が実現できる。
製造プロセスが容易で量産化に適し、素子の応用発展性
にも優れた赤外検出素子とその製造方法が実現できる。
【図1】Si単結晶抵抗体のノイズと抵抗温度係数の抵
抗率依存性の特性例図である。
抗率依存性の特性例図である。
【図2】赤外領域での吸収係数の抵抗率依存性の特性例
図である。
図である。
【図3】本発明の実施の形態の一例を一部を切断して示
す構成図である。
す構成図である。
【図4】本発明の実施形態の他の例を示す構成図であ
る。
る。
【図5】本発明の実施形態の他の例を示す構成図であ
る。
る。
【図6】空気または真空中に対するSiのエネルギー反
射率の関係を示す特性例図である。
射率の関係を示す特性例図である。
【図7】本発明の実施形態の他の例を示す構成図であ
る。
る。
【図8】図7の赤外検出素子の等価回路例図である。
1 SOI基板 2 Si基板 3,14 Si酸化膜 4 Si活性層 5,10,16,23 測温部兼赤外線吸収部 6,7 Al電極部 8,13,17 中空部 9,15 n型Si基板 11,18 電極取り出し部 19 リード線 20 絶縁基板 21 電極 22 ダイアフラム 24 リファレンス抵抗
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山岸 秀章 東京都武蔵野市中町2丁目9番32号 横河 電機株式会社内 Fターム(参考) 2G065 AB02 BA12 BB48 BC01 BC07 BE08 DA20
Claims (7)
- 【請求項1】 SOI基板上に、高濃度不純物のドープ
領域により形成された測温部兼赤外線吸収部を設けたこ
とを特徴とする赤外検出素子。 - 【請求項2】 測温部兼赤外線吸収部が蛇行状パターン
として形成されたことを特徴とする請求項1記載の赤外
検出素子。 - 【請求項3】 測温部兼赤外線吸収部の下部に中空部が
形成されたことを特徴とする請求項2記載の赤外検出素
子。 - 【請求項4】 測温部兼赤外線吸収部における赤外線の
入射角がブリュスター角になるようにV字構造に形成さ
れたことを特徴とする請求項1〜3記載の赤外検出素
子。 - 【請求項5】 測温部兼赤外線吸収部の抵抗値変化を静
電容量結合により検出することを特徴とする請求項1〜
4記載の赤外検出素子。 - 【請求項6】 SOI基板の裏面にSi酸化膜を形成す
る工程と、 SOI基板の活性層に高濃度不純物をドープする工程
と、 SOI基板の活性層に金属層を形成する工程と、 前記金属層を電極パターンに形成する工程と、 SOI基板裏面のSi酸化膜をマスクにして異方性エッ
チングを行い測温部兼赤外線吸収部の下部に中空部を形
成する工程と、 前記高濃度不純物ドープ領域を測温部兼赤外線吸収部に
形成する工程、とを含む赤外検出素子の製造方法。 - 【請求項7】 n型のSi基板上に高濃度不純物をドー
プしたSi単結晶層をエピタキシャル成長させる工程
と、 Si単結晶層を測温部兼赤外線吸収部に形成するととも
にその下部に中空部を形成する工程、とを含む赤外検出
素子の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10233847A JP2000065637A (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 赤外検出素子とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10233847A JP2000065637A (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 赤外検出素子とその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000065637A true JP2000065637A (ja) | 2000-03-03 |
Family
ID=16961511
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10233847A Pending JP2000065637A (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 赤外検出素子とその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000065637A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6953931B2 (en) | 2001-10-17 | 2005-10-11 | Nec Corporation | Bolometer type infrared detector |
WO2019171488A1 (ja) * | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Tdk株式会社 | 電磁波センサ |
-
1998
- 1998-08-20 JP JP10233847A patent/JP2000065637A/ja active Pending
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6953931B2 (en) | 2001-10-17 | 2005-10-11 | Nec Corporation | Bolometer type infrared detector |
WO2019171488A1 (ja) * | 2018-03-07 | 2019-09-12 | Tdk株式会社 | 電磁波センサ |
CN111886483A (zh) * | 2018-03-07 | 2020-11-03 | Tdk株式会社 | 电磁波传感器 |
JPWO2019171488A1 (ja) * | 2018-03-07 | 2021-03-11 | Tdk株式会社 | 電磁波センサ |
US11243118B2 (en) | 2018-03-07 | 2022-02-08 | Tdk Corporation | Electromagnetic wave sensor |
JP7188436B2 (ja) | 2018-03-07 | 2022-12-13 | Tdk株式会社 | 電磁波センサ |
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