JP2005283435A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型、高感度で時間応答性が高く、作製が簡易な赤外線センサを提供する。
【解決手段】 赤外線を受光して電気信号に変換する赤外線検出素子４３と、その赤外線検出素子４３に赤外線を導く光学素子４４とを具備し、光学素子４４は回折格子を備えたプレーナ型光導波路とされて、基板４１上に赤外線検出素子４３と並置されて形成される。光学素子４４により基板面と垂直方向から入射する赤外線４９が光路変換され、基板面と平行方向に導波されて赤外線検出素子４３に入射される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、赤外線検出素子と赤外線検出素子に赤外線を導く光学素子とを備えた赤外線センサにおいて、光学素子に赤外線の導波方向の制御機能と波長以下のスポットサイズへの集光機能を同時に持たせ、赤外線検出素子への単位面積あたりの赤外線入射光量を高めることにより、高感度で時間応答性が高く、小型（薄型）化を実現した赤外線センサに関するものである。

熱源から放射される赤外線を受光して電気信号に変換する赤外線センサには、大別して熱型センサと量子型センサとがある。熱型センサは赤外線を赤外線吸収層などを介して熱に変換することによりセンサ材料内に温度変化を誘起させ、その温度変化に起因して発生する起電力や電荷分布や抵抗値などの電気信号の変化を検知するものである。一方、量子型センサは赤外線で半導体を励起することによって発生する電流変化や起電力や電子放出を利用するものである。一般に量子型は冷却を必要とするため、小型化がしにくく、価格が高くなるという難点がある。一方、熱型は感度や時間応答性といった性能面では量子型に劣るものの、冷却を必要とせず、小型化・低価格化が可能で、体温計などの定常的な温度測定や時間変化の遅い用途（例えば人物センサなど）に広く利用されている。

熱型センサでは感度や時間応答性を向上させるために様々な工夫が行われている。これらの工夫は大別すると、光学系の改善、熱制御の改善、電気回路の改善に分けられる。光学系の改善とは、赤外線の単位面積あたりの受光量を高めるよう、レンズ等の光学素子や赤外線吸収部（赤外線を吸収して熱に変換する部分）の構成や構造を工夫することである。熱制御の改善とは、できるだけ熱抵抗の大きな熱分離構造を形成し、その熱分離構造部に赤外線吸収部を設けることにより、入射赤外線の吸収による熱分離構造の温度上昇を大きくするよう工夫することである。また、電気回路の改善とは、温度上昇を電気信号に変換する際、ノイズの低減などの工夫により信号検出効率を高める方法である。以下、熱型センサの中のサーモパイル型を例にとり、光学系の改善に関する従来技術を説明する。

赤外線吸収部に入射する単位面積あたりの赤外線量を大きくする最も単純な方法は、レンズを用いることである。特許文献１に、マイクロレンズアレイを用いて赤外線を赤外線吸収部に集光する方法が開示されている。また、レンズ以外の光学系を用いる例として、赤外線吸収部に直接到達しない赤外線の成分を反射鏡を用いて再び赤外線吸収部に集める例が特許文献２に開示されている。
図８は特許文献１に記載されている赤外線センサの構成を示したものであり、マイクロレンズ１１ａが縦横に一定ピッチで配列形成されたマイクロレンズアレイ１１がシリコン基板よりなる支持基板１２に一体形成され、この支持基板１２がシリコン基板１３上に固定されている。シリコン基板１３の表面には各マイクロレンズ１１ａに対応して赤外線を受光する多数の受光部１４が配置され、各受光部１４はシリコン基板１３の表面に形成された凹部１５の中央に左右から支持脚１６ａ，１６ｂを介して浮いた状態でそれぞれ支持されている。受光部１４は詳細図示を省略しているが、赤外線を吸収する赤外線吸収層と、その赤外線吸収層に接するように設けられた熱電変換素子を有するものとなっている。なお、図８中、１７は支持基板１２に形成されている凹部を示し、１８は信号転送回路を示す。また、１９はこの赤外線センサに入射し、マイクロレンズ１１ａによって集光される赤外線を示す。

一方、図９Ａは特許文献２に記載されている赤外線センサの構成を示したものであり、半導体基板２１と半導体基板２２の間にキャビティ２３が形成され、キャビティ２３内に赤外線センサ素子２４が位置し、半導体基板２２のキャビティ２３を形成する面に反射鏡２５が形成されている。赤外線センサ素子２４は半導体基板２１に形成支持されている。なお、図９Ａではこの半導体基板２１の構成を簡略化して示しているが、詳細には図９Ｂに示したような構成とされている。図９Ｂ中、２６はシリコンｐ形基板、２７はｎ形エピタキシャル層よりなる赤外線フィルタ、２８はＳｉＯ_２酸化膜、２９，３０はＳｉ_３Ｎ_４膜層、３１は吸光剤を示す。また、図９Ａ中、３２はこの赤外線センサに入射する光を示し、赤外線フィルタ２７によって赤外線のみフィルタリングされ、直接赤外線センサ素子２４に到達するほか、反射鏡２５によって反射集光されて赤外線センサ素子２４に導かれるものとなっている。
特開平１０−２０９４１４号公報 特許第３２５４７８７号公報

上述した従来の熱型赤外線センサにおける光学系は、いずれも単位面積あたりの赤外線吸収量を増加させ、感度と応答速度を向上させることをめざしたものであるが、単位面積あたりの赤外線吸収量をさらに増加させたいという要求や、センササイズの小型化や製造工程の簡素化による低コスト化の要求と両立させるためには、いくつかの問題がある。
特許文献１に開示されている方法では、レンズと赤外線吸収部との間に空間を設けることにより、縮小された集光スポットと同程度まで赤外線吸収部を小さくして熱容量を下げ、感度を高めている。しかしながら、集光スポットサイズを小さくするためには、レンズと赤外線吸収部との距離を離す必要が生じ、センサ自体が大型化してしまうという問題があった。また、赤外線吸収部との距離を十分離したとしても、集光スポットサイズを赤外線波長以下に小さくすることはできないという問題があった。さらに、レンズを形成した基板と赤外線検出素子部を形成した基板とは別であるため、精密な位置合わせを行って一体化する工程が必要となり、工程が複雑化し、製造コストが高くなるという問題点があった。

一方、特許文献２に開示されている赤外線反射鏡を用いる方法では、赤外線のスポットサイズを小さくすることができないため、スポットサイズに応じて赤外線吸収部の体積を小さく、すなわち熱容量を小さくすることにより感度を向上させることができないという問題があった。また、反射鏡と赤外線検出素子部とを異なる基板で形成した後、組み合わせるため、素子サイズの大型化と工程の複雑化による製造コストの上昇という問題があった。さらに、赤外線検出素子部の厚みが大きくなってしまうために、柔軟なプラスチック等よりなるフレキシブル基板を用いた場合には、曲げなどの機械的耐久性が著しく悪くなるという重大な問題があった。

以上のように、赤外線センサの光学系では、赤外線吸収部の熱容量を小さくできるよう、赤外線を十分小さいスポットに集光できること、光学系自体を小型化できることが要求され、さらには赤外線検出素子と光学系を一体化する際の位置合わせ精度の向上や工程の簡略化、機械的耐久性の向上等が赤外線センサに要求されている。これらの要求は、赤外線検出素子としてサーモパイル型を用いた上記従来例から明らかになったものであるが、赤外線検出素子の種類が異なっても、赤外線センサとしては同様の要求があるものと考えてよい。

この発明は上記要求に鑑み、小型でかつ位置合わせ等の組み立て工程が不要であって、赤外線の集光スポットサイズを波長以下にまで小さくすることにより著しく小さい赤外線吸収部を備えた高感度で時間応答性が高く、さらには高機械的耐久性を有する赤外線センサを提供することを目的とする。

請求項１の発明によれば、赤外線を受光して電気信号に変換する赤外線検出素子と、その赤外線検出素子に赤外線を導く光学素子とを具備する赤外線センサは、上記光学素子が屈折率の異なる材料の配列を有する素子とされて基板上に赤外線検出素子と並置されて形成され、上記光学素子により基板面と垂直方向から入射する赤外線が光路変換され、基板面と平行方向に導波されて赤外線検出素子に入射される構造とされる。
請求項２の発明では請求項１の発明において、光学素子が回折格子を備えたプレーナ型光導波路とされる。
請求項３の発明では請求項１の発明において、光学素子が複数の線状欠陥導波路とそれら各導波路に沿って配列された点欠陥とを具備する２次元フォトニック結晶素子とされる。

請求項４の発明では請求項２又は３の発明において、赤外線検出素子が温接点及び冷接点が共に上記基板面上に位置されたサーモパイルと、その温接点側に配置された赤外線吸収層とよりなるものとされる。
請求項５の発明では請求項４の発明において、上記光学素子と赤外線吸収層との間に間隙が設けられる。
請求項６の発明では請求項５の発明において、上記間隙に対応して上記基板に溝が形成される。
請求項７の発明では請求項１乃至６のいずれかの発明において、上記光学素子の赤外線検出素子と対向する端面と反対側の端面に赤外線を反射する反射体が形成される。

作用
赤外線検出素子における赤外線の受光は、入射スポットサイズを変換せずにそのまま受光する方法と、レンズを用いてスポットサイズを小さくし、単位面積あたりの赤外線受光量を増大させる方法が一般的であった。前者は主にコストの問題から集光用レンズを用いない赤外線センサの場合であって、感度や応答性を高めるにはレンズによる集光が不可欠と考えられてきた。しかしながら、レンズを用いる方法では回折限界があり、波長以下の大きさに集光することは原理的にできない。また、レンズ以外の光学素子を用いることにより、さらに集光スポットサイズを小さくする試みはこれまで行われてこなかった。

この発明では、レンズとは異なる原理により入射赤外線のスポットサイズを波長以下にまで変換できる光学素子を赤外線センサに用いることにより、センサの赤外線検出感度と応答性が著しく上昇することを見いだした。この光学素子の原理は、光学素子に入射した赤外線の光路をほぼ９０度曲げ、光学素子の厚み内に赤外線を閉じこめるものである。赤外線の光学素子への入射面積が従来と同じであっても、スポットサイズは光学素子の厚さ程度（例えば２μｍ）まで小さくなるため、入射赤外線のスポットサイズ変換率はレンズと比べて１桁以上大きくなる。

さらに、レンズでの集光の場合、レンズは赤外線検出素子が形成された基板面と垂直な方向（赤外線の入射光軸上）に、空間的に離れて配置させるかあるいは赤外線検出素子上に積層して配置する必要があった。一方、この発明における光学素子は赤外線の光路変換も行うため、赤外線検出素子と同一基板面内に並んで配置させることができる。このため、従来の赤外線センサでは不可能であった、赤外線波長程度以下の厚さの超薄型の赤外線センサを提供することができる。また、赤外線検出素子の温接点の熱絶縁効率を高めるためには光学素子と赤外線検出素子の間に間隙を設けることが望ましいが、この発明の光学素子は赤外線検出素子が形成される基板の同一面内において、赤外線検出素子との間に隙間ができるように光学素子を並べて形成するだけでよく、レンズの場合のように基板面に積層する配置で間隙を形成する方法に比べて、作製方法が極めて容易になるものである。

この発明によれば、赤外線検出素子と屈折率の異なる材料の配列を有する光学素子とが同一基板面内に並置されて形成され、この光学素子により入射した赤外線を基板と平行に波長以下のサイズで導波させることができるものとなっており、よって赤外線吸収部への単位面積あたりの赤外線光量を高めることができ、高感度化と高速応答性を実現することができる。また、赤外線検出素子の膜厚を薄くすることができ、高機械的耐久性を実現することができる。さらに、この光学素子は赤外線検出素子と同一基板上に形成されるため、光学系と赤外線検出素子との組み立て工程は不要となり、低コストで超小型（超薄型）の赤外線センサを提供することができる。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明の一実施例を示したものであり、この例ではシリコンよりなる基板４１上に電気および熱絶縁膜としてのＳｉＯ_２酸化膜４２が形成され、このＳｉＯ_２酸化膜４２上に、赤外線を受光して電気信号に変換する赤外線検出素子４３と、その赤外線検出素子４３に赤外線を導く光学素子４４とが並置されて形成される。
屈折率の異なる材料の配列を有する光学素子４４はこの例では回折格子を上面に備えたプレーナ型光導波路とされ、その構成材料はシリコンとされる。回折格子を構成するライン溝４４ａはこの例ではピッチ８μｍ、幅４μｍ、深さ０．５μｍとされており、光学素子４４の厚さは２μｍとされている。

上記のような光学素子４４はＳｉＯ_２酸化膜４２上にシリコンを２μｍ成膜し、その上にレジストを塗布してラインアンドスペースのパターニングを行い、レジストをマスクとしてドライエッチングによりシリコンにライン溝４４ａを形成した後、レジストを除去することによって形成される。
光学素子４４のライン溝４４ａと平行な一方の端面には赤外線を反射する反射体として反射膜４５が形成される。反射膜４５はこの例では金（Ａｕ）を蒸着することによって形成されている。なお、このような金属膜に替えて例えばＳｉＯ_２とＴａ_２Ｏ_５などの誘電体多層膜を用いることもできる。

赤外線検出素子４３はサーモパイル４６と赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収層４７とよりなるサーモパイル型赤外線検出素子とされ、光学素子４４の反射膜４５が形成されている端面と反対側の端面に対向するようにＳｉＯ_２酸化膜４２上に形成される。サーモパイル４６の各熱電素子４６ａ、温接点側の電極４６ｂ及び冷接点側の電極４６ｃは図１に示したような配置・形状とされ、すなわち温接点と冷接点は共に基板面上に位置され、各熱電素子４６ａは基板面と平行方向に延伸されて、その延伸方向両端に電極４６ｂ，４６ｃが配置されているものとされる。熱電素子４６ａをこのような構成とすることにより、両電極４６ｂ，４６ｃ間の温度差を大きくすることができ、大きな出力を得ることができる。なお、ＳｉＯ_２酸化膜４２上に成膜形成されているサーモパイル４６の厚さはこの例では光学素子４４の厚さと同じ２μｍとされ、また熱電素子４６ａの短冊状をなすｐ形，ｎ形半導体の大きさは幅１０μｍ程度、長さ５０μｍ程度とされている。

赤外線吸収層４７はサーモパイル４６の光学素子４４と対向する各温接点側の電極４６ｂに接触するようにそれぞれ形成され、この例では各赤外線吸収層４７は幅１μｍ×厚さ２μｍ×長さ２０μｍの大きさとされている。赤外線吸収層４７は黒化金よりなり、蒸着によって形成される。なお、赤外線吸収層４７の熱絶縁性を高めるために、赤外線吸収層４７と光学素子４４との間には所要の間隙４８が設けられている。間隙４８の大きさは例えば１０μｍ程度とされる。
シリコンよりなり、回折格子を備えたプレーナ型光導波路とされた光学素子４４は下地のＳｉＯ_２酸化膜４２との屈折率差による光閉じ込め効果を有し、この光学素子４４に基板面と垂直方向から入射した特定波長領域の赤外線は光路変換され、つまり光路をほぼ９０°曲げられて基板面と平行方向に光学素子４４内を導波する。図１Ａ中、４９は光学素子４４に入射される赤外線のスポットを示す。光学素子４４に入射した赤外線の中で、赤外線検出素子４３が配置されていない側へ導波した赤外線は光学素子４４の端面に形成されている反射膜４５によって反射され、赤外線検出素子４３が配置されている方向へ導波して赤外線検出素子４３の赤外線吸収層４７に入射される。従って、この例では入射した特定波長領域の赤外線を光学素子４４と同一基板面内に形成した赤外層吸収層４７に集光することができる。

従来の赤外線のスポットサイズおよび赤外線吸収部の一辺の長さは１００μｍ程度であり、これに対し、この例では赤外線のスポットサイズおよび赤外線吸収部の一辺の長さ（赤外線吸収層４７の厚さ）は光学素子４４の光導波路の厚さに相当するシリコン膜厚の２μｍに縮小されているので、従来と比べて１／５０になっている。すなわち、この例では同一の赤外線光量を熱容量の非常に小さい赤外線吸収層４７に集光可能であるため、赤外線吸収層４７の温度上昇率を高めて、高感度化と高速応答性を実現することが可能となる。なお、赤外線検出素子４３の厚さは必ずしも光学素子４４の厚さと等しくしなくてもよく、例えばこの例では２μｍより小さくしてもよい。

図２は図１の赤外線センサのＳｉＯ_２酸化膜４２が形成された基板４１に替えて柔軟なプラスチックフィルム５１を用い、このプラスチックフィルム５１上に図１と同様に赤外線検出素子４３及び光学素子４４を形成した実施例を示したものであり、この例では赤外線センサは可撓性を有するものとなっている。
ここで、プラスチックフィルム５１の曲げに対する赤外線センサの耐久性（どの程度の曲げまでセンサとしての機能を維持できるかの度合い）を調べた結果、光学素子４４の厚さに著しく依存することがわかった。その理由はこの図２に示した赤外線センサでは光学素子４４が大きな面積を占めており、光学素子４４は赤外線に対して透明なシリコンなどの半導体やガラスなどの誘電体で作製されることから、これらの材料は脆いため、厚くなるほど曲げ耐性が小さくなるためである。光学素子４４の膜厚と曲げ耐性の関係を調べた結果、約１０μｍより膜厚が大きくなると、光学素子４４にクラックが入る頻度が高くなり、曲げ耐性が急激になくなることがわかった。

次に、図３に示した実施例について説明する。この例では光学素子４４と赤外線検出素子４３との間の間隙４８に対応して基板４１に深溝５２が形成されたものとなっている。この深溝５２はエッチングによって形成され、この例では幅１０μｍ、深さ１００μｍとされている。
このような深溝５２を設けることにより、赤外線吸収層４７で変換された熱の光学素子４４や基板４１への熱伝導が抑えられ赤外線吸収層４７の熱絶縁性がさらに高められるため、赤外線吸収層４７の温度上昇率をさらに高めることができ、より一層の高感度化と高速応答性を実現することができる。なお、この図３に示した赤外線センサは基板４１に予め深溝５２を形成しておき、この深溝５２を挟むように赤外線検出素子４３と光学素子４４を形成することによって作製される。

図４は図１に示した赤外線センサに対し、反射膜４５をなしとした赤外線センサを示したものであり、このように反射膜４５のない構成とすることもできる。但し、この例では赤外線吸収層４７に到達する赤外線光量は図１の約１／２となるため、その分赤外線検出感度は劣るものとなる。
上述した実施例では光学素子を、回折格子を備えたプレーナ型光導波路としているが、これに替え、光学素子に２次元フォトニック結晶素子を用いる構成について、次に説明する。

図５は光学素子５３が２次元フォトニック結晶素子とされた赤外線センサの一実施例を示したものであり、図１と対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
光学素子５３は厚さ２μｍのシリコンをパターニングすることによって形成されており、孔５４が三角周期配列された２次元フォトニック結晶の中に線状欠陥により導波路５５が複数本平行に形成され、さらにそれら各導波路５５に沿って孔５４の配列の中に孔５４と大きさの異なる欠陥孔５６が点欠陥として配列形成されたものとなっている。なお、図５Ｂにおいては孔５４が開いている様子を模式的に、つまりピッチ、径を大きくして示している。

図６は光学素子５３の一部を拡大して示したものであり、導波路５５は１列、孔５４を形成しない（孔５４を１列削除する）ことによって構成され、また欠陥孔５６は導波路５５の両側において、それぞれ３列目の孔５４の位置に位置されて形成されている。
この光学素子５３は以下のようにして形成される。ＳｉＯ_２酸化膜４２上にシリコンを２μｍ成膜し、その上にレジストを塗布して三角周期配列の孔５４のパターンを電子線リソグラフィで露光する。この時、導波路５５と欠陥孔５６とを含むパターンとする。レジストを現像してレジストマスクを作成し、このレジストマスクを用いてドライエッチングによりシリコンをエッチングする。その後、レジストマスクを除去し、さらにパターニングされたシリコンの下のＳｉＯ_２酸化膜４２を選択エッチングにより除去する。これにより、シリコン層の上下を空気層で挟んだ形状のスラブが形成される。なお、この例では孔５４は直径２.３μｍ、周期４μｍとし、また欠陥孔５６は直径４．６μｍとした。

シリコン膜に形成した大きさの異なる欠陥孔５６は、特定波長の赤外線のみを隣接する導波路５５に結合させる機能をもっている。即ち、光学素子５３に垂直に入射した赤外線の中で、特定波長の赤外線のみが導波路５５と結合する際に９０度進行方向を変え、厚さ２μｍのシリコンよりなる導波路５５中を伝播し、赤外線吸収層４７に到達する。導波路５５に結合した赤外線は、シリコン層の面内方向へは三角周期パターンにより閉じ込め効果で、面と垂直方向へは空気層との屈折率差による光閉じ込め効果で、損失なしにシリコン膜の面内を導波する。また、光学素子５３に入射した赤外線の中で、赤外線検出素子４３が形成されていない側へ導波した赤外線は端面に形成されている反射膜４５により反射し、赤外線検出素子４３が形成されている方向へ導波して赤外線吸収層４７に到達する。そのため、入射した特定波長領域の赤外線を光学素子５３と同一基板面内に形成した赤外線吸収層４７に集光することができる。なお、図６中、矢印５７は欠陥孔５６に入射した特定波長の赤外線が導波路５５に結合するイメージを示し、矢印５８は導波路５５を伝播する赤外線の方向を示す。

従来の赤外線のスポットサイズおよび赤外線吸収部の一辺の長さは前述したように１００μｍ程度であり、これに対し、この例の赤外線のスポットサイズおよび赤外線吸収部の一辺の長さは光学素子５３の導波路の厚さに相当するシリコン膜厚の２μｍに縮小されている。入射した赤外線のうち、２０％が欠陥孔５６に入射し、５０％の効率で導波路５５に結合した場合、１０％の赤外線を２μｍのスポットに集光できる。１００μｍのスポット径の赤外線が入射する従来の場合と比較すると、単位面積あたりの赤外線量は５倍になる。従って、この例においても同一の赤外線光量を熱容量の非常に小さい赤外線吸収層４７に集光可能であるため、赤外線吸収層４７の温度上昇率を高めて、高感度化と高速応答性を実現することが可能となる。

光学素子４４もしくは５３と赤外線吸収層４７との間の間隙４８及び基板４１に形成した深溝５２は上述した例では空気層となっているが、これに替え、不活性ガス層や真空層とすることもできる。この場合、センサ全体をケースで囲った後、不活性ガスを充填することにより不活性ガス層とすることができ、また真空封止することにより真空層とすることができる。
図７は上述した実施例と比較するための比較例の構成を示したものであり、図７Ａに示した赤外線センサは図１に示した実施例と同様の赤外線検出素子を用い、光学素子４４の代わりに凸レンズを用いた構成となっている。図中、６１は基板、６２はレンズ、６３はスペーサを示す。

図１に示した実施例と図７Ａの比較例を、素子効率や感度、素子の外形寸法の観点で比較してみた。センサに入射した波長１０μｍの赤外線が赤外線吸収層４７に集光されて発生する熱電素子４６ａの温接点と冷接点の温度差は、実施例の場合、比較例の約５倍であった。また、素子の厚みは、実施例では赤外線検出素子４３と光学素子４４が２μｍ程度なのに対して、比較例では赤外線吸収層４７からレンズ６２の上端までの距離は１ｍｍ以上必要であった。また、レンズ６２による集光ビームの位置ずれについて検討した結果、比較例ではレンズ６２から赤外線検出素子までの距離が長いために組み立て精度の影響が強く表れてしまうのに対して、実施例では同一基板上に赤外線検出素子４３と光学素子４４を作り込むので両者の光軸がずれることはなかった。
以上のように、この発明による赤外線センサは、高感度で、素子の外形寸法が小さくでき、かつ本質的に組み立て精度が高いので生産性がよいことがわかる。

次に、赤外線検出素子と光学素子との間の間隙の作製の容易さについて図７Ａ〜Ｃに示した比較例をもとに説明する。レンズを用いる場合、レンズは赤外線検出素子を形成する基板の法線方向に空間的に離れた位置に形成する必要がある。そのため、レンズ６２を別途作製した後、赤外線検出素子を形成した基板６１と組み合わせる必要がある（図７Ａ）。この方法では、赤外線センサの感度は組み立て精度に依存するため、工程が複雑になってコストが上昇するという問題がある。組み立て工程をなくすには、図７Ｂに示したように赤外線検出素子の上にＳｉＯ_２やＳｉＮ_ｘといった熱絶縁膜６４を介してレンズ６２を直接積層する方法がある。しかしながら、ＳｉＯ_２やＳｉＮ_ｘといった熱伝導率の低い材質であっても、空気層あるいは真空層からなる間隙と比較すると熱伝導率は１桁以上高く、効率的な熱絶縁は困難である。そのため、一旦熱絶縁膜を介してレンズ６２を形成した後、熱絶縁膜のみをエッチングで除去し、空気層からなる間隙６５を作製することもできる（図７Ｃ）。しかしながら、熱絶縁膜のみをエッチングするには保護膜の形成など工程が複雑化し、歩留りが悪化する要因となる。以上のことから、この発明による赤外線センサは、高感度化・高速応答化を実現するために不可欠な、光学素子と赤外線検出素子との熱絶縁を高めるための間隙を作製する点で従来より容易なことがわかる。

この発明による赤外線センサの第１の実施例を示す図、Ａは平面図、Ｂは断面図。 この発明による赤外線センサの第２の実施例を示す図、Ａは平面図、Ｂは断面図。 この発明による赤外線センサの第３の実施例を示す図、Ａは平面図、Ｂは断面図。 この発明による赤外線センサの第４の実施例を示す図、Ａは平面図、Ｂは断面図。 この発明による赤外線センサの第５の実施例を示す図、Ａは平面図、Ｂは断面図。 図５Ａにおける光学素子の部分拡大図。 Ａ〜Ｃはそれぞれ比較例を示す断面図。 赤外線センサの従来構成例を示す図、Ａは平面図、Ｂは拡大断面図。 赤外線センサの従来構成の他の例を示す図、Ａは略断面図、Ｂは赤外線センサ素子が形成されている半導体基板の詳細断面図。

Claims (7)

1. 赤外線を受光して電気信号に変換する赤外線検出素子と、その赤外線検出素子に赤外線を導く光学素子とを具備する赤外線センサであって、
   上記光学素子は屈折率の異なる材料の配列を有する素子とされて、基板上に上記赤外線検出素子と並置されて形成され、
   上記光学素子により上記基板面と垂直方向から入射する赤外線が光路変換され、基板面と平行方向に導波されて上記赤外線検出素子に入射される構造とされていることを特徴とする赤外線センサ。
2. 請求項１記載の赤外線センサにおいて、
   上記光学素子が回折格子を備えたプレーナ型光導波路とされていることを特徴とする赤外線センサ。
3. 請求項１記載の赤外線センサにおいて、
   上記光学素子が複数の線状欠陥導波路とそれら各導波路に沿って配列された点欠陥とを具備する２次元フォトニック結晶素子とされていることを特徴とする赤外線センサ。
4. 請求項２又は３記載の赤外線センサにおいて、
   上記赤外線検出素子は温接点及び冷接点が共に上記基板面上に位置されたサーモパイルと、その温接点側に配置された赤外線吸収層とよりなることを特徴とする赤外線センサ。
5. 請求項４記載の赤外線センサにおいて、
   上記光学素子と赤外線吸収層との間に間隙が設けられていることを特徴とする赤外線センサ。
6. 請求項５記載の赤外線センサにおいて、
   上記間隙に対応して上記基板に溝が形成されていることを特徴とする赤外線センサ。
7. 請求項１乃至６記載のいずれかの赤外線センサにおいて、
   上記光学素子の上記赤外線検出素子と対向する端面と反対側の端面に赤外線を反射する反射体が形成されていることを特徴とする赤外線センサ。

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