JPS5990468A - 固体赤外撮像素子 - Google Patents
固体赤外撮像素子Info
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- JPS5990468A JPS5990468A JP57201298A JP20129882A JPS5990468A JP S5990468 A JPS5990468 A JP S5990468A JP 57201298 A JP57201298 A JP 57201298A JP 20129882 A JP20129882 A JP 20129882A JP S5990468 A JPS5990468 A JP S5990468A
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- Japan
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- infrared ray
- infrared light
- solid
- infrared
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- Pending
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-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
- H10F77/40—Optical elements or arrangements
- H10F77/413—Optical elements or arrangements directly associated or integrated with the devices, e.g. back reflectors
Landscapes
- Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
この発明は赤外光の検出感度を向上させた固体赤外撮像
素子に関するものである〇 〔従来技術〕 一般に固体赤外撮像素子は、物体の熱像を得るために二
次元に配置した複数の赤外光検出素子とこの検出信号転
送あるいは信号読み出し回路とを備えて構成されている
。また、固体赤外撮像素子には種々の形式があるが、半
導体基板に赤外光検出素子と電荷転送素子とを組み込ん
だいわゆるモノリシック形が価格および信頼性の点で優
れている。また、この半導体基板としてはシリコン、イ
ンジウム・アンチモンや水銀−カドミウム・テルル等の
単結晶が用いられている。
素子に関するものである〇 〔従来技術〕 一般に固体赤外撮像素子は、物体の熱像を得るために二
次元に配置した複数の赤外光検出素子とこの検出信号転
送あるいは信号読み出し回路とを備えて構成されている
。また、固体赤外撮像素子には種々の形式があるが、半
導体基板に赤外光検出素子と電荷転送素子とを組み込ん
だいわゆるモノリシック形が価格および信頼性の点で優
れている。また、この半導体基板としてはシリコン、イ
ンジウム・アンチモンや水銀−カドミウム・テルル等の
単結晶が用いられている。
第1図はこれらの半導体材料を用いた固体赤外撮像素子
を示す平面図である。同図において、(1)は赤外光を
検出するフォトダイオードで、例えば64X64個ある
いは256x256個の二次元アレイを構成している。
を示す平面図である。同図において、(1)は赤外光を
検出するフォトダイオードで、例えば64X64個ある
いは256x256個の二次元アレイを構成している。
そして、フォトダイオード(1)群の各列で検出した赤
外信号は、半導体基板の表面に設けられた転送チャンネ
ル(2)を通じて電荷転送デバイス(以下CCD と記
す)(3)に移動する。
外信号は、半導体基板の表面に設けられた転送チャンネ
ル(2)を通じて電荷転送デバイス(以下CCD と記
す)(3)に移動する。
そして、CCD(3)の電荷は矢印の方向に移動し、C
CD転送チャンネル(4)を通じ出力C0D(5)に送
られる。
CD転送チャンネル(4)を通じ出力C0D(5)に送
られる。
しかしながら、このように構成された固体赤外撮像素子
において、赤外光信号は一般に(量子効率)×(開口率
)×(被写体の温度)×(放射率)で現わされるので、
開口率は感度向上に対して大きな要素となっている。ま
た、光学系を透過してフォトダイオード(1)に入射す
る光束は、撮像面に入射する光束の約20%程度であり
、残りは撮像に全く寄与していない。このため、赤外光
の検出感度が低下し、画像情報としての信頼性が低かっ
た。
において、赤外光信号は一般に(量子効率)×(開口率
)×(被写体の温度)×(放射率)で現わされるので、
開口率は感度向上に対して大きな要素となっている。ま
た、光学系を透過してフォトダイオード(1)に入射す
る光束は、撮像面に入射する光束の約20%程度であり
、残りは撮像に全く寄与していない。このため、赤外光
の検出感度が低下し、画像情報としての信頼性が低かっ
た。
第2図は化学プラントにおける反応釜の異常発熱現象を
監視するシステムの概念図を示したものである。同図に
おいて、このシステムは、反応釜(6)を撮像する光学
系(7)および固体撮像素子(8)とこの固体撮像素子
(8)を駆動して信号を取シ出す信号系(9)とその表
示系(10)とから構成されているが、このシステムに
おいて、反応釜(6)に異常反応が生じ、高温部分(1
1)が現われても固体撮像素子(8)のいずれの赤外光
検出素子にも高温部分(11)が視野として入らないの
で、表示系(10)にも高温部分(12)が当然現われ
ない。このように固体撮像素子(8)は赤外光検出素子
が撮像面で離散しており、したがって撮像面における赤
外光検出素子の占める面積が約20チと低いことが重要
な問題となっていた。
監視するシステムの概念図を示したものである。同図に
おいて、このシステムは、反応釜(6)を撮像する光学
系(7)および固体撮像素子(8)とこの固体撮像素子
(8)を駆動して信号を取シ出す信号系(9)とその表
示系(10)とから構成されているが、このシステムに
おいて、反応釜(6)に異常反応が生じ、高温部分(1
1)が現われても固体撮像素子(8)のいずれの赤外光
検出素子にも高温部分(11)が視野として入らないの
で、表示系(10)にも高温部分(12)が当然現われ
ない。このように固体撮像素子(8)は赤外光検出素子
が撮像面で離散しており、したがって撮像面における赤
外光検出素子の占める面積が約20チと低いことが重要
な問題となっていた。
このように固体撮像素子において、撮像面上の赤外光検
出素子の占める領域は、MOS形では約50%、CCD
形では約20チであり、赤外撮像素子では通常CCD形
を採用するので、入射する光の約80チを利用していな
いことになる。
出素子の占める領域は、MOS形では約50%、CCD
形では約20チであり、赤外撮像素子では通常CCD形
を採用するので、入射する光の約80チを利用していな
いことになる。
この発明は前述した問題を改善する目的でなされたもの
で、赤外光検出素子に赤外光集光レンズを組み合わせる
ことにより、赤外光検出素子の視野を広げ、撮像面に到
達する光情報を有効に利用できる固体赤外撮像素子を提
供するものである。
で、赤外光検出素子に赤外光集光レンズを組み合わせる
ことにより、赤外光検出素子の視野を広げ、撮像面に到
達する光情報を有効に利用できる固体赤外撮像素子を提
供するものである。
第3図はこの発明による固体赤外撮像素子の一実施例を
示す断面図である。同図において、(21)はシリコン
半導体基板、(22)は p−n接合あるいはショット
キバリア構造からなる赤外光検出素子、(23)は赤外
光検出信号を蓄積するソース電極、(24)はある時間
で信号電荷をCCD (25)に転送するゲート電極、
(26)は電荷転用の転送電極、(27)はゲート電極
(24)と転送電極(26)との間を電気的に絶縁する
シリコン酸化膜などからなる絶縁性薄膜、(28)杜絶
縁性薄膜(27)の表面を平坦化させるシリコン酸化物
系ガラスからなりかつ赤外光に対して透明な平坦層、(
29)は平坦層(28)上の赤外光検出素子(22)と
対応する部位に個々に形成された多結晶シリコンからな
る微小な赤外光集光レンズ、(30)は平坦層(28)
上に赤外光集光レンズ(29)を安定に支持するレンズ
支持層であり、このレンズ支持層(30)は赤外光に対
して透明でかつ屈折率の小さい石英で形成されている。
示す断面図である。同図において、(21)はシリコン
半導体基板、(22)は p−n接合あるいはショット
キバリア構造からなる赤外光検出素子、(23)は赤外
光検出信号を蓄積するソース電極、(24)はある時間
で信号電荷をCCD (25)に転送するゲート電極、
(26)は電荷転用の転送電極、(27)はゲート電極
(24)と転送電極(26)との間を電気的に絶縁する
シリコン酸化膜などからなる絶縁性薄膜、(28)杜絶
縁性薄膜(27)の表面を平坦化させるシリコン酸化物
系ガラスからなりかつ赤外光に対して透明な平坦層、(
29)は平坦層(28)上の赤外光検出素子(22)と
対応する部位に個々に形成された多結晶シリコンからな
る微小な赤外光集光レンズ、(30)は平坦層(28)
上に赤外光集光レンズ(29)を安定に支持するレンズ
支持層であり、このレンズ支持層(30)は赤外光に対
して透明でかつ屈折率の小さい石英で形成されている。
この場合、レンズ支持層(30)は赤外光集光レンズ(
29)の曲率に合わせた凹面をフォトリングラフィ技術
を用いて加工形成され、また、赤外光集光レンズ(29
)の形成も同様である。
29)の曲率に合わせた凹面をフォトリングラフィ技術
を用いて加工形成され、また、赤外光集光レンズ(29
)の形成も同様である。
第4図(a)〜(d)はこの発明による固体赤外撮像素
子の赤外集光レンズの製作工程を説明するための断面図
である。これらの図において、同一符号は同一または相
当部分を示すものである。まず、同図(a)に示すよう
にシリコン半導体基板(21)の絶縁性薄膜(27)上
にシリコン酸化物系ガラスを付着して平坦ffi (2
8)を形成する。次にこの平坦層(28)上に前記レン
ズ支持層(30)となる低屈折率の赤外光透明層として
の石英を付着して石英層(31)を形成する。そして、
この石英層(31)上に前記赤外光集光レンズ(29)
の曲率に合わせて凹面を形成するためのレジスト膜(3
2)をフォトリソグラフィを用いて形成する。この場合
、このレジスト膜(32)は通常のシリコン集積回路の
形成に用いられるものと同等のものが使用される。次に
、同図(b)に示すように弗酸系の腐蝕液を用いて石英
層(31)をエツチングして第3図に示すレンズ支持層
(30)を形成する。この場合、このレンズ支持層(3
0)の凹面の曲率はレジスト膜(32)の寸法および腐
蝕液の組成などによって調製できる。次に同図(c)に
示すようにレンズ支持層(30)上にレンズ材料として
化学蒸着法によりポリシリコン層(33)を成膜する。
子の赤外集光レンズの製作工程を説明するための断面図
である。これらの図において、同一符号は同一または相
当部分を示すものである。まず、同図(a)に示すよう
にシリコン半導体基板(21)の絶縁性薄膜(27)上
にシリコン酸化物系ガラスを付着して平坦ffi (2
8)を形成する。次にこの平坦層(28)上に前記レン
ズ支持層(30)となる低屈折率の赤外光透明層として
の石英を付着して石英層(31)を形成する。そして、
この石英層(31)上に前記赤外光集光レンズ(29)
の曲率に合わせて凹面を形成するためのレジスト膜(3
2)をフォトリソグラフィを用いて形成する。この場合
、このレジスト膜(32)は通常のシリコン集積回路の
形成に用いられるものと同等のものが使用される。次に
、同図(b)に示すように弗酸系の腐蝕液を用いて石英
層(31)をエツチングして第3図に示すレンズ支持層
(30)を形成する。この場合、このレンズ支持層(3
0)の凹面の曲率はレジスト膜(32)の寸法および腐
蝕液の組成などによって調製できる。次に同図(c)に
示すようにレンズ支持層(30)上にレンズ材料として
化学蒸着法によりポリシリコン層(33)を成膜する。
そして、このポリシリコン層(33)上に前記赤外光集
光レンズ(29)の曲率に合わせて凸面を形成するため
のレジストパターン(34)をフォトリングラフィを用
いて形成する。次に同図(d)に示すようにポリシリコ
ン層(33)を腐蝕液で加工する。この場合、腐蝕液と
しては弗酸と硝酸との混合液を用いる。最後にレジスト
パターン(34)を除去して第3図に示すような赤外光
集光レンズ(29)が形成され、レンズの製作は終了す
る。
光レンズ(29)の曲率に合わせて凸面を形成するため
のレジストパターン(34)をフォトリングラフィを用
いて形成する。次に同図(d)に示すようにポリシリコ
ン層(33)を腐蝕液で加工する。この場合、腐蝕液と
しては弗酸と硝酸との混合液を用いる。最後にレジスト
パターン(34)を除去して第3図に示すような赤外光
集光レンズ(29)が形成され、レンズの製作は終了す
る。
このような構成によると、個々の赤外検出素子(22)
上にそれぞれ対応する部位に赤外集光レンズ(29)を
設けたので、赤外検出素子(22)のそれぞれの視野が
広くなり、固体赤外撮像素子の開口率が実質的に増加し
、赤外光の検出感度を大幅に向上させることができる。
上にそれぞれ対応する部位に赤外集光レンズ(29)を
設けたので、赤外検出素子(22)のそれぞれの視野が
広くなり、固体赤外撮像素子の開口率が実質的に増加し
、赤外光の検出感度を大幅に向上させることができる。
第5図はこの発明による固体赤外撮像素子の他の実施例
を示す図で、同図(a)は平面図、同図(b)は断面図
である。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
を示す図で、同図(a)は平面図、同図(b)は断面図
である。図中、同一符号は同一または相当部分を示す。
同図において、シリコン半導体基板(21)上に形成さ
れた平坦層(28)上の赤外光検出素子(22)と対応
する部位の列方向には、凸子形断面を持ついわゆるカマ
ボッ形の多結晶シリコンからなる赤外光集光レンズ(3
5)が形成されている。
れた平坦層(28)上の赤外光検出素子(22)と対応
する部位の列方向には、凸子形断面を持ついわゆるカマ
ボッ形の多結晶シリコンからなる赤外光集光レンズ(3
5)が形成されている。
この赤外光集光レンズ(35)も前に述べたと同様にフ
ォトリソグラフィを用いたエツチング法や電子ビームに
よる溶融法によって製作でき、この赤外光集光レンズ(
35)の曲率はあらかじめ付着させる多結晶シリコン膜
の膜厚、ホトリソグラフィによって作る細長いレジスト
パターンの形状、多結晶シリコン膜のエツチング条件あ
るいは電子ビーム溶解におけるビーム幅、走査速度、電
子ビームエネルギなどの諸条件を適尚に選定することに
よって容易に形成することができる。
ォトリソグラフィを用いたエツチング法や電子ビームに
よる溶融法によって製作でき、この赤外光集光レンズ(
35)の曲率はあらかじめ付着させる多結晶シリコン膜
の膜厚、ホトリソグラフィによって作る細長いレジスト
パターンの形状、多結晶シリコン膜のエツチング条件あ
るいは電子ビーム溶解におけるビーム幅、走査速度、電
子ビームエネルギなどの諸条件を適尚に選定することに
よって容易に形成することができる。
このような構成によると、赤外光集光レンズ(35)は
各種収差について考慮する必要はなく、可能な限り赤外
光を集光することができるので、従来の固体赤外撮像素
子に比較して赤外光検出感度を約50%程度向上させる
ことができた。また、従来の素子では不可能であった隣
接する赤外光検出素子(22)相互間の隙間に入る赤外
信号の受光が可能と々す、画像の忠実度が向上できる。
各種収差について考慮する必要はなく、可能な限り赤外
光を集光することができるので、従来の固体赤外撮像素
子に比較して赤外光検出感度を約50%程度向上させる
ことができた。また、従来の素子では不可能であった隣
接する赤外光検出素子(22)相互間の隙間に入る赤外
信号の受光が可能と々す、画像の忠実度が向上できる。
また、前述した実施例はカマボッ形の赤外光集光レンズ
(35)を赤外光検出素子(22)の配列の列方向に設
けたが、行方向に設けても同等の効果が得られる。
(35)を赤外光検出素子(22)の配列の列方向に設
けたが、行方向に設けても同等の効果が得られる。
なお、この発明はCCD形の固体赤外撮像索子への適用
例について述べたが、これは他の形式の素子、例えばC
ID形、MOS形へも適用して同等の効果が得られる。
例について述べたが、これは他の形式の素子、例えばC
ID形、MOS形へも適用して同等の効果が得られる。
以上説明したようにこの発明は赤外光検出素子の上部に
赤外光集光レンズを設けたことにより、赤外光検出素子
の赤外線に対する視野が広くなシ、赤外線検出感度が大
幅に向上し、撮像面に到達する光情報が有効に利用でき
るので、画像情報としての信頼性が著しく向上できる効
果が得られる。
赤外光集光レンズを設けたことにより、赤外光検出素子
の赤外線に対する視野が広くなシ、赤外線検出感度が大
幅に向上し、撮像面に到達する光情報が有効に利用でき
るので、画像情報としての信頼性が著しく向上できる効
果が得られる。
第1図は従来の固体赤外撮像素子を示す平面図、第2図
は従来の固体赤外撮像素子を使用したシステムを示す概
念図、第3図はこの発明による固体赤外撮像素子の一実
施例を示す断面図、第4図はこの発明による固体撮像素
子の赤外光集光レンズの形成方法を示す断面工程図、第
5図(a) 、 (b)はこの発明による固体赤外撮像
素子の他の実施例を示す平面図、断面図である。 (1)・・・・フォトダイオード、伝)・・・・転送チ
ャンネル、(3)・・・・電荷転送デバイス(COD)
、(4)・・・・CCD転送チャンネル、(5)・・・
・出力CCD、(8)・・・・固体撮像素子、(21)
・・・・シリコン半導体基板、(22)・・・・赤外光
検出素子、(23)・・・・ソース電極、(24)・・
・・ゲート電極、(25)・・・・CCD、(26)・
・・拳転送電極、(27)・・・・絶縁性薄膜、(28
)・・・・平坦層、(29)・・・・赤外光集光レンズ
、(30)・・・・レンズ支持層、(31)・・・・石
英層、(32)・・・・レジスト膜、(33)・・・・
ポリシリコン層、(34)・e・・レジストパターン、
(35)・・・・赤外光集光レンズ。 代理人 葛野信− 第4図 1ノ 第3図
は従来の固体赤外撮像素子を使用したシステムを示す概
念図、第3図はこの発明による固体赤外撮像素子の一実
施例を示す断面図、第4図はこの発明による固体撮像素
子の赤外光集光レンズの形成方法を示す断面工程図、第
5図(a) 、 (b)はこの発明による固体赤外撮像
素子の他の実施例を示す平面図、断面図である。 (1)・・・・フォトダイオード、伝)・・・・転送チ
ャンネル、(3)・・・・電荷転送デバイス(COD)
、(4)・・・・CCD転送チャンネル、(5)・・・
・出力CCD、(8)・・・・固体撮像素子、(21)
・・・・シリコン半導体基板、(22)・・・・赤外光
検出素子、(23)・・・・ソース電極、(24)・・
・・ゲート電極、(25)・・・・CCD、(26)・
・・拳転送電極、(27)・・・・絶縁性薄膜、(28
)・・・・平坦層、(29)・・・・赤外光集光レンズ
、(30)・・・・レンズ支持層、(31)・・・・石
英層、(32)・・・・レジスト膜、(33)・・・・
ポリシリコン層、(34)・e・・レジストパターン、
(35)・・・・赤外光集光レンズ。 代理人 葛野信− 第4図 1ノ 第3図
Claims (3)
- (1)複数の赤外光検出素子を配列し、各赤外光検出素
子に対応して電荷転送素子を配列して赤外光を撮像する
固体赤外撮像素子において、前記赤外光検出素子上に赤
外光集光レンズを設けたことを特徴とする固体赤外撮像
素子。 - (2)前記赤外光集光レンズを、それぞれの赤外光検出
素子上に対応して設けたことを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載の固体赤外撮像素子。 - (3)前記赤外光集光レンズを、赤外光検出素子が並ん
だ行または列毎に配列した細長の凸子形断面を有するカ
マボッ形レンズとしたことを特徴とする特許請求の範囲
第1項記載の固体赤外撮像素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57201298A JPS5990468A (ja) | 1982-11-15 | 1982-11-15 | 固体赤外撮像素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57201298A JPS5990468A (ja) | 1982-11-15 | 1982-11-15 | 固体赤外撮像素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5990468A true JPS5990468A (ja) | 1984-05-24 |
Family
ID=16438666
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57201298A Pending JPS5990468A (ja) | 1982-11-15 | 1982-11-15 | 固体赤外撮像素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5990468A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0217857U (ja) * | 1988-07-21 | 1990-02-06 |
-
1982
- 1982-11-15 JP JP57201298A patent/JPS5990468A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0217857U (ja) * | 1988-07-21 | 1990-02-06 |
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