JP2012156286A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線領域の電磁波を高い感度で検知することができる赤外線センサを提供する。
【解決手段】検知対象の波長に対応した長さで、半導体基板１２上に形成された一対のアンテナパターン１４，１６を有する。下金属層３０、絶縁層３２及び上金属層３４の３層から成り、一対のアンテナパターン１４，１６の間に設けられ、アンテナパターン１４，１６により検出された電磁波を整流するＭＩＭダイオード１８を備える。ＭＩＭダイオード１８は、下金属層３０、絶縁層３２、及び上金属層３４が厚み向に積層して設けられ、下金属層３０及び上金属層３４が一対のアンテナパターン１４，１６の互いに対向する端部にそれぞれ接続している。アンテナパターン１４，１６及びＭＩＭダイオード１８は、半導体基板１２上に設けられた集光レンズ２０により覆われている。レンズ２０は、アンテナパターン１４，１６を被覆して半導体基板１２上に一体に設けられている。
【選択図】図２

Description

この発明は、電磁誘起方式の赤外線センサに関する。

赤外線センサとして、従来から様々な形式のものが実用化されているが、それぞれに以下のような短所があった。例えば、サーモパイル等の熱起電力効果を利用したものは、応答速度が遅い。セラミック等の焦電効果を利用したものは、応答速度が遅く、赤外線の強度が一定の場合に感応できず、機械的な振動の影響も受けやすい。ボロメータ等の光導電効果を利用したものは、出力特性の継時変化が大きく、動作用の電源を設けなければならない。フォトダイオード等の量子トンネル効果を利用したものは、比較的高価な上、感度が得られる波長帯域が狭く、長波長タイプは冷却による温度調節が必要である。

近年、上記の問題点に鑑みて、特許文献１に示すように、半導体基板上に形成された検出素子であって、電磁波を受けるアンテナと、微小面積のシリコン・金属界面を持ちアンテナと直結された検波用高周波ショットキーバリアダイオードとを備えたアンテナ結合電界検出型の光検出素子が提案されている。

特開平９−１６２４２４号公報

しかしながら、特許文献１の光検出素子は、検波用のショットキーバリアダイオードが微小面積のシリコン・金属界面によるものなので、赤外線領域での動作速度が高速とは言えず、特に波長が数十μｍ以下の帯域において十分な感度を得ることが難しいものである。従って、特許文献１の光検出素子は、検知出力が極めて小さく、実際に検出可能な赤外線は、特許文献１にあるようにＣＯ_２レーザのようなエネルギー密度の高い赤外線に限られるという問題がある。

さらに、特許文献１の光検出素子の製造には、半導体の形成プロセスが必要であり、高価な半導体を含み、製造に関してもイオンドープ等の処理による複雑さと、汚染が問題となる。また、特許文献１の光検出素子は、ショットキーバリアダイオードを利用したものであるので、バイアス電圧が必要であり、チップ内にバイアス回路を組み合わせる場合にはさらに構造や製造が複雑化する。しかも、バイアス負荷を必要とするという事は、ノイズを導いてしまうことになり、測定精度を低下させるものである。

この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、赤外線領域の電磁波を高い感度で検知することができる赤外線センサを提供することを目的とする。

この発明は、検知対象の電磁波である赤外線の波長に対応した長さで半導体基板上に形成された一対のアンテナパターンと、下金属層、絶縁層及び上金属層の３層から成り前記一対のアンテナパターンの間に設けられ、このアンテナパターンにより検出された電磁波を整流するＭＩＭダイオードとを備え、前記ＭＩＭダイオードは、前記３層が厚み向に積層して設けられ、前記下金属層及び前記上金属層が前記一対のアンテナパターンの互いに対向する端部にそれぞれ接続されている赤外線センサである。前記ＭＩＭダイオードの下金属層と上金属層は、例えばAl-Al、Al-Pt、Al-Ti、Al-Ni、Ni-Ptといった対で構成され、一定電圧以上で導通するダイオード特性を有するものであり、ダイオードの電流−電圧曲線は、非線形性を有する。

特に、前記ＭＩＭダイオードの下金属層は、前記アンテナパターンと連続して形成されたAlであり、前記下金属層の表面を酸化して、前記絶縁層が形成されていると良い。

さらに、前記アンテナパターン及びＭＩＭダイオードは、前記半導体基板上に設けられた集光レンズにより覆われているものである。前記集光レンズは光学用の樹脂から成り、前記アンテナパターンを被覆して前記半導体基板上に一体に設けられている。

また、前記ＭＩＭダイオードに接続した前記アンテナパターンの端部から前記ＭＩＭダイオード近傍で延びた引出線が、前記半導体基板に設けられたビアを介して前記半導体基板裏面に引き出されているものである。

この発明の赤外線センサは、アンテナパターンが検知した赤外線を、同一又は異種の金属層間に絶縁層を挟んだＭＩＭダイオードで整流するので、ショットキーバリアダイオード等に比べ応答速度が速く、赤外線領域、特に波長が数十μｍ以下の帯域でも良好な感度を得ることができる。また、アンテナパターンの形状を調整すれば、測定対象の赤外線の波長に応じて検知可能波長を容易に変更することができる。

また、この赤外線センサは、半導体基板上に、アンテナパターンと、２つの金属層及び絶縁層から成るＭＩＭダイオード等を縦方向に積み重ねたシンプルな構造なので、製造が容易でありコストもかからず、ＥＢＬ等を用いてナノ・オーダーの精密加工を行うのにも適している。

この発明の赤外線センサの一実施形態を示す平面図である。 この実施形態の赤外線センサを示す正面図（ａ）、ＭＩＭダイオード部分の拡大図である。

以下、この発明の赤外線センサの一実施形態について、図１、図２に基づいて説明する。この実施形態の赤外線センサ１０は、波長が数十μｍ以下の赤外線を検知するものである。赤外線センサ１０は、ベースとなるＳｉ等の半導体基板１２と、半導体基板１２上に形成され赤外線を検知するアンテナパターンである第１及び第２アンテナパターン１４，１６とを備えている。さらに、第１及び第２アンテナパターン１４，１６が検出した電磁波による出力を整流するMetal-Insulator-Metalダイオード（以下、ＭＩＭダイオードと称す。）１８と、第１及び第２アンテナパターン１４，１６全体を覆うように設けられたレンズ２０とを備えている。

半導体基板１２は、例えば厚さ約６００μｍのＰ型シリコンである半導体層２２を有し、その表面と裏面に、厚さ約１．５μｍの酸化シリコン層である上酸化膜層２４及び下酸化膜層２６が形成されている。さらに、上酸化膜層２４の表面には、入射する赤外線が反射するのを防ぐため、図示しない反射防止コーティングが施されている。また、下酸化膜層２６の表面には、半導体基板１２を通過してきた赤外線を反射させるミラーコーティング層２８が薄く設けられており、第１及び第２アンテナパターン１４，１６が受ける赤外線の強度を強める。

第１及び第２アンテナパターン１４，１６は、半導体基板１２表面に形成され、直線状に左右対称に配置され、いわゆるダイポールアンテナの構成になっている。第１及び第２アンテナパターン１４，１６の長さは、半導体基板１２の材料や測定対象の赤外線の波長に基づいて調整される。上酸化膜層２４が酸化シリコンの半導体基板１２を使用し、例えば波長λ＝１０μｍ付近の赤外線を検知する場合は、第１及び第２アンテナパターン１４，１６の全長は約λ／２とするので、１及び第２アンテナパターン１４，１６を約３〜５μｍ、幅を数十ｎｍに設定する。特に、半導体基板１２がシリコンの場合は、アンテナ長さを３μｍに設定すると良い。

ＭＩＭダイオード１８は、下金属層３０、絶縁層３２、上金属層３４が厚み方向に積み重なった構造を有している。そして、第１アンテナパターン１４の出力端部分である第１接合部３６の上面に下金属層３０が形成され、上金属層３４が第２アンテナパターン１４の出力端部分である第２接合部３８の裏面側に面接合されている。

下金属層３０と上金属層３４は、ダイオード特性を有した非線形の電流−電圧特性を得るため、所定の材料で形成されている。下金属層３０と上金属層３４の対としては、例えば、Al-Al、Al-Pt、Al-Ti、Al-Ni、Ni-Ptといった対がある。これにより、ＭＩＭダイオード１８に電流バイアスがない無負荷の状態で整流動作が可能になる。さらに、外部のバイアス用の回路や電源を省略することができ、ＭＩＭダイオード１８からのノイズ発生を低減できる等の効果が得られる。

絶縁層３２によって分離された２つの金属層３０，３４は、同じ材料から成る場合は、ダイオード特性は対称性を示し、正負の一定電圧以上で抵抗が急激に減少し導通する。また、異なる金属材料で作られた場合、そのダイオード特性は非対称であり、Al-Pt、Al-Ti、Al-Niの対では、Alを下金属層３０とし、下金属層３０の表面を酸化して絶縁層３２を形成する。Ni-Ptの対の場合は、Niを下金属層３０とし、その表面を酸化して絶縁層３２を形成する。これらの場合のダイオード特性は非対称であり、正負の一定電圧以上で抵抗が急激に減少し導通する。また、Alを下金属層３０として構成することにより、中間の絶縁層３２である酸化膜形成の処理がし易いという利点がある。

第１アンテナパターン１４、第１接合部３６、及び下金属層３０は、同一の金属で形成されており、第２アンテナパターン１６、第２接合部３８、及び上金属層３４も同一の金属で形成されている。従って、下金属層３０は第１接合部３６で兼用しても良く、上金属層３４も第２接合部３８で兼用しても良い。

絶縁層３２の厚みは、電流−電圧特性の非線形性を高めることを考慮して、０．５ｎｍ〜５ｎｍ、好ましくは１ｎｍ〜２ｎｍに設定する。また、絶縁層３２の大きさは、ＭＩＭダイオード１８の高速応答性と検出波長を考慮して設定する。ＭＩＭダイオード１８の動作は、フォトダイオードと同様に、量子トンネル効果を利用したもので、応答速度は、絶縁層３２が有する絶縁抵抗及び接合容量に依存する。ここでは、周波数が数ＴＨｚ以上（波長が数十μｍ以下）の赤外線を検出可能にするため、絶縁層３２の厚みが１ｎｍ〜２ｎｍであること、及び絶縁層３２固有の誘電率などを考慮して、接合容量を一定以下に抑えるべく、絶縁層３２の大きさを約１００ｎｍ×１００ｎｍ以下、より好ましくは５０ｎｍ×５０ｎｍ〜２０×２０ｎｍに設定する。

第１及び第２アンテナパターン１４，１６の第１及び第２接合部３６，３８付近には、ＭＩＭダイオード１８の整流出力を取り出すための第１及び第２出力引出線４０，４２が延設されている。また、半導体基板１２の中央部には、第１及び第２出力引出線４０，４２に各々接続して半導体基板１２を貫通した一対のビア４４，４６が形成されている。一対のビア４４，４６は、絶縁層を介して半導体基板１２を貫通し、裏面側で図示しない裏面引出線に接続して、外部の回路に接続可能に設けられている。

また、信号処理の為の集積回路と赤外線センサ部を半導体基板１２に一体に形成した場合は、絶縁層を介して半導体基板１２に貫通した一対のビア４４，４６は、基板内に形成された集積回路へ接続するように設けられる。

レンズ２０は、測定対象の赤外線を第１及び第２アンテナパターン１４，１６に集光して感度を高めるものであり、ここでは、第１及び第２アンテナパターン１４，１６を光学レンズ用の樹脂を用いて凸レンズ状に形成し、第１及び第２アンテナパターン１４，１６及びＭＩＭダイオード１８を被覆して、半導体基板１２の上面に一体に設けられている。

上述した赤外線センサ１０は、例えば、次のような方法で製造することができる。まず、Ｐ型シリコン基板である半導体層２２を高温環境下で熱酸化させることによって上下の酸化膜層２４，２６を形成し、さらに上酸化膜層２４に反射防止コーティングを施し、下酸化膜２６をミラーコーティング層２８で覆って、半導体基板１２を作製する。

次に、半導体基板１２のミラーコーティング層２８の表面に絶縁層を介して図示しない裏面引出線を形成する。例えば、ミラーコーティング層２８の絶縁層表面にＡｕ等の導電体を蒸着し、レジスト層を形成し、マスクアイナーを用いて露光してパターニングを行い、現像液中に浸漬して現像し、エッチングを行い、最後に不要なレジスト層を除去して形成する。また、これ以外のプロセスとして、マスクの上から導電体を蒸着することにより直接パターンを形成するリフトオフのプロセスを用いてもよい。さらにこの前又は後に、裏面引出線に接続される一対のビア４４，４６を半導体基板１２に形成する。

次に、半導体基板１２の上酸化膜層２４表面に、第１及び第２アンテナパターン１４，１６、第１及び第２出力引出線４０，４２、ＭＩＭダイオード１８を形成する。この部分の形状は、赤外線センサ１０の性能に大きな影響を与えるので、極めて高い精度の加工技術が要求される。加工には、例えばナノ・オーダーの加工精度を実現する電子ビームリソグラフィ（以下、ＥＢＬと称す）を用いる。

パターンの形成に際して、先ず上酸化膜層２４表面にＥＢＬ用のレジスト層を形成し、ＥＢＬで第１及び第２アンテナパターン１４，１６及び第１及び第２出力引出線４０，４２を描画する。第１及び第２出力引出線４０，４２は、一対のビア４４，４６に接続する。次に、第１アンテナパターン１４の第１接合部３６上に、ＥＢＬを用いて下金属層３０を堆積させ、その上層部を酸素雰囲気中で酸化させることによって絶縁層３２を形成し、その上面にＥＢＬを用いて上金属層３４を堆積させる。そして、上金属層３４と第２アンテナパターン１６とを接続する第２接合部３８を形成し、最後に不要なレジスト層を除去する。なお、下金属層３０と第１接合部３６を兼用する場合、下金属層３０を堆積させる工程が省略され、上金属層３４を第２接合部３８で兼用する場合、上金属層３４を堆積させる工程が省略される。

次に、半導体基板１２の表面に光学用の樹脂を用いてレンズ２０を所定形状に成形し、この後、半導体基板１２を図示しないパッケージに収容して配線の接続を行い、パッケージングして完成する。

以上説明した赤外線センサ１０は、第１及び第２アンテナパターン１４，１６により検出した電磁波である赤外線を、ＭＩＭダイオード１８で検波し整流するので、赤外線領域、特に波長が数十μｍ以下の帯域でも良好な感度を得ることができる。また、ノイズの発生も小さく、外部に動作用の電源を設ける必要がなく、室温での動作が可能なため冷却等の温度管理も不要である。

また、第１及び第２アンテナパターン１４，１６の長さ等を調整することにより、検知可能な赤外線の波長（又は周波数）を容易に変更することができる。例えば、クッキングヒーター用の鍋底の温度調整用センサであれば６μｍ〜８μｍ程度の波長の赤外線を検知可能に当該パターン長さを調整すればよい。同様に、ビル空調用の二酸化炭素濃度モニタリングセンサの用途であれば２μｍ〜４μｍ程度の波長の赤外線を検知可能に、施設エネルギー管理用の人体検知センサの用途であれば約１０μｍの波長の赤外線を検知可能に第１及び第２アンテナパターン１４，１６の長さを調整すればよい。このように、用途ごとに最適な赤外線センサを、同一の製造設備、または同様の製造プロセスを用いて製造することができる。

また、赤外線センサ１０は、半導体基板１２上に、第１及び第２アンテナパターン１４，１６、ＭＩＭダイオード１８の金属層３０，３４及び絶縁層３２等を、層の厚み方向に積み重ねたシンプルな構造なので、製造コストの面で有利であり、ＥＢＬ等を用いてナノ・オーダーの精密加工を行うのにも適している。さらに、半導体基板１２からレンズ２０迄を一体的に形成することができ、半導体のＣ−ＭＯＳ構造との相性が良く、半導体基板１２にビア構造の他、アンプ等の回路を一体的に形成することも可能である。

なお、この発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、ＭＩＭダイオードは、金属表面の酸化膜を絶縁層にしたMOM（Metal-Oxide-Metal)型の他、金属層間に絶縁層となるバリア層を挟んだMBM（Metal-Barrier-Metal)ダイオードでも良く、絶縁層は適宜選択可能なものである。その他、アンテナパターンの形態は、ほぼ２次元的に構成することができ、赤外線の周波数帯域の検出に適用可能なものであればよく、上記のダイポールアンテナ状の形態と異なる他の形態を用いてもよい。また、赤外線集光用のレンズは、必要に応じて省略してもよく、ＭＩＭダイオードの出力を外部出力端子に出力するための配線やパッケージの形態は、適宜変更することができる。

１０ 赤外線センサ
１２ 半導体基板
１４ 第１アンテナパターン
１６ 第２アンテナパターン
１８ ＭＩＭダイオード
２０ レンズ
３０ 下金属層
３２ 絶縁層
３４ 上金属層

Claims (6)

1. 検知対象の電磁波である赤外線の波長に対応した長さで半導体基板上に形成された一対のアンテナパターンと、下金属層、絶縁層及び上金属層の３層から成り前記一対のアンテナパターンの間に設けられ、このアンテナパターンにより検出された電磁波を整流するＭＩＭダイオードとを備え、
   前記ＭＩＭダイオードは、前記３層が厚み向に積層して設けられ、前記下金属層及び前記上金属層が前記一対のアンテナパターンの互いに対向する端部にそれぞれ接続されていることを特徴とする赤外線センサ。
2. 前記ＭＩＭダイオードの下金属層と上金属層は、Al、Pt、Ti、Niの中から選ばれた同一又は異種の金属から成る請求項１記載の赤外線センサ。
3. 前記ＭＩＭダイオードの下金属層は、前記アンテナパターンと連続して形成されたAlであり、前記下金属層の表面を酸化して、前記絶縁層が形成されている請求項２記載の赤外線センサ。
4. 前記アンテナパターン及びＭＩＭダイオードは、前記半導体基板上に設けられた集光レンズにより覆われている請求項１，２又は３記載の赤外線センサ。
5. 前記集光レンズは光学用の樹脂から成り、前記アンテナパターンを被覆して前記半導体基板上に一体に設けられている請求項４記載の赤外線センサ。
6. 前記ＭＩＭダイオードに接続した前記アンテナパターンの端部から前記ＭＩＭダイオード近傍で延びた引出線が、前記半導体基板に設けられたビアを介して前記半導体基板裏面に引き出されている請求項１，２又は３記載の赤外線センサ。
   

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