JP5443800B2 - Infrared solid-state image sensor - Google Patents
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Description
本発明は、赤外線固体撮像素子に関する。 The present invention relates to an infrared solid-state imaging device.
赤外線は、可視光よりも煙、霧に対して透過性が高いという特長を有するので、赤外線撮像は、昼夜にかかわらず可能である。また、赤外線撮像は、被写体の温度情報をも得ることができるので、防衛分野をはじめ監視カメラや火災検知カメラのように広い応用範囲を有する。 Since infrared rays have a feature of being more permeable to smoke and fog than visible light, infrared imaging is possible regardless of day or night. In addition, since infrared imaging can also obtain temperature information of a subject, it has a wide range of applications such as surveillance cameras and fire detection cameras in the defense field.
近年、冷却機構を必要としない「非冷却型赤外線固体撮像素子」の開発が盛んになってきている。非冷却型すなわち熱型の赤外線固体撮像素子は、入射された波長10μ程度の赤外線を赤外線吸収膜により熱に変換し、この変換された微弱な熱により生じる感熱部の温度変化をなんらかの熱電変換素子により電気信号に変換する。非冷却型の赤外線固体撮像素子は、この電気信号を読み出すことで赤外線画像情報を得る。 In recent years, the development of “uncooled infrared solid-state imaging devices” that do not require a cooling mechanism has become active. An uncooled type or thermal type infrared solid-state imaging device converts an incident infrared ray having a wavelength of about 10 μm into heat by an infrared absorption film, and some thermoelectric conversion element generates a temperature change of a heat-sensitive part caused by the weak heat thus converted. Is converted into an electric signal. The uncooled infrared solid-state image sensor obtains infrared image information by reading out the electrical signal.
例えば、一定の順方向電流を与えることにより温度変化を電圧変化に変換するシリコンpn接合を用いた赤外線固体撮像素子が知られている(例えば、特許文献1参照)。この赤外線固体撮像素子は、半導体基板としてSOI(Silicon on Insulator)基板を用いることによって、シリコンLSI製造プロセスを用いて量産することができるという特長がある。また、熱電変換手素子であるシリコンpn接合の整流特性を利用して、行選択の機能を実現しているので画素構造が極めてシンプルに構成できるという特長もある。 For example, an infrared solid-state imaging device using a silicon pn junction that converts a temperature change into a voltage change by applying a constant forward current is known (for example, see Patent Document 1). This infrared solid-state imaging device has a feature that it can be mass-produced using a silicon LSI manufacturing process by using an SOI (Silicon on Insulator) substrate as a semiconductor substrate. In addition, since the row selection function is realized by utilizing the rectification characteristics of the silicon pn junction which is a thermoelectric conversion hand element, there is also a feature that the pixel structure can be configured extremely simply.
赤外線固体撮像素子の性能を表す指標の一つは、赤外線固体撮像素子の温度分解能を表現するNETD(Noise Equivalent Temperature Difference(等価雑音温度差))である。NETDを小さくすること、すなわち、雑音に相当する検出温度差を小さくすることが重要である。そのためには信号の感度を高くすること、および雑音を低減することが必要である。
特許文献1には、増幅トランジスタの閾値ばらつきの影響を低減するための閾値電圧クランプ処理が記載されている。この閾値電圧クランプ処理は、サンプリングトランジスタがオンになると、信号線と容量結合された増幅トランジスタのゲートに負電荷が蓄積される。このとき、信号線と増幅トランジスタとの間の結合容量の電圧は、(Vdd−Vref)−Vthに収束させることが好ましい。ここで、Vddは行選択回路が画素に与えるバイアス電圧であり、Vrefは定電流源から信号線に与えられる電圧であり、Vthは画素の閾値電圧である。この閾値電圧クランプ処理では、信号の読み出し時に、各列の増幅トランジスタの閾値電圧のばらつきを補償することができるが、閾値電圧のクランプを行った瞬間に信号線に存在するノイズ成分がホールドされてしまい、以降、行選択時に常にその情報を参照するため、縦スジ状のノイズが現れるという問題がある。
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、信号の読み出し時のノイズを可及的に少なくすることのできる赤外線撮像素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an infrared imaging device capable of reducing noise during signal readout as much as possible.
本発明の第1の態様による赤外線撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に、入射赤外線を検出する複数の赤外線検出画素がマトリクス状に配列された撮像領域であって、各赤外線検出画素は前記入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜と、この赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第1熱電変換素子と、を有する熱電変換部を備えている、撮像領域と、前記撮像領域内に、前記赤外線検出画素の各行に対応して設けられ、それぞれが対応する行の赤外線検出画素の前記第1熱電変換素子の一端に接続されて前記対応する行の赤外線検出画素を選択する、複数の行選択線と、前記撮像領域内に、前記赤外線検出画素の各列に対応して設けられ、それぞれが対応する列の赤外線検出画素の前記第1熱電変換素子の他端に接続されて前記対応する列の赤外線検出画素からの電気信号を読み出すための複数の信号線と、定電源に接続され一定の第1電位に保持されるノードと、各信号線に対応して設けられた複数の増幅器であって、各増幅器は対応する信号線から読み出された電気信号と、前記ノードの電位との差を増幅する、複数の増幅器と、各信号線に対応して設けられ、それぞれが第2熱電変換素子を有する複数の参照画素であって、各参照画素の第2熱電変換素子の一端が対応する信号線に接続され、他端が一定の第2電位に保持される、複数の参照画素と、を備え、前記半導体基板の表面部分には、前記複数の赤外線検出画素に対応してマトリクス状に配列された複数の凹部が形成され、前記赤外線検出画素のぞれぞれは、前記熱電変換部を対応する凹部の上方に支持する第1および第2支持構造部を更に有し、前記第1支持構造部は一端が対応する赤外線検出画素の熱電変換素子の一端に接続され、他端が対応する赤外線検出画素が接続する行選択線に接続される第1接続配線を有し、前記第2支持構造部は一端が対応する赤外線検出画素の熱電変換素子の他端に接続され、他端が対応する赤外線検出画素が接続する信号線に接続される第2接続配線を有することを特徴とする。 An infrared imaging device according to a first aspect of the present invention is an imaging region in which a semiconductor substrate and a plurality of infrared detection pixels for detecting incident infrared rays are arranged in a matrix on the semiconductor substrate, and each infrared detection pixel Includes an infrared absorption film that absorbs the incident infrared light and converts it into heat, and a thermoelectric conversion unit that includes a first thermoelectric conversion element that converts heat converted by the infrared absorption film into an electrical signal. And an infrared ray in the corresponding row connected to one end of the first thermoelectric conversion element of the infrared detection pixel in the corresponding row. A plurality of row selection lines for selecting detection pixels, and the first thermoelectric conversion elements of the infrared detection pixels in the corresponding columns, which are provided in the imaging region so as to correspond to the columns of the infrared detection pixels. A plurality of signal lines for reading the electric signal from the infrared detection pixel of the column is connected to the other end the corresponding and of the node to be held at the first potential of the constant is connected to a constant power supply, to each signal line A plurality of amplifiers provided correspondingly, each amplifier amplifying a difference between an electric signal read from a corresponding signal line and the potential of the node, and corresponding to each signal line A plurality of reference pixels each having a second thermoelectric conversion element, one end of the second thermoelectric conversion element of each reference pixel being connected to a corresponding signal line, and the other end being a constant second potential. A plurality of recesses arranged in a matrix corresponding to the plurality of infrared detection pixels on the surface portion of the semiconductor substrate, and the infrared detection pixels Each of the thermoelectric converters The first and second support structures are further supported above the corresponding recesses, and one end of the first support structure is connected to one end of the thermoelectric conversion element of the corresponding infrared detection pixel, and the other end corresponds. The first support wiring is connected to a row selection line to which the infrared detection pixel is connected, and the second support structure is connected to the other end of the thermoelectric conversion element of the corresponding infrared detection pixel and to the other end. And a second connection wiring connected to a signal line to which the infrared detection pixel to be connected is connected.
また、本発明の第2の態様による赤外線撮像素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、入射赤外線を検出する赤外線検出画素であって、前記赤外線検出画素は前記入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜と、この赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第1熱電変換素子と、を有する熱電変換部を備えている赤外線検出画素と、前記第1熱電変換素子の一端が接続され前記赤外線検出画素からの電気信号を読み出すための信号線と、定電源に接続され一定の第1電位に保持されるノードと、前記信号線から読み出された電気信号と、前記ノードの電位との差を増幅する増幅器と、第2熱電変換素子を有し、前記第2熱電変換素子の一端が前記信号線に接続され、他端が一定の第2電位に保持されて前記第1熱電変換素子と直列に接続される参照画素と、を備え、前記半導体基板の表面部分には、前記赤外線検出画素に対応して凹部が形成され、前記赤外線検出画素は、前記熱電変換部を前記凹部の上方に支持する第1および第2支持構造部を更に有し、前記第1支持構造部は一端が前記赤外線検出画素の熱電変換素子の一端に接続され、他端が一定の電位を供給する電源に接続される第1接続配線と、前記第2支持構造部は一端が対応する赤外線検出画素の熱電変換素子の他端に接続され、他端が前記信号線に接続される第2接続配線とを備えていることを特徴とする。 An infrared imaging device according to the second aspect of the present invention is a semiconductor substrate and an infrared detection pixel formed on the semiconductor substrate for detecting incident infrared rays, wherein the infrared detection pixels absorb the incident infrared rays. An infrared detection pixel having a thermoelectric conversion unit, and an infrared detection pixel having a first thermoelectric conversion element that converts the heat converted by the infrared absorption film into an electric signal; A signal line to which one end of the conversion element is connected to read out an electric signal from the infrared detection pixel, a node connected to a constant power source and held at a constant first potential, and an electric signal read out from the signal line And a second thermoelectric conversion element, one end of the second thermoelectric conversion element is connected to the signal line, and the other end is held at a constant second potential. Being said A reference pixel connected in series with one thermoelectric conversion element, and a recess is formed in the surface portion of the semiconductor substrate corresponding to the infrared detection pixel, and the infrared detection pixel includes the thermoelectric conversion unit. The first and second support structures are further supported above the recess, and one end of the first support structure is connected to one end of the thermoelectric conversion element of the infrared detection pixel, and the other end has a constant potential. The first connection wiring connected to the power supply to be supplied and the second support structure part are connected to the other end of the thermoelectric conversion element of the corresponding infrared detection pixel and the other end is connected to the signal line. Connection wiring.
本発明によれば、信号の読み出し時のノイズを可及的に少なくすることができる。 According to the present invention, it is possible to reduce noise at the time of signal reading as much as possible.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による赤外線撮像素子の構成を図1に示す。本実施形態の赤外線撮像素子1は半導体基板(図示せず)上に形成され、マトリクス状に配列された画素を含む撮像領域10と、読み出し回路30と、行選択回路40と、列選択回路42と、を備えている。
(First embodiment)
The configuration of the infrared imaging device according to the first embodiment of the present invention is shown in FIG. The
撮像領域10は、3行2列に配列された6個の画素111、112、1211、1212、1221、1222を有している。一般に撮像領域は、通常、より多くの画素を備えているが、本実施形態では、便宜的に6画素とする。第1行に配列された画素111、112は赤外線に対する感度を有しない無感度画素(参照画素ともいう)であり、第2行および第3行に配列された画素1211、1212、1221、1222は赤外線を検出することの可能な有感度画素(赤外線検出画素ともいう)である。無感度画素111、112は、熱的無感度画素または光学的無感度画素のいずれかでよい。熱的無感度画素または光学的無感度画素の構造は後述する。各画素111、112、1211、1212、1221、1222は、熱電変換素子、例えばpn接合からなるダイオード14を少なくとも1個備えている。
The
第2行の有感度画素1211、1212のそれぞれのダイオード14のアノードは、行選択線161に接続され、第3行の有感度画素1221、1222のそれぞれのダイオード14のアノードは、行選択線162に接続されている。行選択線161、162のそれぞれは、行選択回路40によって順次選択され、選択された行選択線にはバイアス電圧Vdが印加される。
The anode of each
第1列の有感画素1211、1221のそれぞれのダイオード14のカソードは、第1列の垂直信号線(以下、単に信号線ともいう)181に接続され、第2列の有感画素1212、1222のそれぞれのダイオード14のカソードは、第2列の垂直信号線182に接続されている。
The cathodes of the
また、読み出し回路30は、オペアンプ311、312と、帰還抵抗321、322と、列選択トランジスタ341、342と、を備えている。
The
第1列の信号線181の一端は第1列の無感度画素111のダイオード14のアノードに接続され、この第1列の無感度画素111のダイオード14のカソードは一定の電位Vsに保持される。また、第2列の信号線182の一端は第2列の無感度画素112のダイオード14のアノードに接続され、この第2列の無感度画素112のダイオード14のカソードは一定の電位Vsに保持される。第1列の信号線181の他端はオペアンプ311の負側入力端子に接続され、第2列の信号線182の他端はオペアンプ312の負側入力端子に接続される。各オペアンプ311、312の正側入力端子は、共通のノード33に接続される。帰還抵抗321はオペアンプ311の負側入力端子と出力端子との間に設けられ、帰還抵抗322はオペアンプ312の負側入力端子と出力端子との間に設けられる。また、オペアンプ321の出力端子は列選択トランジスタ341を通して水平信号線38に接続され、オペアンプ322の出力端子は列選択トランジスタ342を通して水平信号線38に接続される。列選択トランジスタ341、342のゲートは列選択回路42によって接続され、この列選択回路42によって選択されることにより、列選択トランジスタ341、342がオンする。
One end of the
行選択回路40が選択した行選択線、例えば、行選択線161にバイアス電圧Vdを印加すると、選択された行選択線161の有感度画素1211、1212のダイオード14と、無感度画素111、112のダイオード14からなるそれぞれの直列回路に、直列電圧Vd―Vsが印加されることになる。例えば、Vd=0.7V、Vs=−0.7Vとすると、0.7Vの電圧が上記直列回路のそれぞれに印加される。
Row select line
一方、非選択の行選択線162に接続されている有感画素1221、1222のダイオード14は、すべて逆バイアスされているので、非選択の行選択線162と、信号線181、182とは分離されている。即ち、ダイオード14は、画素選択機能を担っているといってもよい。
On the other hand, the
有感度画素1211、1212、1221、1222のそれぞれは、赤外線を受光すると、画素温度が上昇する。それにより、信号線181、182の電位Vslは高くなる。例えば、被写体温度が1K(ケルビン)変化すると、有感度画素の温度は約5mK変化する。ダイオード14の電流値は、Vd=0.7Vを印加する条件の下では、1℃の温度上昇に対して、およそ1μAから20%増加する。このため、有感度画素の温度が5mK変化すると、電流は0.1%(1nA)増加する。
When each of the
図1に示す本実施形態の赤外線撮像素子では、有感度画素のダイオード(熱電変換素子)と、無感度画素のダイオード(熱電変換素子)とを直列接続し、ノード33を接地すると、有感度画素での電流増加分だけがオペアンプ311、312にて増幅される。例えば、帰還抵抗321、322の抵抗値を1MΩとすれば、出力電圧は、1nA×1MΩ=1mVとなる。すなわち、被写体温度1Kの変化が1mVの応答として出力されることになり、これは熱型の赤外線撮像素子としては十分な値である。
In the infrared imaging device of this embodiment shown in FIG. 1, when a diode (thermoelectric conversion element) of a sensitive pixel and a diode (thermoelectric conversion element) of an insensitive pixel are connected in series and the
各列のオペアンプ311、312の出力は、列選択トランジスタ341、342によって順番に読み出される。列選択トランジスタ341、342のゲート電圧は、水平選択回路42から順番に供給され、オペアンプ311、312の出力電圧が順番に水平信号線38を通して出力される。
The outputs of the operational amplifiers 31 1 and 31 2 in each column are sequentially read out by the column selection transistors 34 1 and 34 2 . The gate voltages of the column selection transistors 34 1 and 34 2 are sequentially supplied from the
以上説明したように、行選択回路40に行選択線を交互に選択し、選択された行選択線に接続されている有感度画素によって被写体の温度変化が電気信号として取り出されて、この電気信号がオペアンプによって増幅され、この増幅された電気信号は、列選択トランジスタ341、342によって順番に水平信号線38に読み出される。
As described above, the row selection line is alternately selected by the
解決しようとする課題の項に述べたように、従来の閾値電圧クランプ処理では、閾値電圧クランプを行った瞬間に信号線に存在するノイズ成分がホールドされてしまい、以降、行選択線の選択時に常にその情報を参照するため、縦スジノイズが現れるという問題があった。 As described in the section of the problem to be solved, in the conventional threshold voltage clamping process, the noise component existing in the signal line is held at the moment when the threshold voltage clamping is performed, and thereafter, when the row selection line is selected. There is a problem that vertical stripe noise appears because the information is always referred to.
これに対して、本実施形態の赤外線撮像素子においては、全ての有感度画素に対して、無感度画素との差分信号が常に比較出力されるため、原理的にノイズがホールドされず、縦スジノイズを発生しない。 On the other hand, in the infrared imaging device of this embodiment, the difference signal from the insensitive pixel is always compared and output for all the sensitive pixels, so that in principle, noise is not held, and vertical streak noise is generated. Does not occur.
次に、本実施形態による赤外線撮像素子の有感度画素の構造を図2および図3を参照して説明する。図2は本実施形態による赤外線撮像素子の有感度画素12の平面図であり、図3は図2示す切断線A−Aで切断した場合の断面図である。有感度画素12は、SOI基板上に形成される。このSOI基板は、支持基板101と、埋め込み絶縁層(BOX層)102と、シリコン単結晶からなるSOI(Silicon-On-Insulator)層と、を有し、表面部分に凹部110が形成されている。そして有感度画素12は、上記SOI層に形成された熱電変換部13と、熱電変換部13を凹部110の上方に支持する支持構造部130a、130bと、を備えている。熱電変換部13は、直列に接続された複数(図2および図3では2個)のダイオード14と、これらのダイオード14を接続する配線120と、これらのダイオード14および配線120を覆うように形成された赤外線吸収膜124とを備えている。支持構造部130aは、一端が対応する行選択線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線132aと、この接続配線132aを覆う絶縁膜134aとを備えている。他方の支持構造部130bは、一端が対応する垂直信号線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線132bと、この接続配線132bを覆う絶縁膜134bとを備えている。
Next, the structure of the sensitive pixel of the infrared imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 is a plan view of the
赤外線吸収膜124は入射された赤外線によって発熱する。ダイオード14は、赤外線吸収膜124で発生した熱を電気信号に変換する。支持構造部130a、130bは、熱電変換部13の周囲を取り巻くように細長く形成されている。これにより、熱電変換部13は、SOI基板からほぼ断熱された状態でSOI基板上に支持される。
The infrared
このような構造を有することにより、有感度画素12は、入射された赤外線に応じて発生した熱を蓄熱し、この熱に基づいた電圧を信号線に出力することができる。
By having such a structure, the
行選択線からのバイアス電圧Vdは、配線132aを介してダイオード14へ伝達される。ダイオード14を通過した信号は、配線132bを介して垂直信号線に伝達される。
The bias voltage Vd from the row selection line is transmitted to the
次に、本実施形態による赤外線撮像素子の無感度画素の一具体例の構成を図4乃至図5を参照して説明する。図4はこの具体例の無感度画素11の平面図であり、図5は図4に示す切断線B−Bで切断した場合の断面図である。この無感度画素11は、有感度画素12と同様に、SOI基板上に形成される。しかし、無感度画素11が形成されるSOI基板の領域には、有感度画素12の場合と異なり、凹部110は形成されていない。そして無感度画素11は、上記SOI基板のSOI層に形成され直列に接続された複数(図2および図3では2個)のダイオード14と、これらのダイオード14を接続する配線120と、一端が一定の電位Vsの電源線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線142aと、一端が対応する垂直信号線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線142bと、これらのダイオード14、配線120、接続配線142a、142bを覆うように形成された絶縁膜125と、を備えている。
Next, the configuration of a specific example of the insensitive pixel of the infrared imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a plan view of the
このように構成された無感度画素(熱的無感度画素ともいう)11においては、ダイオード14で発生した熱は、その周囲の絶縁膜125、埋め込み絶縁層102およびバルク基板(図示せず)へ拡散する。即ち、ダイオード14とその周囲の構造との熱コンダクタンスは、有感度画素12のそれよりも高い。この具体例の無感度画素11は、凹部110を有しないため、蓄熱機能を有しない。したがって、この具体例の無感度画素11は、SOI基板の温度を反映する。このような無感度画素は基板温度測定画素とも呼ばれる。
In the insensitive pixel (also referred to as thermal insensitive pixel) 11 configured as described above, the heat generated by the
次に、本実施形態による赤外線撮像素子の無感度画素の他の具体例の構成を、図6を参照して説明する。図6はこの具体例の無感度画素11Aの断面図である。この具体例の無感度画素11Aは、有感度画素12と同様に、表面部分に凹部110が形成されたSOI基板に形成される。そして無感度画素11Aは、上記SOI層に形成された反射部13Aと、反射部13Aを凹部110の上方に支持する支持構造部140a、140bと、を備えている。反射部13Aは、直列に接続された複数(図6では2個)のダイオード14と、これらのダイオード14を接続する配線120と、これらのダイオード14および配線120を覆うように形成された赤外線反射膜150と、これらのダイオード14、配線120、および赤外線反射膜150を覆うように形成された赤外線吸収膜124とを備えている。支持構造部140aは、一端が一定の電位Vsの電源線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の一端に接続される接続配線142aと、この接続配線142aを覆う絶縁膜144aとを備えている。他方の支持構造部140bは、一端が対応する垂直信号線に接続され他端が直列に接続されたダイオードからなる直列回路の他端に接続される接続配線142bと、この接続配線142bを覆う絶縁膜144bとを備えている。
Next, the configuration of another specific example of the insensitive pixel of the infrared imaging device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view of the
このような構成の無感度画素11Aは、光学的無感度画素とも呼ばれ、赤外線吸収膜124内に赤外線反射膜150を有している点で、有感度画素12と異なっている。この光学的無感度画素11Aは、赤外線を反射するため、赤外線に対し不感である。それ以外の点は、有感度画素12と構造が同じであるため、参照画素としては基板温度測定画素(熱的無感度画素)11よりも適している。例えば、ダイオード14に通電を行った際に生じるジュール熱成分は、熱的無感度画素11には存在せず、この点で有感度画素12と差異があったが、光学的無感度画素11Aでは赤外線による温度変化以外は同じ温度成分を持つ。赤外線反射膜124は、オペアンプ201、202等を構成する配線層と同層に構成してもよい。この場合、製造プロセスを短縮することができ、コスト低減が可能である。
The
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態による赤外線撮像素子を、図7を参照して説明する。図7は、本実施形態の赤外線撮像素子の構成を示す回路図である。本実施形態の赤外線撮像素子は、図1に示す第1実施形態の赤外線撮像素子において、無感度画素および有感度画素をそれぞれ1個とした構成となっている。すなわち、カソードが一定の電位Vsの電源に接続されアノードが垂直信号線181に接続されるダイオード14を有する無感度画素111と、一端が垂直信号線181に接続され他端がノード38に接続されるダイオード14を有する有感度画素121と、正側入力端子がノード33に接続され、負側入力端子が垂直信号線181に接続されるオペアンプ311と、オペアンプ311の出力端子と負側入力端子との間に設けられる帰還抵抗321と、を備えている。
(Second Embodiment)
Next, an infrared imaging device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration of the infrared imaging element of the present embodiment. The infrared imaging device of the present embodiment has a configuration in which one insensitive pixel and one sensitive pixel are provided in the infrared imaging device of the first embodiment shown in FIG. That is, the cathode is the
本実施形態では、第1実施形態と同様に、有感度画素121と無感度画素111を直列に配線し、ノード38の電圧をVdとする。有感度画素121と無感度画素111との間のノードの中間電圧Vslは、オペアンプ311の正側入力端子に接続するノード33を接地することによって仮想接地となる。このとき、第1実施形態と同様に、赤外線検出による電流増加分だけがオペアンプ311で増幅される。すなわち本実施形態は、常にセンサ自体の温度に影響されず、赤外線信号のみを出力することのできる単画素の赤外線検出器となる。
In this embodiment, like the first embodiment, the
本実施形態も第1実施形態と同様に、原理的にノイズがホールドされず、縦スジノイズを発生しない。 Similar to the first embodiment, the present embodiment does not hold noise in principle and does not generate vertical stripe noise.
以上説明したように、本発明の各実施形態によれば、無感度画素と有感度効画素の差分を出力するにあたって原理的に発生するノイズを低減することが可能となり、高S/N化を達成することができる。 As described above, according to each embodiment of the present invention, it is possible to reduce the noise that is generated in principle when outputting the difference between the insensitive pixel and the sensitive pixel, thereby increasing the S / N ratio. Can be achieved.
また、上記各実施形態においては、画素は、熱を電気信号に換える熱電変換素子とし、ダイオードを用いたが、抵抗体であってもよい。 In each of the above embodiments, the pixel is a thermoelectric conversion element that converts heat into an electric signal, and a diode is used. However, a resistor may be used.
1 赤外線撮像素子
11 無感度画素(熱的無感度画素)
11A 無感度画素(光学的無感度画素)
111、112 無感度画素
12 有感度画素
1211、1212、1221、1222 有感度画素
13 熱電変換部
13A 反射部
14 ダイオード
161、162 行選択線
181、182 垂直信号線(信号線)
30 読み出し回路
311、312 オペアンプ
321、322 帰還抵抗
33 ノード
341、342 列選択トランジスタ
38 ノード
40 行選択回路
42 列選択回路
101 支持基板
102 埋め込み絶縁層
110 凹部
120 配線
124 赤外線吸収膜
130a、130b 支持構造部
132a、132b 接続配線
134a、134b 絶縁膜
140a、140b 支持構造部
142a、142b 接続配線
144a、144b 絶縁膜
150 赤外線反射膜
1
11A Insensitive pixel (optical insensitive pixel)
11 1 , 11 2
30 readout circuit 31 1 , 31 2 operational amplifier 32 1 , 32 2
Claims (6)
前記半導体基板上に、入射赤外線を検出する複数の赤外線検出画素がマトリクス状に配列された撮像領域であって、各赤外線検出画素は前記入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜と、この赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第1熱電変換素子と、を有する熱電変換部を備えている、撮像領域と、
前記撮像領域内に、前記赤外線検出画素の各行に対応して設けられ、それぞれが対応する行の赤外線検出画素の前記第1熱電変換素子の一端に接続されて前記対応する行の赤外線検出画素を選択する、複数の行選択線と、
前記撮像領域内に、前記赤外線検出画素の各列に対応して設けられ、それぞれが対応する列の赤外線検出画素の前記第1熱電変換素子の他端に接続されて前記対応する列の赤外線検出画素からの電気信号を読み出すための複数の信号線と、
定電源に接続され一定の第1電位に保持されるノードと、
各信号線に対応して設けられた複数の増幅器であって、各増幅器は対応する信号線から読み出された電気信号と、前記ノードの電位との差を増幅する、複数の増幅器と、
各信号線に対応して設けられ、それぞれが第2熱電変換素子を有する複数の参照画素であって、各参照画素の第2熱電変換素子の一端が対応する信号線に接続され、他端が一定の第2電位に保持される、複数の参照画素と、
を備え、
前記半導体基板の表面部分には、前記複数の赤外線検出画素に対応してマトリクス状に配列された複数の凹部が形成され、前記赤外線検出画素のぞれぞれは、前記熱電変換部を対応する凹部の上方に支持する第1および第2支持構造部を更に有し、前記第1支持構造部は一端が対応する赤外線検出画素の熱電変換素子の一端に接続され、他端が対応する赤外線検出画素が接続する行選択線に接続される第1接続配線を有し、前記第2支持構造部は一端が対応する赤外線検出画素の熱電変換素子の他端に接続され、他端が対応する赤外線検出画素が接続する信号線に接続される第2接続配線を有することを特徴とする赤外線撮像素子。 A semiconductor substrate;
An imaging region in which a plurality of infrared detection pixels for detecting incident infrared rays are arranged in a matrix on the semiconductor substrate, each infrared detection pixel absorbing the incident infrared rays and converting it into heat, and An imaging region including a thermoelectric conversion unit having a first thermoelectric conversion element that converts heat converted by the infrared absorption film into an electrical signal;
In the imaging region, the infrared detection pixels in the corresponding row are provided corresponding to the respective rows of the infrared detection pixels, and connected to one end of the first thermoelectric conversion element of the infrared detection pixels in the corresponding row. Multiple row selection lines to select,
In the imaging region, the infrared detection pixels of the corresponding column are provided corresponding to the columns of the infrared detection pixels and connected to the other ends of the first thermoelectric conversion elements of the infrared detection pixels of the corresponding column. A plurality of signal lines for reading out electrical signals from the pixels;
A node connected to a constant power source and held at a constant first potential;
A plurality of amplifiers provided corresponding to each signal line, each amplifier amplifying a difference between an electrical signal read from the corresponding signal line and the potential of the node; and
A plurality of reference pixels provided corresponding to each signal line, each having a second thermoelectric conversion element, one end of the second thermoelectric conversion element of each reference pixel being connected to the corresponding signal line, and the other end being A plurality of reference pixels held at a constant second potential;
With
A plurality of recesses arranged in a matrix corresponding to the plurality of infrared detection pixels are formed on the surface portion of the semiconductor substrate, and each of the infrared detection pixels corresponds to the thermoelectric conversion unit. The first and second support structures are further supported above the recess, and the first support structure is connected to one end of the thermoelectric conversion element of the corresponding infrared detection pixel, and the other end corresponds to the infrared detection. The first support wiring connected to the row selection line to which the pixel is connected, the second support structure is connected to the other end of the thermoelectric conversion element of the corresponding infrared detection pixel and the other end corresponds to the infrared An infrared imaging element having a second connection wiring connected to a signal line to which a detection pixel is connected.
前記半導体基板上に形成され、入射赤外線を検出する赤外線検出画素であって、前記赤外線検出画素は前記入射赤外線を吸収して熱に変換する赤外線吸収膜と、この赤外線吸収膜によって変換された熱を電気信号に変換する第1熱電変換素子と、を有する熱電変換部を備えている赤外線検出画素と、
前記第1熱電変換素子の一端が接続され前記赤外線検出画素からの電気信号を読み出すための信号線と、
定電源に接続され一定の第1電位に保持されるノードと、
前記信号線から読み出された電気信号と、前記ノードの電位との差を増幅する増幅器と、
第2熱電変換素子を有し、前記第2熱電変換素子の一端が前記信号線に接続され、他端が一定の第2電位に保持されて前記第1熱電変換素子と直列に接続される参照画素と、
を備え、
前記半導体基板の表面部分には、前記赤外線検出画素に対応して凹部が形成され、前記赤外線検出画素は、前記熱電変換部を前記凹部の上方に支持する第1および第2支持構造部を更に有し、前記第1支持構造部は一端が前記赤外線検出画素の熱電変換素子の一端に接続され、他端が一定の電位を供給する電源に接続される第1接続配線と、前記第2支持構造部は一端が対応する赤外線検出画素の熱電変換素子の他端に接続され、他端が前記信号線に接続される第2接続配線とを備えていることを特徴とする赤外線撮像素子。 A semiconductor substrate;
An infrared detection pixel that is formed on the semiconductor substrate and detects incident infrared rays, wherein the infrared detection pixel absorbs the incident infrared rays and converts the infrared rays into heat, and heat converted by the infrared absorption film. An infrared detection pixel including a thermoelectric conversion unit having a first thermoelectric conversion element that converts the first thermoelectric conversion element into an electrical signal;
One end of the first thermoelectric conversion element is connected, and a signal line for reading an electrical signal from the infrared detection pixel;
A node connected to a constant power source and held at a constant first potential;
An amplifier that amplifies the difference between the electrical signal read from the signal line and the potential of the node;
A reference having a second thermoelectric conversion element, wherein one end of the second thermoelectric conversion element is connected to the signal line, and the other end is held at a constant second potential and connected in series with the first thermoelectric conversion element Pixels,
With
A concave portion is formed on the surface portion of the semiconductor substrate corresponding to the infrared detection pixel, and the infrared detection pixel further includes first and second support structures that support the thermoelectric conversion unit above the concave portion. A first connection wiring having one end connected to one end of the thermoelectric conversion element of the infrared detection pixel and the other end connected to a power source that supplies a constant potential; and the second support structure The structure section includes an infrared imaging element having one end connected to the other end of the thermoelectric conversion element of the corresponding infrared detection pixel and the other end connected to the signal line.
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