JP2009231804A - 受発光一体型素子アレイおよびセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的小型であるとともに、光検出精度が比較的高い受発光一体型素子アレイおよび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１０は、受光素子３と発光素子２とが基板１の一方の主面に設けられ、基板１の一方の主面には、受光素子３と発光素子２との間に、受光素子３の配置領域と発光素子２の配置領域とを分ける溝９が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発光素子と受光素子とが同一基板上に一体形成された受発光一体型素子、およびこの受発光一体型素子を備えたセンサ装置に関する。

発光素子から測定対象へ光を照射し、その測定対象からの反射光を受光素子で検出して、測定対象の光学的特性を測定するようなセンサ装置は、広い分野で利用されている。たとえば、フォトインタラプタ、フォトカプラ、リモートコントロールユニット、ＩｒＤＡ（Infrared Data Association）通信デバイス、光ファイバ通信用装置、さらには原稿サイズセンサなど多岐にわたるアプリケーションで用いられている。

このようなセンサ装置において、たとえば発光素子から測定対象に照射した光の正反射光を受光素子で受光する場合など、受光素子によってより正確な正反射光を受光するためには、発光素子と受光素子とがより近い位置に配置されていることが好ましい。

たとえば、下記特許文献１には、シリコンからなる半導体基板の一方の表面に不純物をドーピングし、受光機能を担う浅いｐｎ接合領域と、発光機能を担う深いｐｎ接合領域とを隣接して形成した受発光素子アレイが記載されている。
特開平８−４６２３６号

しかし、たとえばシリコン基板には、絶縁性を有するものはなく、あっても抵抗率が３０００〜６０００Ωｃｍ程度の高抵抗なものとなる。このような１枚のシリコン基板上に受光素子と発光素子とを一体的に形成した場合、発光素子を駆動させると漏れ電流（いわゆる暗電流）が発生し、シリコン基板を介して受光素子に流れ込む場合がある。この暗電流は、受光素子からの出力電流（受光強度に応じて出力される電流）にノイズとして混入する。そのため、従来の受発光素子アレイでは、このような暗電流の発生により、受光素子による反射光の検知精度が低下してしまうという課題があった。受光素子と発光素子とを近づけて配置するほど、この暗電流は大きくなる。すなわち、受光素子によってより正確な正反射光を受光するためには、発光部分と受光部分とがより近いことが望まれるが、反面、暗電流が比較的大きくなる。このため、従来の受発光素子アレイでは、測定精度を比較的高くすることができないといった課題があった。本発明は、かかる課題を解決することを目的とする。

本発明に係る受発光一体型素子アレイは、受光素子と発光素子とが基板の一方の主面に設けられ、前記基板の一方の主面には、前記受光素子と前記発光素子との間に、前記受光素子の配置領域と前記発光素子の配置領域とを分ける溝が設けられていることを特徴とする。

なお、上記受発光一体型素子アレイにおいて、前記受光素子は前記基板の一方の主面に列状に複数設けられ、前記発光素子は前記受光素子の配列方向に沿って複数配されており、前記溝は、前記複数の受光素子と前記複数の発光素子との間に、前記受光素子および前記発光素子の配列方向に沿って連続して設けられていることが好ましい。

或いは、上記受発光一体型素子アレイにおいて、前記受光素子は、前記発光素子の周囲を取り囲むように複数設けられていることが好ましい。また、この構成において、前記複数の受光素子は、前記基板の一方の主面上で前記発光素子に対して対称的に配置されていることが好ましい。

また、前記溝は、前記基板の一方の主面の一端部から、前記一端部と反対の端部まで連続して設けられていることが好ましい。

また、前記溝の深さは、前記発光素子からの発光の、前記基板の一方の主面からの到達深さ以上であることが好ましい。

また、前記基板はシリコン基板であり、前記基板の一方の主面からの前記溝の深さが１００μｍ以上であることが好ましい。

また、前記受発光一体型素子アレイは、受光素子と発光素子とを備えた受発光素子構造体が複数配列された半導体ウエハが、ブレードを用いたダイシングによって切り分けられて形成されたものであり、前記溝は、前記ダイシングの際、前記ブレードによって前記半導体ウエハの表面が切削されることで形成されていることが好ましい。

また、前記受光素子は、前記基板の一方の主面に不純物がドーピングされて形成されたフォトダイオードであり、前記発光素子は、前記基板の一方の主面に半導体層が積層されて形成された発光ダイオードであることが好ましい。

また、本発明に係るセンサ装置は、上記受発光一体型素子アレイを用いたセンサ装置であって、前記発光素子から測定対象体に向けて光を照射し、前記測定対象体からの反射光に応じて出力される前記受光素子からの出力電流に応じて前記測定対象体の位置または傾きを検出することを特徴とする。

なお、本発明における受発光一体型素子アレイとは、基板の一方の主面上に少なくとも１つの発光素子及び少なくとも１つの受光素子を設けたものをいう。

本発明によれば、比較的小型であるとともに、光検出精度が比較的高い受発光一体型素子アレイおよび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およびセンサ装置の第１の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。

本実施形態の受発光一体型素子アレイ（以下では単に「アレイ」と略称する）１０は、基板１の表面に、発光ダイオード（発光素子）２（２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ）、フォトダイオード（受光素子）３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ）、発光素子個別電極４、受光素子個別電極５、発光素子共通電極６、受光素子共通電極７が一体的に形成され、発光ダイオード２とフォトダイオード３との間に遮断領域９が設けられている。

発光ダイオード２は、複数個が列状に配置されており、フォトダイオード３も、この発光ダイオード２の配列方向に略平行に、複数個が列状に配置されている。発光素子個別電極４は、複数の発光ダイオード２のそれぞれに電気的に接続され、発光ダイオード２に給電する。受光素子個別電極５は、複数のフォトダイオード３のそれぞれに電気的に接続され、フォトダイオード３で光電変換されて発生する電流が流れる。さらに、発光素子共通電極６、受光素子共通電極７が基板１の発光ダイオード２とフォトダイオード３の形成領域に隣接して設けられる。基板１の素子、個別電極、共通電極が形成された領域以外の領域には、絶縁膜８が設けられる。

図２に示すように、発光素子個別電極４と受光素子個別電極５とは、発光ダイオード２とフォトダイオード３とのそれぞれに接続されている。なお、発光素子個別電極４及び受光素子個別電極５は、基板１との間に介在する絶縁膜８によって、基板１との絶縁性が確保されている。

遮断領域９は、発光ダイオード２とフォトダイオード３との間にあって、基板１の表層部分に形成され、発光ダイオード２からの漏れ電流がフォトダイオード３へ流れることを防止する機能を有する。

発光ダイオード２からの漏れ電流は、基板１の発光ダイオード２が形成される側の表層部分を主に流れる。そのため、遮断領域９は、これを遮断するように、基板１の発光ダイオード２の形成面から所定の深さまで形成される。また、発光ダイオード２からの漏れ電流を遮断するために、遮断領域９は、発光ダイオード２およびフォトダイオード３の配列方向に平行な方向に、一定の幅で延びるように設けられる。

遮断領域９の長さは、発光ダイオード２およびフォトダイオード３の配列長さ、すなわち配列方向両端に配置される素子の外側端面間の距離と同じか、それよりも長く形成されることが好ましい。暗電流を確実に防止するためには、遮断領域９は、たとえば発光ダイオード２およびフォトダイオード３の配列長さよりも両側に素子一個分程度以上延長した長さとすることが好ましい。さらには、この遮断領域９は、基板１の素子配列方向一端部から他端部まで連続していることが好ましい。こうすることで、発光ダイオード２およびフォトダイオード３が配置されている側の基板表面が確実に分断され、たとえば発光ダイオード２の光照射によって生じた暗電流が、フォトダイオード３の側に流れることが効果的に防止される。また、後述するダイシング工程において、同一半導体ウエハに形成された隣合う素子にまたがって、一括して溝を形成することで、遮断領域を形成することができ、受発光一体型素子アレイの製作コストを比較的少なくすることができる。

なお、本発明において、発光ダイオード２からの漏れ電流の遮断とは、フォトダイオード３に流入する暗電流を５０ｎＡ以下とすることである。暗電流が５０ｎＡ以下であればＳＮ比を十分に確保することができるので、漏れ電流の影響はほとんど無視できる程度となる。よって、本発明では、フォトダイオード３に流入する暗電流を５０ｎＡ以下とすれば、発光ダイオード２からの漏れ電流が遮断されたものとし、遮断領域９の深さや幅等が適宜設定される。

遮断領域９の好適な深さは、基板１の材質や抵抗率などによって変わるが、たとえば、抵抗率が３０００〜６０００Ωｃｍ程度のシリコン基板であれば、深さを１００μｍ以上とすることで十分に漏れ電流を遮断することができる。遮断領域９の幅は特に限定されず、発光ダイオード２とフォトダイオード３との間隔に応じて設定すればよい。また、たとえば、抵抗率が３０００〜６０００Ωｃｍ程度のシリコン基板であれば、遮断領域９の深さを１００μｍ以上とすると、遮断領域９の幅に拘わらず暗電流を防止することができる。これは、本願発明者が確認実験を行うことで初めて得られた知見である。

なお、基板１の表面に光が照射されると光が進入した部分についてはキャリアが発生して暗電流が発生する。したがって、光照射により発生する暗電流の影響を防ぐためには、キャリアが発生する深さにまで、遮断領域９を設けておくことが好ましい。すなわち、基板１に光が進入する深さにまで遮断領域９を設けておく。この光の進入深さは、基板１の材質によって異なるが、たとえばシリコン基板では、発光ダイオード２からたとえば波長８５０ｎｍの光を照射した場合、２０μｍ程度の深さまで光が進入して、基板表面からこの深さまでの領域において暗電流が発生する。これらを考慮すると、少なくとも遮断領域９は、その深さを２０μｍ以上とすることが好ましい。

図３は、アレイ１０を備えて構成されるセンサ装置の一例を示す概略構成図である。図３には、反射用紙１８に形成された画像パターン１８ａ（測定対象体）に、複数の発光ダイオード２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ…）から光を照射するとともに、複数のフォトダイオード３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、…）によって反射光を受光し、反射用紙１８における画像パターン１８ａの位置を検出する装置の一例を示している。反射用紙１８は、位置可動冶具１７の下面に設けられ、その表面に画像パターン１８ａが形成されている。発光ダイオード２（２Ａ、２Ｂ，２Ｃ…）からの放射光１９ａは、反射用紙１８で反射されて、フォトダイオード３（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…）への反射光１９ｂとして反射する。本実施形態では、反射用紙１８に照射された放射光１９ａの反射光のうち、画像パターン１８ａで反射された反射光の成分をフォトダイオード３で受光したとき、フォトダイオード３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、…）から比較的強い電流（検出データ）が出力されるよう、発光ダイオード２からの放射光の波長や、画像パターン１８ａの色、フォトダイオード３の特性などが調整されている。

位置可動冶具１７は、アレイ１０からの離間距離をたとえば１ｍｍに維持した状態で、図１に示す矢印Ｘの方向、すなわち各素子の配列方向に沿って移動する。反射用紙１８も、位置可動治具１７の移動にともない、図１に示す矢印Ｘの方向に移動する。このとき、発光ダイオード２（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ…）へは、発光素子個別電極４と発光素子共通電極６との間に定電流（たとえば２０ｍＡ程度）を印加して発光させる。

フォトダイオード３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、…）は、図示しない測定装置と接続されており、反射光１９ｂを受光することで生じた光電流を、図示しない測定装置へと出力する。図４は、フォトダイオード３（３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、…）から出力される電流値の一例を示す図である。図４において、横軸は、反射用紙１８（画像パターン１８ａ）の位置を示し、縦軸は、フォトダイオード３Ａ，３Ｂ，３Ｃから出力される光電流値を示す。

フォトダイオード３Ａから出力される光電流値をグラフ中のラインＡ、フォトダイオード３Ｂから出力される光電流値をラインＢ、フォトダイオード３Ｃから出力される光電流値をラインＣとしてあらわしている。

たとえば、図４に示すポイントｄに対応する位置では、フォトダイオード３Ａの光電流値が最も高く、反射用紙１８における画像パターン１８ａの位置がフォトダイオード３Ａの中心に対応する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３Ｂ，３Ｃでも、それぞれグラフのラインＢ，ラインＣのピーク位置で、画像パターン１８ａがフォトダイオード３Ｂ，３Ｃの中心に対応する位置を通過していることがわかる。

また、図４におけるポイントｅは、発光ダイオード２Ａとフォトダイオード３Ａとの組み合わせで得られたラインＡと、発光ダイオード２Ｂとフォトダイオード２Ｂとの組み合わせで得られるラインＢとの交点である。このポイントｅでは、画像パターン１８ａがフォトダイオード３Ａと３Ｂの中間に対応する位置にあることを意味している。アレイ１０を用いると、発光ダイオード２やフォトダイオード３の配列間隔以上の解像度で、反射用紙１８における画像パターン１８ａの位置を同定することも可能である。

かかる構成のセンサ装置においては、たとえば発光ダイオード２から測定対象に照射した光の正反射光をフォトダイオード３で受光する場合、フォトダイオード３によってより正確な正反射光を受光するためには、発光ダイオード２の列とフォトダイオード３の列とがより近い位置に配置されていることが好ましい。本実施形態のアレイ１０では、遮断領域９によって、発光ダイオード２からフォトダイオード３に流れる暗電流が、効果的に抑制されており、発光ダイオード２の列とフォトダイオード３の列とを比較的近接して配置しても、フォトダイオード３からの検出値に生じるノイズは比較的小さくなっている。このため、アレイ１０を比較的コンパクトに構成するとともに、画像パターン１８ａからの正反射光を比較的高精度に受光することができ、画像パターン１８ａの位置を比較的高い精度で同定することができる。

発光ダイオード２とフォトダイオード３との間隔が変化すると、発光ダイオード２からの漏れ電流による影響も変化する。本発明では、特にこの間隔を狭くすることを目的としており、たとえば、間隔を５０〜５００μｍとすることが好ましい。このような間隔においても、上記のようにフォトダイオード３の暗電流を５０ｎＡ以下とする。

次に、各部材について詳述する。基板１は、半導体基板であり、たとえばシリコン（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）などの単結晶基板が用いられる。また、基板１は、一導電型の不純物又は逆導電型の不純物がドープされることで、一導電型半導体又は逆導電型半導体となっている。一導電型の不純物としては、例えば、ＳｉやＳｅ等が挙げられ、その濃度を１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｃにする。逆導電型の不純物としては、例えば、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃ、Ｂ等が挙げられ、その濃度を１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｃにする。

発光ダイオード２は、一導電型半導体層２ａと逆導電型導体層２ｂとで構成されている。一導電型半導体層２ａは、ＧａＡｓ、アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）、ガリウムインジウム燐（ＧａＩｎＰ）、アルミニウムガリウムインジウム燐（ＡｌＧａＩｎＰ）、ＧａＮ等の単結晶からなる層を１μｍ〜４μｍ程度の厚みで基板１上に形成される。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を１μｍ〜４μｍ程度の厚みで一導電型半導体層２ａ上に形成される。

一導電型半導体層２ａは、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ等の単結晶に、ドーパントとしてＳｉやＳｅなどの元素をイオン注入等により、１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ程度含有させる。逆導電型半導体層２ｂは、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＮ等の単結晶に、ドーパントとしてＺｎ、Ｍｇ、Ｃ等の元素をイオン注入等によって、１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ程度含有させる。一導電型半導体層２ａと基板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含んでもよい。

なお、上記半導体接合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。

また、フォトダイオード３は、発光ダイオード２と同一基板上に形成されている。たとえば、フォトダイオード３は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＮ、Ａｌ_２Ｏ_３などの単結晶に、ドーパントを０．５μｍ〜３μｍ程度の厚さで拡散させて形成される。

基板１が一導電型半導体である場合には、ドーパントとして逆導電型を示すＺｎ、Ｍｇ、Ｃ、Ｂなどの元素を１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ程度の濃度で含有させる。また、基板１が逆導電型半導体である場合には、一導電型を示すＳｉ、Ｓｅなどの元素を１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｃ程度の濃度で含有させる。

また、発光ダイオード２に電気的に接続する発光素子個別電極４は、ＡｕＣｒ、ＡｕＴｉ、ＡｌＣｒなどの合金で形成され、厚みは０．５μｍ〜５μｍ程度に形成される。フォトダイオード３に接続される受光素子個別電極５は、ＡｕＣｒ、ＡｌＣｒ、ＰｔＴｉなどの合金で形成され、厚みは０．５μｍ〜５μｍ程度に形成される。

発光素子共通電極６および受光素子共通電極７は、ＣｒやＡｕＧｅ，ＡｕＳｂなどの合金で形成され、その厚みは０．５μｍ〜５μｍ程度に形成される。

上記各電極の下部および基板１の表面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が用いられ、その厚みは０．１μｍ〜５μｍ程度で形成される。

遮断領域９は、発光ダイオード２からの漏れ電流を遮断できるものであればよいので、本実施形態では、上記のような所定の深さ、長さ、幅で基板１の素子形成面に開口する溝として形成されている。

遮断領域９を溝とすることで、たとえばアレイ１０を個別分割する際のダイシング工程において、ダイシング溝と同様に、発光ダイオード２とフォトダイオード３との間に形成できる。なお、遮断領域９に電気絶縁材料を埋め込み、これによって遮断領域９を形成してもよいが、単に溝のみで遮断領域を形成することで、遮断領域９のための電気絶縁材料が不要であり、その埋め込み工程も必要ない。

ダイシング工程は、薄いダイヤモンドブレードを高速回転させて基板を回転研削し、溝を形成して、チップごとに分離を行う工程である。ブレードの切り込み深さは数μｍレベルで制御可能であり、本発明のような遮断領域９となる溝を精度良く形成することが可能である。

特に本発明のアレイ１０は、半導体ウエハに複数形成された受発光素子構造体を、ダイシング工程によって切り分けることで形成されるものであるので、分離するためのダイシング工程において、遮断領域９となる溝の形成も行うことができる。

なお、上記のように溝として構成された遮断領域９に電気絶縁材料を埋め込み、これによって遮断領域９を形成してもよい。電気絶縁材料は、発光ダイオード２からの漏れ電流を遮断できるものであれば限定されず、たとえば、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘ、ポリイミド樹脂などの絶縁性樹脂などによって形成してもよい。また、基板１がシリコン基板であれば、たとえば、熱酸化処理などで所定の深さ、長さ、幅で絶縁性酸化物であるＳｉＯ_２を形成することもできる。

遮断領域９をダイシング工程で溝状に形成することを考慮すると、遮断領域９の幅は、一般的なダイシングにより形成可能な、たとえば３０〜１００μｍ程度となるが、ダイシング溝の深さをたとえば１００μｍ以上とすれば、ダイシングの幅に拘わらず暗電流を抑制することができる。

次に、以上のように構成された受発光一体型素子アレイ１０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基板１上に、熱酸化法や、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法等を用いてＳｉＯ_２、ＳｉＮ_ｘなどからなる拡散阻止膜（不図示）を形成する。

次に、この拡散阻止膜をフォトリソグラフィ法を用いてパターニングし、フォトダイオード３を形成するための窓をエッチングによって形成する。この際、エッチングにはＨＦ系のエッチング液を用いる。基板１中に、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、不要となる拡散阻止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、エッチングにて一導電型半導体層２ａ及び逆導電型半導体層２ｂ層を適宜パターニングして発光ダイオード２を形成する。この際、ＧａＡｓなどの半導体層を、硫酸、過酸化水素系のエッチング液を用いてエッチングし、所望のサイズの発光ダイオード２を形成する。

次に、熱酸化法や、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法等を用いて、一導電型半導体層２ａ及び逆導電型半導体層２ｂの上面及び側面、並びに基板１の上面に、これらの面を被覆する絶縁膜８を形成する。

次にフォトリソグラフィ法を用いて、絶縁膜８をパターニングしフォトダイオード３および発光ダイオード２との電気接続を行うための開口をエッチングによって形成する。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、リフトオフ法で発光素子個別電極４、受光素子個別電極５を形成するためのレジストパターンをフォトリソグラフィ法にて形成する。そして、抵抗加熱蒸着法やスパッタリング法などでＣｒ、Ａｕ等を順次積層し、リフトオフ法によって発光素子個別電極４と受光素子個別電極５とを形成する。同様に、レジストパターン形成と金属膜の蒸着を繰り返し、リフトオフ法によって発光素子共通電極６と受光素子共通電極７をＣｒ、ＡｕＧｅなどを順次積層して形成する。

このようにして、受発光素子を形成するが、最終的に保護膜等を形成し、反射防止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形成できる。

遮断領域９を溝によって構成する実施形態では、上記のようにしてアレイ１０を大型基板（半導体ウエハ）に複数個作製し、ダイシング工程において個々のアレイ１０を分割するための分割溝と同様に、発光ダイオード２とフォトダイオード３との間に遮断領域９となる溝を形成する。

また、遮断領域９を絶縁材料の埋め込みによって構成する場合は、スピンコート法において、絶縁性無機材料、樹脂材料などを塗布し埋め込むことで遮断領域９を形成することができる。

また、遮断領域９は、酸化絶縁物の形成によって構成してもよく、熱酸化炉やＴＥＯＳ−ＣＶＤなどにおいて、熱酸化、ＣＶＤ、スパッタ蒸着にて薄膜無機材料を形成することで、遮断領域９を設けてもよい。

（実施例）
本発明の効果を実証するために、遮断領域９を設けたアレイ１０を作製し、フォトダイオードに流入する暗電流を測定して評価を行った。

抵抗率３０００〜６０００ΩｃｍのＦＺシリコンからなる基板１上に、発光ダイオード２およびフォトダイオード３のサイズを幅２ｍｍ、長さ１０ｍｍで形成し、発光ダイオード２を２５個で１列、フォトダイオード３を２５個で１列設けた。列内での素子間ピッチを４００μｍとし、発光ダイオード２の列とフォトダイオード３の列と間隔を５００μｍとした。

本実施例では、遮断領域９として溝を形成し、その深さを０μｍ（遮断領域無し）、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍに変化させた。溝幅は５０μｍとし、各素子の端部から端部の長さ全体に渡って溝を設けた（すなわち、溝長さは１０ｍｍとした）。暗電流の測定は、以下のようにして行った。すなわち、発光ダイオード２に順方向電流を２０ｍＡ流した状態で、微小電流計を用いて、フォトダイオード３から出力される電流の大きさを測定した。

図５は、アレイ１０に設けた溝（遮断領域９）の深さと、フォトダイオード３から出力される暗電流との関係を示すグラフである。横軸は、溝深さ（μｍ）を示し、縦軸は、検出された暗電流（ｎＡ）を示す。溝深さが０μｍの場合、暗電流は約８００ｎＡと比較的大きな値であった。図５に示すように、溝深さを１００μｍ以上とすると、測定される暗電流は比較的小さくすることができた。

次に、本発明に係る受発光一体型素子アレイの第２の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図６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７、図８はそれぞれ、図６の受発光一体型素子アレイのVII−VII線断面図、VIII−VIII線断面図である。

図６〜図８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（以下、単に「アレイ」という）２０は、基板２１と、基板２１の表面（一方の主面）に設けられた１つの発光ダイオード（発光素子）２３及び複数のフォトダイオード（受光素子）２５とを備えている。

図６に示すように、基板２１は、略正方形状を有しており、Ｓｉからなる単結晶基板にｎ型の不純物がドープされることで、ｎ型半導体となっている。ｎ型の不純物としては、例えば、Ｓｅ等が挙げられ、ドーピング濃度を１×１０^１８〜５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｃにする。

発光ダイオード２３は、図６に示すように、略正方形状の基板２１の中央付近に配置されている。そして、この発光ダイオード２３は、図７に示すように、基板２１上に、バッファ層２７、ｎ型コンタクト層２９、ｎ型クラッド層３１、活性層３３、ｐ型クラッド層３５、ｐ型コンタクト層３７及びキャップ層３９をこの順に積層して形成されている。

バッファ層２７は、ノンドープのＧａＡｓからなり、２〜３μｍの厚さを有している。

ｎ型コンタクト層２９は、ｎ型の不純物がドープされたＧａＡｓからなり、０．８〜１μｍの厚さを有している。ｎ型の不純物としては、例えばＳｉが挙げられ、ｎ型コンタクト層２９のドーピング濃度を１×１０^１８〜２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。図７に示すように、ｎ型コンタクト層２９の一部分は、ｎ型クラッド層３１、活性層３３、ｐ型クラッド層３５、ｐ型コンタクト層３７及びキャップ層３９の一部分が選択的にエッチングされることによって露出しており、この露出した部分上に後述する第１電極４１が設けられている。

ｎ型クラッド層３１は、ｎ型の不純物がドーピングされたＡｌＧａＡｓからなり、０．３〜０．５μｍの厚さを有している。ｎ型の不純物としては、例えばＳｉが挙げられ、ｎ型クラッド層３１のドーピング濃度を１×１０^１７〜５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。

活性層３３は、ノンドープのＡｌＧａＡｓからなり、０．３〜０．５μｍの厚さを有している。

ｐ型クラッド層３５は、ｐ型の不純物がドーピングされたＡｌＧａＡｓからなり、０．３〜０．５μｍの厚さを有している。ｐ型の不純物としては、例えばＭｇが挙げられ、ｐ型クラッド層３５のドーピング濃度を１×１０^１８〜２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。

ｐ型コンタクト層３７は、ｐ型の不純物がドーピングされたＡｌＧａＡｓからなり、０．３〜０．５μｍの厚さを有している。ｐ型の不純物としては、例えばＭｇが挙げられ、ｐ型コンタクト層３７のドーピング濃度を１×１０^１９〜５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。

キャップ層３９は、ノンドープのＧａＡｓからなり、０．０１〜０．０３μｍの厚さを有している。

発光ダイオード２３を構成する上記の各半導体層は、例えば、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Metal-organic Chemical Vapor Deposition）法、またはＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長：Molecular Beam Epitaxy）法を用い、基板２１上にエピタキシャル成長させることによって形成される。

ｎ型コンタクト層２９の上面の一部分には、第１電極４１が接続されている。また、キャップ層３９の上面の一部分には、第２電極４３が接続されている。この第１電極４１と第２電極４３との間に順方向電圧を印加することにより、ｐ型クラッド層３５とｎ型クラッド層３１とでｐｎ接合を形成する発光ダイオード２３に電流が供給され、活性層３３が発光するようになっている。なお、発光ダイオード２３は、図７に示すように、第１電極４１とｎ型コンタクト層２９との接触部分、並びに第２電極４３とキャップ層３９との接触部分を除いて、透光性を有する絶縁膜４５で被覆されており、第１電極４１及び第２電極４３との絶縁性を確保している。また、同様に、基板２１の表面上にも絶縁膜４５が形成されており、基板２１と、第１電極４１及び第２電極４３との絶縁性が確保されている。

図６に示すように、フォトダイオード２５は、基板２１上に設けられた発光ダイオード２３の周囲を取り囲むように配置されており、本実施形態では、中央付近に発光ダイオード２３が配置された略正方形状の基板２１の四隅にそれぞれ設けられている。このフォトダイオード２５は、ｎ型半導体である基板２１にｐ型の不純物を拡散させた領域２５ａ（以下、不純物拡散領域２５ａという）を形成し、ｐｎ接合を形成することで構成されている。不純物拡散領域２５ａは、例えば、ｐ型の不純物として、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ等の原子を、１×１０^１９〜２×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｃの濃度で、０．５〜３μｍの厚さとなるように拡散させることで形成することができる。

図６及び図８に示すように、不純物拡散領域２５ａには、第３電極４７が接続されている。より詳細には、第３電極４７は、不純物拡散領域２５ａの周縁部に沿って接合される接合部４７ａと、この接合部４７ａと連続するパッド部４７ｂとによって構成されている。なお、図示していないが、パッド部４７ｂは、基板２１表面を被覆する絶縁膜４５によって基板２１との絶縁性が確保されている。

一方、図６及び図８に示すように、ｎ型半導体である基板２１には、第４電極４９が接続されている。より詳細には、第４電極４９は、不純物拡散領域２５ａ近傍の基板２１表面に接合される接合部４９ａと、この接合部４９ａと連続するパッド部４９ｂとによって構成されている。なお、図示していないが、パッド部４９ｂは、基板２１表面を被覆する絶縁膜４５によって基板２１との絶縁性が確保されている。

フォトダイオード２５は、第３電極４７と第４電極４９とによって、基板２１と不純物拡散領域２５ａとで形成されるｐｎ接合に逆方向電圧が印加されるようになっている。このとき、フォトダイオード２５に光が入射すると、光電流が発生し、第３電極４７及び第４電極４９によってこの光電流を取り出すことができる。

図６及び図８に示すように、基板２１の表面には、発光ダイオード２３が配置された領域とフォトダイオード２５が配置された領域とを分ける溝５１が形成されている。本実施形態における溝５１は、基板２１の一端部（図６では、上側の端部）から反対側の端部（図６では、下側の端部）まで連続し、基板２１を縦断するように形成されている。溝５１は、上記第１の実施形態の遮断領域９と同様、暗電流を遮断するためのものであり、溝５１の深さも同様に設定すればよい。

なお、以上のように構成されたアレイ２０は、上記第１の実施形態のアレイ１０と同様の半導体プロセスを用いて製造することができる。また、溝５１についても、第１の実施形態の遮断領域９と同様、ダイシングの際にブレードを用いて切削することで形成可能であるが、これに限らず、ドライエッチング等で形成することもできる。

次に、本実施形態のアレイ２０を、測定対象体の傾きを検出するセンサ装置として用いる場合について説明する。図９及び図１０は、そのセンサ装置の動作原理を説明する図である。なお、図９及び図１０では、アレイ２０を側面から見た概略構成を示す。

図９に示すように、平板状の測定対象体５３が基板２１に対して平行に配置されている場合を考える。この場合、発光ダイオード２３から測定対象体５３へ照射された光は、基板２１上の４つのフォトダイオード２５へ向けて均等に反射される。したがって、４つのフォトダイオード２５からそれぞれ同じ大きさの光電流が出力される。

一方、図１０に示すように、平板状の測定対象体５３が基板２１に対して傾斜した場合、発光ダイオード２３から測定対象体５３へ照射された光は、右側手前及び右側奥の２つのフォトダイオード２５より、左側手前及び左側奥の２つのフォトダイオード２５の方へより多く反射される。したがって、左側手前及左側奥の２つのフォトダイオード２５から出力される光電流の方が大きくなる。

このように測定対象体５３の傾きに応じて、各フォトダイオード２５が受光する反射光の量が変化し、フォトダイオード２５から出力される光電流の量も変化する。したがって、フォトダイオード２５から出力される光電流の大きさに基づいて、測定対象体５３の傾きを検出することができる。また、フォトダイオード２５から出力される光電流の大きさと、測定対象体５３の傾きとを予め関連付けておくことで、測定対象体５３の傾き角度を検出することもできる。

以上、本発明の複数の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、上記第２の実施形態では、略正方形状の基板２１上の四隅にフォトダイオード２５をそれぞれ配置しているが、発光ダイオード２３の周囲を取り囲むようにフォトダイオード２５を配置していれば、これに限定されるものではない。例えば、図１１に示すように、フォトダイオード２５を、発光ダイオード２３に対して８方向に配置してもよく、フォトダイオード２５の数や形状も特に限定されない。なお、図１１及び後述する図１２では、第２の実施形態のアレイ２０と同一又は同種の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

また、図６及び図１１に示す実施形態では、溝５１を直線状に形成しているが、発光ダイオード２３とフォトダイオード２５との間に、発光ダイオード２３の配置領域とフォトダイオード２５の配置領域とを分けるように溝が形成されていればよい。例えば、図１２に示すように、フォトダイオード２５を発光ダイオード２３に対して対称的に（図示例では、点対称又は線対称で）配置し、溝５１（ハッチングで示す）をフォトダイオード２５の間を縫うように形成してもよい。この場合、溝５１はドライエッチングによって形成すればよい。また、特に、図１２に示すように、フォトダイオード２５を発光ダイオード２３に対して点対称で配置することによって、アレイ２０を傾きを検出するセンサ装置として用いた場合に、全方位の傾きを精度良く検出することができる。

本発明の第１の実施形態に係るアレイ１０の平面図である。 図１のアレイ１０のII−II線断面図である。 図１のアレイ１０を備えて構成されるセンサ装置の一例を示す概略構成図である。 図１のアレイ１０のフォトダイオード３から出力される電流値の一例を示す図である。 図１のアレイ１０に設けた溝（遮断領域）深さと、アレイ１０のフォトダイオード３から出力される暗電流との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るアレイ２０の平面図である。 図６のアレイ２０のVII−VII線断面図である。 図６のアレイ２０のVIII−VIII線断面図である。 図６のアレイ２０を用いたセンサ装置の動作原理を説明する図である。 図６のアレイ２０を用いたセンサ装置の動作原理を説明する図である 本発明に係る受発光一体型素子アレイの他の実施形態を示す平面図である。 本発明に係る受発光一体型素子アレイの他の実施形態を示す平面図である。

符号の説明

１，２１ 基板
２，２３ 発光ダイオード（発光素子）
３，２５ フォトダイオード（受光素子）
４ 発光素子個別電極
５ 受光素子個別電極
６ 発光素子共通電極
７ 受光素子共通電極
８，４５ 絶縁膜
９，５１ 遮断領域（溝）
１０，２０ 受発光一体型素子アレイ
１７ 位置可動冶具
１８ 反射用紙
１８ａ 画像パターン（測定対象体）
５３ 測定対象体

Claims (10)

1. 受光素子と発光素子とが基板の一方の主面に設けられ、
   前記基板の一方の主面には、前記受光素子と前記発光素子との間に、前記受光素子の配置領域と前記発光素子の配置領域とを分ける溝が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. 前記受光素子は前記基板の一方の主面に、列状に複数設けられ、前記発光素子は前記受光素子の配列方向に沿って複数配されており、
   前記溝は、前記複数の受光素子と前記複数の発光素子との間に、前記受光素子および前記発光素子の配列方向に沿って連続して設けられてい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. 前記受光素子は、前記発光素子の周囲を取り囲むように複数設けられてい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。
4. 前記複数の受光素子は、前記基板の一方の主面上で前記発光素子に対して対称的に配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の受発光一体型素子アレイ。
5. 前記溝は、前記基板の一方の主面の一端部から、前記一端部と反対の端部まで連続して設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の受発光一体型素子アレイ。
6. 前記溝の深さは、前記発光素子からの発光の、前記基板の一方の主面からの到達深さ以上であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の受発光一体型素子アレイ。
7. 前記基板はシリコン基板であり、前記基板の一方の主面からの前記溝の深さが１００μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の受発光一体型素子アレイ。
8. 前記受発光一体型素子アレイは、受光素子と発光素子とを備えた受発光素子構造体が複数配列された半導体ウエハが、ブレードを用いたダイシングによって切り分けられて形成されたものであり、
   前記溝は、前記ダイシングの際、前記ブレードによって前記半導体ウエハの表面が切削されることで形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の受発光一体型素子アレイ。
9. 前記受光素子は、前記基板の一方の主面に不純物がドーピングされて形成されたフォトダイオードであり、
   前記発光素子は、前記基板の一方の主面に半導体層が積層されて形成された発光ダイオードであることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の受発光一体型素子アレイ。
10. 請求項１〜９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、
    前記発光素子から測定対象体に向けて光を照射し、前記測定対象体からの反射光に応じて出力される前記受光素子からの出力電流に応じて前記測定対象体の位置または傾きを検出することを特徴とするセンサ装置。
    

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