WO2013015379A1 - 受発光素子およびそれを備えたセンサ装置 - Google Patents

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WO2013015379A1
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light emitting
light
substrate
photodiode
emitting diode
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PCT/JP2012/069021
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雄治 増田
勝信 北田
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京セラ株式会社
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    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/15—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/12—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof structurally associated with, e.g. formed in or on a common substrate with, one or more electric light sources, e.g. electroluminescent light sources, and electrically or optically coupled thereto
    • H—ELECTRICITY
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    • H01L27/15—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission
    • H01L27/153—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components having potential barriers, specially adapted for light emission in a repetitive configuration, e.g. LED bars

Definitions

  • 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.
  • Sensor devices that irradiate a measurement target with light from a light emitting element, detect reflected light from the measurement target with a light receiving element, and measure the optical characteristics of the measurement target are used in a wide range of fields. For example, they are used in a wide variety of applications such as photo interrupters, photo couplers, remote control units, IrDA (Infrared Data Association) communication devices, optical fiber communication devices, and document size sensors.
  • IrDA Infrared Data Association
  • the light receiving element when the light receiving element receives specular reflection light or diffuse reflection light emitted from the light emitting element to the measurement object, the light receiving element receives more accurate specular reflection light or diffuse reflection light.
  • the light emitting element and the light receiving element are disposed at closer positions.
  • one surface of a semiconductor substrate made of silicon is doped with an impurity, and a shallow pn junction portion having a light receiving function and a deep pn junction portion having a light emitting function are formed adjacent to each other.
  • a light emitting / receiving element array is described.
  • silicon substrates do not have insulating properties, and even if they have high resistance, they have a resistivity of about 3000 to 6000 ⁇ cm.
  • a leakage current may be generated when the light emitting element is driven, and may flow into the light receiving element through the silicon substrate.
  • This leakage current is mixed as noise in the output current from the light receiving element (current output according to the light receiving intensity).
  • the conventional light receiving and emitting element array has a problem that the detection accuracy of the reflected light by the light receiving element is lowered due to the occurrence of such a leakage current.
  • this leakage current increases. That is, in order to receive more accurate specular reflection light or diffuse reflection light by the light receiving element, it is desired that the light emitting portion and the light receiving portion are closer, but on the other hand, the leakage current is increased. For this reason, the conventional light emitting and receiving element array has a problem that it is difficult to increase measurement accuracy.
  • the present invention aims to solve this problem.
  • a light receiving and emitting element includes a substrate made of a semiconductor material of one conductivity type, a light emitting diode provided on one principal surface of the substrate, and the light emitting diode on the one principal surface of the substrate.
  • a reverse conductivity type in which a photodiode provided at a distance, a region where the light emitting diode is disposed on the one main surface side of the substrate, and a region where the photodiode is disposed are continuously provided. Intervening part.
  • the light receiving / emitting element means an element in which at least one light receiving element and at least one light emitting element are provided on one main surface of a substrate.
  • a sensor device is a sensor device including the light receiving and emitting element described above, irradiating a detection target with light from the light emitting diode, and reflecting light from the detection target to the photo object.
  • the position of the detection target is detected by making it enter a diode and measuring a photocurrent generated from the photodiode.
  • FIG. 1 It is a top view which shows schematic structure of the light emitting / receiving element which concerns on one Embodiment of this invention. It is the II sectional view taken on the line of FIG. It is a principal part expanded sectional view of the light emitting diode of the light emitting / receiving element shown in FIG. (A)-(c) is a top view which shows schematic structure of the modification of the light emitting / receiving element shown in FIG. 1, respectively. (A)-(c) is a top view which shows schematic structure of the modification of the light emitting / receiving element shown in FIG. 1, respectively. (A), (b) is principal part sectional drawing which shows the interposition part in the modification of the light emitting / receiving element shown in FIG. 1, respectively. It is principal part sectional drawing which shows the interposition part in the modification of the light emitting / receiving element shown in FIG. It is principal part sectional drawing which shows the modification of the light emitting / receiving element shown in FIG. It is principal part sectional drawing which shows the modification of the light emit
  • the light emitting / receiving element 1 includes a substrate 3, a plurality (11 in the illustrated example) of light emitting diodes 5 provided on the substrate 3, and a plurality of (illustrated examples) provided on the substrate 3. 11) photodiodes 7, and an interposition part 19 disposed so as to divide the region where the light emitting diodes 5 and the photodiodes 7 are disposed.
  • the substrate 3 is made of one conductivity type semiconductor material. Although there is no limitation on the impurity concentration of one conductivity type, it is desirable to have a high electric resistance.
  • an n-type silicon substrate is used.
  • n-type is defined as one conductivity type and p-type is defined as reverse conductivity type.
  • the electric resistance of the substrate 3 is preferably 1 ⁇ ⁇ cm or more. By increasing the electrical resistance of the substrate 3, it is possible to suppress the occurrence of a leak current between the light emitting diode 5 and the photodiode 7 which will be described later.
  • the configuration of the light emitting diode 5 will be described later.
  • An intervening portion 19 is disposed between the light emitting diode 5 and the photodiode 7.
  • the interposition part 19 should just be provided continuously along the part where the area
  • the light emitting diodes 5 may be provided between the light emitting diodes 5 and the photodiodes 7 arranged closest to each other.
  • the light emitting diodes 5 are continuously provided along the arrangement direction of the light emitting diodes 5 and the plurality of photodiodes 7 and the arrangement direction.
  • the interposition part 19 is a semiconductor part having a conductivity type opposite to that of the substrate 3 (p-type). For this reason, a reverse-conductivity type semiconductor part exists in the middle of the path from the light emitting diode 5 to the photodiode 7 on the substrate 3, and the leakage current from the light emitting diode 5 is prevented from reaching the photodiode 7. can do. That is, the interposition part 19 functions as a resistance component on the surface of the substrate 3 of one conductivity type.
  • the interposition part 19 is for suppressing the current supplied from the external drive circuit to the light emitting diode 5 from flowing into the photodiode 7 through the semiconductor substrate 3. By doing so, it is possible to suppress the leakage current from the light emitting diode 5 from being mixed into the current output from the photodiode 7 as noise, and to measure the received light intensity by the photodiode 7 with higher accuracy. . That is, such an interposition part 19 can provide the light receiving / emitting element 1 with high sensitivity.
  • the substrate 3 is not particularly limited as long as it is made of a semiconductor material.
  • an n-type Si substrate is used.
  • the Si substrate contains P (phosphorus) as an impurity of one conductivity type, and its concentration is 1 ⁇ 10 17 to 2 ⁇ 10 17 atoms / cc.
  • the light-emitting diode 5 includes a buffer layer 51, an n-type contact layer 52, an n-type cladding layer 53, an active layer 54, a p-type cladding layer 55, a p-type contact layer 56, and a cap layer 57 on the substrate 3 from the substrate 3 side. It is formed by stacking in this order. Under the buffer layer 51, there is an n-type impurity diffusion portion 3n formed by diffusing impurities in the substrate 3 as will be described later. That is, the light emitting diode 5 is directly disposed on the substrate 3 without an insulator. In other words, the electrical resistance between the light emitting diode 5 and the substrate 3 is approximately the same as the electrical resistance of the substrate 3.
  • the buffer layer 51 is made of GaAs that is not doped with impurities and has a thickness of 2 to 3 ⁇ m.
  • the n-type contact layer 52 is made of GaAs doped with an n-type impurity and has a thickness of 0.8 to 1 ⁇ m.
  • the n-type impurity include Si, and the doping concentration of the n-type contact layer 52 is set to 1 ⁇ 10 18 to 2 ⁇ 10 18 atoms / cc.
  • a part of the upper surface of the n-type contact layer 52 is exposed from the n-type cladding layer 53, the active layer 54, the p-type cladding layer 55, the p-type contact layer 56, and the cap layer 57.
  • a second electrode 11 described later is connected to the exposed portion.
  • the n-type cladding layer 53 is made of AlGaAs doped with an n-type impurity and has a thickness of 0.3 to 0.5 ⁇ m.
  • An example of the n-type impurity is Si, and the n-type cladding layer 53 has a doping concentration of 1 ⁇ 10 17 to 5 ⁇ 10 17 atoms / cc.
  • the active layer 54 is made of AlGaAs that is not doped with impurities, and has a thickness of 0.3 to 0.5 ⁇ m.
  • the p-type cladding layer 55 is made of AlGaAs doped with p-type impurities and has a thickness of 0.3 to 0.5 ⁇ m.
  • An example of the p-type impurity is Mg, and the doping concentration of the p-type cladding layer 55 is 1 ⁇ 10 18 to 2 ⁇ 10 18 atoms / cc.
  • the p-type contact layer 56 is made of AlGaAs doped with a p-type impurity and has a thickness of 0.3 to 0.5 ⁇ m.
  • Examples of the p-type impurity include Mg and Zn, and the doping concentration of the p-type contact layer 56 is set to 1 ⁇ 10 19 to 5 ⁇ 10 20 atoms / cc.
  • the cap layer 57 is made of GaAs doped with a p-type impurity and has a thickness of 0.01 to 0.03 ⁇ m.
  • the material and doping concentration of the p-type impurity may be the same as that of the p-type contact layer 56.
  • Each of the semiconductor layers constituting the light-emitting diode 5 is formed by epitaxial growth on the substrate 3 using, for example, MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition) method.
  • MOCVD Metal-organic Chemical Vapor Deposition
  • the first electrode 9 is connected to a part of the upper surface of the cap layer 57.
  • the first electrode 9 extends on the insulating film 13 and is individually provided for the cap layer 57 of each light emitting diode 5.
  • the first electrode 9 is made of, for example, AuNi, AuCr, AuTi, AlCr alloy, which is a combination of Au, Al, and Ni, Cr, Ti, which are adhesion layers, and has a thickness of 0.5 to 5 ⁇ m. Has been.
  • the second electrode 11 is connected to a part of the upper surface of the n-type contact layer 52.
  • the second electrode 11 extends on the insulating film 13 and connects the n-type contact layers 52 of the light emitting diodes 5 arranged in a row as shown in FIG. In FIG. 1, the insulating film 13 is not shown for convenience of explanation.
  • the second electrode 11 is formed with a thickness of 0.5 to 5 ⁇ m using, for example, an AuSb alloy, an AuGe alloy, a Ni-based alloy, or the like.
  • the first electrode 9 and the second electrode 11 are connected to an external drive circuit (not shown), and a forward voltage is applied between the electrodes 41 and 43, whereby the p-type cladding layer 55 and the n-type cladding layer 53 are applied.
  • a forward voltage is applied between the electrodes 41 and 43, whereby the p-type cladding layer 55 and the n-type cladding layer 53 are applied.
  • current is supplied to the light emitting diode 5 forming a pn junction, and the active layer 54 emits light.
  • any one of the plurality of first electrodes 9 is selected, and a forward voltage is applied between the selected first electrode 9 and second electrode 11 to select the selected first electrode 9.
  • the light emitting diode 5 connected to the electrode 9 can emit light.
  • the light-emitting diode 5 has a light-transmitting property except for a contact portion between the second electrode 11 and the n-type contact layer 52 and a contact portion between the first electrode 9 and the cap layer 57.
  • the insulating film 13 is covered to ensure insulation between the first electrode 9 and the second electrode 11.
  • an insulating film 13 is formed on the surface of the substrate 3, and insulation between the substrate 3 and the first electrode 9 and the second electrode 11 is ensured.
  • the insulating film 13 is made of, for example, an inorganic insulating film such as SiN x or SiO 2 or an organic insulating film such as polyimide and has a thickness of 0.1 to 5 ⁇ m.
  • each photodiode 7 forms a pn junction with the n-type substrate 3 by providing the p-type semiconductor portion 7 p formed on the upper surface (one main surface) 3 a of the substrate 3. Configured. In other words, the photodiode 7 is built in a part of the substrate 3.
  • the p-type semiconductor portion 7p is formed by containing a p-type impurity in the semiconductor substrate 3 at a high concentration. Specifically, the p-type semiconductor portion 7p is formed by implanting p-type impurities into the semiconductor substrate 3 or thermally diffusing. Examples of the p-type impurity include Zn, Mg, C, B, Al, Ga, In, and the like. In this embodiment, B is diffused as a p-type impurity so as to have a thickness of 0.5 to 3 ⁇ m, and the doping concentration of the p-type semiconductor portion 7p is set to 1 ⁇ 10 18 to 1 ⁇ 10 22 atoms / cc.
  • the third electrode 15 is connected to the p-type semiconductor portion 7p.
  • the 3rd electrode 15 is joined to the peripheral part of the p-type semiconductor part 7p.
  • the third electrode 15 is made of, for example, an alloy of Au and Cr, Al and Cr, Pt and Ti, etc., and has a thickness of 0.5 to 5 ⁇ m.
  • the third electrode 15 is connected to an external circuit (not shown). Note that the third electrode 15 is secured to the substrate 3 by the insulating film 13.
  • the interposition part 19 is formed by containing a p-type impurity in the semiconductor substrate 3 at a high concentration. Specifically, the interposition part 19 is formed by implanting or diffusing a p-type impurity in the semiconductor substrate 3.
  • the p-type impurity include Zn, Mg, C, B, Al, Ga, In, and the like.
  • B is diffused as a p-type impurity so as to have a thickness of 5 ⁇ m, and the doping concentration is set to 1 ⁇ 10 18 to 1 ⁇ 10 22 atoms / cc.
  • the preferred thickness of the interposition part 19 in the depth direction varies depending on the material of the substrate 3, the resistivity, and the like. Since the leakage current from the light-emitting diode 5 mainly flows on the surface of the substrate 3, it may be present on the upper surface 3a side of the substrate 3, but more preferably, as in the present embodiment, the p-type semiconductor portion 7p The thickness is preferably larger than the thickness in the depth direction. With such a configuration, in addition to the leakage current transmitted through the surface 3 a of the substrate 3, the leakage current that passes through the substrate 3 and reaches the p-type semiconductor portion 7 p can be blocked.
  • the depth position of the portion with the highest impurity concentration overlaps the depth range in which the p-type semiconductor portion 7p exists. It is preferable to do.
  • the preferred width of the interposition part 19 in the direction in which the light emitting diode 5 and the photodiode 7 are separated is only required to be an npn structure from the light emitting diode 5 toward the photodiode 7.
  • the width of the interposition part 19 is 1 ⁇ m or more.
  • blocks the leakage current from the light emitting diode 5 to the photodiode 7 can be heightened.
  • the interposition part 19 is formed by thermal diffusion, it is diffused in the lateral direction as much as the depth direction, so that it has a width that is at least twice the thickness in the depth direction.
  • the lower limit value is at least twice the thickness in the depth direction.
  • the upper limit value is less than the distance between the light emitting diode 5 and the closest photodiode 7 and is not particularly limited as long as it has an npn structure from the light emitting diode 5 toward the photodiode 7. Or less than the pitch width of the plurality of photodiodes 7. Usually, these pitch widths are smaller than the distance between the light emitting diode 5 and the closest photodiode 7.
  • the “width in the direction in which the light emitting diodes 5 and the photodiodes 7 are separated from each other” can also be referred to as the width in the direction perpendicular to the arrangement direction of the plurality of light emitting diodes 5.
  • the leakage current passing through the upper surface 3a of the substrate 3 can be reliably interrupted.
  • the substrate 3 is prepared. Then, a diffusion blocking film S made of SiO 2 is formed on the substrate 3 using a thermal oxidation method.
  • a photoresist (not shown) is applied on the diffusion barrier film S, a desired pattern is exposed and developed by a photolithography method, and then a p-type semiconductor portion 7p and an interposition portion 19 are formed by a wet etching method.
  • An opening Sa is formed in the diffusion barrier film S. Instead of the opening Sa, a thinned portion whose thickness is thinner than the periphery may be formed.
  • a polyboron film PBF is applied on the diffusion barrier film S.
  • B contained in the polyboron film PBF is diffused into the substrate 3 through the opening Sa or the thinned portion of the diffusion blocking film S, and the p-type semiconductor portion 7p and the interposition A part 19 is formed.
  • the thickness of the polyboron film PBF is set to 1000 to 1 ⁇ m, and is thermally diffused at a temperature of 700 to 1200 degrees in an atmosphere containing nitrogen and oxygen. Thereafter, the diffusion blocking film S is removed.
  • the natural oxide film formed on the surface of the substrate 3 is removed by heat-treating the substrate 3 in a reaction furnace of the MOCVD apparatus.
  • This heat treatment is performed, for example, at a temperature of 1000 degrees for 10 minutes.
  • each semiconductor layer constituting the light-emitting diode 5 is sequentially stacked on the substrate 3 by using the MOCVD method. Then, a photoresist (not shown) is applied on the stacked semiconductor layer L, a desired pattern is exposed and developed by a photolithography method, and then the light emitting diode 5 is formed by a wet etching method. At this time, etching is performed in two stages so that the upper surface of the n-type contact layer 52 is exposed. Thereafter, the photoresist is removed.
  • an insulating film 13 covering these surfaces is formed on the exposed surface of the light emitting diode 5 and the upper surface of the semiconductor substrate 3 by using a sputtering method, a plasma CVD method, or the like.
  • a photoresist (not shown) is applied on the insulating film 13, a desired pattern is exposed and developed by a photolithography method, and then a first electrode 9, a second electrode 11, and a third electrode to be described later are formed by a wet etching method.
  • a hole for arranging 15 is formed in the insulating film 13. Thereafter, the photoresist is removed.
  • the first electrode 9 and the third electrode 9 are formed by using a resistance heating vapor deposition method or a sputtering method.
  • An alloy film for forming the electrode 15 is formed.
  • the photoresist is removed and the electrodes 9 and 15 are formed in a desired shape.
  • the second electrode 11 is also formed by the same process.
  • the light emitting / receiving element 1 is obtained by dicing a plurality of light receiving / emitting elements 1 into a disc-shaped wafer and then dicing.
  • the p-type impurity may be diffused next in the part where the p-type semiconductor part 7p and the interposition part 19 are formed.
  • the thickness of the interposition part 19 can be made thicker than the thickness of the p-type semiconductor part 7p.
  • the thickness may be adjusted by the thickness of the diffusion prevention film. Specifically, the diffusion prevention film is thinned in the portion where the p-type semiconductor portion 7p is formed, and an opening is formed in the portion where the interposition portion 19 is formed, or the thickness of the diffusion prevention film is changed to the p-type semiconductor portion 7p.
  • the portion to be formed may be thinner than the portion where the p-type semiconductor portion 7p is formed.
  • the interposition part 19 is formed at a position between the light emitting diode 5 and the photodiode 7 on the upper surface (one main surface) 3a of the semiconductor substrate 3, light emission It is possible to suppress the current supplied when the diode 5 is driven from flowing into the photodiode 7 through the semiconductor substrate 3.
  • the photodiode 7 constitutes a pn-type photodiode. Since a photodiode having such a configuration can measure a minute current as compared with a PIN photodiode, it is important to suppress the mixture of leakage current. In particular, when detecting diffuse reflection light in addition to regular reflection light from the light-emitting diode 5, it is possible to suppress the inclusion of leakage current by the interposition part 19 and to measure a slight light amount change.
  • the light emitting diode 5 and the photodiode 7 are formed on the semiconductor substrate 3 by the thin film process and the semiconductor process. With such a configuration, the light emitting diode 5 and the photodiode 7 can be arranged close to each other, and the apparatus can be downsized. And since the interposition part 19 can be formed between the light emitting diode 5 and the photodiode 7 which are arranged in close proximity by the same process, it is possible to provide the light emitting / receiving element 1 which is small in size and excellent in detection accuracy. it can.
  • the interposition part 19 can be formed simultaneously with the manufacturing of the p-type semiconductor part 7p, and thus the manufacturing process of the light receiving / emitting element 1 can be simplified. And can be highly productive.
  • one interposition part 19A is provided only in a portion where one light emitting diode 5 and one photodiode 7 disposed closest to each other face each other, and such interposition part 19A is provided for the plurality of light emitting diodes 5 and photodiodes 7.
  • a plurality may be provided along the arrangement direction.
  • the interposition part 19 in the light emitting / receiving element 1, the interposition part 19 is linear, but in the light emitting / receiving element 1A, the interposition part 19A has a broken line shape.
  • intervening portion 19 of the light emitting / receiving element 1 is continuously provided in a line along the arrangement direction of the light emitting diodes 5 and the photodiodes 7 has been described.
  • a plurality of intervening portions 19B may be provided.
  • the interposition part 19C which encloses each photodiode 7 like the light emitting / receiving element 1C shown in FIG.4 (c).
  • the photodiode 7 is connected to the third electrode 15.
  • “enclose the individual photodiodes 7” may include an open portion for maintaining insulation with the third electrode 15, but the region facing the light emitting diode 5 and the other photodiodes 7. It is assumed that it is continuously formed in a region facing the.
  • Such a configuration is particularly suitable for the case where the photodiode 7C is pn type like the light emitting / receiving element 1 and diffused reflected light is also measured. With such a configuration, the leakage current from the light-emitting diode 5 can be cut off, and noise can be removed without being affected by each other between the photodiodes 7C that are arranged very close to each other.
  • Modification 2 Arrangement of light emitting diode and photodiode
  • the same number of light emitting diodes 5 and photodiodes 7 are arranged in a row.
  • the example in which the pair of light emitting diodes 5 and photodiodes 7 are arranged in a row has been described.
  • Such a configuration assumes that specular reflection from the light-emitting diode 5 is mainly measured.
  • a plurality of photo diodes are arranged on both sides of an array of a plurality of light emitting diodes 5D as shown in FIG. 5A.
  • An array of diodes 7D may be provided.
  • the interposition portions 19D are provided on both sides of the array of the light emitting diodes 5D.
  • a plurality of photodiodes 7E may be arranged so as to surround one light emitting diode 5E, as in the light emitting / receiving element 1E shown in FIG.
  • the interposition part 19E is formed so as to divide the region where the light emitting diode 5E is arranged and the region where the photodiode 7E is arranged.
  • the interposition part 19E ensures insulation from the first electrode 9 and the second electrode 11 connected to the light emitting diode 7E.
  • the arrangement length along the arrangement direction of the plurality of light emitting diodes 5F and the arrangement length along the arrangement direction of the plurality of photodiodes 7F are greatly different. Also good.
  • the arrangement length of the light emitting diodes 5F is shorter than the arrangement length of the photodiodes 7F.
  • the interposition part 19F may be configured to surround the region where the light emitting diode 5F is disposed.
  • the interposition portions 19E and 19F do not need to be linear, and can be formed in an optimum shape according to the layout of the light emitting elements 5E and 5F and the photodiodes 7E and 7F. Good. Since the interposition portions 19E and 19F are formed by diffusing reverse conductivity type impurities in the substrate 3, they can correspond to various shapes and can increase the degree of freedom in design.
  • the configuration and usage of the sensor device including the light receiving element according to the above-described embodiment will be described using the light receiving / emitting element 1 as an example.
  • the light emitting / receiving element 1 is applied to a sensor device that detects the position of the toner T (object to be irradiated) attached on the intermediate transfer belt V in an image forming apparatus such as a copying machine or a printer is taken as an example. explain.
  • An optical system corresponding to the light-emitting diodes 5 and the photodiodes 7 is arranged with a space in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 3 of the light-emitting / receiving element 1.
  • the optical system include a prism and a condenser lens. That is, the optical system is disposed above the light emitting / receiving element 1 in FIG.
  • Light emitted from the light emitting diode 5 is applied to the intermediate transfer belt V disposed opposite to the main surface 3a of the substrate 3 of the light emitting / receiving element 1 through this optical system. Reflected light (including regular reflection light and diffuse reflection light) from the toner T on the intermediate transfer belt V is received by the photodiode 7 through the optical system.
  • a photocurrent is generated in the photodiode 7 in accordance with the intensity of received light, and the photocurrent is detected by an external detection circuit. Since the intensity of the reflected light corresponds to the density of the toner T, the toner density of each part can be detected according to the magnitude of the generated photocurrent.
  • the light emitting / receiving element 1 can be applied to a sensor device that detects the position of a fed paper as a detection target in an image device such as a copier or a printer.
  • a position movable jig that is opposed to the light emitting / receiving element 1 with a gap is provided.
  • the position movable jig can move a detection object (paper) that can reflect light from the light emitting diode 5 on its lower surface (a surface facing the light emitting / receiving element 1).
  • the light emitting / receiving element 1 and the movable movable jig are arranged so that the detection object moves along the arrangement direction of the light emitting diode 5 and the photodiode 7.
  • the light emitting / receiving element 1 can also be applied to a sensor device that detects the rotational speed and rotational position of a rotating object that is a detection target.
  • a hole is provided in a disk-shaped flat plate rotating object, and the light emitting and receiving elements 1 are arranged at intervals in a direction orthogonal to the rotation axis of the rotating object.
  • the rotational speed and rotational position can be measured by detecting whether the light from the light emitting diode 5 passes through the hole or is reflected by the photodiode 7.
  • various types of information can be obtained depending on the number and arrangement of holes provided in the rotating object. For example, in order to measure the number of rotations, a single hole is sufficient.
  • a conventional general rotation sensor has a configuration in which a rotating object is sandwiched in a direction orthogonal to the rotation axis, and a light emitting diode is provided on one side and a photodiode is provided on the other side.
  • the light emitting / receiving element 1 shown in the present embodiment only needs to be arranged in one of the directions orthogonal to the rotation axis, there is no need to sandwich a rotating object, and a simple configuration can be achieved. Further, since there is no need to sandwich a rotating object that rotates at a high speed, the possibility of damage is low and the reliability is high.
  • the photodiode 7 is a pn type, but has a p type semiconductor portion 7p and an n type semiconductor portion formed on the upper surface 3a of the substrate 3 so as to be separated from the p type semiconductor portion 7p.
  • a PIN type photodiode may be configured.
  • the one conductivity type and the reverse conductivity type may be reversed.
  • the light emitting / receiving element 1 in which a plurality (11 in the illustrated example) of the light emitting diodes 5 and the photodiodes 7 are each arranged in an array of one row is illustrated, but the present invention is not limited thereto. Absent.
  • the number of light emitting diodes 5 and photodiodes 7 may be changed as appropriate. Further, the number of the light emitting diodes 5 and the photodiodes 7 is not limited to a plurality, and for example, one each may be arranged.
  • the interposition part 19 ' , 19 ′′ and the upper surface 3a of the substrate 3 may have a step.
  • the leakage current from the light emitting diode 5 flowing on the upper surface 3a of the substrate 3 is physically cut off by the step, and is electrically cut off by the reverse conductivity type impurities contained in the interposition portions 19 ′ and 19 ′′. be able to.
  • the cross-sectional shape in the thickness direction of the interposition part 19 is shown as a rectangular shape.
  • the interposition part 19 is formed by thermal diffusion, it is semicircular as shown in FIG.
  • a protrusion 30 may be provided between the light emitting diode 5 and the photodiode 7.
  • the protrusion 30 has the same height as the light emitting diode 5. Thereby, the light emitted from the light emitting diode 5 can be prevented from directly entering the photodiode 7. For this reason, it is preferable that the length of the protrusion 30 in the arrangement direction of the light emitting diodes 5 is at least equal to the length of the light emitting diodes 5.
  • the protrusion 30 may be individually provided at a position corresponding to each combination of the plurality of light emitting diodes 5 and the photodiodes 7, or a region where the light emitting diodes 5 are disposed and a region where the photodiodes 7 are disposed. You may provide continuously so that it may divide.
  • the protrusion 30 is not particularly limited as long as it is a material that does not transmit light to the light emitted from the light-emitting diode 5.
  • the patterning is changed and the semiconductor layer constituting the light emitting diode 5 is formed with the same material and the same stacked structure in the same process.
  • light from the light emitting diode 5 is absorbed by providing a cover layer 31 formed of a material different from the semiconductor material on at least a side surface of the protruding portion 30 that faces the light emitting diode 5. It is possible to suppress the leakage current from flowing through the substrate 3.
  • an insulating material, a conductive material, or the like can be used for the cover layer 31 .
  • the cover layer 31 is made of a conductive material by forming and patterning simultaneously with the formation of the first electrode 9 and the second electrode 11 when forming the light emitting diode, the light emitting diode 5 It is possible to reflect the light from the light-emitting diode 5 side without exciting the material constituting the cover layer 31 and to prevent the light from entering the photodiode 7.
  • the cover layer 31 can be made of an insulating material by forming and patterning the insulating layer 13 simultaneously with the formation of the light emitting diode.

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Abstract

　【課題】　光検出精度の優れた受発光素子を提供する。　【解決手段】　受発光素子１は、一導電型の半導体材料から成る基板３と、基板３の一主面３ａに設けられた発光ダイオード５と、基板３の一主面３ａに発光ダイオード５から離れて設けられたフォトダイオード７と、基板３の一主面３ａ側の発光ダイオード５が配置された領域とフォトダイオード７が配置された領域とが対向する部分に連続して設けられた逆導電型の介在部１９とを有するものである。

Description

受発光素子およびそれを備えたセンサ装置
　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。
　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。
　このようなセンサ装置において、たとえば発光素子から測定対象に照射した光の正反射光または拡散反射光を受光素子で受光する場合など、受光素子によって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。
　たとえば、特開平８－４６２３６号には、シリコンからなる半導体基板の一方の表面に不純物をドーピングし、受光機能を担う浅いｐｎ接合部分と、発光機能を担う深いｐｎ接合部分とを隣接して形成した受発光素子アレイが記載されている。
　しかし、たとえばシリコン基板には、絶縁性を有するものはなく、高抵抗のものであっても抵抗率が３０００～６０００Ωｃｍ程度の抵抗率を有する。このような１枚のシリコン基板上に受光素子と発光素子とを一体的に形成した場合、発光素子を駆動させると漏れ電流が発生し、シリコン基板を介して受光素子に流れ込む場合がある。この漏れ電流は、受光素子からの出力電流（受光強度に応じて出力される電流）にノイズとして混入する。そのため、従来の受発光素子アレイでは、このような漏れ電流の発生により、受光素子による反射光の検知精度が低下してしまうという課題があった。受光素子と発光素子とを近づけて配置するほど、この漏れ電流は大きくなる。すなわち、受光素子によって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、発光部分と受光部分とがより近いことが望まれるが、反面、漏れ電流が大きくなる。このため、従来の受発光素子アレイでは、測定精度を高くすることが難しいといった課題があった。本発明は、かかる課題を解決することを目的とする。
　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る基板と、該基板の一主面に設けられた発光ダイオードと、前記基板の前記一主面に前記発光ダイオードから離れて設けられたフォトダイオードと、前記基板の前記一主面側の前記発光ダイオードが配置された領域と前記フォトダイオードが配置された領域とが対向する部分に連続して設けられた逆導電型の介在部とを有するものである。
　なお、本発明において受発光素子とは、基板の一方の主面に少なくとも１つの受光素子および少なくとも１つの発光素子を設けたものを言う。
　本発明の一実施形態のセンサ装置は、上記の受発光素子を備えたセンサ装置であって、前記発光ダイオードからの光を検出対象物に照射し、該検出対象物からの反射光を前記フォトダイオードへ入射させ、該フォトダイオードから発生する光電流を計測することで、前記検出対象物の位置を検出するものである。
　本発明によれば、検出精度が高く、小型の受発光素子およびセンサ装置を提供することができる。
本発明の一実施形態に係る受発光素子の概略構成を示す平面図である。 図１のＩ－Ｉ線断面図である。 図２に示す受発光素子の発光ダイオードの要部拡大断面図である。 （ａ）～（ｃ）はそれぞれ、図１に示した受発光素子の変形例の概略構成を示す平面図である。 （ａ）～（ｃ）はそれぞれ、図１に示した受発光素子の変形例の概略構成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変形例における介在部を示す要部断面図である。 図１に示す受発光素子の変形例における介在部を示す要部断面図である。 図１に示す受発光素子の変形例を示す要部断面図である。
　以下、本発明に係る受発光素子の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
　図１～図３に示すように、受発光素子１は、基板３と、基板３に設けられた複数（図示例では１１個）の発光ダイオード５と、基板３に設けられた複数（図示例では１１個）のフォトダイオード７と、発光ダイオード５とフォトダイオード７とが配置された領域を分けるように配置された介在部１９とを有する。
　基板３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、高い電気抵抗を有することが望ましい。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。
　基板３の電気抵抗は、１Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。基板３の電気抵抗を高めることにより、後述の発光ダイオード５とフォトダイオード７との間のリーク電流発生を抑制することができる。
　発光ダイオード５は複数あり、それらが列状に配置されている。なお、発光ダイオード５の構成については後述する。フォトダイオード７は複数あり、それらが列状に配置されている。すなわち、フォトダイオード７の配列方向に沿って発光ダイオード５が配列されている。そして、発光ダイオード５とフォトダイオード７との間には、介在部１９が配置されている。
　介在部１９は、発光ダイオード５が配置された領域とフォトダイオード７が配置された領域とが対向する部分に沿って連続して設けられればよい。発光ダイオード５およびフォトダイオード７が複数ある場合には、発光ダイオード５に対して、複数のフォトダイオード７のうち最も近接配置されているフォトダイオード７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５の配列方向と複数のフォトダイオード７と配列方向とに沿って、連続して設けられている。
　ここで介在部１９は基板３と逆導電型（ｐ型）の半導体部となっている。このため、基板３上において発光ダイオード５からフォトダイオード７までの結ぶ経路の途中に逆導電型の半導体部が存在することとなり、発光ダイオード５からの漏れ電流がフォトダイオード７に到達することを抑制することができる。すなわち、介在部１９は、一導電型の基板３の表面上において、抵抗成分として機能する。
　より詳細には、この介在部１９は、外部の駆動回路から発光ダイオード５へ供給された電流が、半導体基板３を介してフォトダイオード７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５からの漏れ電流が、フォトダイオード７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７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、このような介在部１９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。
　以下に、各部位の詳細な構成について説明する。
　基板３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１×１０１７～２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
　発光ダイオード５は、基板３上に、バッファ層５１，ｎ型コンタクト層５２，ｎ型クラッド層５３，活性層５４，ｐ型クラッド層５５，ｐ型コンタクト層５６，キャップ層５７を基板３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５１の下には、後述するように基板３に不純物を拡散して形成したｎ型不純物拡散部分３ｎが存在している。すなわち、発光ダイオード５は、絶縁体を介することなく、基板３上に直接配置されている。言い換えると、発光ダイオード５と基板３との間の電気抵抗は、基板３の電気抵抗と同程度となる。
　バッファ層５１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。
　ｎ型コンタクト層５２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５２のドーピング濃度を１×１０１８～２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。図４に示すように、ｎ型コンタクト層５２の上面の一部分は、ｎ型クラッド層５３，活性層５４，ｐ型クラッド層５５，ｐ型コンタクト層５６，キャップ層５７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。
　ｎ型クラッド層５３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５３のドーピング濃度を１×１０１７～５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
　活性層５４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。
　ｐ型クラッド層５５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５５のドーピング濃度を１×１０１８～２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
　ｐ型コンタクト層５６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やＺｎが挙げられ、ｐ型コンタクト層５６のドーピング濃度を１×１０１９～５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
　キャップ層５７は、ｐ型の不純物がドーピングされたＧａＡｓからなり、０．０１～０．０３μｍの厚さを有している。ｐ型不純物の材料およびドーピング濃度は、ｐ型コンタクト層５６と同様とすればよい。
　発光ダイオード５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３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。
　キャップ層５７の上面の一部分には、第１電極９が接続されている。この第１電極９は、絶縁膜１３上に延び、各発光ダイオード５のキャップ層５７に対して個別に設けられている。また、第１電極９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。
　ｎ型コンタクト層５２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１に示すように列状に配置された各発光ダイオード５のｎ型コンタクト層５２間を接続している。なお、図１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。
　第１電極９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４１，４３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５５とｎ型クラッド層５３とでｐｎ接合を形成する発光ダイオード５に電流が供給され、活性層５４が発光するようになっている。このとき、複数の第１電極９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９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９に接続された発光ダイオード５を発光させることができる。
　なお、発光ダイオード５は、図３に示すように、第２電極１１とｎ型コンタクト層５２との接触部分、並びに第１電極９とキャップ層５７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９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３の表面上にも絶縁膜１３が形成されており、基板３と、第１電極９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。
　次に、基板３に設けられた複数のフォトダイオード７について説明する。図１に示すように、フォトダイオード７は、発光ダイオード５と離間して設けられ、発光ダイオード５の配列方向に沿って、各発光ダイオード５と対応するように半導体基板３に列を成して配置されている。各フォトダイオード７は、図２に示すように、基板３の上面（一方の主面）３ａに形成されたｐ型半導体部７ｐを設けることにより、ｎ型の基板３とでｐｎ接合を形成して構成される。言い換えると、フォトダイオード７は、基板３の一部に作りこまれているものである。
　ｐ型半導体部７ｐは、半導体基板３にｐ型不純物を高濃度に含ませて形成されている。具体的には、ｐ型半導体部７ｐは、半導体基板３にｐ型不純物を打ち込んだり、熱拡散させたりすることで形成する。ｐ型不純物としては、例えばＺｎ，Ｍｇ，Ｃ，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型半導体部７ｐのドーピング濃度を１×１０１８～１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
　ｐ型半導体部７ｐ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型半導体部７ｐ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３との絶縁性が確保されている。
　このとき、フォトダイオード７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。
　介在部１９は、半導体基板３にｐ型不純物を高濃度に含ませて形成されている。具体的には、介在部１９は、半導体基板３にｐ型不純物を打ち込んだり、拡散させたりすることで形成される。ｐ型不純物としては、例えばＺｎ，Ｍｇ，Ｃ，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。
　介在部１９の好適な深さ方向における厚みは、基板３の材質や抵抗率等によって変わる。発光ダイオード５からの漏れ電流は主に基板３の表面に流れるため、基板３の上面３ａ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、ｐ型半導体部７ｐの深さ方向における厚み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３の表面３ａを伝う漏れ電流に加え、基板３の内部を通りｐ型半導体部７ｐに到達する漏れ電流を遮断することができる。
　また、介在部１９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部分の深さ位置が、ｐ型半導体部７ｐが存在する深さ範囲と重複することが好ましい。
　介在部１９の、発光ダイオード５とフォトダイオード７との離間方向における好適な幅（図１における上下方向の幅）は、発光ダイオード５からフォトダイオード７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。好ましくは、介在部１９の幅は、１μｍ以上である。このような幅とすることで、発光ダイオード５からフォトダイオード７への漏れ電流を遮断する効果を高めることができる。ただし、介在部１９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５と最も近接するフォトダイオード７との距離未満であり、発光ダイオード５からフォトダイオード７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５や複数のフォトダイオード７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５と最も近接するフォトダイオード７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５とフォトダイオード７との離間方向における幅」は、複数の発光ダイオード５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。
　特に、本実施形態のように、介在部１９の上面が、基板３の上面３ａと同一面となっているときには、基板３の上面３ａを通る漏れ電流を確実に遮断することができる。
　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。
　まず、基板３を準備する。そして、熱酸化法を用いて基板３上にＳｉＯ２からなる拡散阻止膜Ｓを形成する。
　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型半導体部７ｐ，介在部１９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。
　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３の内部に拡散させ、ｐ型半導体部７ｐおよび介在部１９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７００～１２００度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３をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内で熱処理することにより、基板３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。
　次いで、ＭＯＣＶＤ法を用いて、発光ダイオード５を構成する各半導体層を基板３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５を形成する。なお、このとき、ｎ型コンタクト層５２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。
　次に、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５の露出面及び半導体基板３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９、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。
　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９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９，１５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。
　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。
　ここで、受発光素子１のように、介在部１９の厚みをｐ型半導体部７ｐに比べて厚くするためには、上述のｐ型半導体部７ｐおよび介在部１９を形成する工程において、まず、介在部１９を形成する部分のみにｐ型の不純物を拡散させた後、次にｐ型半導体部７ｐ，介在部１９を形成する部分に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、介在部１９の厚みをｐ型半導体部７ｐの厚みよりも厚くすることができる。
　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型半導体部７ｐを形成する部分において拡散防止膜を薄層化し、介在部１９を形成する部分において開口部としたり、拡散防止膜の厚みを、ｐ型半導体部７ｐを形成する部分において、ｐ型半導体部７ｐを形成する部分よりも薄くなるようにしてもよい。
　本実施形態に係る受発光素子１によれば、半導体基板３の上面（一方の主面）３ａにおける発光ダイオード５とフォトダイオード７との間の位置に介在部１９が形成されているため、発光ダイオード５の駆動時に供給された電流が、半導体基板３を介してフォトダイオード７へ流入するのを抑制することができる。
　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７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５からの正反射光に加え拡散反射光をも検出するときに、介在部１９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。
　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３に発光ダイオード５およびフォトダイオード７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５とフォトダイオード７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５とフォトダイオード７との間に介在部１９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。
　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型半導体部７ｐの製造と同時に介在部１９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。
　（変形例１：介在部）
受発光素子１の介在部１９は、発光ダイオード５およびフォトダイオード７の配列方向に沿って連続的に設けた例について説明したが、図４（ａ）に示す受発光素子１Ａのように、複数の発光ダイオード５およびフォトダイオード７の配列領域全域において、配列方向において連続的である必要はなく、個々の発光ダイオード５に対して、最も近接配置されているフォトダイオード７との間のみに介在部１９Ａを有するものとしてもよい。すなわち、１つの発光ダイオード５と最も近接配置された１つのフォトダイオード７とが対向する部分のみに１つの介在部１９Ａを設け、このような介在部１９Ａを複数の発光ダイオード５およびフォトダイオード７の配列方向に沿って複数設けているものでもよい。言い換えると、受発光素子１では介在部１９は線状であったが、受発光素子１Ａでは介在部１９Ａは破線状となっている。
　また、受発光素子１の介在部１９は、発光ダイオード５およびフォトダイオード７の配列方向に沿って一列連続的に設けた例について説明したが、図４（ｂ）に示す受発光素子１Ｂのように、介在部１９Ｂを複数列設けてもよい。
　さらに、図４（ｃ）に示す受発光素子１Ｃのように、個々のフォトダイオード７を囲うような介在部１９Ｃとしてもよい。ここで、フォトダイオード７は第３電極１５に接続されている。このため、「個々のフォトダイオード７を囲う」とは、第３電極１５と絶縁性を保つための開放部を有していてもよいが、発光ダイオード５と対向する領域および他のフォトダイオード７と対向する領域には連続的に形成されているものとする。このような構成は、特に、フォトダイオード７Ｃを受発光素子１のようにｐn型として拡散反射光をも測定する場合に適している。このような構成とすることにより、発光ダイオード５からの漏れ電流を遮断するとともに、従来に比べて極めて近接配置されたフォトダイオード７Ｃ間で互いの影響をうけることなくノイズを除去することができる。
　（変形例２：発光ダイオードおよびフォトダイオードの配置）
受発光素子１において、同数の発光ダイオード５およびフォトダイオード７が列状に配列されている。言い換えると、一対の発光ダイオード５およびフォトダイオード７が列状に配列されている例について説明した。このような構成は、主に発光ダイオード５からの正反射を測定することを想定している。これに対して、正反射光に加え拡散反射光をも測定することを目的として、図５（ａ）に示す受発光素子１Ｄのように、複数の発光ダイオード５Ｄの配列の両側に複数のフォトダイオード７Ｄの配列を設けてもよい。この場合には、介在部１９Ｄは、発光ダイオード５Ｄの配列の両側にそれぞれ設けられる。
　また、図５（ｂ）に示す受発光素子１Ｅのように、１つの発光ダイオード５Ｅを囲うように複数のフォトダイオード７Ｅを配列してもよい。この場合には、介在部１９Ｅは、発光ダイオード５Ｅが配置された領域とフォトダイオード７Ｅが配置された領域とを分けるように形成される。なお、介在部１９Ｅは、発光ダイオード７Ｅに接続される第１電極９，第２電極１１との絶縁を確保している。
　また、図５（ｃ）の受発光素子１Ｆのように、複数の発光ダイオード５Ｆの配列方向に沿った配列長さと、複数のフォトダイオード７Ｆの配列方向に沿った配列長さが大きく異なっていてもよい。この例では、発光ダイオード５Ｆの配列長さがフォトダイオード７Ｆの配列長さに比べ短くなっている。この場合には、介在部１９Ｆは、発光ダイオード５Ｆが配置された領域を囲うような構成とすればよい。
　図５（ｂ），（ｃ）に示すように、介在部１９Ｅ，１９Ｆは直線状である必要はなく、発光素子５Ｅ，５Ｆおよびフォトダイオード７Ｅ，７Ｆのレイアウトに応じて最適な形状とすればよい。介在部１９Ｅ，１９Ｆは、基板３に逆導電型の不純物を拡散して形成しているため、様々な形状に対応することができ、設計の自由度を高めることができる。
　以下、上述の実施形態に係る受光素子を備えたセンサ装置の構成および使用方法について、受発光素子１を例にとり説明する。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（被照射物）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。
　受発光素子１の基板３の主面と垂直方向に間隔をあけて、発光ダイオード５，フォトダイオード７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５からの発光は、この光学系を介して、受発光素子１の基板３の主面３ａと対向して配置される中間転写ベルト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、拡散反射光を含む）を光学系を介してフォトダイオード７によって受光する。フォトダイオード７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。
　また、受発光素子１を、コピー機やプリンタ等の画像装置において、給紙された紙を検出対象物として、その位置を検出するセンサ装置に適用することもできる。
　この場合には、受発光素子１と間隔を開けて対向する位置可動治具を設ける。位置可動治具は、その下面（受発光素子１との対向面）において、発光ダイオード５からの光を反射させることのできる検出対象物（紙）を移動させることができる。ここで、発光ダイオード５及びフォトダイオード７の配列方向に沿って、検出対象物が移動するように、受発光素子１と移動可動治具とを配置する。
　このような構成により、例えば図１の右から左に向かって検出対象物が移動する場合に、検出対象物の位置が変化するに連れて、右端に位置するフォトダイオード７から左端に位置するフォトダイオード７まで順に、順次光電流が発生し一定値に達する。これにより、検出対象物の位置を特定することのできるものとなる。
　また、受発光素子１を、検出対象物である回転物の回転数、回転位置を検出するセンサ装置に適用することもできる。
　この場合には、例えば、ディスク状の平板回転物に孔を設け、回転物の回転軸と直交する方向において受発光素子１を間隔を開けて配置する。このような構成において、発光ダイオード５からの光が孔を通過するか反射するかをフォトダイオード７で検出することにより、回転数や回転位置（回転角度）を測定することができる。ここで、回転物に設ける孔の数、配置等により、各種情報を得ることができる。例えば、回転数を計測するためには孔は一か所でよい。
　従来の一般的な回転センサは、回転軸と直交する方向において回転物を挟んで、一方に発光ダイオード、他方にフォトダイオードを設ける構成となっていた。これに対して、本実施形態に示す受発光素子１は、回転軸と直交する方向の一方のみに配置すればよいので、回転物を挟む必要がなく、簡易な構成とすることができる。また、高速回転する回転物を挟む必要性がなくなるので、破損の可能性の低い、信頼性の高いものとすることができる。
　以上、本発明の一実施形態，その変形例および応用方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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。
　例えば、上記実施形態では、フォトダイオード７はｐｎ型としたが、ｐ型半導体部７ｐと、このｐ型半導体部７ｐと離間して基板３の上面３ａに形成されたｎ型半導体部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。
　また、一導電型および逆導電型を逆としてもよい。
　また、上記実施形態では、複数（図示例では１１個）の発光ダイオード５及びフォトダイオード７がそれぞれ１列のアレイ状に配置された受発光素子１を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、発光ダイオード５及びフォトダイオード７の数は適宜変更すればよい。また、発光ダイオード５及びフォトダイオード７の数は複数に限定されず、例えば、それぞれを１個ずつ配置してもよい。
　さらに、上記実施形態では、介在部１９の上面と基板３の上面３ａとが同一面となっている例について説明したが、図６（ａ），（ｂ）に示すように、介在部１９’，１９’’の上面と基板３の上面３ａとが段差を有していてもよい。この場合には、段差により基板３の上面３ａを流れる発光ダイオード５からの漏れ電流を物理的に遮断するとともに、介在部１９’，１９’’に含まれる逆導電型不純物により電気的に遮断することができる。
　なお、以上の図面では、介在部１９の厚み方向における断面形状は矩形状の場合を示したが、介在部１９を熱拡散により形成するときには、図７に示すように、半円状となる。
　さらに、図８に示すように、発光ダイオード５とフォトダイオード７との間に突起部３０を設けてもよい。突起部３０は、発光ダイオード５と同程度の高さを有する。これにより、発光ダイオード５で発光した光がフォトダイオード７に直接入射されることを防ぐことができる。このため、突起部３０の発光ダイオード５の配列方向における長さは、少なくとも発光ダイオード５の長さと同等であることが好ましい。突起部３０は、複数の発光ダイオード５とフォトダイオード７との組み合わせのそれぞれに対応する位置に個別に設けてもよいし、発光ダイオード５が配置された領域とフォトダイオード７が配置された領域とを分けるように連続して設けてもよい。
　突起部３０は、発光ダイオード５が発する光に対して透光性を有さない材料であれば、構成材料は特に限定されない。例えば、発光ダイオード５を形成するときに、パターニングを変更して、同一工程にて発光ダイオード５を構成する半導体層と同じ材料、同じ積層構造で構成することが好ましい。この場合には、突起部３０のうち少なくとも発光ダイオード５と対向する面である側面に、半導体材料とは異なる材料で形成されたカバー層３１を設けることにより、発光ダイオード５からの光を吸収しリーク電流が基板３に流れることを抑制することができる。カバー層３１は、絶縁材料、導電性材料等を用いることができる。カバー層３１を、発光ダイオードを形成するときに、第１電極９や第２電極１１の形成と同時に成膜及びパターニングを行なうことで、導電性材料からなるものとした場合には、発光ダイオード５からの光を発光ダイオード５側に反射させ、カバー層３１を構成する材料を励起させることもなく、かつフォトダイオード７への光の混入も抑制することができる。カバー層３１を、発光ダイオードを形成するときに、絶縁膜１３の形成と同時に成膜及びパターニングを行なうことで、絶縁材料からなるものとすることもできる。
　１　受発光素子
　３　半導体基板
　３ａ　一方の主面（上面）
　５　発光ダイオード
　７　フォトダイオード
　７ｐ　ｐ型半導体部
　１９　介在部

Claims (9)

  1. 　一導電型の半導体材料から成る基板と、
    該基板の一主面に設けられた発光ダイオードと、
    前記基板の前記一主面に前記発光ダイオードから離れて設けられたフォトダイオードと、前記基板の前記一主面側の前記発光ダイオードが配置された領域と前記フォトダイオードが配置された領域とが対向する部分に連続して設けられた逆導電型の介在部とを有する受発光素子。
  2. 　前記発光ダイオードは、前記基板の前記一主面に積層された半導体層の積層体で構成され、
    前記フォトダイオードは、前記基板の前記一主面に不純物がドーピングされて形成された逆導電型半導体部を含む、請求項１記載の受発光素子。
  3. 　前記発光ダイオードおよび前記フォトダイオードは、それぞれ複数あり、
    前記介在部は、各前記発光ダイオードと複数の前記フォトダイオード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られている、請求項１記載の受発光素子。
  4. 　前記フォトダイオードは、列状に複数設けられ、
    前記発光ダイオードは、前記フォトダイオードの配列方向に沿って複数設けられ、
    前記介在部は、複数の前記発光ダイオードと複数の前記フォトダイオードとの間に、前記フォトダイオードおよび前記発光ダイオードの配列方向に沿って連続して設けられている、請求項１記載の受発光素子。
  5. 　前記介在部の上面は、前記基板の前記一主面と同一面となっている、請求項１記載の受発光素子。
  6. 　前記介在部の厚みは、前記逆導電型半導体部の厚みに比べて厚い、請求項２記載の受発光素子。
  7. 　前記フォトダイオードは、前記発光ダイオードを囲むように複数配置されている、請求項１記載の受発光素子。
  8. 　前記フォトダイオードは複数あり、
    前記介在部は、個々の前記フォトダイオードを囲むように配置されている、請求項１記載の受発光素子。
  9. 　請求項１乃至８のいずれかに記載の受発光素子を備えたセンサ装置であって、
    前記発光ダイオードからの光を検出対象物に照射し、該検出対象物からの反射光を前記フォトダイオードへ入射させ、該フォトダイオードから発生する光電流を計測することで、前記検出対象物の位置を検出するセンサ装置。
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