受発光素子
【課題】 小型で光検出精度の優れた受発光素子を提供する。
【解決手段】 一導電型の半導体材料から成り、傾斜面２ｂ１およびこれに続く底面２ｂ２で構成された窪み部２ｂを一主面２ａに有する基板２と、基板２の一主面２ａに設けられた発光ダイオード３と、窪み部２ｂの底面２ｂ２に設けられた第１フォトダイオード４と、窪み部２ｂの傾斜面２ｂ１に設けられた第２フォトダイオード５とを有する。
【解決手段】 一導電型の半導体材料から成り、傾斜面２ｂ１およびこれに続く底面２ｂ２で構成された窪み部２ｂを一主面２ａに有する基板２と、基板２の一主面２ａに設けられた発光ダイオード３と、窪み部２ｂの底面２ｂ２に設けられた第１フォトダイオード４と、窪み部２ｂの傾斜面２ｂ１に設けられた第２フォトダイオード５とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
このようなセンサ装置において、例えば、カラーとモノクロとの双方のトナーを感知するトナーセンサ等、発光素子から測定対象に照射した光の正反射光および散乱反射光（拡散反射光）の双方を受光する必要がある場合には、特許文献１に示すように受光素子を２つ設けていた。
【０００４】
一方で、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め、特許文献２に示すように同一基板に発光素子と受光素子とを形成した受発光素子アレイが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３４９７１５号
【特許文献２】特開平８−４６２３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、正反射光および拡散反射光の両方を正確に受光するために、１つの基板に２つの受光素子を設ける場合には、一般に、受光素子は発光素子に比べて大きいため、受発光素子の大型化を招いていた。そこで、本発明は、正反射光および散乱反射光の双方を受光することのできる、小型な受発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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り、傾斜面およびこれに続く底面で構成された窪み部を一主面に有する基板と、前記基板の前記一主面に設けられた発光ダイオードと、前記窪み部の前記底面に設けられた第１フォトダイオードと、前記窪み部の前記傾斜面に設けられた第２フォトダイオードとを有するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、小型の受発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、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断面図である。
【図２】図１に示すセンサ装置の上面図である。
【図３】図１，２に示すセンサ装置の発光ダイオードの要部拡大断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る受発光素子の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係るセンサ装置の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
図１は本発明の受発光素子１の一実施形態を示す断面図であり、図２は受発光素子１の上面図であり、図３は受発光素子１の発光ダイオード３の要部拡大断面図である。なお、各図において、構成の明確な図示のために、各構成要素の大きさの比率は実際の寸法と異なることがある。また、図２において、各部位の構成の明確な図示のために、受発光素子１の上方に位置する構成要素の図示を省略している。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線における矢視断面図である。
【００１２】
図１〜図３に示すように、発光素子１は、基板２と、発光ダイオード３と、第１フォトダイオード４と、第２フォトダイオード５と、を有する。ここで、受発光素子１とは、基板２の一主面２ａ側に少なくとも１つの第１フォトダイオード（受光素子）４，少なくとも１つの第２フォトダイオード（受光素子）５，および少なくとも１つの発光ダイオード（発光素子）３を設けたものを言う。
【００１３】
基板２は、一導電型の半導体材料からなる。一導電型の不純物濃度に限定はないが、例えば１０Ω以下、より好ましくは１〜５Ωの電気抵抗を有することが好ましい。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。
【００１４】
そして、この基板２の一主面２ａには、窪み部２ｂが形成されている。この窪み部２ｂは、傾斜面２ｂ１とこれに続く底面２ｂ２とで構成されている。この例では、窪み部２ｂは長手方向を（Ｄ１方向）を有する形状となっている。具体的には矩形状となっており、窪み部２ｂに応じた形状の底面２ｂ２を有している。
【００１５】
このような基板２の窪み部２ｂの底面２ｂ２には、第１フォトダイオード４が配置される。この例では、第１フォトダイオード４は複数あり、底面２ｂ２の長手方向に沿って直線状に配列している。
【００１６】
基板２の主面２ａには、発光ダイオード３を配置している。この例では、複数の発光ダイオード３が窪み部２ｂの長手方向（Ｄ１方向）に直線状に配列している。
【００１７】
そして、基板２の窪み部２ｂの傾斜面２ｂ１には、第２フォトダイオード５が配置される。この例では、第２フォトダイオード５は複数あり、傾斜面２ｂ１の長手方向に沿って直線状に配列している。すなわち、第１フォトダイオード４の配列方向に沿って配置されている。より具体的には、第２フォトダイオード５は、平面視で、最も近接する第１フォトダイオード４と発光ダイオード３との間に配置されている。すなわち、この例では、個々の発光ダイオード３，第１フォトダイオード４，第２フォトダイオード５がＤ２方向において一直線上に配置されている。言い換えると、第２フォトダイオード５は、最も近接する発光ダイオード３と第１フォトダイオード４との間に位置している。
【００１８】
ここで、基板２の主面２ａの上方において、不図示の光学系を設けることにより、発光ダイオード３からの光を測定対象体に照射する。そして、測定対象体からの正反射光を第１フォトダイオード４で測定する（図１（ａ））。同様に、測定対象体からの散乱反射光の少なくとも一部を第２フォトダイオード５で測定する（図１（ｂ））。光学系は、一般的なレンズにより実現できる。例えばプリズムや集光レンズ等が挙げられる。このような光学系の設計は、光線追跡法を用いて行われ、所望の形状を有するものを形成することができる。なお、このような光学系は、個々の発光ダイオード３に対して設けてもよいし、複数の発光ダイオード３に対して共通のものとしてもよい。
【００１９】
このような構成とすることにより、第１フォトダイオード４により発光ダイオード３からの光を検出して、鏡面反射光の変化を確認することができる。すなわち、プリンタ用のトナーセンサとして用いる場合には、黒トナーの付着により鏡面反射光（正反射光）が大幅に減少する現象に着目し、発光ダイオード３の正反射光の光量を検出することにより黒トナーの付着の有無、トナーの濃度を検出することができる。さらに、第２フォトダイオード５により発光ダイオード３からの光を検出して、散乱反射光の変化を確認することができる。すなわち、プリンタ用のトナーセンサとして用いる場合には、カラートナーの付着により散乱反射光が大幅に増加する現象に着目し、第２発光ダイオード４の散乱反射光の光量を検出することによりカラートナーの付着の有無、トナーの濃度を検出することができる。ここで、第２フォトダイオード５は傾斜面２ｂ１に配置されていることから、第１フォトダイオード４から大きく離して配置しなくても散乱反射光を受けることができる。そして、傾斜面２ｂ１に配置することにより、受光面を十分にとっても平面視における占有スペースは少ないため、小型化に寄与することができる。さらに、第２フォトダイオード５を、斜面２ｂ１のうち第１フォトダイオード４から見て発光ダイオード３側に配置することにより、正反射光の混入を抑制することができるので、より正確に散乱反射光を受光することができる。
【００２０】
なお、図１において、矢印により正反射光および散乱反射光の軌跡を示している。
【００２１】
特に、受光素子の１つを斜面２ｂ１に配置していることから、受光素子を２つ用いた場合であっても小型なセンサを提供することができる。さらに、受発光素子１を用いていることから、受光素子、発光素子を別部品で構成する場合に比べて、著しく小型化することができる上に、複数の発光ダイオード３，フォトダイオード４，５を近接配置することにより、正確に正反射光及び散乱反射光を検出することができる。
【００２２】
また、本実施形態によれば、半導体基板２に直接発光ダイオード３および第１および第２フォトダイオード４，５を作りこんでおり、別部品を基板上に実装するものに比べ、大幅に小型化することができ、狭ピッチでアレイ化が可能となる。また、アレイ化することで受光量の測定量の平均化が可能となる。さらに、トナー塗布範囲を狭くすることが出来るのでトナー塗布量を減少させることが出来る。
【００２３】
さらに、フォトダイオード４，５を窪み部２ｂに設けていることにより、発光ダイオード３から基板２の表面を伝う漏れ電流の経路を長く、かつ異なる結晶面を経由させることができる。これにより、発光ダイオード３からフォトダイオード４，５への漏れ電流の伝達を抑制することができ、精度の高い受発光素子１を提供することができる。
【００２４】
以下に、各部位の詳細な構成について説明する。
【００２５】
基板２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１×１０１４〜２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。より好ましくは、Ｐの濃度を８×１０１４〜５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｃとする。このような濃度範囲とすれば、基板２の抵抗を１〜５Ω・ｃｍとすることができる。
【００２６】
窪み部２ｂは、物理的・化学的エッチングや、機械的手法により適宜設ければよいが、基板２としてＳｉ基板を用いるときには、異方性エッチングにより形成すれば、精度の高い窪み部２ｂを生産性よく形成することができる。
【００２７】
発光ダイオード３は、基板２上に、バッファ層３１，ｎ型コンタクト層３２，ｎ型クラッド層３３，活性層３４，ｐ型クラッド層３５，ｐ型コンタクト層３６，キャップ層３７
を基板２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３１の下には、後述するように基板２に不純物を拡散して形成したｎ型不純物拡散領域２ｎが存在している。
【００２８】
バッファ層３１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。
【００２９】
ｎ型コンタクト層３２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３２のドーピング濃度を１×１０１８〜２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。図３に示すように、ｎ型コンタクト層３２の上面の一部分は、ｎ型クラッド層３３，活性層３４，ｐ型クラッド層３５，ｐ型コンタクト層３６，キャップ層３７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。
【００３０】
ｎ型クラッド層３３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３３のドーピング濃度を１×１０１７〜５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
【００３１】
活性層３４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。
【００３２】
ｐ型クラッド層３５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３５のドーピング濃度を１×１０１８〜２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
【００３３】
ｐ型コンタクト層３６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型コンタクト層３６のドーピング濃度を１×１０１９〜５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
【００３４】
キャップ層３７は、不純物がドーピングされていないＧａＡｓからなり、０．０１〜０．０３μｍの厚さを有している。
【００３５】
発光ダイオード３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２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。
【００３６】
キャップ層３７の上面の一部分には、第１電極６が接続されている。この第１電極６は、絶縁膜１３上に延び、各発光ダイオード３のキャップ層３７に対して個別に設けられている。また、第１電極６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。
【００３７】
ｎ型コンタクト層３２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２に示すように列状に配置された各発光ダイオード３のｎ型コンタクト層３２間を接続している。なお、図２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。
【００３８】
第１電極６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３５とｎ型クラッド層３３とでｐｎ接合を形成する発光ダイオード３に電流が供給され、活性層３４，４４が発光するようになっている。このとき、複数の第１電極６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６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６に接続された発光ダイオード３を発光させることができる。
【００３９】
なお、発光ダイオード３は、図３に示すように、第２電極１１とｎ型コンタクト層３２との接触部分、並びに第１電極６とキャップ層３７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６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２の表面上にも絶縁膜１３が形成されており、基板２と、第１電極６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。
【００４０】
次に、基板２に設けられた複数の第１および第２フォトダイオード４，５について説明する。この例では、第１フォトダイオード４と第２フォトダイオード５とは、配置位置が異なるのみで同様の構成を有するため、第１フォトダイオード４を例にその構成について説明する。図２に示すように、第１フォトダイオード４は、発光ダイオード３と離間して設けられ、発光ダイオード３の配列方向に沿って、発光ダイオード３と対応するように半導体基板２の窪み部２ｂの底面２ｂ２に列を成して配置されている。各第１フォトダイオード４は、図３に示すように、基板２の上面（一方の主面）２ａに形成されたｐ型半導体領域４ｐを設けることにより、ｎ型の基板２とでｐｎ接合を形成して構成される。
【００４１】
ｐ型半導体領域４ｐ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Ｚｎ，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型半導体領域４ｐのドーピング濃度を１×１０１８〜１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
【００４２】
ｐ型半導体領域４ｐ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型半導体領域４ｐ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２との絶縁性が確保されている。
【００４３】
このとき、第１フォトダイオード４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。
【００４４】
ここで、本実施形態では、基板２の一主面２ａには、発光ダイオード３が配置された領域と窪み部２ｂとの間に遮断領域２ｃが形成されている。ここで遮断領域２ｃは、発光ダイオード３からの漏れ電流が半導体性の基板２の表面を伝い、フォトダイオード４，５に到達することを抑制するためのものであり、発光ダイオード３とフォトダイオード４，５とを電気的に分離するものである。フォトダイオード４，５を窪み部２ｂに設けることによる漏れ電流の混入の抑制に加えて、遮断領域２ｃによりさらなる漏れ電流の抑制を行なう。この例では、逆導電型の遮断領域２ｃが形成されている。
【００４５】
遮断領域２ｃは、発光ダイオード３が配置された領域とフォトダイオード４，５が配置された窪み部２ｂとの間に連続して設けられればよい。発光ダイオード３およびフォトダイオード４，５が複数ある場合には、発光ダイオード３に対して、複数のフォトダイオード４，５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ればよいが、この
例では、複数の発光ダイオード３の配列方向と複数のフォトダイオード４，５の配列方向とに沿って、連続して設けられている。
【００４６】
ここで遮断領域２ｃは、基板２と逆導電型（ｐ型）の半導体領域となっている。このため、基板２上において発光ダイオード３からフォトダイオード４，５までの結ぶ経路の途中に逆導電型の半導体領域が存在することとなり、発光ダイオード３からの漏れ電流がフォトダイオード４，５に到達することを抑制することができる。
【００４７】
より詳細には、この遮断領域２ｃは、外部の駆動回路から発光ダイオード３へ供給された電流が、半導体基板２を介してフォトダイオード４，５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３からの漏れ電流が、フォトダイオード４，５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４，５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、このような遮断領域２ｃ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。
【００４８】
具体的には、遮断領域２ｃ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Ｚｎ，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。
【００４９】
遮断領域２ｃの好適な深さ方向における厚みは、基板２の材質や抵抗率等によって変わる。発光ダイオード３からの漏れ電流は主に基板２の表面に流れるため、基板２の上面２ａ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、窪み部２ｂの深さ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２の表面２aを伝う漏れ電流に加え、基板２の内部を通りｐ型半導体領域４ｐ，５ｐに到達する漏れ電流を遮断することができる。
【００５０】
また、遮断領域２ｃ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領域の深さ位置が、ｐ型半導体領域５ｐが存在する深さ範囲と重複することが好ましい。
【００５１】
遮断領域２ｃの、発光ダイオード３とフォトダイオード４，５との離間方向における好適な幅（図２における左右方向の幅）は、発光ダイオード３からフォトダイオード４，５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。ただし、遮断領域２ｃ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３と最も近接するフォトダイオード５との距離未満であり、発光ダイオード３からフォトダイオード５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３や複数のフォトダイオード４，５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３と最も近接するフォトダイオード４，５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３とフォトダイオード５との離間方向における幅」は、複数の発光ダイオード３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。
【００５２】
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。
【００５３】
まず、主面２ａが１００面の基板２を準備する。次に、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、KOHによるウェットエッチング法により、窪み部２ｂを形成する。ここでＳｉの異方性エッチングを行なうことに
より、エッチングにより露出する１１１面を傾斜面２ｂ１とすることができる。また、エッチング時間の調整により、窪み部２ｂを所望の深さ、所望の大きさの底面２ｂ２を有するものとすることができる。
【００５４】
次に、熱酸化法を用いて基板２上にＳｉＯ２からなる拡散阻止膜Ｓを形成する。
【００５５】
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型半導体領域５ｐ，遮断領域２ｃ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。
【００５６】
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２の内部に拡散させ、ｐ型半導体領域４ｐ，５ｐおよび遮断領域２ｃ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６００〜１２００度の温度で熱拡散させる。この熱拡散は、一定の雰囲気・温度で一段階で行なってもよいし、数段階に分けて行なってもよい。具体的には、酸素雰囲気中で、前述の温度範囲の低温側の温度領域において熱処理後、窒素雰囲気中で、前述の温度範囲の高温側の温度領域において熱処理を行なってもよい。その後、拡散阻止膜Ｓを除去する。
【００５７】
次に、基板２をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内で熱処理することにより、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度の温度で１０分間行う。
【００５８】
次いで、ＭＯＣＶＤ法を用いて、発光ダイオード３を構成する各半導体層を基板２上に順次積層する。そして、積層された半導体層Ｌ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３を形成する。なお、このとき、ｎ型コンタクト層３２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。
【００５９】
次に、熱酸化法、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３の露出面及び半導体基板２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６、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。
【００６０】
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６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６，１５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。
【００６１】
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。
【００６２】
ここで、受発光素子１のように、遮断領域１２ｃの厚みを窪み部２ｂの深さに比べて厚くするためには、上述のｐ型半導体領域５ｐおよび遮断領域２ｃを形成する工程において、まず、遮断領域２ｃを形成する領域のみにｐ型の不純物を拡散させた後、次にｐ型半導
体領域４ｐ，５ｐ，遮断領域２ｃを形成する領域に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、遮断領域２ｃの厚みを厚くすることができる。
【００６３】
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型半導体領域４ｐ，５ｐを形成する領域において拡散防止膜を薄層化し、遮断領域２ｃを形成する領域において開口部としたり、拡散防止膜の厚みを、ｐ型半導体領域４ｐ，５ｐを形成する領域において、ｐ型半導体領域４ｐ，５ｐを形成する領域よりも薄くなるようにしたりしてもよい。
【００６４】
本実施形態に係る受発光素子１によれば、半導体基板２の上面（一方の主面）２ａにおける発光ダイオード３とフォトダイオード４，５との間の位置に遮断領域２ｃが形成されているため、発光ダイオード３の駆動時に供給された電流が、半導体基板２を介してフォトダイオード４，５へ流入するのを抑制することができる。
【００６５】
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４，５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３からの正反射光に加え拡散反射光をも検出するときに、遮断領域２ｃ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。
【００６６】
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２に発光ダイオード３およびフォトダイオード４，５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３とフォトダイオード４，５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３とフォトダイオード４，５との間に遮断領域２ｃ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。
【００６７】
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型半導体領域４ｐ，５ｐの製造と同時に遮断領域２ｃ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。
【００６８】
そして、このような受発光素子１を用いたセンサ装置によれば、小型で高感度のものとすることができる。
【００６９】
以下、上述の実施形態に係るセンサ装置の使用方法について説明する。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（被照射体）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。
【００７０】
受発光素子１の基板２の主面と垂直方向に間隔をあけて、発光ダイオード３，フォトダイオード４，５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３からの発光は、この光学系を介して、受発光素子１の基板２の主面２ａと対向して配置される照射体である中間転写ベルト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、散乱反射光を含む）を光学系を介してフォトダイオード４，５によって受光する。フォトダイオード５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。
【００７１】
なお、本発明に係るセンサ装置は、アレイ化に適した構成となっている。より詳しくは、複数の発光ダイオード（３）、複数のフォトダイオード（４，５）を有するときの配線配置の観点でアレイ化に適した構成となっている。
【００７２】
具体的には、本発明に係る受発光素子１によれば、発光ダイオード３、フォトダイオード４，５は、外側に配線を引き出すことができる。これにより、不図示の外部回路とボンディングワイヤにより接続することができる。この例では、フォトダイオード４，５に接続されている第３電極１５を、発光ダイオード３が配置された領域と反対側の窪み部２ｂの外側まで引き出している。これら第３電極をアノードとして機能させる。そして、フォトダイオード４，５共通のカソードとして導体層１８を設けている。導体層１８は、発光ダイオード３が配置された領域と反対側の窪み部２ｂの外側に配置された幅広のパッドと、窪み部２ｂの底面２ｂ２に、平面視で第１フォトダイオード４と第２フォトダイオード５との間に配置された幅広のパッドと、両パッドを電気的に接続する幅細のライン部と、を有している。ここで、平面視で第１フォトダイオード４と第２フォトダイオード５との間に幅広のパッドを設けることで、カソードを第２フォトダイオード５に近接配置させることができ、第２フォトダイオード５の光電流を精度よく検出することができる。特に、散乱反射光を検出する第２フォトダイオード５は、検出する光電流の強度が小さいが、このようにカソードとして機能するパッドを近接配置してもアレイ化することができるので、高精度で小型の受発光素子１を提供することができる。
【００７３】
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、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。
【００７４】
例えば、上述の例では、発光ダイオード３，第１フォトダイオード４および第２フォトダイオード５がそれぞれ複数ある場合を例に説明したが、それぞれを１つずつ有するものとしてもよい。
【００７５】
また、上述の例では、複数の発光ダイオード３は直線状に配置されていたが、千鳥状であってもよい。また上述の例では、個々の発光ダイオード３，第１フォトダイオード４，第２フォトダイオード５が一直線上に並ぶ配置としたが、一直線上に並ばなくてもよい。
【００７６】
また、上述の例では基板２の発光ダイオード３が形成された領域と窪み部２ｂとの間に逆導電型不純物を拡散させて遮断領域２ｃを形成したが、図４に示すように、遮断領域２ｃに代えて溝２ｄを形成してもよい。溝２ｄにより、発光ダイオード３からの漏れ電流が窪み部２ｂに配置されたフォトダイオード４，５へ伝達することを防ぐことができる。
【００７７】
また、上記実施形態では、フォトダイオード４，５はｐｎ型としたが、ｐ型半導体領域５ｐと、このｐ型半導体領域５ｐと離間して基板２の上面（傾斜面２ｂ１、底面２ｂ２）に形成されたｎ型半導体領域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。特に、受光量の多い第１フォトダイオード４をＰＩＮ型として、受光量の少ない第２フォトダイオード５をｐｎ型とすることが好ましい。
【００７８】
また、一導電型および逆導電型を逆としてもよい。
【００７９】
さらに、上述の実施例では、複数の第１フォトダイオード４および第２フォトダイオード５とを１つの窪み部２ｂに設けた例を用いて説明したが、１つの第１フォトダイオード４および１つの第２フォトダイオード５の１セットに対して、個別に窪み部２ｂを形成してもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１ 受発光素子
２ 基板
２ａ 一方の主面（上面）
２ｂ 窪み部
２ｂ１ 傾斜面
２ｂ２ 底面
２ｃ 遮断領域
２ｄ 溝
３ 発光ダイオード
４ 第１フォトダイオード
５ 第２フォトダイオード
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
このようなセンサ装置において、例えば、カラーとモノクロとの双方のトナーを感知するトナーセンサ等、発光素子から測定対象に照射した光の正反射光および散乱反射光（拡散反射光）の双方を受光する必要がある場合には、特許文献１に示すように受光素子を２つ設けていた。
【０００４】
一方で、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め、特許文献２に示すように同一基板に発光素子と受光素子とを形成した受発光素子アレイが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３４９７１５号
【特許文献２】特開平８−４６２３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、正反射光および拡散反射光の両方を正確に受光するために、１つの基板に２つの受光素子を設ける場合には、一般に、受光素子は発光素子に比べて大きいため、受発光素子の大型化を招いていた。そこで、本発明は、正反射光および散乱反射光の双方を受光することのできる、小型な受発光素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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り、傾斜面およびこれに続く底面で構成された窪み部を一主面に有する基板と、前記基板の前記一主面に設けられた発光ダイオードと、前記窪み部の前記底面に設けられた第１フォトダイオードと、前記窪み部の前記傾斜面に設けられた第２フォトダイオードとを有するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、小型の受発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】（ａ），（ｂ）はそれぞれ、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断面図である。
【図２】図１に示すセンサ装置の上面図である。
【図３】図１，２に示すセンサ装置の発光ダイオードの要部拡大断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る受発光素子の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明に係るセンサ装置の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
図１は本発明の受発光素子１の一実施形態を示す断面図であり、図２は受発光素子１の上面図であり、図３は受発光素子１の発光ダイオード３の要部拡大断面図である。なお、各図において、構成の明確な図示のために、各構成要素の大きさの比率は実際の寸法と異なることがある。また、図２において、各部位の構成の明確な図示のために、受発光素子１の上方に位置する構成要素の図示を省略している。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線における矢視断面図である。
【００１２】
図１〜図３に示すように、発光素子１は、基板２と、発光ダイオード３と、第１フォトダイオード４と、第２フォトダイオード５と、を有する。ここで、受発光素子１とは、基板２の一主面２ａ側に少なくとも１つの第１フォトダイオード（受光素子）４，少なくとも１つの第２フォトダイオード（受光素子）５，および少なくとも１つの発光ダイオード（発光素子）３を設けたものを言う。
【００１３】
基板２は、一導電型の半導体材料からなる。一導電型の不純物濃度に限定はないが、例えば１０Ω以下、より好ましくは１〜５Ωの電気抵抗を有することが好ましい。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。
【００１４】
そして、この基板２の一主面２ａには、窪み部２ｂが形成されている。この窪み部２ｂは、傾斜面２ｂ１とこれに続く底面２ｂ２とで構成されている。この例では、窪み部２ｂは長手方向を（Ｄ１方向）を有する形状となっている。具体的には矩形状となっており、窪み部２ｂに応じた形状の底面２ｂ２を有している。
【００１５】
このような基板２の窪み部２ｂの底面２ｂ２には、第１フォトダイオード４が配置される。この例では、第１フォトダイオード４は複数あり、底面２ｂ２の長手方向に沿って直線状に配列している。
【００１６】
基板２の主面２ａには、発光ダイオード３を配置している。この例では、複数の発光ダイオード３が窪み部２ｂの長手方向（Ｄ１方向）に直線状に配列している。
【００１７】
そして、基板２の窪み部２ｂの傾斜面２ｂ１には、第２フォトダイオード５が配置される。この例では、第２フォトダイオード５は複数あり、傾斜面２ｂ１の長手方向に沿って直線状に配列している。すなわち、第１フォトダイオード４の配列方向に沿って配置されている。より具体的には、第２フォトダイオード５は、平面視で、最も近接する第１フォトダイオード４と発光ダイオード３との間に配置されている。すなわち、この例では、個々の発光ダイオード３，第１フォトダイオード４，第２フォトダイオード５がＤ２方向において一直線上に配置されている。言い換えると、第２フォトダイオード５は、最も近接する発光ダイオード３と第１フォトダイオード４との間に位置している。
【００１８】
ここで、基板２の主面２ａの上方において、不図示の光学系を設けることにより、発光ダイオード３からの光を測定対象体に照射する。そして、測定対象体からの正反射光を第１フォトダイオード４で測定する（図１（ａ））。同様に、測定対象体からの散乱反射光の少なくとも一部を第２フォトダイオード５で測定する（図１（ｂ））。光学系は、一般的なレンズにより実現できる。例えばプリズムや集光レンズ等が挙げられる。このような光学系の設計は、光線追跡法を用いて行われ、所望の形状を有するものを形成することができる。なお、このような光学系は、個々の発光ダイオード３に対して設けてもよいし、複数の発光ダイオード３に対して共通のものとしてもよい。
【００１９】
このような構成とすることにより、第１フォトダイオード４により発光ダイオード３からの光を検出して、鏡面反射光の変化を確認することができる。すなわち、プリンタ用のトナーセンサとして用いる場合には、黒トナーの付着により鏡面反射光（正反射光）が大幅に減少する現象に着目し、発光ダイオード３の正反射光の光量を検出することにより黒トナーの付着の有無、トナーの濃度を検出することができる。さらに、第２フォトダイオード５により発光ダイオード３からの光を検出して、散乱反射光の変化を確認することができる。すなわち、プリンタ用のトナーセンサとして用いる場合には、カラートナーの付着により散乱反射光が大幅に増加する現象に着目し、第２発光ダイオード４の散乱反射光の光量を検出することによりカラートナーの付着の有無、トナーの濃度を検出することができる。ここで、第２フォトダイオード５は傾斜面２ｂ１に配置されていることから、第１フォトダイオード４から大きく離して配置しなくても散乱反射光を受けることができる。そして、傾斜面２ｂ１に配置することにより、受光面を十分にとっても平面視における占有スペースは少ないため、小型化に寄与することができる。さらに、第２フォトダイオード５を、斜面２ｂ１のうち第１フォトダイオード４から見て発光ダイオード３側に配置することにより、正反射光の混入を抑制することができるので、より正確に散乱反射光を受光することができる。
【００２０】
なお、図１において、矢印により正反射光および散乱反射光の軌跡を示している。
【００２１】
特に、受光素子の１つを斜面２ｂ１に配置していることから、受光素子を２つ用いた場合であっても小型なセンサを提供することができる。さらに、受発光素子１を用いていることから、受光素子、発光素子を別部品で構成する場合に比べて、著しく小型化することができる上に、複数の発光ダイオード３，フォトダイオード４，５を近接配置することにより、正確に正反射光及び散乱反射光を検出することができる。
【００２２】
また、本実施形態によれば、半導体基板２に直接発光ダイオード３および第１および第２フォトダイオード４，５を作りこんでおり、別部品を基板上に実装するものに比べ、大幅に小型化することができ、狭ピッチでアレイ化が可能となる。また、アレイ化することで受光量の測定量の平均化が可能となる。さらに、トナー塗布範囲を狭くすることが出来るのでトナー塗布量を減少させることが出来る。
【００２３】
さらに、フォトダイオード４，５を窪み部２ｂに設けていることにより、発光ダイオード３から基板２の表面を伝う漏れ電流の経路を長く、かつ異なる結晶面を経由させることができる。これにより、発光ダイオード３からフォトダイオード４，５への漏れ電流の伝達を抑制することができ、精度の高い受発光素子１を提供することができる。
【００２４】
以下に、各部位の詳細な構成について説明する。
【００２５】
基板２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１×１０１４〜２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。より好ましくは、Ｐの濃度を８×１０１４〜５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｃとする。このような濃度範囲とすれば、基板２の抵抗を１〜５Ω・ｃｍとすることができる。
【００２６】
窪み部２ｂは、物理的・化学的エッチングや、機械的手法により適宜設ければよいが、基板２としてＳｉ基板を用いるときには、異方性エッチングにより形成すれば、精度の高い窪み部２ｂを生産性よく形成することができる。
【００２７】
発光ダイオード３は、基板２上に、バッファ層３１，ｎ型コンタクト層３２，ｎ型クラッド層３３，活性層３４，ｐ型クラッド層３５，ｐ型コンタクト層３６，キャップ層３７
を基板２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３１の下には、後述するように基板２に不純物を拡散して形成したｎ型不純物拡散領域２ｎが存在している。
【００２８】
バッファ層３１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。
【００２９】
ｎ型コンタクト層３２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３２のドーピング濃度を１×１０１８〜２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。図３に示すように、ｎ型コンタクト層３２の上面の一部分は、ｎ型クラッド層３３，活性層３４，ｐ型クラッド層３５，ｐ型コンタクト層３６，キャップ層３７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。
【００３０】
ｎ型クラッド層３３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３３のドーピング濃度を１×１０１７〜５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
【００３１】
活性層３４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。
【００３２】
ｐ型クラッド層３５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３５のドーピング濃度を１×１０１８〜２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
【００３３】
ｐ型コンタクト層３６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型コンタクト層３６のドーピング濃度を１×１０１９〜５×１０２０ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
【００３４】
キャップ層３７は、不純物がドーピングされていないＧａＡｓからなり、０．０１〜０．０３μｍの厚さを有している。
【００３５】
発光ダイオード３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２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。
【００３６】
キャップ層３７の上面の一部分には、第１電極６が接続されている。この第１電極６は、絶縁膜１３上に延び、各発光ダイオード３のキャップ層３７に対して個別に設けられている。また、第１電極６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。
【００３７】
ｎ型コンタクト層３２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２に示すように列状に配置された各発光ダイオード３のｎ型コンタクト層３２間を接続している。なお、図２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。
【００３８】
第１電極６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３５とｎ型クラッド層３３とでｐｎ接合を形成する発光ダイオード３に電流が供給され、活性層３４，４４が発光するようになっている。このとき、複数の第１電極６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６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６に接続された発光ダイオード３を発光させることができる。
【００３９】
なお、発光ダイオード３は、図３に示すように、第２電極１１とｎ型コンタクト層３２との接触部分、並びに第１電極６とキャップ層３７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６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２の表面上にも絶縁膜１３が形成されており、基板２と、第１電極６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。
【００４０】
次に、基板２に設けられた複数の第１および第２フォトダイオード４，５について説明する。この例では、第１フォトダイオード４と第２フォトダイオード５とは、配置位置が異なるのみで同様の構成を有するため、第１フォトダイオード４を例にその構成について説明する。図２に示すように、第１フォトダイオード４は、発光ダイオード３と離間して設けられ、発光ダイオード３の配列方向に沿って、発光ダイオード３と対応するように半導体基板２の窪み部２ｂの底面２ｂ２に列を成して配置されている。各第１フォトダイオード４は、図３に示すように、基板２の上面（一方の主面）２ａに形成されたｐ型半導体領域４ｐを設けることにより、ｎ型の基板２とでｐｎ接合を形成して構成される。
【００４１】
ｐ型半導体領域４ｐ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Ｚｎ，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型半導体領域４ｐのドーピング濃度を１×１０１８〜１×１０２２ａｔｏｍｓ／ｃｃとしている。
【００４２】
ｐ型半導体領域４ｐ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型半導体領域４ｐ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２との絶縁性が確保されている。
【００４３】
このとき、第１フォトダイオード４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。
【００４４】
ここで、本実施形態では、基板２の一主面２ａには、発光ダイオード３が配置された領域と窪み部２ｂとの間に遮断領域２ｃが形成されている。ここで遮断領域２ｃは、発光ダイオード３からの漏れ電流が半導体性の基板２の表面を伝い、フォトダイオード４，５に到達することを抑制するためのものであり、発光ダイオード３とフォトダイオード４，５とを電気的に分離するものである。フォトダイオード４，５を窪み部２ｂに設けることによる漏れ電流の混入の抑制に加えて、遮断領域２ｃによりさらなる漏れ電流の抑制を行なう。この例では、逆導電型の遮断領域２ｃが形成されている。
【００４５】
遮断領域２ｃは、発光ダイオード３が配置された領域とフォトダイオード４，５が配置された窪み部２ｂとの間に連続して設けられればよい。発光ダイオード３およびフォトダイオード４，５が複数ある場合には、発光ダイオード３に対して、複数のフォトダイオード４，５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ればよいが、この
例では、複数の発光ダイオード３の配列方向と複数のフォトダイオード４，５の配列方向とに沿って、連続して設けられている。
【００４６】
ここで遮断領域２ｃは、基板２と逆導電型（ｐ型）の半導体領域となっている。このため、基板２上において発光ダイオード３からフォトダイオード４，５までの結ぶ経路の途中に逆導電型の半導体領域が存在することとなり、発光ダイオード３からの漏れ電流がフォトダイオード４，５に到達することを抑制することができる。
【００４７】
より詳細には、この遮断領域２ｃは、外部の駆動回路から発光ダイオード３へ供給された電流が、半導体基板２を介してフォトダイオード４，５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３からの漏れ電流が、フォトダイオード４，５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４，５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、このような遮断領域２ｃ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。
【００４８】
具体的には、遮断領域２ｃ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Ｚｎ，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。
【００４９】
遮断領域２ｃの好適な深さ方向における厚みは、基板２の材質や抵抗率等によって変わる。発光ダイオード３からの漏れ電流は主に基板２の表面に流れるため、基板２の上面２ａ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、窪み部２ｂの深さ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２の表面２aを伝う漏れ電流に加え、基板２の内部を通りｐ型半導体領域４ｐ，５ｐに到達する漏れ電流を遮断することができる。
【００５０】
また、遮断領域２ｃ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領域の深さ位置が、ｐ型半導体領域５ｐが存在する深さ範囲と重複することが好ましい。
【００５１】
遮断領域２ｃの、発光ダイオード３とフォトダイオード４，５との離間方向における好適な幅（図２における左右方向の幅）は、発光ダイオード３からフォトダイオード４，５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。ただし、遮断領域２ｃ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３と最も近接するフォトダイオード５との距離未満であり、発光ダイオード３からフォトダイオード５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３や複数のフォトダイオード４，５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３と最も近接するフォトダイオード４，５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３とフォトダイオード５との離間方向における幅」は、複数の発光ダイオード３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。
【００５２】
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。
【００５３】
まず、主面２ａが１００面の基板２を準備する。次に、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、KOHによるウェットエッチング法により、窪み部２ｂを形成する。ここでＳｉの異方性エッチングを行なうことに
より、エッチングにより露出する１１１面を傾斜面２ｂ１とすることができる。また、エッチング時間の調整により、窪み部２ｂを所望の深さ、所望の大きさの底面２ｂ２を有するものとすることができる。
【００５４】
次に、熱酸化法を用いて基板２上にＳｉＯ２からなる拡散阻止膜Ｓを形成する。
【００５５】
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型半導体領域５ｐ，遮断領域２ｃ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。
【００５６】
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２の内部に拡散させ、ｐ型半導体領域４ｐ，５ｐおよび遮断領域２ｃ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６００〜１２００度の温度で熱拡散させる。この熱拡散は、一定の雰囲気・温度で一段階で行なってもよいし、数段階に分けて行なってもよい。具体的には、酸素雰囲気中で、前述の温度範囲の低温側の温度領域において熱処理後、窒素雰囲気中で、前述の温度範囲の高温側の温度領域において熱処理を行なってもよい。その後、拡散阻止膜Ｓを除去する。
【００５７】
次に、基板２をＭＯＣＶＤ装置の反応炉内で熱処理することにより、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度の温度で１０分間行う。
【００５８】
次いで、ＭＯＣＶＤ法を用いて、発光ダイオード３を構成する各半導体層を基板２上に順次積層する。そして、積層された半導体層Ｌ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３を形成する。なお、このとき、ｎ型コンタクト層３２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。
【００５９】
次に、熱酸化法、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３の露出面及び半導体基板２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６、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。
【００６０】
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６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６，１５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。
【００６１】
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。
【００６２】
ここで、受発光素子１のように、遮断領域１２ｃの厚みを窪み部２ｂの深さに比べて厚くするためには、上述のｐ型半導体領域５ｐおよび遮断領域２ｃを形成する工程において、まず、遮断領域２ｃを形成する領域のみにｐ型の不純物を拡散させた後、次にｐ型半導
体領域４ｐ，５ｐ，遮断領域２ｃを形成する領域に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、遮断領域２ｃの厚みを厚くすることができる。
【００６３】
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型半導体領域４ｐ，５ｐを形成する領域において拡散防止膜を薄層化し、遮断領域２ｃを形成する領域において開口部としたり、拡散防止膜の厚みを、ｐ型半導体領域４ｐ，５ｐを形成する領域において、ｐ型半導体領域４ｐ，５ｐを形成する領域よりも薄くなるようにしたりしてもよい。
【００６４】
本実施形態に係る受発光素子１によれば、半導体基板２の上面（一方の主面）２ａにおける発光ダイオード３とフォトダイオード４，５との間の位置に遮断領域２ｃが形成されているため、発光ダイオード３の駆動時に供給された電流が、半導体基板２を介してフォトダイオード４，５へ流入するのを抑制することができる。
【００６５】
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４，５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３からの正反射光に加え拡散反射光をも検出するときに、遮断領域２ｃ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。
【００６６】
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２に発光ダイオード３およびフォトダイオード４，５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３とフォトダイオード４，５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３とフォトダイオード４，５との間に遮断領域２ｃ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。
【００６７】
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型半導体領域４ｐ，５ｐの製造と同時に遮断領域２ｃ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。
【００６８】
そして、このような受発光素子１を用いたセンサ装置によれば、小型で高感度のものとすることができる。
【００６９】
以下、上述の実施形態に係るセンサ装置の使用方法について説明する。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（被照射体）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。
【００７０】
受発光素子１の基板２の主面と垂直方向に間隔をあけて、発光ダイオード３，フォトダイオード４，５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３からの発光は、この光学系を介して、受発光素子１の基板２の主面２ａと対向して配置される照射体である中間転写ベルト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、散乱反射光を含む）を光学系を介してフォトダイオード４，５によって受光する。フォトダイオード５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。
【００７１】
なお、本発明に係るセンサ装置は、アレイ化に適した構成となっている。より詳しくは、複数の発光ダイオード（３）、複数のフォトダイオード（４，５）を有するときの配線配置の観点でアレイ化に適した構成となっている。
【００７２】
具体的には、本発明に係る受発光素子１によれば、発光ダイオード３、フォトダイオード４，５は、外側に配線を引き出すことができる。これにより、不図示の外部回路とボンディングワイヤにより接続することができる。この例では、フォトダイオード４，５に接続されている第３電極１５を、発光ダイオード３が配置された領域と反対側の窪み部２ｂの外側まで引き出している。これら第３電極をアノードとして機能させる。そして、フォトダイオード４，５共通のカソードとして導体層１８を設けている。導体層１８は、発光ダイオード３が配置された領域と反対側の窪み部２ｂの外側に配置された幅広のパッドと、窪み部２ｂの底面２ｂ２に、平面視で第１フォトダイオード４と第２フォトダイオード５との間に配置された幅広のパッドと、両パッドを電気的に接続する幅細のライン部と、を有している。ここで、平面視で第１フォトダイオード４と第２フォトダイオード５との間に幅広のパッドを設けることで、カソードを第２フォトダイオード５に近接配置させることができ、第２フォトダイオード５の光電流を精度よく検出することができる。特に、散乱反射光を検出する第２フォトダイオード５は、検出する光電流の強度が小さいが、このようにカソードとして機能するパッドを近接配置してもアレイ化することができるので、高精度で小型の受発光素子１を提供することができる。
【００７３】
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、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。
【００７４】
例えば、上述の例では、発光ダイオード３，第１フォトダイオード４および第２フォトダイオード５がそれぞれ複数ある場合を例に説明したが、それぞれを１つずつ有するものとしてもよい。
【００７５】
また、上述の例では、複数の発光ダイオード３は直線状に配置されていたが、千鳥状であってもよい。また上述の例では、個々の発光ダイオード３，第１フォトダイオード４，第２フォトダイオード５が一直線上に並ぶ配置としたが、一直線上に並ばなくてもよい。
【００７６】
また、上述の例では基板２の発光ダイオード３が形成された領域と窪み部２ｂとの間に逆導電型不純物を拡散させて遮断領域２ｃを形成したが、図４に示すように、遮断領域２ｃに代えて溝２ｄを形成してもよい。溝２ｄにより、発光ダイオード３からの漏れ電流が窪み部２ｂに配置されたフォトダイオード４，５へ伝達することを防ぐことができる。
【００７７】
また、上記実施形態では、フォトダイオード４，５はｐｎ型としたが、ｐ型半導体領域５ｐと、このｐ型半導体領域５ｐと離間して基板２の上面（傾斜面２ｂ１、底面２ｂ２）に形成されたｎ型半導体領域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。特に、受光量の多い第１フォトダイオード４をＰＩＮ型として、受光量の少ない第２フォトダイオード５をｐｎ型とすることが好ましい。
【００７８】
また、一導電型および逆導電型を逆としてもよい。
【００７９】
さらに、上述の実施例では、複数の第１フォトダイオード４および第２フォトダイオード５とを１つの窪み部２ｂに設けた例を用いて説明したが、１つの第１フォトダイオード４および１つの第２フォトダイオード５の１セットに対して、個別に窪み部２ｂを形成してもよい。
【符号の説明】
【００８０】
１ 受発光素子
２ 基板
２ａ 一方の主面（上面）
２ｂ 窪み部
２ｂ１ 傾斜面
２ｂ２ 底面
２ｃ 遮断領域
２ｄ 溝
３ 発光ダイオード
４ 第１フォトダイオード
５ 第２フォトダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型の半導体材料から成り、傾斜面およびこれに続く底面で構成された窪み部を一主面に有する基板と、
前記基板の前記一主面に設けられた発光ダイオードと、
前記窪み部の前記底面に設けられた第１フォトダイオードと、
前記窪み部の前記傾斜面に設けられた第２フォトダイオードとを有する、受発光素子。
【請求項２】
前記第２フォトダイオードは、平面視で、前記発光ダイオードと前記第１フォトダイオードとの間に設けられている、請求項１に記載の受発光素子。
【請求項３】
前記基板は、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窪み部との間に溝部を有する、請求項１または２に記載の受発光素子。
【請求項４】
前記基板は、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窪み部との間に設けられた逆導電型の遮断領域を有する、請求項１または２に記載の受発光素子。
【請求項５】
前記発光ダイオード，前記第１フォトダイオードおよび前記第２フォトダイオードは、それぞれ複数あり、
複数の前記発光ダイオードは、直線状に配列され、
複数の前記第１フォトダイオードは、前記発光ダイオードの配列方向に沿って配置され、複数の前記第２フォトダイオードは、前記発光ダイオードの配列方向に沿って配置されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の受発光素子。
【請求項１】
一導電型の半導体材料から成り、傾斜面およびこれに続く底面で構成された窪み部を一主面に有する基板と、
前記基板の前記一主面に設けられた発光ダイオードと、
前記窪み部の前記底面に設けられた第１フォトダイオードと、
前記窪み部の前記傾斜面に設けられた第２フォトダイオードとを有する、受発光素子。
【請求項２】
前記第２フォトダイオードは、平面視で、前記発光ダイオードと前記第１フォトダイオードとの間に設けられている、請求項１に記載の受発光素子。
【請求項３】
前記基板は、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窪み部との間に溝部を有する、請求項１または２に記載の受発光素子。
【請求項４】
前記基板は、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窪み部との間に設けられた逆導電型の遮断領域を有する、請求項１または２に記載の受発光素子。
【請求項５】
前記発光ダイオード，前記第１フォトダイオードおよび前記第２フォトダイオードは、それぞれ複数あり、
複数の前記発光ダイオードは、直線状に配列され、
複数の前記第１フォトダイオードは、前記発光ダイオードの配列方向に沿って配置され、複数の前記第２フォトダイオードは、前記発光ダイオードの配列方向に沿って配置されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の受発光素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−１１５２４５（Ｐ２０１３−１１５２４５Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６０２９７（Ｐ２０１１−２６０２９７）
【出願日】平成２３年１１月２９日（２０１１．１１．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２９日（２０１１．１１．２９）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]