JP2013131601A - 受発光素子モジュールおよびこれを用いたセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 センシング性能の高い受発光素子モジュールを提供する。
【解決手段】 半導体基板２０の上面に、列状に配置された複数の受光素子２１、列状に配置された複数の発光素子２２、および受光素子２１の列と発光素子２２の列との間に位置する凹部２３を有する受発光素子アレイ２と、受発光素子アレイ２の上方に位置している、受光素子２１の列に対応した第１貫通孔３１、発光素子２２の列に対応した第２貫通孔３２、および凹部２３に対応する第１凸部３３ａを有する配線基板３と、第１貫通孔３１および第２貫通凹３２のそれぞれに対応して設けられた第１レンズ４１および第２レンズ４２とを備え、第１凸部３３ａが凹部２３に嵌合しており、受発光素子アレイ２と配線基板３とが複数の接合材５を介して電気的に接続されている受発光素子モジュール１である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、受光素子と発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を備えた受発光素子モジュールおよびこれを用いたセンサ装置に関する。

従来より、発光素子から被照射物へ光を照射し、被照射物へ入射する光に対する正反射光と拡散反射光とを受光素子によって受光することで被照射物の特性を検出するセンサ装置が種々提案されている。このセンサ装置は広い分野で利用されており、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。

たとえば、特許文献１に記載されているように、同一の基板上に受光素子および発光素子をそれぞれ配置し、この受光素子および発光素子の上方にレンズを配置したセンサ装置が使用されている。

ところが、このようなセンサ装置では、受光素子と発光素子とをそれぞれ基板上に実装することから、受光素子と発光素子とが所定の位置からずれて配置されたり、あるいはレンズを基板の上に設けた遮光体の上に別途配置することから、受光素子および発光素子の中心とレンズの光軸とが所定の位置からずれて配置されたりするため、センサ装置のセンシング性能を高めることが難しいという問題点があった。

そこで、特許文献２に記載されているような、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て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接合領域とが一体的に隣接して形成された受発光素子アレイを用いることが提案されている。これによれば、受光素子と発光素子とを所定の位置に配置することが可能となるというものである。

しかしながら、このような受発光素子アレイを用いても、受光素子および発光素子の中心とレンズの光軸とが所定の位置からずれて配置されることの解決にはならず、センサ装置のセンシング性能を高めることが難しいという問題点があった。

特開２００６−２０３１１１号公報 特開平８−４６２３６号公報

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、センシング性能の高い受発光素子モジュールおよびこれを用いたセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明の受発光素子モジュールは、半導体基板の上面に、列状に配置された複数の受光素子、該受光素子の列に沿って列状に配置された複数の発光素子、前記受光素子に電気的に接続された複数の受光素子側電極、前記発光素子に電気的に接続された複数の発光素子側電極、および前記受光素子の列と前記発光素子の列との間に位置するとともに前記受光
素子の列または前記発光素子の列に沿った凹部を有する受発光素子アレイと、該受光素子アレイの上方に位置している、前記受光素子の列に対応した第１貫通孔、前記発光素子の列に対応した第２貫通孔、前記複数の受光素子側電極のそれぞれに対応した複数の受光素子用電極、前記複数の発光素子側電極のそれぞれに対応した複数の発光素子用電極、および前記凹部に対応する第１凸部を有する配線基板と、前記第１貫通孔および前記第２貫通孔のそれぞれに対応して設けられた複数のレンズとを備え、前記第１凸部が前記凹部に嵌合しており、前記複数の受光素子側電極と前記複数の受光素子用電極とが、および前記複数の発光素子側電極と前記複数の発光素子用電極とがそれぞれ複数の接合材を介して電気的に接続されていることを特徴とする。

また、本発明の受発光素子モジュールは、上記構成において、前記受光素子は、前記半導体基板の上面に不純物がドーピングされて形成されており、前記発光素子は、前記半導体基板の上面に複数の半導体層が積層されて形成されていることを特徴とする。

さらに、本発明の受発光素子モジュールは、上記構成において、前記レンズは、シリンドリカルレンズであり、該シリンドリカルレンズの光軸と、前記複数の受光素子のそれぞれにおける受光部の中心を結んだ直線および前記複数の発光素子のそれぞれにおける発光部の中心を結んだ直線とが一致していることを特徴とする。

また、本発明の受発光素子モジュールは、上記構成において、前記凹部および前記第１凸部がそれぞれ１つずつあり、前記凹部および前記第１凸部の前記受光素子の列または前記発光素子の列に沿った方向の両端は、前記受光素子の列および前記発光素子の列の両端よりも外側に位置することを特徴とする。

さらに、本発明の受発光素子モジュールは、上記構成において、前記凹部は、前記半導体基板の前記受光素子の列または前記発光素子の列に沿った方向の一端側から他端側まで連続的に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の受発光素子モジュールは、上記構成において、前記配線基板の少なくとも前記受光素子の列または前記発光素子の列に沿った方向の両端部に、前記配線基板から前記半導体基板に向かって伸びる第２凸部をそれぞれ有しており、該第２凸部は、前記半導体基板の端面に当接していることを特徴とする。

本発明のセンサ装置は、上述したいずれかの本発明の受発光素子モジュールを用いたセンサ装置であって、前記発光素子から被照射物に向けて光を照射し、前記被照射物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被照射物の位置情報、距離情報および濃度情報のうち少なくとも１つを検出することを特徴とする。

本発明の受発光素子モジュールによれば、半導体基板の上面に、列状に配置された複数の受光素子、該受光素子の列に沿って列状に配置された複数の発光素子、前記受光素子に電気的に接続された複数の受光素子側電極、前記発光素子に電気的に接続された複数の発光素子側電極、および前記受光素子の列と前記発光素子の列との間に位置するとともに前記受光素子の列または前記発光素子の列に沿った凹部を有する受発光素子アレイと、該受光素子アレイの上方に位置している、前記受光素子の列に対応した第１貫通孔、前記発光素子の列に対応した第２貫通孔、前記複数の受光素子側電極のそれぞれに対応した複数の受光素子用電極、前記複数の発光素子側電極のそれぞれに対応した複数の発光素子用電極、および前記凹部に対応する第１凸部を有する配線基板と、前記第１貫通孔および前記第２貫通孔のそれぞれに対応して設けられた複数のレンズとを備え、前記第１凸部が前記凹部に嵌合しており、前記複数の受光素子側電極と前記複数の受光素子用電極とが、および
前記複数の発光素子側電極と前記複数の発光素子用電極とがそれぞれ複数の接合材を介して電気的に接続されていることから、受光素子と発光素子とを、および受光素子ならびに発光素子とそれぞれに対応するレンズとを所定の位置に精度よく配置することが可能であるので、受光素子および発光素子の中心とレンズの光軸とが所定の位置に精度よく配置することができ、センシング性能の高い受発光素子モジュールを実現することができる。

（ａ）は、本発明の受発光素子モジュールの実施の形態の一例を示す平面図である。（ｂ）は、図１（ａ）の１I−１I線に沿った概略断面図である。 （ａ）は、図１に示した受発光素子モジュールを構成する受光素子の断面図である。（ｂ）は、図１に示した受発光素子モジュールを構成する発光素子の断面図である。 図１に示した受発光素子モジュールを用いたセンサ装置の実施の形態の一例を示す概略断面図である。 図１に示した受発光素子モジュールの第１変形例を示す概略断面図である。 図１に示した受発光素子モジュールの第２変形例を示す平面図である。 （ａ）は、図１に示した受発光素子モジュールの第３変形例を示す平面図である。（ｂ）は、図６（ａ）の６Ｉ−６Ｉ線に沿った概略断面図である。 （ａ）は、図１に示した受発光素子モジュールの第４変形例を示す平面図である。（ｂ）は、図７（ａ）の７Ｉ−７Ｉ線に沿った概略断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図７に示した受発光素子モジュールの第４変形例のレンズの製造方法を説明する図である。

以下、本発明の受発光素子モジュールおよびこれを用いたセンサ装置の実施の形態の例について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の例は本発明の実施の形態を例示するものであって、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。

（受発光素子モジュール）
図１（ａ）および（ｂ）に示す受発光素子モジュール１は、コピー機やプリンタなどの画像形成装置に組み込まれて、トナーやメディアなどの被照射物の位置情報、距離情報または濃度情報などを検出するセンサ装置として機能する。

受発光素子モジュール１は、半導体基板２０の上面に、複数の受光素子２１、複数の発光素子２２、凹部２３、受光素子２１に接続される受光素子側電極２４および発光素子２２に接続される発光素子側電極２５を有する受発光素子アレイ２と、凹部２３に嵌合される第１凸部３３ａ、受光素子２１の列と発光素子２２の列にそれぞれ対応した第１貫通孔３１および第２貫通孔３２、受光素子側電極２４のそれぞれに対応した受光素子用電極３４および発光素子側電極２５のそれぞれに対応した発光素子用電極３５を有している配線基板３と、第１貫通孔３１および第２貫通孔３２のそれぞれに対応して設けられた第１レンズ４１および第２レンズ４２とを有している。そして、配線基板３は受発光素子アレイ２の上方に位置し、受光素子側電極２４と受光素子用電極３４と、および発光素子側電極２５と発光素子用電極３５とをそれぞれ接合材５を介して接続されている。

次に、受発光素子アレイ２、配線基板３およびレンズ（第１レンズ４１ならびに第２レンズ）についてそれぞれ説明する。

（受発光素子アレイ）
まず、受発光素子アレイ２について説明する。

半導体基板２０は、一導電型の半導体材料からなる。一導電型の不純物濃度に限定はないが、高い電気抵抗を有することが望ましい。本例では、シリコン（Ｓｉ）基板に一導電型の不純物としてリン（Ｐ）を１×１０^１７〜２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の濃度で含むｎ型のシリコン（Ｓｉ）基板を用いている。ｎ型の不純物としては、リン（Ｐ）の他に、たとえば窒素（N）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）な
どが挙げられ、ドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とされる。以下、ｎ型を一導電型、ｐ型を逆導電型とする。

半導体基板２０の上面に、複数の受光素子２１が列状に配置されており、受光素子２１の列に沿って複数の発光素子２２が列状に配置されている。発光素子２２は被照射物に照射する光の光源として機能し、発光素子２２から発せられた光が、被照射物で反射されて受光素子２１に入射する。受光素子２１は、光の入射を検出する光検出部として機能する。

受光素子２１は、図２（ａ）に示すように、半導体基板２０の上面にｐ型半導体領域２１ａを設けることによって、ｎ型の半導体基板２０とでｐｎ接合を形成して構成される。ｐ型半導体領域２１ａは、半導体基板２０にｐ型不純物を高濃度に拡散させて形成されている。ｐ型不純物としては、たとえば亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられ、ドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とされる。本例では、ｐ型半導体領域２１ａの厚さが０．５〜３μｍ程度となるように、ホウ素（Ｂ）がｐ型不純物として拡散されている。

ｐ型半導体領域２１ａは、受光素子側電極２４と電気的に接続されている。この点を詳しく説明する。

受光素子側電極２４は、受光素子２０を構成するｐ型半導体領域２１ａに接続された受光素子側第１電極２４ａとｎ型半導体である半導体基板２０に接続された受光素子側第２電極２４ｂとで構成されている。そして、図示はしないが、ｐ型半導体領域２１ａは、受光素子側第１電極配線２６を介して、それぞれ受光素子側第１電極２４ａに電気的に接続されている。受光素子側第１電極配線２６は、半導体基板２０の上面に絶縁層６を介して配置されているため、半導体基板２０と電気的に絶縁されている。

絶縁層６は、たとえば窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）または酸化シリコン（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で形成され、その厚さが０．１〜１μｍ程度とされている。

受光素子側第１電極２４ａ、受光素子側第２電極２４ｂおよび受光素子側第１電極配線２６は、たとえば金（Ａｕ）とクロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）とクロム（Ｃｒ）または白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）の合金などで、その厚さが０．５〜５μｍ程度となるように形成されている。

このように構成された受光素子２１は、ｐ型半導体領域２１ａに光が入射すると、光電効果によって光電流が発生して、この光電流を受光素子側第１電極２４ａを介して取り出すことによって、光検出部として機能する。なお、受光素子側第１電極２４ａと受光素子側第２電極２４ｂとの間に逆バイアスを印加すれば、受光素子２１の光検出感度が高くなるので好ましい。

一方、発光素子２２は、図２（ｂ）に示すように、半導体基板２０の上面に複数の半導体層が積層されて形成されている。

まず、半導体基板２０の上面には、半導体基板２０と半導体基板２０の上面に積層される半導体層（本例の場合は後に説明するｎ型コンタクト層２２ｂ）との格子定数の差を緩衝するバッファ層２２ａが形成されている。バッファ層２２ａは、半導体基板２０と半導体基板２０の上面に形成される半導体層との格子定数の差を緩衝することによって、半導体基板２０と半導体層の間に発生する格子歪などの格子欠陥を少なくし、ひいては半導体基板２０の上面に形成される半導体層全体の格子欠陥または結晶欠陥を少なくする機能を有する。

本例のバッファ層２２ａは、不純物を含まないガリウム砒素（ＧａＡｓ）からなり、その厚さが２〜３μｍ程度とされている。なお、半導体基板２０と半導体基板２０の上面に積層される半導体層との格子定数の差が大きくない場合には、バッファ層２２ａは省略することができる。

バッファ層２２ａの上面には、ｎ型コンタクト層２２ｂが形成されている。ｎ型コンタクト層２２ｂは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）にｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度とされるとともに、その厚さが０．８〜１μｍ程度とされている。

本例では、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が１×１０^１８〜２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のドーピング濃度でドーピングされている。ｎ型コンタクト層２２ｂの上面の一部は露出しており、この露出している部分に発光素子側第１電極配線２７ａを介して、発光素子側電極２５と電気的に接続されている。発光素子側電極２５は、ｎ型コンタクト層２２ｂに接続される発光素子側第１電極２５ａと、後に説明するｐ型コンタクト層２２ｆに接続される発光素子側第２電極２５ｂとで構成される。ｎ型コンタクト層２２ｂは、ｎ型コンタクト層２２ｂに接続される発光素子側第１電極配線２７ａとの接触抵抗を下げる機能を有している。

発光素子側第１電極２５ａおよび発光素子側第１電極配線２７ａは、たとえば金（Ａｕ）アンチモン（Ｓｂ）合金、金（Ａｕ）ゲルマニウム（Ｇｅ）合金またはＮｉ系合金などを用いて、その厚さが０．５〜５μｍ程度で形成される。それとともに、半導体基板２０の上面からｎ型コンタクト層２２ｂの上面を覆うように形成される絶縁層６の上に配置されているため、半導体基板２０およびｎ型コンタクト層２２ｂ以外の半導体層とは電気的に絶縁されている。

ｎ型コンタクト層２２ｂの上面には、ｎ型クラッド層２２ｃが形成されており、後に説明する活性層２２ｄに正孔を閉じ込める機能を有している。ｎ型クラッド層２２ｃは、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度とされるとともに、その厚さが０．２〜０．５μｍ程度とされている。本例では、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が１×１０^１７〜５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のドーピング濃度でドーピングされている。

ｎ型クラッド層２２ｃの上面には、活性層２２ｄが形成されており、電子や正孔などのキャリアが集中して、再結合することによって光を発する発光層として機能する。活性層２２ｄは、不純物を含まないアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）であるとともに、その厚さが０．１〜０．５μｍ程度とされている。なお、本例の活性層２２ｄは、不純物を含まない層であるが、ｐ型不純物を含むｐ型活性層であっても、ｎ型不純物を含むｎ型活性層であってもよく、活性層のバンドギャップがｎ型クラッド層２２ｃおよび後に説
明するｐ型クラッド層のバンドギャップよりも小さくなっていればよい。

活性層２２ｄの上面には、ｐ型クラッド層２２ｅが形成されており、活性層２２ｄに電子を閉じ込める機能を有している。ｐ型クラッド層２２ｅは、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度とされるとともに、その厚さが０．２〜０．５μｍ程度とされている。本例では、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が１×１０^１９〜５×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のドーピング濃度でドーピングされている。

ｐ型クラッド層２２ｅの上面には、ｐ型コンタクト層２２ｆが形成されている。ｐ型コンタクト層２２ｆは、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）などがドーピングされており、ドーピング濃度は１×１０^１６〜１×１０^２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度とされるとともに、その厚さが０．２〜０．５μｍ程度とされている。

ｐ型コンタクト層２２ｆは、発光素子側第２電極２５ｂに発光素子側第２電極配線２７ｂを介して電気的に接続されている。ｐ型コンタクト層２２ｆは、ｐ型コンタクト層２２ｆに接続される発光素子側第２電極配線２７ｂとの接触抵抗を下げる機能を有している。

なお、発光素子側第１電極２５ａが発光素子毎に個別電極として設けられていれば、発光素子側第２電極２５ｂは発光素子毎に設ける必要はなく、共通の発光素子側第１電極２５ｂを少なくとも１つ設ければよい。本例では、発光素子側第２電極２５ｂは、発光素子側第１電極２５ａの列の一方端側に並んで、１つの共通電極として配置されている。当然のことながら、発光素子側第１電極２５ａを共通電極として、発光素子側第１電極２５ｂを発光素子のそれぞれに個別電極として設けてもよい。

またなお、ｐ型コンタクト層２２ｆの上面には、ｐ型コンタクト層２２ｆの酸化を防止する機能を有するキャップ層を形成してもよい。キャップ層は、たとえば不純物を含まないガリウム砒素（ＧａＡｓ）で形成して、その厚さを０．０１〜０．０３μｍ程度とすればよい。

発光素子側第２電極２５ｂおよび発光素子側第２電極配線２７ｂは、たとえば金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）と、密着層であるニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）とを組み合わせたＡｕＮｉ、ＡｕＣｒ、ＡｕＴｉまたはＡｌＣｒ合金などで形成されており、その厚さが０．５〜５μｍ程度とされるとともに、半導体基板２０の上面からｐ型コンタクト層２２ｆの上面を覆うように形成される絶縁層６の上に配置されているため、半導体基板２０およびｐ型コンタクト層２２ｆ以外の半導体層とは電気的に絶縁されている。

このようにして構成された発光素子２２は、発光素子側第１電極２５ａと発光素子側第２電極２５ｂとの間にバイアスを印加することによって、活性層２２ｄが発光して、光の光源として機能する。

半導体基板２０の上面に形成される凹部２３は、受光素子２１の列と発光素子２２の列との間に位置するとともに、受光素子２１の列と発光素子２２の列とに沿って配置されている。本例の凹部２３は、受光素子２１の列からと発光素子２２の列からとの距離が等しくなる位置に配置されているが、受光素子２１の列と発光素子２２の列との間に位置していれば、配置される位置は特に限定されない。

また、本例の凹部２３は、受光素子２１または発光素子２２の列に沿った方向の両端が、受光素子２１の列および発光素子２２の列の両端よりも外側に位置している。

次に、受発光素子アレイ２の製造方法の例を示す。

まず、シリコン（Ｓｉ）にｐ型不純物がドーピングされた半導体基板２０を準備する。そして、従来周知の熱酸化法を用いて、半導体基板２０の上に酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる拡散素子膜Ｓ（図示せず）を形成する。

拡散阻止膜Ｓ上にフォトレジストを塗布して、従来周知のフォトリソグラフィ法によって所望のパターンを露光、現像した後、従来周知のウェットエッチング法によって、ｐ型半導体領域２１ａを形成するための開口部Ｓａ（図示せず）を拡散阻止膜Ｓ中に形成する。開口部Ｓａは、必ずしも拡散阻止膜Ｓを貫通している必要はない。

そして、拡散阻止膜Ｓ上にポリボロンフィルム（ＰＢＦ）を塗布する。続いて、熱拡散法を用いて、拡散阻止膜Ｓの開口部Ｓａを介して、ポリボロンフィルム（ＰＢＦ）に含まれているホウ素（Ｂ）を半導体基板２０の内部に拡散させ、ｐ型半導体領域２１ａを形成する。このとき、たとえばポリボロンフィルム（ＰＢＦ）の厚さを０．１〜１μｍとし、窒素（Ｎ_２）および酸素（Ｏ_２）を含む雰囲気中で７００〜１２００℃の温度で熱拡散させる。その後、拡散阻止膜Ｓを除去する。

次に、半導体基板２０をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Metal-organic Chemical
Vapor Deposition）装置の反応炉内で熱処理することによって、半導体基板２０の表面
に形成された自然酸化膜を除去する。この熱処理は、たとえば１０００℃の温度で１０分間程度行なう。

次いで、ＭＯＣＶＤ法を用いて、発光素子２２を構成する各々の半導体層（バッファ層２２ａ、ｎ型コンタクト層２２ｂ、ｎ型クラッド層２２ｃ、活性層２２ｄ、ｐ型クラッド層２２ｅ、ｐ型コンタクト層２２ｆ）を半導体基板２０上に順次積層する。そして、積層された半導体層Ｌ（図示せず）上にフォトレジストを塗布し、従来周知のフォトリソグラフィ法によって所望のパターンを露光、現像した後、従来周知のウェットエッチング法によって発光素子２２を形成する。なお、ｎ型コンタクト層２２ｂの上面の一部が露出するように、複数回のエッチングを行なう。その後、フォトレジストを除去する。

次に、従来周知の熱酸化法、スパッタリング法またはプラズマＣＶＤ法などを用いて、発光素子２１の露出面および半導体基板２０（ｎ型半導体領域２１ａを含む）の上面を覆うように絶縁層６を形成する。続いて、絶縁層６上にフォトレジストを塗布し、従来周知のフォトリソグラフィ法によって所望のパターンを露光、現像した後、従来周知のウェットエッチング法によって、後に説明する受光素子側第１電極配線２６、発光素子側第１電極配線２７ａおよび発光素子側第２電極配線２７ｂをそれぞれｐ型半導体領域２１ａ、ｎ型コンタクト層２２ｂおよびｐ型コンタクト層２２ｆに接続するための開口を、絶縁層６に形成する。その後、フォトレジストを除去する。

次に、絶縁層６上にフォトレジストを塗布し、従来周知のフォトリソグラフィ法によって所望のパターンを露光、現像した後、従来周知の抵抗加熱法やスパッタリング法などを用いて、受光素子側第１電極２４ａ、受光素子側第２電極２４ｂおよび受光素子側第１電極配線２６を形成するための合金膜を形成する。そして、従来周知のリフトオフ法を用いて、フォトレジストを除去するとともに、受光素子側第１電極２４ａ、受光素子側第２電極２４ｂおよび受光素子側第１電極配線２６を所望の形状に形成する。同様に発光素子側第１電極２５ａならびに発光素子側第１電極配線２７ａ、および発光素子側第２電極２５
ｂならびに発光素子側第２電極配線２７ｂも、それぞれ同様の工程によって形成する。

次に、半導体基板２０の受光素子２１の列と発光素子２２の列との間に、受光素子２１または発光素子２２の列に沿って、レーザーまたはダイシングブレードなどによって切り込みを入れて凹部２３を形成する。

なお、本例の受発光素子アレイ２は、円板状のウェハに複数の受発光素子アレイ２を作り込んだ後に、ダイシングによって分割されたものである。凹部２３をダイシングブレードによって形成する場合には、円板上のウェハから受発光素子アレイ２を分割する工程と凹部２３を形成する工程を１工程として行なってもよい。

（配線基板）
次に、配線基板３について説明する。

配線基板３は、受発光素子アレイ２の上方に位置して、受発光素子アレイ２および外部装置とそれぞれ電気的に接続されて、受発光素子アレイ２に形成された受光素子２１および発光素子２２にバイアスを印加したり、受発光素子アレイ２と外部装置との間で電気信号の授受を行なったりするための配線基板として機能する。

配線基板３には、受光素子２１の列および発光素子２２の列のそれぞれに対応した位置に、第１貫通孔３１および第２貫通孔３２が形成されている。本例では、第１貫通孔３１および第２貫通孔３２は、受発光素子アレイ２側と反対側から平面視して、略矩形状である。第１貫通孔３１および第２貫通孔３２には、後に説明する第１レンズおよび第２レンズがそれぞれ対応して配置される。

また、受発光素子アレイ２の受光素子側第１電極２４ａ、受光素子側第２電極２４ｂ、発光素子側第１電極２５ａおよび発光素子側第２電極２５ｂのそれぞれに対応した位置に、受光素子用第１電極３４ａ、受光素子用第２電極３４ｂ、発光素子用第１電極３５ａおよび発光素子用第２電極３５ｂが配置されている。配線基板３に配置されたそれぞれの電極は、外部装置と接続されて、受発光素子アレイ２に形成された複数の受光素子２１および発光素子２２にバイアスを印加するための電力を供給したり、受光素子２１および発光素子２１と外部装置との間で電気信号の授受を行なったりする。

そして、配線基板３には、受発光素子アレイ２の凹部２３に対応する位置に、凹部２３と嵌合される第１凸部３３ａが形成されている。本例の第１凸部３３ａは、凹部３２と同様に、受光素子２１または発光素子２２の列に沿った方向の両端が、受光素子２１の列および発光素子２２の列の両端に対応する位置よりも外側に位置している。

本例の配線基板３は、セラミックスからなり、次のような工程を経て製造される。まず、従来周知の方法によって製作されたセラミックグリーンシートを準備する。このセラミックグリーンシートに、第１貫通孔３１および第２貫通孔３２に対応する孔をパンチングまたはレーザーなどの方法によって形成する。

次に、受光素子用第１電極３４ａ、受光素子用第２電極３４ｂ、発光素子用第１電極３５ａおよび発光素子用第２電極３５ｂやこれらの電極をそれぞれ接続したり、外部装置と接続したりするための電気配線となる金属ペーストをセラミックグリーンシート上に印刷する。そして、第１凸部３３ａとなるセラミックグリーンシートを所望の位置に積層して積層体とする。受光素子用第１電極３４ａなどになる金属ペーストとしては、たとえばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）および銅（Ｃｕ）などの金属を含有させたものが挙げられる。

次に、この積層体を焼成することによって、第１貫通孔３１ならびに第２貫通孔３２、受光素子用第１電極３４ａならびに受光素子用第２電極３４ｂ、発光素子用第１電極３５ａならびに発光素子用第２電極３５ｂ、および第１凸部３３ａを有する配線基板３を形成することができる。

なお、配線基板３は樹脂からなるものでもよい。この場合の配線基板３の製造方法は、たとえば次のような方法が考えられる。まず、熱硬化型樹脂の前駆体シートを準備する。次に、受光素子用第１電極３４ａ、受光素子用第２電極３４ｂ、発光素子用第１電極３５ａおよび発光素子用第２電極３５ｂやこれらの電極をそれぞれ接続したり、外部装置と接続したりするための電気配線となる、金属材料からなるリード端子を前駆体シート間に配置し、かつリード端子を前駆体シートに埋設させるように複数の前駆体シートを積層し、さらに第１凸部３３ａとなる複数の前駆体シートを積層する。このリード端子の形成材料としては、例えば銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）−コバルト（Ｃｏ）合金および鉄（Ｆｅ）−ニッケル（Ｎｉ）合金などの金属材料が挙げられる。

そして、前駆体シートに貫通孔３１および貫通孔３２に対応する穴をレーザー加工やエッチング等の方法によって形成した後、これを熱硬化させることにより、配線基板３が完成する。なお、レーザー加工によって貫通孔３１および貫通孔３２を形成する場合には、前駆体シートを熱硬化させた後でもよい。

（レンズ）
次に、レンズについて説明する。

上述したように、配線基板３の有する貫通孔３１および貫通孔３２に対応して第１レンズ４１および第２レンズ４２が形成される。第１レンズ４１および第２レンズ４２の材質は、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂ならびにエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂、またはポリカーボネート樹脂ならびにアクリル樹脂などの熱可塑性樹脂などのプラスチック、あるいはサファイアおよび無機ガラスなどが挙げられる。

本例の第１レンズ４１および第２レンズ４２は、シリコーン樹脂で形成されたシリンドリカルレンズであり、貫通孔３１および貫通孔３２の長手方向、つまり受発光素子アレイ２に形成された受光素子２１の列および発光素子２２の列に沿った方向に直交する方向に曲率を有している。また、貫通孔３１および貫通孔３２のそれぞれに嵌合する形状を有していることから、第１レンズ４１および第２レンズ４２を配線基板３に取り付ける際に、それぞれ第１貫通孔３１および第２貫通孔３２との位置精度を高くすることができる。第１レンズ４１および第２レンズ４２の配線基板３への取付けは、シリコーン樹脂などの有機接着剤などによって行なえばよい。

上述した受発光素子アレイ２、配線基板３および第１レンズ４１ならびに第２レンズ４２は、上述したように、配線基板３は受発光素子アレイ２の上方に位置して、受発光素子アレイ２の有する凹部２３に配線基板３の有する第１凸部３３ａが嵌合されているとともに、受発光素子アレイ２と配線基板３とが接合材５を介して接続されている。このような構成とすることにより、受発光素子アレイ２の有する受光素子２１および発光素子２２と、第１レンズ４１および第２レンズ４２とのそれぞれの位置精度を高くすることができる。なぜなら、受光素子２１および発光素子２２は、半導体基板２０の上面に半導体プロセスによって一体的に形成されていることから、受光素子２１および発光素子２２の配列精度は高く、受光素子２１の列と発光素子２２の列との間に形成される凹部２３は、レーザーやダイシングブレードによって形成されるため、位置精度の高い配置が可能となる。そ
して、配線基板３に設けられた第１凸部３３ａと凹部２３とを嵌合させることによって、受光素子２１および発光素子２２と、それぞれ第１貫通孔３１および第２貫通孔３２、つまりこれらの貫通孔のそれぞれに対応した第１レンズ４１および第２レンズ４２との対応位置関係を、受光素子２１の列または発光素子２２の列に沿った方向およびこれに直交する方向との双方において高精度とすることができる。

本例では、受光素子２１の受光部の中心を結んだ直線および発光素子２２の発光部の中心を結んだ直線と、第１レンズ４１および第２レンズ４２の光軸とをそれぞれ略一致させており、光軸は受発光素子アレイ２の上面から上方に向かう法線方向と略一致する。このような構成とすることにより、発光素子２２から発した光を高い照度で被照射物に照射することが可能となり、発光素子２２が発した光が被照射物で反射されて受光素子２１によって受光するときの照度を高くすることが可能となるため、感度の高い、つまりセンシング性能の高い受発光素子モジュール１を実現することができる。

ここで、受光部の中心とは、ｐ型半導体領域２１ａ側から半導体基板２０を平面視した場合のｐ型半導体領域２１ａの中心のことである。同様に、発光部の中心とは、ｐ型コンタクト層２２ｆ側から半導体基板２０を平面視した場合の活性層２２ｄの中心のことである。活性層２２ｄの上面には、ｐ型クラッド層２２ｅおよびｐ型コンタクト層２２ｆなどが積層されているため、活性層２２ｄの中心を直接に観察することができないことから、ｐ型コンタクト層２２ｆの中心を活性層２２ｄの中心とみなしても問題ない。なぜなら、上述したように、半導体層の各層は非常に薄いことから、発光素子アレイ２２を形成するためのエッチングとｎ型コンタクト層２２ｂの上面の一部を露出するためのエッチングとが個別に行なわれたとしても、ｐ型コンタクト層２２ｆ側から平面透視して、ｐ型コンタクト層２２ｆの中心と活性層２２ｄの中心とは略一致するからである。

なお、凹部２３は、受発光素子アレイ２と配線基板３に配置される第１レンズ４１および第２レンズ４２との位置関係を精度よく規定するという効果を奏するだけでなく、発光素子２２が駆動することによって発生する漏れ電流が半導体基板２０を介して受光素子２１に伝播してノイズとなることを抑制する効果も奏する。また、第１凸部３３ａは、受発光素子アレイ２に形成される発光素子２２が発した光が、直接に受光素子２１に漏れ光として入射することを抑制する効果も奏する。つまり、凹部２３を有する受発光素子モジュール１に形成されている受光素子２１の受光感度は、ノイズが少ないという点からも、漏れ光が少ないという点からも高い感度とすることが可能となり、センシング性能の高い受発光素子モジュール１を実現することができる。

受発光素子アレイ２と配線基板３との電気的な接続は、受発光素子アレイ２の受光素子側第１電極２４ａと配線基板３の受光素子用第１電極３４ａとのそれぞれが、同様に受光素子側第２電極２４ｂと受光素子用第２電極３４ｂとのそれぞれが、さらに発光素子側第１電極２５ａと発光素子用第１電極３５ａとのそれぞれが、および発光素子側第２電極２５ｂと発光素子用第２電極３５ｂとのそれぞれが、いずれも接合材５を介して接続されることによって行なわれる。接合材５は、はんだ、銀ロウおよび銅ロウなどのロウ材、金スタッドバンプとはんだとの組合せ、あるいは異方性導電フィルムなど、電気的な接続が行なえるものであれば、どのような材料や構成であってもよい。

（センサ装置）
次に、受発光素子モジュール１を備えたセンサ装置１００について説明する。以下では、受発光素子モジュール１を、コピー機やプリンタなどの画像形成装置における、中間転写ベルトＶ上に付着したトナーＴ（被照射物）の位置を検出するセンサ装置に適用する場合を例に挙げて説明する。

図３に示すように、本例のセンサ装置１００は、受発光素子モジュール１の受光素子２１および発光素子２２が形成された面が、中間転写ベルトＶに対向するように配置される。そして、発光素子２２から中間転写ベルトＶ上のトナーＴへ光が照射される。本例では、発光素子２２の上方にプリズムＰ２を、また受光素子２１の上方にプリズムＰ１を配置して、発光素子２２から発せられた光が、第２レンズ４２を介してプリズムＰ２で屈折して中間転写ベルトＶ上のトナーＴに入射する。そして、この入射光Ｌ１に対する正反射光Ｌ２が、プリズムＰ２で屈折して、第１レンズ４１を介して受光素子２１によって受光される。受光素子２１には、受光した光の強度に応じて光電流が発生し、受光素子側第１電極２４ａなどを介して、外部装置でこの光電流が検出される。

本例のセンサ装置１００では、以上のようにトナーＴからの正反射光の強度に応じた光電流を検出することができる。そのため、たとえば受光素子２１の列の一端側からｎ番目の受光素子から検出される光電流値が最も大きい場合は、このｎ番目の受光素子２１に対応する位置にトナーＴが位置するというように、中間転写ベルトＶ上のトナーＴの位置を検出することができる。なお、正反射光の強度はトナーＴの濃度にも対応するため、発生した光電流の大きさに応じて、トナーＴの濃度を検出することも可能である。同様に、正反射光の強度は、受発光素子アレイ２からトナーＴとの距離にも対応するため、発生した光電流の大きさに応じて、受発光素子アレイ２とトナーＴとの距離を検出することも可能である。

本例のセンサ装置１００によれば、受発光素子モジュール１の有する上述の効果を奏することができる。

以上、本発明の具体的な実施の形態の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

たとえば、本例の凹部２３および第１凸部３３ａは、それぞれ１つで構成されているが、複数個から構成されていてもよい。ただし、本例のように、凹部２３および第１凸部３３ａの受光素子２１または発光素子２２の列に沿った方向の両端が、受光素子２１の列および発光素子２２の列の両端または両端に対応する位置よりも外側に位置していることに加えて、それぞれが連続的に１つの凹部２３および第１凸部３３ａとして形成されている方が、上述の発光素子２２から受光素子２１への漏れ電流によるノイズが少ないという点からも、発光素子２２から受光素子２１への漏れ光が少ないという点からも好ましく、よりセンシング性能の高い受発光素子モジュール１とすることができる。

また、本例の第１レンズ４１および第２レンズ４２は、シリンドリカルレンズであるが、受光素子２１および発光素子２２のそれぞれに対応した平凸レンズであってもよい。

さらに、本例では、受光素子２１の受光部の中心を結んだ直線および発光素子２２の発光部の中心を結んだ直線と、第１レンズ４１および第２レンズ４２の光軸とを略一致させているが、図４に示す第１変形例のように、発光素子２１から発した光の光軸と被照射物で反射された光の光軸とが被照射物上で交わるようにするとよい。このような構成とすることで、受発光素子モジュール１自体をセンサ装置１００として使用することが可能となる。なぜなら、本例の受発光素子モジュール１を用いたセンサ装置１００では、プリズムＰ１およびプリズムＰ２により、発光素子２２から発した光、および被照射物で反射した光を屈折させているが、図４に示すように、発光素子２２から発した光が第２レンズ４２を介してトナーＴ上で焦点を結び、トナーＴで反射した光が第１レンズ４１を介して受光素子２１の発光部の中心を結んだ直線状で焦点を結ぶように、発光素子２２と第２レンズ４２とを、および受光素子２１と第１レンズ４１とを配置すれば、プリズムＰ１およびプリズムＰ２を省略することが可能となる。プリズムＰ１およびプリズムＰ２を省略するこ
とが可能であれば、受発光素子モジュール１をセンサ装置１として使用することが可能となり、センサ装置１００の小型化および低コスト化が図れるばかりではなく、プリズムＰ１と第１レンズ４１および受光素子２１との位置関係、ならびにプリズムＰ２と第２レンズ４２および発光素子２２との位置関係を調整する必要がないことから、センサ装置のセンシング性能を高くすることが可能となる。

また、図５に示す第２変形例のように、受発光素子アレイ２の有する凹部２３を、半導体基板２０の受光素子２１の列または発光素子２２の列に沿った方向の一端側から他端側まで連続的に設けていてもよい。このような構成とすることで、受発光素子アレイ２の上述のノイズと漏れ光とをさらに抑制することができるばかりでなく、工程が簡略化されることによるコスト低減にも貢献する。

さらに、図６に示す第３変形例のように、配線基板３の受光素子２１の列または発光素子２２の列に沿った方向の両端に、配線基板３から半導体基板２０に向かう方向に伸びる第２凸部３３ｂを有し、第２凸部３３ｂが半導体基板２０の端面に当接していてもよい。このように構成することで、受発光素子モジュール１の製造中に、半導体基板２０と配線基板３との位置決めを行なうのが容易になり、作業性が向上する。また、第２変形例と組み合わせることによって、第２変形例の受光素子２１の列または発光素子２２の列に沿った方向の受発光素子アレイ２と配線基板３との位置精度、つまり受光素子２１および発光素子２２と第１レンズ４１および第２レンズ４２との対応位置関係を高精度に設定することができる。

また、本例では、第１レンズ４１および第２レンズ４２は、別途製作したものを配線基板３の第１貫通孔３１および第２貫通孔３２にそれぞれ一体的に取り付けたものであるが、図７に示す第４変形例のように、たとえばシリコーン樹脂などで受発光素子アレイ２と配線基板３とで挟まれる空間を充填するとともに、第１レンズ４１および第２レンズ４２を形成してもよい。このような構成とするには、次のような製造方法が考えられる。受発光素子アレイ２に第１レンズ４１および第２レンズ４２を取り付けていない配線基板３を、接合材５によって接合する。そして、図８（ａ）に示すように、受発光素子アレイ２に配線基板３を接合したものを、枡状の第１金型２０１に少なくとも受発光素子アレイ２および配線基板３のそれぞれの端面が当接するように配置する。次に、図８（ｂ）に示すように、配線基板３の受発光素子アレイ２と反対側の面の上に、第１レンズ４１および第２レンズ４２を形成するための第２金型２０２を配置する。そして、図示はしないが、第１レンズ３１または第２レンズ３２に対応する領域に設けられた第２金型２０２の樹脂注入口から、シリコーン樹脂などを注入する。次に、オーブンなどで加熱することによって、シリコーン樹脂を硬化させる。最後に金型を外せば、第４変形例に示す受発光素子モジュール１となる。このような構成とすることで、受光素子２２および発光素子２１をシリコーン樹脂によって封止できることから、外部からの水分の浸入を防止したり、あるいは外部からの衝撃を吸収したりして、受光素子２１および発光素子２２を保護する機能を有するものとなる。また、受光素子２１および発光素子２２と第１レンズ４１および第２レンズ４２との空間を同一の材料で充填するため、空間と第１レンズ４１および第２レンズのそれぞれとの境界で光が反射することがないことから、光の透過効率を高くすることができる。

１ 受発光素子モジュール
２ 受発光素子アレイ
３ 配線基板
５ 接合材
６ 絶縁層
２０ 半導体基板
２１ 受光素子
２２ 発光素子
２３ 凹部
２４ａ 受光素子側第１電極
２４ｂ 受光素子側第２電極
２５ａ 発光素子側第１電極
２５ｂ 発光素子側第２電極
２６ 受光素子側第１電極配線
２７ａ 発光素子側第１電極配線
２７ｂ 発光素子側第２電極配線
３１ 第１貫通孔
３２ 第２貫通孔
３３ａ 第１凸部
３３ｂ 第２凸部
３４ａ 受光素子用第１電極
３４ｂ 受光素子用第２電極
３５ａ 発光素子用第１電極
３５ｂ 発光素子用第２電極
４１ 第１レンズ
４２ 第２レンズ
１００ センサ装置
２０１ 第１金型
２０２ 第２金型

Claims (7)

1. 半導体基板の上面に、列状に配置された複数の受光素子、該受光素子の列に沿って列状に配置された複数の発光素子、前記受光素子に電気的に接続された複数の受光素子側電極、前記発光素子に電気的に接続された複数の発光素子側電極、および前記受光素子の列と前記発光素子の列との間に位置するとともに前記受光素子の列または前記発光素子の列に沿った凹部を有する受発光素子アレイと、
   該受光素子アレイの上方に位置している、前記受光素子の列に対応した第１貫通孔、前記発光素子の列に対応した第２貫通孔、前記複数の受光素子側電極のそれぞれに対応した複数の受光素子用電極、前記複数の発光素子側電極のそれぞれに対応した複数の発光素子用電極、および前記凹部に対応する第１凸部を有する配線基板と、
   前記第１貫通孔および前記第２貫通孔のそれぞれに対応して設けられた複数のレンズとを備え、
   前記第１凸部が前記凹部に嵌合しており、
   前記複数の受光素子側電極と前記複数の受光素子用電極とが、および前記複数の発光素子側電極と前記複数の発光素子用電極とがそれぞれ複数の接合材を介して電気的に接続されていることを特徴とする受発光素子モジュール。
2. 前記受光素子は、前記半導体基板の上面に不純物がドーピングされて形成されており、前記発光素子は、前記半導体基板の上面に複数の半導体層が積層されて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子モジュール。
3. 前記レンズは、シリンドリカルレンズであり、
   該シリンドリカルレンズの光軸と、前記複数の受光素子のそれぞれにおける受光部の中心を結んだ直線および前記複数の発光素子のそれぞれにおける発光部の中心を結んだ直線とが一致していることを特徴とする請求項１または２に記載の受発光素子モジュール。
4. 前記凹部および前記第１凸部がそれぞれ１つずつあり、
   前記凹部および前記第１凸部の前記受光素子の列または前記発光素子の列に沿った方向の両端は、前記受光素子の列および前記発光素子の列の両端よりも外側に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の受発光素子モジュール。
5. 前記凹部は、前記半導体基板の前記受光素子の列または前記発光素子の列に沿った方向の一端側から他端側まで連続的に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の受発光素子モジュール。
6. 前記配線基板の少なくとも前記受光素子の列または前記発光素子の列に沿った方向の両端部に、前記配線基板から前記半導体基板に向かって伸びる第２凸部をそれぞれ有しており、
   該第２凸部は、前記半導体基板の端面に当接していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の受発光素子モジュール。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の受発光素子モジュールを用いたセンサ装置であって、
   前記発光素子から被照射物に向けて光を照射し、前記被照射物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被照射物の位置情報、距離情報および濃度情報のうち少なくとも１つを検出することを特徴とするセンサ装置。

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