WO2015064697A1 - 受発光素子およびこれを用いたセンサ装置 - Google Patents

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直樹 藤本
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Definitions

  • the present invention relates to a light emitting / receiving element and a sensor device using the same.
  • a light receiving / emitting element in which one surface of a semiconductor substrate made of silicon is doped with an impurity and a shallow pn junction region having a light receiving function and a deep pn junction region having a light emitting function are disposed adjacent to each other. Is described. A p-side electrode and an n-side electrode of a pn junction region that performs a light receiving function are disposed on the surface of the semiconductor substrate. (For example, see JP-A-8-46236.)
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a light emitting / receiving element having high sensing performance and a sensor device using the same.
  • the light emitting / receiving element includes a one-conductivity-type semiconductor substrate, a light-emitting element having a plurality of semiconductor layers stacked on the upper surface of the semiconductor substrate, and a reverse-conductivity type impurity doped on the upper surface side of the semiconductor substrate.
  • a light receiving element having a reverse conductivity type semiconductor region; and a first electrode pad disposed on an upper surface of the semiconductor substrate and serving as an electrode of the light receiving element.
  • the impurity concentration in the one conductivity type semiconductor substrate is The region immediately below one electrode pad is higher than the other regions.
  • a sensor device is a sensor device using any of the light receiving and emitting elements according to the present invention, wherein light is irradiated from the light emitting element to an object to be irradiated, and according to reflected light from the object to be irradiated. At least one of position information, distance information, and density information of the irradiated object is detected according to the output current from the light receiving element that is output.
  • a semiconductor substrate having one conductivity type a light emitting element having a plurality of semiconductor layers stacked on the upper surface of the semiconductor substrate, and an impurity having a reverse conductivity type doped on the upper surface side of the semiconductor substrate.
  • FIG. 2B is a schematic cross-sectional view taken along line 1I-1I in FIG. (A) is sectional drawing of the light emitting element which comprises the light emitting / receiving element shown in FIG. (B) is sectional drawing of the light receiving element which comprises the light receiving and emitting element shown in FIG. It is sectional drawing of the electrode of the light receiving element which comprises the light emitting / receiving element shown in FIG. It is a schematic sectional drawing which shows an example of embodiment of the sensor apparatus using the light emitting / receiving element shown in FIG. (A) is a top view which shows the modification of embodiment of the light emitting / receiving element of this invention.
  • FIG. 5B is a schematic cross-sectional view taken along line 2I-2I in FIG. It is a top view which shows the modification different from FIG. 5 of embodiment of the light emitting / receiving element of this invention.
  • the light emitting / receiving element 1 is incorporated in an image forming apparatus such as a copying machine or a printer, and functions as a sensor device that detects position information, distance information, density information, or the like of an irradiated object such as toner or media. To do.
  • the light emitting / receiving element 1 includes a one-conductivity-type semiconductor substrate 2, a light-emitting element 3a having a plurality of semiconductor layers stacked on the upper surface of the semiconductor substrate 2, A light receiving element 3 b having a reverse conductivity type semiconductor region 32 doped with a reverse conductivity type impurity on the upper surface side of the semiconductor substrate 2, and a first electrode pad 33 ⁇ / b> A disposed on the upper surface of the semiconductor substrate 2.
  • the light emitting / receiving element 1 includes one light emitting element 3a and one light receiving element 3b.
  • the light emitting / receiving element 1 may include a plurality of light emitting elements 3a or a plurality of light receiving elements 3b.
  • the semiconductor substrate 2 is made of one conductivity type semiconductor material. That is, the semiconductor substrate 2 is made of a semiconductor material and becomes one conductivity type when doped with impurities.
  • the semiconductor material that forms the semiconductor substrate 2 include silicon (Si).
  • impurities doped in the semiconductor substrate 2 include phosphorus (P), nitrogen (N), arsenic (As), antimony (Sb), and bismuth (Bi). The impurities are not limited to these.
  • the impurity doping concentration is set to 1 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 , for example.
  • the semiconductor substrate 2 may be either n-type or p-type, but the semiconductor substrate 2 according to this embodiment is n-type. That is, in this embodiment, one conductivity type is n-type, and the other conductivity type is p-type.
  • the light emitting element 3 a is disposed on the upper surface of the semiconductor substrate 2.
  • the light receiving element 3b is disposed in the vicinity of the light emitting element 3a.
  • the light emitting element 3a functions as a light source of light that irradiates the irradiated object.
  • the light emitted from the light emitting element 3a is reflected by the irradiated object and enters the light receiving element 3b.
  • the light receiving element 3b functions as a light detection unit that detects the incidence of light.
  • the light emitting element 3a is formed by laminating a plurality of semiconductor layers on the upper surface of the semiconductor substrate 2, as shown in FIG.
  • the configuration of the light emitting element 3a according to this embodiment is as follows.
  • a buffer for buffering the difference in lattice constant between the semiconductor substrate 2 and a semiconductor layer stacked on the upper surface of the semiconductor substrate 2 (in this embodiment, an n-type contact layer 30b described later).
  • Layer 30a is formed.
  • the buffer layer 30a can reduce lattice defects such as lattice distortion generated between the semiconductor substrate 2 and the semiconductor layer constituting the light emitting element 3a. As a result, the light emitting element 3a formed on the upper surface of the semiconductor substrate 2 can be reduced. It has a function of reducing lattice defects or crystal defects in the entire semiconductor layer.
  • the buffer layer 30a is formed of, for example, gallium arsenide (GaAs) that does not contain impurities.
  • the thickness of the buffer layer 30a is, for example, about 2 to 3 ⁇ m. If the difference in lattice constant between the semiconductor substrate 2 and the semiconductor layer constituting the light emitting element 3a stacked on the upper surface of the semiconductor substrate 2 is not large, the buffer layer 30a may not be formed.
  • n-type contact layer 30b is formed on the upper surface of the buffer layer 30a.
  • the n-type contact layer 30b is formed, for example, by doping gallium arsenide (GaAs) with n-type impurities such as silicon (Si) or selenium (Se).
  • the impurity doping concentration is set to, for example, about 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 .
  • the thickness of the n-type contact layer 30b is set to about 0.8 to 1 ⁇ m.
  • silicon (Si) is doped as an n-type impurity at a doping concentration of 1 ⁇ 10 18 to 2 ⁇ 10 18 atoms / cm 3 .
  • a part of the upper surface of the n-type contact layer 30b is exposed, and the exposed part is electrically connected to the second electrode pad 31A via the second electrode 31a.
  • the second electrode 31a is an n-type electrode of the light emitting element 3a.
  • the second electrode pad 31A is electrically connected to an external power source by wire bonding using a gold (Au) wire.
  • a wire such as an aluminum (Al) wire or a copper (Cu) wire can be selected instead of the gold (Au) wire.
  • the second electrode pad 31A and the external power source are connected by wire bonding.
  • the electrical wiring may be joined to the second electrode pad 31A by solder or the like.
  • a gold stud bump may be formed on the upper surface of the second electrode pad 31A, and the electrical wiring may be joined to the gold (Au) stud bump with solder or the like.
  • the n-type contact layer 30b has a function of reducing contact resistance with the second electrode 31a connected to the n-type contact layer 30b.
  • the second electrode 31a and the second electrode pad 31A are made of, for example, an alloy of gold (Au) and antimony (Sb), an alloy of gold (Au) and germanium (Ge), a Ni-based alloy, or the like.
  • the thicknesses of the second electrode 31a and the second electrode pad 31A are set to about 0.5 to 5 ⁇ m, for example.
  • the second electrode 31a and the second electrode pad 31A according to the present embodiment are formed of a gold (Au) antimony (Sb) alloy.
  • the second electrode 31a and the second electrode pad 31A are arranged on the insulating layer 8 formed so as to cover the upper surface of the n-type contact layer 30b from the upper surface of the semiconductor substrate 2, the semiconductor substrate 2 and n It is electrically insulated from semiconductor layers other than the type contact layer 30b.
  • the insulating layer 8 is formed of, for example, an inorganic insulating film such as silicon nitride (SiNx) or silicon oxide (SiO 2 ), an organic insulating film such as polyimide.
  • the thickness of the insulating layer 8 is set to about 0.1 to 1 ⁇ m.
  • n-type cladding layer 30c is formed on the upper surface of the n-type contact layer 30b.
  • the n-type cladding layer 30c has a function of confining holes in an active layer 30d described later.
  • the n-type cladding layer 30c is formed, for example, by doping aluminum gallium arsenide (AlGaAs) with silicon (Si) or selenium (Se) that is an n-type impurity.
  • the doping concentration of the n-type impurity is set to, for example, about 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 .
  • the thickness of the n-type cladding layer 30c is set to, for example, about 0.2 to 0.5 ⁇ m.
  • the n-type contact layer 30c according to this embodiment is doped with silicon (Si) as an n-type impurity at a doping concentration of 1 ⁇ 10 17 to 5 ⁇ 10 17 atoms / cm 3
  • An active layer 30d is formed on the upper surface of the n-type cladding layer 30c.
  • the active layer 30d functions as a light emitting portion that emits light when carriers such as electrons and holes are concentrated and recombined.
  • the active layer 30d is made of, for example, aluminum gallium arsenide (AlGaAs) that does not contain impurities.
  • AlGaAs aluminum gallium arsenide
  • the thickness of the active layer 30d is set to about 0.1 to 0.5 ⁇ m, for example.
  • the active layer 30d according to the present embodiment is a layer that does not contain impurities, but the active layer 30d is a p-type active layer that contains p-type impurities, or an n-type active layer that contains n-type impurities.
  • the band gap of the active layer only needs to be smaller than the band gap of the n-type cladding layer 30c and the p-type cladding layer 30e described later.
  • a p-type cladding layer 30e is formed on the upper surface of the active layer 30d.
  • the p-type cladding layer 30e has a function of confining electrons in the active layer 30d.
  • the p-type cladding layer 30e is formed, for example, by doping aluminum gallium arsenide (AlGaAs) with p-type impurities such as zinc (Zn), magnesium (Mg), or carbon (C).
  • the doping concentration of the p-type impurity is set to about 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 , for example.
  • the thickness of the p-type cladding layer 30e is set to about 0.2 to 0.5 ⁇ m, for example.
  • the p-type cladding layer 30e according to the present embodiment is doped with magnesium (Mg) as a p-type impurity at a doping concentration of 1 ⁇ 10 19 to 5 ⁇ 10 19 atoms / cm 3 .
  • a p-type contact layer 30f is formed on the upper surface of the p-type cladding layer 30e.
  • the p-type contact layer 30f is formed, for example, by doping aluminum gallium arsenide (AlGaAs) with p-type impurities such as zinc (Zn), magnesium (Mg), or carbon (C).
  • AlGaAs aluminum gallium arsenide
  • p-type impurities such as zinc (Zn), magnesium (Mg), or carbon (C).
  • the doping concentration of the p-type impurity is set to about 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 , for example.
  • the thickness of the p-type cladding layer 30e is set to about 0.2 to 0.5 ⁇ m, for example.
  • the p-type contact layer 30f is electrically connected to the third electrode pad 31B through the third electrode 31b.
  • the third electrode 31b is a p-type electrode of the light emitting element 3a.
  • the third electrode pad 31B is electrically connected to an external power source by wire bonding. Variations in the connection method and bonding form are the same as in the case of the second electrode pad 31A.
  • the p-type contact layer 30f has a function of reducing contact resistance with the third electrode 31b connected to the p-type contact layer 30f.
  • a cap layer having a function of preventing oxidation of the p-type contact layer 30f may be formed on the upper surface of the p-type contact layer 30f.
  • the cap layer is made of, for example, gallium arsenide (GaAs) that does not contain impurities.
  • the thickness of the cap layer is set to about 0.01 to 0.03 ⁇ m, for example.
  • the third electrode 31b and the third electrode pad 31B are, for example, AuNi, AuCr, which is a combination of gold (Au) or aluminum (Al) and nickel (Ni), chromium (Cr) or titanium (Ti) as an adhesion layer. , AuTi or AlCr alloy.
  • the thicknesses of the third electrode 31b and the third electrode pad 31B are set to, for example, about 0.5 to 5 ⁇ m. Since the semiconductor substrate 2 is disposed on the insulating layer 8 formed so as to cover the upper surface of the p-type contact layer 30f from the upper surface of the semiconductor substrate 2, the semiconductor layers other than the semiconductor substrate 2 and the p-type contact layer 30f are electrically Is insulated.
  • the light emitting element 3a configured in this manner functions as a light source by causing the active layer 30d to emit light by applying a bias between the second electrode pad 31A and the third electrode pad 31B.
  • the light receiving element 3b is provided with a reverse conductivity type semiconductor region 32 (p type semiconductor region 32 in the light receiving element 3b according to the present embodiment) on the upper surface of the one conductivity type semiconductor substrate 2.
  • a pn junction is formed with the semiconductor substrate 2.
  • the p-type semiconductor region 32 is formed by diffusing p-type impurities at a high concentration in the semiconductor substrate 2. Examples of the p-type impurity include zinc (Zn), magnesium (Mg), carbon (C), boron (B), indium (In), and selenium (Se).
  • the p-type impurity of the p-type semiconductor region 32 according to the present embodiment is boron (B).
  • the doping concentration of the p-type impurity is set to, for example, 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 .
  • the thickness of the p-type semiconductor region 32 according to the present embodiment is set to about 0.5 to 3 ⁇ m, for example.
  • the p-type semiconductor region 32 is electrically connected to the fourth electrode pad 33B via the fourth electrode 33b, and the first electrode pad 33A is electrically connected to the semiconductor substrate 2. That is, the fourth electrode pad 33B functions as a p-type electrode of the light receiving element 3b. The first electrode pad 33A functions as an n-type electrode of the light receiving element 3b. Since the fourth electrode 33b and the fourth electrode pad 33B are disposed on the upper surface of the semiconductor substrate 2 via the insulating layer 8, they are electrically insulated from the semiconductor substrate 2.
  • the first electrode pad 33 ⁇ / b> A is disposed on the upper surface of the semiconductor substrate 2.
  • the n-type impurity concentration in the semiconductor substrate 2 is higher in the region immediately below the first electrode pad 33A than in other regions.
  • Examples of the n-type impurity include phosphorus (P), nitrogen (N), arsenic (As), antimony (Sb), and bismuth (Bi).
  • the doping concentration of the n-type impurity is set to 1 ⁇ 10 16 to 1 ⁇ 10 20 atoms / cm 3 , for example.
  • Phosphorus (P) is employed as the n-type impurity of the semiconductor substrate 2 according to the present embodiment.
  • the impurity concentration in the region immediately below the first electrode pad 33A in the semiconductor substrate 2 is set larger than that in the other regions of the semiconductor substrate 2. ing.
  • the other region of the semiconductor substrate 2 has a lower impurity concentration than the region immediately below the first electrode pad 33A. That is, since the carrier density is small in a region other than the region immediately below the first electrode pad 33A, it is difficult for current to flow. As a result, the noise current from the light emitting element 3a can be reduced from flowing into the light receiving element 3b through the semiconductor substrate 2. Accordingly, it is possible to reduce a decrease in detection accuracy of the light emitting / receiving element 1 due to a noise current of the light emitting element 3a.
  • the first electrode pad 33 ⁇ / b> A may be in ohmic contact with the semiconductor substrate 2. As a result, the efficiency of extracting electrons from the first electrode pad 33A is improved, and the detection accuracy of the light receiving element 3b can be improved.
  • the work function of the material of the first electrode pad 33A may be larger than the work function of the material of the semiconductor substrate 2. As a result, the first electrode pad 33A and the semiconductor substrate 2 can be effectively ohmic-bonded.
  • the work function of the material of the first electrode pad 33 ⁇ / b> A may be smaller than the work function of the semiconductor substrate 2.
  • the first electrode pad 33A and the semiconductor substrate 2 can be ohmically joined by increasing the impurity concentration in the region immediately below the first electrode pad 33A.
  • the region immediately below the light emitting element 3a is preferably another region having a lower impurity concentration than the region immediately below the first electrode pad 33A. As a result, the noise current from the light emitting element 3a can be reduced.
  • the region immediately below the first electrode pad 33A is not in contact with the p-type semiconductor region 32. As a result, the noise current from the light emitting element 3a can be reduced.
  • the impurity concentration may be high only in the surface layer portion of the semiconductor substrate 2 in the region immediately below the first electrode pad 33A.
  • the first electrode pad 33A and the semiconductor substrate 2 can be electrically connected satisfactorily, and the possibility that noise current from the light emitting element 3a flows in the semiconductor substrate 2 can be reduced.
  • the region immediately below the first electrode pad 33A is not particularly limited as long as the semiconductor substrate 2 and the first electrode pad 33A are ohmic-bonded, but the semiconductor substrate 2 and the first electrode pad 33A In this case, the semiconductor substrate 2 has a thickness in the depth direction of 0.01 to 0.5 ⁇ m.
  • the back electrode 35 according to the present embodiment is formed over the entire back surface of the semiconductor substrate 2.
  • the fourth electrode 33b, the fourth electrode pad 33B, the first electrode pad 33A, and the back electrode 35 are made of, for example, gold (Au) antimony (Sb) alloy, gold (Au) germanium (Ge) alloy, or Ni-based alloy.
  • the thickness is about 0.5 to 5 ⁇ m.
  • the fourth electrode 33b, the fourth electrode pad 33B, the first electrode pad 33A, and the back electrode 35 according to the present embodiment are formed of a gold (Au) germanium (Ge) alloy.
  • the first electrode pad 33A is connected to the guard ring electrode 34 via the first electrode 33a, and the first electrode 33a and the guard ring electrode 34 are disposed on the upper surface of the semiconductor substrate 2.
  • the n-type impurity concentration in the semiconductor substrate 2 is higher in the region immediately below the first electrode 33a and the guard ring electrode 34 than in the other regions, similarly to the region immediately below the first electrode pad 33A.
  • the guard ring electrode 34 is a strip-shaped electrode formed between the light emitting element 3 a and the light receiving element 3 b on the upper surface of the semiconductor substrate 2.
  • a guard ring structure is formed by the first electrode pad 33A, the first electrode 33a, the guard ring electrode 34, and the back electrode 35, Leakage current can be reduced.
  • the light receiving element 3b configured as described above, when light is incident on the p-type semiconductor region 32, a photocurrent is generated by the photoelectric effect, and the photocurrent is extracted through the fourth electrode pad 33B. It functions as a part. It is preferable to apply a reverse bias between the fourth electrode pad 33B and the first electrode pad 33A because the light detection sensitivity of the light receiving element 3b is increased.
  • the first electrode pad 33A and the guard ring electrode 34 may be formed integrally. That is, the n-type electrode of the light receiving element 3b may be provided up to the function of the guard ring electrode 34. As a result, the n-type electrode of the light receiving element 3 b can function as the guard ring electrode 34.
  • the first electrode pad 33A may be formed so as to surround the light receiving element 3b. As a result, the influence on the light receiving element 3b due to the noise current of the light emitting element 3a can be reduced.
  • the impurity in the region immediately below the first electrode pad 33A may be the same as at least one of the elements constituting the semiconductor layer in contact with the upper surface of the semiconductor substrate 2. As a result, impurities can be diffused into the upper surface of the semiconductor substrate 2 at the same time as the buffer layer 30a is formed, and the manufacturing process of the light emitting / receiving element 1 can be omitted, thereby improving the production efficiency.
  • the second electrode 31a and the first electrode pad 33A may be made of the same material. As a result, the second electrode pad 31A and the first electrode pad 33A can be formed simultaneously, the manufacturing process of the light emitting / receiving element 1 can be omitted, and the production efficiency can be improved.
  • the second electrode pad 31A and the first electrode pad 33A may be made of the same material.
  • the first electrode pad 33A may be located closer to the light emitting element 3a than the fourth electrode pad 33B.
  • the region immediately below the first electrode pad 33 ⁇ / b> A in the semiconductor substrate 2 according to the present embodiment may have a protruding portion 2 a that protrudes toward the first electrode pad 33 ⁇ / b> A.
  • the first electrode pad 33A may cover the protruding portion 2a.
  • the first electrode pad 33A can be ohmic-bonded also on the side surface of the protruding portion 2a, and the influence of noise current from the light emitting element 3a can be effectively reduced.
  • the impurity concentration in the semiconductor substrate 2 may be higher only in the region within the protruding portion 2a than in other regions. As a result, it is possible to reduce the noise current from the light emitting element 3a from flowing in the semiconductor substrate 2.
  • the region immediately below the first electrode 33a and the guard ring electrode 34 in the semiconductor substrate 2 may have a protruding portion 2a that protrudes toward the first electrode 33a and the guard ring electrode 34.
  • the 1st electrode 33a and the guard ring electrode 34 may cover the protrusion part 2a.
  • the protruding amount of the protruding portion 2a is about 1 ⁇ m on the first electrode pad 33A side, and the protruding area is 70 for each of the areas of the first electrode pad 33A, the first electrode 33a, and the guard ring electrode 34 in plan view. It should be ⁇ 90%.
  • the first electrode pad 33A, the first electrode 33a, and the guard ring electrode 34 are formed so as to cover the protruding portion, and therefore, the bonding between the semiconductor substrate 2 and these electrodes is three-dimensional. Thus, the joint strength is improved.
  • an n-type semiconductor substrate 2 is prepared.
  • the semiconductor substrate 2 is made of an n-type semiconductor material.
  • an n-type silicon (Si) substrate containing phosphorus (P) as an n-type impurity at a concentration of 1 ⁇ 10 14 to 1 ⁇ 10 15 atoms / cm 3 is used for the silicon (Si) substrate.
  • Examples of n-type impurities include, in addition to phosphorus (P), nitrogen (N), arsenic (As), antimony (Sb), bismuth (Bi), and the like, and the doping concentration is 1 ⁇ 10 14 to 1 It is set to x10 18 atoms / cm 3 .
  • a diffusion barrier film S made of silicon oxide (SiO 2 ) is formed on the semiconductor substrate 2 by using a thermal oxidation method.
  • a photoresist is applied on the diffusion barrier film S, a desired pattern is exposed and developed by a photolithography method, and then an opening Sa for forming the p-type semiconductor region 32 is formed by a wet etching method. Form in.
  • the opening Sa does not necessarily have to penetrate the diffusion blocking film S.
  • a polyboron film (PBF) is applied on the diffusion barrier film S.
  • boron (B) contained in the polyboron film (PBF) is diffused into the semiconductor substrate 2 through the opening Sa of the diffusion blocking film S by using a thermal diffusion method, and the p-type semiconductor Region 32 is formed.
  • the thickness of the polyboron film (PBF) is set to 0.1 to 1 ⁇ m, and thermal diffusion is performed at a temperature of 700 to 1200 ° C. in an atmosphere containing nitrogen (N2) and oxygen (O2). Thereafter, the diffusion blocking film S is removed.
  • the natural oxide film formed on the surface of the semiconductor substrate 2 is removed by heat-treating the semiconductor substrate 2 in a reaction furnace of a MOCVD (Metal-organic Chemical Vapor Deposition) apparatus.
  • This heat treatment is performed, for example, at a temperature of 1000 ° C. for about 10 minutes.
  • each semiconductor layer (buffer layer 30a, n-type contact layer 30b, n-type cladding layer 30c, active layer 30d, p-type cladding layer 30e, p-type contact layer 30f constituting the light emitting element 3a is used.
  • the light emitting element 3a is formed by the wet etching method. Note that etching is performed a plurality of times so that a part of the upper surface of the n-type contact layer 30b is exposed. Thereafter, the photoresist is removed.
  • the insulating layer 8 is formed so as to cover the exposed surface of the light emitting element 3a and the upper surface of the semiconductor substrate 2 (including the p-type semiconductor region 32) by using a thermal oxidation method, a sputtering method, a plasma CVD method, or the like.
  • a photoresist is applied on the insulating layer 8, a desired pattern is exposed and developed by a photolithography method, and then a second electrode 31a, a third electrode 31b, and a fourth electrode 33b described later are formed by a wet etching method.
  • a photoresist is removed.
  • phosphorus (P) is doped into the semiconductor substrate 2 by a thermal diffusion method and an ion implantation method in a region where the first electrode pad 33A, the first electrode 33a, and the guard ring electrode 34 are disposed.
  • the second electrode 31a, the second electrode pad 31A, An alloy film for forming the fourth electrode 33b, the fourth electrode pad 33B, the first electrode 33a, and the first electrode pad 33A is formed.
  • the photoresist is removed, and the second electrode 31a, the second electrode pad 31A, the fourth electrode 33b, the fourth electrode pad 33B, the first electrode 33a, the first electrode pad 33A and the guard ring are removed.
  • the electrode 34 is formed in a desired shape.
  • the third electrode 31b and the light emitting element side second electrode pad 33B are also formed by the same process.
  • an alloy film for forming the back electrode 34 is formed on the back surface of the semiconductor substrate 2 using a resistance heating method, a sputtering method, or the like.
  • the back electrode 34 according to this embodiment is formed over the entire back surface of the semiconductor substrate 2.
  • the sensor device 100 including the light emitting / receiving element 1 will be described.
  • 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 copier or a printer will be described as an example. I will explain.
  • the sensor device 100 is arranged such that the surface on which the light emitting element 3a and the light receiving element 3b of the light emitting / receiving element 1 are formed faces the intermediate transfer belt V. Then, light is emitted from the light emitting element 3 a to the intermediate transfer belt V or the toner T on the intermediate transfer belt V.
  • the prism P1 is disposed above the light emitting element 3a and the prism P2 is disposed above the light receiving element 3b, and the light emitted from the light emitting element 3a is refracted by the prism P1 and the intermediate transfer belt V or The light enters the toner T on the intermediate transfer belt V.
  • the regular reflected light L2 with respect to the incident light L1 is refracted by the prism P2 and received by the light receiving element 3b.
  • a photocurrent is generated in the light receiving element 3b according to the intensity of the received light, and this photocurrent is detected by an external device through the fourth electrode 33B and the like.
  • the sensor device 100 can detect the photocurrent according to the intensity of the regular reflection light from the intermediate transfer belt V or the toner T as described above. Therefore, for example, it is possible to detect whether or not the toner T is located at a predetermined location according to the photocurrent value detected by the light receiving element 3b. That is, the position of the toner T can be detected.
  • the intensity of the specularly reflected light also corresponds to the density of the toner T. Therefore, the density of the toner T can be detected according to the magnitude of the generated photocurrent.
  • the intensity of the specularly reflected light also corresponds to the distance from the light emitting / receiving element 1 to the toner T, and therefore the distance between the light receiving / emitting element 1 and the toner T is detected according to the magnitude of the generated photocurrent. It is also possible.
  • the above-described effects of the light emitting / receiving element 1 can be achieved.
  • the upper surface of the semiconductor substrate 2 arsenic (As) which is at least one of the elements constituting the buffer layer 30a which is a semiconductor layer in contact with the semiconductor layer may be used.
  • Arsenic (As) of the buffer layer 30a formed on the upper surface of the semiconductor substrate 2 diffuses into the semiconductor substrate 2 in the process of forming the light emitting element 3a.
  • the semiconductor layer formed in a region other than the light emitting element 3a is removed by etching, but a layer in which arsenic (As) is diffused remains on the upper surface of the semiconductor substrate 2. .
  • this diffusion layer is removed by etching the surface of the semiconductor substrate 2, but an etching mask is formed by photolithography in a region corresponding to the first electrode pad 33A, the first electrode 33a, and the guard ring electrode 34.
  • the diffusion layer is not etched. Thereafter, when the etching mask is removed to form the first electrode pad 33A, the first electrode 33a, and the guard ring electrode 34, arsenic (As), which is an n-type impurity, exists in the region immediately below these.
  • first electrode pad 33A, the first electrode 33a, the second electrode pad 31A, and the second electrode 31a may be made of the same material.
  • the first electrode pad 33A and the first electrode 33a are made of a gold (Au) germanium (Ge) alloy
  • the second electrode pad 31A and the second electrode 31a are made of gold (Au) antimony.
  • it is made of (Sb) alloy
  • all of the first electrode pad 33A and the first electrode 33a and the second electrode pad 31A and the second electrode 31a may be made of, for example, a gold (Au) germanium (Ge) alloy. Good. With such a configuration, the electrode pad and electrode formation process can be reduced, and as a result, the process can be shortened and the manufacturing cost can be reduced.
  • the example in which the toner T concentration is detected is described as a usage mode.
  • the use of the sensor device 100 is not limited to the toner concentration detection.
  • the sensor device 100 can measure the surface state of a substance, and can measure the surface state of human skin or tablets, for example.
  • a groove 2b may be formed between the first electrode pad 33A and the light emitting element 3a in the semiconductor substrate 2.
  • the groove 2b formed between the first electrode pad 33A and the light emitting element 3a may be formed from one end of the semiconductor substrate 2 to the other end. As a result, it is possible to satisfactorily bypass the noise current of the light emitting element 3a.
  • the first electrode pad 33 ⁇ / b> A may be located in a region between the light emitting element 3 a and the light receiving element 3 b in the semiconductor substrate 2.

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Abstract

　本発明の受発光素子１は、一導電型の半導体基板２と、半導体基板２の上面に積層した複数の半導体層を有する発光素子３ａと、半導体基板２の上面側に逆導電型の不純物がドーピングされた逆導電型半導体領域３２を有する受光素子３ｂと、半導体基板２の上面に配置され、且つ受光素子３ｂの電極となる第１電極パッド３３Ａとを備え、一導電型の半導体基板２における不純物濃度は、第１電極パッド３３Ａの直下の領域が他の領域よりも高くなっている。

Description

受発光素子およびこれを用いたセンサ装置
　本発明は、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として、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接合領域と、発光機能を担う深いｐｎ接合領域とを隣接して配置した受発光素子が記載されている。そして、半導体基板の表面には、受光機能を担うｐｎ接合領域のｐ側電極およびｎ側電極が配置されている。(例えば、特開平８－４６２３６号公報参照。)
　しかし、同一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には、発光素子を駆動させた際に、発光素子からシリコン基板を介して受光素子に漏れ電流（いわゆるノイズ電流）が流れ込むことがある。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）に誤差成分（ノイズ）として混入する。そのため、従来の受発光素子では、このようなノイズ電流の発生によって、受光素子による反射光の検知精度が低下してしまう虞があった。
　本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、センシング性能の高い受発光素子およびこれを用いたセンサ装置を提供することを目的とする。
　本発明の受発光素子は、一導電型の半導体基板と、該半導体基板の上面に積層した複数の半導体層を有する発光素子と、前記半導体基板の上面側に逆導電型の不純物がドーピングされた逆導電型半導体領域を有する受光素子と、前記半導体基板の上面に配置され、且つ前記受光素子の電極となる第１電極パッドとを備え、前記一導電型の半導体基板における不純物濃度は、前記第１電極パッドの直下の領域が他の領域よりも高くなっている。
　本発明のセンサ装置は、上記いずれかの本発明の受発光素子を用いたセンサ装置であって、前記発光素子から被照射物に光を照射し、該被照射物からの反射光に応じて出力される前記受光素子からの出力電流に応じて前記被照射物の位置情報、距離情報および濃度情報のうち少なくとも１つを検出する。
　本発明の受発光素子によれば、一導電型の半導体基板と、該半導体基板の上面に積層した複数の半導体層を有する発光素子と、前記半導体基板の上面側に逆導電型の不純物がドーピングされた逆導電型半導体領域を有する受光素子と、前記半導体基板の上面に配置され、且つ前記受光素子の電極となる第１電極パッドとを備え、前記一導電型の半導体基板における不純物濃度は、前記第１電極パッドの直下の領域が他の領域よりも高くなっていることから、光検出精度が高い受発光素子およびセンサ装置を提供することができる。
（ａ）は、本発明の受発光素子の実施の形態の一例を示す平面図である。（ｂ）は、図１（ａ）の１Ｉ－１Ｉ線に沿った概略断面図である。 （ａ）は、図１に示した受発光素子を構成する発光素子の断面図である。（ｂ）は、図１に示した受発光素子を構成する受光素子の断面図である。 図１に示した受発光素子を構成する受光素子の電極の断面図である。 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。 （ａ）は、本発明の受発光素子の実施の形態の変形例を示す平面図である。（ｂ）は、図５（ａ）の２Ｉ－２Ｉ線に沿った概略断面図である。 本発明の受発光素子の実施の形態の図５と異なる変形例を示す平面図である。
　以下、本発明の受発光素子およびこれを用いたセンサ装置の実施の形態の例について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の例は本発明の実施の形態を例示するものであって、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
　（受発光素子）
　本実施形態に係る受発光素子１は、コピー機やプリンタなどの画像形成装置に組み込まれて、トナーやメディアなどの被照射物の位置情報、距離情報または濃度情報などを検出するセンサ装置として機能する。
　受発光素子１は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、一導電型の半導体基板２と、半導体基板２の上面に積層した複数の半導体層を有する発光素子３ａと、半導体基板２の上面側に逆導電型の不純物がドーピングされた逆導電型半導体領域３２を有する受光素子３ｂと、半導体基板２の上面に配置された第１電極パッド３３Ａを有している。なお、本実施形態に係る受発光素子１は、発光素子３ａおよび受光素子３ｂをそれぞれ１つずつ備えたものである。なお、受発光素子１は、複数の発光素子３ａを備えていてもよいし、複数の受光素子３ｂを備えていてもよい。
　半導体基板２は、一導電型の半導体材料からなる。すなわち、半導体基板２は、半導体材料で形成されており、不純物がドーピングされることによって一導電型になる。半導体基板２を形成する半導体材料としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）などが挙げられる。半導体基板２にドーピングされる不純物としては、例えば、リン（Ｐ）、窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）などが挙げられる。なお、不純物は、これらに限定されるものではない。不純物のドーピング濃度は、例えば、１×１０１４～１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に設定される。
　なお、半導体基板２は、ｎ型またはｐ型のどちらでも構わないが、本実施形態に係る半導体基板２はｎ型である。すなわち、本実施形態では、一導電型はｎ型であり、他導電型はｐ型である。
　発光素子３ａは、半導体基板２の上面に配置されている。受光素子３ｂは、発光素子３ａの近傍に配置されている。発光素子３ａは被照射物に照射する光の光源として機能する。発光素子３ａから発せられた光は、被照射物で反射されて受光素子３ｂに入射する。受光素子３ｂは、光の入射を検出する光検出部として機能する。
　発光素子３ａは、図２（ａ）に示すように、半導体基板２の上面に複数の半導体層が積層されて形成されている。本実施形態に係る発光素子３ａの構成は以下の通りである。
　まず、半導体基板２の上面には、半導体基板２と半導体基板２の上面に積層される半導体層（本実施形態では、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によって、半導体基板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ことができ、ひいては半導体基板２の上面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。
　本実施形態に係るバッファ層３０ａは、例えば、不純物を含まないガリウム砒素（ＧａＡｓ）で形成される。また、バッファ層３０ａの厚さは、例えば、２～３μｍ程度とされている。なお、半導体基板２と半導体基板２の上面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を形成しないことも可能である。
　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、例えばガリウム砒素（ＧａＡｓ）にｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などがドーピングされて形成される。不純物のドーピング濃度は、例えば、１×１０１６～１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度に設定される。また、ｎ型コンタクト層３０ｂの厚さは、０．８～１μｍ程度に設定される。
　本実施形態では、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が１×１０１８～２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のドーピング濃度でドーピングされている。ｎ型コンタクト層３０ｂの上面の一部は露出しており、この露出している部分は第２電極３１ａを介して、第２電極パッド３１Ａに電気的に接続されている。第２電極３１ａは、発光素子３ａのｎ型電極である。本実施形態では、図示はしないが、第２電極パッド３１Ａは、金（Ａｕ）線による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。第２電極パッド３１Ａと外部電源との電気的な接続は、金（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、本実施形態ではワイヤボンディングによって第２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第２電極パッド３１Ａと接合してもよい。また、第２電極パッド３１Ａの上面に金スタッドバンプを形成して、電気配線をはんだなどによってこの金（Ａｕ）スタッドバンプと接合してもよい。ｎ型コンタクト層３０ｂは、ｎ型コンタクト層３０ｂに接続される第２電極３１ａとの接触抵抗を下げる機能を有している。
　第２電極３１ａおよび第２電極パッド３１Ａは、例えば、金（Ａｕ）およびアンチモン（Ｓｂ）の合金、金（Ａｕ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）の合金またはＮｉ系合金などで形成される。また、第２電極３１ａおよび第２電極パッド３１Ａのそれぞれの厚さは、例えば、０．５～５μｍ程度に設定される。本実施形態に係る第２電極３１ａおよび第２電極パッド３１Ａは、金（Ａｕ）アンチモン（Ｓｂ）合金で形成されている。そして、第２電極３１ａおよび第２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る。絶縁層８の厚さは、０．１～１μｍ程度に設定される。
　ｎ型コンタクト層３０ｂの上面には、ｎ型クラッド層３０ｃが形成されている。ｎ型クラッド層３０ｃは、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、例えば、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｎ型不純物であるシリコン（Ｓｉ）またはセレン（Ｓｅ）などがドーピングされて形成される。ｎ型不純物のドーピング濃度は、例えば、１×１０１６～１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度に設定される。ｎ型クラッド層３０ｃの厚さは、例えば、０．２～０．５μｍ程度に設定される。本実施形態に係るｎ型コンタクト層３０ｃには、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）が１×１０１７～５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３のドーピング濃度でドーピングされている。
　ｎ型クラッド層３０ｃの上面には、活性層３０ｄが形成されている。活性層３０ｄは、電子や正孔などのキャリアが集中して、再結合することによって光を発する発光部として機能する。活性層３０ｄは、例えば、不純物を含まないアルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）で形成される。また活性層３０ｄの厚さは、例えば、０．１～０．５μｍ程度に設定される。なお、本実施形態に係る活性層３０ｄは不純物を含まない層であるが、活性層３０ｄは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が形成されている。ｐ型クラッド層３０ｅは、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、例えば、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）などがドーピングされて形成される。ｐ型不純物のドーピング濃度は、例えば、１×１０１６～１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度に設定される。ｐ型クラッド層３０ｅの厚さは、例えば、０．２～０．５μｍ程度に設定される。本実施形態に係るｐ型クラッド層３０ｅには、ｐ型不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）が１×１０１９～５×１０１９ａｔｏｍｓ／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、例えば、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）にｐ型不純物である亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）などがドーピングされて形成される。ｐ型不純物のドーピング濃度は、例えば、１×１０１６～１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３程度に設定される。ｐ型クラッド層３０ｅの厚さは、例えば、０．２～０．５μｍ程度に設定される。
　ｐ型コンタクト層３０ｆは、第３電極３１ｂを介して、第３電極パッド３１Ｂに電気的に接続されている。第３電極３１ｂは、発光素子３ａのｐ型電極である。第３電極パッド３１Ｂは、第２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と電気的に接続されている。接続方法と接合形態のバリエーションは第２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に接続される第３電極３１ｂとの接触抵抗を下げる機能を有している。
　なお、ｐ型コンタクト層３０ｆの上面には、ｐ型コンタクト層３０ｆの酸化を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、不純物を含まないガリウム砒素（ＧａＡｓ）で形成される。また、キャップ層の厚さは、例えば、０．０１～０．０３μｍ程度に設定される。
　第３電極３１ｂおよび第３電極パッド３１Ｂは、例えば、金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）と、密着層であるニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）またはチタン（Ｔｉ）とを組み合わせたＡｕＮｉ、ＡｕＣｒ、ＡｕＴｉまたはＡｌＣｒ合金などで形成される。第３電極３１ｂおよび第３電極パッド３１Ｂのそれぞれの厚さは、例えば、０．５～５μｍ程度に設定される。そして、半導体基板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上に配置されているため、半導体基板２およびｐ型コンタクト層３０ｆ以外の半導体層とは電気的に絶縁されている。
　このようにして構成された発光素子３ａは、第２電極パッド３１Ａと第３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、光の光源として機能する。
　受光素子３ｂは、図２（ｂ）に示すように、一導電型の半導体基板２の上面に逆導電型半導体領域３２（本実施形態に係る受光素子３ｂでは、ｐ型半導体領域３２）を設けることによって、半導体基板２との間でｐｎ接合を形成して構成される。ｐ型半導体領域３２は、半導体基板２にｐ型不純物を高濃度に拡散させて形成されている。ｐ型不純物としては、例えば、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、インジウム（Ｉｎ）またはセレン（Ｓｅ）などが挙げられる。本実施形態に係るｐ型半導体領域３２のｐ型不純物は、ホウ素（Ｂ）である。ｐ型不純物のドーピング濃度は、例えば、１×１０１６～１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に設定される。本実施形態に係るｐ型半導体領域３２の厚さは、例えば、０．５～３μｍ程度に設定される。
　ｐ型半導体領域３２は、第４電極３３ｂを介して第４電極パッド３３Ｂと電気的に接続されており、半導体基板２には、第１電極パッド３３Ａが電気的に接続されている。すなわち、第４電極パッド３３Ｂは、受光素子３ｂのｐ型電極として機能する。また、第１電極パッド３３Ａは、受光素子３ｂのｎ型電極として機能する。第４電極３３ｂおよび第４電極パッド３３Ｂは、半導体基板２の上面に絶縁層８を介して配置されているため、半導体基板２と電気的に絶縁されている。
　第１電極パッド３３Ａは、半導体基板２の上面に配置されている。そして、半導体基板２におけるｎ型の不純物濃度は、第１電極パッド３３Ａの直下の領域において他の領域よりも高くなっている。ｎ型不純物としては、例えば、リン（Ｐ）、窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）などが挙げられる。また、ｎ型不純物のドーピング濃度は、例えば、１×１０１６～１×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｍ３に設定される。本実施形態に係る半導体基板２のｎ型不純物としては、リン（Ｐ）が採用されている。
　ここで、本実施形態に係る受発光素子１において、上述した通り、半導体基板２における第１電極パッド３３Ａの直下の領域は、半導体基板２の他の領域に比較して不純物濃度が大きく設定されている。言い換えれば、半導体基板２の他の領域は、第１電極パッド３３Ａの直下の領域よりも、不純物の濃度が小さい。すなわち、第１電極パッド３３Ａの直下以外の領域はキャリア密度が小さくなるため、電流が流れ難くなる。その結果、発光素子３ａからのノイズ電流が、半導体基板２内を介して受光素子３ｂに流れ込むことを低減することができる。したがって、発光素子３ａのノイズ電流による受発光素子１の検出精度の低下を低減することができる。
　第１電極パッド３３Ａは、半導体基板２にオーミック接合していてもよい。その結果、第１電極パッド３３Ａからの電子の取り出し効率が向上することになり、受光素子３ｂの検出精度を向上させることができる。
　第１電極パッド３３Ａの材料の仕事関数は、半導体基板２の材料の仕事関数より大きくてもよい。その結果、効果的に第１電極パッド３３Ａと半導体基板２とをオーミック接合させることができる。
　一方で、第１電極パッド３３Ａの材料の仕事関数は、半導体基板２の仕事関数より小さくてもよい。この場合、第１電極パッド３３Ａの直下の領域の不純物の濃度を高くすることによって、第１電極パッド３３Ａと半導体基板２とをオーミック接合させることができる。
　発光素子３ａの直下の領域は、第１電極パッド３３Ａの直下の領域よりも不純物濃度が低い他の領域であることが好ましい。その結果、発光素子３ａからのノイズ電流を低減することができる。
　第１電極パッド３３Ａの直下の領域は、ｐ型半導体領域３２に接触していないことが好ましい。その結果、発光素子３ａからのノイズ電流を低減することができる。
　第１電極パッド３３Ａの直下の領域内において、半導体基板２の表層部のみ不純物濃度が高くてもよい。その結果、第１電極パッド３３Ａと半導体基板２とが良好に電気的に接続することができるとともに、発光素子３ａからのノイズ電流が半導体基板２内を流れる可能性を低減することができる。
　なお、本実施形態では、第１電極パッド３３Ａの直下の領域とは、半導体基板２と第１電極パッド３３Ａとがオーミック接合されれば特に限定されないが、半導体基板２と第１電極パッド３３Ａとの接合面積の７０％以上の領域をいい、半導体基板２の深さ方向の厚さが０．０１～０．５μｍである。
　本実施形態に係る裏面電極３５は、半導体基板２の裏面の全体にわたって形成されている。
　第４電極３３ｂ、第４電極パッド３３Ｂ、第１電極パッド３３Ａおよび裏面電極３５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。本実施形態に係る第４電極３３ｂ、第４電極パッド３３Ｂ、第１電極パッド３３Ａおよび裏面電極３５は、金（Ａｕ）ゲルマニウム（Ｇｅ）合金で形成されている。
　そして、第１電極パッド３３Ａは、第１電極３３ａを介してガードリング電極３４と接続されており、第１電極３３ａおよびガードリング電極３４は半導体基板２の上面に配置されている。半導体基板２におけるｎ型の不純物濃度は、第１電極パッド３３Ａの直下の領域と同様に、第１電極３３ａおよびガードリング電極３４の直下の領域において他の領域よりも高くなっている。ガードリング電極３４は、半導体基板２の上面において発光素子３ａと受光素子３ｂとの間に形成された帯状の電極である。
　第１電極パッド３３Ａと裏面電極３５との間に外部電源によってバイアスを印加することによって、第１電極パッド３３Ａ、第１電極３３ａおよびガードリング電極３４ならびに裏面電極３５でガードリング構造を形成し、漏れ電流を低減することが可能となる。
　このように構成された受光素子３ｂは、ｐ型半導体領域３２に光が入射すると、光電効果によって光電流が発生して、この光電流を第４電極パッド３３Ｂ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４電極パッド３３Ｂと第１電極パッド３３Ａとの間に逆バイアスを印加すれば、受光素子３ｂの光検出感度が高くなるので好ましい。
　第１電極パッド３３Ａとガードリング電極３４は、一体的に形成されていても良い。すなわち、受光素子３ｂのｎ型電極がガードリング電極３４の機能まで備えていてもよい。その結果、受光素子３ｂのｎ型電極をガードリング電極３４として機能させることができる。
　第１電極パッド３３Ａは、受光素子３ｂを取り囲むように形成されていてもよい。その結果、発光素子３ａのノイズ電流による受光素子３ｂへの影響を低減することができる。
　第１電極パッド３３Ａの直下の領域における不純物は、半導体基板２の上面に接する半導体層を構成する元素の少なくとも１つと同じであってもよい。その結果、バッファ層３０ａを形成すると同時に、半導体基板２の上面に不純物を拡散させることができ、受発光素子１の製造工程を省略することができ、生産効率を向上させることができる。
　第２電極３１ａおよび第１電極パッド３３Ａは同じ材料からなってもよい。その結果、第２電極パッド３１Ａと第１電極パッド３３Ａを同時に形成することができ、受発光素子１の製造工程を省略することができ、生産効率を向上させることができる。なお、第２電極パッド３１Ａおよび第１電極パッド３３Ａが同じ材料からなってもよい。
　第１電極パッド３３Ａが第４電極パッド３３Ｂに比べて発光素子３ａ側に位置していてもよい。
　図３に示すように、本実施形態に係る半導体基板２における第１電極パッド３３Ａの直下の領域は、第１電極パッド３３Ａ側に突出する突出部２ａを有していてもよい。そして、第１電極パッド３３Ａは、突出部２ａを覆っていてもよい。その結果、突出部２ａの側面でも第１電極パッド３３Ａをオーミック接合させることができ、効果的に発光素子３ａからのノイズ電流の影響を低減させることができる。
　半導体基板２における不純物濃度は、突出部２ａ内の領域のみが他の領域よりも高くてもよい。その結果、発光素子３ａからのノイズ電流が半導体基板２内を流れることを低減することができる。
　また、半導体基板２における第１電極３３ａおよびガードリング電極３４の直下の領域は、第１電極３３ａおよびガードリング電極３４側に突出する突出部２ａを有していてもよい。そして、第１電極３３ａおよびガードリング電極３４は、突出部２ａを覆っていてもよい。その結果、効果的に発光素子３ａからのノイズ電流の影響を低減させることができる。
　なお、突出部２ａの突出量としては第１電極パッド３３Ａ側に１μｍ程度であり、突出面積は、平面視して第１電極パッド３３Ａ、第１電極３３ａおよびガードリング電極３４の面積それぞれの７０～９０％とすればよい。このような構成とすることで、第１電極パッド３３Ａ、第１電極３３ａおよびガードリング電極３４は、突出部を覆うように形成されることから、半導体基板２とこれら電極の接合が３次元的となり、これらの接合強度が向上する。
　（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型の半導体基板２を準備する。半導体基板２は、ｎ型の半導体材料からなる。ｎ型の不純物濃度に限定はない。本実施形態では、シリコン（Ｓｉ）基板にｎ型の不純物としてリン（Ｐ）を１×１０１４～１×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の濃度で含むｎ型のシリコン（Ｓｉ）基板を用いている。ｎ型の不純物としては、リン（Ｐ）の他に、例えば、窒素（Ｎ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）およびビスマス（Ｂｉ）などが挙げられ、ドーピング濃度は１×１０１４～１×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３とされる。
　次に、熱酸化法を用いて、半導体基板２の上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる拡散阻止膜Ｓを形成する。
　拡散阻止膜Ｓ上にフォトレジストを塗布して、フォトリソグラフィ法によって所望のパターンを露光、現像した後、ウェットエッチング法によって、ｐ型半導体領域３２を形成するための開口部Ｓａを拡散阻止膜Ｓ中に形成する。開口部Ｓａは、必ずしも拡散阻止膜Ｓを貫通している必要はない。
　そして、拡散阻止膜Ｓ上にポリボロンフィルム（ＰＢＦ）を塗布する。続いて、熱拡散法を用いて、拡散阻止膜Ｓの開口部Ｓａを介して、ポリボロンフィルム（ＰＢＦ）に含まれているホウ素（Ｂ）を半導体基板２の内部に拡散させ、ｐ型半導体領域３２を形成する。このとき、例えばポリボロンフィルム（ＰＢＦ）の厚さを０．１～１μｍとし、窒素（Ｎ２）および酸素（Ｏ２）を含む雰囲気中で７００～１２００℃の温度で熱拡散させる。その後、拡散阻止膜Ｓを除去する。
　次に、半導体基板２をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長：Metal-organic Chemical Vapor Deposition）装置の反応炉内で熱処理することによって、半導体基板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、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）を半導体基板２上に順次積層する。そして、積層された半導体層上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法によって所望のパターンを露光、現像した後、ウェットエッチング法によって発光素子３ａを形成する。なお、ｎ型コンタクト層３０ｂの上面の一部が露出するように、複数回のエッチングを行なう。その後、フォトレジストを除去する。
　次に、熱酸化法、スパッタリング法またはプラズマＣＶＤ法などを用いて、発光素子３ａの露出面および半導体基板２（ｐ型半導体領域３２を含む）の上面を覆うように絶縁層８を形成する。続いて、絶縁層８上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法によって所望のパターンを露光、現像した後、ウェットエッチング法によって、後に説明する第２電極３１ａおよび第３電極３１ｂならびに第４電極３３ｂ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、第１電極パッド３３Ａ、第１電極３３ａおよびガードリング電極３４が配置される領域に、熱拡散法およびイオン注入法によって、リン（Ｐ）を半導体基板２にドーピングする。
　次に、絶縁層８上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ法によって所望のパターンを露光、現像した後、抵抗加熱法やスパッタリング法などを用いて、第２電極３１ａ、第２電極パッド３１Ａ、第４電極３３ｂ、第４電極パッド３３Ｂ、第１電極３３ａおよび第１電極パッド３３Ａを形成するための合金膜を形成する。そして、リフトオフ法を用いて、フォトレジストを除去するとともに、第２電極３１ａ、第２電極パッド３１Ａ、第４電極３３ｂ、第４電極パッド３３Ｂ、第１電極３３ａ、第１電極パッド３３Ａおよびガードリング電極３４を所望の形状に形成する。同様に第３電極３１ｂおよび発光素子側第２電極パッド３３Ｂもそれぞれ同様の工程によって形成する。
　次に、抵抗加熱法やスパッタリング法などを用いて、半導体基板２の裏面に裏面電極３４を形成するための合金膜を形成する。本実施形態に係る裏面電極３４は半導体基板２の裏面の全体にわたって形成されている。
　（センサ装置）
　次に、受発光素子１を備えたセンサ装置１００について説明する。以下では、受発光素子１を、コピー機やプリンタなど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挙げて説明する。
　図４に示すように、本実施形態に係るセンサ装置１００は、受発光素子１の発光素子３ａおよび受光素子３ｂが形成された面が、中間転写ベルトＶに対向するように配置される。そして、発光素子３ａから中間転写ベルトＶまたは中間転写ベルトＶ上のトナーＴへ光が照射される。本実施形態では、発光素子３ａの上方にプリズムＰ１を、また受光素子３ｂの上方にプリズムＰ２を配置して、発光素子３ａから発せられた光が、プリズムＰ１で屈折して中間転写ベルトＶまたは中間転写ベルトＶ上のトナーＴに入射する。そして、この入射光Ｌ１に対する正反射光Ｌ２が、プリズムＰ２で屈折して、受光素子３ｂによって受光される。受光素子３ｂには、受光した光の強度に応じて光電流が発生し、第４電極３３Ｂなどを介して、外部装置でこの光電流が検出される。
　本実施形態に係るセンサ装置１００では、以上のように中間転写ベルトＶまたはトナーＴからの正反射光の強度に応じた光電流を検出することができる。そのため、例えば受光素子３ｂで検出される光電流値に応じて、トナーＴが所定場所に位置するか否かを検出することができる。つまり、トナーＴの位置を検出することができる。なお、正反射光の強度はトナーＴの濃度にも対応するため、発生した光電流の大きさに応じて、トナーＴの濃度を検出することも可能である。同様に、正反射光の強度は、受発光素子１からトナーＴとの距離にも対応するため、発生した光電流の大きさに応じて、受発光素子１とトナーＴとの距離を検出することも可能である。
　本実施形態に係るセンサ装置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、本実施形態に係る第１電極パッド３３Ａ、第１電極３３ａおよびガードリング電極３４の直下の領域において、半導体基板２のｎ型不純物としてリン（Ｐ）を採用したが、半導体基板２の上面に接する半導体層であるバッファ層３０ａを構成する元素の少なくとも１つである砒素（Ａｓ）としてもよい。このような構成とすることで、第１電極パッド３３Ａ、第１電極３３ａおよびガードリング電極３４の直下の領域に、熱拡散法およびイオン注入法によって不純物を拡散しなくてもよく、工程削減が行なえ、結果として工程短縮、製造コストの削減が行なえる。
　半導体基板２の上面に形成したバッファ層３０ａの砒素（Ａｓ）が、発光素子３ａを形成する工程の中で、半導体基板２に拡散する。発光素子３ａを形成した後のエッチングでは、発光素子３ａ以外の領域に形成された半導体層をエッチングで除去するが、半導体基板２の上面には砒素（Ａｓ）が拡散している層が残留する。通常、この拡散層は、半導体基板２の表面をエッチングすることによって除去されるが、第１電極パッド３３Ａ、第１電極３３ａおよびガードリング電極３４に相当する領域にフォトリソグラフィ法によってエッチングマスクを形成して、拡散層のエッチングを行なわないようにする。その後、エッチングマスクを除去して第１電極パッド３３Ａ、第１電極３３ａおよびガードリング電極３４を形成すれば、これらの直下の領域においてｎ型不純物である砒素（Ａｓ）が存在することになる。
　また、第１電極パッド３３Ａおよび第１電極３３ａならびに第２電極パッド３１Ａおよび第２電極３１ａは同じ材料からなってもよい。本実施形態の場合、第１電極パッド３３Ａおよび第１電極３３ａは、金（Ａｕ）ゲルマニウム（Ｇｅ）合金で形成されており、第２電極パッド３１Ａおよび第２電極３１ａは、金（Ａｕ）アンチモン（Ｓｂ）合金で形成されているが、第１電極パッド３３Ａおよび第１電極３３ａならびに第２電極パッド３１Ａおよび第２電極３１ａの全てを例えば金（Ａｕ）ゲルマニウム（Ｇｅ）合金で形成してもよい。このような構成とすることで、電極パッドおよび電極の形成工程を削減が行なえ、結果として工程短縮、製造コストの削減が行なえる。
　また、本実施形態に係るセンサ装置１００では、使用態様としてトナーＴの濃度を検出する例を記載したが、センサ装置１００の用途はトナー濃度の検出に限られない。センサ装置１００は、物質の表面状態を測定することが可能であり、例えば、人間の素肌または錠剤等の表面状態を測定することができる。
　また、図５に示すように、半導体基板２における第１電極パッド３３Ａと発光素子３ａとの間には溝２ｂが形成されていてもよい。その結果、発光素子３ａからのノイズ電流が半導体基板２内を流れるときに、溝２ｂを迂回することになり、受光素子３ｂへの影響を小さくすることができる。
　また、第１電極パッド３３Ａと発光素子３ａとの間に形成されている溝２ｂは、半導体基板２の一端部から他端部にわたって形成されていてもよい。その結果、発光素子３ａのノイズ電流を良好に迂回させることができる。
　また、図６に示すように、第１電極パッド３３Ａは、半導体基板２における発光素子３ａと受光素子３ｂとの間の領域に位置していてもよい。このような構成を備えるため、受光素子３ｂから電流を取り出す際、第１電極パッド３３Ａおよび第４電極パッド３３Ｂに逆バイアスを印加するときに、第１電極パッド３３Ａの直下に電界を発生させることができる。その結果、発光素子３ａからのノイズ電流が半導体基板２内を流れる場合、ノイズ電流は、第１電極パッド３３Ａの直下に発生した電界を迂回するように流れることになる。したがって、発光素子３ａのノイズ電流による受光素子２ｂへの影響を低減することができる。
 

Claims (8)

  1. 　一導電型の半導体基板と、該半導体基板の上面に積層した複数の半導体層を有する発光素子と、前記半導体基板の上面側に逆導電型の不純物がドーピングされた逆導電型半導体領域を有する受光素子と、前記半導体基板の上面に配置され、且つ前記受光素子の電極となる第１電極パッドとを備え、前記一導電型の半導体基板における不純物濃度は、前記第１電極パッドの直下の領域が他の領域よりも高くなっていることを特徴とする受発光素子。
  2. 　前記第１電極パッドの直下の領域における不純物は、前記半導体基板の上面に接する前記半導体層を構成する元素の少なくとも１つと同じであることを特徴とする請求項１に記載の受発光素子。
  3. 　前記複数の半導体層は、一導電型のコンタクト層を含み、
    該コンタクト層の上面に配置され、且つ前記発光素子の電極となる第２電極をさらに備えており、
    該第２電極および前記第１電極パッドは同じ材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載の受発光素子。
  4. 　前記半導体基板における前記第１電極パッドの直下の領域は、前記第１電極パッド側に突出している突出部を有していることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の受発光素子。
  5. 　前記第１電極パッドは、前記突出部を覆っていることを特徴とする請求項４に記載の受発光素子。
  6. 　前記第１電極パッドは、前記発光素子と前記受光素子との間の領域に位置していることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の受発光素子。
  7. 　前記半導体基板は、前記第１電極パッドと前記発光素子との間に溝をさらに有していることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の受発光素子。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の受発光素子を用いたセンサ装置であって、
    前記発光素子から被照射物に光を照射し、該被照射物からの反射光に応じて出力される前記受光素子からの出力電流に応じて前記被照射物の位置情報、距離情報および濃度情報のうち少なくとも１つを検出することを特徴とするセンサ装置。
     
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