JP2017163146A - 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

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Abstract

【課題】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。
【解決手段】受発光素子モジュール１は、基板２と、基板２の上面に配置された発光素子３ａおよび受光素子３ｂと、基板２の上面に配置された枠状の外壁４と、外壁４の内側に位置した、外壁４の内側空間を発光素子３ａおよび受光素子３ｂのそれぞれに対応した空間に仕切る遮光壁５とを有し、遮光壁５は、発光素子３ａ側に位置する発光素子側遮光面５ａと、受光素子３ｂ側に位置する受光素子側遮光面５ｂと、発光素子側遮光面５ａおよび受光素子側遮光面５ｂのそれぞれに接続されて基板２に対向する下面５ｃとを備え、下面５ｃは、基板２の上面に対して傾斜している傾斜面５ｄを有する。
【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配置され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、例えば、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。
例えば、特開２００７−２０１３６０号公報に記載されているように、同一の基板上に発光素子および受光素子をそれぞれ配置し、受光領域と発光領域とを隔てる遮光壁が設けられたセンサ装置が使用されている。
特開２００７−２０１３６０号公報
ところが、このようなセンサ装置では、基板と遮光壁との間に隙間が生じ、この隙間から光が漏れることによって、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。
本発明は、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、基板と、該基板の上面に配置された発光素子および受光素子と、前記基板の上面に前記発光素子および受光素子を取り囲むように配置された枠状の外壁と、該外壁の内側に位置した、前記外壁の内側空間を前記発光素子および受光素子のそれぞれに対応した空間に仕切る遮光壁とを有している。この該遮光壁は、前記発光素子側に位置する発光素子側遮光面と、前記受光素子側に位置する受光素子側遮光面と、前記発光素子側遮光面および受光素子側遮光面のそれぞれに接続されて前記基板に対向する下面とを備えている。この該下面は、前記基板の上面に対して傾斜している傾斜面を有する。
本発明の一実施形態にかかる受発光素子モジュールによれば、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発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受光素子の断面図である。 遮光壁の配置位置と傾斜面を説明するための模式図である。 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。 傾斜面の変形例を説明するための遮光壁の要部断面図である。
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、基板２と、基板２の上面に配置された複数の発光素子３ａおよび複数の受光素子３ｂ、ならびに複数の発光素子３ａおよび複数の受光素子３ｂを取り囲むように配置された枠上の外壁４と、外壁４の内側に位置した、外壁４の内部空間４ａを発光素子３ａおよび受光素子３ｂのそれぞれに対応した空間に仕切る遮光壁５と、基板２および受発光素子アレイ３を覆っており、発光素子３ａおよび受光素子３ｂのそれぞれ対応した発光素子側レンズ６ａおよび受光素子側レンズ６ｂとを支持する上壁７とを有している。
本例の複数の発光素子３ａおよび複数の受光素子３ｂは、受発光素子アレイ３として半導体基板３０の上面に一体的に形成されている。このような構成とすることで、発光素子３ａと受光素子３ｂとを所定の位置に配置することが可能となり、センシング性能を高めることができる。なお、本例では複数の発光素子３ａおよび複数の受光素子３ｂが一体的に形成された受発光素子アレイ３を用いているが、発光素子３ａおよび受光素子３ｂがそれぞれ１個でもよいし、発光素子３ａおよび受光素子３ｂがそれぞれ個別に形成されていてもよいし、複数の発光素子３ａを一体的に形成した発光素子アレイおよび複数の受光素子３ｂを一体的に形成した受光素子アレイであってもよいし、これらの組合せであってもよい。
基板２は、受発光素子アレイ３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３に形成された発光素子３ａおよび受光素子３ｂにバイアスを印加したり、受発光素子アレイ３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。
半導体基板３０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１×１０１７〜２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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、例えば窒素（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１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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３０の上面に、複数の発光素子３ａが列状に配置されており、発光素子３ａの列に沿って複数の受光素子３ｂが列状に配置されている。発光素子３ａは被照射物に照射する光の光源として機能し、発光素子３ａから発せられた光が、被照射物で反射されて受光素子３ｂに入射する。受光素子３ｂは、光の入射を検出する光検出部として機能する。
発光素子３ａは、図２（ａ）に示すように、半導体基板３０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３０の上面には、半導体基板３０と半導体基板３０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３０ｂ）との格子定数の差を緩衝するバッファ層３０ａが形成されている。バッファ層３０ａは、半導体基板３０と半導体基板３０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３０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３０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３０ａ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３０と半導体基板３０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３０ａは省略することができる。
バッファ層３０ａの上面には、ｎ型コンタクト層３０ｂが形成されている。ｎ型コンタクト層３０ｂ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１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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１×１０１８〜２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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３０ｂ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３１ａを介して、基板２とワイヤボンディングまたはフリップチップ接続などによって電気的に接続されている。ｎ型コンタクト層３０ｂは、ｎ型コンタクト層３０ｂに接続される発光素子側第１電極３１ａ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３１ａは、例えば金（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３０の上面からｎ型コンタクト層３０ｂの上面を覆うように形成される絶縁層８の上に配置されているため、半導体基板３０およびｎ型コンタクト層３０ｂ以外の半導体層とは電気的に絶縁されている。
絶縁層８は、例えば窒化シリコン（ＳｉＮｘ）または酸化シリコン（ＳｉＯ２）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。
ｎ型コンタクト層３０ｂの上面には、ｎ型クラッド層３０ｃが形成されており、後に説明する活性層３０ｄに正孔を閉じ込める機能を有している。ｎ型クラッド層３０ｃ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１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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１×１０１７〜５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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３０ｃの上面には、活性層３０ｄ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３０ｄ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３０ｄ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３０ｃおよび後に説明するｐ型クラッド層３０ｅ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３０ｄの上面には、ｐ型クラッド層３０ｅが形成されており、活性層３０ｄに電子を閉じ込める機能を有している。ｐ型クラッド層３０ｅ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１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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１×１０１９〜５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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３０ｅの上面には、ｐ型コンタクト層３０ｆが形成されている。ｐ型コンタクト層３０ｆ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１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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３０ｆは、発光素子側第２電極３１ｂを介して、基板２とワイヤボンディングまたはフリップチップ接続などによって電気的に接続されている。ｐ型コンタクト層３０ｆは、ｐ型コンタクト層３０ｆに接続される発光素子側第２電極配線３１ｂ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３１ａ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３１ｂ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３１ｂを少なくとも１つ設ければよい。当然のことながら、発光素子側第１電極３１ａを共通電極として、発光素子側第１電極３１ｂ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３０ｆの上面には、ｐ型コンタクト層３０ｆ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、例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３１ｂは、例えば金（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３０の上面からｐ型コンタクト層３０ｆの上面を覆うように形成される絶縁層８の上に配置されているため、半導体基板３０およびｐ型コンタクト層３０ｆ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３ａは、発光素子側第１電極３１ａと発光素子側第２電極３１ｂとの間にバイアスを印加することによって、活性層３０ｄが発光して、光の光源として機能する。
受光素子３ｂは、図２（ｂ）に示すように、半導体基板３０の上面にｐ型半導体領域３２を設けることによって、ｎ型の半導体基板３０とでｐｎ接合を形成して構成される。ｐ型半導体領域３２は、半導体基板３０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、例えば亜鉛（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１×１０１６〜１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とされる。本例では、ｐ型半導体領域３２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３２は、受光素子側第１電極３３ａと電気的に接続されており、ｎ型半導体である半導体基板３０には、図示はしないが受光素子側第２電極３３ｂが電気的に接続されている。
受光素子側第１電極３３ａは、半導体基板３０の上面に絶縁層８を介して配置されているため、半導体基板３０と電気的に絶縁されている。
受光素子側第１電極３３ａ、受光素子側第２電極３３ｂは、例えば金（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３ｂは、ｐ型半導体領域３２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３３ａ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３３ａと受光素子側第２電極３３ｂとの間に逆バイアスを印加すれば、受光素子３ｂの光検出感度が高くなるので好ましい。
外壁４は、基板２の上面に、受発光素子アレイ３を取り囲むように、図示はしないが接着剤９を介して接続されている。そして、発光素子３ａから発した光が被照射物に向かう方向以外に散乱するのを抑制したり、受光素子３ｂに被照射物で反射された光以外の光が入射するのを抑制したり、基板２および受発光素子アレイ３を外部環境から保護する機能を有する。
外壁４は、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリスチレン樹脂（ＰＳ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂（ＡＢＳ）などの汎用プラスチック、ポリアミド樹脂（ＰＡ）ポリカーボネイト樹脂（ＰＣ）などのエンジニアリングプラスチック、液晶ポリマーなどのスーパーエンジニアリングプラスチック、およびアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）などの金属材料で形成される。
なお、外壁４の奥行および幅の寸法は、少なくとも発光素子３ａおよび受光素子３ｂが覆われる寸法であればよい。本例の外壁４の奥行および幅の寸法は基板２の奥行および幅の寸法と同じになっている。
遮光壁５は、外壁４の内側に、外壁４の内側空間４ａを発光素子３ａおよび受光素子３ｂに対応した空間に仕切るように配置されている。外壁４の内側空間４ａを発光素子３ａおよび受光素子３ｂに対応した空間に仕切るように配置するとは、受発光素子モジュール１を受発光素子アレイ３側から臨んで、遮光壁５と外壁４で形成される一方の空間に発光素子３ａが存在し、他方の空間に受光素子３ｂが存在するように配置することである。
遮光壁５は、発光素子３ａから発した光が、被照射物に反射されることなく受光素子３ｂに入射するのを抑制する機能を有する。
遮光壁５は、受発光素子アレイ３および基板２とは接触しないように配置されている。このように配置することで、受発光素子モジュール１が駆動により熱を発したり、外部環境から熱を受けたりして、遮光壁５が熱膨張によって寸法が伸びたとしても、発光素子３ａおよび受光素子３ｂの位置関係を維持することができ、センシング性能を高めることができる。なぜなら、発光素子３ａおよび受光素子３ｂが形成されている受発光素子アレイ３、および基板２に当接することがないためである。
遮光壁５は、発光素子３ａ側に位置する発光素子側遮光面５ａと、受光素子３ｂ側に位置する受光素子側遮光面５ｂと、発光素子側遮光面５ａおよび受光素子側遮光面５ｂに接続される下面５ｃとを有している。
発光素子側遮光面５ａおよび受光素子側遮光面５ｂは、外壁４の内部空間４ａを発光素子３ａ側と受光素子３ｂ側に対応した空間に仕切ることができればどのような形状であってもよい。本例では、遮光面５ａおよび５ｂは、受発光素子アレイ３の上面の法線方向、ならびに発光素子３ａおよび受光素子３ｂのそれぞれの配列方向に沿って配置されて、外壁４と当接している。発光素子３ａおよび受光素子３ｂの配列方向の長さは、少なくとも発光素子３ａの列の長さ以上の長さにする必要がある。さもなければ、発光素子３ａの発した光が直接受光素子３ｂ側の空間に照射されるためである。
本例の下面５ｃは、受発光素子アレイ３の上面に対して発光素子３ａ側に傾斜している傾斜面５ｄとなっている。このような下面５ｃは、発光素子３ａが発した光が、下面５ｃに入射されたとしても、発光素子３ａ側に反射されて受光素子３ｂ側に迷光として漏れるのを抑制することができる。
なお、本例の下面５ｃは１つの平坦な傾斜面５ｄで構成されているが、図５（ａ）に示すように複数の傾斜面を有してもよく、図５（ｂ），（ｃ）に示すように曲面であってもよい。また、下面５ｃに基板２または受発光素子アレイ３の上面と平行な面を有することを除外するものではない。
このような遮光壁５は、図３の例のように、発光素子３ａの任意の発光点と受光素子３ｂの任意の受光点との距離をＬ、前記発光点と前記受光点とを通る仮想直線から前記傾斜面の任意の点までの垂線の距離をｈ、前記発光点から前記仮想直線に沿った前記垂線までの距離をＬ０、前記垂線と前記受光素子側の傾斜面とのなす角をαとしたときに、次式を満たす位置および形状を有することが好ましい。
Ｌ＞Ｌ０＋ｈ×ｔａｎ｛２α−ｔａｎ−１（ｈ／Ｌ０）−９０｝ （ｈ＞０）
なお、図３の例のように、垂線に対して受光素子側の傾斜面が存在しない場合には、傾斜面を含む仮想平面とのなす角としてαを求めればよい。
上式を満たすように遮光壁５の配置と傾斜面５ｄの形状とを設定すれば、発光素子３ａから発した光は傾斜面で反射されたとしても理論的には受光素子３ｂに入射することがないため、センシング性能を高めることが可能となる。
なお、傾斜面５ｄが複数ある場合には、それぞれの傾斜面５ｄで上式を満足すればよい。傾斜面５ｄが曲面の場合には、前記垂線と曲面の受光素子側の接線とのなす角をαとすればよい。
遮光壁５は、外壁４と同様に、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリスチレン樹脂（ＰＳ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂（ＡＢＳ）などの汎用プラスチック、ポリアミド樹脂（ＰＡ）ポリカーボネイト樹脂（ＰＣ）などのエンジニアリングプラスチック、液晶ポリマーなどのスーパーエンジニアリングプラスチック、およびアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）などの金属材料で形成される。
上壁７は、基板２および受発光素子アレイ３を覆うように配置される。本例の上壁７は外壁４の上端に当接して配置されている。そして、発光素子３ａおよび受光素子３ｂに対応した位置に、貫通孔７ａ，７ｂを有している。上壁７は、基板２および受発光素子アレイ３を外部環境から保護する機能、および後に説明するレンズ６ａ，６ｂの支持体として機能する。
上壁７は、外壁４および遮光壁５と同様に、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリスチレン樹脂（ＰＳ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）およびアクリロニトリル／ブタジエン／スチレン樹脂（ＡＢＳ）などの汎用プラスチック、またはポリアミド樹脂（ＰＡ）ポリカーボネイト樹脂（ＰＣ）などのエンジニアリングプラスチック、または液晶ポリマーなどのスーパーエンジニアリングプラスチック、またはアルミニウム（Ａｌ）やチタン（Ｔｉ）などの金属材料で形成される。
なお、本願の外壁４、遮光壁５および上壁７は、ポリカーボネート樹脂（ＰＣ）で射出成形によって一体的に形成されている。
発光素子側レンズ６ａおよび受光素子側レンズ６ｂは上壁７の貫通孔７ａ，７ｂに対応して配置されて、それぞれ発光素子３ａの発した光を集光する機能と、被照射物で反射された光を集光する機能を有する。なお、本明細書においては、発光素子側レンズ６ａおよび受光素子側レンズ６ｂを単にレンズ６ａおよび６ｂという場合がある。これらのレンズ６ａおよび６ｂを有することにより、受発光素子モジュール１と被照射物との距離が長くなった場合でもセンシング性能を高くすることができる。
レンズ６ａおよび６ｂ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。
本例のレンズ６ａおよび６ｂ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７ａおよび貫通孔７ｂの長手方向、つまり受発光素子アレイ３に形成された受光素子３ａの列および発光素子３ｂの列に沿った方向に直交する方向に曲率を有している。レンズ６ａおよび６ｂの上壁７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。
本例では、発光素子３ａの発光部の中心を結んだ直線および受光素子３ｂの受光部の中心を結んだ直線と、レンズ６ａおよび６ｂ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３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３ａ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３ａが発した光が被照射物で反射されて受光素子３ｂ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３２側から半導体基板３０を平面視した場合のｐ型半導体領域３２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３０ｆ側から半導体基板３０を平面視した場合の活性層３０ｄの中心のことである。活性層３０ｄの上面には、ｐ型クラッド層３０ｅおよびｐ型コンタクト層３０ｆなどが積層されているため、活性層３０ｄの中心を直接に観察することができない。そのため、ｐ型コンタクト層３０ｆの中心を活性層３０ｄ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３ａを形成するためのエッチングとｎ型コンタクト層３０ｂ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３０ｆ側から平面透視して、ｐ型コンタクト層３０ｆの中心と活性層３０ｄの中心とは略一致するからである。
また、本例のレンズ６ａおよび６ｂは、シリンドリカルレンズであるが、受光素子３ａおよび発光素子３ｂのそれぞれに対応した平凸レンズであってもよい。
なお、本例では、上壁７、レンズ６ａおよび６ｂを有しているが、受発光素子モジュール１と被照射物が近距離で設置される場合などは、レンズ６ａおよび６ｂは設けなくてもよく、上壁７も必ずしも設ける必要はない。
（受発光素子モジュールの製造方法）
次に、受発光素子モジュール１の製造方法の例を示す。
最初に、受発光素子アレイ３の製造方法の例を示す。
まず、シリコン（Ｓｉ）にｎ型不純物がドーピングされた半導体基板３０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３０の上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）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３２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３０の内部に拡散させ、ｐ型半導体領域３２を形成する。このとき、例えばポリボロンフィルム（ＰＢＦ）の厚さを０．１〜１μｍとし、窒素（Ｎ２）および酸素（Ｏ２）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３０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３０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、例えば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３ａを構成する各々の半導体層（バッファ層３０ａ、ｎ型コンタクト層３０ｂ、ｎ型クラッド層３０ｃ、活性層３０ｄ、ｐ型クラッド層３０ｅ、ｐ型コンタクト層３０ｆ）を半導体基板３０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３ａを形成する。なお、ｎ型コンタクト層３０ｂ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３ａの露出面および半導体基板３０（ｎ型半導体領域３２を含む）の上面を覆うように絶縁層８を形成する。続いて、絶縁層８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、後に説明する発光素子側第１電極３１ａおよび発光素子側第２電極３１ｂならびに受光素子側第１電極３３ａを、それぞれｎ型コンタクト層３０ｂおよびｐ型コンタクト層３０ｆならびにｐ型半導体領域３２に接続するための開口を、絶縁層８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８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、発光素子側第１電極３１ａおよび発光素子側第２電極３１ｂ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、発光素子側第１電極３１ａおよび発光素子側第２電極３１ｂを所望の形状に形成する。同様に受光素子側第１電極３３ａおよび受光素子側第２電極３３ｂもそれぞれ同様の工程によって形成する。
次に、基板２の製造方法について説明する。
本例の基板２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。
次に、発光素子用第１電極３１ａ、発光素子用第２電極３１ｂ、受光素子用第１電極３３ａおよび受光素子用第２電極３３ｂ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。電気配線になる金属ペーストとしては、例えばタングステン（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。
なお、基板２は樹脂からなるものでもよい。この場合の基板２の製造方法は、例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、発光素子用第１電極３１ａ、発光素子用第２電極３１ｂ、受光素子用第１電極３３ａおよび受光素子用第２電極３３ｂ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、これを熱硬化させることにより、基板２が完成する。
このように準備した、受発光素子アレイ３を基板２の上面に配置する。受発光素子アレイ３と基板２とをワイヤボンディングによって電気的に接続する場合には、受発光素子アレイ３と基板２とをエポキシ樹脂や銀ペーストなどの接着剤で接合すればよく、フリップチップボンディングによって接続する場合には、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、電気的な接続とを兼ねて行なえばよい。
そして、外壁４、遮光壁５および上壁７が一体的に形成された部材に、あらかじめレンズ６ａおよび６ｂをシリコーン樹脂などによって接着し、これを基板２の上面に、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂などの樹脂系接着剤、あるいはポリエステル、不織布、アクリルフォーム、ポリイミド、塩化ビニル（ＰＶＣ）またはアルミ箔などの基材に対してアクリル系粘着剤、ゴム系粘着剤またはシリコーン系粘着剤の接着剤が塗布された両面テープなどを用いて接着する。
（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４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の発光素子３ａおよび受光素子３ｂ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３ａ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３ａの上方にプリズムＰ１を、また受光素子３ｂの上方にプリズムＰ２を配置して、発光素子３ａから発せられた光が、発光素子側レンズ６ａを介してプリズムＰ１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、受光素子側レンズ６ｂを介して受光素子３ｂによって受光される。受光素子３ｂ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３３ａ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、例えば受光素子３ｂ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３ｂ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３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３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。
１ 受発光素子モジュール
２ 基板
３ 受発光素子アレイ
３ａ 発光素子
３ｂ 受光素子
４ 外壁
４ａ 内部空間
５ 遮光壁
５ａ 発光素子側遮光面
５ｂ 受光素子側遮光面
５ｃ 下面
５ｄ 傾斜面
６ａ 発光素子側レンズ
６ｂ 受光素子側レンズ
７ 上壁
８ 絶縁層
９ 接着剤
３０ 半導体基板
３０ａ バッファ層
３０ｂ ｎ型コンタクト層
３０ｃ ｎ型クラッド層
３０ｄ 活性層
３０ｅ ｐ型クラッド層
３０ｆ ｐ型コンタクト層
３１ａ 発光素子側第１電極
３１ｂ 発光素子側第２電極
３２ ｐ型半導体領域
３３ａ 受光素子側第１電極
３３ｂ 受光素子側第２電極
１００ センサ装置

Claims (5)

  1. 基板と、該基板の上面に配置された発光素子および受光素子と、前記基板の上面に前記発光素子および受光素子を取り囲むように配置された枠状の外壁と、該外壁の内側に位置した、前記外壁の内側空間を前記発光素子および受光素子のそれぞれに対応した空間に仕切る遮光壁とを有し、
    該遮光壁は、前記発光素子側に位置する発光素子側遮光面と、前記受光素子側に位置する受光素子側遮光面と、前記発光素子側遮光面および受光素子側遮光面のそれぞれに接続されて前記基板に対向する下面とを備え、
    該下面は、前記基板の上面に対して傾斜している傾斜面を有する受発光素子モジュール。
  2. 前記発光素子における発光点と前記受光素子における受光点との距離をＬ、前記発光点および前記受光点を通る仮想直線から前記傾斜面までの垂線の距離をｈ、前記発光点から前記仮想直線に沿った前記垂線までの距離をＬ０、前記垂線と該垂線から前記受光素子側の傾斜面とのなす角をαとしたときに、
    Ｌ＞Ｌ０＋ｈ×ｔａｎ｛２α−ｔａｎ−１（ｈ／Ｌ０）−９０｝ （ｈ＞０）
    を満足する請求項１に記載の受発光素子モジュール。
  3. 前記傾斜面は、前記下面のうち前記発光素子側に位置している請求項１または請求項２に記載の受発光素子モジュール。
  4. 前記発光素子は、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おり、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いる請求項１に記載の受発光素子モジュール。
  5. 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光を照射し、該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つを検出するセンサ装置。
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