CN103890973B - 利用了受光发光一体型元件的受光发光装置及传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用了受光发光一体型元件的受光发光装置及传感器装置。本发明的受光发光装置是利用了受光元件和发光元件被设置在基板的一个主面上的受光发光一体型元件的受光发光装置，基板由一导电型半导体构成，在基板的另一个主面的至少与受光元件以及发光元件对应的区域配置至少一个电极层，受光元件具有形成在基板的一个主面侧的第1另一导电型半导体层、形成在第1另一导电型半导体层的上表面的第1阳极电极、和形成在基板的一个主面的上表面的第1阴极电极，电极层、第1阳极电极以及第1阴极电极被设为相同电位。

Description

利用了受光发光一体型元件的受光发光装置及传感器装置
技术领域
本发明涉及具备发光元件以及受光元件被一体形成在同一基板上的受光发光一体型元件的受光发光装置以及传感器装置。
背景技术
以往，提出了各种通过从发光元件向被照射物照射光，并由受光元件接受相对于向被照射物入射的光的正反射光和漫反射光，由此来检测被照射物的特性的传感器装置。该传感器装置在广泛的领域中被利用，例如在光断续器、光耦合器、遥控器、IrDA(InfraredDataAssociation；红外线数据协会)通信设备、光纤通信用装置、进而原稿尺寸传感器等的涉及许多方面的应用中被使用。
在这样的传感器装置中，例如在由受光元件接受从发光元件向被照射物照射出的光的正反射光等情况下，为使由受光元件接受更为准确的正反射光，优选发光元件和受光元件配置在更靠近的位置。
例如，在日本特开平8—46236号公报中记载了如下的受光发光元件阵列，即：在由硅构成的半导体基板的一个表面注入杂质，相邻地形成了承担受光功能的浅的pn结区域和承担发光功能的深的pn结区域。
但是，在同一硅基板上一体式形成了受光元件和发光元件的情况下，若驱动发光元件则会产生漏电流(所谓的噪声电流)，有时经由硅基板而流入到受光元件。该漏电流作为误差分量(噪声)而混入来自受光元件的输出电流(根据受光强度而输出的电流)中。因而，在以往的受光发光元件中，存在着由于这样的噪声电流的产生而导致基于受光元件的反射光的探测精度下降的课题。越是靠近配置受光元件和发光元件，则该漏电流变得越大。即，为使由受光元件接受准确的正反射光，期望发光部分和受光部分更近，但是却使得漏电流变得较大。因而，在以往的受光发光元件阵列中，存在无法使检测精度变得较高的课题。
发明内容
本发明正是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种受光发光装置，该受光发光装置是利用了在同一硅基板上靠近地一体式形成有受光元件和发光元件的受光发光一体型元件的受光发光装置，但也能相对抑制因发光元件的驱动而产生的漏电流流入到受光元件，因此基于受光元件的反射光的探测精度较高。
本发明的一实施方式所涉及的受光发光装置是利用了受光元件和发光元件被设置在基板的一个主面上的受光发光一体型元件的受光发光装置，其特征在于，所述基板由一导电型半导体构成，在所述基板的另一个主面的至少与所述受光元件以及所述发光元件对应的区域配置至少一个电极层，所述受光元件具有形成在所述基板的一个主面侧的第1另一导电型半导体层、形成在该第1另一导电型半导体层的上表面的第1阳极电极、和形成在所述基板的一个主面的上表面的第1阴极电极，所述受光发光装置还具备反相输入端子与所述第1阳极电极连接、且非反相输入端子与所述第1阴极电极以及所述电极层连接的运算放大器，所述电极层、所述第1阳极电极以及所述第1阴极电极被设为相同电位。
附图说明
图1是本发明的一实施方式所涉及的受光发光装置的简要图。
图2是构成图1所示的受光发光装置的受光发光一体型元件的剖视图。
图3是构成图1所示的受光发光装置的受光元件和运算放大器的简要连接图。
图4是说明将图1所示的受光发光装置作为传感器装置来使用的情况下的使用方法的图。
图5是表示图1所示的受光发光装置的第1变形例的简要图。
图6是构成图5所示的受光发光装置的第1变形例的受光元件、运算放大器以及电源的简要连接图。
图7是构成图1所示的受光发光装置的第2变形例的受光发光一体型元件的剖视图。
图8是用于说明由构成受光发光一体型元件的受光元件和发光元件所夹持的区域的图。
具体实施方式
(受光发光装置)
以下，参照附图对本发明的受光发光装置进行说明。以下的例子仅是例示本发明的实施方式的例子，本发明并非限定于这些实施方式。
图1所示的受光发光装置1被组合到页式印刷机等电子照片装置中，作为传感器装置而发挥功能。
受光发光装置1在基底基板2的上表面具备受光发光一体型元件3以及运算放大器4。受光发光一体型元件3以及运算放大器4经由环氧系树脂等热硬化性的密接材料而安装在基底基板2的上表面。
基底基板2作为对受光发光一体型元件3以及运算放大器4进行支承的支承体而发挥功能，并且作为进行受光发光一体型元件3和运算放大器4的电连接、以及受光发光一体型元件3和设于外部的电源等的电连接的电路基板而发挥功能。
作为基底基板2的构成材料，虽然可以为任何材料，但是在本实施方式中使用了由玻璃环氧树脂构成的电路基板。在本实施方式中，虽然基底基板2为矩形形状，但是并不限于这样的形状。
如图2所示，受光发光一体型元件3具备：基板10、设置在基板10的上表面的受光元件20及发光元件30、以及设置在基板10的下表面的电极层5。
基板10例如由硅(Si)、砷化镓(GaAs)、磷化镓(GaP)以及氮化镓(GaN)等的单晶来形成。此外，基板10通过掺入n型杂质或者p型杂质而成为n型半导体基板或者p型半导体基板。作为n型杂质，例如举出硅(Si)、硒(Se)以及磷(P)等，其浓度被设为1×1016～1×1020atoms/cm3。作为p型杂质，例如举出锌(Zn)、镁(Mg)、碳(C)以及硼(B)等，其浓度被设为1×1016～1×1020atoms/cm3。本例中的基板10使用了将磷(P)以1×1015atoms/cm3的浓度掺入到硅(Si)中的n型半导体基板。
受光元件20在基底基板10的上表面侧具备：掺入了p型杂质或者n型杂质的半导体层21；配置在该半导体层的上表面的第1阳极电极22；和与该半导体层21靠近地配置在基板10的上表面的第1阴极电极23。
受光元件20通过在基底基板10的上表面侧形成掺入了p型杂质或者n型杂质的半导体层21，从而构成了pn结。也就是说，在基底基板10为n型半导体时掺入p型杂质，在基底基板10为p型半导体时掺入n型杂质，由此形成pn结。若向该pn结部入射光，则产生电子和空穴从而产生光电流。
半导体层21例如按如下方式形成，即，作为p型杂质可掺入锌(Zn)、镁(Mg)、碳(C)、硼(B)、铝(A1)以及镓(Ga)等的原子，作为n型杂质可掺入锑(Sb)、磷(P)、砷(As)、硅(Si)以及硒(Se)等的原子，以1×1016～1×1020atoms/em3的浓度掺入上述杂质并成为0.5～3μm的厚度。本实施方式的半导体层21是在硅(Si)中掺入了1×1018atoms/cm3的硼(B)的p型半导体层。
在半导体层21的上表面配置有第1阳极电极22。第1阳极电极22例如由金(Au)和铬(Cr)的合金、铝(A1)和铬(Cr)的合金、以及铂(Pt)和钛(Ti)的合金等来形成，其厚度被设为0.5～5μm。
而且，在基底基板10的上表面，与半导体层21靠近地配置有第1阴极电极23。第1阴极电极例如由金(Au)和锑(Sb)的合金等来形成，其厚度被设为0.5～5μm。
另一方面，发光元件30具备：形成在基底基板10的上表面的本征半导体层31a；形成在本征半导体层31a的上表面的n型半导体层31b；形成在n型半导体层31b的上表面的p型半导体层31c以及第2阴极电极33；和形成在p型半导体层31c的上表面的第2阳极电极32。
由n型半导体层31b和p型半导体层31c形成半导体的pn结，向该pn结部供应电流，使电子和空穴再结合，从而发光元件30发光。
本征半导体层31a由未掺入杂质的砷化镓(GaAs)、铟镓砷(InGaAs)、铝镓砷(A1GaAs)、镓铟磷(GaInP)、铝镓铟磷(A1GaInP)以及氮化镓(GaN)等的单晶来形成，其厚度被设为0.1～2μm。本实施方式的本征半导体层31a为铟镓砷(InGaAs)。
另外，虽然在本实施方式的本征半导体层31a中未有意地掺入杂质，但是在半导体的制造过程等中作为不可避免的杂质有时会以1×1014atoms/cm3的浓度混入Si等。
此外，为了防止基于基板10与本征半导体层31a的晶格常数的不匹配的失配位错，也可在基底基板10的上表面设置缓冲层，并在缓冲层的上表面形成本征半导体层31a。作为该情况下的缓冲层，由砷化镓(GaAs)等的单晶来形成，其厚度被设为0.1～1μm。
n型半导体层31b例如由作为n型杂质而掺入了硫(S)、硅(Si)、硒(Se)、锡(Sn)以及磷(P)等的原子的砷化镓(GaAs)、铝镓砷(A1GaAs)、镓铟磷(GaInP)、铝镓铟磷(AlGaInP)以及氮化镓(GaN)等的单晶来形成，其厚度被设为1～4μm。n型杂质的浓度例如被设为1×1016～1×1020atoms/cm3。本实施方式的n型半导体层31b将硅(Si)以1×1018atoms/cm3程度的浓度掺入到砷化镓(GaAs)中。
形成在n型半导体层31b的上表面的第2阴极电极33，例如使用金(Au)和锑(Sb)的合金、金(Au)和锗(Ge)的合金、或者镍系合金等来形成，其厚度被设为0.5～5tm。
p型半导体层31c例如由作为p型杂质而掺入了锌(Zn)、镁(Mg)以及碳(C)等的原子的砷化镓(GaAs)、铝镓砷(AlGaAs)、镓铟磷(GaInP)、铝镓铟磷(AlGaInP)以及氮化镓(GaN)等的单晶来形成，其厚度被设为1～4μm。p型杂质的浓度例如被设为1×1016～1×1020atoms/cm3。本实施方式的p型半导体层31c将锌(Zn)以1×1018atoms/cm3的浓度掺入到砷化镓(GaAs)中。
形成在p型半导体层31c的上表面的第2阳极电极32，由金(Au)和镍(Ni)的合金、金(Au)和铬(Cr)的合金、金(Au)和钛(Ti)的合金、以及铝(Al)和铬(Cr)的合金等来形成，其厚度被设为0.5～5μm。
发光元件30所具有的第2阳极电极32以及第2阴极电极33，经由未图示的外部电源和金(Au)以及铝(Al)等的引线相连接，通过在第2阳极电极32与第2阴极电极33之间施加正向电压，由此向p型半导体层31c以及n型半导体层31b供应电流，从而发光元件30发光。此外，第2阳极电极32以及第2阴极电极33与外部电源的连接并不限于经由引线，也可是众所周知的倒装片连接、基于导电性膏的连接等，并不特别限定。
电极层5由金(Au)以及铝(A1)等导电性材料等来形成，其厚度被设为0.2～3μm。至少在基体10的下表面中的与受光元件20以及发光元件30对应的区域，形成有至少一个电极层5。在此，关于对应的区域，在受光元件20的情况下是指图2的A所示的包含与半导体层21对应的区域、与第1阴极电极23对应的区域、和与被这些区域所夹持的区域对应的区域在内的区域，在发光元件30的情况下是指图2的B所示的与本征半导体层31a对应的区域。另外，在发光元件30所具有的第2阳极电极32、第2阴极电极33存在于本征半导体层31a的外侧的区域的情况下，与上述的受光元件20的情况同样地是指包含与本征半导体层31a对应的区域、与存在于本征半导体层31a的外侧的区域的电极对应的区域、和当存在被这些区域所夹持的区域时与该区域对应的区域在内的区域。本实施方式的电极层5以覆盖基板10的整个下表面的方式由金(Au)形成，其厚度被设为1μm。
上述的受光发光一体型元件3通过众所周知的热氧化法、溅射法、等离子CVD法、光刻法、蚀刻法以及电阻加热蒸镀法等半导体制造方法来形成。在本实施方式中，形成在构成受光元件20、发光元件30的各种半导体层上的绝缘层的说明虽然进行了省略，但是根据需要来进行绝缘层的形成也是不言而喻的。
运算放大器4具备反相输入端子40a、非反相输入端子40b以及输出端子40c，作为进行与在反相输入端子40a和非反相输入端子40b之间产生的电位差成比例的电压的输出的差动放大器而发挥功能。
如图3的简要连接图所示那样，反相输入端子40a经由引线、凸块、Ag膏以及Cu布线等而与受光元件20所具有的第1阳极电极22连接，非反相输入端子40b经由引线、凸块、Ag膏以及Cu布线等而与受光元件20所具有的第1阴极电极23以及基体10所具有的电极层5连接。而且，第1阳极电极22、第1阴极电极23以及电极层5被设为相同电位。也就是说，与运算放大器4的反相输入端子40a连接的受光元件20的第1阳极电极22、和与非反相输入端子40b连接的第1阴极电极以及电极层5，被设为所谓的虚短(也称作虚拟短路)的状态。在本实施方式中，与运算放大器4的反相输入端子40a连接的受光元件20的第1阳极电极22、和与非反相输入端子40b连接的第1阴极电极以及电极层5，均被设为接地电位。也就是说，本实施方式的受光发光元件20以零偏置模式被驱动。
另外，虽然未进行图示，但是运算放大器4具有连接在反相输入端子40a与输出端子40c之间的反馈电阻、以及用于驱动运算放大器4的电源是不言而喻的。对于反馈电阻采用1K～10MΩ的电阻。
如上所述，纵使通过连接受光元件20和运算放大器4来驱动发光元件30从而产生了漏电流(所谓的噪声电流)，也能相对抑制经由基板10流入到受光元件20。
详细地说明该点。首先是由于驱动发光元件30而产生漏电流的机理，在开启(ON)或关断(OFF)发光元件30之际，由发光元件30所具有的第2阴极电极33所连接的n型半导体层31b以及本征半导体层31a的接合界面、本征半导体层31a以及基体10的接合界面、和存在于它们之间的本征半导体31a形成了电容器，通过电容耦合而成为漏电流的源的载流子(电子或者空穴)产生在本征半导体层31a以及基体10的接合界面的正下方。这些载流子在基体10的内部扩散，从而成为漏电流(所谓的噪声电流)。
若该漏电流从发光元件30侧流向受光元件20侧，则作为误差分量(噪声)而混入在来自受光元件20的输出电流(根据从第1阳极电极22取出的受光强度而输出的电流)中。
通过将受光元件20的第1阴极电极23设为接地电位，从而上述产生的载流子被从基体10排出到外部，但是由于受光元件20的第1阴极电极23的面积、厚度等的尺寸上的制约，并非所有的漏电流都被从基体10排出到外部。因此，通过在基体10的下表面至少在受光元件20以及发光元件30所对应的区域形成面积较大的电极层5并设为接地电位，能够使上述产生的载流子迅速地从基体10经由电极层5而排出到外部。由此，由于驱动发光元件30而因电容耦合所产生的漏电流，可相对抑制其流入到受光元件20，而是经由电极层5向外部排出。
(传感器装置)
接下来，对将本实施方式的受光发光装置作为传感器装置来使用的情况下的使用方法进行说明。另外，下面举出将该传感器装置应用于对在复印机、打印机等电子照片装置中的中间转印带V上附着的调色剂T(被照射物)的浓度进行检测的传感器装置的情况为例来进行说明。
如图4所示，本实施方式的传感器装置配置成：受光发光装置1的形成有受光元件20以及发光元件30的面与中间转印带V对置。并且，从发光元件30向中间转印带V上的调色剂T照射光。另外，在本实施方式中，在受光元件20的上方配置棱镜P2，在发光元件30的上方配置棱镜P1，在发光元件30的pn结区域的正上方被出射的光由棱镜P1折射而入射到中间转印带V上的调色剂上。并且，相对于该入射光L1的正反射光L2由棱镜P2折射，并由受光元件20受光。在该受光元件20中，根据所接受到的光的强度而产生光电流，经由第1阳极电极22而由外部的驱动电路来检测该光电流。
在本实施方式的传感器装置中，如上所述能够检测与来自调色剂T的正反射光的强度相应的光电流。由于正反射光的强度也对应于调色剂T的浓度，因此能够根据所产生的光电流的大小来检测调色剂T的浓度。
另外，在将调色剂T的浓度设为一定的情况下，能够作为与中间转印带的传感器装置相距的距离的信息来检测。
以上，示出了本发明的具体实施方式，但是本发明的受光发光装置并不限定于此，也可在不脱离本发明主旨的范围内进行各种变更。
例如，在本实施方式中，虽然受光元件20所具有的第1阳极电极22、第1阴极电极以及电极层5被设为相同电位，但是也可进一步将发光元件30所具有的第2阴极电极33也设为相同电位。通过采用这样的构成，能够使得由于驱动发光元件30而在n型半导体层31b以及本征半导体层31a的接合界面、与本征半导体层31a以及基体10的接合界面之间所产生的电位差变得较小，即可以减小感应电压，所以可以相对抑制漏电流的产生。
此外，也可如图5所示的第1变形例那样，在本实施方式的受光发光装置1中还具备电源6。通过采用这样的构成，在本实施方式中，虽然受光元件20所具有的第1阳极电极22、第1阴极电极23以及电极层5被设为接地电位，但是也可将这些电位设为正的相同电位。通过将这些电位设为正的电位，可以将用于驱动运算放大器4的电源设为单电源，可谋求受光发光装置的小型化。在如上述那样受光元件20所具有的第1阳极电极22、第1阴极电极23以及电极层5被设为接地电位的情况下，驱动运算放大器4的电源由正电源以及负电源的两个电源构成，但是在受光元件20所具有的第1阳极电极22、第1阴极电极23以及电极层5被设为正的相同电位的情况下，驱动运算放大器4的电源可以是只有正电源的单电源。其原因在于，在前者的情况下，若将在向受光元件20入射了光时和未入射光时所流动的明电流和暗电流分别变换成电压，则成为负电位和接地电位，因此需要正电源和负电源。相对于此，在后者的情况下，若将明电流和暗电流分别变换成电压，则均可以设为正电位，因此可以将电源设为只有正电源的单电源。
说明将第1阳极电极22、第1阴极电极23以及电极层5设为正的相同电位的具体方法。如图6所示，电源6具有第1电源端子61和第2电源端子62，第1电源端子61与第1阴极电极23以及电极层5连接，第2电源端子62被设为接地电位。
进而，如图7所示的第2变形例那样，也可具有位于受光发光一体型元件3的受光元件20与发光元件30之间的沟槽70。沟槽70的两端位于由受光元件20和发光元件30所夹持的区域的外侧。在此，使用图8(a)、(b)来说明由受光元件20和发光元件30所夹持的区域。从连结受光元件20的中心和发光元件30的中心的线段，在该线段的两侧的每一侧求出垂线距离最长的一端和另一端。将由以最短距离连结受光元件20和发光元件30的一端彼此之间以及另一端彼此之间的直线、和沿着从受光元件20以及发光元件30的一端至另一端的外缘所包围的区域(斜线部)，定义为由受光元件20和发光元件30所夹持的区域。
沟槽70是通过金刚石刀片等对基板10进行切割而形成的。通过该沟槽70，即使由于驱动上述的发光元件30而产生的漏电流假设从发光元件30侧向受光元件20侧流动，也必须在沟槽70与电极层5之间流动以避开沟槽70，因此漏电流所移动的物理距离变长，给受光元件20带来的影响较少。或者，要在沟槽70与电极层5之间流动时，由于电流经由配置在附近的电极层5而流向外部，因此熊够使漏电流对受光元件20造成的影响变得较小。
符号说明
1受光发光装置
2基底基板
3受光发光一体型元件
4运算放大器
5电极层
6电源
10基底基板
20受光元件
21半导体层
22第1阳极电极
23第1阴极电极
30发光元件
31a本征半导体层
31bn型半导体层
31cp型半导体层
32第2阳极电极
33第2阴极电极
40a反相输入端子
40b非反相输入端子
40c输出端子
61第1电源端子
62第2电源端子
70沟槽

Claims (7)

1.一种受光发光装置，利用了受光元件和发光元件被设置在基板的一个主面上的受光发光一体型元件，该受光发光装置的特征在于，
所述基板由一导电型半导体构成，
在所述基板的另一个主面的至少与所述受光元件以及所述发光元件对应的区域，配置至少一个电极层，
所述受光元件具有：形成在所述基板的一个主面侧的第1另一导电型半导体层；形成在该第1另一导电型半导体层的上表面的第1阳极电极；和形成在所述基板的一个主面的上表面的第1阴极电极，
所述受光发光装置还具备运算放大器，该运算放大器的反相输入端子与所述第1阳极电极连接，非反相输入端子与所述第1阴极电极以及所述电极层连接，
所述电极层、所述第1阳极电极以及所述第1阴极电极被设为相同电位。
2.根据权利要求1所述的受光发光装置，其特征在于，
所述发光元件在所述基板的一个主面上具有本征半导体层，并且在该本征半导体层的上方具有至少包含第2一导电型半导体层以及第2另一导电型半导体层的半导体层，
所述第2另一导电型半导体层被形成得小于所述第2一导电型半导体层，以使该第2一导电型半导体层的上表面的一部分露出，
所述发光元件还具有：形成在所述第2一导电型半导体层的上表面的第2阴极电极；和形成在所述第2另一导电型半导体层的上表面的第2阳极电极，
所述非反相输入端子还与所述第2阴极电极连接，
所述电极层、所述第1阳极电极、所述第1阴极电极以及所述第2阴极电极被设为相同电位。
3.根据权利要求1或2所述的受光发光装置，其特征在于，
所述相同电位为接地电位。
4.根据权利要求1或2所述的受光发光装置，其特征在于，
所述相同电位为正电位。
5.根据权利要求4所述的受光发光装置，其特征在于，
所述受光发光装置还具备电源，该电源的第1电源端子与所述第1阴极电极以及所述电极层连接，第2电源端子被设为接地电位。
6.根据权利要求1或2所述的受光发光装置，其特征在于，
在所述基板的一个主面具有位于所述受光元件与所述发光元件之间的沟槽，该沟槽的两端位于由所述受光元件和所述发光元件所夹持的区域的外侧。
7.一种传感器装置，利用了权利要求1至6中任一项所述的受光发光装置，该传感器装置的特征在于，
从所述发光元件向被照射物照射光，根据基于来自所述被照射物的反射光而输出的来自所述受光元件的输出电流，来检测所述被照射物的距离信息以及浓度信息之中的至少一者。
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