JP6974208B2

JP6974208B2 - 受発光素子モジュールおよびセンサー装置

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Publication number: JP6974208B2
Application number: JP2018026297A
Authority: JP
Inventors: 直樹藤本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-02-16
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2038-02-16
Also published as: JP2019145586A

Description

本発明は、受発光素子モジュールおよびセンサー装置に関する。

従来、受発光素子モジュールとして、発光部と受光部を基板に搭載した反射型光結合装置が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開平５−１５２６０３公報

受発光素子モジュールでは、小型化することが求められている。

本開示の受発光素子モジュールは、基板と、前記基板上に配された、第１電極パッドを有した発光素子と、前記基板上に前記発光素子から離れて配された、第２電極パッドを有した受光素子と、前記基板の上方に位置するとともに、前記発光素子および前記受光素子の上方にそれぞれ位置した複数の貫通孔を有した上壁と、前記第１電極パッドおよび前記第２電極パッドに固定された、金属線と、を備え、前記上壁を平面視したときに、前記第１電極パッドおよび前記第２電極パッドが、前記複数の貫通孔内に位置している。前記受光素子は、第１導電型領域および第２導電型領域を有し、前記第１導電型領域および前記第２導電型領域が重複領域を有した基板を有している。前記発光素子は、前記基板の前記重複領域とは異なる位置に配されており、前記第１電極パッドおよび前記第２電極パッドは、前記基板上に位置しており、前記発光素子および前記受光素子は、前記基板を介して前記配線基板に実装されている。前記配線基板の上面は、前記基板の上面よりも広く、前記複数の主電極パッドは、前記配線基板の上面のうち前記基板よりも外側に位置する領域に配されており、前記発光素子および前記受光素子を囲み、前記上壁が高さ方向の途中に配された側壁をさらに備え、前記側壁は、前記配線基板の上面のうち前記基板よりも外側に位置する領域に配されている。前記基板は、前記発光素子および前記受光素子が並んだ第１方向に延びており、前記複数の主電極パッドは、前記配線基板の上面のうち前記基板よりも前記第１方向に直交する第２方向に沿って外側に位置する領域に配されている。

本開示の受発光素子モジュールでは、小型化することができる。

本開示の受発光素子モジュールの斜視図である。本開示の受発光素子モジュールの断面図である。本開示の受発光素子モジュールの断面の一部を拡大した拡大図である。本開示の受発光素子モジュールの断面の一部を拡大した拡大図である。本開示の受発光素子モジュールの上面図である。本開示の受発光素子モジュールの上面図である。本開示のセンサー装置の概要を示す断面図である。

以下に、本開示の受発光素子モジュールについて、図面を参照しつつ説明する。本願では、便宜的に直交座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定義してＺ軸方向の正側を上方とするが、本開示の受発光素子モジュールは、いずれの方向が上方または下方とされてもよい。

＜受発光素子モジュール＞
図１，２に、本開示の受発光素子モジュールの一例の概要を示す。図２は、図１に記載の受発光素子モジュールをＩＩ−ＩＩ線で切断したときの断面の図である。

受発光素子モジュール１は、例えば、対象物に光を照射して対象物での反射光を検出することによって、対象物をセンシングすることができる。受発光素子モジュール１は、例えばコピー機または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
の対象物の位置情報、距離情報または濃度情報などを検出することができる。

受発光素子モジュール１は、図１に示すように、配線基板２と、配線基板２上に配された筐体３と、筐体３上に配されたレンズ部材４とを有している。また、図２に示すように、筐体３内には、配線基板２に実装された受発光素子５が配されている。

配線基板２は、受発光素子５を支持することができる。配線基板２は、受発光素子５および外部装置に電気的に接続されて、外部からの電流の供給を受けて受発光素子５を駆動することができる。配線基板２は、複数の主電極パッド21を有しており、主電極パッド21および後述する受発光素子５の電極は、例えばボンディングワイヤなどの金属線22を介して接続されている。

配線基板２は、例えば、矩形状に形成されてもよい。配線基板２は、例えば、絶縁層と配線とを交互に積層して形成することができる。配線基板２は、例えば、樹脂基板またはセラミック基板などであればよい。本開示の配線基板２は、樹脂基板である。なお、樹脂基板は絶縁層が樹脂層であり、セラミック基板は絶縁層がセラミック層である。

受発光素子５は、光を出射し、光を検知することができる。受発光素子５は、基板51と、基板51上に配された発光素子52、受光素子53および複数の電極54とを有している。発光素子52と受光素子53は、第１方向Ｄ１に沿って並んでいる。複数の電極54のそれぞれには、金属線22が接続されており、配線基板２と電気的に接続している。

基板51は、発光素子52、受光素子53を支持することができる。基板51は、例えば、半導体材料から形成されていればよい。基板51は、例えば、シリコン（Ｓｉ）結晶の基板であればよい。基板51は、例えば、板状であればよい。基板51の厚みは、例えば、３００μｍ以上４００μｍ以下であればよい。基板51の平面形状は、例えば四角形状であればよい。基板51は、例えば、シリコン（Ｓｉ）のインゴットをウェハ状にスライスして形成することができる。

図３に、発光素子52の概要を模式的に示す。なお、図３は、図２の断面のうち発光素子52を拡大して示している。

発光素子52は、電圧が印加されることによって、発光することができる。発光素子52は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）またはＬＤ（Laser diode）などであればよ
い。発光素子52は、基板51の上面に配された複数の半導体層520と、複数の半導体層520に電圧を印加する一対の第１電極541とを有している。

複数の半導体層520は、第１導電型の第１半導体層521と、第２導電型の第２半導体層522と、第３半導体層523とを有している。第３半導体層523は、第１半導体層521および第２半導体層522の間に位置している。

第１半導体層521は、第１電極541の一方と電気的に接続される。第２半導体層522は、
第１電極541の他方と電気的に接続される。第１電極541によって電圧が印加されたとき、電子および正孔などのキャリアが、第１半導体層521を介して第３半導体層523に流れこみ、第３半導体層523が発光することができる。

第１半導体層521は、第１コンタクト層521aと、第１コンタクト層521aに積層された第
１クラッド層521bとを有している。第１コンタクト層521aの上面には、第１クラッド層521bの他に、一方の第１電極541も配されている。第１クラッド層521bには、第３半導体層523が積層されている。

第１コンタクト層521aは、第１電極541との電気的な接触抵抗を低減することができる
。第１コンタクト層521aは、例えば、ｎ型の不純物を含むガリウムヒ素（ＧａＡｓ）であればよい。第１コンタクト層521aのｎ型の不純物としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）等であればよい。第１コンタクト層521aの厚みは、例えば、０．８μｍ以上１μｍ以下である。

なお、本明細書では「第１導電型」は「ｎ型」とし「第２導電型」は「ｐ型」とする。しかしながら、本発明では「第１導電型」は「ｐ型」としてもよい。この場合、「第２導電型」は「ｎ型」とする。

第１クラッド層521bは、第３半導体層523に正孔を閉じ込めることができる。第１クラ
ッド層521bは、例えば、ｎ型の不純物を含むアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）であればよい。第１クラッド層521bのｎ型の不純物は、例えば、シリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）等であればよい。第１クラッド層521bの厚みは、例えば、０．２μｍ以上０．５μｍ以下である。

第２半導体層522は、第３半導体層523に積層された第２クラッド層522aと、第２クラッド層522aに積層された第２コンタクト層522bとを有している。第２コンタクト層522bの上面には、他方の第１電極541が配されている。

第２クラッド層522aは、第３半導体層523に電子を閉じ込める機能を有している。第２
クラッド層522aは、例えば、ｐ型の不純物を含むアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）であればよい。第２クラッド層522aのｐ型の不純物は、例えば、亜鉛（Ｚｎ）またはマグネシウム（Ｍｇ）等であればよい。第２クラッド層522aの厚みは、例えば、０．２μｍ以上０．５μｍ以下である。

第２コンタクト層522bは、他方の第１電極541との電気的な接触抵抗を低減する機能を
有している。第２コンタクト層522bは、例えば、ｐ型の不純物を含むアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）であればよい。第２コンタクト層522bの厚みは、例えば、０．２μｍ以上０．５μｍ以上であればよい。なお、第２コンタクト層522bは、電極との接触抵抗を低減するために、第２クラッド層522aよりもキャリア密度が高く設定されている。

第３半導体層523は、いわゆる活性層であり、発光部である。第３半導体層523は、キャリアが再結合することによって、発光することができる。第３半導体層523は、例えば、
アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）等であればよい。第３半導体層523の厚みは
、例えば、０．１μｍ以上０．５μｍ以下である。

なお、複数の半導体層520の表面には、複数の電極54同士の短絡を防止する目的で、複
数の電極54との接続箇所を除いて絶縁層55が配されている。

また、複数の半導体層520は、基板51の上面に積層された第４半導体層524をさらに有していてもよい。第４半導体層524は、複数の半導体層520のバッファ層として機能することができる。第４半導体層524は、例えば、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等であればよい。第
４半導体層524の厚みは、例えば、２μｍ以上３μｍ以下である。

以上より、複数の半導体層520は、第４半導体層524、第１半導体層521、第３半導体層523、第２半導体層522の順序で、基板51の上面に積層されて形成される。なお、複数の半
導体層520は、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法を利用して、基板51の上面に順次エピタキシャル成長させることによって形成することができる
。また、絶縁層55は、例えばＰ−ＣＶＤ（Plasma Chemical Vapor Deposition）法を利用して形成することができる。また、複数の電極54は、例えば蒸着法、スパッタ法またはめっき法などを利用して形成することができる。

図４，５に、受発光素子５の概要を示す。図４，５は、配線基板２、筐体３およびレンズ部材４を除いた図である。

受光素子53は、光を受光して電流に変換することができる。受光素子53は、発光素子52から出射した光のうち、対象物で反射した光を受光するものである。その結果、対象物の表面状態などを測定することができる。受光素子53は、例えば、ＰＤ（photo diode）ま
たはＰＴ（photo transistor）などであればよい。

受光素子53は、図４，５に示すように、第１導電型の第１領域531、第２導電型の第２
領域532、第１領域531および第２領域532に接続した一対の第２電極542を有している。受光素子53は、第１，２領域531，532でｐｎ接合を形成しており、光を電流に変換することができる。一対の第２電極542は、変換された電流を取り出すことができる。

本開示の受光素子53では、基板51の一部が、第１，２領域531，532を構成している。言い換えれば、基板51は、第１，２領域531，532を有している。すなわち、第１導電型の基板51の一部を第２導電型に代えることによってｐｎ接合を形成し、第１受光素子53の一部として機能させている。なお、第１，２領域531，532は、基板51の表面の一部を構成しており、基板51の表面に配された一対の第２電極542と電気的に接続している。本開示の第
１受光素子53では、第２領域532が基板51の上面の一部を構成しており、受光領域となる
。

本開示の基板51は、ｐｎ接合を形成しているため、ｎ型およびｐ型の不純物を有している。基板51のｎ型の不純物は、例えばリン（Ｐ）または窒素（Ｎ）等であればよい。また、基板51のｐ型の不純物は、例えば、ホウ素（Ｂ）、亜鉛（Ｚｎ）またはマグネシウム（Ｍｇ）等であればよい。なお、基板51に、ｎ型の不純物をドーピングした後、ｐ型の不純物をさらにドーピングすることによって、第１，２領域531，532を形成することができる。

筐体３は、受発光素子５を保護することができる。また、筐体３は、外部から受発光素子５に進入する光を遮断または低減することができる。

筐体３は、図２に示すように、受発光素子５を囲んだ側壁30と、側壁30と接続して、受発光素子５の上方に位置して、側壁30で囲まれた領域を覆うように配された上壁31とを有している。受発光素子５は、側壁30の内面と上壁31の下面とに囲まれる領域に配されている。側壁30は、例えば枠状であり、上壁31は、例えば板状であればよい。筐体３の側壁30の下面は、例えば、接着材などを介して、配線基板２の上面に接続されていればよい。なお、上壁31は、側壁30の高さ方向の途中に配されている。

上壁31は、図２，６に示すように、複数の貫通孔310を有しており、複数の貫通孔310によって、受発光素子５の光が筐体３を通過することができる。複数の貫通孔310は、発光
素子52の上方に位置した第１貫通孔311と、受光素子53の上方に位置した第２貫通孔312とを有している。第１貫通孔311には発光素子52の出射光が通過し、第２貫通孔312には対象物からの反射光が通過する。

なお、図６は、筐体３の概要を示している。図６は、配線基板２およびレンズ部材４を除いた図である。

筐体３の上壁31は、複数の貫通孔310の間に位置した中間部320と、複数の貫通孔310お
よび中間部320を囲む周辺部330をさらに有している。中間部320は、発光素子52と受光素
子53との間の領域に位置しており、発光素子52が出射した光が通過する領域と、受光素子53が受光する光が通過する領域とを分けることができる。周辺部330は、外部から入射す
る不要な光を低減することができる。

なお、図６では、複数の貫通孔310および点線で囲まれた領域が中間部320であり、点線より外側に位置して複数の貫通孔310を囲む領域が周辺部330である。

中間部320は、基板51に対向した下面322を有している。下面322は、基板51の上面に対
して、発光素子52側に傾斜した第１傾斜面321を有していてもよい。また中間部320の下面322は、発光素子52よりも上方に位置していてもよいし、発光素子52（複数の半導体層520）の上面よりも下方に位置していてもよい。中間部320の下面322が発光素子52よりも上方に位置していれば、上壁31と基板51との接触を低減することができる。

筐体３は、例えば、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）ポリカーボネイト樹脂（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）などの金属材料などで形成することができる。筐体３は、例えば、射出成型などにより形成することができる。

レンズ部材４は、発光素子52からの光を対象物に誘導したり、対象物での反射光を受光素子53に誘導したりすることができる。レンズ部材４は、図２に示すように、光が通過するレンズ部41と、レンズ部41を支持する支持部42とを有している。そして、レンズ部材４は、支持部42を介して、筐体３の側壁30の内面と上壁31の上面とに囲まれる領域にはめ込まれている。

レンズ部材４は、透光性の材料で形成することができる。レンズ部材４は、例えば、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イ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で形成することができる。レンズ部材４は、例えば、射出成型などにより形成することができる。

レンズ部41は、発光素子52の出射光および対象物での反射光を集光し誘導することができる。レンズ部41は、発光素子52の出射光を集光する第１レンズ43と、対象物からの反射光を集光する第２レンズ44とを有している。本開示の第１レンズ43および第２レンズ44のそれぞれは、例えば、凸レンズ、球面レンズまたは非球面レンズなどを使用することができる。

支持部42は、レンズ部41を保持することができる。支持部42は、例えば、板状に形成することができる。支持部42は、レンズ部41と一体的に形成されることによってレンズ部41を保持してもよいし、支持部42にレンズ部41の第１レンズ43および第２レンズ44がはめ込まれることによってレンズ部41を保持してもよい。

本発明に係る受発光素子モジュール１では、発光素子52の一対の第１電極パッド541お
よび受光素子53の一対の第２電極パッド542は、上壁31を平面視したときに、それぞれ複
数の貫通孔310内に位置している。すなわち、上壁31を平面視したときに、一対の第１電
極パッド541および一対の第２電極パッド542に接続される金属線22の一部が、貫通孔310
内に位置することになる。したがって、貫通孔310内に金属線22が位置しない場合に比較
し、上壁31を配線基板5に近づけることができ、受発光素子モジュール１を小型化するこ
とができる。

配線基板２は、基板51よりも大きくてもよい。そして、配線基板２の主電極パッド21は、配線基板２の表面のうち基板51よりも外側に位置する領域に位置していてもよい。その結果、金属線22が接続される主電極パッド21が、第１電極541および第２電極542よりも低い位置にあるため、金属線22のループ位置を低くすることができる。したがって、受発光素子モジュール１を小型化することができる。

基板51は、発光素子52および受光素子53が並んだ第１方向に沿って伸びた形状を有していてもよい。そして、配線基板２は、第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２に沿って基板51よりも外側に位置する領域を有しており、この領域に主電極パッド21が配されていてもよい。その結果、平面方向に小型化することができる。

配線基板２の複数の主電極パッド21は、平面視したときに、複数の貫通孔310内に位置
していてもよい。その結果、金属線22の全てが、複数の貫通孔310内に位置するため、厚
み方向において、より小型化することができる。

配線基板２は、配線基板２の上面のうち基板51よりも第２方向Ｄ２の正方向および負方向に沿って外側に位置する領域を有しており、複数の主電極パッド21は、第２方向Ｄ２の正方向および負方向に沿って外側に位置する領域に位置している。すなわち、金属線22は、それぞれ異なる方向に引き回されていてもよい。その結果、小型化することができる。

＜センサー装置＞
次に、受発光素子モジュール１を備えたセンサー装置６について説明する。図７に示したように、本開示のセンサー装置６は、受発光素子モジュール１と、受発光素子モジュール１に電気的に接続された制御用回路７とを有している。制御用回路７は、受発光素子モジュール１を制御することができる。制御用回路７は、例えば、受発光素子５を駆動させるための駆動回路、受発光素子５の電流を処理する演算回路または外部装置と通信するための通信回路などを含んでいる。なお、図７に示した破線の矢印は、発光素子52から出る光の経路を例示している。

１受発光素子モジュール
２配線基板
３筐体
４レンズ部材
５受発光素子
６センサー装置
７制御用回路

Claims

複数の主電極パッドを有した配線基板と、
前記配線基板上に配された、一対の第１電極パッドを有した発光素子と、
前記配線基板上に前記発光素子から離れて配された、一対の第２電極パッドを有した受光素子と、
前記配線基板の上方に位置するとともに、前記発光素子および前記受光素子の上方にそれぞれ位置した複数の貫通孔を有した上壁と、
前記一対の第１電極パッドとそれぞれ対応する前記主電極パッドとを、および前記一対の第２電極パッドとそれぞれ対応する前記主電極パッドとを接続した、金属線と、を備え、
前記上壁を平面視したときに、前記一対の第１電極パッドおよび前記一対の第２電極パッドが、前記複数の貫通孔内に位置している、とともに、
前記受光素子は、第１導電型領域および第２導電型領域を有し、前記第１導電型領域および前記第２導電型領域が重複領域を有した基板を有し、
前記発光素子は、前記基板の前記重複領域とは異なる位置に配されており、
前記第１電極パッドおよび前記第２電極パッドは、前記基板上に位置しており、
前記発光素子および前記受光素子は、前記基板を介して前記配線基板に実装されており、
前記配線基板の上面は、前記基板の上面よりも広く、
前記複数の主電極パッドは、前記配線基板の上面のうち前記基板よりも外側に位置する領域に配されており、
前記発光素子および前記受光素子を囲み、前記上壁が高さ方向の途中に配された側壁をさらに備え、
前記側壁は、前記配線基板の上面のうち前記基板よりも外側に位置する領域に配されており、
前記基板は、前記発光素子および前記受光素子が並んだ第１方向に延びており、
前記複数の主電極パッドは、前記配線基板の上面のうち前記基板よりも前記第１方向に直交する第２方向に沿って外側に位置する領域に配されている、
受発光素子モジュール。
前記配線基板は、前記配線基板の上面のうち前記基板よりも前記第２方向の正方向および負方向に沿って外側に位置する領域を有しており、
前記複数の主電極パッドは、前記第２方向の正方向および負方向に沿って外側に位置する領域に位置している、請求項１に記載の受発光素子モジュール。
請求項１または２に記載の受発光素子モジュールと、
前記受発光素子モジュールに接続され、前記受発光素子モジュールを制御する制御用回路と、を有するセンサー装置。