JP6030656B2 - 受発光素子およびこれを用いたセンサ装置 - Google Patents

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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。
ところが、このようなセンサ装置では、発光素子の発した光が直接受光素子に照射されることから、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は、一導電型半導体からなる基板と、該基板の上面に一導電型半導体層と逆導電型半導体層とを含む複数の半導体層が積層されてなる発光素子と、前記基板の上面側に逆導電型の不純物がドーピングされた逆導電型半導体領域を有してなる受光素子と、前記基板、前記一導電型半導体層、前記逆導電型半導体層および前記逆導電型半導体領域の少なくとも１つのそれぞれに接続された少なくとも１つの電極パッドと、該電極パッドの上面に接合された金属塊とを備えている。この前記電極パッドの少なくとも１つは、前記金属塊が前記発光素子から発せられて前記受光素子に向かう光を遮るように、前記電極パッドが前記基板に接続されたものである場合は前記発光素子と前記受光素子との間における前記基板の上面に、前記電極パッドが前記一導電型半導体層、前記逆導電型半導体層または前記逆導電型半導体領域に接続されたものである場合は絶縁層を介して前記基板の上面に配置されている。
本発明のセンサ装置は、上述した受発光素子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。
（ａ）は、本発明の受発光素子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を構成する受光素子の断面図である。 図１に示した受発光素子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の第１変形例を示す要部平面図である。 図１に示した受発光素子の第２変形例を示す要部平面図である。 （ａ）は、図１に示した受発光素子の第３変形例を示す要部平面図である。（ｂ）は、図１に示した受発光素子の第４変形例を示す要部平面図である。 図１に示した受発光素子の第５変形例を示す要部平面図である。
以下、本発明の受発光素子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とを有している。
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特に限定はない。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。
基板２の上面に、発光素子３ａが配置されており、発光素子３ａに対応して受光素子３ｂが配置されている。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、基板２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、基板２の上面には、基板２と基板２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、基板２と基板２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、基板２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、ひいては基板２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、基板２と基板２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１×１０１６〜１×１０ ２０ａｔｏｍｓ／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（第１電極３１ａ）を介して、発光素子側第１電極パッド３１Ａ（第１電極パッド３１Ａ）に接続されている。第１電極パッド３１Ａは金属塊３４を介して外部電源と電気的に接続されている。本例では、金（Ａｕ）線によるワイヤボンディングによって第１電極パッド３１Ａと外部電源が接続されており、本例の金属塊３４とは、第１電極パッド３１Ａに接合された金（Ａｕ）バンプのことである。図にはワイヤボンディングの金（Ａｕ）バンプである金属塊３４のみを記載し、ワイヤは簡便のために省略している（後に説明するその他の図においても同じ）。金（Ａｕ）線の代わりにアルミニウム（Ａｌ）線、銅（Ｃｕ）線などのワイヤを選択することも可能である。また、本例ではワイヤボンディングの代わりに、電気配線をはんだなどによって第１電極パッド３１Ａと接合してもよいし、第１電極パッド３１Ａの上面に金スタッドバンプを形成して、電気配線をはんだなどによってこの金（Ａｕ）スタッドバンプと接合してもよい。この場合の金属塊３４とは、それぞれはんだと、金（Ａｕ）スタッドバンプおよびはんだの接合材が相当する。ｎ型コンタクト層３０ｂは、ｎ型コンタクト層３０ｂに接続される第１電極３１ａとの接触抵抗を下げる機能を有している。
なお、金属塊３４の基板２の法線方向の厚みは、発光素子３ａの厚みよりも厚く設定するのが好ましい。金属塊３４の厚みを、発光素子３ａの厚みよりも厚く設定することによって、金属塊３４の上方を発光素子３ａの発した光が通過されて受光素子３ｂに照射される可能性が少なくなる。
第１電極３１ａおよび第１電極パッド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、基板２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、基板２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１×１０１６〜１×１０２ ０ａｔｏｍｓ／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い。ただし、活性層３０ｄ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る必要がある。
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（第２電極３１ｂ）を介して、発光素子側第２電極パッド３１Ｂ（第２電極パッド３１Ｂ）に接続されている。第２電極パッド３１Ｂは、発光素子第１側電極パッド３１Ａと同様に、金属塊３４を介して外部電源と電気的に接続されている。接続方法と接合形態のバリエーションは第１電極パッド３１Ａの場合と同様である。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、ｐ型コンタクト層３０ｆの上面には、ｐ型コンタクト層３０ｆの酸化を抑制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。
第２電極３１ｂおよび第２電極パッド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。そして、基板２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、基板２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、第１電極パッド３１Ａと第２電極パッド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、光源として機能する。
受光素子３ｂは、図２（ｂ）に示すように、基板２の上面にｐ型半導体領域３２を設けることによって、ｎ型の基板２とでｐｎ接合を形成して構成される。ｐ型半導体領域３２は、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１×１０１６〜１×１０２ ０ａｔｏｍｓ／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（第３電極３３ａ）を介して受光素子側第１電極パッド３３Ａ（第３電極パッド３３Ａ）と電気的に接続されており、ｎ型半導体である基板２には、受光素子側第２電極パッド３３Ｂ（第４電極パッド３３Ｂ）が電気的に接続されている。
第３電極３３ａおよび第３電極パッド３３Ａは、基板２の上面に絶縁層８を介して配置されているため、基板２と電気的に絶縁されている。一方、第４電極パッド３３Ｂは基板２の上面に配置されている。
第３電極３３ａ、第３電極パッド３３Ａ、第４電極パッド３３Ｂ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。
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、この光電流を第３電極パッド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、第３電極パッド３３Ａと第４電極パッド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。
ここで、第１電極パッド３１Ａ、第２電極パッド３１Ｂ、第３電極パッド３３Ａおよび第４電極パッド３３Ｂの配置について説明する。
本例の場合、発光素子３ａと受光素子３ｂとの間における基板２の上面に絶縁層８を介して第２電極パッド３１Ｂが配置されている。そして、第１電極パッド３１Ａは、第２電極パッド３１Ｂとで発光素子３ａを挟むように、第３電極パッド３３Ａおよび第４電極パッド３３Ｂは、第２電極パッド３１Ｂとで受光素子３ｂを挟むように配置されている。第１電極パッド３１Ａおよび第３電極パッド３３Ａは基板２の上面に絶縁層８を介して、第４電極パッド３３Ｂは基板２の上面に配置されている。
第２電極パッド３１Ｂを発光素子３ａと受光素子３ｂとの間における基板２の上面に絶縁層８を介して配置することにより、発光素子３ａから発せられて受光素子３ｂに向かう光は、第２電極パッド３１Ｂの上面に接合された金属塊３４によって遮られる。よって、発光素子３ａの発する光が直接受光素子３ｂに照射されることを抑制することができ、センシング性能の高い受発光素子を実現することができる。
なお、本例では発光素子３ａと受光素子３ｂとの間における基板２の上面に絶縁層８を介して第２電極パッド３１Ｂを配置したが、第１電極３１ａ、第３電極パッド３３Ａまたは第４電極パッド３３Ｂのいずれかを配置してもよい。第４電極パッド３３Ｂを配置する場合には、絶縁層８を介することなく基板２の上面に配置することに留意する。
また、基板上に位置する発光素子３ａおよび受光素子３ｂは１つであってもよいし、複数であってもよい。
（受発光素子の製造方法）
次に、受発光素子１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基板２を準備する。そして、熱酸化法を用いて、基板２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、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、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）を基板２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、基板２をＭＯＣＶＤ（Metal-organic Chemical Vapor Deposition）装置の反応炉内で熱処理することによって、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℃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）を基板２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、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、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、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の露出面および基板２（ｐ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、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、ウェットエッチング法によって、後に説明する第１電極３１ａおよび第２電極３１ｂならびに第３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、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、抵抗加熱法やスパッタリング法などを用いて、第１電極３１ａ、第１電極パッド３１Ａ、第３電極３３ａ、第３電極パッド３３Ａおよび第４電極パッド３３Ｂ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、第１電極３１ａ、第１電極パッド３１Ａ、第３電極３３ａ、第３電極パッド３３Ａおよび第４電極パッド３３Ｂを所望の形状に形成する。同様に第２電極３１ｂおよび第２電極パッド３３Ｂもそれぞれ同様の工程によって形成する。
（センサ装置）
次に、受発光素子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１を、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または中間転写ベルト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、プリズムＰ１で屈折して中間転写ベルトＶまたは中間転写ベルト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、第３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、以上のように中間転写ベルトＶまたはトナー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で検出される光電流値に応じて、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。
例えば、図４に示した第１変形例のように、第２電極パッド３１Ｂが、発光素子３ａの受光素子３ｂに対向する辺と受光素子３ｂの発光素子３ａに対向する辺との一方端同士を結ぶ線分５０ａおよび他方端同士を結ぶ線分５０ｂと交わって配置されて、複数の金属塊３４（本変形例の場合は２つ）が接合されていてもよい。
このような構成とすることで、発光素子３ａの発する光が直接受光素子３ｂに照射されることをさらに抑制することができ、センシング性能の高い受発光素子を実現することができる。
なお、発光素子３ａおよび受光素子３ｂが複数の場合には、それぞれ受光素子３ｂおよび発光素子３ａ側から見たときに、両端に位置する発光素子３ａおよび受光素子３ｂの一方端と他方端とで線分５０ａおよび線分５０ｂとを作ればよい。つまり、発光素子３ａおよび受光素子３ｂが、線分５０ａおよび線分５０ｂをそれぞれ含む直線の間に配置されていなければならない。
また、図５に示した第２変形例のように、第２電極パッド３１Ｂが、発光素子３ａと受光素子３ｂとの間に沿って複数配置されており、複数の第２電極パッド３１Ｂは、発光素子３ａ側から受光素子３ｂ側を見たときに隣り合うもの同士の一部が重なっており、両端に位置する第２電極パッド３１Ｂのそれぞれは、発光素子３ａの受光素子３ｂに対向する辺と受光素子３ｂの発光素子３ａに対向する辺との一方端同士を結ぶ線分５０ａおよび他方端同士を結ぶ線分５０ｂと交わって配置されており、複数の第２電極パッド３１Ｂのそれぞれに少なくとも１つの金属塊３４が接合されていてもよい。なお、発光素子３ａ側から受光素子３ｂ側を見たときとは、側面視において発光素子３ａから受光素子３ｂに向かう方向に見たときをいう。
このような構成とすることで、発光素子３ａの発する光が直接受光素子３ｂに照射されることをさらに抑制することができ、センシング性能の高い受発光素子を実現することができる。
なお、第２変形例では、複数の電極パッドを第２電極パッド３１Ｂのみで構成したが、第１電極パッド３１Ａ、第３電極パッド３３Ａおよび第４電極パッド３３Ｂであってもよいし、これらの電極パッドをどのように組み合わせてもよいし、それぞれの電極パッドの数も適宜設定すればよい。
さらに、図６（ａ）、（ｂ）に示した第３変形例、第４変形例のように、複数の金属塊３４は、発光素子３ａ側から受光素子３ｂ側を見たときに隣り合うもの同士の一部が重なっていてもよい。
このような構成とすることで、発光素子３ａ側から受光素子３ｂ側を見たときに金属塊３４同士が隙間なく配置されていることになるため、発光素子３ａの発する光が直接受光素子３ｂに照射されることをさらに抑制することができ、センシング性能の高い受発光素子を実現することができる。
なぜならば、発光素子３ａから発せられた光で、線分５０ａおよび線分５０ｂで挟まれる領域の上方を通過するものは受光素子３ｂに照射される可能性のある光であるため、この領域の上方を通過する光を遮れば、発光素子３ａから発せられた光は受光素子３ｂに照射されることはない。
また、図７に示した第５変形例のように、受発光素子１は、配線基板４０の上面に、発光素子３ａおよび受光素子３ｂとを備えた基板２と、基板２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受光素子側レンズ６ａおよび発光素子側レンズ６ｂとを支持する上壁７とを有していてもよい。
そして、遮光壁５は基板２に対向する下面５ｃを有し、基板２と遮光壁５の下面５ｃとの間隔は、金属塊３４の発光素子側第１電極パッド３１Ｂの法線方向の厚みよりも小さくされていてもよい。
配線基板４０は、基板２および外部装置とそれぞれ電気的に接続されて、基板２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、基板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。
外壁４は、配線基板４０の上面に、基板２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が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以外の光が入射するのを抑制したり、配線基板４０および基板２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）ポリカーボネート樹脂（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基板２の奥行および幅の寸法と同じでもよいし、異なっていてもよい。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。
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１を受発光素子１側から配線基板４０を見たときに、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の発した光が、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、配線基板４０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が形成されている基板２に当接することがないことから、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。
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（第１面５ａ）と、受光素子３ｂ側に位置する受光素子側遮光面５ｂ（第２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。
第５変形例の第１面５ａおよび第２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。第５変形例では、基板２の上面の法線方向、ならびに発光素子３ａと受光素子３ｂの間に沿って配置されて、外壁４と当接している。発光素子３ａと受光素子３ｂの間に沿った長さは、少なくとも発光素子３ａ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。
遮光壁５は、外壁４と同様の材料を用いることができる。
上壁７は、配線基板４０および基板２を覆うように配置される。第５変形例の上壁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と同様の材料を用いることができる。
なお、第５変形例の外壁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。
第５変形例のレンズ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３２ａ側から基板２を平面視した場合のｐ型半導体領域３２ａ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側から基板２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。
なお、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、第５変形例では、上壁７、レンズ６ａおよび６ｂを有しているが、受発光素子１と被照射物が近距離で設置される場合などは、上壁７、レンズ６ａおよび６ｂは設けなくてもよい。
次に、第５変形例の製造方法について簡単に説明する。
上述した受発光素子製造方法に加えて、以下の工程により製造する。
第５変形例の配線基板４０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、セラミックグリーンシートを準備する。
次に、第１電極３１ａ、第１電極パッド３１Ａ、第２電極３１ｂ、第２電極パッド３１Ｂ、第３電極３３ａ、第３電極パッド３３Ａおよび第４電極パッド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、配線基板４０は樹脂からなるものでもよい。この場合の配線基板４０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、第１電極３１ａ、第１電極パッド３１Ａ、第２電極３１ｂ、第２電極パッド３１Ｂ、第３電極３３ａ、第３電極パッド３３Ａおよび第４電極パッド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、配線基板４０が完成する。
このように準備した、配線基板４０の上面にを基板２を配置する。配線基板４０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、配線基板４０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、ポリ塩化ビニル（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。
１ 受発光素子
２ 基板
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
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
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電極パッド
３１Ｂ 発光素子側第２電極パッド
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電極パッド
３３Ｂ 受光素子側第２電極パッド
３３ａ 受光素子側第１電極
３４ 金属塊
４０ 配線基板
５０ａ 第１線分
５０ｂ 第２線分
１００ センサ装置

Claims (7)

  1. 一導電型半導体からなる基板と、該基板の上面に一導電型半導体層と逆導電型半導体層とを含む複数の半導体層が積層されてなる発光素子と、前記基板の上面側に逆導電型の不純物がドーピングされた逆導電型半導体領域を有してなる受光素子と、前記基板、前記一導電型半導体層、前記逆導電型半導体層および前記逆導電型半導体領域のいずれかに接続された電極パッドと、
    該電極パッドの上面に接合された金属塊とを備え、
    前記電極パッドは、前記発光素子と前記受光素子との間に位置している受発光素子。
  2. 前記電極パッドは、前記発光素子における前記受光素子に対向する辺と前記受光素子における前記発光素子に対向する辺との一方端同士を結ぶ線分および他方端同士を結ぶ線分と交わって配置されており、
    前記電極パッドに複数の前記金属塊が接合されている請求項１に記載の受発光素子。
  3. 前記電極パッドは前記発光素子と前記受光素子との間に沿って複数配置されており、複数の前記電極パッドは、前記発光素子側から前記受光素子側を見たときに隣り合うもの同士の一部が重なっており、両端に位置する前記電極パッドのそれぞれは、前記発光素子の前記受光素子に対向する辺と前記受光素子の前記発光素子に対向する辺との一方端同士を結ぶ線分または他方端同士を結ぶ線分と交わっており、
    複数の前記電極パッドのそれぞれに少なくとも１つの前記金属塊が接合されている請求項１に記載の受発光素子。
  4. 複数の前記金属塊は、前記発光素子側から前記受光素子側を見たときに隣り合うもの同士の一部が重なっている請求項２または請求項３に記載の受発光素子。
  5. 前記基板の上面に前記発光素子および前記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て内側空間を前記発光素子および前記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さらに備え、
    該遮光壁は前記基板に対向する下面を有し、
    前記基板と前記遮光壁の下面との間隔は、前記金属塊の前記電極パッドの法線方向の厚みよりも小さい請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の受発光素子。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の受発光素子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を前記受光素子で受光 し、受光した光の強度に応じて、前記被照射物に関する情報を検出する、センサ装置。
  7. 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、請求項 ６に記載のセンサ装置。
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