JPH03209769A - 赤外線イメージセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、物体が輻射する赤外線を検出し、物体の温度
と放射率の分布を画像として捉えるための赤外線イメー
ジセンサに関し、特に、不要光除去効率を向上したショ
ットキ型の赤外線イメージセンサに関するものである。

［従来の技術］ 赤外線イメージセンサによる撮像は、各種工業計測や監
視および研究開発分野に幅広く応用されている。従来赤
外線撮像装置は単素子または１次元の小規模アレイを用
いた機械走査型であったが、最近半導体技術が急速に進
歩し、実用レベルの２次元アレイが得られるようになっ
てきた。以下、従来の赤外線イメージセンサについて、
第５図および＊６図に基づいて説明する。

第５図は、従来の赤外線イメージセンサ１を実装した状
態の赤外線撮像装置の断面図を示している。この赤外線
イメージセンサ１は、１次元または２次元的に配設され
た赤外線検出素子を集積したものであり、同図に示すよ
うに、真空に保持したデユワ２の内部２ａに載置されて
いる。またデユワ２の内部２ａには赤外線イメージセン
サ１の周囲の上方を覆うように、コールドシールド３が
配設されている。このコールドシールド３は、赤外線イ
メージセンサのデュワ２上部の窓４から入射する赤外線
に対する一定の視野を確保するとともに、光学系の鏡筒
などからの熱複写を遮断して、デユワ２の外部からの不
要光の入射を防止するために設けられている。またデユ
ワ２の左右の脚部５ａ、５ｂの下端には、赤外線イメー
ジセンサ１を駆動するためのクロック電源や信号出力を
デユワ２の外部に取出すための貫通電極６ａ、６ｂが取
付けられている。

デユワ２の左右の脚部５ａ、５ｂの間のデユワ凹部７に
は、赤外線イメージセンサ１を冷却するための液体窒素
などが満たされている。赤外線イメージセンサ１はデユ
ワ２の内面に接着されており、デユワ２を介して熱伝導
により冷却されている。

赤外線は、第５図に矢印Ａで示すように、窓４を通して
赤外線イメージセンサ１に入射する。しかし、赤外線イ
メージセンサ１に入射する赤外線はこれのみでなく、撮
像装置を構成するあらゆる部分から放射されており、そ
の中でも特に高温の部分はど放射量が多くなっている。

このような、正規の視野外から入射する余分な不要光が
赤外線イメージセンサ１に入射した場合、雑音が増大し
てダイナミックレンジの低下をもたらすことになる。こ
の不要光の入射を遮断するために設けられているのが、
コールドシールド３である。コールドシールド３は、そ
れ自身からの赤外線の輻射を防止するため、赤外線イメ
ージセンサ１と同程度の低温に保持され、内面の放射率
が高く、外面の放射率が低くなるように設定されている
。コールドシールド３の開口形状は、第６図に示すよう
に設定される。すなわち、赤外線イメージセンサ１に入
射する赤外線を絞るための開口絞りの左右両端の位置を
第６図に示すＢ、、Ｂ２とすると、赤外線イメージセン
サ１の下側の主面に設けられた個々の検出素子８がそれ
ぞれＢ、、Ｂ２の範囲を見込む視野角θａ、θｂ、θＣ
のうち、最も周縁に近い検出素子８の視野角θａ、θ。

が最も小さくなる。したがって、この視野角θＧ、θ。

が撮像装置の光学設計上要求される１つの検出素子の視
野角θＶ以上になるように、コールドシールド３の開口
形状が決定される。

なお、第６図においては説明の便宜上検出素子８の数を
３個としたが、実際には微細な検出素子が２次元的に多
数配列されている。

上記従来例の問題点を解消する従来技術として、特開昭
６３−４３３６６号公報には、背面入射型赤外線検知装
置において、赤外線吸収層を選択的に設けた構造が提案
されている。この公報に記載のものは、カドミウム・テ
ルル基板の表面に第１の導電型の水銀・カドミウム・テ
ルル結晶を形成し、その表面に所要間隔を隔てて、第１
導電型と逆の導電型の領域を複数形成し、カドミウム・
テルル基板と水銀・カドミウム・テルル結晶の間の領域
に赤外光吸収層を選択的に設けたものである。

赤外光吸収層としては、厚さ約１μｍの水銀・カドミウ
ムΦテルル層が用いられている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の撮像装置の構成では、検出素
子数の増加とともに赤外線イメージセンサ１のチップサ
イズも大きくなる。したがって、その周辺部の検出素子
において十分な視野角を確保するためには、コールドシ
ールド３の開口径を大きくする必要がある。その結果、
コールドシールド３のシールド効果が低下し、検出素子
が検知する雑音の増加や飽和を招くという問題が生じる
。

すなわち、上記従来の構成の光学系は第７Ａ図に示すよ
うになり、たとえば開口絞り９のレンズ１０を通って赤
外線イメージセンサ１の中央の検出素子８上に入射する
光線の視野角は、その検出素子からコールドシールド３
の開口を見込む視野角よりも小さいため、同図の斜線部
において入射する赤外線は、その検出素子にとって雑音
光１１となる。このように、入射する赤外光束がコール
ドシールド３の開口面を通過する領域が、赤外線イメー
ジセンサ１の検出素子の位置によって異なる光学系を、
非整合光学系という。

上記従来の非整合光学系の問題点を解消するものとして
、いわゆる開口整合光学系を適用することも考えられる
。第７Ｂ図ないし第７Ｄ図に開口整合光学系の構成例を
示している。いずれの構成においてもコールドシールド
３の開口部が光学系の開口絞りとなっている。開口絞り
は光学系を通過する信号光束の拡がりを決める絞りであ
るので、各検出素子はコールドシールド３の開口を通し
て鏡筒を見ることがない。すなわち、鏡筒から放射され
る不要な赤外線をコールドシールド３で遮断することが
できる。これらの開口整合光学系のうち、第７Ｂ図に示
す構成は、従来の光学系の開口絞り９をコールドシール
ド３に置換えた例であり、コールドシールド３の開口部
にレンズ１０を有する。このタイプの光学系では、コー
ルドシールド３の内部にレンズ１０が含まれるので、冷
却手段の熱負荷が増すことになる。

第７Ｃ図に示す光学系は、コールドシールド３の開口部
をレンズ１０の射出側に配置した例である。この構成で
は、光学設計は制約を受けるが、第７Ｂ図の構成のよう
な冷却上の問題はない。しかしながらこのタイプの光学
系は、入射光束のレンズ通過領域が入射角により大きく
異なるため、レンズの有効径が大きくなる。

第７Ｄ図に示す光学系は、対物レンズ１０ａとリレーレ
ンズ１０ｂとで構成した例である。リレーレンズ１０ｂ
は対物レンズにより結ばれた目標像を赤外線イメージセ
ンサ１上に再結像するとともに、対物レンズ１０ａの開
口絞り９の像（射出瞳）をコールドシールド３の開口面
上に結ばせている。なお、検出素子が対物レンズの開口
絞りを見ないように、コールドシールド３の開口を射出
瞳より小さく設定している。このタイプの光学系は、径
は小さくてすむが、全長が長くなるという問題がある。

また、特開昭６３−４３３６６５号公報に記載のもので
は、同一基板上にモノリシック構造で赤外線イメージセ
ンサを形成することが困難であり、検出素子と読出回路
を別々に製造して重ね合せるハイブリッド構造にする必
要がある。そのため、多画素化に伴なって生産が困難に
なるという問題が生じる。

本発明は、上記従来の問題点を解消するために、コール
ドシールド３のシールド効果の劣化により雑音光を防止
し、しかも光学系を大きくする必要がなく、またモノリ
シック構造が容易に実現できる赤外線イメージセンサを
提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明の赤外線イメージセンサは、アレイ上に複数個配
列されたショットキ型の赤外線検出素子を、半導体基板
の一生面上あるいはその近傍に形成し、この半導体基板
の他の主面側より赤外線を入射するものである。本発明
の特徴は、この半導体基板の一生面と他の主面の間に、
グループ化された所定単位の検出素子ごとに対応する赤
外光透過用の開口を設けた高濃度不純物層を形成したこ
とにある。

［作用コ 本発明によれば、高濃度不純物層の開口を、赤外線が入
射する光学系と各検出素子との位置関係で決まる所定の
位置に所定の形状で形成すれば、必要な視野内の赤外線
のみを各検出素子に対して増加させ、不要光の入射を防
止することができる。

これにより、不要光除去効率が向上し、ノイズを低減さ
せることができる。

゛［実施例］ 以下本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。第１
図は、本発明の一実施例の赤外線イメージセンサを撮像
装置に組込んだときの、検出素子８と高濃度不純物層１
２および開口絞り９の位置関係を示している。本実施例
の赤外線イメージセンサ１においては、シリコンからな
る基板内の一方の主面（第１図では下面）近傍に、ショ
ットキ型の検出素子８が形成されている。ショットキ型
の赤外線イメージセンサ１は、検出素子と読出用のマル
チプレクサを同一シリコン基板上に集積したモノリシッ
ク構造が容易に実現可能であるため、多画素化が容易で
ある。また固相反応により形成されるシリサイドは極め
て均一性が高く、２次元アレイとして重要な特性である
感度均一性に優れているため、最近特に注目されている
。ショットキ型赤外線イメージセンサの画素は、可視光
用イメージセンサの検出素子部分をショットキ検出素子
に置換えることで構成できる。

赤外線イメージセンサ１の内部には、不純物濃度が１０
１８〜１０”／ｃｍ”の高濃度不純物領域１２が形成さ
れている。この高濃度不純物領域１２は、基板と同じ導
電型であっても、異なる導電型であってもよく、第２図
に示すように各検出素子８を取囲むように形成されてい
る。赤外線の入射は第１図の矢印Ａで示した方向から行
なわれる。また高濃度不純物領域１２の検出素子８が形
成された面からの深さは数μｍ〜数百μｍ１厚さは数μ
ｍ〜数＋μｍであり、高エネルギイオン注入法やエピタ
キシャル成長法を用いて形成することができる。隣り合
う検出素子８０間には、ＣＯＤなどからなる読出回路が
形成されている。この続出回路が垂直ＣＣＤの場合の検
出素子近傍の断面構造（第２図のＤ−Ｄ断面に対応）は
、第３図に示すようになる。第３図に示す構造は、素子
分離シリコン酸化膜１３に囲まれた領域に、検出素子８
の領域とポリシリコンＪｉ）１４ａなどからなるトラン
スファゲート１４の領域、およびポリシリコン層１５ａ
、ｎ型不純物領域１５ｂなどからなる垂直ＣＣＤ１５の
領域が形成されている。これらの各領域の表面は、パッ
シベーション膜１８で覆われており、検出素子８の周辺
のｎ型領域１６は、周辺での電界を緩和し暗電流を減少
させるためのガードリングとして作用する。トランスフ
ァゲートがオフ状態で入射した赤外線は、白金シリサイ
ド層からなる金属電極１７部分で吸収され、精製された
正孔が半導体中に放出されて光電流どなり、これにより
金属電極１７側に信号電子が蓄積される。蓄積された電
子は一定の蓄積時間経過後にトランスファゲート１４を
オンすることにより、垂直ＣＣＤに読出され、検出素子
８の電位はリセットされる。

本実施例における赤外線イメージセンサ１の高濃度不純
物領域１２の各開口の大きさは、第１図に示したように
、各検出素子８の視野角（第１図に示すθα、θ。、θ
Ｃ）が必要な角度になるように設計する。一般に赤外線
イメージセンサを形成するシリコン基板は１０１４〜１
０”／ｃｍ３の不純物濃度であって、この程度の濃度で
は赤外線をほとんど吸収しないが、不純物濃度を高くす
ることによってシリコン中での赤外線の吸収が増大する
。したがって、第１図に示す構成により、視野角θα、
θｂ、θＣにより外側から入射する不要光は高濃度不純
物領域１２を通過する際に吸収され、検出素子８に到達
する不要光が減少する。

高濃度不純物領域１２における赤外光吸収は、金属や半
導体のように自由電子が多く存在する場合に、１つのバ
ンド内で自由電子が異なったにに遷移することによって
生じるものであり、ｐ型半導体では価電子帯の自由正孔
による吸収が生じる。

この吸収は、半導体のキャリア密度に比例するとともに
、光の波長の２乗に比例する（朝倉書店刊。

朝食電気工学講座１０．トランジスタ物性工学ｐ２８７
〜ｐ２８８参照）。

なお上記実施例では高濃度不純物領域が連続的に形成さ
れた場合について示したが、必ずしも連続している必要
はなく、検出素子８に入射しようとする不要光を遮蔽さ
えできれば、離散的に形成されていてもよい。

また、上記実施例では各検出素子８ごとに高濃度不純物
領域１２の開口を設けたが、たとえば第４Ａ図に示すよ
うに、複数の検出素子をグループ化し、そのグループご
とに高濃度不純物層１２の開口を設けることもできる。

第４Ａ図の構成は、第４Ｂ図に示したような、検出素子
８の列と読出用の垂直ＣＣＤ１５を交互に配置し、水平
ＣＣＤ１９、出力プリアンプ２０に接続したインターラ
イン転送方式の場合に有効である。すなわち、この方式
の場合、検出器の列方向の間隔が小さくなるため、各検
出列ごとに高濃度不純物層の開口を設けることができな
くなるが、第４Ａ図のように検出素子８を列ごとにまと
めて、１列ごとに開口を設けることによっても、不要光
吸収の効果を得ることができる。

また、上記実施例ではコールドシールドを用いない場合
について示したが、本発明の赤外線イメージセンサに従
来のコールドシールドを使用するとさらに効果的である
。

さらに、上記実施例では高濃度不純物層は基板の内部の
一生面近傍に形成したものを示したが、当該主面上に形
成してもよい。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、基板のショットキ型
赤外線検出素子を形成した一生面と赤外線が入射する他
の主面との間に、所定の開口を設けた高濃度不純物層を
形成することにより、モノリシック構造で、開口整合光
学系を用いることなく非整合光学系を使用した場合にも
不要光が除去できるので、光学系を大型化する必要もな
く、装置全体としてコンパクトなものにすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の赤外線イメージセンサを撮
像装置に組込んだ状態での、検出素子と高濃度不純物層
および開口絞りの開口の位置関係を示す断面図（第２図
のＣ−Ｃ断面に対応）、第２図は同実施例の赤外線イメ
ージセンサの平面図、第３図は同実施例の検出素子近傍
の断面図（第２図のＤ−Ｄ断面に対応）である。 第４Ａ図は本発明の他の実施例の赤外線イメージセンサ
の平面図、第４Ｂ図は同実施例を適用したインターライ
ン転送方式の検出素子の構成を示す平面図である。 第５図は従来の赤外線イメージセンサをコールドシール
ドとともに撮像装置のデユワ内に組込んだ状態を示す断
面図、第６図は同従来例の赤外線イメージセンサ近傍を
拡大して示す断面図、第７Ａ図は同従来例の非整合光学
系の構成を示す断面図、第７Ｂ図ないし第７Ｄ図は種々
の開口整合光学系の構成を示す断面図である。 図において１は赤外線イメージセンサ、８は検出素子、
９は開口絞り、１２は高濃度不純物層である。 なお、各図において同一符号を付した部分は同一または
相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 アレイ上に複数個配列されたショットキ型の赤外線検出
   素子を半導体基板の一主面上あるいはその近傍に形成し
   、この半導体基板の他の主面側より赤外線を入射する赤
   外線イメージセンサであって、 前記一主面と前記他の主面との間に、グループ化された
   所定単位の前記検出素子ごとに対応する赤外線光透過用
   の開口を設けた高濃度不純物層を形成したこと を特徴とする赤外線イメージセンサ。