JP2015161642A - 焦電型光検出器、焦電型光検出装置、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高い感度、優れた分極特性などの焦電特性を有する焦電キャパシターを備えた焦電型光検出器、該焦電型光検出器を備えた焦電型光検出装置あるいは電子機器を提供すること。【解決手段】焦電型光検出器１１０は、基板１０１と、基板１０１上において空洞１１８を介して配置された支持体１１１と、支持体１１１上に配置された焦電キャパシター１１５と、光吸収部材１１７とを有し、焦電キャパシター１１５の下部電極１１２と上部電極１１４との間に挟持された焦電体１１３は、厚みが１μｍ未満のＰＺＴＮ系の強誘電体からなる。【選択図】図４

Description

本発明は焦電型光検出器、焦電型光検出装置、電子機器に関する。

焦電型光検出器として、赤外線透過窓を上部に備えた容器内に、容器の下方を封止するためのステムから所定寸法だけ離れるようにして回路基板を設け、この回路基板の上面に、焦電体薄膜と、これを挟むようにして設けられる上部電極及び下部電極とを有する焦電型赤外線薄膜素子を、その赤外線検出部が上記赤外線透過窓に臨むようにして設けられた焦電型赤外線検出器が開示されている（特許文献１）。

特許文献１によれば、焦電体薄膜の形成方法として、ブロックやシート状の母材（バルク）を加工し焦電体を形成する方法や、ＣＶＤ法やスパッタリング法によって単結晶基板上に数μｍの厚みで焦電体を形成する方法が挙げられている。
また、特許文献１には、焦電体薄膜の例として、ＰＺＴ系強誘電体薄膜またはＰＬＺＴ系強誘電体薄膜が挙げられ、その厚みが２μｍ程度であることが記載されている。これによれば、応答性などの性能に優れた焦電型赤外線検出器を安価にしかも大量生産することができるとしている。

特開平９−３１１０７６号公報

しかしながら、焦電体の薄膜化を図るとき、例えば厚みが数百μｍの母材（バルク）を研磨して薄くすると、研磨面に焦電体の特性が失活したダメージ層が生じ、焦電体薄膜の厚みに対するダメージ層の厚みの割合が高まると焦電型赤外線検出器として機能しなくなるおそれがある。また、ＣＶＤ法やスパッタリング法を用いて単純に焦電体薄膜を形成しても母材（バルク）に匹敵する結晶配向を実現することが難しい、すなわち、焦電体の特性がバルクよりも低下してしまうという課題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例］本適用例に係る焦電型光検出器は、焦電体を電極で挟んだ焦電キャパシターを有し、前記焦電体の厚みが１μｍ未満であることを特徴とする。
本適用例によれば、焦電体の厚みを１μｍ未満とすることで、バルクの焦電体の特性とほぼ変わらない特性を有する焦電型光検出器を提供することができる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、前記焦電体は、液相成膜法により形成されたものであることが好ましい。
この構成によれば、液相成膜法は、スパッタ法などの気相成膜法に比べて成膜時にダメージが残り難いので、高性能な焦電型光検出器を提供できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、前記焦電キャパシターの平面視における大きさが３００μｍ□以下であることが好ましい。
この構成によれば、テラヘルツ帯の光を吸収可能で、小型な焦電型光検出器を提供できる。また、このような焦電型光検出器を用いれば分解能に優れた焦電型光検出装置を実現できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、基板と、前記基板上において空洞を介して配置された支持体とを有し、前記焦電キャパシターは前記支持体上に配置されていることが好ましい。
この構成によれば、焦電キャパシターは、基板上において空洞を介した支持体上に配置されているので、外部から焦電キャパシターに伝わった熱が支持体を介して基板に逃げ難いため、わずかな熱でも電気信号に変換可能な焦電型光検出器を提供できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、前記基板上において前記支持体を支持する支持脚を有することが好ましい。
この構成によれば、基板と支持体との間に支持脚を有することにより、支持脚によって支持体を所定の姿勢に支持すると共に、焦電キャパシターに伝わった熱がさらに基板に逃げ難い構造とすることができる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、前記焦電体は強誘電体であることが好ましい。
この構成によれば、焦電体として自発分極可能な強誘電体を用いることで、分極させるために読み出しの都度電圧を電極に印加する必要がないので、消費電力が少ない焦電型光検出器を提供できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、前記強誘電体は、ＰＺＴにＮｂが添加されたものであることが好ましい。
この構成によれば、Ｎｂが添加されていることで、成膜時に酸化物であるＰＺＴが還元され難くなり、感度など優れた特性を有する焦電型光検出器を実現できる。

上記適用例に記載の焦電型光検出器において、前記焦電キャパシターは還元保護膜により被覆されていることが好ましい。
この構成によれば、焦電キャパシターがフッ素系処理ガスなどの還元剤と接して機能が低下することを防ぐことができ、高い信頼性を有する焦電型光検出器を提供できる。

［適用例］本適用例に係る焦電型光検出装置は、上記適用例に記載の焦電型光検出器を二軸方向に沿って二次元的に配置したことを特徴とする。
本適用例によれば、焦電型光検出器が二次元的に配置された領域に入射した光（温度）の分布を画像として出力可能な焦電型光検出装置を提供できる。

［適用例］本適用例に係る電子機器は、上記適用例に記載の焦電型光検出器を備えたことを特徴とする。
本適用例によれば、例えば、物体の物理情報の解析機器（測定機器）などの電子機器を提供することができる。

［適用例］本適用例に係る他の電子機器は、上記適用例に記載の焦電型光検出装置を備えたことを特徴とする。
本適用例によれば、焦電型光検出装置を備え、例えば火や発熱を検知するセキュリティー機器、工場などに用いられるＦＡ（機器）などの電子機器を提供できる。

焦電型光検出装置の構成を示す概略平面図。 焦電型光検出装置の電気的な構成を示す回路図。 焦電型光検出器の構成を示す概略平面図。 （ａ）は図３のＡ−Ａ‘線で切った焦電型光検出器の構造を示す概略断面図、（ｂ）及び（ｃ）は焦電キャパシターの構成例を示す概略断面図。 実施例と比較例の焦電体の膜厚と分極量との関係を示す表。 実施例と比較例の焦電キャパシターにおける分極量と焦電体の膜厚との関係を示すグラフ。 ＰＺＴＮ系強誘電体を用いた焦電キャパシターのヒステリシスと、ＰＺＴ系強誘電体を用いた焦電キャパシターのヒステリシスを示すグラフ。 本実施形態の焦電型光検出器を含む電子機器の構成例を示す図。 （ａ）は図８のセンサーデバイスの構成例を示すブロック図、（ｂ）はセンサーデバイスにおけるセンサーアレイの構成例を示す図。 本実施形態の焦電型光検出器を含むテラヘルツカメラの例を示す図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大または縮小して表示している。

なお、以下の形態において、例えば「基板上に」と記載された場合、基板の上に接するように配置される場合、または基板の上に他の構成物を介して配置される場合、または基板の上に一部が接するように配置され、一部が他の構成物を介して配置される場合を表すものとする。

（第１実施形態）
＜焦電型光検出装置＞
まず、本発明の焦電型光検出器を備えた焦電型光検出装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１は焦電型光検出装置の構成を示す概略平面図、図２は焦電型光検出装置の電気的な構成を示す回路図である。

図１に示すように、本実施形態の焦電型光検出装置１００は、基板１０１と、基板１０１上に形成された複数の焦電型光検出器１１０とを備えている。
基板１０１は、例えばシリコンなどの半導体基板であって、複数の焦電型光検出器１１０は、基板１０１上において第１の方向（行方向）と、第１の方向に交差する第２の方向（列方向）とに二次元的（マトリックス状）に配置されている。以降、第１の方向をＸ方向とし、第２の方向をＹ方向として説明する。また、図の紙面に対して法線方向から見ることを平面視と言う。

本実施形態の焦電型光検出装置１００は、Ｘ方向に３個、Ｙ方向に３個、合計９個の焦電型光検出器１１０を有している。言い換えれば、焦電型光検出装置１００は、複数の焦電型光検出器１１０がアレイ化されたものである。焦電型光検出装置１００は、平面視で例えば１辺がおよそ１５０μｍ程度の四角形である。焦電型光検出器１１０は、同じく平面視で例えば１辺がおよそ１μｍ〜５０μｍの四角形の支持体１１１上に形成された焦電キャパシター１１５を有している。焦電型光検出器１１０の詳しい構成や構造については後述するが、焦電型光検出器１１０は、入射した光を熱に変換し、さらにその熱を電気信号に変換して出力する素子である。

図２に示すように、Ｘ方向に配列した３つの焦電型光検出器１１０は直列に接続され、Ｙ方向に配列した３つずつの焦電型光検出器１１０は、配線１２３と配線１２４との間で並列に接続されている。配線１２３の端には出力端子１２５Ａが設けられ、配線１２４の端には出力端子１２５Ｂが設けられている。

したがって、焦電型光検出装置１００は、複数の焦電型光検出器１１０を備えることで、入射した光を効率よく受けて、検知した光を出力端子１２５Ａ，１２５Ｂから電気信号として出力する。なお、焦電型光検出装置１００及び焦電型光検出器１１０の形状や大きさはこれに限定されるものではない。また、焦電型光検出装置１００おける複数の焦電型光検出器１１０の数や配置も、これに限定されるものではない。

＜焦電型光検出器＞
次に、本実施形態の焦電型光検出器１１０について、図３及び図４を参照して説明する。図３は焦電型光検出器の構成を示す概略平面図、図４（ａ）は図３のＡ−Ａ‘線で切った焦電型光検出器の構造を示す概略断面図、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は焦電キャパシターの構成例を示す概略断面図である。

図３に示すように、焦電型光検出器１１０は、基板１０１と、基板１０１上に配置された支持体１１１と、支持体１１１上に配置された焦電キャパシター１１５とを有している。焦電キャパシター１１５は、支持体１１１上において対向して配置された一対の電極１１２，１１４と、一対の電極１１２，１１４の間に挟持された焦電体１１３とを有している。
平面視で四角形の支持体１１１のほぼ中心に、同じく平面視で支持体１１１よりも一回り小さい四角形の焦電キャパシター１１５が配置されている。また、支持体１１１上において焦電キャパシター１１５は、光吸収部材１１７によって覆われている。焦電キャパシター１１５の詳しい構成については後述する。

支持体１１１の対角に位置するコーナー部のそれぞれからアーム部１１１ａが延設されている。アーム部１１１ａは、支持体１１１の上記コーナー部を構成する１辺部側に沿って平行に伸びている。アーム部１１１ａの先端側に平面視で四角形の先端部１１１ｂが設けられている。先端部１１１ｂは、基板１０１に形成された支持脚としてのポスト１０９上に配置されている。

図面上で支持体１１１に対して左側に位置する一方のアーム部１１１ａ上には、一対の電極１１２，１１４のうち電極１１２に接続された配線１２２Ａが配置されている。配線１２２Ａの上記先端部１１１ｂと重なる位置に接続部１２１Ａが設けられている。
図面上で支持体１１１に対して右側に位置する他方のアーム部１１１ａ上には、電極１１４に接続された配線１２２Ｂが配置されている。配線１２２Ｂの上記先端部１１１ｂと重なる位置に接続部１２１Ｂが設けられている。つまり、基板１０１の対角方向で支持体１１１から離間した位置に配置された先端部１１１ｂ上に、焦電キャパシター１１５に繋がる一対の接続部１２１Ａ，１２１Ｂが配置されている。

図４（ａ）に示すように、基板１０１の基材１０１ｓ上には、例えば、複数（３つ）の配線層１０２，１０４，１０６が設けられている。配線層１０２と配線層１０４との間には、第１層間絶縁膜１０３が設けられている。配線層１０４と配線層１０６との間には第２層間絶縁膜１０５が設けられている。
最上層の配線層１０６には、焦電キャパシター１１５に電気的に繋がる２つの接続部１２１Ａ，１２１Ｂに対応した配線が設けられている。接続部１２１Ａ，１２１Ｂが設けられた先端部１１１ｂのそれぞれは、空洞１１８に囲まれた支持脚としてのポスト１０９により支持されている。
ポスト１０９は、空洞１１８に囲まれた柱状の絶縁部１０８内に、導通部１０７ａと、導通部１０７ａに接する配線層１０７ｂとが埋め込まれた構造からなり、焦電キャパシター１１５から伸びる接続部１２１Ａ，１２１Ｂと下層の配線層１０６とを電気的に接続している。導通部１０７ａは、絶縁部１０８に形成されたビアホール１０８ａを導通部材で埋めることにより形成されている。

各接続部１２１Ａ，１２１Ｂは先端部１１１ｂを貫通してポスト１０９の配線層１０７ｂと接するように設けられている。つまり、各接続部１２１Ａ，１２１Ｂは導通性のポスト１０９を介して下層の配線層１０６に電気的に接続している。配線層１０６は、さらに、第２層間絶縁膜１０５に設けられたビアホールＨ２や第１層間絶縁膜１０３に設けられたビアホールＨ１によって下層の配線層１０４または配線層１０２のいずれかに電気的に接続される。配線層１０２や配線層１０４には、基板１０１上において配置される複数の焦電型光検出器１１０を電気的に接続させる配線１２３，１２４（図２参照）が形成されている。なお、基材１０１ｓ上における配線層の数は、これに限定されるものではない。

支持体１１１とアーム部１１１ａとは、基板１０１との間に空洞１１８を隔てて配置されていると共に、空洞１１８に囲まれた支持脚としてのポスト１０９によって支持されている。
焦電キャパシター１１５が配置される支持体１１１は、例えば膜厚が５００ｎｍ程度の酸化シリコンからなる。基板１０１の厚みに比べて支持体１１１の膜厚は極薄いものであることから、支持体１１１はメンブレン（薄膜）とも呼ばれている。
空洞１１８を挟んで支持体１１１と対向する第２層間絶縁膜１０５上には、反射層１０６Ｒが形成されている。言い換えれば、反射層１０６Ｒは、配線層１０６の一部として第２層間絶縁膜１０５上に形成されている。

支持体１１１上に配置された焦電キャパシター１１５は、一対の電極１１２，１１４と、一対の電極１１２，１１４の間に挟持された焦電体１１３とを有する。以降、一対の電極１１２，１１４のうち、支持体１１１側に配置される方を下部電極１１２と呼び、焦電体１１３を介して下部電極１１２に対向配置される方を上部電極１１４と呼ぶ。

焦電キャパシター１１５の詳しい構成例としては、例えば、図４（ｂ）に示すように、下部電極１１２は、支持体１１１側から順に積層された、チタン（Ｔｉ）とアルミニウム（Ａｌ）との合金の窒化物からなる第１層１１２ａ、イリジウム（Ｉｒ）からなる第２層１１２ｂ、イリジウム（Ｉｒ）の酸化物からなる第３層１１２ｃ、白金（Ｐｔ）からなり焦電体１１３に接する第４層１１２ｄを含んで構成される。それぞれの膜厚は、例えば、第１層１１２ａが５０ｎｍ、第２層１１２ｂが１００ｎｍ、第３層１１２ｃが３０ｎｍ、第４層１１２ｄが１５０ｎｍである。

上部電極１１４は、白金（Ｐｔ）からなり焦電体１１３に接する第１層１１４ａ、イリジウム（Ｉｒ）の酸化物からなる第２層１１４ｂ、イリジウム（Ｉｒ）からなる第３層１１４ｃを含んで構成される。それぞれの膜厚は、例えば、第１層１１４ａが５０ｎｍ、第２層１１４ｂが１００ｎｍ、第３層１１４ｃが７０ｎｍである。

下部電極１１２と上部電極１１４との間に挟持される焦電体１１３は、ＰＺＴＮ（ＰＺＴにＮｂを添加したもの）系の金属酸化物の強誘電体が用いられている。本実施形態における焦電体１１３の厚み（膜厚）は１μｍ未満である。焦電体１１３に伝えられた熱を電荷に変換する焦電機能は、上記金属酸化物の結晶構造に起因し、上記金属酸化物の電荷の偏りを有する結晶面の配向方向がある程度揃って自発分極していることにより焦電機能が発揮される。それゆえに、焦電体１１３と接する下部電極１１２の第４層１１２ｄと、上部電極１１４の第１層１１４ａは、電極の成膜時に結晶方向を制御し易い白金（Ｐｔ）が用いられる。

焦電体１１３は、結晶の成長方向が揃った白金（Ｐｔ）の第４層１１２ｄに接して、例えばＣＶＤ法やスパッタ法などの気相成膜法やゾルゲル法などの液相成膜法を用いて形成することができる。スパッタ法に比べて成膜時にダメージが残り難い点で、液相成膜法が好ましい。これにより、上記金属酸化物の結晶面の配向方向を好ましい水準に揃えることが可能となる。より具体的には、上記金属酸化物の結晶構造において所望の例えば結晶面（１１１）の全体の結晶方位に占める割合を配向率と言い、焦電体１１３における配向率が５０％以上であることが好ましく、さらに９０％以上であることがより好ましい。
また、ＰＺＴ系の強誘電体よりも、ＰＺＴにＮｂが添加されたＰＺＴＮ系の強誘電体を用いることが、成膜時に金属酸化物が還元されに難く、安定して焦電機能が得られる点で好ましい。

焦電体１１３が上記金属酸化物の強誘電体を用いることから、焦電体１１３が還元されると、焦電機能が失われるおそれがある。白金（Ｐｔ）からなる第４層１１２ｄや第１層１１４ａで焦電体１１３を挟んでも、第４層１１２ｄや第１層１１４ａを通じて還元反応が進むことが考えられる。そこで、図４（ｂ）に示すように、還元保護膜（バリア層）として、イリジウム（Ｉｒ）やイリジウムの酸化物（ＩｒＯｘ）からなる層を積層している。
また、焦電体１１３を下部電極１１２と上部電極１１４との間に挟んだ構造としても、焦電体１１３の側面は露出して還元されるおそれがある。そこで、本実施形態では、支持体１１１上に配置された焦電キャパシター１１５の表面を覆う還元保護膜１１６を設けている。還元保護膜１１６は、例えばアルミニウムの酸化物（ＡｌＯｘ）を用いて構成することができる。

下部電極１１２や上部電極１１４の構成は、白金（Ｐｔ）からなる電極にイリジウム（Ｉｒ）やイリジウムの酸化物（ＩｒＯｘ）の層を積層する構造に限定されない。例えば、図４（ｃ）に示すように、焦電キャパシター１１５を、白金（Ｐｔ）からなる第４層１１２ｄと第１層１１４ａとの間に焦電体１１３を挟む構造とする。そして、上部電極となる第１層１１４ａを還元保護膜１１６で覆うと共に、下部電極となる第４層１１２ｄと支持体１１１との間にアルミニウムの酸化物（ＡｌＯｘ）からなる還元保護膜１１６ａをさらに配置する構造としてもよい。

支持体１１１上に配置された焦電キャパシター１１５は、上述したように、還元保護膜１１６で覆われると共に、さらに光吸収部材１１７で覆われている。光吸収部材１１７は、例えば酸化シリコンや窒化シリコンが堆積されたものである。光吸収部材１１７の厚みはおよそ１μｍである。光吸収部材１１７は支持体１１１上の凹凸を覆うので、ここで言う厚みとは、光吸収部材１１７で覆われた領域における平均的な膜厚を指す。

焦電型光検出器１１０に入射した光は、光吸収部材１１７で吸収され熱として焦電キャパシター１１５に伝わる。焦電キャパシター１１５では、焦電機能により伝わった熱を電荷として放電し、電気信号に変換される。詳しくは、焦電キャパシター１１５は、一定の温度から昇温したとき、そして、昇温後再び元の温度に戻るときに電荷を放出する。一定の温度に保たれているとき、あるいは昇温した状態が保たれると電荷は放出されなくなる。

このような焦電型光検出器１１０において、焦電キャパシター１１５が配置される支持体１１１の下層に空洞１１８を介して反射層１０６Ｒを配置する構造は、入射した光を光吸収部材１１７で吸収させるだけでなく、反射層１０６Ｒにより支持体１１１に向けて反射させることができる。また、支持体１１１と基板１０１との間に空洞１１８を設けることにより、焦電キャパシター１１５に伝わった熱が、支持体１１１を通じて基板１０１に放熱されることを抑制することができる。すなわち、入射した光を効率よく熱に変換すると共に、電気信号に変換して出力することができる。
本実施形態における光あるいは熱を反射させる反射層１０６Ｒは、例えば膜厚が１００ｎｍ程度のＴｉやＡｕ（金）の層で構成されている。

このような焦電型光検出器１１０の製造方法としては、次のような公知の方法を採用することができる。まず、配線層１０６上にポスト１０９を含むトレンチ（凹部）を形成する。次に、トレンチを埋めて例えば酸化シリコンからなる犠牲層を形成する。犠牲層に例えばＣＭＰ処理（化学的機械的研磨処理）してその表面を平坦化する。そして、平坦化された犠牲層の表面を覆って支持体１１１の前駆体層を形成する。前駆体層は、酸化シリコンや窒化シリコンを例えばＣＶＤ法で堆積させて形成する。この前駆体層をパターニングして、支持体１１１や支持体１１１から伸びるアーム部１１１ａ、先端部１１１ｂを形成する。支持体１１１を覆う還元保護膜１１６ａ（図４（ｃ）参照）を形成した後に、還元保護膜１１６ａ上に白金（Ｐｔ）からなる下部電極１１２を形成する。下部電極１１２を覆って前述した金属酸化物の強誘電体層を膜厚が１μｍ未満となるように液相成長法を用いて形成する。さらに白金（Ｐｔ）からなる上部電極層を形成する。上部電極層をパターニングして上部電極１１４を形成し、形成された上部電極１１４をマスクとして上記強誘電体層をパターニングする。形成された焦電キャパシター１１５の表面を覆う還元保護膜１１６を形成する。次に、還元保護膜１１６上に下部電極１１２に繋がる配線１２２Ａを形成すると共に、配線１２２Ａに繋がる接続部１２１Ａを形成する。同じく還元保護膜１１６上に上部電極１１４に繋がる配線１２２Ｂを形成すると共に、配線１２２Ｂに繋がる接続部１２１Ｂを形成する。そして、平面視で焦電キャパシター１１５を覆う光吸収部材１１７を形成する。その後、犠牲層が露出した部分を開口として、当該開口から犠牲層をエッチングして除去することにより、反射層１０６Ｒと支持体１１１との間に空洞１１８を形成する。反射層１０６Ｒと支持体１１１との距離、つまり空洞１１８の深さは大きいほど熱が伝わり難くなるので好ましいが、上述したように犠牲層をエッチングして空洞１１８を形成することから、空洞１１８の深さは、１μｍ〜５μｍの範囲が好ましく、本実施形態では、空洞１１８の深さを２．５μｍとしている。

酸化シリコンや窒化シリコンからなる層をエッチングして光吸収部材１１７を形成する工程や、酸化シリコンからなる犠牲層をエッチングする工程では、還元性を有する例えばフッ素系処理ガスを用いたドライエッチングが行われる。このようなドライエッチングを行ったとしても、焦電キャパシター１１５は還元保護膜１１６，１１６ａでその表面が覆われているので、上記金属酸化物の強誘電体である焦電体１１３がドライエッチングの処理ガスによって還元されない。

次に、焦電体１１３の具体的な実施例と比較例とを挙げ、図５及び図６を参照して具体的な効果について説明する。図５は実施例と比較例の焦電体の膜厚と分極量との関係を示す表、図６は実施例と比較例の焦電キャパシターにおける分極量と焦電体の膜厚との関係を示すグラフである。

実施例１及び実施例２、比較例１〜比較例４は、上記焦電型光検出器１１０の焦電キャパシター１１５の焦電体１１３における膜厚を異ならせたものである。焦電体１１３を挟む下部電極１１２と上部電極１１４とはいずれも白金（Ｐｔ）により構成されている。焦電キャパシター１１５の平面視における大きさは、１辺の長さが２０μｍの正方形である。

（実施例１）
実施例１の焦電体は、ゾルゲル法で形成されたＰＺＴＮ系の強誘電体が用いられ、その膜厚は０．６０μｍである。強誘電体におけるＺｒとＴｉのモル分率は、Ｚｒ／Ｔｉ＝２０／８０である。

（実施例２）
実施例２の焦電キャパシターの焦電体は、実施例１と同様にゾルゲル法で形成されたＰＺＴＮ系の強誘電体が用いられ、その膜厚は０．１４μｍである。

（比較例１）
比較例１の焦電キャパシターの焦電体は、厚膜（バルク）のＰＺＴ系の強誘電体が用いられ、その膜厚は２００００μｍ（２ｍｍ）である。

（比較例２）
比較例２の焦電キャパシターの焦電体は、ゾルゲル法で形成されたＰＺＴ系の強誘電体が用いられ、その膜厚は１．３０μｍである。

（比較例３）
比較例３の焦電キャパシターの焦電体は、ゾルゲル法で形成されたＰＺＴ系の強誘電体が用いられ、その膜厚は０．６０μｍである。

（比較例４）
比較例４の焦電キャパシターの焦電体は、ＭＯＤ法で形成されたＰＺＴ系の強誘電体が用いられ、その膜厚は０．２２μｍである。

（比較例５）
比較例５の焦電キャパシターの焦電体は、ゾルゲル法で形成されたＰＺＴ系の強誘電体が用いられ、その膜厚は０．１３μｍである。

図５及び図６に示すように、焦電キャパシターの焦電性能を示す単位面積当たりの分極量（μＣ／ｃｍ²）は、実施例１が３２．３、実施例２が２６．５、比較例１が２８．０、比較例２が３０．０、比較例３が２４．０、比較例４が２２．０、比較例５が１７．０である。液相成膜法の１つであるゾルゲル法でＰＺＴＮ系の強誘電体を用いて焦電体が形成され、膜厚が１μｍ未満の実施例１及び実施例２は、ＰＺＴ系の強誘電体を用いて焦電体が形成され、膜厚が実施例１や実施例２よりも厚い２００００μｍの比較例１とほぼ同程度の分極量となっている。また、ＰＺＴ系の強誘電体を用いた場合、焦電体の膜厚が１．３０μｍの比較例２までは分極量が維持されているが、１μｍ未満となる比較例３〜比較例５では、分極量が急激に低下している。なお、図６では、焦電体の膜厚が１０μｍ以上であることをバルク（ｂｕｌｋ）として示し、膜厚が１０μｍ未満であることを薄膜（ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ）として示している。

図７はＰＺＴＮ系強誘電体を用いた焦電キャパシターのヒステリシスと、ＰＺＴ系強誘電体を用いた焦電キャパシターのヒステリシスを示すグラフである。詳しくは、ＰＺＴＮ系強誘電体の膜厚が０．１４μｍであり、上記実施例２に相当するものである。これに対してＰＺＴ系強誘電体の膜厚は０．１３μｍであり、上記比較例５に相当するものである。

ＰＺＴＮ系強誘電体あるいはＰＺＴ系強誘電体からなる焦電体を挟む電極間に交流電圧を印加して分極処理すると、図７に示すように、ＰＺＴＮ系強誘電体のほうがＰＺＴ系強誘電体よりも大きな分極量（μＣ／ｃｍ²）が得られることが分かる。この分極量の値は、残留分極量であって、残留分極量とは、電圧無印可時の単位面積あたりの分極量である。より具体的には、電極間に焦電体を分極させるために正の最大電位を与え、最大電位から０Ｖに電位を低下させたときの焦電キャパシターの電気容量から得られる値である。大きな分極量を示すことは、焦電キャパシターが温度の変化に対してより多くの電荷を放出可能であることを示しており、焦電体としてＰＺＴＮ系強誘電体を用いることでＰＺＴ系強誘電体に比べて高感度な焦電型光検出器１１０を提供できることを意味している。

液相成膜法の１つであるゾルゲル法によって膜厚が１μｍ未満で形成されたＰＺＴＮ系の強誘電体を用いた実施例１及び実施例２は、ＰＺＴ系の強誘電体を用いた比較例１に対して、ほぼ同等な分極特性を有する。焦電体の膜厚は、実施例１や実施例２のほうが比較例１よりも小さい（薄い）ので、焦電キャパシターの熱容量Ｈや熱コンダクタンスＧが比較例１よりも小さくなり、焦電特性における感度や分解能が優れた焦電型光検出器１１０を実現できる。

高感度を得るには、感度に効くパラメータの１つである熱コンダクタンスＧが以下の数式（１）を満たすことが好ましい。

Ｇ≦１．０×１０^-6Ｗ／Ｋ・・・・（１）
なお、Ｗは仕事率、Ｋは絶対温度である。
また、ビデオフレーム（３０ｆｐｓ；ｆｒａｍｓ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）に対応させて動作させる前提では、応答速度となる熱時定数τが３０ｍｓ以下であることが好ましい。熱時定数τは、以下の数式（２）で与えられる。

τ＝Ｈ／Ｇ・・・・（２）
Ｈは焦電キャパシターの熱容量である。したがって、好ましい焦電キャパシターの熱容量Ｈは、以下の数式（３）を満たすことになる。

Ｈ≦３．０×１０^-8Ｊ／Ｋ・・・・（３）
なお、Ｊは仕事量である。
例えば、上記実施例２の焦電キャパシターの熱容量Ｈは、４．０×１０^-9Ｊ／Ｋであり、熱コンダクタンスＧは、１．５×１０^-7Ｗ／Ｋであることから、上記数式（１）及び（３）を満たしている。

加えて、焦電型光検出器１１０をテラヘルツセンサーとして１ＴＨｚ〜３ＴＨｚ帯に感度を持たせるには、１ＴＨｚの波長λが３００μｍであることから、焦電キャパシター１１５の平面サイズを３００μｍ□以下とすることが好ましい。

上記第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）焦電型光検出器１１０は、下部電極１１２と上部電極１１４との間に、ＰＺＴＮ系の強誘電体からなり膜厚が１μｍ未満の焦電体１１３が挟持された焦電キャパシター１１５を有している。また、焦電キャパシター１１５は平面視で四角形であって、１辺の長さは１μｍ〜５０μｍである。このような焦電型光検出器１１０は、例えばＰＺＴ系の強誘電体からなり膜厚が１０μｍ以上の焦電体（バルク）を用いた場合に比べて、ほぼ同等な分極量を有すると共に、熱容量Ｈや熱コンダクタンスＧが１／１０以下となるため、高い感度及び分解能を有する焦電型光検出器１１０を提供できる。
（２）焦電キャパシター１１５の焦電体１１３は、液相成膜法の１つであるゾルゲル法を用いて形成されている。したがって、気相成膜法の１つであるスパッタ法で成膜する場合に比べて、成膜時にダメージを受け難い。また、ＰＺＴにＮｂが添加されたＰＺＴＮ系の強誘電体を用いるので、成膜時に金属酸化物であるＰＺＴが還元され難い。すなわち、安定した焦電機能が得られる。
（３）焦電型光検出器１１０が基板１０１上において二次元的に配置された焦電型光検出装置１００は、入射する光を熱に変換し、且つ効率的に電荷に変換することができる。すなわち、焦電型光検出器１１０が配置された領域に入射した光（熱）の分布を電気信号に置き換えて出力することが可能であり、焦電型光検出器１１０の大きさが３００μｍ□以下であることから、高感度、高分解能な焦電型光検出装置１００を提供できる。
また、焦電キャパシター１１５の焦電体１１３が優れた分極特性を有するＰＺＴＮ系の強誘電体からなり、焦電型光検出器１１０から電気信号を取り出す読み出しの都度、焦電体１１３を分極させるための電圧を一対の電極に印加する必要がないので、省電力型の焦電型光検出装置１００を提供できる。

（第２実施形態）
＜電子機器＞
図８に本実施形態の焦電型光検出器を含む電子機器の構成例を示す。この電子機器は、光学系４００、センサーデバイス（焦電型光検出器）４１０、画像処理部４２０、処理部４３０、記憶部４４０、操作部４５０、表示部４６０を含む。なお本実施形態の電子機器は図８の構成に限定されず、その構成要素の一部（例えば光学系、操作部、表示部等）を省略したり、他の構成要素を追加したりするなどの種々の変形実施が可能である。

光学系４００は、例えば１または複数のレンズや、これらのレンズを駆動する駆動部などを含む。そしてセンサーデバイス４１０への物体像の結像などを行う。また必要であればフォーカス調整なども行う。

センサーデバイス４１０は、上述した本実施形態の焦電型光検出器１１０を二次元配列させて構成され、複数の行線（走査線）と複数の列線（データ線）が設けられる。センサーデバイス４１０は、二次元配列された焦電型光検出器１１０、つまり焦電型光検出装置１００に加えて、行選択回路（行ドライバー）と、列線を介して焦電型光検出器１１０からのデータを読み出す読み出し回路と、Ａ／Ｄ変換部等を含むことができる。二次元配列された各焦電型光検出器１１０からのデータを順次読み出すことで、物体像の撮像処理を行うことができる。

画像処理部４２０は、センサーデバイス４１０からのデジタルの画像データ（画素データ）に基づいて、画像補正処理などの各種の画像処理を行う。

処理部４３０は、電子機器の全体の制御や、電子機器内の各ブロックの制御を行う。この処理部４３０は、例えばＣＰＵ等により実現される。記憶部４４０は、各種の情報を記憶するものであり、例えば処理部４３０や画像処理部４２０のワーク領域として機能する。操作部４５０は、ユーザーが電子機器を操作するためのインターフェースとなるものであり、例えば各種ボタンやＧＵＩ（Graphical User Interface）画面などにより実現される。表示部４６０は、例えばセンサーデバイス４１０により取得された画像やＧＵＩ画面などを表示するものであり、液晶ディスプレイや有機ＥＬディスプレイなどの各種のディスプレイにより実現される。

このように、１セル分の焦電型光検出器１１０をセンサーとして用いる他、１セル分の焦電型光検出器１１０を二軸方向例えば直交二軸方向に二次元配置することでセンサーデバイス４１０を構成することができる。センサーデバイス４１０は、光を受光して光（電磁波）に起因する熱分布画像を提供することができる。このセンサーデバイス４１０を用いて、特定物質探知装置、偽造紙幣の判定装置、封筒内の薬品検出装置、建造物の非破壊検査装置などの撮像装置を用いる電子機器を構成することができる。

図９（ａ）に図８のセンサーデバイス４１０の構成例を示す。このセンサーデバイスは、センサーアレイ５００と、行選択回路（行ドライバー）５１０と、読み出し回路５２０を含む。またＡ／Ｄ変換部５３０、制御回路５５０を含むことができる。このセンサーデバイスを用いることで、高性能な撮像装置を実現できる。

センサーアレイ５００には、二軸方向に複数のセンサーセルが配列（配置）される。また複数の行線（走査線）と複数の列線（データ線）が設けられる。なお行線及び列線の一方の本数が１本であってもよい。例えば行線が１本である場合には、図９（ａ）において行線に沿った方向（横方向）に複数のセンサーセルが配列される。一方、列線が１本である場合には、列線に沿った方向（縦方向）に複数のセンサーセルが配列される。

図９（ｂ）に示すように、センサーアレイ５００の各センサーセルは、各行線と各列線の交差位置に対応する場所に配置（形成）される。例えばセンサーセルは、行線ＷＬ１と列線ＤＬ１の交差位置に対応する場所に配置されている。他のセンサーセルも同様である。

行選択回路５１０は、１又は複数の行線に接続される。そして各行線の選択動作を行う。例えば図９（ｂ）のようなＱＶＧＡ（３２０×２４０画素）のセンサーアレイ５００（焦点面アレイ）を例にとれば、行線ＷＬ０，ＷＬ１，ＷＬ２・・・・ＷＬ２３９を順次選択（走査）する動作を行う。即ちこれらの行線を選択する信号（ワード選択信号）をセンサーアレイ５００に出力する。

読み出し回路５２０は、１又は複数の列線に接続される。そして各列線の読み出し動作を行う。ＱＶＧＡのセンサーアレイ５００を例にとれば、列線ＤＬ０，ＤＬ１，ＤＬ２・・・・ＤＬ３１９からの検出信号（検出電流、検出電荷）を読み出す動作を行う。

Ａ／Ｄ変換部５３０は、読み出し回路５２０において取得された検出電圧（測定電圧、到達電圧）をデジタルデータにＡ／Ｄ変換する処理を行う。そしてＡ／Ｄ変換後のデジタルデータＤＯＵＴを出力する。具体的には、Ａ／Ｄ変換部５３０には、複数の列線の各列線に対応して各Ａ／Ｄ変換器が設けられる。そして、各Ａ／Ｄ変換器は、対応する列線において読み出し回路５２０により取得された検出電圧のＡ／Ｄ変換処理を行う。なお、複数の列線に対応して１つのＡ／Ｄ変換器を設け、この１つのＡ／Ｄ変換器を用いて、複数の列線の検出電圧を時分割にＡ／Ｄ変換してもよい。

制御回路５５０（タイミング生成回路）は、各種の制御信号を生成して、行選択回路５１０、読み出し回路５２０、Ａ／Ｄ変換部５３０に出力する。例えば充電や放電（リセット）の制御信号を生成して出力する。あるいは、各回路のタイミングを制御する信号を生成して出力する。

図１０に本実施形態の焦電型光検出器１１０を含むテラヘルツカメラの例を示す。前述のセンサーデバイス４１０は、その吸収波長がテラヘルツ波で最適になるように設定されており、センサーデバイス４１０とテラヘルツ光照射ユニットとを組み合わせてテラヘルツカメラ１０００を構成した例を示す。

テラヘルツカメラ１０００は、制御ユニット１０１０と、照射光ユニット１０２０と、光学フィルター１０３０と、撮像ユニット１０４０と、表示部１０５０とを備えて構成されている。撮像ユニット１０４０は、図示しないレンズなどの光学系と前述の焦電型光検出器１１０の吸収波長をテラヘルツ域（１ＴＨｚ〜３ＴＨｚ）で最適化したセンサーデバイス４１０を含んで構成されている。

制御ユニット１０１０は、本装置全体を制御するシステムコントローラーを含み、該システムコントローラーは制御ユニットに含まれる光源駆動部および画像処理ユニットを制御する。照射光ユニット１０２０は、テラヘルツ光（波長が１００μｍ〜１０００μｍの範囲にある電磁波を指す。）を出射するレーザー装置と光学系を含み、テラヘルツ光を検査対象の人物１０６０に照射する。人物１０６０からの反射テラヘルツ光は、探知対象である特定物質１０７０の分光スペクトルのみを通過させる光学フィルター１０３０を介して撮像ユニット１０４０に受光される。撮像ユニット１０４０で生成された画像信号は、制御ユニット１０１０の画像処理ユニットで所定の画像処理が施され、その画像信号が表示部１０５０へ出力される。そして人物１０６０の衣服内等に特定物質１０７０が存在するか否かにより受光信号の強度が異なるので特定物質１０７０の存在が判別できる。

本発明は、上記した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う焦電型光検出器及び該焦電型光検出器を適用する焦電型光検出装置や電子機器もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。上記実施形態以外にも様々な変形例が考えられる。以下、変形例を挙げて説明する。

（変形例１）焦電型光検出器１１０において支持体１１１上に配置される焦電キャパシター１１５の数は１つであることに限定されず、複数でもよい。また、複数の焦電キャパシター１１５は、支持体１１１上において電気的に直列または並列、あるいは直列と並列とを組み合わせて接続される。

（変形例２）焦電体１１３は、ＰＺＴＮ系の強誘電体を用いて形成されることに限定されない。例えば、Ｐｂ（鉛）を含まないＢＦＯ（ＢｉＦｅＯ₃）系の強誘電体を用い、膜厚を１μｍ未満とすることで上記実施形態と同様な効果を得ることができる。

１００…焦電型光検出装置、１０１…基板、１０６Ｒ…反射層、１０９…支持脚としてのポスト、１１０…焦電型光検出器、１１１…支持体（メンブレン）、１１２…下部電極、１１３…焦電体、１１４…上部電極、１１５…焦電キャパシター、１１６，１１６ａ…還元保護膜、１１８…空洞、４１０…電子機器としてのセンサーデバイス、１０００…電子機器としてのテラヘルツカメラ。

Claims (11)

1. 焦電体を電極で挟んだ焦電キャパシターを有し、
   前記焦電体の厚みが１μｍ未満であることを特徴とする焦電型光検出器。
2. 前記焦電体は、液相成膜法により形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の焦電型光検出器。
3. 前記焦電キャパシターの平面視における大きさが３００μｍ□以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の焦電型光検出器。
4. 基板と、前記基板上において空洞を介して配置された支持体とを有し、
   前記焦電キャパシターは前記支持体上に配置されていること特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の焦電型光検出器。
5. 前記基板上において前記支持体を支持する支持脚を有することを特徴とする請求項４に記載の焦電型光検出器。
6. 前記焦電体は強誘電体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の焦電型光検出器。
7. 前記強誘電体は、ＰＺＴにＮｂが添加されたものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の焦電型光検出器。
8. 前記焦電キャパシターは還元保護膜により被覆されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の焦電型光検出器。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の焦電型光検出器を二軸方向に沿って二次元的に配置したことを特徴とする焦電型光検出装置。
10. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の焦電型光検出器を備えたことを特徴とする電子機器。
11. 請求項９に記載の焦電型光検出装置を備えたことを特徴とする電子機器。

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