JPH11317510A - Infrared-ray solid-state image-pickup device and infrared-ray light receiving element - Google Patents
Infrared-ray solid-state image-pickup device and infrared-ray light receiving elementInfo
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- JPH11317510A JPH11317510A JP10122152A JP12215298A JPH11317510A JP H11317510 A JPH11317510 A JP H11317510A JP 10122152 A JP10122152 A JP 10122152A JP 12215298 A JP12215298 A JP 12215298A JP H11317510 A JPH11317510 A JP H11317510A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、赤外線領域内にお
いて分光感度の制御を可能ならしめる構造を持つ赤外線
固体撮像装置および赤外線受光素子に関する。特に、本
発明は、加法混色の原理に基づく分光分析に好適な赤外
線固体撮像装置および赤外線受光素子に関する。[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to an infrared solid-state imaging device and an infrared light receiving element having a structure capable of controlling spectral sensitivity in an infrared region. In particular, the present invention relates to an infrared solid-state imaging device and an infrared light receiving element suitable for spectral analysis based on the principle of additive color mixing.
【0002】[0002]
【従来の技術】温度を持つ物体からは、赤外線が放射さ
れる。この物体からの赤外線を赤外線固体撮像装置を用
いて撮像することにより、闇夜においても、物体の形や
様子を明瞭に撮像することが可能となる。このような特
徴を活かすことにより、暗闇下の監視を可能とするセキ
ュリティシステムなどが実用化されている。2. Description of the Related Art Infrared rays are emitted from an object having a temperature. By imaging the infrared rays from the object using the infrared solid-state imaging device, it is possible to clearly capture the shape and appearance of the object even in dark night. A security system that enables monitoring in the dark by utilizing such features has been put to practical use.
【0003】また、物体から放射される赤外線量は、物
体の温度上昇に従って増加する。このときの赤外線量
は、理想的な熱放射体である黒体からの赤外線量に比べ
て少なく、その比率は一般に「放射率(emissivty)」
と呼ばれている。観測対象である物体の放射率が既知で
あれば、上記の赤外線固体撮像装置もしくは赤外線受光
素子で計量した赤外線量から、物体の真の温度を求める
ことが可能となる。このような原理に基づいて、物体の
温度を非接触で計測する赤外線温度計などが実用化され
ている。[0003] The amount of infrared radiation emitted from an object increases as the temperature of the object increases. The amount of infrared light at this time is smaller than the amount of infrared light from a black body, which is an ideal heat radiator, and the ratio is generally called “emissivty”.
It is called. If the emissivity of the object to be observed is known, the true temperature of the object can be obtained from the amount of infrared light measured by the infrared solid-state imaging device or the infrared light receiving element. Based on such a principle, an infrared thermometer or the like that measures the temperature of an object in a non-contact manner has been put to practical use.
【0004】さらに、赤外線固体撮像装置もしくは赤外
線受光素子を用いて、燃焼物からの強い赤外線放射を検
出することにより、燃焼物の有無を検知することが可能
となる。このような特徴を活かすことにより、広範囲の
監視域にわたって火災発生を迅速に検知する火災検知シ
ステムなどが実用化されている。このように、上述した
赤外線固体撮像装置および赤外線受光素子は、多目的な
用途に使用される重要な受光デバイスである。Further, the presence or absence of a burning substance can be detected by detecting strong infrared radiation from the burning substance using an infrared solid-state imaging device or an infrared light receiving element. By utilizing such features, fire detection systems and the like that detect a fire occurrence quickly over a wide monitoring area have been put to practical use. As described above, the infrared solid-state imaging device and the infrared light receiving element described above are important light receiving devices used for various purposes.
【0005】以下、このような赤外線固体撮像装置の一
例について説明する。図11(a)は、赤外線固体撮像
装置の構造を示す上面図である。図11(b)は、A−
A′位置の断面構造を示す図である。これらの図におい
て、p型シリコン基板81の主面上には、画素単位にP
tが被着され、熱処理を加えることによりPtSi膜8
2が形成される。このようなPtSi膜82からなるシ
リサイド層と、p型シリコン基板81との間のショット
キー接合により、赤外線領域に感度を有する光電変換部
が形成される。Hereinafter, an example of such an infrared solid-state imaging device will be described. FIG. 11A is a top view illustrating the structure of the infrared solid-state imaging device. FIG. 11 (b) shows A-
It is a figure which shows the cross-section structure of A 'position. In these figures, the main surface of the p-type silicon substrate 81 has P
The PtSi film 8 is deposited, and is subjected to a heat treatment.
2 are formed. By the Schottky junction between the silicide layer composed of the PtSi film 82 and the p-type silicon substrate 81, a photoelectric conversion unit having sensitivity in an infrared region is formed.
【0006】これらのPtSi膜82の上方には、酸化
シリコン(屈折率n=1.4)からなる絶縁膜83が形
成される。この絶縁膜83の上には、アルミニウムなど
からなる反射膜84が設けられ、一種のオプティカルキ
ャビティ構造を構成する。このPtSi膜82と反射膜
84との幾何学的距離dは、全ての受光画素について一
律の値(例えば0.75μm)に設定される。Above these PtSi films 82, an insulating film 83 made of silicon oxide (refractive index n = 1.4) is formed. A reflective film 84 made of aluminum or the like is provided on the insulating film 83 to form a kind of optical cavity structure. The geometric distance d between the PtSi film 82 and the reflection film 84 is set to a uniform value (for example, 0.75 μm) for all the light receiving pixels.
【0007】また一方、PtSi膜82の周囲には、リ
ーク電流を抑制するために、n型拡散層からなるガード
リング86が設けられる。このようなガードリング86
の隣には、分離領域85を一部に介して長尺状のBCC
D拡散層87が埋め込まれる。このBCCD拡散層87
の上方には、絶縁膜を介して、転送パルスを印加するた
めのCCD転送電極88が形成される。On the other hand, a guard ring 86 made of an n-type diffusion layer is provided around the PtSi film 82 in order to suppress a leak current. Such guard ring 86
Next to is a long BCC with a part of the separation area 85
The D diffusion layer 87 is embedded. This BCCD diffusion layer 87
Above this, a CCD transfer electrode 88 for applying a transfer pulse is formed via an insulating film.
【0008】このような素子構造では、p型シリコン基
板81の裏面側から赤外線が入射される。入射赤外線
は、p型シリコン基板81を透過した後、PtSi膜8
2付近に到達する。PtSi膜82をさらに透過した赤
外線は、反射膜84でフレネル反射し、反射赤外線とな
る。この反射赤外線は、PtSi膜82の方向へ再び戻
る。このように入射赤外線と反射赤外線との光路が一致
することにより、両赤外線に干渉が生じる。In such an element structure, infrared rays are incident from the back side of the p-type silicon substrate 81. After the incident infrared rays pass through the p-type silicon substrate 81, the PtSi film 8
Reach around 2. The infrared light further transmitted through the PtSi film 82 is Fresnel-reflected by the reflection film 84 and becomes reflected infrared light. The reflected infrared rays return to the direction of the PtSi film 82 again. The coincidence of the optical paths of the incident infrared light and the reflected infrared light causes interference between the two infrared lights.
【0009】このとき、PtSi膜82の位置では、入
射赤外線と反射赤外線との間に、 位相差θ=π+(2nd/λ)×2π ・・・(1) が常に生じる。なお、(1)式において、λは赤外線の
波長であり、ndはPtSi膜82と反射膜84との間
の光学的距離である。このような位相差θにより、Pt
Si膜82の位置における干渉光の光強度は、 λ=4nd/N [ただし、N=1,3,5・・] ・・・(2) の波長条件において強め合う。At this time, at the position of the PtSi film 82, a phase difference θ = π + (2nd / λ) × 2π (1) always occurs between the incident infrared ray and the reflected infrared ray. In the equation (1), λ is the wavelength of infrared light, and nd is the optical distance between the PtSi film 82 and the reflection film 84. By such a phase difference θ, Pt
The light intensity of the interference light at the position of the Si film 82 reinforces under the wavelength condition of λ = 4 nd / N [where N = 1, 3, 5,...] (2).
【0010】図12は、PtSi膜82の位置における
干渉光の光強度(計算値)を示した図である。光強度
は、「N=1」に相当する波長4.2μmをピークに、
なだらかな変化を示している。このような干渉光のエネ
ルギーにより、PtSi膜82では電子正孔対が発生す
る。このとき生じる自由正孔の大部分は、ショットキー
バリアを乗り越えてp型シリコン基板81内へ流れ込
む。一方、この自由正孔と同数の自由電子は、ガードリ
ング86の空乏領域内の電位に従って進み、信号電荷と
して蓄積される。なお、このときショットキーバリアを
乗り越えられなかった残りのキャリアは、拡散移動中に
再結合し消滅する。FIG. 12 is a diagram showing the light intensity (calculated value) of the interference light at the position of the PtSi film 82. The light intensity peaks at a wavelength of 4.2 μm corresponding to “N = 1”,
It shows a gradual change. Due to the energy of such interference light, electron-hole pairs are generated in the PtSi film 82. Most of the free holes generated at this time flow over the Schottky barrier and flow into the p-type silicon substrate 81. On the other hand, the same number of free electrons as the free holes advance according to the potential in the depletion region of the guard ring 86 and are accumulated as signal charges. At this time, the remaining carriers that could not cross the Schottky barrier recombine and disappear during the diffusion movement.
【0011】このような光電変換の過程において、赤外
線固体撮像装置の分光感度は、図13に示す特性とな
る。この分光感度には、PtSi膜82本来の分光感度
特性が強く現れる。そのため、図12中のピーク特性
(ピーク波長4.2μm)は、図13に示す分光感度特
性から消失する。このように光電変換された信号電荷
は、トランスファゲートを兼ねるCCD転送電極88へ
の印加電圧により、BCCD拡散層87側へ引き出され
る。BCCD拡散層87は、CCD転送電極88に印加
される多相の転送パルスに従って、信号電荷を外部へ転
送出力する。In such a photoelectric conversion process, the spectral sensitivity of the infrared solid-state imaging device has the characteristics shown in FIG. In this spectral sensitivity, the original spectral sensitivity characteristic of the PtSi film 82 appears strongly. Therefore, the peak characteristic (peak wavelength 4.2 μm) in FIG. 12 disappears from the spectral sensitivity characteristic shown in FIG. The signal charge thus photoelectrically converted is drawn out to the BCCD diffusion layer 87 by the voltage applied to the CCD transfer electrode 88 also serving as a transfer gate. The BCCD diffusion layer 87 transfers and outputs signal charges to the outside according to a multi-phase transfer pulse applied to the CCD transfer electrode 88.
【0012】[0012]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な赤外線固体撮像装置を用いて温度計測を行う場合、観
測対象の物質について放射率の数値が提供されていると
は限らない。もし放射率が未知の場合、予め、使用者が
実験的に放射率を求めなければならず、非常に手間がか
かる。そのため、実際上は、放射率を黒体の放射率と同
じ値「1」などと仮定して、計測するケースが非常に多
かった。このような使用状態では、正確な温度を計測す
ることは望めなかった。When the temperature is measured using the infrared solid-state imaging device as described above, the numerical value of the emissivity is not always provided for the substance to be observed. If the emissivity is unknown, the user must determine the emissivity experimentally beforehand, which is very troublesome. Therefore, in practice, the emissivity is assumed to be the same value as the emissivity of the black body, such as "1", and the number of measurement cases is extremely large. In such a state of use, accurate measurement of the temperature could not be expected.
【0013】一方、分析化学の分野では、物体の温度変
化に応じて赤外線の波長分布が変化すること(プランク
の分布則)が知られている。図14は、このような赤外
線の波長分布(計算値)を物体の温度ごとに示した図で
ある。一般に、物体の温度が高くなるに従って、波長の
短い成分のエネルギー比率が高くなる。このような波長
分布の傾向は、個々の物体の放射率にかかわらずほぼ一
定とみなすことができる。したがって、物体から放射さ
れる赤外線の波長分布を検出することができれば、放射
率が未知の物体であっても、物体温度を正確に求めるこ
とが可能となる(より詳しくは、計測自動制御学会論文
集VOL.24,No.4『熱放射の拡張指数則に基づ
く温度推定方法』に記されたものがある)。On the other hand, in the field of analytical chemistry, it is known that a wavelength distribution of infrared rays changes according to a change in temperature of an object (Planck's distribution law). FIG. 14 is a diagram showing such a wavelength distribution (calculated value) of infrared rays for each temperature of an object. In general, as the temperature of an object increases, the energy ratio of a component having a short wavelength increases. Such a tendency of the wavelength distribution can be regarded as substantially constant regardless of the emissivity of each individual object. Therefore, if the wavelength distribution of infrared rays emitted from an object can be detected, it is possible to accurately determine the temperature of the object even if the emissivity is unknown. Vol. 24, No. 4, "Temperature Estimation Method Based on Extended Power Law of Thermal Radiation").
【0014】また、このような温度計測以外にも、赤外
線の発光や吸収スペクトラムを観測することにより、物
体の同定や組成検出など、多様かつ有益な分析作業を行
うことが可能となる。しかしながら、従来の赤外線固体
撮像装置および赤外線受光素子において、上述のような
波長分布の検出を行うためには、可視領域におけるカラ
ーフィルタに相当する赤外領域用のフィルタが不可欠と
なる。In addition to such temperature measurement, various and useful analysis operations such as object identification and composition detection can be performed by observing the emission and absorption spectrum of infrared rays. However, in the conventional infrared solid-state imaging device and infrared light receiving element, in order to detect the wavelength distribution as described above, a filter for an infrared region corresponding to a color filter in a visible region is indispensable.
【0015】一般に、可視領域用のフィルタは顔料など
を用いて容易に作成することができる。それに対し、赤
外領域用のフィルタは、特殊な無機物を数〜数十層にも
わたって蒸着するなどの複雑な方法によらなければ作成
できない。まして、250μm2 程度と非常に小さい受
光画素の上に、このような赤外領域用のフィルタを混在
して形成することは非常に困難となる。Generally, a filter for the visible region can be easily formed by using a pigment or the like. On the other hand, a filter for the infrared region cannot be formed unless a complicated method such as vapor deposition of several to several tens of special inorganic substances is used. Furthermore, it is very difficult to form such a filter for the infrared region on a light receiving pixel as small as about 250 μm 2 .
【0016】特に、従来例に挙げたような裏面入射型の
素子の場合、受光画素とフィルタとの間に、厚いシリコ
ンウェハが介在することとなる。そのため、個々の受光
画素とフィルタとが遠く隔たり、受光画素の位置に合わ
せてフィルタを適正配置すること自体が、非常に困難と
なる。このような問題点を解決するため、先に、本発明
者は、特開平8−88340号公報に示す赤外線固体撮
像装置を開示した。この赤外線固体撮像装置は、半導体
基板上に複数種のオプティカルキャビティ構造からなる
受光画素を配置したものであり、かつ一種以上のオプテ
ィカルキャビティ構造によって生じる「入射光と反射光
とが弱め合う波長域」を、その他種の受光画素の光検出
可能な波長域内に配置するものであった。In particular, in the case of a back-illuminated type element as described in the conventional example, a thick silicon wafer is interposed between the light receiving pixel and the filter. Therefore, individual light receiving pixels and filters are far apart, and it is very difficult to properly arrange filters in accordance with the positions of the light receiving pixels. In order to solve such a problem, the present inventor has disclosed an infrared solid-state imaging device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-88340. This infrared solid-state imaging device is one in which light receiving pixels composed of a plurality of types of optical cavity structures are arranged on a semiconductor substrate, and "a wavelength region in which incident light and reflected light weaken each other" generated by one or more types of optical cavity structures. Are arranged in a wavelength range in which other types of light receiving pixels can detect light.
【0017】このような構成の赤外線固体撮像装置で
は、複数種の受光画素から得られる検出出力間の差分を
とることによって、「入射光と反射光とが弱め合う波長
域」に分光感度を有する受光画素を等価的に実現するこ
とが可能となる。しかしながら、このような赤外線固体
撮像装置では、検出出力間の差分をとる際に、偏差検出
手段などの付加構成が必要となる。そのため、装置の構
成をより一層簡略化するため、偏差検出手段の不要な赤
外線固体撮像装置が望まれていた。The infrared solid-state imaging device having such a configuration has a spectral sensitivity in a "wavelength region where incident light and reflected light weaken" by calculating a difference between detection outputs obtained from a plurality of types of light receiving pixels. Light receiving pixels can be equivalently realized. However, such an infrared solid-state imaging device requires an additional configuration such as a deviation detecting unit when calculating a difference between detection outputs. Therefore, in order to further simplify the configuration of the device, an infrared solid-state imaging device that does not require a deviation detecting unit has been desired.
【0018】そこで、請求項1〜3に記載の発明では、
上述した問題点を解決するために、波長分布の検出に適
し、かつ偏差検出手段の不要な赤外線固体撮像装置を提
供することを目的とする。請求項4〜6に記載の発明で
は、上述した問題点を解決するために、波長分布の検出
に適した赤外線受光素子を提供することを目的とする。Therefore, according to the first to third aspects of the present invention,
In order to solve the above-mentioned problems, an object of the present invention is to provide an infrared solid-state imaging device that is suitable for detecting a wavelength distribution and does not require a deviation detecting unit. In order to solve the above-mentioned problems, it is an object of the present invention to provide an infrared light receiving element suitable for detecting a wavelength distribution.
【0019】[0019]
【課題を解決するための手段】(請求項1)請求項1に
記載の発明は、半導体基板上にマトリクス状に配置さ
れ、赤外線を検出して電気信号を生じる複数の受光画素
と、受光画素からの電気信号を転送出力する信号走査部
と、受光画素に対向して配置され、受光画素側からの赤
外線の少なくとも一部を反射する反射部とを備えた赤外
線固体撮像装置において、受光画素と反射部との光学的
距離を少なくとも2種類以上に設定することにより、半
導体基板に複数種のオプティカルキャビティ構造を形成
し、これらの各オプティカルキャビティ構造によって入
射光と反射光とが強め合って生じる「分光感度のピー
ク」を、受光画素の光検出可能な波長域内に複数ずらし
て配することを特徴とする。According to a first aspect of the present invention, a plurality of light receiving pixels arranged on a semiconductor substrate in a matrix and detecting an infrared ray to generate an electric signal; A signal scanning unit that transfers and outputs an electric signal from the light receiving pixel, and an infrared solid-state imaging device including a reflection unit that is disposed to face the light receiving pixel and reflects at least a part of infrared light from the light receiving pixel side. By setting at least two types of optical distances with respect to the reflecting portion, a plurality of types of optical cavity structures are formed in the semiconductor substrate, and incident light and reflected light are generated by the optical cavity structures strengthening each other. It is characterized in that a plurality of "spectral sensitivity peaks" are shifted from each other within a wavelength range in which a light-receiving pixel can detect light.
【0020】このような構成では、半導体基板上に複数
種のオプティカルキャビティ構造が設けられる。これら
のオプティカルキャビティ構造の個々において、入射光
と反射光とが強め合うことにより、干渉光の光強度にピ
ーク特性が発生する。このピーク特性を受光画素の光検
出可能な波長域に発生させることにより、受光画素の分
光感度に所望のピーク特性を与えることが可能となる。In such a configuration, a plurality of types of optical cavity structures are provided on the semiconductor substrate. In each of these optical cavity structures, the incident light and the reflected light reinforce each other, so that the light intensity of the interference light has a peak characteristic. By generating this peak characteristic in the wavelength range where the light receiving pixel can detect light, it is possible to give a desired peak characteristic to the spectral sensitivity of the light receiving pixel.
【0021】このようなピーク特性が、オプティカルキ
ャビティ構造の種類ごとに異なるため、半導体基板上に
は、分光感度のピーク波長の異なる受光画素が複数形成
される。これらの受光画素を使用することにより、赤外
線をいくつかの波長帯に区分して検出することが可能と
なる。このような波長帯ごとの検出結果に基づいて赤外
線の波長分布を簡易に求めることが可能となる。Since such peak characteristics differ for each type of optical cavity structure, a plurality of light receiving pixels having different spectral sensitivity peak wavelengths are formed on a semiconductor substrate. By using these light receiving pixels, it is possible to detect infrared rays by dividing them into several wavelength bands. The wavelength distribution of infrared rays can be easily obtained based on the detection result for each wavelength band.
【0022】なお、本発明者が先に出願した特開平8−
88340号公報の図3,図5,図9には、受光画素の
光検出可能な波長域内に、分光感度のピークが複数存在
する事例が既に開示されている。しかしながら、先願に
開示される分光感度のピークは、いずれもオプティカル
キャビティ構造による光強度の谷間部分と、受光画素本
来の分光感度特性との合成によって生じた擬似的なピー
クである。そのため、先願に開示されるピーク波長の値
は、本発明における入射光と反射光とが強め合う波長の
値とはいずれも明らかに異なる。Incidentally, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 8-
FIG. 3, FIG. 5, and FIG. 9 of JP 88340 disclose a case in which a plurality of spectral sensitivity peaks exist within a wavelength range in which a light receiving pixel can detect light. However, each of the spectral sensitivity peaks disclosed in the prior application is a pseudo peak generated by combining a valley portion of light intensity due to the optical cavity structure with a spectral sensitivity characteristic inherent in the light receiving pixel. Therefore, the value of the peak wavelength disclosed in the prior application is clearly different from the value of the wavelength at which the incident light and the reflected light in the present invention strengthen.
【0023】このように生じたピークであるため、先願
では、ピークの右肩部分が受光画素本来の分光感度特性
といずれも略一致する。そのため、先願における各受光
画素の検出出力には、ピーク右肩部分の出力が共通して
含まれる。このように共通部分を多く含む各検出出力の
値から、直接的に赤外線の波長分布を求めることは難し
い。このような理由もあって、先願では、検出出力間の
差分をとり、分光感度の共通部分を排除する構成が、別
途設けられていた。Since the peak is generated as described above, in the prior application, the right shoulder portion of the peak substantially coincides with the original spectral sensitivity characteristic of the light receiving pixel. Therefore, the detection output of each light receiving pixel in the prior application commonly includes the output of the right shoulder portion of the peak. As described above, it is difficult to directly determine the infrared wavelength distribution from the values of the respective detection outputs including many common portions. For such a reason, in the prior application, a configuration for obtaining a difference between detection outputs and excluding a common portion of spectral sensitivity was separately provided.
【0024】しかしながら、本発明では、オプティカル
キャビティ構造によって入射光と反射光とが強め合うピ
ーク特性を新規に設けている。そのため、各受光画素の
検出出力に含まれる分光感度特性の共通部分は少なくな
り、各検出出力の値から直接的に赤外線の波長分布を求
めることが可能となる。また、先願では、光強度の谷間
部分と、受光画素本来の分光感度特性との両者からピー
クが副次的に生じているため、ピーク波長の位置は、両
特性の影響を受けて敏感に変化する。そのため、このよ
うな素子のピーク特性を、高精度な計測用途にそのまま
使用することは難しい。しかしながら、本発明における
ピーク波長は、オプティカルキャビティ構造からほぼ一
意に決定される。そのため、ピーク波長の値はさほど変
動せず、安定した特性を容易に得ることができる。した
がって、本発明におけるピーク特性は、高精度な計測用
途に特に好適なものとなる。However, in the present invention, a new peak characteristic in which the incident light and the reflected light are strengthened by the optical cavity structure is newly provided. Therefore, the common part of the spectral sensitivity characteristics included in the detection output of each light receiving pixel is reduced, and the wavelength distribution of infrared rays can be directly obtained from the value of each detection output. In addition, in the prior application, since peaks are secondarily generated from both the valley portion of the light intensity and the original spectral sensitivity characteristic of the light receiving pixel, the position of the peak wavelength is sensitively affected by both characteristics. Change. Therefore, it is difficult to use the peak characteristic of such an element as it is for a highly accurate measurement application. However, the peak wavelength in the present invention is almost uniquely determined from the optical cavity structure. Therefore, the value of the peak wavelength does not change so much, and stable characteristics can be easily obtained. Therefore, the peak characteristics in the present invention are particularly suitable for high-accuracy measurement applications.
【0025】(請求項2)請求項2に記載の発明は、請
求項1に記載の赤外線固体撮像装置において、受光画素
への赤外線入射経路上に、受光画素の光検出可能な波長
域を制限する波長制限フィルタを配置したことを特徴と
する。通常、上述した(2)式の波長条件から示される
ように、一つのオプティカルキャビティ構造からは、数
次におよぶピーク波長が生じる。そのため、光学的距離
ndの設定によっては、受光画素の光検出可能な波長域
内に、余計なピーク特性まで含まれるおそれがある。According to a second aspect of the present invention, in the infrared solid-state imaging device according to the first aspect, a wavelength range in which light can be detected by the light receiving pixel is limited on an infrared ray incident path to the light receiving pixel. A wavelength limiting filter is disposed. Normally, as shown by the wavelength condition of the above-described formula (2), several optical peak wavelengths are generated from one optical cavity structure. Therefore, depending on the setting of the optical distance nd, an unnecessary peak characteristic may be included in the wavelength range in which the light receiving pixels can detect light.
【0026】しかしながら、請求項2に記載の発明で
は、波長制限フィルタにより光検出可能な波長域を制限
する。したがって、この波長制限フィルタを用いて、余
計なピーク特性を光検出可能な波長域の外におくことが
可能となる。その結果、余計なピーク特性から生じる不
要なノイズ成分を、赤外線固体撮像装置の出力から取り
除くことが可能となる。However, according to the second aspect of the present invention, the wavelength range in which light can be detected is limited by the wavelength limiting filter. Therefore, by using this wavelength limiting filter, it is possible to set unnecessary peak characteristics outside the wavelength range in which light can be detected. As a result, it is possible to remove unnecessary noise components resulting from unnecessary peak characteristics from the output of the infrared solid-state imaging device.
【0027】(請求項3)請求項3に記載の発明は、請
求項1または請求項2に記載の赤外線固体撮像装置にお
いて、光学的距離の少なくとも2種類は、受光画素の光
検出可能な波長域内に位置する「光強度のピーク波長」
のN/4倍(ただしNは3以上の奇数)に設定されるこ
とを特徴とする。(Claim 3) According to a third aspect of the present invention, in the infrared solid-state imaging device according to the first or second aspect, at least two types of optical distances are determined by a light detectable wavelength of a light receiving pixel. "Light intensity peak wavelength" located in the region
(N is an odd number of 3 or more).
【0028】以下、一例として、光強度のピーク波長λ
を3.8μmに設定するケースを挙げて説明する。上述
した(2)式の波長条件から、この場合の光学的距離n
dの値は、 N=1の場合・・・nd=3.8×(1/4)=0.9
5μm N=3の場合・・・nd=3.8×(3/4)=2.8
5μm N=5の場合・・・nd=3.8×(5/4)=4.7
5μm N=7の場合・・・nd=3.8×(7/4)=6.6
5μm ・・の中から選択できる。Hereinafter, as an example, the peak wavelength λ of the light intensity will be described.
Is set to 3.8 μm. From the wavelength condition of the above equation (2), the optical distance n in this case is obtained.
When the value of d is N = 1, nd = 3.8 × (1 /) = 0.9
5 μm When N = 3: nd = 3.8 × (3/4) = 2.8
5 μm When N = 5: nd = 3.8 × (5/4) = 4.7
5 μm When N = 7: nd = 3.8 × (7/4) = 6.6
It can be selected from 5 μm.
【0029】図1は、これらの光学的距離ndから得ら
れる光強度のピーク特性をそれぞれ示した図である。図
1に示されるように、N=1では、比較的なだらかなピ
ーク特性を示す。一方、N≧3では、急峻なピーク特性
を示す。図2は、これらの光強度に対してPtSi膜本
来の感度を乗じて求めた分光感度特性(計算値)を示し
た図である。図2に示されるように、N=1では、分光
感度にピークが生じない。一方、N≧3では、分光感度
に明確なピークが生じる。このようにN≧3の条件で
は、PtSi膜のように本来の分光感度が一様でない受
光画素についても、明確なピーク特性を生じさせること
が可能となる。したがって、請求項3に記載の発明のよ
うに、2種類以上の光学的距離をN≧3の条件で設計す
ることにより、明確なピーク特性を有する2種類以上の
受光画素を確実に形成することが可能となる。FIG. 1 is a diagram showing peak characteristics of light intensity obtained from these optical distances nd. As shown in FIG. 1, when N = 1, a relatively gentle peak characteristic is exhibited. On the other hand, when N ≧ 3, a steep peak characteristic is exhibited. FIG. 2 is a diagram showing spectral sensitivity characteristics (calculated values) obtained by multiplying these light intensities by the intrinsic sensitivity of the PtSi film. As shown in FIG. 2, when N = 1, no peak occurs in the spectral sensitivity. On the other hand, when N ≧ 3, a clear peak occurs in the spectral sensitivity. As described above, under the condition of N ≧ 3, it is possible to generate a clear peak characteristic even for a light-receiving pixel whose original spectral sensitivity is not uniform, such as a PtSi film. Therefore, by designing two or more kinds of optical distances under the condition of N ≧ 3, two or more kinds of light receiving pixels having clear peak characteristics can be surely formed. Becomes possible.
【0030】(請求項4)請求項4に記載の発明は、半
導体基板上に配置され、赤外線を検出して電気信号を生
じる受光部と、受光部に対向して配置され、赤外線の少
なくとも一部を反射する反射部とを備えた赤外線受光素
子において、受光部と反射部との光学的距離を少なくと
も2種類以上に設定することにより、半導体基板に複数
種のオプティカルキャビティ構造からなる領域を形成
し、これらの各オプティカルキャビティ構造によって入
射光と反射光とが強め合って生じる「分光感度のピー
ク」を、受光部の光検出可能な波長域内に複数ずらして
配することを特徴とする。このような構成の赤外線受光
素子では、複数種のオプティカルキャビティ構造を設け
ることにより、入射光と反射光とが強め合って生じる分
光感度のピーク波長を受光部の領域ごとにずらす。この
ような受光部の各領域を用いて赤外線検出を行うことに
より、赤外線の波長分布を簡易に求めることが可能とな
る。(Claim 4) The invention according to claim 4 is a light-receiving section which is disposed on a semiconductor substrate and detects an infrared ray to generate an electric signal, and which is disposed opposite to the light-receiving section and has at least one of the infrared rays. In the infrared light receiving element provided with a reflecting portion for reflecting a portion, an optical distance between the light receiving portion and the reflecting portion is set to at least two or more types to form a region having a plurality of types of optical cavity structures on the semiconductor substrate. In addition, a plurality of "peaks of spectral sensitivity", which are generated when the incident light and the reflected light are strengthened by each of the optical cavity structures, are shifted in a wavelength range in which the light receiving unit can detect light. In the infrared light receiving element having such a configuration, by providing a plurality of types of optical cavity structures, the peak wavelength of the spectral sensitivity generated by strengthening the incident light and the reflected light is shifted for each region of the light receiving unit. By performing infrared detection using such regions of the light receiving section, it is possible to easily obtain the wavelength distribution of infrared light.
【0031】(請求項5)請求項5に記載の発明は、請
求項4に記載の赤外線受光素子において、受光部への赤
外線入射経路上に、受光部の光検出可能な波長域を制限
する波長制限フィルタを配置したことを特徴とする。こ
のような構成の赤外線受光素子では、波長制限フィルタ
により光検出可能な波長域を予め制限するので、オプテ
ィカルキャビティ構造から生じる余計なピーク特性を、
光検出可能な波長域の外におくことが可能となる。した
がって、余計なピーク特性によって生じる不要なノイズ
成分を取り除くことが可能となる。According to a fifth aspect of the present invention, in the infrared light receiving element according to the fourth aspect, a wavelength range in which light can be detected by the light receiving section is limited on an infrared ray incident path to the light receiving section. A wavelength limiting filter is provided. In the infrared light receiving element having such a configuration, since the wavelength range in which light can be detected by the wavelength limiting filter is limited in advance, unnecessary peak characteristics resulting from the optical cavity structure are reduced.
It is possible to keep the wavelength outside the wavelength range where light can be detected. Therefore, it is possible to remove unnecessary noise components caused by unnecessary peak characteristics.
【0032】(請求項6)請求項6に記載の発明は、請
求項4または請求項5に記載の赤外線固体撮像装置にお
いて、光学的距離の少なくとも2種類は、受光部の光検
出可能な波長域内に位置する「光強度のピーク波長」の
N/4倍(ただしNは3以上の奇数)に設定されること
を特徴とする。According to a sixth aspect of the present invention, in the infrared solid-state imaging device according to the fourth or fifth aspect, at least two types of optical distances are determined by a light-detectable wavelength of the light receiving section. It is set to be N / 4 times (where N is an odd number of 3 or more) the "peak wavelength of light intensity" located in the range.
【0033】このような構成では、2種類以上の光学的
距離をN≧3の条件で設計するので、明確なピーク特性
を有する2種類以上の領域を確実に形成することができ
る。したがって、PtSi膜のように本来の分光感度が
一様でない受光部を使用する場合であっても、明確なピ
ーク特性を利用して赤外線の波長分布を確実に求めるこ
とが可能となる。In such a configuration, since two or more types of optical distances are designed under the condition of N ≧ 3, two or more types of regions having distinct peak characteristics can be reliably formed. Therefore, even when a light receiving unit having a non-uniform original spectral sensitivity, such as a PtSi film, is used, it is possible to reliably obtain the wavelength distribution of infrared rays using a clear peak characteristic.
【0034】[0034]
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明にお
ける実施の形態を説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0035】(第1の実施形態)第1の実施形態は、請
求項1〜3に記載の発明に対応する赤外線固体撮像装置
の実施形態である。図3は、第1の実施形態の概略構成
を示す図である。図3において、赤外線を透過する撮像
光学系1の光軸上には、波長3μm未満を除去する波長
制限フィルタ2が配置される。この波長制限フィルタ2
の後方には、赤外線固体撮像装置3が配置される。(First Embodiment) A first embodiment is an embodiment of an infrared solid-state imaging device according to the first to third aspects of the present invention. FIG. 3 is a diagram illustrating a schematic configuration of the first embodiment. In FIG. 3, a wavelength limiting filter 2 that removes a wavelength less than 3 μm is disposed on the optical axis of the imaging optical system 1 that transmits infrared light. This wavelength limiting filter 2
Behind, an infrared solid-state imaging device 3 is arranged.
【0036】この赤外線固体撮像装置3の背面側には、
図4に示すような3種類の受光画素4〜6が混在して配
置される。これら3種類の受光画素4〜6は、オプティ
カルキャビティ構造の光学的距離ndの値が互いに異な
る。図5(a)は、受光画素4の断面構造を示す図であ
る。図5(a)において、p型シリコン基板11の主面
上にPtSi膜12が形成される。このPtSi膜12
の上方には、酸化シリコン(屈折率n=1.4)からな
る絶縁膜13が形成される。この絶縁膜13の上には、
アルミニウムなどからなる反射膜14が設けられる。こ
のPtSi膜12と反射膜14との幾何学的距離dは、
受光画素4の場合、1.9μmに設定される。この反射
膜14の上には、絶縁膜19,29が形成される。On the back side of the infrared solid-state imaging device 3,
As shown in FIG. 4, three types of light receiving pixels 4 to 6 are arranged in a mixed manner. These three types of light receiving pixels 4 to 6 have different values of the optical distance nd of the optical cavity structure. FIG. 5A is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the light receiving pixel 4. In FIG. 5A, a PtSi film 12 is formed on a main surface of a p-type silicon substrate 11. This PtSi film 12
Is formed above the insulating film 13 made of silicon oxide (refractive index n = 1.4). On this insulating film 13,
A reflection film 14 made of aluminum or the like is provided. The geometric distance d between the PtSi film 12 and the reflection film 14 is:
In the case of the light receiving pixel 4, it is set to 1.9 μm. On the reflective film 14, insulating films 19 and 29 are formed.
【0037】一方、PtSi膜12の周囲には、n型拡
散層からなるガードリング16が設けられる。このガー
ドリング16の隣には、分離領域15を一部に介して長
尺状のBCCD拡散層17が埋め込まれる。このBCC
D拡散層17の上方には、絶縁膜を介してCCD転送電
極18が形成される。図5(b)は、受光画素5の断面
構造を示す図である。図5(b)において、p型シリコ
ン基板11の主面上にPtSi膜12が形成される。こ
のPtSi膜12の上方には、酸化シリコン(屈折率n
=1.4)からなる絶縁膜23が形成される。この絶縁
膜23の上には、アルミニウムなどからなる反射膜24
が設けられる。このPtSi膜12と反射膜24との幾
何学的距離dは、受光画素5の場合、2.05μmに設
定される。この反射膜24の上には、絶縁膜29が形成
される。一方、PtSi膜12の周囲には、n型拡散層
からなるガードリング26が設けられる。このガードリ
ング26の隣には、分離領域25を一部に介して長尺状
のBCCD拡散層27が埋め込まれる。このBCCD拡
散層27の上方には、絶縁膜を介してCCD転送電極2
8が形成される。なお、受光画素6についても上記同様
の構造であり、PtSi膜12と反射膜との幾何学的距
離dが、2.2μmに設定される。次に、このような赤
外線固体撮像装置3の製造方法について説明する。On the other hand, around the PtSi film 12, a guard ring 16 made of an n-type diffusion layer is provided. A long BCCD diffusion layer 17 is buried next to the guard ring 16 with a part of the isolation region 15 interposed therebetween. This BCC
Above the D diffusion layer 17, a CCD transfer electrode 18 is formed via an insulating film. FIG. 5B is a diagram illustrating a cross-sectional structure of the light receiving pixel 5. In FIG. 5B, a PtSi film 12 is formed on a main surface of a p-type silicon substrate 11. Above the PtSi film 12, silicon oxide (refractive index n
= 1.4) is formed. On this insulating film 23, a reflective film 24 made of aluminum or the like is formed.
Is provided. The geometric distance d between the PtSi film 12 and the reflection film 24 is set to 2.05 μm in the case of the light receiving pixel 5. An insulating film 29 is formed on the reflection film 24. On the other hand, a guard ring 26 made of an n-type diffusion layer is provided around the PtSi film 12. A long BCCD diffusion layer 27 is buried next to the guard ring 26 with a part of the separation region 25 interposed therebetween. Above the BCCD diffusion layer 27, the CCD transfer electrode 2 is interposed via an insulating film.
8 are formed. The light receiving pixel 6 has the same structure as described above, and the geometric distance d between the PtSi film 12 and the reflection film is set to 2.2 μm. Next, a method for manufacturing such an infrared solid-state imaging device 3 will be described.
【0038】(赤外線固体撮像装置3の製造方法)まず
最初に、公知のLOCOS分離法(選択酸化分離法)を
用いて、p型シリコン基板11上に比較的厚い熱酸化膜
と不純物拡散領域とからなる分離領域15,25を形成
する。 次に、BCCD拡散層17,27を形成し、こ
の拡散層17,27の上方にポリシリコンからなるCC
D転送電極18,28を形成する。このような形成過程
に並行して、N型不純物拡散層からなるガードリング1
6,26なども形成される。(Manufacturing method of infrared solid-state imaging device 3) First, a relatively thick thermal oxide film and an impurity diffusion region are formed on a p-type silicon substrate 11 by using a known LOCOS separation method (selective oxidation separation method). Are formed. Next, BCCD diffusion layers 17 and 27 are formed, and a CC made of polysilicon is formed above the diffusion layers 17 and 27.
D transfer electrodes 18 and 28 are formed. In parallel with such a forming process, a guard ring 1 composed of an N-type impurity diffusion layer is formed.
6, 26, etc. are also formed.
【0039】次いで、受光領域以外をレジストで保護し
た後、ウエットエッチングを施して、受光領域に穴をあ
け、p型シリコン基板11の表面を露出させる。このp
型シリコン基板11の露出表面にPtを披着し、次いで
熱処理を施してPtSi膜12を形成する。次に、50
0℃程度以下の比較的低温で得られる厚さ1.9μmの
絶縁膜13を全面に形成する。この絶縁膜13は、常圧
CVD法、プラズマCVD法、減圧CVD法、又はスパ
ッタ法などによる酸化膜、酸化窒化膜、又は窒化膜な
ど、種々のものから適宜選択できる。但し、絶縁膜13
はその種類によって屈折率nが異なるため、そのオプテ
ィカルキャビティ構造が希望する光学的距離ndになる
ように膜厚dも適宜に選択する。Next, after the area other than the light receiving area is protected by a resist, wet etching is performed to make a hole in the light receiving area, thereby exposing the surface of the p-type silicon substrate 11. This p
Pt is deposited on the exposed surface of the mold silicon substrate 11 and then heat-treated to form a PtSi film 12. Next, 50
An insulating film 13 having a thickness of 1.9 μm obtained at a relatively low temperature of about 0 ° C. or less is formed on the entire surface. The insulating film 13 can be appropriately selected from various materials such as an oxide film, an oxynitride film, or a nitride film formed by a normal pressure CVD method, a plasma CVD method, a low pressure CVD method, a sputtering method, or the like. However, the insulating film 13
Since the refractive index n differs depending on the type, the film thickness d is appropriately selected so that the optical cavity structure has a desired optical distance nd.
【0040】絶縁膜13形成後、受光画素4に相当する
領域に対して、例えばアルミニウムまたはアルミニウム
合金などによって反射膜14を選択的に形成する。この
ような工程により、図5(a)に示す第1のオプティカ
ルキャビティ構造が形成される。続いて、500℃程度
以下の比較的低温で得られる厚さ0.15μmの絶縁膜
19を全面に追加形成する。この時、受光画素5に相当
する領域上には、絶縁膜13と合わせて厚さ2.05μ
mの絶縁膜23が形成されている。After the formation of the insulating film 13, a reflection film 14 is selectively formed on a region corresponding to the light receiving pixel 4 by using, for example, aluminum or an aluminum alloy. Through such steps, the first optical cavity structure shown in FIG. 5A is formed. Subsequently, an insulating film 19 having a thickness of 0.15 μm obtained at a relatively low temperature of about 500 ° C. or less is additionally formed on the entire surface. At this time, on the region corresponding to the light receiving pixel 5, a thickness of 2.05 .mu.
m of the insulating film 23 is formed.
【0041】その後、受光画素5に相当する領域に対し
て、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などに
よって反射膜24を選択的に形成する。このような工程
により、図5(b)に示す第2のオプティカルキャビテ
ィ構造が形成される。次に、500℃程度以下の比較的
低温で得られる厚さ0.15μmの絶縁膜29を全面に
追加形成する。この時、受光画素6に相当する領域上に
は、絶縁膜23と合わせて厚さ2.2μmの絶縁膜が形
成されている。Thereafter, a reflection film 24 is selectively formed in a region corresponding to the light receiving pixel 5 by using, for example, aluminum or an aluminum alloy. Through these steps, the second optical cavity structure shown in FIG. 5B is formed. Next, an insulating film 29 having a thickness of 0.15 μm obtained at a relatively low temperature of about 500 ° C. or less is additionally formed on the entire surface. At this time, an insulating film having a thickness of 2.2 μm is formed on the region corresponding to the light receiving pixels 6 together with the insulating film 23.
【0042】その後、受光画素6に相当する領域に対し
て、例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金などに
よって反射膜を選択的に形成する。このような工程によ
り、第3のオプティカルキャビティ構造が形成される。
このように、複数種のオプティカルキャビティ構造を形
成するには、設定膜厚の小さい順に絶縁膜とその上の反
射膜の形成、および追加絶縁膜の形成を順次繰り返せば
よい。Thereafter, a reflection film is selectively formed on a region corresponding to the light receiving pixel 6 by using, for example, aluminum or an aluminum alloy. Through these steps, a third optical cavity structure is formed.
As described above, in order to form a plurality of types of optical cavity structures, the formation of the insulating film, the reflective film thereon, and the formation of the additional insulating film may be sequentially repeated in ascending order of the set film thickness.
【0043】このように複数種のオプティカルキャビテ
ィ構造を形成した後、表面保護用の絶縁膜や、必要に応
じて金属配線などを形成して、赤外線固体撮像装置3が
完成する。次に、このように形成された赤外線固体撮像
装置3の分光感度特性について説明する。After forming a plurality of types of optical cavity structures in this manner, an insulating film for protecting the surface, metal wiring and the like are formed as required, and the infrared solid-state imaging device 3 is completed. Next, the spectral sensitivity characteristics of the infrared solid-state imaging device 3 thus formed will be described.
【0044】(赤外線固体撮像装置3の分光感度特性)
上記のような製造方法により、受光画素4〜6は、それ
ぞれ下表のようなオプティカルキャビティ構造を備え
る。 屈折率n 幾何学的距離d 光学的距離nd 受光画素4: 1.4 1.9 μm 2.66μm 受光画素5: 1.4 2.05μm 2.87μm 受光画素6: 1.4 2.20μm 3.08μm 図6は、このような3種類のオプティカルキャビティ構
造によって、PtSi膜12の位置に生じる光強度の波
長特性を示す図である。(Spectral sensitivity characteristics of infrared solid-state imaging device 3)
According to the manufacturing method described above, each of the light receiving pixels 4 to 6 has an optical cavity structure as shown in the following table. Refractive index n Geometric distance d Optical distance nd Light receiving pixel 4: 1.4 1.9 μm 2.66 μm Light receiving pixel 5: 1.4 2.05 μm 2.87 μm Light receiving pixel 6: 1.4 2.20 μm 3 FIG. 6 is a diagram showing wavelength characteristics of light intensity generated at the position of the PtSi film 12 by such three types of optical cavity structures.
【0045】図7は、この状態におけるPtSi膜12
の分光感度特性を示した図である。図7に示されるよう
に、受光画素4〜6の分光感度特性は、それぞれ下表の
ようなピーク波長を示す。 これらのピーク波長はいずれも、上述した(2)式の波
長条件のおいてN=3として得られるピーク波長λにほ
ぼ相当する。このようにN=3の条件で設計したため、
ピーク特性の急峻さは大きく、PtSi膜12本来の分
光感度特性に打ち消されることがない。なお、これらの
オプティカルキャビティ構造により生じる3μm以下の
余計なピーク特性は、波長制限フィルタ2の作用により
抑制される。FIG. 7 shows the PtSi film 12 in this state.
FIG. 4 is a diagram showing spectral sensitivity characteristics of FIG. As shown in FIG. 7, the spectral sensitivity characteristics of the light receiving pixels 4 to 6 each have a peak wavelength as shown in the table below. Each of these peak wavelengths substantially corresponds to the peak wavelength λ obtained as N = 3 under the wavelength condition of the above-described equation (2). Since the design was performed under the condition of N = 3,
The steepness of the peak characteristic is large, and is not canceled out by the original spectral sensitivity characteristic of the PtSi film 12. Note that unnecessary peak characteristics of 3 μm or less caused by these optical cavity structures are suppressed by the function of the wavelength limiting filter 2.
【0046】図8(a)は、受光画素4〜6の検出出力
の比率変化を物体温度ごとに示した図である。物体温度
が高くなるに従って、短波長側の受光画素4の検出出力
が大きくなり、長波長側の受光画素6の検出出力が小さ
くなる。また、図8(b)は、「受光画素4の検出出
力」と「受光画素6の検出出力」との比率を物体温度ご
とに示した図である。FIG. 8A is a diagram showing a change in the ratio of the detection output of the light receiving pixels 4 to 6 for each object temperature. As the object temperature increases, the detection output of the light receiving pixel 4 on the short wavelength side increases, and the detection output of the light receiving pixel 6 on the long wavelength side decreases. FIG. 8B is a diagram showing the ratio between the “detection output of the light receiving pixel 4” and the “detection output of the light receiving pixel 6” for each object temperature.
【0047】一般に、物体の放射率は狭い波長範囲では
一定値と見なすことができる。そのため、狭い波長範囲
内の検出出力について比率を算出することにより、物体
ごとに異なる放射率の影響を除去することが可能とな
る。したがって、図8(a),(b)に示したような検
出出力比の温度変化は、物体の種類にかかわらず、同一
傾向を示すと考えられる。したがって、このような検出
出力比の結果に基づいて、放射率が未知の物体について
も、物体温度を知ることが可能となる。次に、別の実施
形態について説明する。In general, the emissivity of an object can be regarded as a constant value in a narrow wavelength range. Therefore, by calculating the ratio for the detection output within a narrow wavelength range, it becomes possible to remove the influence of the emissivity that differs for each object. Therefore, it is considered that the temperature change of the detection output ratio as shown in FIGS. 8A and 8B shows the same tendency regardless of the type of the object. Therefore, based on the result of such a detection output ratio, it is possible to know the object temperature of an object whose emissivity is unknown. Next, another embodiment will be described.
【0048】(第2の実施形態)第2の実施形態は、請
求項4〜6に記載の発明に対応する赤外線受光素子の実
施形態である。図9は、第2の実施形態における赤外線
受光素子TDの構造を説明する概念図である。(Second Embodiment) The second embodiment is an embodiment of an infrared light receiving element corresponding to the inventions of claims 4 to 6. FIG. 9 is a conceptual diagram illustrating the structure of the infrared light receiving element TD according to the second embodiment.
【0049】図9において、p型シリコン基板31の裏
面側には、反射防止膜33が形成される。一方、p型シ
リコン基板31の表面側には、分離領域34を間に挟ん
で、3つのPtSi膜32a〜32cが形成される。こ
れら3つのPtSi膜32a〜32cの上方には、厚さ
の異なる絶縁層36(屈折率1.4)を介して、反射膜
37a〜37cがそれぞれ形成される。この場合、下表
に示す3種類のオプティカルキャビティ構造が形成され
る。In FIG. 9, an anti-reflection film 33 is formed on the back surface of the p-type silicon substrate 31. On the other hand, on the surface side of the p-type silicon substrate 31, three PtSi films 32a to 32c are formed with the isolation region 34 interposed therebetween. Reflection films 37a to 37c are formed above the three PtSi films 32a to 32c via insulating layers 36 having different thicknesses (refractive index: 1.4). In this case, three types of optical cavity structures shown in the following table are formed.
【0050】 屈折率n 幾何学的距離d 光学的距離nd PtSi膜32a: 1.4 3.07μm 4.3 μm PtSi膜32b: 1.4 3.21μm 4.5 μm PtSi膜32c: 1.4 3.34μm 4.68μm また、p型シリコン基板31側には、共通アノード端子
38が電気的に接続される。PtSi膜32a〜32c
側には、カソード端子39a〜39cがそれぞれ電気的
に接続される。さらに、赤外線の入射経路上には、波長
3μm未満を除去する波長制限フィルタ40が配置され
る。Refractive index n Geometric distance d Optical distance nd PtSi film 32a: 1.4 3.07 μm 4.3 μm PtSi film 32b: 1.4 3.21 μm 4.5 μm PtSi film 32c: 1.4 3.34 μm 4.68 μm A common anode terminal 38 is electrically connected to the p-type silicon substrate 31 side. PtSi films 32a to 32c
On the side, cathode terminals 39a to 39c are electrically connected respectively. Further, a wavelength limiting filter 40 for removing a wavelength of less than 3 μm is disposed on the infrared ray incident path.
【0051】図10は、第2の実施形態における分光感
度特性を示す図である。図10に示されるように、Pt
Si膜32a〜32cの分光感度特性は、それぞれ下表
のようなピーク波長を示す。 これらのピーク波長はいずれも、上述した(2)式の波
長条件のおいてN=5として得られるピーク波長λにほ
ぼ相当する。なお、その他の余計なピーク特性は、波長
制限フィルタ40の作用により抑制される。FIG. 10 is a diagram showing the spectral sensitivity characteristics in the second embodiment. As shown in FIG.
The spectral sensitivity characteristics of the Si films 32a to 32c each show a peak wavelength as shown in the table below. Each of these peak wavelengths substantially corresponds to the peak wavelength λ obtained as N = 5 under the wavelength condition of the above-described equation (2). Note that other unnecessary peak characteristics are suppressed by the function of the wavelength limiting filter 40.
【0052】このように第2の実施形態では、半導体基
板上に複数種のオプティカルキャビティ構造を設けるこ
とにより、分光感度のピーク位置が異なる複数種類の受
光領域を半導体基板上に設けることができる。このよう
な複数種類の受光領域を使用して、赤外線をいくつかの
波長帯域ごとに分けて検出することにより、赤外線の波
長分布を簡易に検出することができる。このような赤外
線受光素子を使用して、波長分布の特徴を検出すること
により、例えば、燃焼赤外線と太陽光とを弁別可能な火
災検知装置などを実現することが可能となる。As described above, in the second embodiment, by providing a plurality of types of optical cavity structures on the semiconductor substrate, a plurality of types of light receiving regions having different spectral sensitivity peak positions can be provided on the semiconductor substrate. By using such a plurality of types of light receiving regions and detecting infrared rays by dividing them into several wavelength bands, it is possible to easily detect the wavelength distribution of infrared rays. By detecting the characteristics of the wavelength distribution using such an infrared light receiving element, it is possible to realize, for example, a fire detection device capable of discriminating between burning infrared rays and sunlight.
【0053】(別の実施形態について)なお、上述した
第1および第2の実施形態では、オプティカルキャビテ
ィ構造の光学的距離ndを、幾何学的距離dによって制
御したが、本発明は、これに限定されるものではない。
一般的には、屈折率n、あるいは屈折率nと幾何学的距
離dとの組み合わせによっても光学的距離ndを制御す
ることが可能である。(Regarding Another Embodiment) In the first and second embodiments described above, the optical distance nd of the optical cavity structure is controlled by the geometric distance d. It is not limited.
Generally, the optical distance nd can be controlled by the refractive index n or a combination of the refractive index n and the geometric distance d.
【0054】例えば、屈折率1.4のシリコン酸化膜に
代えて、シリコン窒化膜(屈折率2)を一部の受光画素
に使用すると、光電変換部と反射膜間の幾何学的距離d
を大きくしなくても、光学的距離ndを1.43倍程度
に稼ぐことが可能となる。また、上述した第1および第
2の実施形態では、光透過性基板としてのシリコン半導
体と、該シリコン半導体にPtを反応させて生じるPt
Siシリサイド間のショットキー接合を受光画素とした
が、本発明はこれに限定されるものではない。一般に、
オプティカルキャビティ構造を有する量子型の受光画素
(受光部)であれば、本発明を適用することが可能であ
る。例えば、このような量子型の受光画素としては、P
tSi以外にもPd2 SiやIrSiなど、またパラジ
ウムシリサイドなども勿論使用できる。For example, when a silicon nitride film (refractive index: 2) is used for some of the light receiving pixels instead of the silicon oxide film having a refractive index of 1.4, the geometric distance d between the photoelectric conversion unit and the reflective film is increased.
Without increasing the optical distance nd, it is possible to increase the optical distance nd to about 1.43 times. In the first and second embodiments described above, the silicon semiconductor as the light transmitting substrate and the Pt generated by reacting Pt with the silicon semiconductor are used.
Although the Schottky junction between the Si silicides is used as the light receiving pixel, the present invention is not limited to this. In general,
The present invention can be applied to any quantum-type light receiving pixel (light receiving unit) having an optical cavity structure. For example, as such a quantum-type light receiving pixel, P
In addition to tSi, Pd 2 Si, IrSi or the like, or palladium silicide or the like can of course be used.
【0055】さらに、上述した第1および第2の実施形
態では、量子型赤外線センサからなる受光画素(受光
部)を使用しているが、本発明はこれに限定されるもの
ではない。例えば、本発明の受光画素(受光部)とし
て、熱型赤外線センサを使用しても勿論よい。このよう
な熱型赤外線センサの一例としては、熱センサ部分を架
橋構造にして赤外線による熱変化を大きく捉えるものが
知られている。このような素子構造では、架橋下の反射
部までの光学的距離を複数種類設けることによって、複
数種のオプティカルキャビティ構造を受光面上に構成す
ることが可能となる。Further, in the first and second embodiments described above, the light receiving pixels (light receiving portions) each composed of the quantum infrared sensor are used, but the present invention is not limited to this. For example, a thermal infrared sensor may be used as the light receiving pixel (light receiving unit) of the present invention. As an example of such a thermal-type infrared sensor, there is known a thermal-type infrared sensor in which a heat sensor portion is formed to have a cross-linking structure and a thermal change due to infrared rays is largely captured. In such an element structure, a plurality of types of optical cavities can be formed on the light receiving surface by providing a plurality of types of optical distances to the reflecting portion under the bridge.
【0056】また、上述した第1および第2の実施形態
では、オプティカルキャビティ構造の層間物質を一種類
の絶縁膜から構成したが、本発明はこれに限定されるも
のではない。例えば、層間物質として、複数種の物質を
組み合わせて構成してもよい。この場合、層間物質の屈
折率をn1,n2・・・とし、層間物質の幾何学的距離
をそれぞれd1,d2・・・とした場合、全体の光学的
距離を(n1d1+n2d2+・・・)に置き換えて考
えればよい。In the first and second embodiments described above, the interlayer material having the optical cavity structure is formed of one kind of insulating film, but the present invention is not limited to this. For example, a plurality of types of materials may be combined as the interlayer material. In this case, assuming that the refractive index of the interlayer material is n1, n2... And the geometric distance of the interlayer material is d1, d2..., The entire optical distance is replaced by (n1d1 + n2d2 +. Just think about it.
【0057】さらに、上述した第1および第2の実施形
態では、半導体基板上に3種類のオプティカルキャビテ
ィ構造を形成しているが、本発明はこれに限定されるも
のではない。例えば、半導体基板上に2種類のオプティ
カルキャビティ構造を形成してもよい。このような構成
では、半導体基板上の有効画素数が多くなるので、赤外
線固体撮像装置の空間分解能を一段と高めることが可能
となる。Further, in the first and second embodiments described above, three types of optical cavity structures are formed on the semiconductor substrate, but the present invention is not limited to this. For example, two types of optical cavity structures may be formed on a semiconductor substrate. In such a configuration, the number of effective pixels on the semiconductor substrate increases, so that the spatial resolution of the infrared solid-state imaging device can be further increased.
【0058】また、半導体基板上に4種類以上のオプテ
ィカルキャビティ構造を形成しても勿論よい。このよう
な構成では、検出帯域をさらに細分化できるので、赤外
線の波長分布の特徴をより精緻に求めることが可能とな
る。このような受光デバイスは、物体の発光あるい吸収
スペクトラムの特徴から物体の同定や組成分析を行うよ
うな用途に特に好適なデバイスとなる。It is needless to say that four or more types of optical cavity structures may be formed on a semiconductor substrate. In such a configuration, the detection band can be further subdivided, so that the characteristics of the wavelength distribution of infrared rays can be obtained more precisely. Such a light receiving device is a device that is particularly suitable for applications such as identification and composition analysis of an object based on characteristics of light emission or absorption spectrum of the object.
【0059】また、上述した第1および第2の実施形態
では、Nの値として3もしくは5を一律に採用している
が、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、
一つの半導体基板上でNの値を適宜に変えてもよい。こ
のようにNの値を変えることにより、検出帯域幅を自在
に制御することが可能となる。なお、上述した第1の実
施形態では、二次元マトリクス状に受光画素を配列した
場合について説明したが、本発明はこれに限定されるも
のではない。例えば、一次元マトリクス状に受光画素を
配列することにより、ラインセンサを構成しても勿論よ
い。Further, in the first and second embodiments described above, 3 or 5 is uniformly used as the value of N, but the present invention is not limited to this. For example,
The value of N may be appropriately changed on one semiconductor substrate. By changing the value of N in this manner, the detection bandwidth can be freely controlled. In the first embodiment described above, the case where the light receiving pixels are arranged in a two-dimensional matrix has been described, but the present invention is not limited to this. For example, a line sensor may be formed by arranging light receiving pixels in a one-dimensional matrix.
【0060】[0060]
【発明の効果】(請求項1,4)請求項1,4に記載の
発明では、半導体基板上に複数種のオプティカルキャビ
ティ構造を設けて、分光感度のピーク波長が異なる複数
種類の受光画素(受光領域)を形成する。このような複
数種類の受光画素(受光領域)を使用して、赤外線をい
くつかの波長帯に区分して検出することにより、赤外線
の波長分布を簡易に検出することが可能となる。According to the first and fourth aspects of the present invention, a plurality of types of optical cavity structures are provided on a semiconductor substrate, and a plurality of types of light-receiving pixels having different spectral sensitivity peak wavelengths are provided. (Light receiving area). By using such a plurality of types of light-receiving pixels (light-receiving regions) to detect infrared rays by dividing them into several wavelength bands, it is possible to easily detect the wavelength distribution of infrared rays.
【0061】また、これら複数種のオプティカルキャビ
ティ構造は、半導体の製造時に若干の工程を追加して形
成することが可能である。したがって、赤外領域用のカ
ラーフィルタを形成する場合に比べ、製造工程を大幅に
簡略化することが可能となる。さらに、複数種類の受光
画素(受光領域)からは、波長帯域ごとの検出出力を直
に得ることができる。したがって、波長分布の検出に際
して検出出力間の差分をとるなどの従来構成が不要とな
り、装置構成を一段と簡略化することもできる。以上の
ように、本発明では、可視領域の加法混色の原理に基づ
く色検出機能と同様の機能を備えた、赤外領域用の受光
デバイスを実現することが可能となる。The plurality of types of optical cavity structures can be formed by adding some steps at the time of manufacturing a semiconductor. Therefore, the manufacturing process can be greatly simplified as compared with the case where a color filter for the infrared region is formed. Further, a detection output for each wavelength band can be directly obtained from a plurality of types of light receiving pixels (light receiving regions). Therefore, a conventional configuration such as taking a difference between detection outputs when detecting a wavelength distribution is not required, and the device configuration can be further simplified. As described above, according to the present invention, it is possible to realize a light receiving device for an infrared region having a function similar to the color detection function based on the principle of additive color mixture in the visible region.
【0062】(請求項2,5)請求項2,5に記載の発
明では、波長制限フィルタを配置するので、波長分布の
検出に本来不要な波長帯域を予め低減させることが可能
となる。特に、このような波長制限フィルタを配置する
ことにより、オプティカルキャビティ構造から副次的に
発生する余計なピーク特性を抑えることが可能となる。(Second and fifth aspects) In the second and fifth aspects of the present invention, since the wavelength limiting filter is provided, it is possible to reduce in advance the wavelength band which is originally unnecessary for detecting the wavelength distribution. In particular, by arranging such a wavelength limiting filter, it is possible to suppress unnecessary peak characteristics secondary to the optical cavity structure.
【0063】(請求項3,6)請求項3,6に記載の発
明では、少なくとも2種類の光学的距離をN≧3の条件
で設計することにより、分光感度が一様でない受光画素
についても、2種類以上のピーク特性を確実に得ること
が可能となる。(Claims 3 and 6) In the invention according to claims 3 and 6, at least two kinds of optical distances are designed under the condition of N ≧ 3, so that light receiving pixels having non-uniform spectral sensitivity can be obtained. It is possible to reliably obtain two or more types of peak characteristics.
【図1】オプティカルキャビティ構造による光強度のピ
ーク特性を示した図である。FIG. 1 is a diagram showing a peak characteristic of light intensity due to an optical cavity structure.
【図2】光強度とPtSi膜本来の感度を乗じて求めた
分光感度特性(計算値)を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing spectral sensitivity characteristics (calculated values) obtained by multiplying light intensity by the intrinsic sensitivity of a PtSi film.
【図3】第1の実施形態の概略構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a schematic configuration of the first embodiment.
【図4】赤外線固体撮像装置3の画素配列を示す図であ
る。FIG. 4 is a diagram illustrating a pixel array of the infrared solid-state imaging device 3;
【図5】受光画素の断面構成を示す概念図である。FIG. 5 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional configuration of a light receiving pixel.
【図6】第1の実施形態における光強度特性を示す図で
ある。FIG. 6 is a diagram illustrating light intensity characteristics in the first embodiment.
【図7】第1の実施形態における分光感度特性を示す図
である。FIG. 7 is a diagram illustrating spectral sensitivity characteristics in the first embodiment.
【図8】物体温度と検出出力比との関係を示す図であ
る。FIG. 8 is a diagram illustrating a relationship between an object temperature and a detection output ratio.
【図9】第2の実施形態の概略構成を示す図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a schematic configuration of a second embodiment.
【図10】第2の実施形態における分光感度特性を示す
図である。FIG. 10 is a diagram illustrating spectral sensitivity characteristics according to the second embodiment.
【図11】従来の赤外線固体撮像装置の構成を示す図で
ある。FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a conventional infrared solid-state imaging device.
【図12】PtSi膜82の位置における干渉光の光強
度(計算値)を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the light intensity (calculated value) of the interference light at the position of the PtSi film 82.
【図13】PtSi膜82の分光感度特性を示す図であ
る。FIG. 13 is a diagram showing spectral sensitivity characteristics of a PtSi film 82.
【図14】黒体放射の波長分布を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing a wavelength distribution of blackbody radiation.
1 撮像光学系 2 波長制限フィルタ 3 赤外線固体撮像装置 4〜6 受光画素 11 p型シリコン基板 12 PtSi膜 13 絶縁膜 14 反射膜 15 分離領域 16 ガードリング 17 BCCD拡散層 23 絶縁膜 24 反射膜 25 分離領域 26 ガードリング 27 BCCD拡散層 28 CCD転送電極 29 絶縁膜 31 p型シリコン基板 32a〜32c PtSi膜 33 反射防止膜 36 絶縁層 38 共通アノード 81 p型シリコン基板 82 PtSi膜 83 絶縁膜 84 反射膜 85 分離領域 86 ガードリング 87 BCCD拡散層 REFERENCE SIGNS LIST 1 imaging optical system 2 wavelength limiting filter 3 infrared solid-state imaging device 4 to 6 light receiving pixels 11 p-type silicon substrate 12 PtSi film 13 insulating film 14 reflection film 15 separation region 16 guard ring 17 BCCD diffusion layer 23 insulation film 24 reflection film 25 separation Region 26 guard ring 27 BCCD diffusion layer 28 CCD transfer electrode 29 insulating film 31 p-type silicon substrate 32 a to 32 c PtSi film 33 antireflection film 36 insulating layer 38 common anode 81 p-type silicon substrate 82 PtSi film 83 insulating film 84 reflective film 85 Separation area 86 Guard ring 87 BCCD diffusion layer
Claims (6)
れ、赤外線を検出して電気信号を生じる複数の受光画素
と、 前記受光画素からの電気信号を転送出力する信号走査部
と、 前記受光画素に対向して配置され、前記受光画素の側か
ら入射する赤外線の少なくとも一部を反射する反射部と
を備えた赤外線固体撮像装置において、 前記受光画素と前記反射部との光学的距離を少なくとも
2種類以上に設定することにより、前記半導体基板上に
複数種のオプティカルキャビティ構造を形成し、これら
の各オプティカルキャビティ構造によって入射光と反射
光とが強め合って生じる「分光感度特性のピーク」を、
前記受光画素の光検出可能な波長域内に複数ずらして配
することを特徴とする赤外線固体撮像装置。1. A plurality of light receiving pixels arranged on a semiconductor substrate in a matrix and detecting an infrared ray to generate an electric signal; a signal scanning unit for transferring and outputting an electric signal from the light receiving pixel; An infrared solid-state imaging device comprising: a reflection unit that is disposed to face and reflects at least a part of infrared light that enters from the light receiving pixel side; wherein at least two types of optical distances are provided between the light receiving pixel and the reflection unit. By setting as described above, a plurality of types of optical cavity structures are formed on the semiconductor substrate, and a `` spectral sensitivity characteristic peak '' generated when the incident light and the reflected light are strengthened by each of the optical cavity structures,
An infrared solid-state imaging device, wherein a plurality of light-receiving pixels are arranged so as to be shifted from each other within a wavelength range where light can be detected.
おいて、 前記受光画素への赤外線入射経路上に、前記受光画素の
光検出可能な波長域を制限する波長制限フィルタを配置
したことを特徴とする赤外線固体撮像装置。2. The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein a wavelength limiting filter that limits a wavelength range in which the light receiving pixel can detect light is disposed on an infrared light incident path to the light receiving pixel. Infrared solid-state imaging device.
固体撮像装置において、 前記光学的距離の少なくとも2種類は、前記受光画素の
光検出可能な波長域内に位置する「光強度のピーク波
長」のN/4倍(ただしNは3以上の奇数)に設定され
ることを特徴とする赤外線固体撮像装置。3. The infrared solid-state imaging device according to claim 1, wherein at least two types of the optical distances are located within a wavelength range in which the light receiving pixels can detect light. N = 4 (where N is an odd number of 3 or more).
して電気信号を生じる受光部と、 前記受光部に対向して配置され、赤外線の少なくとも一
部を反射する反射部とを備えた赤外線受光素子におい
て、 前記受光部と前記反射部との光学的距離を少なくとも2
種類以上に設定することにより、前記半導体基板上に複
数種のオプティカルキャビティ構造からなる領域を形成
し、これらの各オプティカルキャビティ構造によって入
射光と反射光とが強め合って生じる「分光感度特性のピ
ーク」を、前記受光部の光検出可能な波長域内に複数ず
らして配することを特徴とする赤外線受光素子。4. An infrared light, comprising: a light-receiving portion disposed on a semiconductor substrate and detecting an infrared ray to generate an electric signal; and a reflecting portion disposed to face the light-receiving portion and reflecting at least a part of the infrared ray. In the light receiving element, an optical distance between the light receiving unit and the reflection unit is at least 2
By setting the number of types or more, a region composed of a plurality of types of optical cavity structures is formed on the semiconductor substrate, and the peaks of the spectral sensitivity characteristics are generated when the incident light and the reflected light are strengthened by each of the optical cavity structures. Are shifted in a wavelength range in which the light receiving unit can detect light.
て、 前記受光部への赤外線入射経路上に、前記受光部の光検
出可能な波長域を制限する波長制限フィルタを配置した
ことを特徴とする赤外線受光素子。5. The infrared light receiving element according to claim 4, wherein a wavelength limiting filter that limits a wavelength range in which the light receiving unit can detect light is disposed on an infrared light incident path to the light receiving unit. Infrared light receiving element.
固体撮像装置において、 前記光学的距離の少なくとも2種類は、前記受光部の光
検出可能な波長域内に位置する「光強度のピーク波長」
のN/4倍(ただしNは3以上の奇数)に設定されるこ
とを特徴とする赤外線受光素子。6. The infrared solid-state imaging device according to claim 4, wherein at least two types of the optical distances are set such that a “peak wavelength of light intensity” is located within a wavelength range where the light receiving unit can detect light. "
(N is an odd number of 3 or more).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10122152A JPH11317510A (en) | 1998-05-01 | 1998-05-01 | Infrared-ray solid-state image-pickup device and infrared-ray light receiving element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10122152A JPH11317510A (en) | 1998-05-01 | 1998-05-01 | Infrared-ray solid-state image-pickup device and infrared-ray light receiving element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11317510A true JPH11317510A (en) | 1999-11-16 |
Family
ID=14828900
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP10122152A Pending JPH11317510A (en) | 1998-05-01 | 1998-05-01 | Infrared-ray solid-state image-pickup device and infrared-ray light receiving element |
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Country | Link |
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JP (1) | JPH11317510A (en) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1998
- 1998-05-01 JP JP10122152A patent/JPH11317510A/en active Pending
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