JP6533719B2 - 受発光装置 - Google Patents

受発光装置 Download PDF

Info

Publication number
JP6533719B2
JP6533719B2 JP2015169273A JP2015169273A JP6533719B2 JP 6533719 B2 JP6533719 B2 JP 6533719B2 JP 2015169273 A JP2015169273 A JP 2015169273A JP 2015169273 A JP2015169273 A JP 2015169273A JP 6533719 B2 JP6533719 B2 JP 6533719B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
light emitting
unit
light receiving
mesa
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2015169273A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2017044646A (ja
Inventor
エジソン ゴメス カマルゴ
エジソン ゴメス カマルゴ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Asahi Kasei EMD Corp
Original Assignee
Asahi Kasei EMD Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Kasei EMD Corp filed Critical Asahi Kasei EMD Corp
Priority to JP2015169273A priority Critical patent/JP6533719B2/ja
Publication of JP2017044646A publication Critical patent/JP2017044646A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6533719B2 publication Critical patent/JP6533719B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

本発明は、受発光装置に関する。
発光素子は、多くの用途に用いられており、例えば、発光素子と受光素子とを組み合わせ、発光素子と受光素子とが配置された空間内の物体を検知するガスセンサ等にも用いられている。
例えば、特許文献1に記載の気体成分検出装置では、発光部から出射された赤外線を含む光が、測定対象のガスが導入されるセルを通過し、その後、受光部に入光し、受光部の出力信号に応じて測定対象のガスの有無や濃度を検出している。
WO2012/140485
従来、前述のような気体成分検出装置では、内部にガスを導入するためのセルを設けており、このようにセルを設けた場合、装置の大型化や部品点数の増加等につながる。
そこでこの発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、より小型であり、且つ、部品点数の削減が可能な受発光装置を提供することを目的としている。
本発明の一態様による受発光装置は、基板と、前記基板の第1主面上に配置されたメサ部を有する発光部と、前記基板の第1主面上に配置されたメサ部を有する第1の受光部と、前記発光部及び前記第1の受光部の上部に配置された第1の光反射部と、を備え、前記発光部のメサ部の一の側面と前記第1の受光部のメサ部の一の側面とは向かい合っており、前記発光部のメサ部及び前記第1の受光部のメサ部を含む縦断面において、前記発光部のメサ部の前記一の側面と前記第1の受光部のメサ部の前記一の側面と前記第1の光反射部と前記基板とで囲まれた領域に被検出ガスが導入される空間を有し、前記発光部と前記第1の受光部と前記第1の光反射部とは、前記発光部から放射された光の一部が、前記空間を伝搬して前記第1の受光部に入射する位置関係にあることを特徴としている。
本発明の一態様によれば、従来と比して小型で、且つ、部品点数の削減が可能な受発光装置を提供することができる。
本発明の第1実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。 本発明の第2実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。 本発明の第3実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。 本発明の第4実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。 本発明の第5実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。 本発明の第6実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。 本発明の第7実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。 複数の受光素子を直列に接続した場合の配線関係を説明するための断面図である。 第6実施形態における受発光装置の変形例を示す構成図である。 変形例における受発光装置に適用される信号処理部の一例を示す構成図である。 受発光装置の製造工程の一例を示す説明図である。 受発光装置の製造工程の一例を示す説明図である。
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態(以下、本実施形態という)について説明する。
なお、以下の詳細な説明では、本発明の実施形態の完全な理解を提供するように多くの特定の具体的な構成について記載されている。しかしながら、このような特定の具体的な構成に限定されることなく他の実施態様が実施できることは明らかであろう。また、以下の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
[受発光装置]
本実施形態に係る受発光装置は、基板と、基板の第1主面上に配置されたメサ部を有する発光部と、基板の第1主面上に配置されたメサ部を有する第1の受光部と、発光部及び第1の受光部の上部に配置された第1の光反射部と、を備え、発光部のメサ部の一の側面と第1の受光部のメサ部の一の側面とは向かい合っており、発光部のメサ部及び第1の受光部のメサ部を含む縦断面において、発光部のメサ部の一の側面と第1の受光部のメサ部の一の側面と第1の光反射部と基板とで囲まれた領域に被検出ガスが導入される空間を有し、発光部と第1の受光部と第1の光反射部とは、発光部から放射された光の一部が、空間を伝搬して第1の受光部に入射する位置関係にあるものである。
光を放射するための発光部のメサ部の側面と、光を入射するための第1の受光部のメサ部の側面のうちの互いに向かい合う側面どうしと、これら発光部及び第1の受光部が配置される基板と、第1の光反射部とで囲まれた領域に、被検出ガスが導入される空間を形成し、この空間内で光を伝搬させるようにしている。そのため、別途被検出ガスを導入するためのセルを設けることなく、被検出ガスが導入される空間を得ることができる。
その結果、セル等を設ける場合に比較して小型化を図ることができ且つ部品点数を削減した受発光装置を提供することができる。
ここで、「発光部のメサ部及び第1の受光部のメサ部を含む縦断面」とは、すなわち発光部のメサ部の側面のうち第1の受光部と向かい合う一の側面と第1の受光部のメサ部の側面のうち発光部と向かい合う一の側面とをその一部に含む垂直な面で受発光装置を切断した縦断面である。
また、「発光部のメサ部の一の側面と第1の受光部のメサ部の一の側面と第1の光反射部と基板とで囲まれた領域に被検出ガスが導入される空間」とは、前述の縦断面において、発光部のメサ部の側面のうち第1の受光部と向かい合う一の側面と第1の受光部のメサ部の側面のうち発光部と向かい合う一の側面と第1の光反射部と基板との間に被検出ガスを導入することが可能な領域がその一部にでもあることを意味する。つまり、この領域の中に、例えば後述のような第2の光反射部等があってもよい。
さらに「発光部と第1の受光部と第1の光反射部とは、発光部から放射された光の一部が、空間を伝搬して第1の受光部に入射する位置関係にある」とは、発光部から放射された光の少なくとも一部が、前述の空間の少なくとも一部を伝搬して第1の受光部に入射されるような位置関係であれば特に限定はされず、第1の受光部に入射する過程で後述の第3の光反射部で反射される等、どのような光路を通ってもよい。
また本実施形態に係る受発光装置は、基板の第1主面上の空間の外に配置されたメサ部を有する第2の受光部と、基板の第1主面上に配置された光遮断部と、をさらに備え、第2の受光部のメサ部及び発光部のメサ部を含む縦断面において、第2の受光部のメサ部と発光部のメサ部との間に光遮断部が配置されていてもよい。
第2の受光部及び光遮断部をさらに備えることで、第2の受光部に入射する光の大半は基板の内部を伝搬することとなり、被検出ガスによる吸収がほぼ無い場合の発光部の強度を測定することが可能となる。これにより例えば、第2の受光部を、ガスセンサの参照用センサとして利用することが可能であり、これによりガス濃度の測定の精度を高めることができる。第1の受光部には、前述の空間を伝搬した光及び基板の内部を伝搬した光のいずれの光も入射する。この場合、例えば、第1の受光部の出力と第2の受光部の出力との差を取ることで、被検出ガスによる吸収がある領域のみを伝搬した光の強度が得られるので、より正確に被検出ガスの濃度が測定できる。
光遮断部の具体的な形態は、発光部から放射された光が、発光部のメサ部と第2の受光部のメサ部と第1の光反射部と基板とで囲まれた領域を伝搬して第2の受光部に入射しないように遮断可能なものであれば特に限定されない。例えば、発光部のメサ部の側面の一部に光を遮断可能な反射層をさらに設けてもよい。この反射層としては例えば、金AuやアルミニウムAlのような光の透過率の低い金属を利用することができる。一般的には発光部の活性層付近に直接金属でコーティングしてしまうと、電気的なリークパスが発生し、発光効率が低下するので、導電性の反射材料を光遮断層として利用する場合、第2の受光部のメサ部の側面と光遮断層との間に絶縁層を設けてもよい。絶縁層としては、例えば、窒化シリコン(SiN等)や酸化シリコン(SiO等)、等を用いることができる。
また、メサ部の側面に設ける光遮断層は、金属以外にも、例えば樹脂製のコーティング層でも良い。また例えば、基板の第1主面上の、発光部と第2の受光部との間の領域に光を遮断可能な遮断機構(例えば金属壁)を設置してもよい。
[基板]
基板の第1主面上には、メサ部を有する発光部と、メサ部を有する第1の受光部とが形成されている。基板の材料は特に制限されない。基板の材料としては、例えばシリコンSi、ガリウム砒素GaAs、サファイヤ、リン化インジウムInP、インジウム砒素InAs、ゲルマニウムGe等が挙げられるがこの限りではなく、使用する波長帯に応じて選択すればよい。半絶縁性基板が使用可能であり、大口径化が可能で、また、長波長の赤外線を後述の第2の受光部を設けた受発光装置で利用した場合、高い透過率を持つという観点から、GaAs基板は特に好ましい。
また基板の第1主面上には、空間と重複しない位置に配置された、メサ部を有する第2の受光部がさらに形成されていてもよい。第1の受光部及び第2の受光部は、発光部から出射された光のうち基板の第2主面で反射する光を受光することができる。ここで測定感度向上の観点から、基板の材料は、発光部から出力される光の透過性が高いものであることが好ましい。また、発光部の出力変動を高精度に補償する観点から、基板の材料は、第2主面において発光部から出力された光の一部を反射する材料であることが好ましい。
基板は、基板の第1主面上であって、且つ、発光部及び第1の受光部の間に後述の第2の光反射部をさらに備えてもよい。第2の光反射部をさらに備えることで、発光部から放射された光の一部は第2の光反射部で反射され第1の受光部に入射することとなり、第1の受光部の出力のSN比(SNR:信号に対するノイズ(雑音)の比、又は信号に対するノイズ(雑音)の量を対数で表したもの)をより高めることが可能となる。ここで第2の光反射部の具体的な形態としては、例えば、アルミニウムAlや金AuやクロムCrのような光の反射率の高い金属を利用することができるが、特にこれには限定されない。必要に応じて、基板と第2の光反射部との密着性を向上させるための密着層(例えば、Ti等)を設けても良い。また必要に応じて、第2の光反射部の表面に酸化防止用の保護層を設けても良い。
基板は、基板の、第1主面とは逆側の第2主面上に、発光部から放射された光を反射する第3の光反射部をさらに備えてもよい。第3の光反射部をさらに備えることで、発光部から放射された光の一部が基板の第2主面に伝搬した場合、第3の光反射部によって再度基板の内部方向に反射され、第1の受光部に入射する。これによって第1の受光部の出力のSN比をさらに高めることが可能となる。
ここで第3の光反射部の具体的な形態としては、例えば、アルミニウムAlや金AuやクロムCrのような光の反射率の高い金属を利用することができるが特にこれには限定されない。
[発光部]
発光部は基板の第1主面上に形成され、メサ部を有する。
ここでメサ部は、単層又は複数層からなる半導体積層構造を持ち、その側面が所定の傾きとなるよう形成されたものであれば特に限定されない。
発光部は、被検出ガスによって吸収される波長を含む光を出力するものであれば特に制限されない。具体的な例としては、発光ダイオードLED(Light Emitting Diode)が挙げられる。その中で、被検出ガス以外の成分の光吸収によるノイズを低減する観点から、被検出ガスの吸収が大きい波長帯の光のみを出力するものであることが好ましい。具体的には、発光波長帯をアクティブ層(通称:活性層)のバンドギャップでコントロールできるということから、LED構造が望ましい場合がある。
発光部は分子線エピタキシー法MBE(Molecular Beam Epitaxy)又は化学気相成長CVD(Chemical Vapor Deposition)のような成膜方法を用いて成膜したPN接合又はPIN接合の積層構造部を持つことが好ましい。この積層構造部に電力を供給することによって、発光ダイオードLEDとして動作し、活性層となるI層の材料のバンドギャップに応じた波長の光を放出することができる。積層構造は、少なくともP型半導体とN型半導体の2種類の層からなるダイオード構造であり、且つ、活性層はインジウム又はアンチモンのいずれかの材料を含むことが好ましい。活性層がインジウム又はアンチモンを含むことにより赤外線領域の光、すなわち赤外線を発光させることが可能になる。具体的には、活性層にInSbやInAlSbやInAsSbを用いることにより、1μm以上10μm以下の波長を出力することができる。
被検出ガスが二酸化炭素の場合、二酸化炭素ガスは波長4.3μm付近に強い吸収を示すため、活性層にInAlSbを利用することが好ましい。ここで、アルミニウムAlの含有量を発光ダイオードLEDの発光ピークが4.3μmになるようにチューニングすることで高感度・高分解能のガスセンサを実現することができる。この場合、InAlSb内のAl含有量を0%以上5%以下にすると好ましい場合がある。また被検出ガスがメタンの場合、二酸化炭素の場合と同様に活性層にInAlSbを利用することが好ましい。メタンは3.5μm付近に強い吸収を示すため、活性層のAl組成を高くすることで、高感度・高分解能のガスセンサが実現できる。また、数μm以上10μm以下付近に吸収のあるCO結合を持つガス、例えば、10μm付近に吸収がある気化したアルコールであれば、活性層にInAsSbを利用することが好ましい。
発光部は、発光部のメサ部の側面のうち、第1の受光部のメサ部の側面と向かい合う側面を除く側面の少なくとも一部に反射層をさらに有してもよい。発光部から放射された光のうち、第1の受光部が配置された方向を除く方向に放射された光が反射層によって反射されることで、第1の受光部に入射する光の強度を高めることが可能となる。
ここで反射層の具体的な形態としては、発光部の側面の一部に形成可能で、発光部から放射される光のうち一部光を遮光又は反射することの可能なものであれば特に限定されない。反射層としては例えば、金Au、アルミニウムAlやチタンTiのような光の反射率の高い金属を利用することができる。一般的には発光部の活性層付近に直接金属でコーティングしてしまうと、電気的なリークパスが発生し、発光効率が低下するので、導電性の反射層を利用する場合、メサ部の側面と反射層の間に絶縁層(例えばSiNやSiO、等)を設けても良い。絶縁層を設けることで、活性層に電流のリークパスを発生することなく、高効率の発光が実現できる。
発光部は、第1の光反射部を保持する後述の保持部をさらに有してもよい。発光部が保持部を備えることで、第1の光反射部を固定することが可能となる。保持部の具体的な形態としては、例えば、感光性ポリイミドや他の感光性樹脂材料を利用することができるが特にこれには限定されない。また保持部は感光性の材質を利用することで、例えばフォトリソグラフィーを利用してウエハーレベルで加工することが可能であるため、量産性の観点から好ましい場合がある。
[第1の受光部]
第1の受光部は、基板の第1主面上に形成され、メサ部を有する。
ここでメサ部は、単層又は複数層からなる半導体積層構造を持ち、その側面が所定の傾きとなるよう形成されたものであれば特に限定されない。
第1の受光部は、発光部の放射する光に対して感度を有するものであれば特に限定されない。信号処理の応答速度の観点から、第1の受光部の積層構造としては、PN接合又はPIN接合のダイオード構造であり、インジウム又はアンチモンの何れかの材料を含んでも良い。さらに、被検出ガスの吸収波長に応じてガリウムGa、アルミニウムAl、砒素Asからなる群より選択される少なくとも1つの材料をさらに含む混晶系の材料を含んでも良い。
また第1の受光部は、感度が最大値の10%以上となる波長帯が1μm以上10μm以下の範囲に含まれてもよい。第1の受光部が二酸化炭素ガス等の環境ガスの光吸収帯に感度を持つことで、第1の受光部の出力を環境ガスの濃度測定のために用いることが可能となる。
また、量産性の観点から、第1の受光部の材料及び積層構造は、発光部の材料及び積層構造と同様のものであることが好ましい。
第1の受光部は、後述の第1の光反射部を保持する保持部をさらに有してもよい。保持部をさらに有することで、第1の光反射部を固定することが可能となる。保持部の具体的な形態としては、例えば、感光性ポリイミドや他の感光性樹脂のような材料を利用することができるが特にこれには限定されない。また保持部は例えばフォトリソグラフィーのような工程で発光部に形成することができる。
第1の受光部は直列接続された複数の受光素子からなってもよい。複数の受光素子を直列接続する形態とすることで、同一の面積に受光素子を形成する場合にも、第1の受光部全体の出力のSN比を高めることが可能となる。第1の受光部を回路(増幅器)に接続した場合のSN比の観点から、多数の受光素子を設けることによって、受光部全体の内部抵抗を大きくすることができるため、増幅器に接続した場合、高いSN比が実現できる。そのため、第1の受光部は、受光素子を複数直列接続した形態であることが好ましい。
[第2の受光部]
第2の受光部は、メサ部を有し、基板の第1主面上であって、前述の空間と重複しない位置、すなわち空間の外側に配置される。
ここでメサ部は、単層又は複数層からなる半導体積層構造を持ち、その側面が所定の傾きとなるよう形成されたものであれば特に限定されない。
第2の受光部は、発光部の放射する光に対して感度を有するものであれば特に限定されない。信号処理の応答速度の観点から、第2の受光部の積層構造としては、PN接合又はPIN接合のダイオード構造であり、インジウム又はアンチモンの何れかの材料を含んでも良い。さらに被検出ガスの吸収波長に応じてガリウムGa、アルミニウムAl、砒素Asからなる群より選択される少なくとも1つの材料をさらに含む混晶系の材料を含んでも良い。
また第2の受光部は、感度が最大値の10%以上となる波長帯が1μm以上10μm以下の範囲に含まれてもよい。第2の受光部が二酸化炭素ガス等の環境ガスの光吸収帯に感度を持つことで、第1の受光部の出力を環境ガスの濃度測定のために用いることが可能となる。
また、量産性の観点から、第2の受光部の材料及び積層構造は、発光部の材料及び積層構造と同様のものであることが好ましい。
第2の受光部は直列接続された複数の受光素子からなってもよい。複数の受光素子を直列接続する形態とすることで、同一の面積に受光素子を形成する場合にも、第2の受光部全体の出力のSN比を高めることが可能となる。第2の受光部を回路(増幅器)に接続した場合のSN比の観点から、多数の受光素子を設けることによって、受光部全体の内部抵抗を大きくすることができるため、増幅器に接続した場合、高いSN比が実現できる。そのため、第2の受光部は、受光素子を複数直列接続した形態であることが好ましい。
[第1の光反射部]
第1の光反射部は、発光部及び第1の受光部の上部に配置される。
ここで発光部及び第1の受光部の上部とは、ある受発光装置の縦断面において、第1の光反射部の少なくとも一部が発光部及び第1の受光部よりも高い位置にあることを意味する。第1の光反射部は前述のように発光部が有する保持部及び第1の受光部が有する保持部によって保持される等、種々の形態で保持されることができる。例えば、基板上に別途第1の光反射部を保持するための機構を形成してもよい。
第1の光反射部は、第1の光反射部に入射した光のうち一部の波長の光のみを反射してもよい。例えば、第1の光反射部が、第1の光反射部に入射した光のうち被検出ガスによる吸収が強い波長帯の光のみを反射することで、ガス測定の感度を向上させることができ、高精度のガスセンサを実現することが可能となる。第1の光反射部は例えば、シリコンSiやガラス基板上に形成された、屈折率の異なる材料(例えば、ZnSe、Ge、ZnS、等)を利用した反射型フィルタでもよいし、グレーティング構造を持ったミラーでも良い。
反射型フィルタ(ノッチフィルタ等)又はグレーティング構造の場合、一部の波長の光のみを反射させることが可能となるので、特にガスセンサへの用途に於いては、被対象ガス以外の吸収によるノイズを抑制することができ、高SN比、高精度の観点から好ましい場合がある。
<実施形態の具体例>
次に、図面を参照して本実施形態の具体例について説明する。なお、以下に説明する各図において、同一の構成を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
[第1実施形態]
図1は本発明の第1実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第1実施形態では、まず基板1の第1主面1a上に発光部2及び第1の受光部3が形成される。発光部2及び第1の受光部3は、例えば、PN接合又はPIN接合の積層構造を有する。発光部2及び第1の受光部3は同一積層構造であっても良い。この場合、量産性の観点から好ましい場合がある。
また、発光部2及び第1の受光部3は半導体材料から成る2段メサ構造を持っていても良い。例えば基板1上に第1メサとなるN層を形成後、その上に活性層とP層を順に積層しても良い。この2段のメサ構造は、基板1上に多層構造を積層後に、フォトレジストを利用した選択性のあるエッチング工程を2回行うことによって実現できる。また、発光部2及び第1の受光部3の上部には第1の光反射部4が設けられる。
これにより、図1に示すように縦断面において、基板1と発光部2と第1の光反射部4と第1の受光部3とで囲まれる空間が、基板1と第1の光反射部4との間に形成され、第1の光反射部4を設けることにより、発光部2の活性層の側面を含むメサ部側面2aから、第1の受光部3の活性層の側面を含むメサ部側面3aへ効率よく光を導くことができる。
本発明の第1実施形態に係る受発光装置によれば、発光部2及び第1の受光部3のメサ部の間の空間を光路として利用することで、内部に被検出ガスを導入するためのセル等が不要となり、従来と比して小型で、且つ、部品点数の削減が可能となる。
例えば、図1に示す受発光装置全体をモールド樹脂等により覆うと共に、その際に被検出ガスの導入口及び排出口を設けることにより、被検出ガスの導入口及び排出口を備えた、ガスセンサとしての受発光装置を構成すればよい。
[第2実施形態]
図2は本発明の第2実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第2実施形態は、発光部2のメサ部の一部に反射層5が設けられている点以外の構成は、第1実施形態と同様である。
反射層5は、発光部2のメサ部の側面のうち、第1の受光部3と向かい合う面を除く側面に形成される。
発光部2のメサ部の側面に反射層5を形成することによって、反射層5が形成された側へ放射された光は反射層5により反射されるため、反射層5が形成されていない側からの光の放射量が増える。言い換えれば、反射層5を形成することにより発光の指向性を制御することが可能となる。反射層5を発光部2のメサ部の一部のみに設けることによって、一方向、すなわち第1の受光部3方向への発光効率を高めることが可能となり、受発光装置のSN比を高めることが可能となる。
なお、ここでは省略しているが、第1の受光部3側にも反射層5を設けても良い。つまり、第1の受光部3のメサ部の側面のうち、発光部2と向かい合う面を除く側面にも反射層5を設けてもよい。
[第3実施形態]
図3は本発明の第3実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第3実施形態は、図3に示すように、縦断面において、基板1の第1主面1a上の、発光部2と第1の受光部3との間に第2の光反射部6が設けられている点以外の構成は、第1実施形態と同様である。
発光部2から第1の受光部3への光路の途中に第2の光反射部6が配置されるため、発光部2から第1の受光部3への光伝搬効率を高めることができる。
[第4実施形態]
図4は本発明の第4実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第4実施形態は、発光部2及び第1の受光部3のそれぞれが第1の光反射部4を保持する保持部7をさらに有する点以外の構成は、第1実施形態と同様である。
保持部7を設けることで、基板1と第1の光反射部4との間の間隔を広げることができ、すなわちガス導入用の空間を広げることができると共に、その分、ガスを吸収するための光路を延ばすことができるため、特にガスセンサの用途に於いては、高感度化という観点から好ましい場合がある。
この保持部7は絶縁性の良い材質で形成してもよい。また、感光性の樹脂材料を利用することで、フォトリソグラフィー技術を利用して容易に形成することができる。
発光部2及び第1の受光部3のそれぞれに保持部7を設けることによって、第1の光反射部4を固定することができる。また、図4に示すように、発光部2及び第1の受光部3の外側、すなわち被検出ガスが導入される空間とは逆側の面を覆うように、保持部7を形成することによって、第1の光反射部4を固定すると共に、発光部2及び第1の受光部3の側面を保護することができる。
[第5実施形態]
図5は本発明の第5実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第5実施形態は、基板1の第2主面1b上に第3の光反射部8が形成される点以外の構成は、第1実施形態と同様である。
この第3の光反射部8は、基板1よりも屈折率の低い材料や金属材料のような材料を利用してもよいが、反射効率が良ければ材料は制限されない。基板1よりも屈折率の低い材料としては、例えば、基板1がGaAs基板の場合には、SiO、SiN、TiO等を適用することができる。また、金属材料としては、例えば、Au、Al、Cr等を適用することができる。
第3の光反射部8を設けることで、発光部2から放射された光の一部は基板1の内部を伝搬し、第3の光反射部8で反射した後に第1の受光部3に入射することが可能となり、受発光装置のSN比をさらに高めることが可能となる。
また、第2の光反射部6及び、第3の光反射部8は、第1の光反射部4と同様に、一部の波長の光のみに対して高い反射率を有していても良い。
[第6実施形態]
図6は本発明の第6実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第6実施形態は、基板1の第1主面1a上に、さらに第2の受光部9が設けられている点以外の構成は、第2実施形態と同様である。
発光部2のメサ部の側面には、第1の受光部3と向かい合う側面とは逆側の側面に、反射層5が形成されている。第1の受光部3は、発光部2の反射層5が形成されていない側に形成されており、第2の受光部9は発光部2の反射層5が形成された側に形成されている。
また、第1の光反射部4は、発光部2、第1の受光部3、第2の受光部9を覆うように、その上部に設けられる。そのため、発光部2と第2の受光部9と基板1と第1の光反射部4とに囲まれた空間が形成される。発光部2から放射された光が通過する第1の受光部3と発光部2との間に形成される空間と、発光部2から放射された光が通過しない第2の受光部9と発光部2との間に形成される空間とに被検出ガスを導入し、第1の受光部3及び第2の受光部9の出力信号を得る。
第2の受光部9には、発光部2のメサ部と第2の受光部9のメサ部との間の空間を伝搬する光は入射しないため、第2の受光部9の出力を利用して第1の受光部3の出力を補正することが可能となる。またここで、基板1の内部を伝搬する光のうち、第1の受光部3に入射する光と第2の受光部9に入射する光の強度が等しくなるように、第1の受光部3と第2の受光部9とを配置しても良い。また、第1の受光部3の出力信号と第2の受光部9の出力信号との差分演算を行っても良い。この差分演算をすることで、第1、第2の受光部3、9の温度特性による変動分を低減することができる。例えば第1の受光部3及び第2の受光部9が特にナローギャップ半導体からなる場合には、差分演算を行うことは効果的である。
なお、図6では、第1の光反射部4が発光部2、第1の受光部3、第2の受光部9を覆うように、その上部に設けられる形態について図示したが、第1の光反射部4が第2の受光部9を覆っていない形態においても本実施形態と同様の効果を奏する。但し、接着強度を高めるという観点や、両方の受光素子の熱容量や感度の温度特性が等しくなるという観点から、第1の光反射部4が発光部2、第1の受光部3、第2の受光部9を覆うようにしたほうが好ましい場合がある。
[第7実施形態]
図7は本発明の第7実施形態に係る受発光装置の一例を示す構成図である。
第7実施形態は、第1の受光部3及び第2の受光部9のそれぞれが、直列に接続された複数の受光素子11を含んで構成される点以外の構成は、第6実施形態と同様である。なお、図7では、第1の光反射部4を省略している。
このように、直列に接続された複数の受光素子11により第1の受光部3及び第2の受光部9を構成することにより、第1の受光部3及び第2の受光部9それぞれにおいて、全体の内部抵抗が大きくなり、増幅器、例えば電流−電圧変換アンプで信号増幅を行う場合、高いSN比を実現することができる。
なお、直列に接続された複数の受光素子11とは、一番目の受光素子11の一方の電極と二番目の受光素子11の一方の電極とを接続し、二番目の受光素子11の他方の電極と三番目の受光素子11の一方の電極とを接続し、というように、隣り合う受光素子11の電極どうしを順に接続することで、複数の受光素子11を一連に接続することをいう。
なおこの場合、被検出ガスが複数の受光素子11の間を介して、発光部2と第1の受光部3及び第2の受光部9の間に素早く侵入することが可能となり、ガスの入り替え速度を高めるという観点から好ましい場合がある。
図8は複数の受光素子11を直列に接続した場合の配線関係を説明するための断面図である。図8では、複数の受光素子11は同一基板1上に形成され、受光素子11はN層23(n型半導体層)、I層24(I型半導体層)、バリア層25(キャリア拡散用の半導体層)、P層26(p型半導体層)からなるPIN構造となっている。また、隣り合う受光素子11のP層とN層は互いに配線層22(Ti、Pt、Au、Al等を含む単層又は多層の金属からなる層)によって接続される。またここで、PIN構造上に、絶縁層21(SiNやSiO等)が形成され、P層及びN層以外の部分に金属配線が接触しないように設計されている。またPINの積層構造の側面のうち光の入射面となる斜面には配線層22を形成しなくても良い。またここでは、受光素子11上に保持部7を形成している。
さらに、図示はしてはいないが、保持部7上に第1の光反射部4を設けても良い。第1の光反射部4と保持部7との接着方法は特に制限されないが、具体的な方法としては、金属―金属接合が挙げられる。第1の光反射部4と保持部7とを金属−金属(例えば、Au-Au、In−In、等)接合を用いて接着する場合には、第1の光反射部4側及び保持部7側に金属層を設ける必要ある。
なお図示してはいないが、発光部2と第1の受光部3とは同様の積層構造を持っても良い。また、発光部2と駆動部12、及び第1の受光部3と信号処理部13との接続用に基板1上に配線層22に繋がるパッドを設けても良い。駆動部12と信号処理部13との間はワイヤーボンディング装置を利用して形成されたワイヤーを利用しても良い。
また、被対象ガスは腐食性のガスセンサという用途の場合、半導体部を保護するという観点から、絶縁層はSiNやSiO等であっても良いし、配線層の露出される金属を金や白金やアルミニウムであっても良い。
なお、図7では、図示しないが、発光部2も発光素子を多段化した構成としてもよい。ナローギャップ半導体からなる発光素子の場合、内部抵抗が小さくなるので、多段化することで、内部抵抗を高めることができ、効率の良い駆動が可能となる。
図7において、駆動部12は、発光部2に駆動電流を供給する。信号処理部13は、第1の受光部3、第2の受光部9からの出力信号を処理する。なお、第1から第6実施形態における受発光装置も、発光部2に駆動電流を供給する駆動部12、第1の受光部3からの出力信号を処理する信号処理部13を備えている。
また、図7では、図6に示す第6実施形態に係る受発光装置において、第1の受光部3及び第2の受光部9を複数の受光素子を含んで構成した場合について説明したが、図1から図5に示す第1から第6の実施形態に係る受発光装置において、第1の受光部3を、直列に接続した複数の受光素子を含んで構成することも可能であり、また発光部2を、発光素子を多段化した構成としてもよい。
また、同一基板上に第1の受光部3と第2の受光部9とを設ける場合、それぞれの受光部が複数の受光素子11を直列接続した構造を備えていても良い。また、このようにそれぞれの受光部が複数の受光素子11を備える場合、差分の演算処理は基板1上で行っても良いし、基板外部にある信号処理部13で行っても良い。差分の演算を基板1上で行う場合、第1の受光部3の一端の素子のN極側を第2の受光部9の一端の素子のP極側に接続し、第1の受光部3の他端の素子のP極側及び、第2の受光部9の他端の素子のN極側を信号処理部13に接続しても良い。この場合、基板1上で差分処理が行われ、システムの簡略化の観点から、好ましい場合がある。
[変形例]
図6に示す、第1の受光部3と発光部2と第2の受光部9とを備えた第6実施形態における受発光装置において、図9に示すように、第1の受光部3と発光部2との間、発光部2と第2の受光部9との間それぞれの間隔を異なる値としてもよい。またその際、発光部2から第1の受光部3への光路の途中に第2の光反射部6を設けてもよい。
すなわち、図9に示す第1の受光部3と第2の受光部9とを含む縦断面において、第1の受光部3のメサ部の中心と発光部2のメサ部の中心との距離d1及び第2の受光部9のメサ部の中心と発光部2のメサ部の中心d2とは異なっても良い。図9に示す構造はガスセンサ用途では有効である。例えば、d1>d2である場合には、ガス吸収用の光路を延ばすことができるため、小型化・高感度・高SNRの観点から、特にガスセンサの用途では好ましい場合がある。具体的には、d1=β×d2とした場合、βは1.5倍でよいし、2倍以上でも良い。ガスセンサの用途に於いて、βが5倍、又は10倍以上の場合、ガス濃度変化に対して、第1の受光部3の出力信号の変化(つまり、感度)が改善されるため、好感度化の観点から好ましい場合がある。
この場合、基板内部反射経由で第1の受光部3に入射する光は第2の受光部9に入射する光より小さくなるため、図10で示す信号処理方法が有効である。
図10では、信号処理部は、ゲインがαである増幅器51と、差分演算器52とを備え、第1の受光部3からの信号がαというゲインで増幅されてから、第2の受光部9の信号から差し引かれる構成となっている。
具体的には、第1の受光部3の出力信号が(SWAFER+SAIR)、つまり基板内部経由の信号SWAFER及び空間経由のSAIRという信号から成り、第2の受光部9の出力信号が(SWAFER’)となる。つまり、図10で示す信号処理部の出力がα×(SWAFER+SAIR)−(SWAFER’)となる。そこで、α=SWAFER’/SWAFERと設定すれば、信号処理部の出力がα×SAIRとなる。つまり、基板内部の成分をキャンセルすることができるため、受発光装置のダイナミックレンジの改善という観点からみれば、好ましい場合がある。
<製造方法>
次に、本発明の一実施形態における受発光装置の具体的な製造方法を、図11、図12を伴って説明する。ここでは、図6に示すように、第1及び第2の受光部3、9を備えた受発光装置を作製する場合について説明する。なお、他の実施形態における受発光装置も同様の手順で作製すればよい。
図11(a)は基板1上にPIN構造20を積層したウエハーの断面図を示す。
PIN構造20が積層されたウエハーに対し、図11(b)に示すように、2段のエッチングを行って、発光部2、第1の受光部3及び第2の受光部9のメサ部を形成する。
次に、発光部2、第1の受光部3及び第2の受光部9のメサ部が形成されたウエハーの全面に絶縁層21を形成した後、各部において、メサ部の上面(P層)及びメサ部の底層(N層)に相当する領域にコンタクト穴31を形成する(図11(c))。
次に、リフトオフ等を利用して、コンタクト穴31を含む領域に金属配線からなる配線層22を選択的に形成する(図12(a))。
次に、各部において、メサ部の上面に形成された金属配線層22上に、保持部7さらに保持部7の上に接着用に接着層(例えばAu/Ti)32からなる積層構造を選択的に形成する(図12(b))。
次に、別途作製した、第1の光反射部4となる例えばAuコーティング済みの反射層、すなわちAuコーティング層33が形成された反射層を、Auコーティング層33と接着層32とが向かい合うように配置してAu−Auボンディング法を利用して、接着層32の上部に吸着させる(図12(c))。
なお、第1の光反射部4が一部の波長のみを反射するような構造を持つ場合、接着層のAu/Ti層は選択的に(つまり、接着領域の部分のみ)形成してもよい。
<その他>
本発明は、以上に記載した実施形態に限定されるものではない。その技術的思想の範囲内において、当業者の知識に基づいて実施形態に設計の変更等を加えてもよく、また、第1から第7実施形態を任意に組み合わせてもよく、そのような変更が加えられた態様も本発明の範囲に含まれる。
また、本発明の範囲は、各請求項により画される発明の特徴の組み合わせに限定されるものではなく、全ての開示されたそれぞれの特徴のうち特定の特徴のあらゆる所望する組み合わせによって画されうる。
1 基板
1a 第1主面
1b 第2主面
2 発光部
3 第1の受光部
4 第1の光反射部
5 反射層
6 第2の光反射部
7 保持部
8 第3の光反射部
9 第2の受光部
10 受発光装置
11 受光素子
12 駆動部
13 信号処理部
20 PIN構造
21 絶縁層
22 配線層
23 N層
24 I層
25 バリア層
26 P層
31 コンタクト穴
32 接着層
33 Auコーティング層
51 増幅器
52 差分演算器

Claims (9)

  1. 基板と、
    前記基板の第1主面上に配置されたメサ部を有する発光部と、
    前記基板の第1主面上に配置されたメサ部を有する第1の受光部と、
    前記発光部及び前記第1の受光部の上部に配置された第1の光反射部と、を備え、
    前記発光部のメサ部の一の側面と前記第1の受光部のメサ部の一の側面とは向かい合っており、
    前記発光部のメサ部及び前記第1の受光部のメサ部を含む縦断面において、前記発光部のメサ部の前記一の側面と前記第1の受光部のメサ部の前記一の側面と前記第1の光反射部と前記基板とで囲まれた領域に被検出ガスが導入される空間を有し、
    前記発光部と前記第1の受光部と前記第1の光反射部とは、前記発光部から放射された光の一部が、前記空間を伝搬して前記第1の受光部に入射する位置関係にある受発光装置。
  2. 前記発光部は、当該発光部のメサ部の前記一の側面を除く側面の少なくとも一部に反射層をさらに有する請求項1に記載の受発光装置。
  3. 前記基板の第1主面上であり且つ前記発光部と前記第1の受光部との間に、第2の光反射部をさらに備える請求項1又は請求項2に記載の受発光装置。
  4. 前記発光部及び前記第1の光反射部は、前記第1の光反射部を保持する保持部を備える請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の受発光装置。
  5. 前記第1の光反射部は、
    当該第1の光反射部に入射した光のうち一部の波長の光のみを反射する請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の受発光装置。
  6. 前記基板の、前記第1主面とは逆側の第2主面上に、前記発光部から放射された光を反射する第3の光反射部をさらに備える請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の受発光装置。
  7. 前記基板の第1主面上の前記空間の外に配置されたメサ部を有する第2の受光部と、
    前記基板の第1主面上に配置された光遮断部と、をさらに備え、
    前記第2の受光部のメサ部及び前記発光部のメサ部を含む縦断面において、前記第2の受光部のメサ部と前記発光部のメサ部との間に前記光遮断部が配置される請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の受発光装置。
  8. 前記第2の受光部は直列接続された複数の受光素子からなる請求項7に記載の受発光装置。
  9. 前記第1の受光部は直列接続された複数の受光素子からなる請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の受発光装置。
JP2015169273A 2015-08-28 2015-08-28 受発光装置 Active JP6533719B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015169273A JP6533719B2 (ja) 2015-08-28 2015-08-28 受発光装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015169273A JP6533719B2 (ja) 2015-08-28 2015-08-28 受発光装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017044646A JP2017044646A (ja) 2017-03-02
JP6533719B2 true JP6533719B2 (ja) 2019-06-19

Family

ID=58211229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015169273A Active JP6533719B2 (ja) 2015-08-28 2015-08-28 受発光装置

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6533719B2 (ja)

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6036939A (ja) * 1983-08-09 1985-02-26 Nippon Soken Inc 光電式煙感知器
JP2002328086A (ja) * 2001-04-27 2002-11-15 Yamatake Corp 光音響ガスセンサ用光源およびその製造方法
JP5208671B2 (ja) * 2008-10-28 2013-06-12 パナソニック株式会社 赤外光ガスセンサ
JP4743453B2 (ja) * 2008-12-25 2011-08-10 住友電気工業株式会社 気体モニタリング装置、燃焼状態モニタリング装置、経年変化モニタリング装置、および不純物濃度モニタリング装置
JP5906407B2 (ja) * 2011-04-11 2016-04-20 パナソニックIpマネジメント株式会社 気体成分検出装置
JP5985909B2 (ja) * 2012-07-10 2016-09-06 旭化成エレクトロニクス株式会社 ガスセンサ
WO2014136414A1 (ja) * 2013-03-04 2014-09-12 パナソニック株式会社 デバイス
JP2015031646A (ja) * 2013-08-06 2015-02-16 パナソニック株式会社 センサ
JP6010702B2 (ja) * 2013-09-27 2016-10-19 旭化成エレクトロニクス株式会社 ガスセンサ
JP6202440B2 (ja) * 2014-01-20 2017-09-27 パナソニックIpマネジメント株式会社 赤外線式ガスセンサ

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017044646A (ja) 2017-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10551314B2 (en) Gas sensor
JP6626281B2 (ja) ガスセンサ
JP3812500B2 (ja) 半導体装置とその製造方法、電気光学装置、電子機器
KR101415648B1 (ko) 시모스 엠오이엠에스 센서 소자
US7791085B2 (en) Semiconductor light emitting apparatus
US5822473A (en) Integrated microchip chemical sensor
JP6365770B2 (ja) 光学分析装置及びその製造方法
JP2017015568A (ja) ガスセンサ
JP5197978B2 (ja) 光半導体モジュール
JP2009117499A (ja) 受光素子
JP2022171687A (ja) 光デバイス及び光学式濃度測定装置
JP6533719B2 (ja) 受発光装置
JP5940657B2 (ja) 光検出器
JP6774792B2 (ja) 赤外線デバイス
JP2017147428A (ja) 量子カスケード検出器
JP4674642B2 (ja) 半導体発光装置
JP6294150B2 (ja) 受発光装置
JP5822688B2 (ja) 受発光素子
JP6150951B2 (ja) 集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントの製造方法、集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネント、及び、集積マイクロメカニカル流体センサコンポーネントを用いた流体の識別方法
JP5936837B2 (ja) 受光素子
JP2015094738A (ja) 光検出器の製造方法
JP2014127683A (ja) 受発光デバイス
JP2010219199A (ja) 受発光装置
JP2010014495A (ja) 光ジャイロセンサ及びその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180510

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190313

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190521

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190527

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6533719

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150