JP2009099950A - 受発光一体型素子アレイおよびそれを用いたセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 検出対象物の検出可能範囲が広く、しかも位置検出精度を向上した受発光一体型素子アレイおよびそれを用いたセンサ装置を提供する。
【解決手段】 本発明に係る受発光一体型素子アレイＬは、基板１と、基板１上に列状に配置して設けられた複数の受光素子２と、基板１上に、受光素子２の配列方向に沿って、列状に配置して設けられた複数の発光素子３と、を備えている。そして、発光素子３は、各受光素子２に対し、複数個ずつ対応するように設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザーなどの発光素子と、フォトダイオードなどの受光素子とが基板上に複数形成された受発光一体型素子アレイおよびそれを用いたセンサ装置に関するものである。なお、センサ装置とは、具体的には、発光素子から検出対象物へ照射された光の反射光を受光素子で受光して光電変換する機能を用いて、光が照射された検出対象物の情報を得るものをいう。

従来、受光素子と発光素子との組み合わせにより、フォトインタラプタ，フォトカプラ，リモコンユニット，ＩｒＤＡ（Infrared Data Association）通信デバイス，光ファイバ通信などが確立され、さらには原稿サイズセンサなどのセンサ関連でも多岐にわたる製品群が確立されている。

例えば、特許文献１には、基板と、その上に搭載された発光ダイオードチップ及びフォトダイオードチップとを備えた反射型フォトインタラプタが開示されている。この反射型フォトインタラプタは、発光ダイオードチップとフォトダイオードチップとを１対１で対応させ、発光ダイオードチップから出力される光が、移動体である検出対象物に照射されるようになっている。そして、検出対象物に照射された光が反射して、フォトダイオードチップにより受光され、フォトダイオードチップに生じる光電流の変化によって検出対象物の位置を検出する仕組みになっている。
特開平１０−７０３０５号公報

しかしながら、特許文献１の反射型フォトインタラプタによる検出対象物の位置検出は、一対の発光ダイオードチップとフォトダイオードチップとによって行われるため、検出可能範囲が小さい。

また、特許文献１の反射型フォトインタラプタによる検出対象物の位置検出は、１個の発光ダイオードチップから発せられる光の反射光を、１個のフォトダイオードチップで受光しているため、検出対象物の位置を精度良く検出することが難しいという問題があった。

本発明の目的は、上述の技術的課題を解消することにあり、検出対象物の検出可能範囲が広く、しかも位置検出精度を向上した受発光一体型素子アレイおよびそれを用いたセンサ装置を提供することにある。

本発明に係る受発光一体型素子アレイは、基板と、前記基板上に列状に配置して設けられた複数の受光素子と、前記基板上に、前記受光素子の配列方向に沿って、列状に配置して設けられた複数の発光素子と、を備えている。そして、前記発光素子は、前記各受光素子に対し、複数個ずつ対応するように設けられていることを特徴とする。

また、上記のように構成された受発光一体型素子アレイにおいて、前記各受光素子に対応する複数個の前記発光素子の配置間隔が一定であることが好ましい。

また、上記受発光一体型素子アレイは、前記各発光素子上に形成された発光素子用マイクロレンズをさらに備えることが好ましい。

また、上記受発光一体型素子アレイは、前記各受光素子上に形成された受光素子用マイクロレンズをさらに備えることが好ましい。また、この受光素子用マイクロレンズは、前記各受光素子上に複数個ずつ設けられていることがより好ましい。

本発明に係るセンサ装置は、上記の受発光一体型素子アレイを用いたセンサ装置であって、前記発光素子からの光を検出対象物に照射し、その反射光を前記受光素子へ入射させ、該受光素子で光電流を発生させることによって、前記検出対象物の位置を検出することを特徴とする。

また、上記センサ装置において、隣り合う前記受光素子で発生した光電流の大きさが同じになったときに出力信号を発する回路を備えることが好ましい。

また、上記センサ装置において、上記受光素子で発生した光電流の大きさが極小となったときに出力信号を発する回路を備えることが好ましい。

本発明によれば、検出対象物の検出可能範囲が広く、しかも位置検出精度を向上した受発光一体型素子アレイおよびそれを用いたセンサ装置を提供することができる。

以下、本発明に係る受発光一体型素子アレイの一実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る受発光一体型素子アレイの平面図である。図２は、図１の受発光一体型素子アレイのII−II線断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る受発光一体型素子アレイＬでは、半導体基板１上に、列状に配した複数の受光素子２と該受光素子２の列に沿って列状に配した複数の発光素子３とを設け、各受光素子２に対し、列方向の側方に、発光素子３が複数ずつ設けられていることが重要である。

以下、より詳細に説明する。図１に示すように、受発光一体型素子アレイＬは、半導体基板１と、半導体基板１上に設けられた複数（図示例では３個）のフォトダイオード２（２Ａ，２Ｂ，３Ｃ）及び複数（図示例では９個）の発光ダイオード３（３Ａ_１，３Ａ_２，３Ａ_３，３Ｂ_１，３Ｂ_２，３Ｂ_３，３Ｃ_１，３Ｃ_２，３Ｃ_３）とを備えている。フォトダイオード２は、半導体基板１上で列状に並べて配置されている。発光ダイオード３は、フォトダイオード２の配列方向に沿って半導体基板１上で列状に並べて配置されるとともに、各フォトダイオード２Ａ，２Ｂ，２Ｃに対し、複数個（図示例では３つ）ずつ対応するように設けられている。また、列状に並んだ発光ダイオード３は、一定の間隔で配置されている。

また、図１において、４，６はそれぞれ、発光ダイオード３へ電気的に接続されている発光側個別電極，発光側共通電極であり、両電極間に電流を供給することで、発光ダイオード３が発光するようになっている。５，７はそれぞれ、フォトダイオード２に電気的に接続されている受光側個別電極，受光側共通電極であり、両電極間に電圧を印加した状態でフォトダイオード２が受光すると、その受光量に応じて光電流が流れるようになっている。

なお、図２に示すように、発光側個別電極４及び受光側個別電極５と、半導体基板１との間には、絶縁膜８が設けられており、この間の電気的な絶縁性を確保している。

次に、以上の各構成要素について詳述する。半導体基板１としては、例えばシリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガリウム燐（ＧａＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、サファイア（Ａｌ_２Ｏ_３）などからなる単結晶基板が用いられる。また、半導体基板１は、ｎ型（本実施形態では一導電型）又はｐ型（本実施形態では逆導電型）のドーパントを含有し、ｎ型又はｐ型の半導体基板となっている。

図２に示すように、発光ダイオード３は、一導電型半導体層２ａと逆導電型導体層２ｂとで構成されており、これらの層２ａ，２ｂによって半導体のｐｎ接合が形成されている。そして、このｐｎ接合に電流を供給し、電子と正孔とを再結合させることによって、各発光ダイオード３が発光するようになっている。

一導電型半導体層２ａは、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ等の単結晶からなる層で形成し、その厚みを１μｍ〜４μｍ程度にする。同様に、逆導電型半導体層２ｂも、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ等の単結晶からなる層で形成し、その厚みを１μｍ〜４μｍ程度にする。

一導電型半導体層２ａには、例えば、イオン注入などを用いて、ドーパントであるＳｉやＳｅなどの原子を、１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ程度含有させる。また、逆導電型半導体層２ｂには、ドーパントとしてＺｎ、Ｍｇ、Ｃ等の原子を、１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ程度を含有させる。一導電型半導体層２ａと半導体基板１との格子定数の不整合に基づくミスマッチ転移が発生する場合は、その防止のための中間層を形成してもよい。

なお、上記半導体層の接合については、主にホモ接合の場合について説明したが、ダブルヘテロ型構造や量子井戸型構造の半導体接合であっても適用可能である。

フォトダイオード２は、半導体基板１が一導電型である場合には、逆導電型を示すＺｎ、Ｍｇ、Ｃ、Ｂなどの原子を、１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ程度の濃度で含有させた、厚さが０．５μｍ〜３μｍ程度の拡散層を形成することで構成されている。また、半導体基板１が逆導電型である場合には、一導電型を示すＳｉ、Ｓｅなどの原子を１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ程度の濃度で含有させた同様の拡散層を形成する。

また、発光側個別電極４は、ＡｕＣｒ、ＡｕＴｉ、ＡｌＣｒなどの合金で形成され、その厚みが、０．５μｍ〜５μｍ程度に形成される。受光側個別電極５は、ＡｕＣｒ、ＡｌＣｒ、ＰｔＴｉなどの合金で形成され、その厚みが、０．５μｍ〜５μｍ程度に形成される。

発光側共通電極６および受光側共通電極７は、ＡｕＳｂなどの合金で形成され、その厚みが、０．５μｍ〜５μｍ程度に形成される。

絶縁膜８は、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_２などの無機絶縁膜やポリイミドなどの有機絶縁膜などを用いて、その厚みが０．１μｍ〜５μｍ程度で形成される。

発光ダイオード３は、例えば、発光面の直径がφ２０８μｍで形成される。また、フォトダイオード２は、例えば、その受光面の直径がφ６３０μｍで形成される。

次に、図１に示す受発光一体型素子アレイＬを用いて、検出対象物の位置を検出する方法について説明するが、理解を容易にするため、まず、図３に示す受発光一体型素子アレイＭについて、図４及び図５を参照しつつ説明する。この受発光一体型素子アレイＭは、１つのフォトダイオード２に対し、１つの発光ダイオード３が対応するように構成されたものであり、これ以外の部分については、図１に示す受発光一体型素子アレイＬと同様である。

図４において、１７は位置可動冶具、１８は位置可動冶具１７の下面に設けられた反射用紙である。図４に示すように、発光ダイオード３からの放射光１９ａは、反射用紙１８によって反射され、フォトダイオード２への反射光１９ｂとなる。

図４に示すように、反射用紙１８は、発光ダイオード３の上面から約１ｍｍの高さに位置している。このように、高さを約１ｍｍとしているのは、発光ダイオード３からの光が反射用紙１８へ到達し、反射した光が効率よくフォトダイオード２へ導かれる最適な高さ位置だからである。そして、図３に示すように、位置可動冶具１７は、高さを１ｍｍに維持した状態で、Ｘ地点からＹ地点まで移動することが可能である。

発光ダイオード３は、発光側個別電極４と発光側共通電極６との間に定電流を２０ｍＡ程度供給することで発光する。また、フォトダイオード２には、受光側個別電極５と受光側共通電極７の間に５Ｖ程度の電圧を印加する。このとき、フォトダイオード２に対して逆バイアスとなるように印加する。

図５に、各フォトダイオード２Ａ，２Ｂ，２Ｃにおける測定結果を示す。。

図５は、位置可動冶具１７が図３のＸ地点からＹ地点へ移動する間に、発光ダイオード３Ａ，３Ｂ，３Ｃを発光させたときのフォトダイオード２Ａ，２Ｂ，２Ｃの測定結果を示している。図５では、横軸に位置可動冶具１７の位置を示し、縦軸にフォトダイオード２Ａ，２Ｂ，２Ｃで生じる光電流の大きさを示す。また、発光ダイオード３Ａを発光させたときのフォトダイオード２Ａの光電流を、グラフ中のラインＡ、フォトダイオード２Ｂの光電流をラインＢに、フォトダイオード２Ｃの光電流をラインＣとして示している。

図５を参照すると、例えば、ポイントｄでは、フォトダイオード２Ａの光電流Ａの値が最も高く、位置可動冶具１７がフォトダイオード２Ａの中心位置にあることがわかる。また同様に、各フォトダイオード２Ｂ，２Ｃでも、それぞれのラインＢ，ラインＣのピーク位置で、位置可動冶具１７がフォトダイオード２Ｂ，２Ｃの直上の位置を通過していることがわかる。この場合、発光ダイオードが複数であると光電流Ａ，Ｂ，Ｃの曲線が安定するので好ましい。

なお、図３に示す受発光一体型素子アレイＭに加え、隣り合うフォトダイオード（例えば、２Ａと２Ｂ）で発生した光電流の大きさが同じ大きさになったときに出力信号を発する回路（不図示）を設けることで、センサ装置を構成することができる。こうすると、この出力信号が発せられたときに、位置可動治具１７が、隣り合うフォトダイオードのちょうど中間位置にあることがわかる。このような回路は、各フォトダイオードで発生した光電流の大きさを比較するコンパレータ等を内蔵し、所定の範囲内であれば出力信号を発するように構成される。

また、図５におけるポイントｅは、発光ダイオード３Ａとフォトダイオード２Ａの組み合わせで得られるラインＡと、発光ダイオード３Ｂとフォトダイオード２Ｂの組み合わせで得られるラインＢとの交点である。これは、丁度、位置可動冶具１７がフォトダイオード２Ａと２Ｂとの中間位置にあることを意味している。

以上によって、発光ダイオード３とフォトダイオード２とが１対１で対応する場合についての位置検出方法が理解される。

なお、図３に示すこの受発光一体型素子アレイＭのように、フォトダイオード２と発光ダイオード３とを対応させて、列状に並べて配置することで、従来例のように一対の発光ダイオードチップとフォトダイオードチップとによって検出対象物を検出する場合に比べて、広い範囲で検出対象物を検出することができる。当然ながら、このフォトダイオード２Ａ，２Ｂ，２Ｃのピッチを小さくすることにより、位置可動治具１７の位置の検出精度はさらに増す。

次に、図１に示す受発光一体型素子アレイＬについて、つまり、発光ダイオード３Ａ_１，３Ａ_２，３Ａ_３をフォトダイオード２Ａと対応させて形成し、同様にして発光ダイオード３Ｂ_１，３Ｂ_２，３Ｂ_３をフォトダイオード２Ｂと対応させて形成し、さらに発光ダイオード３Ｃ_１，３Ｃ_２，３Ｃ_３とフォトダイオード２Ｃを対応させて形成するというように、３つの発光ダイオード３を１つのフォトダイオード２に対応させて形成した場合について、図６及び図７を参照しつつ説明する。図６は、図３と同様、位置可動治具１７の動きを説明したものである。図７は、位置可動治具１７が図６のＸ地点からＺ地点へ移動する間に、発光ダイオード３Ａ_１，３Ａ_２，３Ａ_３を発光させたときのフォトダイオード２Ａの測定結果を示している。

図６に示す受発光一体型素子アレイＬでは、１つのフォトダイオード２に対し複数（図示例では３つ）の発光ダイオード３を配置して、より高密度に発光ダイオード３を配置している。このように構成することで、図７に示すように、ポイントｆやポイントｇのように光電流の大きさが極小となるポイントが存在するため、これらを位置情報とすることで、位置検出精度をさらに向上させることができる。すなわち、例えば、ポイントｆでは、位置可動治具１７が、丁度、発光ダイオード３Ａ_１と３Ａ_２との中間に位置していることがわかり、位置検出精度が向上する。

したがって、図１に示す受発光一体型素子アレイＬに加え、各フォトダイオードで発生した光電流の大きさが極小となったときに出力信号を発する回路（不図示）を設けることで、位置可動治具１７の位置をより高精度に検出するセンサ装置を構成することができる。

次に、本実施形態の受発光一体型素子アレイＬ，Ｍの製造方法について述べる。

まず、シリコン、ガリウム砒素などの単結晶からなる半導体基板１上に絶縁膜を形成する。絶縁膜としては、熱酸化や、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法等を用いてＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘなどを形成する。

次に、フォトファブを用いてこの絶縁膜をパターニングし、フォトダイオード２を形成するための窓をパターニングする。この際、エッチングにはＨＦ系のエッチング液を用いる。そして、半導体基板１中にこの窓を介し、熱拡散、イオン注入などを用いて、不純物をドーピングする。不純物には、砒素、アンチモン、ボロンやリン、亜鉛などを用いる。しかる後に、不要な絶縁膜をフォトエッチングにより取り除く。

次に、ＭＯＣＶＤ法などを用いて、一導電型半導体層２ａおよび逆導電型半導体層２ｂを形成する。そして、再びフォトエッチングにて半導体層２ａ，２ｂを適宜パターニングして発光ダイオード３を形成する。この際、硫酸、過酸化水素系のエッチング液を用いて所望のサイズの発光ダイオード３を形成する。

次に、絶縁膜８を、熱酸化や、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法などを用いて、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘなどで形成する。

次に、フォトファブを用いて、フォトダイオード２および発光ダイオード３との電気的接続を行うための窓を、絶縁膜８にパターニングし、開口部を形成する。ここでも同様に、エッチングにはＨＦ系のエッチング液などを用いる。

次に、リフトオフ法などで発光側個別電極４、受光側個別電極５を形成するためのレジストパターンをフォトファブにて形成する。

次に、抵抗加熱蒸着法やスパッタリング法などでＣｒ、Ａｕを順次積層する。そして、レジストパターンをリフトオフすることで、発光側個別電極４及び受光側個別電極５を形成する。

同様にパターン形成と蒸着を繰り返し、発光側共通電極６及び受光側共通電極７をＣｒ、ＡｕＳｂなどで順次積層する。

このようにして、受発光一体型素子アレイＬ，Ｍを形成するが、最終の保護膜等を形成し反射防止膜などの処置を施すことは、前述の絶縁膜８などと同様の形成方法で問題なく行うことができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記のように構成された受発光一体型素子アレイにおいて、図８に示すように、発光ダイオード３上にマイクロレンズ９（以下、発光素子用マイクロレンズ９という）を形成してもよい。この発光素子用マイクロレンズ９は、発光ダイオード３を完全に覆うように形成されている。このように発光ダイオード３上に発光素子用マイクロレンズ９を形成することで、発光ダイオード３から放射される光を集光し、検出対象物へ向かう光の強度を大きくすることができる。

また、上記のように構成された受発光一体型素子アレイにおいて、図９に示すように、フォトダイオード２上にマイクロレンズ１０（以下、受光素子用マイクロレンズ１０という）を形成してもよい。こうすることで、検出対象物からの反射光をフォトダイオード２へ効率良く取り込むことができる。また、図９に記載の受光素子用マイクロレンズ１０は、フォトダイオード２上に複数個形成されている。これによって、例えば、フォトダイオード２の表面全体を覆うように大きなマイクロレンズを１つだけ設けた場合に比べて、マイクロレンズの曲率を大きくすることができ、検出対象物からの反射光をより効率良く取り込むことができる。

なお、発光素子用マイクロレンズ９及び受光素子用マイクロレンズ１０は、例えば次のように形成することができる。すなわち、上記のように受発光一体型素子アレイＬ，Ｍを形成した後、このアレイ上に感光性の樹脂を塗布する。このような感光性の樹脂としては、例えば、東京応化工業株式会社製、製品名：ＴＭＲ−Ｐ１０ＰＭ等が挙げられる。そして、公知のフォトファブを用いて、所望のパターンを露光、現像した後、ポストベークを行うことで、所望の形状のレンズを形成することができる。

また、図１に示す受発光一体型素子アレイＬでは、複数の発光ダイオード３を一定の間隔で配置しているが、各フォトダイオード２に対応する複数個（図示例では３個）の発光ダイオード３の配置間隔が少なくとも一定となるように構成してもよい。

本発明の一実施形態に係る受発光一体型素子アレイの平面図である。 図１の受発光一体型素子アレイのII−II線断面図である。 受発光一体型素子アレイを用いて、検出対象物の位置を検出する方法を説明するための図である。 受発光一体型素子アレイを用いて、検出対象物の位置を検出する方法を説明するための図である。 検出対象物の位置とフォトダイオードで発生する光電流の大きさとの関係を示す図である。 受発光一体型素子アレイを用いて、検出対象物の位置を検出する方法を説明するための図である。 検出対象物の位置とフォトダイオードで発生する光電流の大きさとの関係を示す図である。 本発明の一実施形態に係る受発光一体型素子アレイの変形例を示す要部拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る受発光一体型素子アレイの変形例を示す要部拡大断面図である。

符号の説明

１：半導体基板（基板）
２：フォトダイオード（受光素子）
３：発光ダイオード（発光素子）
４：発光側個別電極
５：受光側個別電極
６：発光側共通電極
７：受光側共通電極
８：絶縁膜
９：発光素子用マイクロレンズ
１０：受光素子用マイクロレンズ

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板上に列状に配置して設けられた複数の受光素子と、
   前記基板上に、前記受光素子の配列方向に沿って、列状に配置して設けられた複数の発光素子と、
   を備え、
   前記発光素子は、前記各受光素子に対し、複数個ずつ対応するように設けられていることを特徴とする、受発光一体型素子アレイ。
2. 前記各受光素子に対応する複数個の前記発光素子の配置間隔が一定であることを特徴とする、請求項１に記載の受発光一体型素子アレイ。
3. 前記各発光素子上に形成された発光素子用マイクロレンズをさらに備える、請求項１又は２に記載の受発光一体型素子アレイ。
4. 前記各受光素子上に形成された受光素子用マイクロレンズをさらに備える、請求項１から３のいずれかに記載の受発光一体型素子アレイ。
5. 前記受光素子用マイクロレンズは、前記各受光素子上に複数個ずつ設けられていることを特徴とする、請求項４に記載の受発光一体型素子アレイ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の受発光一体型素子アレイを用いたセンサ装置であって、前記発光素子からの光を検出対象物に照射し、その反射光を前記受光素子へ入射させ、該受光素子で光電流を発生させることによって、前記検出対象物の位置を検出することを特徴とするセンサ装置。
7. 隣り合う前記受光素子で発生した光電流の大きさが同じになったときに出力信号を発する回路を備える、請求項６に記載のセンサ装置。
8. 前記受光素子で発生した光電流の大きさが極小となったときに出力信号を発する回路を備える、請求項６又は７に記載のセンサ装置。
   

Images