JP5744204B2 - 受発光素子およびそれを備えたセンサ装置 - Google Patents

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素子に関する。

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が、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または拡散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または拡散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、特開平８−４６２３６号には、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接合部分と、発光機能を担う深いｐｎ接合部分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。

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、高抵抗のものであっても抵抗率が３０００〜６０００Ωｃｍ程度の抵抗率を有する。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。この漏れ電流は、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、このような漏れ電流の発生により、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、この漏れ電流は大きくなる。すなわち、受光素子によってより正確な正反射光または拡散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、漏れ電流が大きくなる。このため、従来の受発光素子アレイでは、測定精度を高くすることが難し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。

本発明の一実施形態に係る受発光素子は、一導電型の半導体材料から成る基板と、該基板の一主面に設けられた発光ダイオードと、前記基板の前記一主面に前記発光ダイオードから離れて設けられたフォトダイオードと、前記基板の前記一主面側の前記発光ダイオードが配置された領域と前記フォトダイオードが配置された領域とが対向する部分に連続して設けられた逆導電型の介在部とを有するものである。

なお、本発明において受発光素子とは、基板の一方の主面に少なくとも１つの受光素子および少なくとも１つの発光素子を設けたものを言う。

本発明の一実施形態のセンサ装置は、上記の受発光素子を備えたセンサ装置であって、前記発光ダイオードからの光を検出対象物に照射し、該検出対象物からの反射光を前記フォトダイオードへ入射させ、該フォトダイオードから発生する光電流を計測することで、前記検出対象物の位置を検出するものである。

本発明によれば、検出精度が高く、小型の受発光素子およびセンサ装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る受発光素子の概略構成を示す平面図である。 図１のＩ−Ｉ線断面図である。 図２に示す受発光素子の発光ダイオードの要部拡大断面図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図１に示した受発光素子の変形例の概略構成を示す平面図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図１に示した受発光素子の変形例の概略構成を示す平面図である。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ、図１に示した受発光素子の変形例における介在部を示す要部断面図である。 図１に示す受発光素子の変形例における介在部を示す要部断面図である。 図１に示す受発光素子の変形例を示す要部断面図である。

以下、本発明に係る受発光素子の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１〜図３に示すように、受発光素子１は、基板３と、基板３に設けられた複数（図示例では１１個）の発光ダイオード５と、基板３に設けられた複数（図示例では１１個）のフォトダイオード７と、発光ダイオード５とフォトダイオード７とが配置された領域を分けるように配置された介在部１９とを有する。

基板３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。この例では、ｎ型のシリコン基板を用いている。以下、ｎ型を一導電型，ｐ型を逆導電型とする。

基板３の電気抵抗は、１Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。基板３の電気抵抗を高めることにより、後述の発光ダイオード５とフォトダイオード７との間のリーク電流発生を抑制することができる。

発光ダイオード５は複数あり、それらが列状に配置されている。なお、発光ダイオード５の構成については後述する。フォトダイオード７は複数あり、それらが列状に配置されている。すなわち、フォトダイオード７の配列方向に沿って発光ダイオード５が配列されている。そして、発光ダイオード５とフォトダイオード７との間には、介在部１９が配置されている。

介在部１９は、発光ダイオード５が配置された領域とフォトダイオード７が配置された領域とが対向する部分に沿って連続して設けられればよい。発光ダイオード５およびフォトダイオード７が複数ある場合には、発光ダイオード５に対して、複数のフォトダイオード７のうち最も近接配置されているフォトダイオード７との間に設ければよいが、この例では、複数の発光ダイオード５の配列方向と複数のフォトダイオード７と配列方向とに沿って、連続して設けられている。

ここで介在部１９は基板３と逆導電型（ｐ型）の半導体部となっている。このため、基板３上において発光ダイオード５からフォトダイオード７までの結ぶ経路の途中に逆導電型の半導体部が存在することとなり、発光ダイオード５からの漏れ電流がフォトダイオード７に到達することを抑制することができる。すなわち、介在部１９は、一導電型の基板３の表面上において、抵抗成分として機能する。

より詳細には、この介在部１９は、外部の駆動回路から発光ダイオード５へ供給された電流が、半導体基板３を介してフォトダイオード７へ流入するのを抑制するためのものである。こうすることで、発光ダイオード５からの漏れ電流が、フォトダイオード７から出力される電流にノイズとして混入するのを抑制し、フォトダイオード７による受光強度の測定をより精度良く行うことが可能になる。すなわち、このような介在部１９により、感度の高い受発光素子１を提供することができる。

以下に、各部位の詳細な構成について説明する。

基板３は、半導体材料からなれば特に限定はないが、この例では、ｎ型のＳｉ基板を用いている。Ｓｉ基板は、一導電型の不純物としてＰ（リン）を含んでおり、その濃度は１×１０^１７〜２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。

発光ダイオード５は、基板３上に、バッファ層５１，ｎ型コンタクト層５２，ｎ型クラッド層５３，活性層５４，ｐ型クラッド層５５，ｐ型コンタクト層５６，キャップ層５７を基板３側からこの順に積層して形成されている。なお、バッファ層５１の下には、後述するように基板３に不純物を拡散して形成したｎ型不純物拡散部分３ｎが存在している。すなわち、発光ダイオード５は、絶縁体を介することなく、基板３上に直接配置されている。言い換えると、発光ダイオード５と基板３との間の電気抵抗は、基板３の電気抵抗と同程度となる。

バッファ層５１は、不純物がドーピングされていないＧａＡｓからなり、２〜３μｍの厚さを有している。

ｎ型コンタクト層５２はｎ型の不純物がドーピングされた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５２のドーピング濃度を１×１０^１８〜２×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。図４に示すように、ｎ型コンタクト層５２の上面の一部分は、ｎ型クラッド層５３，活性層５４，ｐ型クラッド層５５，ｐ型コンタクト層５６，キャップ層５７から露出しており、この露出した部分に後述する第２電極１１が接続されている。

ｎ型クラッド層５３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５３のドーピング濃度を１×１０^１７〜５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。

活性層５４は、不純物がドーピングされていない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５５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５５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５６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やＺｎが挙げられ、ｐ型コンタクト層５６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５７は、ｐ型の不純物がドーピングされたＧａＡｓからなり、０．０１〜０．０３μｍの厚さを有している。ｐ型不純物の材料およびドーピング濃度は、ｐ型コンタクト層５６と同様とすればよい。

発光ダイオード５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）法を用い、基板３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。

キャップ層５７の上面の一部分には、第１電極９が接続されている。この第１電極９は、絶縁膜１３上に延び、各発光ダイオード５のキャップ層５７に対して個別に設けられている。また、第１電極９は、例えば、ＡｕやＡｌと、密着層であるＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉとを組み合わせたＡｕＮｉ、ＡｕＣｒ、ＡｕＴｉ、ＡｌＣｒ合金等で、その厚さが０．５〜５μｍで形成されている。

ｎ型コンタクト層５２の上面の一部分には、第２電極１１が接続されている。この第２電極１１は、絶縁膜１３上に延び、図１に示すように列状に配置された各発光ダイオード５のｎ型コンタクト層５２間を接続している。なお、図１では、説明の便宜上、絶縁膜１３の図示を省略している。また、第２電極１１は、例えば、ＡｕＳｂ合金、ＡｕＧｅ合金やＮｉ系合金等を用いて、その厚さが０．５〜５μｍで形成されている。

第１電極９及び第２電極１１は、図示しない外部の駆動回路に接続されており、両電極４１，４３間に順方向電圧を印加することによって、ｐ型クラッド層５５とｎ型クラッド層５３とでｐｎ接合を形成する発光ダイオード５に電流が供給され、活性層５４が発光するようになっている。このとき、複数の第１電極９のうちから任意のいくつかを選択し、選択された第１電極９と第２電極１１との間に順方向電圧を印加することで、選択された第１電極９に接続された発光ダイオード５を発光させることができる。

なお、発光ダイオード５は、図３に示すように、第２電極１１とｎ型コンタクト層５２との接触部分、並びに第１電極９とキャップ層５７との接触部分を除いて、透光性を有する絶縁膜１３で被覆されており、第１電極９及び第２電極１１との絶縁性を確保している。また、同様に、基板３の表面上にも絶縁膜１３が形成されており、基板３と、第１電極９及び第２電極１１との絶縁性が確保されている。この絶縁膜１３は、例えば、ＳｉＮ_ｘ、ＳｉＯ_２等の無機絶縁膜や、ポリイミド等の有機絶縁膜等を用い、その厚さが０．１〜５μｍで形成されている。

次に、基板３に設けられた複数のフォトダイオード７について説明する。図１に示すように、フォトダイオード７は、発光ダイオード５と離間して設けられ、発光ダイオード５の配列方向に沿って、各発光ダイオード５と対応するように半導体基板３に列を成して配置されている。各フォトダイオード７は、図２に示すように、基板３の上面（一方の主面）３ａに形成されたｐ型半導体部７ｐを設けることにより、ｎ型の基板３とでｐｎ接合を形成して構成される。言い換えると、フォトダイオード７は、基板３の一部に作りこまれているものである。

ｐ型半導体部７ｐは、半導体基板３にｐ型不純物を高濃度に含ませて形成されている。具体的には、ｐ型半導体部７ｐは、半導体基板３にｐ型不純物を打ち込んだり、熱拡散させたりすることで形成する。ｐ型不純物としては、例えばＺｎ，Ｍｇ，Ｃ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ等が挙げられる。本実施形態では、ｐ型不純物としてＢを０．５〜３μｍの厚さとなるように拡散させ、ｐ型半導体部７ｐのドーピング濃度を１×１０^１８〜１×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。

ｐ型半導体部７ｐには、第３電極１５が接続されている。より詳細には、第３電極１５は、ｐ型半導体部７ｐの周縁部に接合されている。第３電極１５は、例えば、ＡｕとＣｒ、ＡｌとＣｒ、ＰｔとＴｉの合金等で、その厚さが０．５〜５μｍで形成されている。そして、第３電極１５は、図示しない外部回路に接続される。なお、第３電極１５は、絶縁膜１３によって基板３との絶縁性が確保されている。

このとき、フォトダイオード７に光が入射すると、光電流が発生し、第３電極１５によってこの光電流を取り出すことができる。

介在部１９は、半導体基板３にｐ型不純物を高濃度に含ませて形成されている。具体的には、介在部１９は、半導体基板３にｐ型不純物を打ち込んだり、拡散させたりすることで形成される。ｐ型不純物としては、例えばＺｎ，Ｍｇ，Ｃ，Ｂ，Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ等が挙げられる。本実施形態では、ｐ型不純物としてＢを５μｍの厚さとなるように拡散させ、ドーピング濃度を１×１０^１８〜１×１０^２２ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。

介在部１９の好適な深さ方向における厚みは、基板３の材質や抵抗率等によって変わる。発光ダイオード５からの漏れ電流は主に基板３の表面に流れるため、基板３の上面３ａ側に存在していればよいが、より好ましくは、本実施形態のように、ｐ型半導体部７ｐの深さ方向における厚みよりも大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、基板３の表面３ａを伝う漏れ電流に加え、基板３の内部を通りｐ型半導体部７ｐに到達する漏れ電流を遮断することができる。

また、介在部１９の厚み方向（深さ方向）において不純物濃度の濃度分布がある場合には、最も不純物濃度が高い部分の深さ位置が、ｐ型半導体部７ｐが存在する深さ範囲と重複することが好ましい。

介在部１９の、発光ダイオード５とフォトダイオード７との離間方向における好適な幅（図１における上下方向の幅）は、発光ダイオード５からフォトダイオード７に向かってｎｐｎ構造となっていればよいので特に限定されない。好ましくは、介在部１９の幅は、１μｍ以上である。このような幅とすることで、発光ダイオード５からフォトダイオード７への漏れ電流を遮断する効果を高めることができる。ただし、介在部１９を熱拡散により形成する場合には、深さ方向と同程度横方向にも拡散されるため、深さ方向の厚みの２倍以上の幅を有するものとなる。このため、下限値は、深さ方向における厚みの２倍以上となる。上限値は、発光ダイオード５と最も近接するフォトダイオード７との距離未満であり、発光ダイオード５からフォトダイオード７に向かってｎｐｎ構造となっていれば特に限定されないが、例えば、複数の発光ダイオード５や複数のフォトダイオード７のピッチ幅以下とすればよい。通常これらのピッチ幅は発光ダイオード５と最も近接するフォトダイオード７との距離に比べ小さいものとなっている。なお、この「発光ダイオード５とフォトダイオード７との離間方向における幅」は、複数の発光ダイオード５の配列方向と直交する方向における幅と言い換えることもできる。

特に、本実施形態のように、介在部１９の上面が、基板３の上面３ａと同一面となっているときには、基板３の上面３ａを通る漏れ電流を確実に遮断することができる。

次いで、以上のように構成された受発光素子１の製造方法の一実施形態について説明する。

まず、基板３を準備する。そして、熱酸化法を用いて基板３上にＳｉＯ_２からなる拡散阻止膜Ｓを形成する。

次に、拡散阻止膜Ｓ上に図示しないフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法により所望のパターンを露光、現像した後、ウェットエッチング法により、ｐ型半導体部７ｐ，介在部１９を形成するための開口部Ｓａを拡散阻止膜Ｓに形成する。開口部Ｓａに代えて、厚みを周辺よりも薄くする薄層化部を形成してもよい。

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または薄層化部を介し、ポリボロンフィルムＰＢＦに含まれるＢを基板３の内部に拡散させ、ｐ型半導体部７ｐおよび介在部１９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１０００Å〜１μｍとし、窒素及び酸素を含む雰囲気中で７００〜１２００度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、基板３をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内で熱処理することにより、基板３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度の温度で１０分間行う。

次いで、ＭＯＣＶＤ法を用いて、発光ダイオード５を構成する各半導体層を基板３上に順次積層する。そして、積層された半導体層Ｌ上に図示しないフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法により所望のパターンを露光、現像した後、ウェットエッチング法により、発光ダイオード５を形成する。なお、このとき、ｎ型コンタクト層５２の上面が露出するように、２段階でエッチングを行う。その後、フォトレジストを除去する。

次に、スパッタリング法、プラズマＣＶＤ法等を用いて、発光ダイオード５の露出面及び半導体基板３の上面に、これらの面を被覆する絶縁膜１３を形成する。続いて、絶縁膜１３上に図示しないフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法により所望のパターンを露光、現像した後、ウェットエッチング法によって、後述する第１電極９、第２電極１１、第３電極１５を配置するための孔を絶縁膜１３に形成する。その後、フォトレジストを除去する。

次に、絶縁膜１３上に図示しないフォトレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィー法により所望のパターンを露光、現像した後、抵抗加熱蒸着法やスパッタリング法等を用いて、第１電極９及び第３電極１５を形成するための合金膜を形成する。そして、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、各電極９，１５を所望の形状に形成する。また、第２電極１１も同様の工程によって形成する。

なお、本実施形態に係る受発光素子１は、円板状のウエハに複数の受発光素子１を作り込んだ後、ダイシングによって分割されたものである。

ここで、受発光素子１のように、介在部１９の厚みをｐ型半導体部７ｐに比べて厚くするためには、上述のｐ型半導体部７ｐおよび介在部１９を形成する工程において、まず、介在部１９を形成する部分のみにｐ型の不純物を拡散させた後、次にｐ型半導体部７ｐ，介在部１９を形成する部分にｐ型の不純物を拡散させればよい。このようにｐ型不純物の拡散を２段階に分けて行なうことにより、介在部１９の厚みをｐ型半導体部７ｐの厚みよりも厚くすることができる。

また、ｐ型不純物の拡散を２段階に分けて行なう他にも、拡散防止膜の厚みで調整してもよい。具体的には、ｐ型半導体部７ｐを形成する部分において拡散防止膜を薄層化し、介在部１９を形成する部分において開口部としたり、拡散防止膜の厚みを、ｐ型半導体部７ｐを形成する部分において、ｐ型半導体部７ｐを形成する部分よりも薄くなるようにしてもよい。

本実施形態に係る受発光素子１によれば、半導体基板３の上面（一方の主面）３ａにおける発光ダイオード５とフォトダイオード７との間の位置に介在部１９が形成されているため、発光ダイオード５の駆動時に供給された電流が、半導体基板３を介してフォトダイオード７へ流入するのを抑制することができる。

また、本実施形態に係る受発光素子１によれば、フォトダイオード７がｐｎ型のフォトダイオードを構成している。このような構成のフォトダイオードはＰＩＮ型のフォトダイオードに比べ微少電流の測定が可能であるため、漏れ電流の混入を抑制することが重要である。特に、発光ダイオード５からの正反射光に加え拡散反射光をも検出するときに、介在部１９により漏れ電流の混入を抑制し、微少な光量変化も測定できるものとすることができる。

また、本実施形態に係る受発光素子１によれば、半導体性を有する基板３に発光ダイオード５およびフォトダイオード７を薄膜プロセスおよび半導体プロセスにより作りこんでいる。このような構成により、発光ダイオード５とフォトダイオード７とを近接配置し、装置の小型化を実現できる。そして、同様のプロセスにより、このように近接配置された発光ダイオード５とフォトダイオード７との間に介在部１９を形成できることから、小型でかつ検出精度に優れた受発光素子１を提供することができる。

さらに、本実施形態に係る受発光素子１の製造方法によれば、ｐ型半導体部７ｐの製造と同時に介在部１９を形成することができるので、受発光素子１の製造工程を簡略化することができ、生産性の高いものとすることができる。

（変形例１：介在部）
受発光素子１の介在部１９は、発光ダイオード５およびフォトダイオード７の配列方向に沿って連続的に設けた例について説明したが、図４（ａ）に示す受発光素子１Ａのように、複数の発光ダイオード５およびフォトダイオード７の配列領域全域において、配列方向において連続的である必要はなく、個々の発光ダイオード５に対して、最も近接配置されているフォトダイオード７との間のみに介在部１９Ａを有するものとしてもよい。すなわち、１つの発光ダイオード５と最も近接配置された１つのフォトダイオード７とが対向する部分のみに１つの介在部１９Ａを設け、このような介在部１９Ａを複数の発光ダイオード５およびフォトダイオード７の配列方向に沿って複数設けているものでもよい。言い換えると、受発光素子１では介在部１９は線状であったが、受発光素子１Ａでは介在部１９Ａは破線状となっている。

また、受発光素子１の介在部１９は、発光ダイオード５およびフォトダイオード７の配列方向に沿って一列連続的に設けた例について説明したが、図４（ｂ）に示す受発光素子１Ｂのように、介在部１９Ｂを複数列設けてもよい。

さらに、図４（ｃ）に示す受発光素子１Ｃのように、個々のフォトダイオード７を囲うような介在部１９Ｃとしてもよい。ここで、フォトダイオード７は第３電極１５に接続されている。このため、「個々のフォトダイオード７を囲う」とは、第３電極１５と絶縁性を保つための開放部を有していてもよいが、発光ダイオード５と対向する領域および他のフォトダイオード７と対向する領域には連続的に形成されているものとする。このような構成は、特に、フォトダイオード７Ｃを受発光素子１のようにｐn型として拡散反射光をも測定する場合に適している。このような構成とすることにより、発光ダイオード５からの漏れ電流を遮断するとともに、従来に比べて極めて近接配置されたフォトダイオード７Ｃ間で互いの影響をうけることなくノイズを除去することができる。

（変形例２：発光ダイオードおよびフォトダイオードの配置）
受発光素子１において、同数の発光ダイオード５およびフォトダイオード７が列状に配列されている。言い換えると、一対の発光ダイオード５およびフォトダイオード７が列状に配列されている例について説明した。このような構成は、主に発光ダイオード５からの正反射を測定することを想定している。これに対して、正反射光に加え拡散反射光をも測定することを目的として、図５（ａ）に示す受発光素子１Ｄのように、複数の発光ダイオード５Ｄの配列の両側に複数のフォトダイオード７Ｄの配列を設けてもよい。この場合には、介在部１９Ｄは、発光ダイオード５Ｄの配列の両側にそれぞれ設けられる。

また、図５（ｂ）に示す受発光素子１Ｅのように、１つの発光ダイオード５Ｅを囲うように複数のフォトダイオード７Ｅを配列してもよい。この場合には、介在部１９Ｅは、発光ダイオード５Ｅが配置された領域とフォトダイオード７Ｅが配置された領域とを分けるように形成される。なお、介在部１９Ｅは、発光ダイオード７Ｅに接続される第１電極９，第２電極１１との絶縁を確保している。

また、図５（ｃ）の受発光素子１Ｆのように、複数の発光ダイオード５Ｆの配列方向に沿った配列長さと、複数のフォトダイオード７Ｆの配列方向に沿った配列長さが大きく異なっていてもよい。この例では、発光ダイオード５Ｆの配列長さがフォトダイオード７Ｆの配列長さに比べ短くなっている。この場合には、介在部１９Ｆは、発光ダイオード５Ｆが配置された領域を囲うような構成とすればよい。

図５（ｂ），（ｃ）に示すように、介在部１９Ｅ，１９Ｆは直線状である必要はなく、発光素子５Ｅ，５Ｆおよびフォトダイオード７Ｅ，７Ｆのレイアウトに応じて最適な形状とすればよい。介在部１９Ｅ，１９Ｆは、基板３に逆導電型の不純物を拡散して形成しているため、様々な形状に対応することができ、設計の自由度を高めることができる。

以下、上述の実施形態に係る受光素子を備えたセンサ装置の構成および使用方法について、受発光素子１を例にとり説明する。なお、以下では、受発光素子１を、コピー機やプリンタ等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説明する。

受発光素子１の基板３の主面と垂直方向に間隔をあけて、発光ダイオード５，フォトダイオード７に対応する光学系を配置する。光学系として、例えばプリズムや集光レンズ等が挙げられる。すなわち、受発光素子１の図２における上方において光学系を配置する。そして、発光ダイオード５からの発光は、この光学系を介して、受発光素子１の基板３の主面３ａと対向して配置される中間転写ベルトＶに照射される。中間転写ベルトＶ上のトナーＴからの反射光（正反射光、拡散反射光を含む）を光学系を介してフォトダイオード７によって受光する。フォトダイオード７には、受光した光の強度に応じて光電流が発生し、外部の検出回路で光電流が検出される。この反射光の強度はトナーＴの濃度と対応するため、発生した光電流の大きさに応じて、各部位のトナー濃度を検出することができる。

また、受発光素子１を、コピー機やプリンタ等の画像装置において、給紙された紙を検出対象物として、その位置を検出するセンサ装置に適用することもできる。

この場合には、受発光素子１と間隔を開けて対向する位置可動治具を設ける。位置可動治具は、その下面（受発光素子１との対向面）において、発光ダイオード５からの光を反射させることのできる検出対象物（紙）を移動させることができる。ここで、発光ダイオード５及びフォトダイオード７の配列方向に沿って、検出対象物が移動するように、受発光素子１と移動可動治具とを配置する。

このような構成により、例えば図１の右から左に向かって検出対象物が移動する場合に、検出対象物の位置が変化するに連れて、右端に位置するフォトダイオード７から左端に位置するフォトダイオード７まで順に、順次光電流が発生し一定値に達する。これにより、検出対象物の位置を特定することのできるものとなる。

また、受発光素子１を、検出対象物である回転物の回転数、回転位置を検出するセンサ装置に適用することもできる。
この場合には、例えば、ディスク状の平板回転物に孔を設け、回転物の回転軸と直交する方向において受発光素子１を間隔を開けて配置する。このような構成において、発光ダイオード５からの光が孔を通過するか反射するかをフォトダイオード７で検出することにより、回転数や回転位置（回転角度）を測定することができる。ここで、回転物に設ける孔の数、配置等により、各種情報を得ることができる。例えば、回転数を計測するためには孔は一か所でよい。

従来の一般的な回転センサは、回転軸と直交する方向において回転物を挟んで、一方に発光ダイオード、他方にフォトダイオードを設ける構成となっていた。これに対して、本実施形態に示す受発光素子１は、回転軸と直交する方向の一方のみに配置すればよいので、回転物を挟む必要がなく、簡易な構成とすることができる。また、高速回転する回転物を挟む必要性がなくなるので、破損の可能性の低い、信頼性の高いものとすることができる。

以上、本発明の一実施形態，その変形例および応用方法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、上記実施形態では、フォトダイオード７はｐｎ型としたが、ｐ型半導体部７ｐと、このｐ型半導体部７ｐと離間して基板３の上面３ａに形成されたｎ型半導体部とを有するようにし、これによってＰＩＮ型のフォトダイオードを構成してもよい。

また、一導電型および逆導電型を逆としてもよい。

また、上記実施形態では、複数（図示例では１１個）の発光ダイオード５及びフォトダイオード７がそれぞれ１列のアレイ状に配置された受発光素子１を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、発光ダイオード５及びフォトダイオード７の数は適宜変更すればよい。また、発光ダイオード５及びフォトダイオード７の数は複数に限定されず、例えば、それぞれを１個ずつ配置してもよい。

さらに、上記実施形態では、介在部１９の上面と基板３の上面３ａとが同一面となっている例について説明したが、図６（ａ），（ｂ）に示すように、介在部１９’，１９’’の上面と基板３の上面３ａとが段差を有していてもよい。この場合には、段差により基板３の上面３ａを流れる発光ダイオード５からの漏れ電流を物理的に遮断するとともに、介在部１９’，１９’’に含まれる逆導電型不純物により電気的に遮断することができる。

なお、以上の図面では、介在部１９の厚み方向における断面形状は矩形状の場合を示したが、介在部１９を熱拡散により形成するときには、図７に示すように、半円状となる。

さらに、図８に示すように、発光ダイオード５とフォトダイオード７との間に突起部３０を設けてもよい。突起部３０は、発光ダイオード５と同程度の高さを有する。これにより、発光ダイオード５で発光した光がフォトダイオード７に直接入射されることを防ぐことができる。このため、突起部３０の発光ダイオード５の配列方向における長さは、少なくとも発光ダイオード５の長さと同等であることが好ましい。突起部３０は、複数の発光ダイオード５とフォトダイオード７との組み合わせのそれぞれに対応する位置に個別に設けてもよいし、発光ダイオード５が配置された領域とフォトダイオード７が配置された領域とを分けるように連続して設けてもよい。

突起部３０は、発光ダイオード５が発する光に対して透光性を有さない材料であれば、構成材料は特に限定されない。例えば、発光ダイオード５を形成するときに、パターニングを変更して、同一工程にて発光ダイオード５を構成する半導体層と同じ材料、同じ積層構造で構成することが好ましい。この場合には、突起部３０のうち少なくとも発光ダイオード５と対向する面である側面に、半導体材料とは異なる材料で形成されたカバー層３１を設けることにより、発光ダイオード５からの光を吸収しリーク電流が基板３に流れることを抑制することができる。カバー層３１は、絶縁材料、導電性材料等を用いることができる。カバー層３１を、発光ダイオードを形成するときに、第１電極９や第２電極１１の形成と同時に成膜及びパターニングを行なうことで、導電性材料からなるものとした場合には、発光ダイオード５からの光を発光ダイオード５側に反射させ、カバー層３１を構成する材料を励起させることもなく、かつフォトダイオード７への光の混入も抑制することができる。カバー層３１を、発光ダイオードを形成するときに、絶縁膜１３の形成と同時に成膜及びパターニングを行なうことで、絶縁材料からなるものとすることもできる。

１ 受発光素子
３ 半導体基板
３ａ 一方の主面（上面）
５ 発光ダイオード
７ フォトダイオード
７ｐ ｐ型半導体部
１９ 介在部

Claims (9)

1. 一導電型の半導体材料から成る基板と、
   該基板の一主面に積層された半導体層の積層体で構成された発光ダイオードと、
   前記基板の前記一主面に前記発光ダイオードから離れて設けられた、前記基板の前記一主面に不純物がドーピングされて形成された逆導電型半導体部を含むフォトダイオードと、前記基板の前記一主面側の前記発光ダイオードが配置された領域と前記フォトダイオードが配置された領域とが対向する部分に連続して設けられた、前記逆導電型半導体部の厚みに比べて厚みの厚い逆導電型の介在部とを有し、
   前記発光ダイオードから前記フォトダイオードに向けて、前記基板内部が一導電型の領域と逆導電型の領域と一導電型の領域とが順に並んだ構造となっている受発光素子。
2. 前記介在部は、厚み方向において不純物濃度分布を有し、最も不純物濃度が高い部分の深さ位置が、前記逆導電型半導体部が存在する深さ範囲と重複している、請求項１記載の受発光素子。
3. 前記発光ダイオードおよび前記フォトダイオードは、それぞれ複数あり、
   前記介在部は、各前記発光ダイオードと複数の前記フォトダイオードのうち最も近接配置されているフォトダイオードとの間に設けられている、請求項１または２に記載の受発光素子。
4. 前記フォトダイオードは、列状に複数設けられ、
   前記発光ダイオードは、前記フォトダイオードの配列方向に沿って複数設けられ、
   前記介在部は、複数の前記発光ダイオードと複数の前記フォトダイオードとの間に、前記フォトダイオードおよび前記発光ダイオードの配列方向に沿って連続して設けられている、請求項１または２に記載の受発光素子。
5. 前記介在部の上面は、前記基板の前記一主面と同一面となっている、請求項１または２に記載の受発光素子。
6. 前記フォトダイオードは、前記発光ダイオードを囲むように複数配置されている、請求項１，２および５のいずれかに記載の受発光素子。
7. 前記フォトダイオードは複数あり、
   前記介在部は、個々の前記フォトダイオードが前記発光ダイオードと対向する領域と、個
   々の前記フォトダイオードが他の前記フォトダイオードと対向する領域とに配置されている、請求項１，２，５および６のいずれかに記載の受発光素子。
8. 前記発光ダイオードと前記フォトダイオードとの間に配置された、前記発光ダイオードと同程度の高さを有し、前記発光ダイオードが発する光に対して透光性を有さない突起部をさらに有する、請求項１，２，５，６および７のいずれかに記載の受発光素子。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の受発光素子を備えたセンサ装置であって、
   前記発光ダイオードからの光を検出対象物に照射し、該検出対象物からの反射光を前記フォトダイオードへ入射させ、該フォトダイオードから発生する光電流を計測することで、前記検出対象物の位置を検出するセンサ装置。
   

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