JP5822688B2 - Light emitting / receiving element - Google Patents
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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。 The present invention relates to a light emitting / receiving element in which a light emitting element and a light receiving element are integrally formed on the same substrate.
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。 Sensor devices that irradiate light from a light emitting element to a measurement object, detect reflected light from the measurement object by a light receiving element, and measure the optical characteristics of the measurement object are used in a wide range of fields. For example, it is used in various applications such as a photo interrupter, a photo coupler, a remote control unit, an IrDA (Infrared Data Association) communication device, an optical fiber communication device, and a document size sensor.
このようなセンサ装置において、例えば、カラーとモノクロとの双方のトナーを感知するトナーセンサ等、発光素子から測定対象に照射した光の正反射光および散乱反射光(拡散反射光)の双方を受光する必要がある場合には、特許文献1に示すように受光素子を2つ設けていた。 In such a sensor device, for example, both regular reflection light and scattered reflection light (diffuse reflection light) of light irradiated from a light emitting element to a measurement object, such as a toner sensor that senses both color and monochrome toner, are received. In the case where it is necessary to do so, two light receiving elements are provided as shown in Patent Document 1.
一方で、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め、特許文献2に示すように同一基板に発光素子と受光素子とを形成した受発光素子アレイが提案されている。 On the other hand, in order to receive more accurate specular reflection light or diffuse reflection light, it is preferable that the light emitting element and the light receiving element are arranged closer to each other. A light emitting / receiving element array in which a light emitting element and a light receiving element are formed has been proposed.
しかし、正反射光および拡散反射光の両方を正確に受光するために、1つの基板に2つの受光素子を設ける場合には、一般に、受光素子は発光素子に比べて大きいため、受発光素子の大型化を招いていた。そこで、本発明は、正反射光および散乱反射光の双方を受光することのできる、小型な受発光素子を提供することを目的とする。 However, when two light receiving elements are provided on one substrate in order to accurately receive both regular reflection light and diffuse reflection light, the light receiving elements are generally larger than the light emitting elements. Inviting an increase in size. Therefore, an object of the present invention is to provide a small light emitting / receiving element capable of receiving both regular reflection light and scattered reflection light.
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り、傾斜面およびこれに続く底面で構成された窪み部を一主面に有する基板と、前記基板の前記一主面に設けられた発光ダイオードと、前記窪み部の前記底面に設けられた第1フォトダイオードと、前記窪み部の前記傾斜面に設けられた第2フォトダイオードとを有するものである。 A light emitting / receiving element according to an embodiment of the present invention is made of a semiconductor material of one conductivity type, and includes a substrate having, on one main surface, a depression portion formed by an inclined surface and a bottom surface following the inclined surface, and the one main surface of the substrate. A light emitting diode provided on a surface; a first photodiode provided on the bottom surface of the recess; and a second photodiode provided on the inclined surface of the recess.
本発明によれば、小型の受発光素子を提供することができる。 According to the present invention, a small light emitting / receiving element can be provided.
以下、本発明に係るセンサ装置の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。 Hereinafter, an embodiment of a sensor device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の受発光素子1の一実施形態を示す断面図であり、図2は受発光素子1の上面図であり、図3は受発光素子1の発光ダイオード3の要部拡大断面図である。なお、各図において、構成の明確な図示のために、各構成要素の大きさの比率は実際の寸法と異なることがある。また、図2において、各部位の構成の明確な図示のために、受発光素子1の上方に位置する構成要素の図示を省略している。なお、図1は、図2のI−I線における矢視断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of the light receiving / emitting element 1 of the present invention, FIG. 2 is a top view of the light receiving / emitting element 1, and FIG. FIG. In each figure, the ratio of the size of each component may be different from the actual size for clear illustration of the configuration. Further, in FIG. 2, illustration of components located above the light emitting / receiving element 1 is omitted for clear illustration of the configuration of each part. FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line II in FIG.
図1〜図3に示すように、発光素子1は、基板2と、発光ダイオード3と、第1フォトダイオード4と、第2フォトダイオード5と、を有する。ここで、受発光素子1とは、基板2の一主面2a側に少なくとも1つの第1フォトダイオード(受光素子)4,少なくとも1つの第2フォトダイオード(受光素子)5,および少なくとも1つの発光ダイオード(発光素子)3を設けたものを言う。
As shown in FIGS. 1 to 3, the light emitting element 1 includes a
基板2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、例えば10Ω以下、より好ましくは1〜5Ωの電気抵抗を有することが好ましい。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。
The
そして、この基板2の一主面2aには、窪み部2bが形成されている。この窪み部2bは、傾斜面2b1とこれに続く底面2b2とで構成されている。この例では、窪み部2bは長手方向を(D1方向)を有する形状となっている。具体的には矩形状となっており、窪み部2bに応じた形状の底面2b2を有している。
A
このような基板2の窪み部2bの底面2b2には、第1フォトダイオード4が配置される。この例では、第1フォトダイオード4は複数あり、底面2b2の長手方向に沿って直線状に配列している。
The
基板2の主面2aには、発光ダイオード3を配置している。この例では、複数の発光ダイオード3が窪み部2bの長手方向(D1方向)に直線状に配列している。
A
そして、基板2の窪み部2bの傾斜面2b1には、第2フォトダイオード5が配置される。この例では、第2フォトダイオード5は複数あり、傾斜面2b1の長手方向に沿って直線状に配列している。すなわち、第1フォトダイオード4の配列方向に沿って配置されている。より具体的には、第2フォトダイオード5は、平面視で、最も近接する第1フォトダイオード4と発光ダイオード3との間に配置されている。すなわち、この例では、個々の発光ダイオード3,第1フォトダイオード4,第2フォトダイオード5がD2方向において一直線上に配置されている。言い換えると、第2フォトダイオード5は、最も近接する発光ダイオード3と第1フォトダイオード4との間に位置している。
The
ここで、基板2の主面2aの上方において、不図示の光学系を設けることにより、発光ダイオード3からの光を測定対象体に照射する。そして、測定対象体からの正反射光を第1フォトダイオード4で測定する(図1(a))。同様に、測定対象体からの散乱反射光の少なくとも一部を第2フォトダイオード5で測定する(図1(b))。光学系は、一般的なレンズにより実現できる。例えばプリズムや集光レンズ等が挙げられる。このような光学系の設計は、光線追跡法を用いて行われ、所望の形状を有するものを形成することができる。なお、このような光学系は、個々の発光ダイオード3に対して設けてもよいし、複数の発光ダイオード3に対して共通のものとしてもよい。
Here, by providing an optical system (not shown) above the
このような構成とすることにより、第1フォトダイオード4により発光ダイオード3からの光を検出して、鏡面反射光の変化を確認することができる。すなわち、プリンタ用のトナーセンサとして用いる場合には、黒トナーの付着により鏡面反射光(正反射光)が大幅に減少する現象に着目し、発光ダイオード3の正反射光の光量を検出することにより黒トナーの付着の有無、トナーの濃度を検出することができる。さらに、第2フォトダイオード5により発光ダイオード3からの光を検出して、散乱反射光の変化を確認することができる。すなわち、プリンタ用のトナーセンサとして用いる場合には、カラートナーの付着により散乱反射光が大幅に増加する現象に着目し、第2発光ダイオード4の散乱反射光の光量を検出することによりカラートナーの付着の有無、トナーの濃度を検出することができる。ここで、第2フォトダイオード5は傾斜面2b1に配置されていることから、第1フォトダイオード4から大きく離して配置しなくても散乱反射光を受けることができる。そして、傾斜面2b1に配置することにより、受光面を十分にとっても平面視における占有スペースは少ないため、小型化に寄与することができる。さらに、第2フォトダイオード5を、斜面2b1のうち第1フォトダイオード4から見て発光ダイオード3側に配置することにより、正反射光の混入を抑制することができるので、より正確に散乱反射光を受光することができる。
With this configuration, it is possible to detect the light from the
なお、図1において、矢印により正反射光および散乱反射光の軌跡を示している。 In addition, in FIG. 1, the locus | trajectory of regular reflected light and scattered reflected light is shown by the arrow.
特に、受光素子の1つを斜面2b1に配置していることから、受光素子を2つ用いた場合であっても小型なセンサを提供することができる。さらに、受発光素子1を用いていることから、受光素子、発光素子を別部品で構成する場合に比べて、著しく小型化することができる上に、複数の発光ダイオード3,フォトダイオード4,5を近接配置することにより、正確に正反射光及び散乱反射光を検出することができる。
In particular, since one of the light receiving elements is arranged on the slope 2b1, a small sensor can be provided even when two light receiving elements are used. Furthermore, since the light emitting / receiving element 1 is used, the light receiving element and the light emitting element can be remarkably reduced in size as compared with the case where the light receiving element and the light emitting element are configured as separate parts, and a plurality of
また、本実施形態によれば、半導体基板2に直接発光ダイオード3および第1および第2フォトダイオード4,5を作りこんでおり、別部品を基板上に実装するものに比べ、大幅に小型化することができ、狭ピッチでアレイ化が可能となる。また、アレイ化することで受光量の測定量の平均化が可能となる。さらに、トナー塗布範囲を狭くすることが出来るのでトナー塗布量を減少させることが出来る。
In addition, according to the present embodiment, the
さらに、フォトダイオード4,5を窪み部2bに設けていることにより、発光ダイオード3から基板2の表面を伝う漏れ電流の経路を長く、かつ異なる結晶面を経由させることができる。これにより、発光ダイオード3からフォトダイオード4,5への漏れ電流の伝達を抑制することができ、精度の高い受発光素子1を提供することができる。
Furthermore, by providing the
以下に、各部位の詳細な構成について説明する。 Below, the detailed structure of each site | part is demonstrated.
基板2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1×1014〜2×1017atoms/ccとしている。より好ましくは、Pの濃度を8×1014〜5×1015atoms/ccとする。このような濃度範囲とすれば、基板2の抵抗を1〜5Ω・cmとすることができる。
The
窪み部2bは、物理的・化学的エッチングや、機械的手法により適宜設ければよいが、基板2としてSi基板を用いるときには、異方性エッチングにより形成すれば、精度の高い窪み部2bを生産性よく形成することができる。
The
発光ダイオード3は、基板2上に、バッファ層31,n型コンタクト層32,n型クラッド層33,活性層34,p型クラッド層35,p型コンタクト層36,キャップ層37
を基板2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31の下には、後述するように基板2に不純物を拡散して形成したn型不純物拡散領域2nが存在している。
The
Are stacked in this order from the
バッファ層31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。
The
n型コンタクト層32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32のドーピング濃度を1×1018〜2×1018atoms/ccとしている。図3に示すように、n型コンタクト層32の上面の一部分は、n型クラッド層33,活性層34,p型クラッド層35,p型コンタクト層36,キャップ層37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。
The n-
n型クラッド層33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33のドーピング濃度を1×1017〜5×1017atoms/ccとしている。 The n-type cladding layer 33 is made of AlGaAs doped with an n-type impurity, and has a thickness of 0.3 to 0.5 μm. An example of the n-type impurity is Si, and the doping concentration of the n-type cladding layer 33 is 1 × 10 17 to 5 × 10 17 atoms / cc.
活性層34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。
The
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1×1018〜2×1018atoms/ccとしている。
The p-
p型コンタクト層36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36のドーピング濃度を1×1019〜5×1020atoms/ccとしている。
The p-
キャップ層37は、不純物がドーピングされていないGaAsからなり、0.01〜0.03μmの厚さを有している。
The
発光ダイオード3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2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。
Each of the semiconductor layers constituting the
キャップ層37の上面の一部分には、第1電極6が接続されている。この第1電極6は、絶縁膜13上に延び、各発光ダイオード3のキャップ層37に対して個別に設けられている。また、第1電極6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。
The
n型コンタクト層32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2に示すように列状に配置された各発光ダイオード3のn型コンタクト層32間を接続している。なお、図2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。
The second electrode 11 is connected to a part of the upper surface of the n-
第1電極6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35とn型クラッド層33とでpn接合を形成する発光ダイオード3に電流が供給され、活性層34,44が発光するようになっている。このとき、複数の第1電極6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6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6に接続された発光ダイオード3を発光させることができる。
The
なお、発光ダイオード3は、図3に示すように、第2電極11とn型コンタクト層32との接触部分、並びに第1電極6とキャップ層37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6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2の表面上にも絶縁膜13が形成されており、基板2と、第1電極6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、SiNx、SiO2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。
As shown in FIG. 3, the
次に、基板2に設けられた複数の第1および第2フォトダイオード4,5について説明する。この例では、第1フォトダイオード4と第2フォトダイオード5とは、配置位置が異なるのみで同様の構成を有するため、第1フォトダイオード4を例にその構成について説明する。図2に示すように、第1フォトダイオード4は、発光ダイオード3と離間して設けられ、発光ダイオード3の配列方向に沿って、発光ダイオード3と対応するように半導体基板2の窪み部2bの底面2b2に列を成して配置されている。各第1フォトダイオード4は、図3に示すように、基板2の上面(一方の主面)2aに形成されたp型半導体領域4pを設けることにより、n型の基板2とでpn接合を形成して構成される。
Next, the plurality of first and
p型半導体領域4pは、半導体基板2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Zn,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型半導体領域4pのドーピング濃度を1×1018〜1×1022atoms/ccとしている。
The p-
p型半導体領域4p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型半導体領域4p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2との絶縁性が確保されている。
A
このとき、第1フォトダイオード4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。
At this time, when light enters the
ここで、本実施形態では、基板2の一主面2aには、発光ダイオード3が配置された領域と窪み部2bとの間に遮断領域2cが形成されている。ここで遮断領域2cは、発光ダイオード3からの漏れ電流が半導体性の基板2の表面を伝い、フォトダイオード4,5に到達することを抑制するためのものであり、発光ダイオード3とフォトダイオード4,5とを電気的に分離するものである。フォトダイオード4,5を窪み部2bに設けることによる漏れ電流の混入の抑制に加えて、遮断領域2cによりさらなる漏れ電流の抑制を行なう。この例では、逆導電型の遮断領域2cが形成されている。
Here, in the present embodiment, on one
遮断領域2cは、発光ダイオード3が配置された領域とフォトダイオード4,5が配置された窪み部2bとの間に連続して設けられればよい。発光ダイオード3およびフォトダイオード4,5が複数ある場合には、発光ダイオード3に対して、複数のフォトダイオード4,5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ればよいが、この
例では、複数の発光ダイオード3の配列方向と複数のフォトダイオード4,5の配列方向とに沿って、連続して設けられている。
The blocking
ここで遮断領域2cは、基板2と逆導電型(p型)の半導体領域となっている。このため、基板2上において発光ダイオード3からフォトダイオード4,5までの結ぶ経路の途中に逆導電型の半導体領域が存在することとなり、発光ダイオード3からの漏れ電流がフォトダイオード4,5に到達することを抑制することができる。
Here, the blocking
より詳細には、この遮断領域2cは、外部の駆動回路から発光ダイオード3へ供給された電流が、半導体基板2を介してフォトダイオード4,5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3からの漏れ電流が、フォトダイオード4,5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4,5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、このような遮断領域2c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。
More specifically, the blocking
具体的には、遮断領域2cは、半導体基板2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Zn,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1×1018〜1×1022atoms/ccとしている。
Specifically, the blocking
遮断領域2cの好適な深さ方向における厚みは、基板2の材質や抵抗率等によって変わる。発光ダイオード3からの漏れ電流は主に基板2の表面に流れるため、基板2の上面2a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、窪み部2bの深さ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2の表面2aを伝う漏れ電流に加え、基板2の内部を通りp型半導体領域4p,5pに到達する漏れ電流を遮断することができる。
The preferred thickness in the depth direction of the blocking
また、遮断領域2c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領域の深さ位置が、p型半導体領域5pが存在する深さ範囲と重複することが好ましい。
When there is a concentration distribution of impurity concentration in the thickness direction (depth direction) of the blocking
遮断領域2cの、発光ダイオード3とフォトダイオード4,5との離間方向における好適な幅(図2における左右方向の幅)は、発光ダイオード3からフォトダイオード4,5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。ただし、遮断領域2c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3と最も近接するフォトダイオード5との距離未満であり、発光ダイオード3からフォトダイオード5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3や複数のフォトダイオード4,5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3と最も近接するフォトダイオード4,5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3とフォトダイオード5との離間方向における幅」は、複数の発光ダイオード3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。
A suitable width (width in the left-right direction in FIG. 2) in the separation direction of the light-emitting
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。 Next, an embodiment of a method for manufacturing the light emitting / receiving element 1 configured as described above will be described.
まず、主面2aが100面の基板2を準備する。次に、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、KOHによるウェットエッチング法により、窪み部2bを形成する。ここでSiの異方性エッチングを行なうことに
より、エッチングにより露出する111面を傾斜面2b1とすることができる。また、エッチング時間の調整により、窪み部2bを所望の深さ、所望の大きさの底面2b2を有するものとすることができる。
First, the
次に、熱酸化法を用いて基板2上にSiO2からなる拡散阻止膜Sを形成する。
Next, a diffusion blocking film S made of SiO 2 is formed on the
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型半導体領域5p,遮断領域2c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。
Next, a photoresist (not shown) is applied on the diffusion blocking film S, a desired pattern is exposed and developed by a photolithography method, and then a p-
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2の内部に拡散させ、p型半導体領域4p,5pおよび遮断領域2c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600〜1200度の温度で熱拡散させる。この熱拡散は、一定の雰囲気・温度で一段階で行なってもよいし、数段階に分けて行なってもよい。具体的には、酸素雰囲気中で、前述の温度範囲の低温側の温度領域において熱処理後、窒素雰囲気中で、前述の温度範囲の高温側の温度領域において熱処理を行なってもよい。その後、拡散阻止膜Sを除去する。
Then, a polyboron film PBF is applied on the diffusion barrier film S. Subsequently, by using a thermal diffusion method, B contained in the polyboron film PBF is diffused into the
次に、基板2をMOCVD装置の反応炉内で熱処理することにより、基板2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。
Next, the natural oxide film formed on the surface of the
次いで、MOCVD法を用いて、発光ダイオード3を構成する各半導体層を基板2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3を形成する。なお、このとき、n型コンタクト層32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。
Next, each semiconductor layer constituting the
次に、熱酸化法、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3の露出面及び半導体基板2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6、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。
Next, an insulating
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6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6,15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。
Next, after applying a photoresist film (not shown) on the insulating
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。 The light emitting / receiving element 1 according to the present embodiment is obtained by dicing a plurality of light emitting / receiving elements 1 into a disc-shaped wafer and then dividing it.
ここで、受発光素子1のように、遮断領域12cの厚みを窪み部2bの深さに比べて厚くするためには、上述のp型半導体領域5pおよび遮断領域2cを形成する工程において、まず、遮断領域2cを形成する領域のみにp型の不純物を拡散させた後、次にp型半導
体領域4p,5p,遮断領域2cを形成する領域に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、遮断領域2cの厚みを厚くすることができる。
Here, in order to increase the thickness of the blocking region 12c as compared with the depth of the recessed
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型半導体領域4p,5pを形成する領域において拡散防止膜を薄層化し、遮断領域2cを形成する領域において開口部としたり、拡散防止膜の厚みを、p型半導体領域4p,5pを形成する領域において、p型半導体領域4p,5pを形成する領域よりも薄くなるようにしたりしてもよい。
In addition to performing the diffusion of the p-type impurity in two stages, the thickness may be adjusted by the thickness of the diffusion prevention film. Specifically, the diffusion prevention film is thinned in the region where the p-
本実施形態に係る受発光素子1によれば、半導体基板2の上面(一方の主面)2aにおける発光ダイオード3とフォトダイオード4,5との間の位置に遮断領域2cが形成されているため、発光ダイオード3の駆動時に供給された電流が、半導体基板2を介してフォトダイオード4,5へ流入するのを抑制することができる。
According to the light emitting / receiving element 1 according to the present embodiment, the blocking
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4,5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3からの正反射光に加え拡散反射光をも検出するときに、遮断領域2c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。
Further, according to the light receiving and emitting element 1 according to the present embodiment, the
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2に発光ダイオード3およびフォトダイオード4,5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3とフォトダイオード4,5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3とフォトダイオード4,5との間に遮断領域2c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。
Further, according to the light emitting / receiving element 1 according to the present embodiment, the
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型半導体領域4p,5pの製造と同時に遮断領域2c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。
Furthermore, according to the method for manufacturing the light emitting / receiving element 1 according to the present embodiment, since the blocking
そして、このような受発光素子1を用いたセンサ装置によれば、小型で高感度のものとすることができる。 And according to the sensor apparatus using such a light emitting / receiving element 1, it can be made small and highly sensitive.
以下、上述の実施形態に係るセンサ装置の使用方法について説明する。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(被照射体)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。 Hereinafter, a method of using the sensor device according to the above-described embodiment will be described. In the following, a case where the light emitting / receiving element 1 is applied to a sensor device that detects the position of the toner T (irradiated body) attached on the intermediate transfer belt V in an image forming apparatus such as a copier or a printer is taken as an example. explain.
受発光素子1の基板2の主面と垂直方向に間隔をあけて、発光ダイオード3,フォトダイオード4,5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3からの発光は、この光学系を介して、受発光素子1の基板2の主面2aと対向して配置される照射体である中間転写ベルト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、散乱反射光を含む)を光学系を介してフォトダイオード4,5によって受光する。フォトダイオード5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。
Optical systems corresponding to the light-emitting
なお、本発明に係るセンサ装置は、アレイ化に適した構成となっている。より詳しくは、複数の発光ダイオード(3)、複数のフォトダイオード(4,5)を有するときの配線配置の観点でアレイ化に適した構成となっている。 The sensor device according to the present invention has a configuration suitable for arraying. More specifically, the configuration is suitable for arraying from the viewpoint of wiring arrangement when a plurality of light emitting diodes (3) and a plurality of photodiodes (4, 5) are provided.
具体的には、本発明に係る受発光素子1によれば、発光ダイオード3、フォトダイオード4,5は、外側に配線を引き出すことができる。これにより、不図示の外部回路とボンディングワイヤにより接続することができる。この例では、フォトダイオード4,5に接続されている第3電極15を、発光ダイオード3が配置された領域と反対側の窪み部2bの外側まで引き出している。これら第3電極をアノードとして機能させる。そして、フォトダイオード4,5共通のカソードとして導体層18を設けている。導体層18は、発光ダイオード3が配置された領域と反対側の窪み部2bの外側に配置された幅広のパッドと、窪み部2bの底面2b2に、平面視で第1フォトダイオード4と第2フォトダイオード5との間に配置された幅広のパッドと、両パッドを電気的に接続する幅細のライン部と、を有している。ここで、平面視で第1フォトダイオード4と第2フォトダイオード5との間に幅広のパッドを設けることで、カソードを第2フォトダイオード5に近接配置させることができ、第2フォトダイオード5の光電流を精度よく検出することができる。特に、散乱反射光を検出する第2フォトダイオード5は、検出する光電流の強度が小さいが、このようにカソードとして機能するパッドを近接配置してもアレイ化することができるので、高精度で小型の受発光素子1を提供することができる。
Specifically, according to the light receiving and emitting element 1 according to the present invention, the
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
例えば、上述の例では、発光ダイオード3,第1フォトダイオード4および第2フォトダイオード5がそれぞれ複数ある場合を例に説明したが、それぞれを1つずつ有するものとしてもよい。
For example, in the above-described example, a case where there are a plurality of the
また、上述の例では、複数の発光ダイオード3は直線状に配置されていたが、千鳥状であってもよい。また上述の例では、個々の発光ダイオード3,第1フォトダイオード4,第2フォトダイオード5が一直線上に並ぶ配置としたが、一直線上に並ばなくてもよい。
Moreover, in the above-mentioned example, although the some
また、上述の例では基板2の発光ダイオード3が形成された領域と窪み部2bとの間に逆導電型不純物を拡散させて遮断領域2cを形成したが、図4に示すように、遮断領域2cに代えて溝2dを形成してもよい。溝2dにより、発光ダイオード3からの漏れ電流が窪み部2bに配置されたフォトダイオード4,5へ伝達することを防ぐことができる。
In the above example, the blocking
また、上記実施形態では、フォトダイオード4,5はpn型としたが、p型半導体領域5pと、このp型半導体領域5pと離間して基板2の上面(傾斜面2b1、底面2b2)に形成されたn型半導体領域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。特に、受光量の多い第1フォトダイオード4をPIN型として、受光量の少ない第2フォトダイオード5をpn型とすることが好ましい。
In the above embodiment, the
また、一導電型および逆導電型を逆としてもよい。 Further, the one conductivity type and the reverse conductivity type may be reversed.
さらに、上述の実施例では、複数の第1フォトダイオード4および第2フォトダイオード5とを1つの窪み部2bに設けた例を用いて説明したが、1つの第1フォトダイオード4および1つの第2フォトダイオード5の1セットに対して、個別に窪み部2bを形成してもよい。
Further, in the above-described embodiment, the description has been given using the example in which the plurality of
1 受発光素子
2 基板
2a 一方の主面(上面)
2b 窪み部
2b1 傾斜面
2b2 底面
2c 遮断領域
2d 溝
3 発光ダイオード
4 第1フォトダイオード
5 第2フォトダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light emitting / receiving
2b hollow 2b1 inclined surface 2b2 bottom 2c blocking
Claims (5)
前記基板の前記一主面のうち前記窪み部を除く領域に設けられた発光ダイオードと、
前記窪み部の前記底面に設けられた第1フォトダイオードと、
前記窪み部の前記傾斜面に設けられた第2フォトダイオードとを有する、受発光素子。 A substrate made of a semiconductor material of one conductivity type, and having a depression formed on an inclined surface and a bottom surface following the inclined surface, on one main surface;
A light emitting diode provided in a region of the one main surface of the substrate excluding the recessed portion ;
A first photodiode provided on the bottom surface of the recess,
A light emitting / receiving element comprising: a second photodiode provided on the inclined surface of the recess.
複数の前記発光ダイオードは、直線状に配列され、
複数の前記第1フォトダイオードは、前記発光ダイオードの配列方向に沿って配置され、複数の前記第2フォトダイオードは、前記発光ダイオードの配列方向に沿って配置されている、請求項1乃至4のいずれかに記載の受発光素子。 There are a plurality of the light emitting diodes, the first photodiodes, and the second photodiodes, respectively.
The plurality of light emitting diodes are arranged in a straight line,
The plurality of first photodiodes are arranged along the arrangement direction of the light emitting diodes, and the plurality of second photodiodes are arranged along the arrangement direction of the light emitting diodes. The light emitting / receiving element according to any one of the above.
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