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    重庆时时彩下注站: 红外线检测器、红外线检测方法和电子设备.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201410688232.0

    申请日:

    2014.11.25

    公开号:

    CN104697644A

    公开日:

    2015.06.10

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01J 5/34申请日:20141125|||公开
    IPC分类号: G01J5/34 主分类号: G01J5/34
    申请人: 索尼公司
    发明人: 屋上公二郎
    地址: 日本东京
    优先权: 2013-251165 2013.12.04 JP
    专利代理机构: 北京信慧永光知识产权代理有限责任公司11290 代理人: 陈桂香; 曹正建
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410688232.0

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2016.11.23|||2015.06.10

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明提供了红外线检测器、红外线检测方法和电子设备。所述红外线检测器包括:源极区域和漏极区域,它们被形成于半导体基板上;红外线吸收膜,它作为栅极绝缘膜被形成于所述半导体基板上;以及栅极电极,它被形成于所述栅极绝缘膜上且由针对红外线呈透明的电极形成。在所述红外线检测器中,当预定电压被施加至所述栅极电极时,预定电流在所述源极区域与所述漏极区域之间流动。本发明能够使用更简单的构造来检测红外线。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种红外线检测器,其包括:
    源极区域和漏极区域,它们两者被形成于半导体基板上;
    红外线吸收膜,它作为栅极绝缘膜被形成于所述半导体基板上;以 及
    栅极电极,它被形成于所述栅极绝缘膜上且由针对红外线呈透明的 电极形成,
    其中,当将预定电压施加至所述栅极电极时,预定电流在所述源极 区域与所述漏极区域之间流动。

    2.  如权利要求1所述的红外线检测器,其中,所述红外线吸收膜的 因温度上升而引起的介电常数的变化作为栅极电容变化而被检测出来, 所述温度上升是伴随着所述红外线吸收膜对红外线的吸收而发生的。

    3.  如权利要求2所述的红外线检测器,其中,所述栅极电容变化是 作为漏极电流变化而被检测出来的。

    4.  如权利要求1所述的红外线检测器,其中,所述栅极电极是利用 石墨烯而被形成的。

    5.  如权利要求1所述的红外线检测器,其中,所述红外线吸收膜的 介电常数的温度系数是正值。

    6.  如权利要求1所述的红外线检测器,其中,沟道宽度和沟道长度 具有与待检测的红外线的波长对应的长度。

    7.  如权利要求1所述的红外线检测器,其中,多个所述红外线检测 器以二维阵列形状而被布置着。

    8.  如权利要求7所述的红外线检测器,其中,在相邻的所述红外线 检测器之间形成有凹槽。

    9.  如权利要求1至8中任一项所述的红外线检测器,其中,穿过截 止滤光器的光入射到所述红外线吸收膜上,所述截止滤光器被设置于所 述红外线吸收膜的前面且用于至少去除可见光。

    10.  一种红外线检测方法,该方法包括:
    利用红外线检测器把红外线吸收膜的因温度上升而引起的介电常数 的变化作为栅极电容变化而检测出来,所述温度上升是伴随着所述红外 线吸收膜对红外线的吸收而发生的,
    其中,所述红外线检测器包括:
    源极区域和漏极区域,它们两者被形成于半导体基板上;
    作为栅极绝缘膜被形成于所述半导体基板上的所述红外线吸收 膜;以及
    栅极电极,它被形成于所述栅极绝缘膜上且由针对红外线呈透 明的电极形成。

    11.  一种电子设备,其包括红外线检测器,所述红外线检测器包括:
    源极区域和漏极区域,它们两者被形成于半导体基板上;
    红外线吸收膜,它作为栅极绝缘膜被形成于所述半导体基板上;以 及
    栅极电极,它被形成于所述栅极绝缘膜上且由针对红外线呈透明的 电极形成,
    其中,当将预定电压施加至所述栅极电极时,预定电流在所述源极 区域与所述漏极区域之间流动。

    12.  如权利要求11所述的电子设备,其还包括热成像传感器,在所 述热成像传感器中布置有多个所述红外线检测器。

    13.  如权利要求11所述的电子设备,其还包括热成像传感器,在所 述热成像传感器中所述红外线检测器和可见光检测器被混合使用。

    14.  如权利要求13所述的电子设备,其中,所述红外线检测器的像 素行和所述可见光检测器的像素行被交替地形成。

    15.  如权利要求11所述的电子设备,其中,所述红外线检测器是真 空密封包装的。

    16.  如权利要求11所述的电子设备,其还包括:
    截止滤光器,它用于至少截止可见光,
    其中,穿过所述截止滤光器的光入射到所述红外线检测器上。

    17.  如权利要求11所述的电子设备,其还包括快门,所述快门用于 遮挡向所述红外线检测器入射的光。

    18.  如权利要求11至17中任一项所述的电子设备,其还包括:
    基准温度测量部,它用于测量所述红外线检测器的基准温度,
    其中,通过把由所述红外线检测器检测出的温度变化量加到所测量 出的所述基准温度中而计算出测定对象的绝对温度。

    19.  如权利要求18所述的电子设备,其还包括:
    表格,所述表格把由所述红外线检测器检测出的漏极电流变化量与 由所述红外线检测器检测出的温度变化量关联起来,
    其中,通过把利用所述表格计算出的温度变化量加到所测量出的所 述基准温度中而计算出测定对象的绝对温度。

    说明书

    说明书红外线检测器、红外线检测方法和电子设备
    相关申请的交叉参考
    本申请要求2013年12月4日提交的日本优先权专利申请JP 2013-251165的优先权权益,在此将该优先权申请的全部内容以引用的方 式并入本文中。
    技术领域
    本发明涉及红外线检测器、其检测方法和电子设备,并且更具体地, 涉及能够利用更简单的构造来检测红外线的红外线检测器、其检测方法 和电子设备。
    背景技术
    辐射热测定计一般被用作远红外线检测器。辐射热测定计具有用于 检测因热量而引起的电阻变化的元件结构,并且具有高检测灵敏度的特 性。然而,因为必须利用珀尔帖元件来实施冷却以维持恒定的元件温度, 所以辐射热测定计在以大型的方式作为传感器时就会消耗大量的电力且 变得沉重。此外,热图像信号的S/N(温度分辨率)很可能受到背景辐 射的影响,并且对于测量来说,各个像素的针对于温度的定期校准是必 需的。因此,必须具有大容量的存储器,而且在校准的期间内图像还会 被打断。由于MEMS形状的特殊结构,辐射热测定计不像固体器件那样 具有大规模的产量。结果,辐射热测定计具有高的能耗,并且昂贵、巨 大和沉重。因此,出现了如下的现象,即:没有发生远红外线检测的推 广,没有铺开实用化的基础,并且不存在特定用途的范畴。
    当将通常被用于可见光检测的光电转换原理应用于远红外线检测 时,可能会使用由半导体等形成的固体元件。然而,因为远红外线(波 长大约是10微米)的能量小到120meV,所以必须把该固体元件冷却到 液氮温度以下。
    作为利用场效应晶体管(FET:field-effect transistor)而用于光合作 用用途的成像仪,有一种如下的成像仪:其通过利用栅极电极上的分子 导线而被连接至光合作用中心、并且通过在光接收中利用光合作用的光 致激发势(photoexcitation potential)而调节栅极电势,来执行成像(例 如,参照NPL 1)。
    然而,因为检测波长局限于允许生物分子能够在这个成像仪中进行 光合作用的波长,所以检测波长局限于可见光的单一波长并且远红外线 不会被检测到。此外,这个成像仪必须被配置成溶液体系且使用生物材 料,因此其具有低的耐久性。光致激发势小,灵敏度低,且S/N比也小。
    也曾经提出了空间光调制类型的几种远红外线传感器(例如,参照 NPL 2、PTL 1和PTL 2)??占涔獾髦评嘈褪峭ü缦路绞交竦萌韧枷竦?方法,该方式是:利用介电常数的变化来检测出伴随着远红外线的吸收 而发生的电介质的温度变化。
    引用文献列表
    专利文献
    [PTL 1]日本未经审查的专利申请公开第5-273503号
    [PTL 2]日本未经审查的专利申请公开第2009-042164号
    非专利文献
    [NPL 1]"Bio-photosensor:Cyanobacterial photosystem I coupled  with transistor via molecular wire(生物-光敏元件:通过分子导线与 晶体管耦合的蓝藻光合体系I)",Biochimica et Biophysica Acta  Volume 1767(2007),p.653-659
    [NPL 2]T.Okamoto,et al.,Optics letters 18,p.1570(1993)
    发明内容
    要解决的技术问题
    然而,因为迄今为止的空间光调制类型的远红外线传感器拥有从光 学上检测所有电介质的温度变化的原理,所以光学机构是必需的。因此, 结构变得复杂,而且部件的数量变得庞大。
    期望的是,能够使用更简单的构造来检测红外线。
    解决技术问题所采取的技术方案
    本发明的第一实施例提供了一种红外线检测器,其包括:被形成于 半导体基板上的源极区域和漏极区域;作为栅极绝缘膜被形成于所述半 导体基板上的红外线吸收膜;以及被形成于所述栅极绝缘膜上且由针对 红外线呈透明的电极形成的栅极电极。在所述红外线检测器中,其被构 造成:当预定电压被施加给所述栅极电极时,预定电流在所述源极区域 与所述漏极区域之间流动。
    本发明的第二实施例提供了一种红外线检测方法,该方法包括:利 用红外线检测器把红外线吸收膜的因为温度上升而引起的介电常数的变 化作为栅极电容变化而检测出来,所述温度上升是伴随着所述红外线吸 收膜对红外线的吸收而发生的。在该方法中,所述红外线检测器包括: 被形成于半导体基板上的源极区域和漏极区域;作为栅极绝缘膜被形成 于所述半导体基板上的所述红外线吸收膜;以及被形成于所述栅极绝缘 膜上且由针对红外线呈透明的电极形成的栅极电极。
    本发明的第三实施例提供了一种电子设备,其包括红外线检测器, 所述红外线检测器包括:被形成于半导体基板上的源极区域和漏极区域; 作为栅极绝缘膜被形成于所述半导体基板上的红外线吸收膜;以及被形 成于所述栅极绝缘膜上且由针对红外线呈透明的电极形成的栅极电极。 在所述红外线检测器中,当预定电压被施加给所述栅极电极时,预定电 流在所述源极区域与所述漏极区域之间流动。
    在本发明的第一实施例和第三实施例中,可以设置有:被形成于半 导体基板上的源极区域和漏极区域;作为栅极绝缘膜被形成于所述半导 体基板上的红外线吸收膜;以及被形成于所述栅极绝缘膜上且由针对红 外线呈透明的电极形成的栅极电极,并且当预定电压被施加给所述栅极 电极时,预定电流可以在所述源极区域与所述漏极区域之间流动。
    在本发明的第二实施例中,红外线检测器可以把红外线吸收膜的因 温度上升(所述温度上升是伴随着所述红外线吸收膜对红外线的吸收而 发生的)而引起的介电常数的变化作为栅极电容变化而检测出来,该红 外线检测器包括:被形成于半导体基板上的源极区域和漏极区域;作为 栅极绝缘膜被形成于所述半导体基板上的红外线吸收膜;以及被形成于 所述栅极绝缘膜上且由针对红外线呈透明的电极形成的栅极电极。
    所述红外线检测器和所述电子设备均可以是独立的装置,并且也可 以是被嵌入其他装置中的???。
    本发明的有益技术效果
    根据本发明的第一至第三实施例,能够使用更简单的构造来检测红 外线。
    此处所说明的效果并非是受限制的,并且可以是本发明中所说明的 任何效果。
    附图说明
    图1是示出了根据本发明的包括红外线检测器的热线检测机构的图。
    图2是示出了红外线检测器的构造示例的图。
    图3是红外线检测器的俯视图。
    图4是示出了IR(红外线)吸收膜的温度依赖关系的曲线图。
    图5是用于说明红外线检测器的检测操作的曲线图。
    图6是示出了红外线检测器的漏极电流ID与漏极电压VD之间的关 系的曲线图。
    图7是示出了在考虑了沟道温度上升的情况下漏极电流ID与漏极电 压VD之间的关系的曲线图。
    图8是示出了使用SOI基板的红外线检测器的构造示例的图。
    图9是示出了其他成像传感器的示例的图。
    图10是示出了根据本发明的作为电子设备的热成像设备的构造示例 的框图。
    具体实施方式
    热成像传感器的构造
    图1是示出了根据本发明的包括红外线检测器的热线检测机构的图。
    图1所示的热线检测机构被构造成具有快门1、IR透镜2、截止滤光 器3和热成像传感器4。
    快门1通过打开或关闭操作来控制(遮挡/通过)光向IR透镜2上 的入射。IR透镜2是由至少能够允许红外线透射的材料形成的聚光透镜, 并且把当快门1打开时入射过来的光(入射光)聚集到热成像传感器4。 截止滤光器3通过截止入射光之中的可见光和近红外线而能够只允许远 红外线(FIR:far-infrared ray)透射。
    热成像传感器4是通过将作为像素的红外线检测器12以二维阵列形 状布置于半导体基板11上而构成的,其中,例如硅(Si)被用作所述半 导体。通过快门1、IR透镜2和截止滤光器3的远红外线入射到以二维 阵列形状布置着的各个红外线检测器12上。
    红外线检测器的构造
    图2示出了红外线检测器12的构造示例。
    在红外线检测器12中,例如,漏极区域31和源极区域32是通过将 高浓度的杂质离子注入到p型(第一导电型)半导体基板11上而形成的 n型(第二导电型)半导体区域。此外,栅极电极34被形成于半导体基 板11上且栅极绝缘膜33介于它们二者之间。红外线检测器12被构造成: 当预定电压被施加给栅极电极34时,预定电流通过沟道35而在漏极区 域31与源极区域32之间流动。
    因此,构成热成像传感器4中的一个像素的红外线检测器12具有与 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)一样的结构。然而,栅极 绝缘膜33的材料和栅极电极34的材料与一般的MOSFET不同。
    具体地,IR吸收膜(其是能够吸收远红外线的材料)被形成为栅极 绝缘膜33。作为IR吸收膜的材料,可以使用介电常数的随温度的变化较 大的各种类型的材料,例如:丙烯酸树脂(PMMA);氮化硅膜; karukobaraito系;液晶分子膜;光致变色材料;玻璃;染料有机膜(染 料增益介质);通过散布量子点(Si等)而获得的薄膜;被用作IR截止 滤光器的材料;热线遮挡材料等。
    因为存在一种担忧,即噪声源是由于在沟道35与栅极绝缘膜33之 间的界面处的界面能级形成(interface level formation)等而产生的,所 以当考虑通过减少因为栅极绝缘膜33的形成而导致的对沟道35界面的 损害来抑制界面能级形成时,有机材料对于栅极绝缘膜33来说就是较佳 的。栅极绝缘膜33的厚度能够根据相对于远红外线的吸收系数而被适当 地设定。对该厚度没有特别的限制。然而,如果该膜太厚,那么它在利 用温度升高(该温度升高是伴随着红外线的吸收而发生的)和放热而使 温度重置时就要花费时间,因此,该厚度较佳地是几微米以下。当远红 外线的吸收系数较大且介电常数的非线性温度依赖关系中的温度系数较 大时,高灵敏度的检测就变得可能。
    另一方面,作为栅极电极34的材料,已经使用了诸如石墨烯等能够 透射远红外线的导电透明材料。不论光的波长是多少,石墨烯具有大约 97%至98%的透过率,并且适合作为栅极电极34的材料。此外,作为栅 极电极34的材料,可以使用:掺杂有杂质的ZnO基材料;ITO(铟锡氧 化物),等等。
    用来防止热量扩散到相邻像素的凹槽36被形成于红外线检测器12 与其他相邻的红外线检测器12之间的边界处。凹槽36可以填充有预定 材料,从而防止破碎等。
    因为沟道35是离开基板表面大约几nm的区域,所以像素不是必须 物理地(空间地)分离,并且利用凹槽36来防止基板表面上的热传导就 足够了。因此,因为能够利用半导体工艺而将多个红外线检测器12形成 于一个半导体基板11上,所以使制造便利化,并且能够以低价批量地生 产远红外线检测器。
    在半导体基板11与栅极绝缘膜33之间可以形成有诸如SiO2等绝缘 层。
    图3是红外线检测器12的俯视图,该图示出了漏极区域31、源极区 域32、栅极绝缘膜33和栅极电极34之间的布置关系。
    例如,一个像素的尺寸是根据待检测的红外线的波长大小来设定的。 具体地,因为远红外线的波长是大约10微米,所以图3所示的沟道宽度 W和沟道长度L被设定为大约10微米。然而,本实施例并不局限于此。 一个像素的尺寸可以大于或小于待检测的红外线的波长。此外,可以布 置有多个在尺寸上比待检测的红外线的波长小的像素,并且这些像素作 为一个像素而被处理。即,像素尺寸能够根据它的应用而被适当地确定。
    图4示出了作为栅极绝缘膜33的IR吸收膜的温度依赖关系。然而, 图4是其中该IR吸收膜的介电常数的温度系数是正值的示例。
    入射的远红外线通过穿过栅极电极34而在栅极绝缘膜33中被吸收, 但是这时,栅极绝缘膜33的温度升高。于是,当该IR吸收膜的介电常 数的温度系数是正值时,栅极绝缘膜33的介电常数εg因为温度升高而增 大。在图4的示例中,当温度升高了ΔT时,介电常数εg增大了Δε。红 外线检测器12通过利用漏极电流变化把当吸收远红外线时栅极绝缘膜 33的介电常数变化作为栅极电容变化而检测出来。
    在漏极电压VD的线性区域中,FET的漏极电流ID是由 ID=μ(W/L)Cg(VG-Vth)VD来表示的。这里,μ是载流子的迁移率,W是沟 道宽度,L是沟道长度,Cg是栅极电容,VG是栅极电压,Vth是阈值电 压,且VD是漏极电压。
    MOS的栅极电容Cg简单地由Cg=εgS/d表示。这里,εg是栅极绝缘 膜33的介电常数,S是与栅极电极34相对的沟道35的面积,并且d是 栅极绝缘膜33的厚度。
    因而,因为温度变化而引起的介电常数εg的变化量Δεg是栅极电容 Cg的变化。栅极电容Cg的变化量ΔCg是作为漏极电流ID的变化量ΔID而被检测出来的。
    于是,当吸收远红外线时栅极绝缘膜33的温度变化ΔT能够作为漏 极电流ID的变化量ΔID而被检测出来。例如,当介电常数εg的温度系数 被设定为0.1%/℃,并且ID是1mA时,ΔT是10mK且ΔID是1μA,因此 实际应用是完全可能的。
    参照图5,将说明红外线检测器12中的检测操作。
    首先,在时间t1,施加栅极电压VG和漏极电压VD,并且开启红外 线检测器12。因而,恒定的漏极电流ID在红外线检测器12中流动,且 红外线检测器12的温度变得稳定。此时,沟道35的温度变成与栅极绝 缘膜(IR吸收膜)33的温度相同。当温度变得稳定时的漏极电流ID'是基 准值。
    然后,在时间t2,快门1被打开,因此开始接收远红外线(热图像 拍摄)。
    在栅极绝缘膜33中,漏极电流ID随着伴随着远红外线的吸收而发生 的温度升高而增大,然后通过从基准值ID'发生的变化量ΔID'的增大而达 到热平衡状态,从而变得稳定。
    然后,在时间t3,当快门1被关闭时,栅极绝缘膜33的热量通过半 导体基板11侧或栅极电极34而被迅速放出,并且漏极电流返回到原始 基准值ID'。因而,可以防止成像之后的残像(residual image)。
    一般地,背景噪声(白噪声)会与漏极电流ID叠加;然而,这能够 用时间积分来抵消,并且信号分量只能够被作为电荷量而提取出来。
    如果当快门1处于打开时的时间是例如1msec,那么当漏极电流ID的变化量ΔID为1μA(ΔID=1μA)时所获得的信号电荷量(电子个数)理 想地是1μA×1ms/e-=6.3E9个??悸堑揭蛭仙奔浠蛉攘康姆懦龆?的漏极电流ID的变化量ΔID的减小、噪声校正等,可以在执行检测的过 程中获得足够的电子个数。
    即,红外线检测器12能够检测出其元件中的10mK的温度变化(对 应于温度分辨率),并且能够获得超过辐射热测定计的温度检测能力的温 度检测能力。
    此外,根据上述的远红外线检测原理,为了检测漏极电流ID的相对 变化,基线的变化不是问题,并且没有必要把不断地维持元件温度作为 基本用法。于是,没有必要冷却红外线检测器12,这样诸如珀尔帖元件 等冷却机构是不必要的。此外,存在着相对于背景辐射或外部温度变化 而言的鲁棒性(耐久性)。
    当红外线检测器12被冷却时,S/N比能够提高。因此,在打算执行 更灵敏的测量时,可以当然地设置有诸如珀尔帖元件等冷却机构。例如, 珀尔帖元件可以被附着至半导体基板11的下表面。
    入射到栅极绝缘膜33上的远红外线的一部分没有被栅极绝缘膜33 吸收,而是可能会透入到半导体基板11的沟道35。然而,因为对于透过 硅的远红外线,沟道35没有被加热或者光电转换没有发生,所以可以忽 略对检测的影响。
    响应速度(操作频率)依赖于栅极绝缘膜33的温度的上升时间、放 热的下降时间和噪声消除用的信号积分时间。然而,在本器件中,预计 总共大约1msec是足够的,从而能够预期至少1,000fps(frame per sec: 每秒帧)的成像。
    图6示出了红外线检测器12的漏极电流ID与漏极电压VD之间的关 系。
    如图6所示,当栅极电压VG具有VG2>VG1的关系时,饱和时的漏极 电流ID变成ID2>ID1。即,饱和时的漏极电流ID的大小依赖于栅极电压 VG的大小。
    此外,当栅极电压VG具有VG2>VG1的关系时,饱和时的漏极电流ID的变化量ΔID是|ΔID2|>|ΔID1|。即,饱和时的漏极电流ID的变化量ΔID的 绝对值依赖于栅极电压VG的大小。当IR吸收膜的介电常数εg是正的温 度系数时,漏极电流ID的变化是正的(+ΔID),并且当IR吸收膜的介电 常数是负的温度系数时,漏极电流ID的变化是负的(-ΔID)。
    因此,因为漏极电流ID的变化量ΔID的绝对值能够被漏极电流ID的 设定值(即,栅极电压VG)放大,所以存在有如下的优势:没有必要设 置额外的放大电路。
    沟道温度有可能因为来自栅极绝缘膜33的热传导而升高。
    图7示出了在考虑了沟道温度上升的情况下漏极电流ID与漏极电压 VD之间的关系。
    例如,如图7所示,当恒定的漏极电流IDa在红外线检测器12中流 动且红外线检测器12的温度是稳定的状态下,因为沟道温度的升高,漏 极电流ID从漏极电流IDa增加了ΔIDx并且改变至漏极电流IDb。
    当漏极电流IDb稳定时,快门1被打开且开始接收远红外线。在栅极 绝缘膜33中,漏极电流ID被认为会随着因远红外线的吸收而发生的温度 上升而变化。
    这时,当作为栅极绝缘膜33的IR吸收膜的介电常数εg是正的温度 系数时,漏极电流ID从漏极电流IDb增加了变化量ΔIDc而变为漏极电流 IDe。
    另一方面,当作为栅极绝缘膜33的IR吸收膜的介电常数εg是负的 温度系数(当绝对值相同且只有符号是不同的)时,漏极电流ID从漏极 电流IDb减小了变化量ΔIDc而变为漏极电流IDf。
    然而,事实上,在正的温度系数的情况下,呈现为红外线检测器12 的输出的漏极电流ID的变化是从漏极电流IDa到漏极电流IDe的变化量 +ΔIDe,并且在负的温度系数的情况下,呈现为红外线检测器12的输出 的漏极电流ID的变化是从漏极电流IDa到漏极电流IDf的变化量-ΔIDf。
    关于变化量+ΔIDe和-ΔIDf的大小(绝对值),从图7中可以明显地看 出,变化量+ΔIDe更大(|ΔIDe|>|ΔIDf|)。
    因此,当选择其中作为栅极绝缘膜33的IR吸收膜的介电常数εg具 有正的温度系数的材料时,由于沟道温度上升而引起的增加量ΔIDx被加 到由伴随着远红外线的吸收而发生的栅极电容增大所引起的变化量 +ΔIDc中,并且作为红外线检测器12的输出的变化量+ΔIDe大于伴随着远 红外线的吸收而发生的变化量+ΔIDc。
    当选择其中作为栅极绝缘膜33的IR吸收膜的介电常数εg具有负的 温度系数的材料时,由伴随着远红外线的吸收而发生的栅极电容增大所 引起的变化量-ΔIDc被由于沟道温度上升而发生的增加量ΔIDx抵消,作为 红外线检测器12的输出的变化量-ΔIDf小于伴随着远红外线的吸收而发 生的变化量-ΔIDc。
    因此,作为栅极绝缘膜33的IR吸收膜可以由介电常数εg具有正的 温度系数或负的温度系数的任何材料制成。然而,优选的是使用介电常 数εg具有正的温度系数的材料,因为由于沟道温度上升而引起的漏极电 流ID的增加量ΔIDx能够被用来提高检测灵敏度。
    绝对温度的检测方法
    上述的红外线检测器12基于因为利用栅极绝缘膜33对远红外线的 吸收而引起的漏极电流ID的相对变化(即,从基准值ID'开始的变化量 ΔID')来检测出测定对象的温度的相对变化量ΔT'。然而,也能够检测测 定对象的温度的绝对值。
    具体地,根据与图4所示的作为栅极绝缘膜33的IR吸收膜的介电 常数εg的温度依赖关系有关的数据,并且根据漏极电流ID的相对变化 ΔID',温度变化ΔT'是反算出来的(ΔID'→ΔCg'→Δεg'→ΔT')。这时,使得 诸如栅极电压VG、漏极电压VD等元件驱动参数的条件是不变的。与所 检测的相对变化ΔID'对应的温度变化ΔT'预先被存储为表格,并且能够使 用该表格来立即检测出温度变化ΔT'。
    此外,利用诸如热电偶等温度测量元件或温度测量机构来测量在基 准值ID'下的红外线检测器12的基准温度T0。然后,可以基于所测量出 的基准温度T0和温度变化ΔT'而计算出测定对象的温度的绝对值 (T0+ΔT')。通过利用诸如珀尔帖元件等温度控制器件而将红外线检测器 12的基准温度T0设定为所期望的温度,可以根据该所期望的温度来检 测出温度变化ΔT'。
    变形例
    上述的示例是这样的示例:在该示例中,如图2所示,半导体基板 11是大块基板;然而,如图8所示,也可以使用具有BOX层(嵌入的 氧化物膜)41的SOI基板。
    此外,基于其中使用了不同于硅的其他材料(无机的、有机的)的 FET结构,IR吸收膜可以被认为是栅极绝缘膜33,并且能够透射远红外 线的透明导电材料可以被认为是栅极电极34。另外,基于其中漏极区域 31和源极区域32被认为是金属层的肖特基型FET结构,IR吸收膜可以 被认为是栅极绝缘膜33,并且能够透射远红外线的透明导电材料可以被 认为是栅极电极34。
    在上述的示例中,如图1所示,说明了其中多个红外线检测器12被 构造成以二维阵列状布置着的热成像传感器4。然而,因为红外线检测器 12具有MOSFET结构,所以红外线检测器12能够被形成为对一般的可 见光进行检测的图像传感器的一部分。例如,如图9所示,能够制备出 如下的成像传感器73:其中,红外线检测器12的像素行和可见光检测器 71的像素行被交替地形成于半导体基板72上。
    在上述的示例中,使得红外线检测器12的ID-VD特性中的饱和区域 被用来检测作为红外线检测器12的输出的漏极电流ID的变化量ΔID,但 是也可以使用线性区域。
    如图1所示,截止可见光和近红外线的截止滤光器3被设置成独立 于热成像传感器4,且罩住热成像传感器4的整个表面。然而,截止可见 光和近红外线的滤光层可以作为热成像传感器4的一部分而仅被设置于 各个像素的远红外线检测区域中,并且像素中的其他区域可以具有遮光 结构。
    为了降低因为热量而引起的干扰,辐射热测定计必须是真空密封包 装的,但是红外线检测器12可以不是真空密封包装的。当然,该红外线 检测器可以是真空密封包装的。
    因为红外线检测器12不是从光学上检测作为栅极绝缘膜33的IR吸 收膜的介电常数εg的温度变化,而是直接地从电学上检测该温度变化, 所以光学机构是不必要的。红外线检测器12甚至不要求用于冷却的珀尔 帖元件,所以该红外线检测器是小型、轻质、节能和廉价的。此外,因 为该检测器不受背景辐射的影响,所以能够提高它的S/N比。对于测量 而言各个像素的针对于温度的定期校准不是必需的,所以大容量的存储 器是不必要的且图像不会被打断。
    电子设备的应用例
    上述的红外线检测器12能够被应用到各种各样的电子设备,诸如夜 视设备、监控摄像机、热观察器、汽车用夜视相机(行人监视器)、人体 传感器等。
    图10是示出了根据本发明的作为电子设备的热成像设备的构造示例 的框图。
    图10所示的热成像设备101被构造成具有光学系统102、快门装置 103、热成像传感器104、控制电路105、信号处理电路106、监视器107 和存储器108。
    光学系统102至少包括上述的IR透镜2和截止滤光器3。光学系统 102能够采用与辐射热测定计等中所使用的构造相同的构造。光学系统 102把来自对象的远红外线(入射光)引导至热成像传感器104,并且允 许该远红外线在热成像传感器104的受光表面上形成图像。
    快门装置103被设置于光学系统102与热成像传感器104之间,并 且它根据控制电路105的控制来控制热成像传感器104的光照周期和遮 光周期。
    热成像传感器104被构造成包括上述的热成像传感器4。热成像传感 器104与穿过光学系统102和快门装置103而在受光表面上形成图像的 远红外线对应地在一定的周期内积累信号电荷。热成像传感器104上所 积累的信号电荷根据从控制电路105提供过来的驱动信号(时序信号) 而被传输。热成像传感器104可以以单体的形式被构造成一个芯片,或 者可以被构造成与光学系统102和信号处理电路106等一起而被封装的 相机??榈囊徊糠?。
    热成像传感器104可以像图9所示的成像传感器73一样是如下的成 像传感器:其中,红外线检测器12和可见光检测器71被混合使用。
    此外,为了检测绝对温度,在热成像传感器104中可以进一步添加 有用于检测在基准值ID'下的红外线检测器12的基准温度T0的温度测量 元件。在这种情况下,被检测出的基准温度T0还在信号处理电路106中 被计测,并且测定对象的绝对温度在信号处理电路106中被计算出来。
    控制电路105输出用于控制热成像传感器104的传输操作和快门装 置103的快门操作的驱动信号,并且驱动热成像传感器104和快门装置 103。
    信号处理电路106对从热成像传感器104输出的像素信号执行各种 类型的信号处理。通过利用信号处理电路106执行信号处理而获得的图 像(热图像数据)被提供给监视器107以被显示,或者被提供给存储器 108以被存储(记录)。
    本发明的实施例不局限于上述的实施例,并且在不脱离本发明的要 旨的范围内,各种变形都是可能的。
    例如,可以采用上述多个实施例中的全部实施例或一些实施例的组 合的形式。
    本说明书中所说明的效果仅仅是举例,并且存在除了在此文中所说 明的效果以外的效果。
    本发明还能够采取下列技术方案。
    (1)一种红外线检测器,其包括:被形成于半导体基板上的源极区 域和漏极区域;作为栅极绝缘膜被形成于所述半导体基板上的红外线吸 收膜;以及被形成于所述栅极绝缘膜上且由针对红外线呈透明的电极形 成的栅极电极,
    其中,当预定电压被施加给所述栅极电极时,预定电流在所述源极 区域与所述漏极区域之间流动。
    (2)如(1)所述的红外线检测器,其中所述红外线吸收膜的因温 度上升而引起的介电常数的变化作为栅极电容变化而被检测出来,所述 温度上升是伴随着所述红外线吸收膜对红外线的吸收而发生的。
    (3)如(2)所述的红外线检测器,其中所述栅极电容变化是作为 漏极电流变化而被检测出来的。
    (4)如(1)至(3)中任一者所述的红外线检测器,其中所述栅极 电极是使用石墨烯而被形成的。
    (5)如(1)至(4)中任一者所述的红外线检测器,其中所述红外 线吸收膜的介电常数的温度系数是正值。
    (6)如(1)至(5)中任一者所述的红外线检测器,其中沟道宽度 和沟道长度是与待检测的红外线的波长对应的长度。
    (7)如(1)至(6)中任一者所述的红外线检测器,其中多个所述 红外线检测器以二维阵列形状而被布置着。
    (8)如(7)所述的红外线检测器,其中在相邻的所述红外线检测 器之间形成有凹槽。
    (9)如(1)至(8)中任一者所述的红外线检测器,其中穿过截止 滤光器的光入射到所述红外线吸收膜上,所述截止滤光器被设置于所述 红外线吸收膜的前面且用于至少截止可见光。
    (10)一种红外线检测方法,该方法包括:利用红外线检测器把红 外线吸收膜的因温度上升而引起的介电常数的变化作为栅极电容变化而 检测出来,所述温度上升是伴随着所述红外线吸收膜对红外线的吸收而 发生的,
    其中所述红外线检测器包括:被形成于半导体基板上的源极区域和 漏极区域;作为栅极绝缘膜被形成于所述半导体基板上的所述红外线吸 收膜;以及被形成于所述栅极绝缘膜上且由针对红外线呈透明的电极形 成的栅极电极。
    (11)一种电子设备,其包括红外线检测器,该红外线检测器包括: 被形成于半导体基板上的源极区域和漏极区域;作为栅极绝缘膜被形成 于所述半导体基板上的红外线吸收膜;以及被形成于所述栅极绝缘膜上 且由针对红外线呈透明的电极形成的栅极电极,
    其中当预定电压被施加给所述栅极电极时,预定电流在所述源极区 域与所述漏极区域之间流动。
    (12)如(11)所述的电子设备,其还包括热成像传感器,在所述 热成像传感器中布置有多个所述红外线检测器。
    (13)如(11)所述的电子设备,其还包括热成像传感器,在所述 热成像传感器中所述红外线检测器和可见光检测器被混合使用。
    (14)如(11)至(13)中任一者所述的电子设备,其还包括用于 至少截止可见光的截止滤光器,其中穿过所述截止滤光器的光入射到所 述红外线检测器上。
    (15)如(11)至(14)中任一者所述的电子设备,其还包括用于 遮挡向所述红外线检测器入射的光的快门。
    (16)如(11)至(15)中任一者所述的电子设备,其还包括用于 测量所述红外线检测器的基准温度的基准温度测量部,其中测定对象的 绝对温度是通过把由所述红外线检测器检测出的温度变化量加到所测量 出的所述基准温度中而计算出的。
    (17)如(16)所述的电子设备,其还包括把由所述红外线检测器 检测出的漏极电流变化量与由所述红外线检测器检测出的温度变化量相 关联的表格,其中测定对象的绝对温度是通过把利用所述表格计算出的 温度变化量加到所测量出的所述基准温度中而计算出的。
    本领域技术人员应当理解,依据设计要求和其他因素,可以在本发 明随附的权利要求或其等同物的范围内做出各种修改、组合、次组合以 及改变。
    附图标记列表
    1  快门
    2  IR透镜
    3  截止滤光器
    4  热成像传感器
    11  半导体基板
    12  红外线检测器
    31  漏极区域
    32  源极区域
    33  栅极绝缘膜
    34  栅极电极
    35  沟道
    36  凹槽
    71  可见光检测器
    72  半导体基板
    73  成像传感器
    101  热成像设备
    102  光学系统
    103  快门装置
    104  热成像传感器
    105  控制电路
    106  信号处理电路

    关 键 词:
    红外线 检测器 检测 方法 电子设备
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