JP6506164B2 - 受発光素子およびこれを用いたセンサ装置 - Google Patents

受発光素子およびこれを用いたセンサ装置 Download PDF

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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、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反射光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。
このようなセンサ装置において、例えば、特開２００６−２２６８５３号公報には、発光素子から被照射物に照射した光の正反射光を位置検出半導体素子（PSD：Position Sensitive Detector）および固体撮像素子（CCD：Charge Coupled Device）などの受光素子で受光して、入射光の受光面におけるスポット位置または光量分布の重心位置を検出することによって被照射物までの距離を測定するセンサ装置が記載されている。
しかし、このようなセンサ装置では、発光素子と受光素子とが独立していることから、センサ装置の組み立て時に正確な位置調整が必要なために生産性が悪く、正確な位置調整ができていない場合には正確な距離を測定できないといった問題点があった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、センシング性能が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、一導電型の半導体材料からなる基板と、複数の発光素子と、第１受光素子と、第２受光素子と、複数のレンズとを含む。前記複数の発光素子は、前記基板の第１面に設けられた、それぞれ前記基板の前記第１面に積層した複数の半導体層からなり、第１方向に配置されて発光素子列を構成する。前記第１受光素子は、前記基板の第１面に設けられた、前記基板の前記第１面に形成された逆導電型の不純物を含む逆導電型半導体領域を有するフォトダイオードである。前記第２受光素子は、前記複数の発光素子に対応して設けられ、前記基板の前記第１面に形成された逆導電型の不純物を含む第２逆導電型半導体領域を有する。前記複数のレンズは、前記複数の発光素子のそれぞれに対応して設けられ、前記複数の発光素子のそれぞれが発する光を集光する。前記第１受光素子は、前記発光素子列の一方端側に配置されている。前記第２受光素子は、前記発光素子列に沿って配置されている。前記基板と前記複数の発光素子のそれぞれとは一体的に形成されている。同様に、前記基板と前記第１受光素子とは一体的に形成されている。そして、前記複数のレンズのそれぞれを介して照射される前記複数の発光素子のそれぞれが発する光の光軸は、前記第１受光素子側に傾いている。
また、本発明のセンサ装置は、本発明の受発光素子を用いたセンサ装置であって、前記複数の発光素子のそれぞれから被照射物に光を順次照射し、前記被照射物に対して光を照射した前記発光素子の位置情報と、前記被照射物からの反射光に応じて出力される前記第１受光素子および前記第２受光素子からの出力電流とに応じて前記被照射物の位置情報および距離情報を検出する。
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。 （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変形例を示す概略断面図である。 図１に示した受発光素子の第２変形例を示す概略断面図である。 図１に示した受発光素子の第３変形例を示す平面図である。 図１に示した受発光素子の第４変形例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第５変形例を示す概略断面図である。 実施例の受発光素子において、被照射物までの距離を変化させたときの第１受光素子の出力変化の様子を示す線図である。
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）
図１および図２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距離情報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の第１面２ａに配置された複数の発光素子３ａと、第１面２ａに配置された第１受光素子３ｂとを有している。第１受光素子３ｂは、逆導電型の不純物を含む逆導電型半導体領域３２を含むフォトダイオードである。そして、この基板２と複数の発光素子３ａのそれぞれとは一体的に形成されている。同様に、基板２と第１受光素子３ｂとは一体的に形成されている。すなわち、同一の基板２に複数の発光素子３ａと受光素子３ｂとが作り込まれ、一体的に形成されている。
図１および図２に示す例では、基板２として一導電型の半導体材料を用い、発光素子３ａをその第１面２ａに積層した複数の半導体層を有するものとし、第１受光素子３ｂを基板２の第１面２ａの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３２を有するものとしている。第１受光素子３ｂは、基板２の第１面２ａから続く一部に作り込まれた逆導電型半導体領域３２と、それに隣接する基板２の一導電型の領域とでｐｎ接合を形成してフォトダイオードを構成している。このように構成することで、基板１と発光素子３ａと第１受光素子３ｂとを同一基板に作り込むことができる。
なお、発光素子３ａと第１受光素子３ｂとは、基板２に一体的に形成されて第１面２ａ側に配置されていればよく、全ての構成要素が基板２の第１面２ａ上に配置されていても、構成要素の一部または全部が基板２の内部に作り込まれていてもよい。後者の場合には、少なくとも発光素子３ａの発光面および第１受光素子３ｂの受光面が第１面２ａ側に露出した状態にする。
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Ｓｉ基板を用いている。ｎ型不純物としては、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。
そして、基板２は、基板２の第１面２ａに、後述する発光素子３ａを構成する半導体層を成長させる結晶構造を備える。
なお、本例では一導電型はｎ型であり、他導電型はｐ型である。
基板２の上面に、複数の発光素子３ａが第１方向（図中のＤ１方向）に配置されており、発光素子列Ｒを構成している。発光素子列Ｒの一方端側に第１受光素子３ｂが配置されている。複数の発光素子３ａは被照射物に照射する光の光源として機能する。そして、発光素子３ａから発せられた光が、被照射物で反射されて第１受光素子３ｂに入射する。第１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。このように、発光素子３ａの発光面と第１受光素子３ｂの受光面とが基板２の第１面２ａに平行な面となっている。
なお、本例の第１受光素子３ｂは、複数の発光素子３ａに対して１列に配置されているが、１列に配置する必要はなく、三角測距法が適用できる範囲で発光素子列Ｒの一方端側に配置されていればよい。ここで、「一方端側」とは、複数の発光素子３ａが配列された第１方向において、発光素子列Ｒの端に位置する発光素子３ａの素子中心を基準として、発光素子列Ｒの外側方向の領域を指すものである。
発光素子３ａは、図２（ａ）に示すように、ｎ型の半導体材料からなる基板２の第１面２ａに複数の半導体層が積層されて形成されている。
まず、ｎ型の基板２の第１面２ａには、ｎ型の半導体材料からなる基板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の第１面２ａ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と発光素子３ａを構成する半導体層との間に発生する格子歪などの格子欠陥を少なくする。その結果、基板２の第１面２ａに形成される発光素子３ａを構成す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。
本例におけるバッファ層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ｎ型の基板２の第１面２ａに積層される発光素子３ａを構成す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、ＧａＡｓにｎ型不純物である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は発光素子側第１電極３１ａを介して、発光素子側第１電極パッド３１Ａに接続されている。本例では、図示はしないが、金（Ａｕ）線によるワイヤボンディングによって発光素子側第１電極パッド３１Ａと外部電源とが接続されている。当然のことながら、Ａｕ線の代わりにアルミニウム（Ａｌ）線または銅（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によって発光素子側第１電極パッド３１Ａと外部電源とを接続しているが、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発光素子側第１電極パッド３１Ａに接合してもよいし、発光素子側第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）スタッドバンプに接合してもよい。
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および発光素子側第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、発光素子側第１電極３１ａおよび発光素子側第１電極パッド３１Ａは、半導体基板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、半導体基板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Ｓｉまたは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、それらキャリアが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、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、ＡｌＧａＡｓにｐ型不純物であるＺｎ、Ｍｇまたは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、発光素子側第２電極パッド３１Ｂに接続されている。発光素子側第２電極パッド３１Ｂは、発光素子側第１電極パッド３１Ａと同様に、ワイヤボンディングによって外部電源に電気的に接続されている。接続方法および接合形態のバリエーションは発光素子側第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３１ｂとの接触抵抗を下げる機能を有している。なお、本例の発光素子側第２電極パッド３１Ｂは、複数の発光素子３ａに共通して接続されている。
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および発光素子側第２電極パッド３１Ｂは、例えばＡｕや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、発光素子側第１電極パッド３１Ａと発光素子側第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。
第１受光素子３ｂは、図２（ｂ）に示すように、ｎ型の半導体材料からなる基板２の第１面２ａに逆導電型半導体領域３２（以下、ｐ型半導体領域３２ともいう）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、ｎ型の基板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、Ｍｇ、Ｃ、Ｂ、Ｉｎまたは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、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、第１受光素子側第１電極３３ａを介して第１受光素子側第１電極パッド３３Ａと電気的に接続されており、ｎ型の基板２には、第１受光素子側第２電極パッド３３Ｂが電気的に接続されている。
第１受光素子側第１電極３３ａおよび第１受光素子側第１電極パッド３３Ａは、ｎ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１受光素子側第２電極パッド３３Ｂは基板２の上面に配置されている。
第１受光素子側第１電極３３ａ、第１受光素子側第１電極パッド３３Ａ、および第１受光素子側第２電極パッド３３Ｂは、例えばＡｕＳｂ合金、ＡｕＧｅ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第１受光素子３ｂは、ｐ型半導体領域３２に光が入射すると、光起電力効果によって光電流が発生して、この光電流を第１受光素子側第１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１受光素子側第１電極パッド３３Ａと第１受光素子側第２電極パッド３３Ｂとの間に逆バイアスを印加すれば、第１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、どのようにして本例の受発光素子１が被照射物の距離情報を検出するセンサ装置として機能するかを説明する。
本例の複数の発光素子３ａは、第１方向に一列に配列されて発光素子列Ｒを構成している。複数の発光素子３ａは、外部の制御回路によって順次発光させられる。例えば、第１受光素子３ｂ側から第１受光素子３ｂから遠ざかる方向に順次発光する。
それぞれの発光素子３ａが発した光は被照射物で反射されて、被照射物の受発光素子１からの距離に応じて反射光が第１受光素子３ｂに入射したり、入射しなかったりする。よって、三角測距方式により受発光素子１と被照射物との距離情報を検出することが可能である。
また、反射光が第１受光素子３ｂに入射したとしても、被照射物の受発光素子１からの距離に応じて、光起電力効果によって発生する光電流の値が異なる。よって、複数の発光素子３ａのそれぞれを発光させたときに、これに対応した、第１受光素子３ｂにおいて検出するそれぞれの光電流の値と、被照射物との距離との関係をまとめたデータベースを予め作成して外部の記憶装置に保存しておき、このデータベースを参照する外部の比較回路を用いることによって、より精度よく受発光素子１と被照射物の距離情報を検出することが可能になる。
このように、受発光素子１によれば、１つの基板２に一体的に発光素子３ａ，第１受光素子３ｂが作り込まれている。このため、発光素子３ａ，第１受光素子３ｂを高い位置精度で所望の位置関係に配置することができる。このように、受発光素子１は、正確な位置調整ができているため、正確な距離を測定することができ、その結果、高いセンシング性能を備えるものとなる。
また、受発光素子１によれば、従来のＰＳＤまたはＣＣＤを用いる場合に比べ、大型のレンズは不要となる。すなわち、発光素子３ａは基板２に実装するような砲弾型のＬＥＤに比べて指向性が高いため、レンズを必ずとも必要とはしない。仮にレンズを設ける場合であっても、発光素子３ａおよび第１受光素子３ｂに合わせた小型のレンズとなる。これにより、小型の受発光素子１を提供することができる。
さらに、受発光素子１によれば、ＰＳＤまたはＣＣＤに比べて応答速度の高いフォトダイオードを用いているため、短時間で測定可能とすることができる。
また、受発光素子１を、一方向に配列した複数の受光素子と、この受光素子列の一端側に設けた１つの発光素子とで構成する場合に比べると、小型化・簡素化することができる。さらに、受発光素子１では、複数の発光素子３ａを順次点灯するので、個々の発光素子３ａの発熱を抑えることができ、素子寿命を延ばすことができるとともに、発光素子３ａの駆動制御が容易となる。
また、ＧａＡｓ系材料からなる発光素子３ａの発光波長に合わせてＳｉ系材料からなる第１受光素子３ｂを同一基板に作り込んでいるため、感度の高い受発光素子１とすることができる。
（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、ｎ型の半導体材料からなる基板２として、ｎ型不純物であるＰがドーピングされたｎ型Ｓｉ基板を準備する。本例におけるＰの不純物濃度は、１×１０１７〜２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の濃度である。ｎ型不純物としては、Ｐの他に、例えば窒素Ｎ、Ａｓ、Ｓｂおよび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。
次に、通常の熱酸化法を用いて、基板２の上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる拡散阻止膜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、通常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して現像した後、通常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、ＰＢＦに含まれている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。
そして、ＭＯＣＶＤ法を用いて、複数の発光素子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、通常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して現像した後、通常のウェットエッチング法によって複数の発光素子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、通常の熱酸化法、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、通常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、通常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ならびに第１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、通常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して現像した後、通常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、発光素子側第１電極パッド３１Ａ、第１受光素子側第１電極３３ａ、第１受光素子側第１電極パッド３３Ａおよび第１受光素子側第２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、通常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、発光素子側第１電極パッド３１Ａ、第１受光素子側第１電極３３ａ、第１受光素子側第１電極パッド３３Ａおよび第１受光素子側第２電極パッド３３Ｂを所望の形状に形成する。同様に発光素子側第２電極３１ｂおよび発光素子側第２電極パッド３１Ｂもそれぞれ同様の工程によって形成する。
このようにして受発光素子１を製造することができる。同一の基板２に発光素子３ａ，受光素子３ｂを作り込むことができる。これらの配置の位置精度はパターニング精度で決まるので、個々の部品を個別に実装する場合に比べて高い位置精度を実現することができる。
また、同一の基板２に同一のプロセスで複数の発光素子３ａを形成するので、複数の発光素子３ａ間で特性のばらつきが生じるのを抑制することができる。
なお、上述の例では、逆導電型半導体領域３２を熱拡散によって形成した例を用いて説明したが、イオン打ち込みによって形成してもよい。また、基板２上に半導体層を成膜して発光素子３ａを形成しているが、所望の特性を有するフィルム状のエピタキシャル膜を貼り合わせて形成してもよい。第１受光素子３ｂも同様にフィルム状のエピタキシャル膜を用いて形成してもよい。
（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、コピー機やプリンタなどの画像形成装置における、記録媒体Ｔ（被照射物）の距離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の複数の発光素子３ａおよび第１受光素子３ｂが形成された面が、記録媒体Ｔに対向するように配置される。そして、複数の発光素子３ａから被照射物である記録媒体Ｔに光が順次照射される。本例では、複数の発光素子３ａの上方にプリズムＰ１を、また第１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で屈折して記録媒体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、ある発光素子３ａから発せられた光が第１受光素子３ｂによって受光される。本例の場合は、第１受光素子３ｂ側から数えて５番目に位置する発光素子３ａが発した光が、第１受光素子３ｂに入射している。第１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１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。このように、被照射物である記録媒体Ｔに対して光を照射した発光素子３ａの位置情報と、記録媒体Ｔからの反射光に応じて出力される第１受光素子３ｂからの出力電流（光電流）とに応じて記録媒体Ｔの距離情報を検出することができる。
本例のセンサ装置１００では、以上のように記録媒体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、例えば第１受光素子３ｂで検出される光電流値に応じて、記録媒体Ｔまでの距離を高い精度で検出することができる。
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、複数の発光素子３ａのそれぞれに対応して設けられた複数の発光素子３ａのそれぞれが発する光を集光するための複数のレンズ４０を備えていてもよい。複数のレンズ４０のそれぞれは、基板２の厚み方向（複数の半導体層の積層方向）に沿って発光素子３ａの上方に配置されている。このような構成とすることで、発光素子３ａが発する光が集光され、第１受光素子３ｂに入射する光の量が多くなることから、第１受光素子３ｂの検出感度が高くなる。
本例のレンズ４０には平凸レンズを用いている。つまり、本例のレンズ４０は、一方主面が凸状に、他方主面が平面状になっており、他方主面から一方主面に向かって断面積が小さくなっている。レンズ４０の材質としては、シリコーン、ウレタンやエポキシなどの熱硬化性樹脂、またはポリカーボネート、アクリルなどの熱可塑性樹脂などのプラスチック、またはサファイア、または無機ガラスなどが挙げられる。なお、本例ではレンズ４０に平凸レンズを用いたが、両凸レンズなどのその他のレンズを用いてもよい。
また、図５に示した第２変形例のように、複数のレンズ４０のそれぞれを介して照射される複数の発光素子３ａのそれぞれが発する光の光軸は、第１受光素子３ｂ側に傾いていてもよい。第２変形例の場合には、複数のレンズ４０を第１受光素子３ｂ側に傾けることによって、複数の発光素子３ａのそれぞれが発する光の光軸を第１受光素子３ｂ側に傾けている。なお、複数の発光素子３ａのそれぞれが発する光の光軸を傾ける方法はこれに限らず、受発光素子１を発光素子３ａ側から平面視して、レンズ４０の中心を発光素子３ａの中心よりも第１受光素子３ｂ側にずらす方法でもよい。ここで、発光素子３ａの中心とは、発光層である活性層３０ｄの中心のことをいうが、活性層３０ｄの上には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、直接に活性層３０ｄの中心を確認することはできない。そこで、便宜上、ｐ型コンタクト層３０ｆの中心を活性層３０ｄの中心とみなせばよい。また、レンズ４０の中心とは、平凸レンズの場合であれば凸部の頂点のことである。その他、レンズ４０を傾けつつ、レンズ４０の中心を発光素子３ａの中心よりも第１受光素子３ｂ側にずらすことによって、発光素子３ａが発する光の光軸を傾けてもよい。
また、図４および図５に示す例において、受光素子３ｂに対応するレンズを設けてもよい。
さらに、図６に示した第３変形例のように、複数の発光素子３ａに対応して設けられた、基板２の第１面２ａに第２逆導電型半導体領域３２’を有する第２受光素子３ｃをさらに備え、第２受光素子３ｃは、発光素子列Ｒに沿って配置されていてもよい。この例では、基板２として一導電型の半導体材料を用いており、第２逆導電型半導体領域３２’は、この基板２の第１面２ａ側から逆導電型の不純物を拡散させて形成している。
このような構成とすることで、複数の発光素子３ａは、外部の制御回路によって順次発光させられて、被照射物で反射した光が第１受光素子３ｂに入射することによって、被照射物の受発光素子１からの距離情報を検出することが可能であり、被照射物で反射した光が第２受光素子３ｃに入射することで、被照射物の複数の発光素子３ａの配列方向における位置情報を検出することが可能である。
第３変形例の第２受光素子３ｃは、発光素子列Ｒに沿って、発光素子列Ｒと略同じ長さのものが１つ配置されている。第２受光素子３ｃは第２受光素子側第１電極３４ａを介して第２受光素子側第１電極パッド３４Ａに接続されている。そして、基板２に接続されている第２受光素子側第２電極パッド３４Ｂが配置されている。第２受光素子３ｃは第１受光素子３ｂと、第２受光素子側第１電極３４ａは第１受光素子側第１電極３３ａと、第２受光素子側第１電極パッド３４Ａは第１受光素子側第１電極パッド３３Ａと、第２受光素子側第２電極パッド３４Ｂは第１受光素子側第２電極パッド３３Ｂとそれぞれ同様に形成されている。
また、図７に示した第４変形例のように、第２受光素子は、複数の発光素子３ａのそれぞれに対応して設けられて、発光素子列Ｒに沿って第１方向に配置されていてもよい。このような構成とすることで、被対象物の位置情報を高解像度で検出することが可能である。
第４変形例の第２受光素子３ｃのそれぞれは、第２受光素子側第１電極３４ｂを介して第２受光素子側第１電極パッド３４Ａにそれぞれ接続されている。そして、基板２に接続されている第２受光素子側第２電極パッド３４Ｂが配置されている。第２受光素子３ｃは第１受光素子３ｂと、第２受光素子側第１電極３４ａは第１受光素子側第１電極３３ａと、第２受光素子側第１電極パッド３４Ａは第１受光素子側第１電極パッド３３Ａと、第２受光素子側第２電極パッド３４Ｂは第１受光素子側第２電極パッド３３Ｂとそれぞれ同様に形成されている。
また、上述の例では、半導体材料からなる基板２に直接に半導体層をエピタキシャル成長させて発光素子３ａを形成し、基板２に逆導電型の不純物を拡散させて第１受光素子３ｂを形成した例について説明したが、この例に限定されない。図８（ａ）に示す第５変形例のように、基板２の第１面２ａ上に半導体層の積層体からなる発光素子３ａおよび第１受光素子３ｂを配置してもよい。この場合には、第２受光素子３ｂが、基板２の第１面２ａ上に配置された一導電型半導体領域３９と逆導電型半導体領域３２とで構成される。このような構成により、基板２が第１受光素子３ｂから独立するために、基板２として種々の材料を選択することができる。例えば、素子間の絶縁性を高めるためにサファイア基板を用いたり、放熱性の高いＳｉＣ基板等を採用したりすることができる。
この場合であっても、発光素子３ａおよび第１受光素子３ｂは接着剤や実装用のパッド電極等を介して実装されることなく、基板２に一体的に形成されている。具体的には、所望の特性を有するフィルム状のエピタキシャル膜を基板２上に貼り合わせ、その後、所望の形状にパターニングすることで発光素子３ａおよび第１受光素子３ｂを形成してもよい。また、半導体層を他の結晶成長用の基板に形成してから基板２に貼り合わせた後に、結晶成長用の基板を除去し、転写された半導体層を所望の形状にパターニングすることで、発光素子３ａおよび第１受光素子３ｂを形成してもよい。基板２と結晶成長用の基板との貼合せは、ドーパントの分布が変化しないように、常温で接合面を活性化して接合させる常温接合技術等を用いればよい。
また、図８（ａ）に示す例では、第１受光素子３ｂは、基板２の第１面２ａの上に一導電型半導体領域３９および逆導電型半導体領域３２となる半導体層を積層した例を用いて説明したが、図８（ｂ）に示すように、基板２として一導電型の半導体材料を用いて、その上に逆導電型半導体領域３２を構成する半導体層を配置することで第１受光素子３ｂを構成してもよい。
また、センサ装置１００の実施の形態の例は、以上の例に限定されない。
例えば、図示はしないが、本発明の第３変形例の受発光素子１を用いたセンサ装置であってもよい。複数の発光素子３ａのそれぞれから被照射物である記録媒体Ｔに光を順次照射し、記録媒体Ｔに対して光を照射した発光素子３ａの位置情報と、記録媒体Ｔからの反射光に応じて出力される第１受光素子３ｂおよび第２受光素子３ｃからの出力電流（光電流と）に応じｙｒ記録媒体Ｔの位置情報および距離情報を検出することができる。
次に、図１に示す受発光素子１を参考に、被照射物までの距離を変化させたときの第１受光素子３ｂの受光量の変化の様子をシミュレーションによって確認した。受発光素子１として、発光素子３ａを８個配列させており、第１受光素子３ｂに近い側から順に、発光素子３ａ１，３ａ２・・・・，３ａ８とした。また、第１方向をＸ方向とし，Ｘ方向とこれに直交するＹ方向とで基板２の主面と平行なＸＹ平面を形成した。また、このＸＹ平面の法線方向をＺ方向とした。
まず、受発光素子１において個々の発光素子３ａごとに設定された基準となる被照射物までのＺ方向における距離（基準距離ｄ１〜ｄ８）に応じて、個々の発光素子３ａおよび第１受光素子３ｂとの相対位置を決定した。このように形成した受発光素子１を用いて、被照射物の距離をｄ１に設定し、発光素子３ａ１を発光させたときの第１受光素子３ｂでの受光量が設定値となるように、発光素子３ａ１の駆動電流を調整し、この駆動電流を発光素子３ａ１固有の駆動電力値として不図示のＬＥＤ駆動制御部に記録する。次に、被照射物の距離をｄ２に設定し、発光素子３ａ２を発光させたときの第１受光素子３ｂでの受光量が設定値となるように、発光素子３ａ２の駆動電流を調整し、この駆動電流を発光素子３ａ２固有の駆動電力値として不図示の制御部に記録する。以下、同様に個々の発光素子３ａに対して個々の固有の駆動電力値を記録する。すなわち、発光素子３ａ１〜３ａ８のそれぞれが、それぞれの基準距離ｄ１〜ｄ８に設定されたときの第１受光素子３ｂの受光量が同一の設定値となるように設定されている。以下、各発光素子３ａを、この駆動電流値によって駆動する。そして、以下の条件にて、受光量およびこれに応じた出力電流のシミュレーションを行なった。
発光素子３ａの平面形状：０．２ｍｍ角
第１受光素子３ｂの平面形状：１．５ｍｍ角
複数の発光素子３ａの中心間隔：０．５ｍｍ
発光素子３ａ１と第１受光素子３ｂとの中心間隔Ｌ：２ｍｍ
発光素子３ａの出射光の被照射物Ｔへの入射角θ：４５°
被照射物Ｔにおける反射モード：散乱反射が支配的と仮定する
基準距離ｄ１〜ｄ８：２ｍｍ〜５．５ｍｍまで０．５ｍｍ間隔で設定
被照射物Ｔと発光素子３ａとのＺ方向における距離Ｄ：２ｍｍ〜６．５ｍｍまで０．５ｍｍ間隔で設定
発光素子３ａのスキャン間隔：１ｍｓｅｃ（１ｋＨｚに相当）
まず、発光素子３ａ１について、距離Ｄをｄ１から０．５ｍｍ間隔で遠ざけて大きくしていき、各距離における受光量変化を確認した。
距離Ｄがｄ１のときは初期設定通りで１００％の受光量となる。距離Ｄがｄ２となると、被照射物Ｔにおける照射位置がＸ方向において第１受光素子３ｂ側にΔｘずれる。これに伴い、第１受光素子３ｂにて受光する光の入射角（ψ）も変化する。そして、第１受光素子３ｂにおける受光量は、発光素子３ａ１から被照射物Ｔへの入射角θに依存する入射光の画角（ｃｏｓθ）と、第１受光素子３ｂにおける画角（ｃｏｓψ）との２乗で減衰することとなる。ここで、画角とは、Ｚ方向（法線方向）に対する光線の見込み角度（法線と光線とのなす角度）のことをいう。その結果、第１受光素子３ｂにおける受光量は、表１に示すように、基準距離ｄ１での受光量を基準とすると、距離Ｄが基準距離ｄ１からの大きくなるにつれて減衰していくことが確認できた。なお、表１は、各距離における受光量（ＩＤ）を、被照射物Ｔが基準距離ｄ１の位置にあるときの受光量（Ｉｄ１）で規格化したときの値（ＩＤ／Ｉｄ１）を示したものである。
同様にして、距離Ｄを変化させたときの、各発光素子３ａ１〜３ａ８の発光に対する第１受光素子３ｂにおける出力電流の変化をシミュレーションし、その結果を図９に示した。図９に示すように、距離Ｄの変化に応じて出力電流が変化することが確認できた。また、複数の発光素子３ａに起因する出力電流を比較することで、より精密に、高い分解能で距離Ｄを算出することが可能となる。
また、距離Ｄが最大の基準距離ｄ８を超えた場合であっても、第１受光素子３ｂで検出する出力電流が１００％からどの程度減衰しているかを確認することで、測定可能であることを確認できた。さらに、基準距離ｄ１〜ｄ８は離散的に設定されているが、距離Ｄが基準距離ｄ１〜ｄ８と異なる、その中間の値をとる場合であっても、複数の発光素子３ａの発光による第１受光素子３ｂの検出強度を比較することで、距離Ｄを算出することが可能となる。
なお、この例では、複数の発光素子３ａを同一間隔で配置したが、第１受光素子３ｂにおける出力電流の変化量が同一となるように、複数の発光素子３ａの配置間隔を変更してもよい。
１ 受発光素子
２ 基板
２ａ 第１面
３ａ 発光素子
３ｂ 第１受光素子
３ｃ 第２受光素子
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
３２，３２’ 逆導電型半導体領域（ｐ型半導体領域）
３３Ａ 第１受光素子側第１電極パッド
３３Ｂ 第１受光素子側第２電極パッド
３３ａ 第１受光素子側第１電極
３４Ａ 第２受光素子側第１電極パッド
３４Ｂ 第２受光素子側第２電極パッド
３４ａ 第２受光素子側第１電極
４０ レンズ
１００ センサ装置
Ｐ１，Ｐ２ プリズム
Ｒ 発光素子列

Claims (5)

  1. 一導電型の半導体材料からなる基板と、前記基板の第１面に設けられた、それぞれ前記基板の前記第１面に積層した複数の半導体層からなる複数の発光素子と、前記基板の前記第１面に設けられた、前記基板の前記第１面に形成された逆導電型の不純物を含む逆導電型半導体領域を有するフォトダイオードである第１受光素子と、前記複数の発光素子に対応して設けられた、前記基板の前記第１面に形成された逆導電型の不純物を含む第２逆導電型半導体領域を有する第２受光素子と、前記複数の発光素子のそれぞれに対応して設けられた、前記複数の発光素子のそれぞれが発する光を集光するための複数のレンズとを備え、
    前記複数の発光素子は、第１方向に配置されて発光素子列を構成し、前記第１受光素子は、前記発光素子列の一方端側に配置されており、前記第２受光素子は、前記発光素子列に沿って配置されており、前記基板および前記複数の発光素子と、前記基板および前記第１受光素子とがそれぞれ一体的に形成されており、
    前記複数のレンズのそれぞれを介して照射される前記複数の発光素子のそれぞれが発する光の光軸は、前記第１受光素子側に傾いている、受発光素子。
  2. 前記第１受光素子は、前記逆導電型半導体領域が、前記基板の前記第１面に逆導電型の不純物を拡散させて形成されている、請求項１に記載の受発光素子。
  3. 前記複数のレンズは、それぞれ前記基板の厚み方向に沿って前記発光素子の上方に配置されている、請求項１または２に記載の受発光素子。
  4. 前記第２受光素子は、前記複数の発光素子のそれぞれに対応して設けられ、前記発光素子列に沿って第１方向に配置されている、請求項１に記載の受発光素子。
  5. 請求項１または４に記載の受発光素子を用いたセンサ装置であって、
    前記複数の発光素子のそれぞれから被照射物に光を順次照射し、前記被照射物に対して光を照射した前記発光素子の位置情報と、前記被照射物からの反射光に応じて出力される前記第１受光素子および前記第２受光素子からの出力電流とに応じて前記被照射物の位置情報および距離情報を検出するセンサ装置。
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